齿轮高速、重载、重量轻、小尺寸的发展趋势使得采用传统表面强化方法增加齿面硬度和增大齿轮模数来改善齿轮承载能力的方法面临很大的局限,在特殊条件下,当要求比较高时,需要寻找新型的高性能齿轮材料和表面强化方法。本文针对齿轮承载能力进行研究,特别对齿轮表面沉积涂层的耐磨性、摩擦性能以及机械强度进行了深入研究,以确定齿轮表面工程对其承载能力的影响。在常用的陶瓷涂层中,氮化钛(TiN)具有硬度极高、摩擦系数低、耐磨性、耐蚀性好等优点,是目前在工具行业中应用最为普遍、技术最为成熟的陶瓷涂层。本文来源于国家自然科学基金项目“表面陶瓷齿轮工艺特性与承载能力的研究”(50375164)和“表面陶瓷齿轮工艺与性能的研究”(50105022),选择TiN陶瓷涂层作为研究对象,通过理论和试验研究探讨在齿轮表面制备TiN陶瓷涂层的工艺及其对齿轮承载能力的作用,为新型齿轮表面强化工艺的研究提供有益的经验。论文的主要工作有:(1)通过接触有限元分析确定齿轮的应力场,确定齿轮台架试验的载荷。分析齿轮在不同摩擦力下的接触应力特征。(2)根据齿轮材料及其处理工艺的特殊性,结合TiN涂层制备工艺的特点,提出齿轮表面制备TiN陶瓷涂层的技术路线。(3)选择不同的齿轮材料通过优化工艺试验,在金属齿轮表面涂镀TiN涂层,确定适合TiN制备的齿轮材料。(4)结合摩擦磨损和冲击试验,考察TiN陶瓷涂层的耐磨性、减摩特性以及对基体韧性的影响。(5)通过摩擦力分析、弯曲性能分析,探讨TiN涂层对轮齿承载能力的影响。(6)通过接触疲劳试验和齿轮台架试验,分析齿轮表面涂镀TiN涂层后的表面承载能力。通过以上理论和试验分析表明,不同成分的钢离子氮化后沉积TiN,表现出的摩擦性能有一定的差异,32Cr2MoV齿轮的耐磨性最好。承载条件下的齿轮,其表面的摩擦力对接触应力有一定的影响,TiN涂层对于齿轮表面承载能力的有利作用主要取决于涂层高的硬度等力学性能。弯曲实验研究表明,TiN涂层对轮齿的刚度有提高作用,但幅度极小,涂层不影响轮齿的弯曲性能。对比有无TiN涂层的32Cr2MoV的冲击韧性试验,结果表明TiN在沉积过程中因为温度较低没有影响材料芯部的韧性,但是确实能够改变材料表面的硬度和耐磨性能,也能一定程度上提高了材料的韧性。32Cr2MoV涂镀TiN后提高了齿面的残余压应力,有助于提高涂层/基体的结合强度,从而减少接触载荷的破坏作用。采用线接触滚子式接触疲劳试验对比了离子氮化32Cr2MoV和TiN涂镀的32Cr2MoV接触疲劳强度,采用齿轮箱实际运转对比了TiN对齿面耐磨性的影响,TiN涂层提高了齿面的接触疲劳强度,改善了齿面耐磨性和抗划擦性能。论文的研究工作,进一步丰富了齿轮表面强化的方法及理论,为涂层技术在齿轮表面的应用提供了有益的研究成果。论文的创新性体现在以下方面。(1)研究新型陶瓷涂层及其制备工艺和齿轮材料及热处理工艺的匹配问题,选择不同的齿轮材料通过优化工艺试验,在齿轮表面生长TiN涂层。在国内首次提出离子氮化齿轮表面制备TiN陶瓷涂层的技术路线。(2)在国内首次进行系统的离子氮化齿轮涂镀TiN涂层的摩擦磨损和冲击试验,考察离子氮化齿轮涂镀TiN涂层的耐磨性、减摩特性以及对基体韧性的影响。进行离子氮化齿轮涂镀TiN涂层后的摩擦力分析、弯曲性能分析、残余应力分析,研究离子氮化齿面涂镀TiN涂层对齿轮强度的影响。(3)首次进行TiN涂层涂镀的离子氮化齿轮接触疲劳试验和齿轮台架试验,分析离子氮化齿轮表面涂镀TiN涂层后的表面承载能力。试验证明涂镀TiN陶瓷涂层的离子氮化齿轮效果较好。