鈦合金齒輪的表面處理與應(yīng)用

李爭(zhēng)顯，姬壽長(zhǎng)，王彥峰，王浩楠，劉林濤，杜繼紅，駱瑞雪，張寶坤

(1.西北有色金屬研究院， 陜西 西安 710016)(2.中核集團(tuán)公司504廠，甘肅 蘭州 730065)

0 引 言

在某重大工程中，傳輸具有很強(qiáng)腐蝕性的特種氣體時(shí)，原使用的是采用40Cr合金鋼加工而成的傳動(dòng)齒輪，但在試運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)中因腐蝕和摩擦產(chǎn)生的粉末(鐵磁性物質(zhì))被磁傳動(dòng)器吸入，填充在內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與隔套的間隙內(nèi)，致使粉末與隔套產(chǎn)生很大的摩擦，加快了磁傳動(dòng)器的升溫速率，大幅降低了磁傳動(dòng)器的使用壽命。

這種在具有很強(qiáng)腐蝕性的特種氣體環(huán)境中運(yùn)行的齒輪，不僅要承受氣體的腐蝕，還要承受齒輪運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的沖擊和摩擦，其服役條件非常苛刻。鈦合金在這種特種氣體中具有良好的耐腐蝕性能，但其耐磨性能差，不能直接用作傳動(dòng)齒輪。為此，李爭(zhēng)顯團(tuán)隊(duì)開展了以提高鈦合金在特種氣體環(huán)境中耐腐蝕性能和耐磨性能為中心的研究工作，并根據(jù)研究成果，成功制造出鈦合金齒輪。

本文則主要介紹了鈦合金齒輪在制造過程中關(guān)鍵的表面處理技術(shù)，以及無氫滲碳技術(shù)對(duì)鈦合金齒輪耐磨性能和抗沖擊載荷性能的影響。

1 齒輪的表面處理技術(shù)

眾所周知，齒輪在傳動(dòng)過程中，通過齒面的咬合實(shí)現(xiàn)力矩的傳遞，在齒面的咬合過程中發(fā)生著復(fù)雜的摩擦現(xiàn)象。美國(guó)鐵姆肯公司的研究人員把齒輪的齒面分為5個(gè)區(qū)域，如圖1所示[1]。通常情況下，齒輪在節(jié)線附近C處會(huì)產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，這個(gè)區(qū)域最普遍的磨損方式是點(diǎn)蝕。在節(jié)線B-C和C-D之間，齒面將經(jīng)受滾動(dòng)和滑動(dòng)2種磨損混合形式的接觸，這個(gè)區(qū)域的磨損形式是點(diǎn)蝕和劃傷。而在A-B和D-E之間，齒面的接觸方式主要是滑動(dòng)，引起的磨損主要是滑動(dòng)產(chǎn)生的劃傷。因此，對(duì)齒輪進(jìn)行的表面處理主要是提高齒輪的抗粘合性能、抗點(diǎn)蝕性能及抗磨損性能。

圖1 齒輪的齒面劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of wheal gear surface

常規(guī)的齒輪表面處理技術(shù)主要有滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬、激光表面強(qiáng)化、熱噴涂等。隨著表面技術(shù)的發(fā)展及對(duì)齒輪傳動(dòng)精密度要求的提高，出現(xiàn)了真空離子注入和等離子鍍等現(xiàn)代表面處理技術(shù)。這些技術(shù)利用物理方法在齒輪表面沉積一層TiN等陶瓷薄膜，不僅可以提高齒面的表面硬度，而且可以改善齒面的摩擦狀態(tài)，達(dá)到提高齒輪壽命的目的。另一方面，現(xiàn)代表面處理技術(shù)處理溫度較低，處理過程中齒輪幾乎不發(fā)生變形，易實(shí)現(xiàn)齒輪的高精密度制造[2-3]。但真空離子注入和等離子鍍2種工藝得到的耐磨層較薄，無法抵御重載轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)齒輪的載荷。

研究人員嘗試依照鋼鐵齒輪表面處理的方法對(duì)鈦合金齒輪進(jìn)行處理，但由于鈦合金材料的特殊性，遇到了很多問題。實(shí)踐表明，許多鋼鐵齒輪的表面處理方法并不適用于鈦合金齒輪。

通常，對(duì)鈦表面進(jìn)行硬化提高其耐磨性能的處理方法有電鍍、物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、氮化、碳化、激光熔覆、熱噴涂等。然而，鈦合金齒輪在嚙合時(shí)承受著復(fù)雜的載荷，電鍍、PVD、CVD等方法制備的凃?qū)优c基體的結(jié)合力較小，無法滿足齒面耐磨性能要求。等離子氮化是一種鋼制齒輪表面處理應(yīng)用最多的方法，該方法雖然可在鈦表面形成一層具有冶金結(jié)合的TiN層，但由于滲氮溫度較高，嚴(yán)重影響鈦合金的力學(xué)性能[4-5]。與等離子氮化相比，滲碳技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，得到廣泛應(yīng)用。滲碳技術(shù)是通過在材料表面滲入一定濃度C元素，從而形成了一層滲碳層，該滲碳層不僅與基體材料形成冶金結(jié)合，同時(shí)還具有很高的硬度，使齒輪不僅具有承受各類負(fù)荷(磨損、疲勞、機(jī)械負(fù)載及化學(xué)腐蝕)的能力，還具有高的耐磨性、疲勞強(qiáng)度及優(yōu)良的耐蝕性能。

另外，從摩擦學(xué)方面分析，TiN與TiN形成摩擦副的干摩擦系數(shù)為0.53，而TiC與TiC形成摩擦副的干摩擦系數(shù)僅為0.17[6],因此對(duì)鈦合金齒輪進(jìn)行表面處理的最好方法即能夠在鈦表面形成摩擦系數(shù)低的含有TiC相的強(qiáng)化層。

2 鈦合金齒輪表面無氫滲碳

西北有色金屬研究院研發(fā)的無氫滲碳技術(shù)是在低于等離子滲氮溫度下，對(duì)鈦材料進(jìn)行沒有氫元素參與的滲碳處理，避免了使鈦合金力學(xué)性能降低的“氫脆”問題[7-12]。圖2是TC4鈦合金經(jīng)過無氫滲碳處理后的表面及截面形貌。由圖2可以看出，滲碳層表面光滑(圖2a)，呈拋光態(tài)的表面特征;滲碳處理后最外層Ⅰ是一層較疏松的碳膜，其下為結(jié)構(gòu)單一的Ⅱ?qū)樱穸却蠹s為25 μm(圖2b)。

圖2 TC4鈦合金滲碳層的表面及截面形貌Fig.2 Morphologies of carburizing coating on TC4 titanium alloy: (a)surface; (b)cross-section

對(duì)Ⅱ?qū)舆M(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，Ⅱ?qū)邮菃我坏腡iC相，是C與Ti反應(yīng)形成的硬化層。Ⅲ層是一層C的擴(kuò)散層，厚度大約為150 μm。從Ⅲ層的XRD圖譜(圖4)可以看出，該層為TiC與Ti的混合相。

TC4鈦合金材料表面進(jìn)行無氫滲碳后，其滲碳層硬度在滲層深度方向上的變化如圖5所示。從圖5可以看出，表層的TiC層硬度較高，達(dá)到13 GPa。鈦合金齒輪承受的沖擊載荷很大，硬度高、脆性大的

圖3 Ⅱ?qū)拥腦RD圖譜Fig.3 XRD pattern of Ⅱ layer

圖4 Ⅲ層的XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of Ⅲ layer

TiC層在齒輪運(yùn)行時(shí)非常容易破裂，因此在鈦合金齒輪滲碳后，需要去除該TiC層。TiC層下面的滲層中是TiC與Ti的復(fù)合相，其硬度雖較TiC層稍有降低，但仍然可以抵御齒輪傳動(dòng)時(shí)的摩擦損傷。滲碳層中的Ti相增強(qiáng)了滲層的韌性，提高了齒面的抗沖擊性能。圖6是鈦合金齒輪(已去除表面TiC層)2個(gè)不同齒面滲層硬度沿滲層深度的變化曲線。此時(shí)，鈦合金齒輪的齒面硬度大體被控制在7～8 GPa范圍內(nèi)。

圖6 鈦合金齒輪硬度隨滲碳層深度的變化曲線Fig.6 The hardness of titanium alloy wheal gear varies with the depth of the carburized coating

通常情況下，經(jīng)過高溫處理的材料其力學(xué)性能均要發(fā)生變化，特別是重要場(chǎng)合使用的鈦合金齒輪，對(duì)基體的力學(xué)性能有著嚴(yán)格的要求。表1列出了4件經(jīng)過無氫滲碳處理的TC4鈦合金試樣及1件未經(jīng)滲碳處理的TC4鈦合金試樣的力學(xué)性能。從表1可以看出，經(jīng)過滲碳處理后，TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度發(fā)生了一定的變化，但變化率僅為0.6%；4件滲碳試樣的斷后伸長(zhǎng)率平均值為18.25%，較未滲碳試樣下降了4%，但仍然達(dá)到國(guó)標(biāo)要求；斷面收縮率平均值為46.75%，提高了46%。斷面收縮率的提高有利于提升材料的承載沖擊載荷性能。

表1鈦合金滲碳試樣的力學(xué)性能

Table 1 Mechanical properties of carburizing titanium alloy samples

3 鈦合金齒輪的加工及應(yīng)用

加工高質(zhì)量、高精度的鈦合金齒輪不僅需要有效的表面處理技術(shù)，還需要表面處理工序與機(jī)械加工、熱處理等工序的有效協(xié)調(diào)。圖7是鈦合金齒輪加工工序的流程圖。圖8是經(jīng)過無氫滲碳處理后的TC4鈦合金齒輪的照片。

圖7 鈦合金齒輪的加工工序流程圖Fig.7 Production process chart of titanium alloy wheal gear

圖8 經(jīng)過無氫滲碳處理的TC4鈦合金齒輪Fig.8 Photo of the hydrogen-free carburizing TC4 titanium alloy wheal gears

依據(jù)上述工藝技術(shù)加工的TC4鈦合金齒輪,其結(jié)構(gòu)尺寸、形位公差及轉(zhuǎn)動(dòng)精度均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)。用該齒輪組裝的傳動(dòng)系統(tǒng)，在以0.25%的六氟化鈾(UF6)為主要成分，同時(shí)含有微量氟氣(F2)和氟化氫(HF)的60 ℃混合氣體中，順利通過了432 h的性能測(cè)試。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了10個(gè)周期(每個(gè)周期480～552 h)的循環(huán)運(yùn)行考驗(yàn)，結(jié)果表明：TC4鈦合金齒輪耐磨性能優(yōu)良，抗沖擊振動(dòng)性能良好，噪聲很低，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高，達(dá)到了長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。截至目前，該套TC4鈦合金齒輪已平穩(wěn)運(yùn)行了16年。

4 結(jié)束語

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高的鈦合金齒輪等重要零件，以提高性能為主的表面處理工序，不能作為零件的最終工序，需要結(jié)合表面處理和機(jī)械加工的特點(diǎn)，合理安排工序。將鈦合金齒輪運(yùn)行過程中的受力特征與鈦合金表面無氫滲碳層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合，在鈦合金齒輪表面制備出TiC+Ti擴(kuò)散層，不僅提高了齒面的耐磨性能，也提高了齒面抗沖擊載荷的能力。通過無氫滲碳、熱處理及機(jī)械加工工序的有效協(xié)調(diào)，制造出已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行16年，且耐磨性能優(yōu)良、抗沖擊振動(dòng)性能良好、噪聲很低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的鈦合金齒輪。鈦合金齒輪耐蝕、無磁性、降噪等特征為其在苛刻條件服役打下了基礎(chǔ)。可以預(yù)言，鈦合金齒輪將會(huì)作為高性能的傳動(dòng)構(gòu)件應(yīng)用于我國(guó)航空航天、艦船等領(lǐng)域，為我國(guó)高端制造業(yè)服務(wù)。