Технология за покритие на зъбни колела

Технологията PVD отлагане се практикува от много години като нова технология за модификация на повърхността, особено технологията за вакуумно йонно покритие, която набра голямо развитие през последните години и сега се използва широко при обработката на инструменти, форми, бутални пръстени, зъбни колела и други компоненти. Покритите зъбни колела, получени чрез технологията за вакуумно йонно покритие, могат значително да намалят коефициента на триене, да подобрят противоизносните и някои антикорозионни свойства и са се превърнали във фокус и гореща точка на изследванията в областта на технологията за укрепване на повърхността на зъбните колела.

Често използвани материали за зъбни колела са главно кована стомана, лята стомана, чугун, цветни метали (мед, алуминий) и пластмаси. Стоманата е предимно 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Нисковъглеродната стомана се използва главно в 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Кованата стомана е по-широко използвана в зъбните колела поради по-добрите си характеристики, докато лятата стомана обикновено се използва за производство на зъбни колела с диаметър > 400 мм и сложна структура. Чугунените зъбни колела са устойчиви на слепване и точкова корозия, но не са устойчиви на удар и износване, главно за стабилна работа, мощност, не е ниска скорост или голям размер и сложна форма, могат да работят при липса на смазване, подходящи са за отворени трансмисии. Често използваните цветни метали са калаен бронз, алуминиево-железен бронз и алуминиева сплав за леене, които обикновено се използват в производството на турбини или зъбни колела, но плъзгащите и антифрикционни свойства са лоши и се използват само при леки, средно натоварени и нискоскоростни зъбни колела. Зъбните колела от неметални материали се използват главно в някои области със специални изисквания, като например безмаслено смазване и висока надеждност. При условия на ниско замърсяване, като домакински уреди, медицинско оборудване, машини за хранителни продукти и текстилни машини.

Материали за покритие на зъбни колела

Инженерните керамични материали са изключително обещаващи материали с висока якост и твърдост, особено отлична топлоустойчивост, ниска топлопроводимост и термично разширение, висока износоустойчивост и устойчивост на окисляване. Голям брой изследвания показват, че керамичните материали са по своята същност устойчиви на топлина и имат ниско износване на металите. Следователно, използването на керамични материали вместо метални материали за износоустойчиви части може да подобри живота на фрикционните елементи и да отговори на някои от изискванията за високотемпературни и износоустойчиви материали, многофункционалност и други строги изисквания. В момента инженерните керамични материали се използват в производството на топлоустойчиви части за двигатели, износващи се части за механични трансмисии, корозионноустойчиви части за химическо оборудване и уплътнителни части, като все по-широкото приложение на керамичните материали показва перспективите.

Развити страни като Германия, Япония, Съединените щати, Обединеното кралство и други страни отдават голямо значение на разработването и приложението на инженерни керамични материали, инвестирайки много пари и човешки ресурси за разработване на теорията и технологията на обработка на инженерната керамика. Германия стартира програма, наречена „SFB442“, чиято цел е да използва PVD технология за синтезиране на подходящ филм върху повърхността на частите, който да замени потенциално вредната смазочна среда за околната среда и човешкото тяло. PW Gold и други в Германия използваха финансирането от SFB442, за да приложат PVD технология за отлагане на тънки филми върху повърхността на търкалящите лагери и установиха, че противоизносните характеристики на търкалящите лагери са значително подобрени и филмите, отложени върху повърхността, могат напълно да заменят функцията на противоизносните добавки за екстремно налягане. Йоахим, Франц и др. в Германия използваха PVD технология за приготвяне на WC/C филми, демонстриращи отлични противоизносни свойства, по-високи от тези на смазочните материали, съдържащи EP добавки, резултат, който подобно дава възможност за заместване на вредните добавки с покрития. Е. Лугшайдер и др. от Института по материалознание, Технически университет в Аахен, Германия, с финансиране от DFG (Германска изследователска комисия), демонстрираха значително увеличение на съпротивлението на умора след отлагане на подходящи филми върху стомана 100Cr6, използвайки PVD технология. Освен това, General Motors от Съединените щати започна в своята... Отлагане на филм за повърхността на зъбните колела тип VolvoS80Turbo за подобряване на устойчивостта на умора на точково образувание; известната компания Timken пусна на пазара филм за повърхността на зъбните колела с името ES200; в Германия се появи регистрирана търговска марка MAXIT gear coating; съответно регистрирани търговски марки Graphit-iC и Dymon-iC. Покрития за зъбни колела с регистрирани търговски марки Graphit-iC и Dymon-iC се предлагат и във Великобритания.

Като важни резервни части за механични трансмисии, зъбните колела играят важна роля в индустрията, така че е от много важно практическо значение да се изследва приложението на керамични материали в зъбните колела. В момента инженерната керамика, прилагана в зъбните колела, е основно следната.

1, слой покритие TiN
1, TiN

Йонното покритие TiN керамичният слой е едно от най-широко използваните повърхностно модифицирани покрития с висока твърдост, висока адхезионна якост, нисък коефициент на триене, добра устойчивост на корозия и др. То се използва широко в различни области, особено в инструменталната и шлифовъчната промишленост. Основната причина, влияеща върху нанасянето на керамично покритие върху зъбни колела, е проблемът със свързването между керамичното покритие и основата. Тъй като условията на работа и влияещите фактори на зъбните колела са много по-сложни от тези на инструментите и шлифовъчните форми, нанасянето на единично TiN покритие върху повърхностната обработка на зъбните колела е силно ограничено. Въпреки че керамичното покритие има предимствата на висока твърдост, нисък коефициент на триене и устойчивост на корозия, то е крехко и е трудно да се получи по-дебело покритие, така че е необходим високотвърд и високоякостен субстрат, който да го поддържа, за да се проявят неговите характеристики. Следователно, керамичното покритие се използва най-вече за повърхности от карбидни и бързорежещи стомани. Материалът на зъбното колело е мек в сравнение с керамичния материал, а разликата между естеството на основата и покритието е голяма, така че комбинацията от покритието и основата е лоша и покритието не е достатъчно, за да поддържа покритието, което прави покритието лесно падащо по време на употреба. Не само не може да се възползва от предимствата на керамичното покритие, но и частиците от керамичното покритие, които падат, ще причинят абразивно износване на зъбното колело, ускорявайки загубата на износване. Настоящото решение е използването на технология за композитна повърхностна обработка за подобряване на връзката между керамиката и основата. Технологията за композитна повърхностна обработка се отнася до комбинацията от физическо отлагане на пари и други процеси на повърхностна обработка или покрития, използващи две отделни повърхности/подповърхности за модифициране на повърхността на материала на основата, за да се получат композитни механични свойства, които не могат да бъдат постигнати с един процес на повърхностна обработка. TiN композитното покритие, отложено чрез йонно азотиране и PVD, е едно от най-изследваните композитни покрития. Плазмено азотираният субстрат и TiN керамичното композитно покритие имат здрава връзка и износоустойчивостта им е значително подобрена.

Оптималната дебелина на слоя TiN филм с отлична износоустойчивост и свързване с основата на филма е около 3~4μm. Ако дебелината на слоя филм е по-малка от 2μm, износоустойчивостта няма да се подобри значително. Ако дебелината на слоя филм е повече от 5μm, свързването с основата на филма ще се намали.

2. Многослойно, многокомпонентно TiN покритие

С постепенното и широко разпространение на TiN покритията, има все повече изследвания за това как да се подобрят и усъвършенстват TiN покритията. През последните години са разработени многокомпонентни и многослойни покрития, базирани на бинарни TiN покрития, като Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 и др. Чрез добавяне на елементи като Al и Si към TiN покритията, устойчивостта на високотемпературно окисление и твърдостта на покритията могат да бъдат подобрени, докато добавянето на елементи като B може да подобри твърдостта и адхезионната якост на покритията.

Поради сложността на многокомпонентния състав, в това изследване има много противоречия. В изследването на многокомпонентните покрития (Tix,Cr1-x)N има голямо противоречие в резултатите от изследването. Някои хора смятат, че покритията (Tix,Cr1-x)N са базирани на TiN и Cr може да съществува само под формата на заместващ твърд разтвор в точковата матрица на TiN, но не като отделна CrN фаза. Други изследвания показват, че броят на Cr атомите, директно заместващи Ti атомите в (Tix,Cr1-x)N покритията, е ограничен, а останалият Cr съществува в синглетно състояние или образува съединения с N. Експерименталните резултати показват, че добавянето на Cr към покритието намалява размера на повърхностните частици и увеличава твърдостта, като твърдостта на покритието достига най-високата си стойност, когато масовият процент Cr достигне 31%, но вътрешното напрежение в покритието също достига максималната си стойност.

3, Друг покривен слой

В допълнение към често използваните TiN покрития, за укрепване на повърхността на зъбните колела се използват много различни инженерни керамики.

(1) Й. Тераучи и др. от Япония са изследвали устойчивостта на триене на керамични зъбни колела от титанов карбид или титанов нитрид, отложени чрез метода на отлагане от пари. Зъбните колела са били цементирани и полирани, за да се постигне повърхностна твърдост от около HV720 и грапавост на повърхността от 2,4 μm преди нанасяне на покритието, а керамичните покрития са били получени чрез химическо отлагане от пари (CVD) за титанов карбид и чрез физическо отлагане от пари (PVD) за титанов нитрид, с дебелина на керамичния филм от около 2 μm. Свойствата на триене са изследвани съответно в присъствието на масло и сухо триене. Установено е, че устойчивостта на износване и устойчивостта на надраскване на зъбния менгеме са значително подобрени след нанасяне на керамично покритие.

(2) Композитно покритие от химически нанесени Ni-P и TiN е приготвено чрез предварително нанасяне на Ni-P като преходен слой и последващо отлагане на TiN. Проучването показва, че повърхностната твърдост на това композитно покритие е подобрена до известна степен, покритието е по-добре свързано със субстрата и има по-добра износоустойчивост.

(3) тънък филм WC/C, B4C
М. Муракава и др., Катедра по машиностроене, Японски технологичен институт, използваха PVD технология за отлагане на тънък филм от WC/C върху повърхността на зъбните колела, чийто експлоатационен живот беше три пъти по-дълъг от този на обикновените закалени и шлифовани зъбни колела при условия на смазване без масло. Франц Й. и др. използваха PVD технология за отлагане на тънък филм от WC/C и B4C върху повърхността на зъбните колела FEZ-A и FEZ-C, а експериментът показа, че PVD покритието значително намалява триенето в зъбното колело, прави зъбното колело по-малко податливо на горещо залепване или лепене и подобрява носещата способност на зъбното колело.

(4) CrN филми
CrN филмите са подобни на TiN филмите по това, че имат по-висока твърдост, а CrN филмите са по-устойчиви на окисление при висока температура от TiN, имат по-добра устойчивост на корозия, по-ниско вътрешно напрежение от TiN филмите и относително по-добра жилавост. Чен Линг и др. са създали износоустойчив TiAlCrN/CrN композитен филм с отлично свързване на повърхността на HSS, а също така са предложили теорията за подреждане на дислокации в многослоен филм. Ако разликата в енергията на дислокациите между два слоя е голяма, дислокациите, възникващи в единия слой, ще бъдат трудни за преминаване през границата си в другия слой, като по този начин се образува подреждане на дислокации на границата и се играе ролята на укрепване на материала. Джонг Бин и др. са изследвали влиянието на съдържанието на азот върху фазовата структура и свойствата на триене при износване на CrNx филмите и изследването е показало, че дифракционният пик на Cr2N (211) във филмите постепенно отслабва, а пикът на CrN (220) постепенно се увеличава с увеличаване на съдържанието на N2, големите частици на повърхността на филма постепенно намаляват и повърхността е склонна да бъде плоска. Когато аерацията с N2 беше 25 ml/min (токът на целевия източник на дъга беше 75 A), отложеният CrN филм има добро качество на повърхността, добра твърдост и отлична износоустойчивост, когато аерацията с N2 е 25 ml/min (токът на целевия източник на дъга е 75 A, отрицателното налягане е 100 V).

(5) Свръхтвърд филм
Свръхтвърдият филм е твърд филм с твърдост по-голяма от 40GPa, отлична износоустойчивост, устойчивост на висока температура, нисък коефициент на триене и нисък коефициент на термично разширение, главно аморфен диамантен филм и CN филм. Аморфните диамантени филми имат аморфни свойства, нямат подредена структура на дълги разстояния и съдържат голям брой CC тетраедрични връзки, така че те се наричат ​​още тетраедрични аморфни въглеродни филми. Като вид аморфен въглероден филм, диамантоподобното покритие (DLC) има много отлични свойства, подобни на диаманта, като висока топлопроводимост, висока твърдост, висок модул на еластичност, нисък коефициент на термично разширение, добра химическа стабилност, добра износоустойчивост и нисък коефициент на триене. Доказано е, че нанасянето на диамантоподобни филми върху повърхностите на зъбните колела може да удължи експлоатационния живот с коефициент 6 и значително да подобри устойчивостта на умора. CN филмите, известни още като аморфни въглерод-азотни филми, имат кристална структура, подобна на тази на ковалентните съединения β-Si3N4 и са известни още като β-C3N4. Liu and Cohen et al. Извършени са строги теоретични изчисления, използващи изчисления на псевдопотенциална лента от принципа на първата природа, и са потвърдени, че β-C3N4 има голяма енергия на свързване, стабилна механична структура, може да съществува поне едно подстабилно състояние и неговият модул на еластичност е сравним с този на диаманта, с добри свойства, което може ефективно да подобри повърхностната твърдост и износоустойчивостта на материала и да намали коефициента на триене.

(6) Слой на износоустойчиво покритие от друг вид сплав
Някои износоустойчиви покрития от сплави също са били опитвани да бъдат нанесени върху зъбни колела, например, отлагането на слой от сплав Ni-P-Co върху зъбната повърхност на зъбни колела от стомана 45# е слой от сплав за получаване на ултрафина зърнеста организация, което може да удължи живота до 1,144~1,533 пъти. Също така е проучено, че металният слой Cu и покритието от сплав Ni-W се нанасят върху зъбната повърхност на зъбно колело от чугунена сплав Cu-Cr-P, за да се подобри неговата здравина; покритията от сплави Ni-W и Ni-Co се нанасят върху зъбната повърхност на зъбно колело от чугунена сплав HT250, за да се подобри износоустойчивостта с 4~6 пъти в сравнение с непокритото зъбно колело.