Тэхналогія PVD-нанясення ўжо шмат гадоў практыкуецца як новая тэхналогія мадыфікацыі паверхні, асабліва тэхналогія вакуумнага іённага пакрыцця, якая атрымала значнае развіццё ў апошнія гады і цяпер шырока выкарыстоўваецца для апрацоўкі інструментаў, прэс-формаў, поршневых кольцаў, шасцярняў і іншых кампанентаў. Пакрытыя шасцярні, падрыхтаваныя з дапамогай тэхналогіі вакуумнага іённага пакрыцця, могуць значна знізіць каэфіцыент трэння, палепшыць супрацьзносныя і некаторыя супрацькаразійныя ўстойлівасці, і сталі цэнтрам і гарачай кропкай даследаванняў у галіне тэхналогіі ўмацавання паверхні шасцярняў.
Звычайнымі матэрыяламі для зубчастых колаў з'яўляюцца кованая сталь, літая сталь, чыгун, каляровыя металы (медзь, алюміній) і пластмасы. Сталь у асноўным выкарыстоўваецца ў выглядзе сталі 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Нізкавугляродзістая сталь у асноўным выкарыстоўваецца ў выглядзе сталі 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Кованая сталь больш шырока выкарыстоўваецца ў зубчастых колах з-за яе лепшых характарыстык, у той час як літая сталь звычайна выкарыстоўваецца для вырабу зубчастых колаў дыяметрам > 400 мм і складанай канструкцыі. Чыгунныя зубчастыя колы ўстойлівыя да склейвання і кропкавай атыткі, але не маюць ударатрываласці і зносаўстойлівасці, галоўным чынам для стабільнай працы, магутнасці, не патрабуе нізкай хуткасці, вялікіх памераў і складанай формы, могуць працаваць без змазкі і падыходзяць для адкрытых перадач. З каляровых металаў звычайна выкарыстоўваюцца алавяная бронза, алюмініева-жалезная бронза і ліццё з алюмініевых сплаваў, якія звычайна выкарыстоўваюцца ў вытворчасці турбін або зубчастых перадач, але іх слізгальныя і антыфрыкцыйныя ўласцівасці дрэнныя, толькі для лёгкіх, сярэдніх нагрузак і нізкахуткасных зубчастых перадач. Зубныя перадачы з неметалічных матэрыялаў у асноўным выкарыстоўваюцца ў некаторых галінах са спецыяльнымі патрабаваннямі, такімі як безмасляная змазка і высокая надзейнасць. У такіх умовах, як нізкае забруджванне, напрыклад, бытавая тэхніка, медыцынскае абсталяванне, харчовае абсталяванне і тэкстыльнае абсталяванне.
Матэрыялы для пакрыцця зубчастых перадач
Інжынерныя керамічныя матэрыялы з'яўляюцца надзвычай перспектыўнымі матэрыяламі з высокай трываласцю і цвёрдасцю, асабліва выдатнай цеплаўстойлівасцю, нізкай цеплаправоднасцю і цеплавым пашырэннем, высокай зносаўстойлівасцю і ўстойлівасцю да акіслення. Вялікая колькасць даследаванняў паказала, што керамічныя матэрыялы па сваёй прыродзе ўстойлівыя да цеплаўстойлівасці і маюць нізкі знос металаў. Такім чынам, выкарыстанне керамічных матэрыялаў замест металічных для вырабу зносаўстойлівых дэталяў можа палепшыць тэрмін службы фрыкцыйнага пераўтваральніка, задаволіць некаторыя патрабаванні да высокатэмпературных і зносаўстойлівых матэрыялаў, шматфункцыянальнасці і іншых жорсткіх патрабаванняў. У цяперашні час інжынерныя керамічныя матэрыялы выкарыстоўваюцца ў вытворчасці цеплаўстойлівых дэталяў рухавікоў, зношваемых дэталяў механічных перадач, каразійна-ўстойлівых дэталяў хімічнага абсталявання і ўшчыльняльнікаў, і ўсё часцей дэманструецца шырокае прымяненне керамічных матэрыялаў.
Развітыя краіны, такія як Германія, Японія, ЗША, Вялікабрытанія і іншыя краіны, надаюць вялікае значэнне распрацоўцы і ўжыванню інжынерных керамічных матэрыялаў, укладваючы шмат грошай і рабочай сілы ў распрацоўку тэорыі і тэхналогіі апрацоўкі інжынернай керамікі. Германія запусціла праграму пад назвай «SFB442», мэтай якой з'яўляецца выкарыстанне тэхналогіі PVD для сінтэзу адпаведнай плёнкі на паверхні дэталяў, каб замяніць патэнцыйна шкоднае змазвальнае асяроддзе для навакольнага асяроддзя і арганізма чалавека. PW Gold і іншыя ў Германіі выкарысталі фінансаванне SFB442 для прымянення тэхналогіі PVD для нанясення тонкіх плёнак на паверхню падшыпнікаў качэння і выявілі, што супрацьзносныя характарыстыкі падшыпнікаў качэння значна палепшыліся, і плёнкі, нанесеныя на паверхню, могуць цалкам замяніць функцыю супрацьзносных дабавак для экстрэмальнага ціску. Joachim, Franz і інш. у Германіі выкарысталі тэхналогію PVD для падрыхтоўкі плёнак WC/C, якія дэманструюць выдатныя супрацьзносныя ўласцівасці, вышэйшыя, чым у змазак, якія змяшчаюць EP-дабаўкі, што аналагічна дае магчымасць замены шкодных дабавак пакрыццямі. E. Lugscheider і інш. з Інстытута матэрыялазнаўства Тэхнічнага ўніверсітэта Ахена, Германія, пры фінансаванні DFG (Нямецкай даследчай камісіі) прадэманстравалі значнае павелічэнне супраціўлення стомленасці пасля нанясення адпаведных плёнак на сталь 100Cr6 з выкарыстаннем тэхналогіі PVD. Акрамя таго, амерыканская General Motors пачала ў сваёй... Плёнка для паверхні шасцярні аўтамабіля тыпу VolvoS80Turbo для паляпшэння ўстойлівасці да стомленасці; вядомая кампанія Timken выпусціла на рынак плёнку для паверхні шасцярні пад назвай ES200; у Германіі з'явілася зарэгістраваная гандлёвая марка пакрыцця шасцярні MAXIT; у Вялікабрытаніі таксама даступныя зарэгістраваныя гандлёвыя маркі Graphit-iC і Dymon-iC. Пакрыцці для шасцярні з зарэгістраванымі гандлёвымі маркамі Graphit-iC і Dymon-iC таксама даступныя ў Вялікабрытаніі.
Як важныя запасныя часткі механічных перадач, шасцярні гуляюць важную ролю ў прамысловасці, таму вывучэнне прымянення керамічных матэрыялаў у шасцярнях мае вялікае практычнае значэнне. У цяперашні час інжынерная кераміка, якая выкарыстоўваецца ў шасцярнях, у асноўным наступная.
1. Пакрыццё з TiN
1, TiN
Іённае пакрыццё Керамічны пласт TiN з'яўляецца адным з найбольш шырока выкарыстоўваных мадыфікаваных паверхневых пакрыццяў з высокай цвёрдасцю, высокай трываласцю адгезіі, нізкім каэфіцыентам трэння, добрай каразійнай устойлівасцю і г.д. Ён шырока выкарыстоўваецца ў розных галінах, асабліва ў інструментальнай і прэс-формавай прамысловасці. Асноўнай прычынай, якая ўплывае на нанясенне керамічнага пакрыцця на зубчастыя колы, з'яўляецца праблема сувязі паміж керамічным пакрыццём і падкладкай. Паколькі ўмовы працы і фактары, якія ўплываюць на зубчастыя колы, значна больш складаныя, чым у інструментаў і прэс-форм, нанясенне аднаго пакрыцця TiN на паверхню зубчастых колаў значна абмежавана. Нягледзячы на тое, што керамічнае пакрыццё мае перавагі высокай цвёрдасці, нізкага каэфіцыента трэння і каразійнай устойлівасці, яно далікатнае і цяжка атрымаць больш тоўстае пакрыццё, таму для рэалізацыі яго характарыстык патрэбна падкладка з высокай цвёрдасцю і высокай трываласцю. Такім чынам, керамічнае пакрыццё ў асноўным выкарыстоўваецца для апрацоўкі паверхняў з цвёрдай сталью і хуткарэзнай сталі. Матэрыял шасцярні мяккі ў параўнанні з керамічным матэрыялам, і розніца паміж характарам падкладкі і пакрыцця вялікая, таму камбінацыя пакрыцця і падкладкі дрэнная, і пакрыццё недастаткова для падтрымкі пакрыцця, што робіць пакрыццё лёгка адвальваецца ў працэсе выкарыстання, не толькі не можа прайграць перавагі керамічнага пакрыцця, але і часціцы керамічнага пакрыцця, якія адвальваюцца, выклікаюць абразіўны знос шасцярні, паскараючы страту шасцярні ад зносу. Сучасным рашэннем з'яўляецца выкарыстанне тэхналогіі апрацоўкі паверхні кампазітам для паляпшэння сувязі паміж керамікай і падкладкай. Тэхналогія апрацоўкі паверхні кампазітам азначае спалучэнне фізічнага пакрыцця метадам нанясення пакрыцця з паравой фазы і іншых працэсаў апрацоўкі паверхні або пакрыццяў, выкарыстоўваючы дзве асобныя паверхні/падпаверхні для мадыфікацыі паверхні матэрыялу падкладкі для атрымання механічных уласцівасцей кампазіта, якія немагчыма дасягнуць адным працэсам апрацоўкі паверхні. Кампазітнае пакрыццё TiN, нанесенае метадамі іённага азатавання і PVD, з'яўляецца адным з найбольш даследаваных кампазітных пакрыццяў. Плазменнае азатаванне падкладкі і керамічнае кампазітнае пакрыццё TiN маюць трывалую сувязь, а зносаўстойлівасць значна паляпшаецца.
Аптымальная таўшчыня плёнкавага пласта TiN з выдатнай зносаўстойлівасцю і счапленнем з асновай плёнкі складае каля 3~4 мкм. Калі таўшчыня плёнкавага пласта менш за 2 мкм, зносаўстойлівасць не палепшыцца істотна. Калі таўшчыня плёнкавага пласта больш за 5 мкм, счапленне з асновай плёнкі пагоршыцца.
2. Шматслаёвае, шматкампанентнае пакрыццё TiN
З паступовым і шырокім ужываннем пакрыццяў TiN, усё часцей праводзяцца даследаванні па паляпшэнні і ўдасканаленні гэтых пакрыццяў. У апошнія гады былі распрацаваны шматкампанентныя і шматслаёвыя пакрыцці на аснове бінарных пакрыццяў TiN, такія як Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 і г.д. Дадаючы ў пакрыцці TiN такія элементы, як Al і Si, можна палепшыць устойлівасць да высокатэмпературнага акіслення і цвёрдасць пакрыццяў, а даданне такіх элементаў, як B, можа палепшыць цвёрдасць і адгезійную трываласць пакрыццяў.
З-за складанасці шматкампанентнага складу ў гэтым даследаванні існуе шмат спрэчак. У даследаванні шматкампанентных пакрыццяў (Tix,Cr1-x)N назіраюцца вялікія спрэчкі ў выніках даследавання. Некаторыя лічаць, што пакрыцці (Tix,Cr1-x)N заснаваны на TiN, і Cr можа існаваць толькі ў выглядзе замяшчальнага цвёрдага раствора ў кропкавай матрыцы TiN, але не як асобная фаза CrN. Іншыя даследаванні паказваюць, што колькасць атамаў Cr, якія непасрэдна замяняюць атамы Ti ў пакрыццях (Tix,Cr1-x)N, абмежаваная, а астатні Cr існуе ў сінглетным стане або ўтварае злучэнні з N. Эксперыментальныя вынікі паказваюць, што даданне Cr да пакрыцця памяншае памер паверхневых часціц і павялічвае цвёрдасць, прычым цвёрдасць пакрыцця дасягае свайго найвышэйшага значэння, калі масавы працэнт Cr дасягае 31%, але ўнутранае напружанне пакрыцця таксама дасягае свайго максімальнага значэння.
3. Іншы пласт пакрыцця
Акрамя распаўсюджаных пакрыццяў TiN, для ўмацавання паверхні зубчастых колаў выкарыстоўваецца мноства розных інжынерных керамічных вырабаў.
(1) Я. Тэраўчы і інш. з Японіі вывучалі ўстойлівасць да трэння керамічных зубчастых колаў з карбіду тытана або нітрыду тытана, нанесеных метадам паравой фазы. Зубчастыя колы былі цэментаваны і адпаліраваны да дасягнення цвёрдасці паверхні каля HV720 і шурпатасці паверхні 2,4 мкм перад нанясеннем пакрыцця, а керамічныя пакрыцці былі падрыхтаваны метадам хімічнага паравога асаджэння (CVD) для карбіду тытана і метадам фізічнага паравога асаджэння (PVD) для нітрыду тытана, з таўшчынёй керамічнай плёнкі каля 2 мкм. Уласцівасці фрыкцыйнага зносу былі даследаваны ў прысутнасці алею і сухога трэння адпаведна. Было ўстаноўлена, што ўстойлівасць да сцірання і драпін зубчастых ціскоў значна палепшылася пасля пакрыцця керамікай.
(2) Кампазітнае пакрыццё з хімічна пакрытых Ni-P і TiN было падрыхтавана шляхам папярэдняга нанясення Ni-P у якасці пераходнага пласта, а затым нанясення TiN. Даследаванне паказвае, што павярхоўная цвёрдасць гэтага кампазітнага пакрыцця была да пэўнай ступені палепшана, і пакрыццё лепш злучаецца з падкладкай і мае лепшую зносаўстойлівасць.
(3) Тонкая плёнка WC/C, B4C
М. Муракава і інш. з кафедры машынабудавання Японскага тэхналагічнага інстытута выкарысталі тэхналогію PVD для нанясення тонкай плёнкі WC/C на паверхню зубчастых колаў, і тэрмін службы яе службы быў у тры разы даўжэйшы, чым у звычайных загартаваных і шліфаваных зубчастых колаў ва ўмовах змазкі без алею. Франц Й. і інш. выкарысталі тэхналогію PVD для нанясення тонкай плёнкі WC/C і B4C на паверхню зубчастых колаў FEZ-A і FEZ-C, і эксперымент паказаў, што пакрыццё PVD значна знізіла трэнне ў зубчастых колах, зрабіла зубчастыя колы менш успрымальнымі да гарачага склейвання або склейвання, а таксама палепшыла грузападымальнасць зубчастых колаў.
(4) плёнкі CrN
Плёнкі CrN падобныя да плёнак TiN тым, што маюць больш высокую цвёрдасць, прычым плёнкі CrN больш устойлівыя да высокатэмпературнага акіслення, чым TiN, маюць лепшую каразійную стойкасць, меншыя ўнутраныя напружанні, чым плёнкі TiN, і адносна лепшую трываласць. Чэнь Лін і іншыя падрыхтавалі зносаўстойлівую кампазітную плёнку TiAlCrN/CrN з выдатнай плёнкавай сувяззю на паверхні хуткарэзнай сталі, а таксама прапанавалі тэорыю кладкі дыслакацый у шматслаёвай плёнцы. Калі розніца энергіі дыслакацый паміж двума пластамі вялікая, дыслакацыі, якая ўзнікае ў адным пласце, будзе цяжка перасекчы сваю мяжу падзелу ў іншы пласт, тым самым утвараючы кладку дыслакацый на мяжы падзелу і гуляючы ролю ўмацавання матэрыялу. Чжун Бінь і іншыя вывучалі ўплыў утрымання азоту на фазавую структуру і ўласцівасці фрыкцыйнага зносу плёнак CrNx, і даследаванне паказала, што дыфракцыйны пік Cr2N (211) у плёнках паступова слабее, а пік CrN (220) паступова ўзмацняецца з павелічэннем утрымання N2, буйныя часціцы на паверхні плёнкі паступова памяншаюцца, і паверхня мае тэндэнцыю да плоскай паверхні. Пры хуткасці аэрацыі N2 25 мл/мін (сіла дугі мэтавай крыніцы 75 А), напыленая плёнка CrN мае добрую якасць паверхні, добрую цвёрдасць і выдатную зносаўстойлівасць пры хуткасці аэрацыі N2 25 мл/мін (сіла дугі мэтавай крыніцы 75 А, адмоўны ціск 100 В).
(5) Звышцвёрдая плёнка
Звышцвёрдая плёнка — гэта цвёрдая плёнка з цвёрдасцю больш за 40 ГПа, выдатнай зносаўстойлівасцю, высокай тэмпературай, нізкім каэфіцыентам трэння і нізкім каэфіцыентам цеплавога пашырэння, у асноўным аморфная алмазная плёнка і плёнка CN. Аморфныя алмазныя плёнкі маюць аморфныя ўласцівасці, не маюць далёкасяжнай упарадкаванай структуры і ўтрымліваюць вялікую колькасць тэтраэдрычных сувязяў CC, таму іх таксама называюць тэтраэдрычнымі аморфнымі вугляроднымі плёнкамі. Як від аморфнай вугляроднай плёнкі, алмазападобнае пакрыццё (DLC) мае шмат выдатных уласцівасцей, падобных да алмазных, такіх як высокая цеплаправоднасць, высокая цвёрдасць, высокі модуль пругкасці, нізкі каэфіцыент цеплавога пашырэння, добрая хімічная стабільнасць, добрая зносаўстойлівасць і нізкі каэфіцыент трэння. Было паказана, што нанясенне алмазападобнай плёнкі на паверхні зубчастых колаў можа падоўжыць тэрмін службы ў 6 разоў і значна палепшыць устойлівасць да стомленасці. Плёнкі CN, таксама вядомыя як аморфныя вуглярод-азотныя плёнкі, маюць крышталічную структуру, падобную да структуры кавалентных злучэнняў β-Si3N4, і таксама вядомыя як β-C3N4. Лю і Коэн і інш. Праведзеныя строгія тэарэтычныя разлікі з выкарыстаннем разлікаў псеўдапатэнцыяльнай зоны з прынцыпу першай прыроды пацвердзілі, што β-C3N4 мае вялікую энергію сувязі, стабільную механічную структуру, можа існаваць як мінімум адзін субстабільны стан, а яго модуль пругкасці параўнальны з алмазным, з добрымі ўласцівасцямі, што можа эфектыўна палепшыць цвёрдасць паверхні і зносаўстойлівасць матэрыялу і знізіць каэфіцыент трэння.
(6) Іншы пласт зносаўстойлівага пакрыцця з сплаву
Некаторыя зносаўстойлівыя пакрыцці са сплаваў таксама спрабавалі нанесці на зубчастыя колы, напрыклад, нанясенне пласта сплаву Ni-P-Co на паверхню зуба зубчастых колаў са сталі 45# дазваляе атрымаць ультрадробназерністую арганізацыю, што можа падоўжыць тэрмін службы да 1,144~1,533 разоў. Таксама было даследавана, што пласт металу Cu і пакрыццё са сплаву Ni-W наносяцца на паверхню зуба зубчастых колаў са сплаву Cu-Cr-P для павышэння іх трываласці; пакрыццё са сплаваў Ni-W і Ni-Co наносіцца на паверхню зуба зубчастых колаў са сплаву HT250 для павышэння зносаўстойлівасці ў 4~6 разоў у параўнанні з зубчастымі коламі без пакрыцця.
Час публікацыі: 07 лістапада 2022 г.