Tehnologija PVD nanošenja se već dugi niz godina primjenjuje kao nova tehnologija modifikacije površine, posebno tehnologija vakuumskog jonskog premazivanja, koja je posljednjih godina doživjela veliki razvoj i sada se široko koristi u obradi alata, kalupa, klipnih prstenova, zupčanika i drugih komponenti. Zupčanici premazani tehnologijom vakuumskog jonskog premazivanja mogu značajno smanjiti koeficijent trenja, poboljšati otpornost na habanje i određenu otpornost na koroziju, te su postali fokus i žarište istraživanja u području tehnologije jačanja površine zupčanika.
Uobičajeni materijali koji se koriste za zupčanike su uglavnom kovani čelik, liveno čelik, liveno gvožđe, obojeni metali (bakar, aluminij) i plastika. Čelik je uglavnom 45 čelik, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Niskougljični čelik se uglavnom koristi u 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Kovani čelik se šire koristi u zupčanicima zbog svojih boljih performansi, dok se liveno čelik obično koristi za proizvodnju zupčanika prečnika > 400 mm i složene strukture. Zupčanici od livenog gvožđa otporni su na lijepljenje i koroziju, ali im nedostaje otpornost na udarce i habanje, uglavnom za stabilan rad, snagu, a ne za male brzine ili velike dimenzije i složen oblik, mogu raditi pod uslovima nedostatka podmazivanja, pogodni za otvorene prenose. Neželezni metali koji se najčešće koriste su kalajna bronza, aluminijumsko-željezna bronza i legura aluminija za lijevanje, obično se koriste u proizvodnji turbina ili zupčanika, ali klizna i antifrikcijska svojstva su loša, samo za zupčanike lakih, srednjih opterećenja i niskih brzina. Zupčanici od nemetalnih materijala uglavnom se koriste u nekim oblastima sa posebnim zahtjevima, kao što su podmazivanje bez ulja i visoka pouzdanost. Područje uslova kao što je nisko zagađenje, kao što su kućanski aparati, medicinska oprema, prehrambeni strojevi i tekstilni strojevi.
Materijali za premazivanje zupčanika
Inženjerski keramički materijali su izuzetno obećavajući materijali sa visokom čvrstoćom i tvrdoćom, posebno odličnom otpornošću na toplotu, niskom toplotnom provodljivošću i toplotnim širenjem, visokom otpornošću na habanje i otpornošću na oksidaciju. Veliki broj studija pokazao je da su keramički materijali inherentno otporni na toplotu i imaju malo habanje metala. Stoga, upotreba keramičkih materijala umjesto metalnih materijala za dijelove otporne na habanje može poboljšati vijek trajanja frikcionog substrumenta, može ispuniti neke od zahtjeva za visokotemperaturne i visokootporne materijale otporne na habanje, multifunkcionalne i druge stroge zahtjeve. Trenutno se inženjerski keramički materijali koriste u proizvodnji dijelova motora otpornih na toplotu, habajućih dijelova mehaničkih prijenosnika, dijelova otpornih na koroziju u hemijskoj opremi i dijelova za zaptivanje, što sve više pokazuje široku primjenu keramičkih materijala u perspektivi.
Razvijene zemlje poput Njemačke, Japana, Sjedinjenih Američkih Država, Ujedinjenog Kraljevstva i drugih zemalja pridaju veliki značaj razvoju i primjeni inženjerskih keramičkih materijala, ulažući mnogo novca i radne snage u razvoj teorije i tehnologije obrade inženjerske keramike. Njemačka je pokrenula program pod nazivom „SFB442“, čija je svrha korištenje PVD tehnologije za sintezu odgovarajućeg filma na površini dijelova koji bi zamijenio potencijalno štetno mazivo za okoliš i ljudsko tijelo. PW Gold i drugi u Njemačkoj koristili su finansiranje iz SFB442 za primjenu PVD tehnologije za nanošenje tankih filmova na površinu kotrljajućih ležajeva i otkrili su da su performanse protiv habanja kotrljajućih ležajeva značajno poboljšane i da filmovi naneseni na površinu mogu u potpunosti zamijeniti funkciju aditiva protiv habanja pod ekstremnim pritiskom. Joachim, Franz i saradnici u Njemačkoj koristili su PVD tehnologiju za pripremu WC/C filmova koji pokazuju odlična svojstva protiv zamora, bolja od onih kod maziva koja sadrže EP aditive, rezultat koji slično daje mogućnost zamjene štetnih aditiva premazima. E. Lugscheider i saradnici iz Instituta za nauku o materijalima, Tehničkog univerziteta u Aachenu, Njemačka, uz finansiranje od DFG-a (Njemačke istraživačke komisije), pokazali su značajno povećanje otpornosti na zamor nakon nanošenja odgovarajućih filmova na čelik 100Cr6 korištenjem PVD tehnologije. Osim toga, američki General Motors je započeo u svom... Film za nanošenje na površinu zupčanika automobila tipa VolvoS80Turbo radi poboljšanja otpornosti na koroziju uzrokovanu zamorom; poznata kompanija Timken lansirala je film za površinu zupčanika pod nazivom ES200; registrovani zaštitni znak MAXIT premaz za zupčanike pojavio se u Njemačkoj; registrovani zaštitni znakovi Graphit-iC i Dymon-iC respektivno. Premazi za zupčanike s registrovanim zaštitnim znakovima Graphit-iC i Dymon-iC dostupni su i u Velikoj Britaniji.
Kao važni rezervni dijelovi mehaničkih prijenosnika, zupčanici igraju važnu ulogu u industriji, tako da je od velikog praktičnog značaja proučavati primjenu keramičkih materijala na zupčanicima. Trenutno se inženjerska keramika koja se primjenjuje na zupčanike uglavnom primjenjuje u sljedećem.
1, sloj TiN premaza
1, TiN
TiN keramički sloj s jonskim premazom jedan je od najčešće korištenih površinski modificiranih premaza s visokom tvrdoćom, visokom čvrstoćom prianjanja, niskim koeficijentom trenja, dobrom otpornošću na koroziju itd. Široko se koristi u raznim oblastima, posebno u industriji alata i kalupa. Glavni razlog koji utječe na primjenu keramičkog premaza na zupčanicima je problem vezivanja između keramičkog premaza i podloge. Budući da su radni uvjeti i utjecajni faktori zupčanika daleko složeniji od onih kod alata i kalupa, primjena jednog TiN premaza na površinsku obradu zupčanika je uvelike ograničena. Iako keramički premaz ima prednosti visoke tvrdoće, niskog koeficijenta trenja i otpornosti na koroziju, on je krhak i teško je dobiti deblji premaz, pa mu je potrebna podloga visoke tvrdoće i visoke čvrstoće kako bi se podržale karakteristike premaza. Stoga se keramički premaz uglavnom koristi za površine karbidnih i brzoreznih čelika. Materijal zupčanika je mekan u poređenju sa keramičkim materijalom, a razlika između prirode podloge i premaza je velika, tako da je kombinacija premaza i podloge loša, a premaz nije dovoljan da podupire premaz, što olakšava otpadanje premaza tokom upotrebe, ne samo da ne može iskoristiti prednosti keramičkog premaza, već će čestice keramičkog premaza koje otpadaju uzrokovati abrazivno trošenje zupčanika, ubrzavajući gubitak habanja zupčanika. Trenutno rješenje je korištenje tehnologije obrade kompozitne površine kako bi se poboljšala veza između keramike i podloge. Tehnologija obrade kompozitne površine odnosi se na kombinaciju fizičkog taloženja pare i drugih procesa obrade površine ili premaza, korištenjem dvije odvojene površine/podpovršine za modificiranje površine materijala podloge kako bi se dobila kompozitna mehanička svojstva koja se ne mogu postići jednim procesom obrade površine. TiN kompozitni premaz nanesen ionskim nitriranjem i PVD-om jedan je od najistraženijih kompozitnih premaza. Podloga plazma nitriranjem i TiN keramički kompozitni premaz imaju jaku vezu, a otpornost na habanje je značajno poboljšana.
Optimalna debljina sloja TiN filma sa odličnom otpornošću na habanje i dobrim vezivanjem s bazom filma je oko 3~4μm. Ako je debljina sloja filma manja od 2μm, otpornost na habanje se neće značajno poboljšati. Ako je debljina sloja filma veća od 5μm, vezivanje s bazom filma će se smanjiti.
2. Višeslojni, višekomponentni TiN premaz
S postepenom i širokom primjenom TiN premaza, sve je više istraživanja o tome kako poboljšati i unaprijediti TiN premaze. Posljednjih godina razvijeni su višekomponentni premazi i višeslojni premazi na bazi binarnih TiN premaza, kao što su Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, itd. Dodavanjem elemenata kao što su Al i Si u TiN premaze, može se poboljšati otpornost na oksidaciju na visokim temperaturama i tvrdoća premaza, dok dodavanje elemenata kao što je B može poboljšati tvrdoću i čvrstoću prianjanja premaza.
Zbog složenosti višekomponentnog sastava, u ovoj studiji postoje mnoge kontroverze. U studiji višekomponentnih premaza (Tix,Cr1-x)N, postoji velika kontroverza u rezultatima istraživanja. Neki ljudi vjeruju da su (Tix,Cr1-x)N premazi bazirani na TiN, a Cr može postojati samo u obliku zamjenskog čvrstog rastvora u TiN matrici tačaka, ali ne kao zasebna CrN faza. Druge studije pokazuju da je broj atoma Cr koji direktno zamjenjuju atome Ti u (Tix,Cr1-x)N premazima ograničen, a preostali Cr postoji u singletnom stanju ili formira spojeve s N. Eksperimentalni rezultati pokazuju da dodavanje Cr premazu smanjuje veličinu površinskih čestica i povećava tvrdoću, a tvrdoća premaza dostiže svoju najveću vrijednost kada maseni postotak Cr dostigne 3l%, ali i unutrašnji napon premaza dostiže svoju maksimalnu vrijednost.
3, Drugi sloj premaza
Pored uobičajeno korištenih TiN premaza, za ojačavanje površine zupčanika koristi se mnogo različitih inženjerskih keramičkih materijala.
(1) Y. Terauchi i saradnici iz Japana proučavali su otpornost na habanje trenjem keramičkih zupčanika od titanijum karbida ili titanijum nitrida, deponovanih metodom naparavanja iz pare. Zupčanici su cementirani i polirani kako bi se postigla površinska tvrdoća od oko HV720 i hrapavost površine od 2,4 μm prije nanošenja premaza, a keramički premazi su pripremljeni hemijskim naparavanjem (CVD) za titanijum karbid i fizičkim naparavanjem (PVD) za titanijum nitrid, sa debljinom keramičkog filma od oko 2 μm. Svojstva habanja trenjem ispitivana su u prisustvu ulja, odnosno suhog trenja. Utvrđeno je da su otpornost na habanje i otpornost na ogrebotine zupčanika znatno poboljšane nakon nanošenja premaza keramikom.
(2) Kompozitni premaz od hemijski obloženog Ni-P i TiN pripremljen je prethodnim nanošenjem Ni-P kao prelaznog sloja, a zatim nanošenjem TiN. Studija pokazuje da je površinska tvrdoća ovog kompozitnog premaza donekle poboljšana, te da je premaz bolje vezan za podlogu i ima bolju otpornost na habanje.
(3) WC/C, B4C tanki film
M. Murakawa i saradnici, Odsjek za mašinstvo, Japanski institut za tehnologiju, koristili su PVD tehnologiju za nanošenje tankog filma WC/C na površinu zupčanika, a njegov vijek trajanja bio je tri puta duži od vijeka trajanja običnih kaljenih i brušenih zupčanika pod uslovima podmazivanja bez ulja. Franz J i saradnici koristili su PVD tehnologiju za nanošenje tankog filma WC/C i B4C na površinu zupčanika FEZ-A i FEZ-C, a eksperiment je pokazao da PVD premaz značajno smanjuje trenje zupčanika, čini zupčanik manje osjetljivim na vruće lijepljenje ili lijepljenje, te poboljšava nosivost zupčanika.
(4) CrN filmovi
CrN filmovi su slični TiN filmovima po tome što imaju veću tvrdoću, a CrN filmovi su otporniji na oksidaciju na visokim temperaturama od TiN, imaju bolju otpornost na koroziju, niži unutrašnji napon od TiN filmova i relativno bolju žilavost. Chen Ling i drugi su pripremili kompozitni film otporan na habanje TiAlCrN/CrN s odličnim vezivanjem na bazi filma na površini HSS-a, a također su predložili teoriju slaganja dislokacija višeslojnog filma. Ako je razlika u energiji dislokacija između dva sloja velika, dislokacija koja se javlja u jednom sloju će teško prijeći svoju površinu u drugi sloj, čime se formira slaganje dislokacija na površini i igra ulogu jačanja materijala. Zhong Bin i drugi su proučavali utjecaj sadržaja dušika na faznu strukturu i svojstva trenja i habanja CrNx filmova, a studija je pokazala da difrakcijski vrh Cr2N (211) u filmovima postepeno slabi, a vrh CrN (220) postepeno se pojačava s povećanjem sadržaja N2, velike čestice na površini filma postepeno se smanjuju, a površina teži da bude ravna. Kada je aeracija N2 bila 25 ml/min (struja luka ciljanog izvora bila je 75 A), deponovani CrN film ima dobar kvalitet površine, dobru tvrdoću i odličnu otpornost na habanje kada je aeracija N2 bila 25 ml/min (struja luka ciljanog izvora je 75 A, negativni pritisak je 100 V).
(5) Supertvrdi film
Supertvrdi film je čvrsti film sa tvrdoćom većom od 40GPa, odličnom otpornošću na habanje, otpornošću na visoke temperature, niskim koeficijentom trenja i niskim koeficijentom termičkog širenja, uglavnom amorfni dijamantski film i CN film. Amorfni dijamantski filmovi imaju amorfna svojstva, nemaju uređenu strukturu dugog dometa i sadrže veliki broj CC tetraedarskih veza, pa se nazivaju i tetraedarskim amorfnim ugljičnim filmovima. Kao vrsta amorfnog ugljičnog filma, premaz sličan dijamantu (DLC) ima mnoga odlična svojstva slična dijamantu, kao što su visoka toplinska provodljivost, visoka tvrdoća, visoki modul elastičnosti, nizak koeficijent termičkog širenja, dobra hemijska stabilnost, dobra otpornost na habanje i nizak koeficijent trenja. Pokazalo se da nanošenje filmova sličnih dijamantu na površine zupčanika može produžiti vijek trajanja za faktor 6 i značajno poboljšati otpornost na zamor. CN filmovi, poznati i kao amorfni ugljik-azot filmovi, imaju kristalnu strukturu sličnu strukturi kovalentnih spojeva β-Si3N4 i poznati su i kao β-C3N4. Liu i Cohen i dr. Izvršeni su rigorozni teorijski proračuni koristeći proračune pseudopotencijalne vrpce iz principa prve prirode, potvrdili su da β-C3N4 ima veliku energiju vezivanja, stabilnu mehaničku strukturu, da može postojati barem jedno podstabilno stanje, a njegov modul elastičnosti je uporediv s dijamantom, s dobrim svojstvima, što može efikasno poboljšati površinsku tvrdoću i otpornost materijala na habanje te smanjiti koeficijent trenja.
(6) Sloj premaza otpornog na habanje od drugih legura
Neki premazi otporni na habanje od legura također su pokušani nanijeti na zupčanike, na primjer, nanošenje sloja legure Ni-P-Co na površinu zuba zupčanika od čelika 45# je sloj legure za postizanje ultra fine organizacije zrna, što može produžiti vijek trajanja do 1,144~1,533 puta. Također je proučavano da se sloj metala Cu i premaz legure Ni-W nanose na površinu zuba zupčanika od legure Cu-Cr-P kako bi se poboljšala njegova čvrstoća; premaz legure Ni-W i Ni-Co nanosi se na površinu zuba zupčanika od lijevanog željeza HT250 kako bi se poboljšala otpornost na habanje za 4~6 puta u poređenju sa zupčanikom bez premaza.
Vrijeme objave: 07.11.2022.