Ötürücü örtük texnologiyası

PVD çökmə texnologiyası uzun illərdir yeni bir səth modifikasiyası texnologiyası, xüsusən də son illərdə böyük inkişaf qazanan və hazırda alətlərin, qəliblərin, piston halqalarının, dişlilərin və digər komponentlərin emalında geniş istifadə olunan vakuum ion örtük texnologiyası kimi tətbiq olunur. Vakuum ion örtük texnologiyası ilə hazırlanmış örtüklü dişlilər sürtünmə əmsalını əhəmiyyətli dərəcədə azalda, aşınmaya qarşı və müəyyən korroziyaya qarşı müqaviməti artıra bilər və dişli səthinin möhkəmləndirilməsi texnologiyası sahəsində tədqiqatların diqqət mərkəzində və qaynar nöqtəsinə çevrilmişdir.

Ötürücü çarxlar üçün istifadə olunan ümumi materiallar əsasən döymə polad, tökmə polad, çuqun, əlvan metallar (mis, alüminium) və plastiklərdir. Polad əsasən 45 polad, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl-dır. Aşağı karbonlu polad əsasən 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo-da istifadə olunur. Döymə polad daha yaxşı performansına görə dişli çarxlarda daha geniş istifadə olunur, tökmə polad isə adətən diametri > 400 mm və mürəkkəb quruluşa malik dişli çarxlar istehsal etmək üçün istifadə olunur. Çuqun dişli çarxlar yapışmaya və çuxur əmələ gətirməyə davamlıdır, lakin zərbə və aşınma müqavimətinin olmaması əsasən sabit işləmək üçündür, gücü aşağı sürət və ya böyük ölçüdə və mürəkkəb formada deyil, yağlama çatışmazlığı şəraitində işləyə bilər və açıq ötürmə üçün uyğundur. Dəmir olmayan metallar arasında qalay bürünc, alüminium-dəmir bürünc və tökmə alüminium ərintiləri geniş istifadə olunur və turbin və ya dişli çarxların istehsalında geniş istifadə olunur, lakin sürüşmə və sürtünmə əleyhinə xüsusiyyətlər zəifdir, yalnız yüngül, orta yüklü və aşağı sürətli dişli çarxlar üçündür. Qeyri-metal material dişli çarxlar əsasən yağsız yağlama və yüksək etibarlılıq kimi xüsusi tələbləri olan bəzi sahələrdə istifadə olunur. Məişət texnikası, tibbi avadanlıqlar, qida maşınları və tekstil maşınları kimi aşağı çirklənmə kimi şərtlər sahəsi.

Ötürücü örtük materialları

Mühəndislik keramika materialları yüksək möhkəmlik və sərtliyə, xüsusən də əla istilik müqavimətinə, aşağı istilik keçiriciliyinə və istilik genişlənməsinə, yüksək aşınma müqavimətinə və oksidləşmə müqavimətinə malik olduqca perspektivli materiallardır. Çoxsaylı tədqiqatlar göstərir ki, keramika materialları təbii olaraq istiliyə davamlıdır və metallara qarşı aşağı aşınmaya malikdir. Buna görə də, aşınmaya davamlı hissələr üçün metal materiallar əvəzinə keramika materiallarından istifadə sürtünmə altlığının ömrünü yaxşılaşdıra bilər, bəzi yüksək temperatur və yüksək aşınmaya davamlı materiallara, çoxfunksiyalı və digər sərt tələblərə cavab verə bilər. Hazırda mühəndislik keramika materialları mühərrik istiliyinə davamlı hissələrin, aşınma hissələrində mexaniki ötürücülərin, korroziyaya davamlı hissələrdə kimyəvi avadanlıqların və möhürləyici hissələrin istehsalında istifadə olunur ki, bu da keramika materiallarının geniş tətbiqini getdikcə daha çox göstərir.

Almaniya, Yaponiya, ABŞ, Birləşmiş Krallıq və digər inkişaf etmiş ölkələr mühəndislik keramika materiallarının inkişafına və tətbiqinə böyük əhəmiyyət verir, mühəndislik keramikasının emal nəzəriyyəsi və texnologiyasını inkişaf etdirmək üçün çoxlu pul və işçi qüvvəsi sərf edirlər. Almaniya, ətraf mühitə və insan bədəninə potensial zərərli sürtkü mühitini əvəz etmək üçün hissələrin səthində uyğun bir təbəqə sintez etmək üçün PVD texnologiyasından istifadə etmək məqsədi daşıyan "SFB442" adlı bir proqrama başladı. Almaniyadakı PW Gold və digərləri, SFB442-dən əldə edilən maliyyələşdirmədən istifadə edərək, diyircəkli rulmanların səthinə nazik təbəqələr yerləşdirmək üçün PVD texnologiyasını tətbiq etdilər və diyircəkli rulmanların aşınmaya qarşı performansının əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdığını və səthə çökdürülən təbəqələrin həddindən artıq təzyiqli aşınmaya qarşı əlavələrin funksiyasını tamamilə əvəz edə biləcəyini aşkar etdilər. Almaniyada Joachim, Franz və digərləri, EP əlavələri olan sürtkü yağlarından daha yüksək əla yorğunluq əleyhinə xüsusiyyətlər nümayiş etdirən WC/C təbəqələri hazırlamaq üçün PVD texnologiyasından istifadə etdilər ki, bu da zərərli əlavələrin örtüklərlə əvəz edilməsinə imkan yaradır. Almaniyanın Axen Texniki Universitetinin Material Elmləri İnstitutundan E. Lugscheider və digərləri, DFG (Alman Tədqiqat Komissiyası) maliyyəsi ilə, PVD texnologiyasından istifadə edərək 100Cr6 poladına uyğun təbəqələr yerləşdirdikdən sonra yorğunluğa qarşı müqavimətdə əhəmiyyətli dərəcədə artım nümayiş etdirdilər. Bundan əlavə, ABŞ General Motors, yorğunluq çuxurlarına qarşı müqaviməti artırmaq üçün VolvoS80Turbo tipli avtomobil dişli səthinin çökmə filminin istehsalına başlayıb; məşhur Timken şirkəti ES200 dişli səth filmi adını satışa çıxarıb; qeydiyyatdan keçmiş ticarət nişanı MAXIT dişli örtüyü Almaniyada peyda olub; qeydiyyatdan keçmiş ticarət nişanı Graphit-iC və Dymon-iC olan dişli örtükləri müvafiq olaraq Böyük Britaniyada da mövcuddur. Graphit-iC və Dymon-iC qeydiyyatdan keçmiş ticarət nişanları ilə dişli örtükləri.

Mexaniki ötürücünün vacib ehtiyat hissələri kimi dişli çarxlar sənayedə mühüm rol oynayır, buna görə də dişli çarxlarda keramika materiallarının tətbiqini öyrənmək çox vacib praktik əhəmiyyət kəsb edir. Hazırda dişli çarxlara tətbiq olunan mühəndislik keramikası əsasən aşağıdakılardır.

1, TiN örtük təbəqəsi
1, TiN

İon örtüklü TiN keramika təbəqəsi yüksək sərtlik, yüksək yapışma gücü, aşağı sürtünmə əmsalı, yaxşı korroziyaya davamlılıq və s. ilə ən çox istifadə edilən səth modifikasiyalı örtüklərdən biridir. Xüsusilə alət və qəlib sənayesində müxtəlif sahələrdə geniş istifadə edilmişdir. Ötürücülərdə keramika örtüyünün tətbiqinə təsir edən əsas səbəb keramika örtüyü ilə substrat arasındakı yapışma problemidir. Ötürücülərin iş şəraiti və təsir edən amilləri alətlər və qəliblərdən daha mürəkkəb olduğundan, dişli səthinin işlənməsi üçün tək TiN örtüyünün tətbiqi çox məhduddur. Keramika örtüyü yüksək sərtlik, aşağı sürtünmə əmsalı və korroziyaya davamlılıq üstünlüklərinə malik olsa da, kövrəkdir və daha qalın bir örtük əldə etmək çətindir, buna görə də xüsusiyyətlərini qorumaq üçün örtüyü dəstəkləmək üçün yüksək sərtlik və yüksək möhkəmlikli substrat lazımdır. Buna görə də, keramika örtüyü əsasən karbid və yüksək sürətli polad səthlər üçün istifadə olunur. Ötürücü material keramika materialı ilə müqayisədə yumşaqdır və substratın təbiəti ilə örtük arasındakı fərq böyükdür, buna görə də örtüklə substratın kombinasiyası zəifdir və örtük örtüyü dəstəkləmək üçün kifayət deyil, bu da istifadə prosesində örtüyün asanlıqla düşməsini təmin edir, bu, yalnız keramika örtüyünün üstünlüklərini oynaya bilməz, həm də düşən keramika örtük hissəcikləri dişlidə aşındırıcı aşınmaya səbəb olacaq və dişlinin aşınma itkisini sürətləndirəcək. Mövcud həll yolu keramika ilə substrat arasındakı əlaqəni yaxşılaşdırmaq üçün kompozit səth emalı texnologiyasından istifadə etməkdir. Kompozit səth emalı texnologiyası, tək bir səth emalı prosesi ilə əldə edilə bilməyən kompozit mexaniki xüsusiyyətlər əldə etmək üçün substrat materialının səthini dəyişdirmək üçün iki ayrı səth/alt səth istifadə edərək fiziki buxar çökmə örtüyü və digər səth emalı proseslərinin və ya örtüklərinin birləşməsinə aiddir. İon nitridləmə və PVD ilə çökdürülmüş TiN kompozit örtüyü ən çox tədqiq edilən kompozit örtüklərdən biridir. Plazma nitridləmə substratı və TiN keramika kompozit örtüyü güclü bir bağa malikdir və aşınma müqaviməti əhəmiyyətli dərəcədə artır.

Əla aşınma müqavimətinə və film əsas yapışmasına malik TiN film təbəqəsinin optimal qalınlığı təxminən 3~4μm-dir. Film təbəqəsinin qalınlığı 2μm-dən az olarsa, aşınma müqaviməti əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşmayacaq. Film təbəqəsinin qalınlığı 5μm-dən çox olarsa, film əsas yapışması azalacaq.

2, Çoxqatlı, çoxkomponentli TiN örtük

TiN örtüklərinin tədricən və geniş tətbiqi ilə TiN örtüklərinin necə təkmilləşdirilməsi və gücləndirilməsi ilə bağlı getdikcə daha çox tədqiqat aparılır. Son illərdə Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 və s. kimi ikili TiN örtüklərinə əsaslanan çoxkomponentli və çoxqatlı örtüklər hazırlanmışdır. TiN örtüklərinə Al və Si kimi elementlər əlavə etməklə örtüklərin yüksək temperatur oksidləşməsinə qarşı müqaviməti və sərtliyi artırıla bilər, B kimi elementlərin əlavə edilməsi isə örtüklərin sərtliyini və yapışma gücünü artıra bilər.

Çoxkomponentli tərkibin mürəkkəbliyinə görə, bu tədqiqatda bir çox mübahisələr mövcuddur. (Tix,Cr1-x)N çoxkomponentli örtüklərin öyrənilməsində tədqiqat nəticələrində böyük bir mübahisə var. Bəzi insanlar (Tix,Cr1-x)N örtüklərinin TiN-ə əsaslandığına və Cr-nin yalnız TiN nöqtə matrisində əvəzedici bərk məhlul şəklində mövcud ola biləcəyinə, lakin ayrıca CrN fazası kimi mövcud olmadığına inanırlar. Digər tədqiqatlar göstərir ki, (Tix,Cr1-x)N örtüklərində Ti atomlarını birbaşa əvəz edən Cr atomlarının sayı məhduddur və qalan Cr tək halında mövcuddur və ya N ilə birləşmələr əmələ gətirir. Təcrübə nəticələri göstərir ki, örtüyə Cr əlavə edilməsi səth hissəciklərinin ölçüsünü azaldır və sərtliyi artırır və Cr-in kütlə faizi 3l%-ə çatdıqda örtüyün sərtliyi ən yüksək dəyərinə çatır, lakin örtüyün daxili gərginliyi də maksimum dəyərinə çatır.

3, Digər örtük təbəqəsi

Tez-tez istifadə olunan TiN örtüklərinə əlavə olaraq, dişli səthinin möhkəmləndirilməsi üçün bir çox müxtəlif mühəndislik keramikası istifadə olunur.

(1)Yaponiyalı Y. Terauchi və digərləri buxar çökdürmə üsulu ilə çökdürülmüş titan karbid və ya titan nitrid keramika dişlilərinin sürtünmə aşınmasına qarşı müqavimətini araşdırdılar. Örtükdən əvvəl dişlilər təxminən HV720 səth sərtliyinə və 2,4 μm səth pürüzlülüyünə nail olmaq üçün karbürləşdirildi və cilalandı, keramika örtükləri isə təxminən 2 μm keramika təbəqəsi qalınlığı ilə titan karbid üçün kimyəvi buxar çökdürmə (CVD) və titan nitrid üçün fiziki buxar çökdürmə (PVD) ilə hazırlandı. Sürtünmə aşınma xüsusiyyətləri müvafiq olaraq yağ və quru sürtünmənin iştirakı ilə araşdırıldı. Keramika ilə örtüldükdən sonra dişli çarxının aşınma müqavimətinin və cızıq müqavimətinin əhəmiyyətli dərəcədə artdığı aşkar edildi.

(2) Kimyəvi örtüklü Ni-P və TiN-dən ibarət kompozit örtük, keçid təbəqəsi kimi əvvəlcədən Ni-P örtüklə örtülməklə və sonra TiN çökdürülməklə hazırlanmışdır. Tədqiqat göstərir ki, bu kompozit örtüyün səth sərtliyi müəyyən dərəcədə yaxşılaşıb və örtük substratla daha yaxşı yapışır və daha yaxşı aşınma müqavimətinə malikdir.

(3) WC/C, B4C nazik təbəqə
Yaponiya Texnologiya İnstitutunun Mexanika Mühəndisliyi Bölümü M. Murakawa və digərləri dişli çarxların səthinə WC/C nazik təbəqəsi çökdürmək üçün PVD texnologiyasından istifadə etdilər və onun xidmət müddəti yağsız yağlama şəraitində adi söndürülmüş və üyüdülmüş dişlilərdən üç dəfə çox idi. Franz J və digərləri FEZ-A və FEZ-C dişlilərinin səthinə WC/C və B4C nazik təbəqəsi çökdürmək üçün PVD texnologiyasından istifadə etdilər və təcrübə göstərdi ki, PVD örtüyü dişli sürtünməsini əhəmiyyətli dərəcədə azaltdı, dişlini isti yapışdırmağa və ya yapışdırmağa daha az həssas etdi və dişlinin yük daşıma qabiliyyətini yaxşılaşdırdı.

(4) CrN filmləri
CrN filmləri TiN filmlərinə bənzəyir, çünki onlar daha yüksək sərtliyə malikdirlər və CrN filmləri TiN-dən daha yüksək temperatur oksidləşməsinə daha davamlıdır, daha yaxşı korroziyaya davamlılığa, TiN filmlərindən daha aşağı daxili gərginliyə və nisbətən daha yaxşı möhkəmliyə malikdirlər. Chen Ling və s. HSS səthində əla film əsaslı yapışmaya malik aşınmaya davamlı TiAlCrN/CrN kompozit film hazırladılar və həmçinin çoxqatlı filmin dislokasiya yığma nəzəriyyəsini təklif etdilər. Əgər iki təbəqə arasında dislokasiya enerjisi fərqi böyükdürsə, bir təbəqədə baş verən dislokasiya onun sərhədindən digər təbəqəyə keçməkdə çətinlik çəkəcək və beləliklə, sərhəddə dislokasiya yığma əmələ gətirəcək və materialın möhkəmləndirilməsi rolunu oynayacaq. Zhong Bin və s. azot tərkibinin CrNx filmlərinin faza strukturuna və sürtünmə aşınma xüsusiyyətlərinə təsirini öyrəndilər və tədqiqat göstərdi ki, filmlərdə Cr2N (211) difraksiya zirvəsi tədricən zəiflədi və CrN (220) zirvəsi N2 tərkibinin artması ilə tədricən gücləndi, film səthindəki böyük hissəciklər tədricən azaldı və səth düz olmağa meylli oldu. N2 aerasiyası 25 ml/dəq olduqda (hədəf mənbə qövs cərəyanı 75 A idi), çökdürülmüş CrN təbəqəsi yaxşı səth keyfiyyətinə, yaxşı sərtliyə və N2 aerasiyası 25 ml/dəq olduqda (hədəf mənbə qövs cərəyanı 75A, mənfi təzyiq 100V idi) əla aşınma müqavimətinə malikdir.

(5) Super sərt film
Super sərt təbəqə, əsasən amorf almaz təbəqəsi və CN təbəqəsindən ibarət sərtliyi 40GPa-dan çox olan, əla aşınma müqavimətinə, yüksək temperatur müqavimətinə və aşağı sürtünmə əmsalına və aşağı istilik genişlənmə əmsalına malik bərk təbəqədir. Amorf almaz təbəqələri amorf xüsusiyyətlərə malikdir, uzun məsafəli nizamlı quruluşa malik deyil və çox sayda CC tetraedrik rabitə ehtiva edir, buna görə də onlara tetraedrik amorf karbon təbəqələri də deyilir. Bir növ amorf karbon təbəqəsi olaraq, almaz kimi örtük (DLC) yüksək istilik keçiriciliyi, yüksək sərtlik, yüksək elastiklik modulu, aşağı istilik genişlənmə əmsalı, yaxşı kimyəvi stabillik, yaxşı aşınma müqaviməti və aşağı sürtünmə əmsalı kimi almaz kimi bir çox əla xüsusiyyətlərə malikdir. Ötürücü səthlərə almaz kimi təbəqələrin örtülməsinin xidmət müddətini 6 dəfə uzada və yorğunluq müqavimətini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra biləcəyi göstərilmişdir. Amorf karbon-azot təbəqələri kimi də tanınan CN təbəqələri, β-Si3N4 kovalent birləşmələrinə bənzər kristal quruluşa malikdir və β-C3N4 kimi də tanınır. Liu və Cohen və s. Birinci təbiət prinsipindən istifadə edərək psevdopotensial zolaq hesablamalarından istifadə edərək ciddi nəzəri hesablamalar aparmış, β-C3N4-ün böyük bir bağlayıcı enerjiyə, sabit mexaniki quruluşa, ən azı bir alt-sabit vəziyyətə malik olduğunu və elastik modulunun yaxşı xüsusiyyətlərə malik almazla müqayisə edilə biləcəyini, materialın səth sərtliyini və aşınma müqavimətini effektiv şəkildə artıra və sürtünmə əmsalını azalda biləcəyini təsdiqləmişdir.

(6) Digər ərinti aşınmaya davamlı örtük təbəqəsi
Bəzi ərintili aşınmaya davamlı örtüklər dişli çarxlara da tətbiq olunmağa çalışılmışdır, məsələn, 45# polad dişli çarxların diş səthinə Ni-P-Co ərinti təbəqəsinin çökdürülməsi ultra incə dənəli təşkilatlanma əldə etmək üçün ərinti təbəqəsidir ki, bu da ömrü 1,144~1,533 dəfəyə qədər uzada bilər. Həmçinin öyrənilmişdir ki, Cu-Cr-P ərintili çuqun dişli çarxının möhkəmliyini artırmaq üçün onun diş səthinə Cu metal təbəqəsi və Ni-W ərinti örtüyü tətbiq olunur; örtülməmiş dişli çarxla müqayisədə aşınma müqavimətini 4~6 dəfə artırmaq üçün HT250 çuqun dişli çarxının diş səthinə Ni-W və Ni-Co ərinti örtüyü tətbiq olunur.