Tecnologia de recobriment d'engranatges

La tecnologia de deposició PVD s'ha practicat durant molts anys com una nova tecnologia de modificació de superfícies, especialment la tecnologia de recobriment d'ions al buit, que ha obtingut un gran desenvolupament en els darrers anys i ara s'utilitza àmpliament en el tractament d'eines, motlles, anells de pistó, engranatges i altres components. Els engranatges recoberts preparats mitjançant la tecnologia de recobriment d'ions al buit poden reduir significativament el coeficient de fricció, millorar l'antidesgast i certes propietats anticorrosió, i s'han convertit en el focus i el punt calent de la investigació en el camp de la tecnologia de reforç de la superfície dels engranatges.

Els materials comuns utilitzats per a engranatges són principalment acer forjat, acer fos, ferro colat, metalls no ferrosos (coure, alumini) i plàstics. L'acer és principalment acer 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. L'acer baix en carboni s'utilitza principalment en 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. L'acer forjat s'utilitza més àmpliament en engranatges a causa del seu millor rendiment, mentre que l'acer fos s'utilitza generalment per fabricar engranatges amb un diàmetre > 400 mm i una estructura complexa. Els engranatges de ferro colat són antiadherents i resistents a les picadures, però no tenen resistència a l'impacte i al desgast, principalment per a un treball estable, la potència no és baixa ni gran ni forma complexa, pot funcionar amb la condició de no tenir lubricació, adequat per a transmissió oberta. Els metalls no ferrosos que s'utilitzen habitualment són el bronze d'estany, el bronze d'alumini-ferro i els aliatges d'alumini fos, que s'utilitzen habitualment en la fabricació de turbines o engranatges, però les propietats de lliscament i antifricció són deficients, només per a engranatges lleugers, de càrrega mitjana i de baixa velocitat. Els engranatges de materials no metàl·lics s'utilitzen principalment en alguns camps amb requisits especials, com ara la lubricació sense oli i l'alta fiabilitat. Camps amb condicions de baixa contaminació, com ara electrodomèstics, equips mèdics, maquinària alimentària i maquinària tèxtil.

Materials de recobriment d'engranatges

Els materials ceràmics d'enginyeria són materials extremadament prometedors amb una alta resistència i duresa, especialment una excel·lent resistència a la calor, baixa conductivitat tèrmica i expansió tèrmica, alta resistència al desgast i resistència a l'oxidació. Un gran nombre d'estudis han demostrat que els materials ceràmics són inherentment resistents a la calor i tenen un baix desgast dels metalls. Per tant, l'ús de materials ceràmics en lloc de materials metàl·lics per a peces resistents al desgast pot millorar la vida útil del sub de fricció, pot complir alguns dels materials d'alta temperatura i alta resistència al desgast, multifuncionals i altres requisits exigents. Actualment, els materials ceràmics d'enginyeria s'han utilitzat en la fabricació de peces resistents a la calor del motor, transmissió mecànica en peces de desgast, equips químics en peces resistents a la corrosió i peces de segellat, mostrant cada cop més perspectives d'aplicació àmplia dels materials ceràmics.

Països desenvolupats com Alemanya, Japó, Estats Units, Regne Unit i altres països donen gran importància al desenvolupament i l'aplicació de materials ceràmics d'enginyeria, invertint molts diners i mà d'obra per desenvolupar la teoria i la tecnologia de processament de la ceràmica d'enginyeria. Alemanya ha llançat un programa anomenat "SFB442", l'objectiu del qual és utilitzar la tecnologia PVD per sintetitzar una pel·lícula adequada a la superfície de les peces per substituir el medi lubricant potencialment nociu per al medi ambient i el cos humà. PW Gold i altres a Alemanya van utilitzar el finançament de SFB442 per aplicar la tecnologia PVD per dipositar pel·lícules primes a la superfície dels coixinets i van descobrir que el rendiment antidesgast dels coixinets millorava significativament i les pel·lícules dipositades a la superfície podien substituir completament la funció dels additius antidesgast d'extrema pressió. Joachim, Franz et al. a Alemanya van utilitzar la tecnologia PVD per preparar pel·lícules WC/C que demostren excel·lents propietats antifatiga, superiors a les dels lubricants que contenen additius EP, un resultat que de manera similar ofereix la possibilitat de substituir els additius nocius per recobriments. E. Lugscheider et al. de l'Institut de Ciència de Materials de la Universitat Tècnica d'Aquisgrà, Alemanya, amb finançament de la DFG (Comissió Alemanya de Recerca), van demostrar un augment significatiu de la resistència a la fatiga després de dipositar pel·lícules adequades sobre acer 100Cr6 mitjançant tecnologia PVD. A més, la General Motors dels Estats Units ha començat a... la seva pel·lícula de deposició de superfície d'engranatges de cotxe tipus VolvoS80Turbo per millorar la resistència a la picadura per fatiga; la famosa empresa Timken ha llançat la pel·lícula de superfície d'engranatges amb el nom ES200; la marca registrada MAXIT gear coating ha aparegut a Alemanya; les marques registrades Graphit-iC i Dymon-iC, respectivament, també estan disponibles al Regne Unit recobriments d'engranatges amb les marques registrades Graphit-iC i Dymon-iC.

Com a peces de recanvi importants de la transmissió mecànica, els engranatges tenen un paper important a la indústria, per la qual cosa és de gran importància pràctica estudiar l'aplicació de materials ceràmics en engranatges. Actualment, les ceràmiques d'enginyeria aplicades als engranatges són principalment les següents.

1. Capa de recobriment de TiN
1、TiN

El recobriment iònic de la capa ceràmica de TiN és un dels recobriments modificats superficialment més utilitzats, amb una alta duresa, una alta resistència a l'adhesió, un baix coeficient de fricció, una bona resistència a la corrosió, etc. S'ha utilitzat àmpliament en diversos camps, especialment en la indústria d'eines i motlles. La principal raó que afecta l'aplicació del recobriment ceràmic en engranatges és el problema d'unió entre el recobriment ceràmic i el substrat. Com que les condicions de treball i els factors d'influència dels engranatges són molt més complicats que els de les eines i els motlles, l'aplicació d'un sol recobriment de TiN en el tractament de la superfície dels engranatges està molt restringida. Tot i que el recobriment ceràmic té els avantatges d'una alta duresa, un baix coeficient de fricció i una resistència a la corrosió, és fràgil i difícil obtenir un recobriment més gruixut, per la qual cosa necessita un substrat d'alta duresa i alta resistència per suportar el recobriment per tal de reproduir les seves característiques. Per tant, el recobriment ceràmic s'utilitza principalment per a superfícies de carbur i acer d'alta velocitat. El material de l'engranatge és tou en comparació amb el material ceràmic, i la diferència entre la naturalesa del substrat i el recobriment és gran, de manera que la combinació del recobriment i el substrat és deficient, i el recobriment no és suficient per suportar el recobriment, fent que el recobriment caigui fàcilment durant el procés d'ús, no només no pot aprofitar els avantatges del recobriment ceràmic, sinó que les partícules de recobriment ceràmic que cauen causaran un desgast abrasiu a l'engranatge, accelerant la pèrdua de desgast de l'engranatge. La solució actual és utilitzar tecnologia de tractament de superfícies compostes per millorar la unió entre la ceràmica i el substrat. La tecnologia de tractament de superfícies compostes es refereix a la combinació de recobriments de deposició física de vapor i altres processos o recobriments de tractament de superfícies, utilitzant dues superfícies/subsuperfícies separades per modificar la superfície del material del substrat per obtenir propietats mecàniques compostes que no es poden aconseguir mitjançant un sol procés de tractament de superfícies. El recobriment compost de TiN dipositat per nitruració iònica i PVD és un dels recobriments compostos més investigats. El substrat de nitruració per plasma i el recobriment compost ceràmic de TiN tenen una unió forta i la resistència al desgast millora significativament.

El gruix òptim de la capa de pel·lícula de TiN amb una excel·lent resistència al desgast i unió de la base de la pel·lícula és d'uns 3~4 μm. Si el gruix de la capa de pel·lícula és inferior a 2 μm, la resistència al desgast no millorarà significativament. Si el gruix de la capa de pel·lícula és superior a 5 μm, l'unió de la base de la pel·lícula disminuirà.

2. Recobriment de TiN multicapa i multicomponent

Amb l'aplicació gradual i generalitzada dels recobriments de TiN, hi ha cada cop més investigacions sobre com millorar i potenciar els recobriments de TiN. En els darrers anys, s'han desenvolupat recobriments multicomponent i multicapa basats en recobriments binaris de TiN, com ara Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, etc. Afegint elements com Al i Si als recobriments de TiN, es pot millorar la resistència a l'oxidació a alta temperatura i la duresa dels recobriments, mentre que l'addició d'elements com B pot millorar la duresa i la força d'adherència dels recobriments.

A causa de la complexitat de la composició multicomponent, hi ha moltes controvèrsies en aquest estudi. En l'estudi dels recobriments multicomponent (Tix,Cr1-x)N, hi ha una gran controvèrsia en els resultats de la investigació. Algunes persones creuen que els recobriments (Tix,Cr1-x)N es basen en TiN, i el Cr només pot existir en forma de solució sòlida de reemplaçament a la matriu de punts de TiN, però no com una fase de CrN separada. Altres estudis mostren que el nombre d'àtoms de Cr que substitueixen directament els àtoms de Ti en els recobriments (Tix,Cr1-x)N és limitat, i el Cr restant existeix en estat singlet o forma compostos amb N. Els resultats experimentals mostren que l'addició de Cr al recobriment redueix la mida de les partícules superficials i augmenta la duresa, i la duresa del recobriment arriba al seu valor més alt quan el percentatge en massa de Cr arriba al 3l%, però la tensió interna del recobriment també arriba al seu valor màxim.

3. Altra capa de recobriment

A més dels recobriments de TiN que s'utilitzen habitualment, s'utilitzen moltes ceràmiques d'enginyeria diferents per al reforç de la superfície dels engranatges.

(1) Y. Terauchi et al., del Japó, van estudiar la resistència al desgast per fricció d'engranatges ceràmics de carbur o nitrur de titani dipositats pel mètode de deposició de vapor. Els engranatges es van carburar i polir per aconseguir una duresa superficial d'aproximadament HV720 i una rugositat superficial de 2,4 μm abans del recobriment, i els recobriments ceràmics es van preparar mitjançant deposició química de vapor (CVD) per al carbur de titani i mitjançant deposició física de vapor (PVD) per al nitrur de titani, amb un gruix de pel·lícula ceràmica d'aproximadament 2 μm. Les propietats de desgast per fricció es van investigar en presència d'oli i fricció seca, respectivament. Es va trobar que la resistència a la fricció i la resistència a les ratllades del cargol de l'engranatge van millorar substancialment després del recobriment amb ceràmica.

(2) Es va preparar un recobriment compost de Ni-P i TiN recoberts químicament mitjançant un pre-recobriment de Ni-P com a capa de transició i després el dipòsit de TiN. L'estudi mostra que la duresa superficial d'aquest recobriment compost s'ha millorat fins a cert punt, i que el recobriment s'uneix millor al substrat i té una millor resistència al desgast.

(3) WC/C, pel·lícula fina B4C
M. Murakawa et al., del Departament d'Enginyeria Mecànica de l'Institut Tecnològic del Japó, van utilitzar la tecnologia PVD per dipositar una pel·lícula fina de WC/C a la superfície dels engranatges, i la seva vida útil va ser tres vegades superior a la dels engranatges temperats i rectificats ordinaris en condicions de lubricació sense oli. Franz J et al. van utilitzar la tecnologia PVD per dipositar una pel·lícula fina de WC/C i B4C a la superfície dels engranatges FEZ-A i FEZ-C, i l'experiment va demostrar que el recobriment PVD reduïa significativament la fricció de l'engranatge, feia que l'engranatge fos menys susceptible a l'encolat en calent o a l'encolat, i millorava la capacitat de càrrega de l'engranatge.

(4) Pel·lícules de CrN
Les pel·lícules de CrN són similars a les pel·lícules de TiN, ja que tenen una duresa més alta, i les pel·lícules de CrN són més resistents a l'oxidació a altes temperatures que el TiN, tenen una millor resistència a la corrosió, una tensió interna més baixa que les pel·lícules de TiN i una tenacitat relativament millor. Chen Ling i els seus col·laboradors van preparar una pel·lícula composta de TiAlCrN/CrN resistent al desgast amb una excel·lent unió basada en pel·lícules a la superfície de HSS, i també van proposar la teoria de l'apilament de dislocacions de la pel·lícula multicapa: si la diferència d'energia de dislocació entre dues capes és gran, la dislocació que es produeix en una capa serà difícil de creuar la seva interfície cap a l'altra capa, formant així l'apilament de dislocacions a la interfície i jugant el paper d'enfortir el material. Zhong Bin i els seus col·laboradors van estudiar l'efecte del contingut de nitrogen sobre l'estructura de fase i les propietats de desgast per fricció de les pel·lícules de CrNx, i l'estudi va mostrar que el pic de difracció de Cr2N (211) a les pel·lícules es va debilitar gradualment i el pic de CrN (220) va augmentar gradualment amb l'augment del contingut de N2, les partícules grans a la superfície de la pel·lícula van disminuir gradualment i la superfície tendia a ser plana. Quan l'aireació de N2 era de 25 ml/min (el corrent d'arc de la font objectiu era de 75 A), la pel·lícula de CrN dipositada tenia una bona qualitat superficial, bona duresa i una excel·lent resistència al desgast quan l'aireació de N2 era de 25 ml/min (el corrent d'arc de la font objectiu era de 75 A, la pressió negativa era de 100 V).

(5) Pel·lícula superdura
La pel·lícula superdura és la pel·lícula sòlida amb una duresa superior a 40 GPa, excel·lent resistència al desgast, alta resistència a la temperatura i baix coeficient de fricció i baix coeficient d'expansió tèrmica, principalment pel·lícula de diamant amorfa i pel·lícula CN. Les pel·lícules de diamant amorfes tenen propietats amorfes, no tenen una estructura ordenada de llarg abast i contenen un gran nombre d'enllaços tetraèdrics CC, per la qual cosa també s'anomenen pel·lícules de carboni amorf tetraèdric. Com a tipus de pel·lícula de carboni amorfa, el recobriment semblant al diamant (DLC) té moltes propietats excel·lents similars al diamant, com ara alta conductivitat tèrmica, alta duresa, alt mòdul elàstic, baix coeficient d'expansió tèrmica, bona estabilitat química, bona resistència al desgast i baix coeficient de fricció. S'ha demostrat que el recobriment de pel·lícules semblants al diamant a les superfícies dels engranatges pot allargar la vida útil per un factor de 6 i millorar significativament la resistència a la fatiga. Les pel·lícules CN, també conegudes com a pel·lícules amorfes de carboni-nitrogen, tenen una estructura cristal·lina similar a la dels compostos covalents β-Si3N4 i també es coneixen com a β-C3N4. Liu i Cohen et al. van realitzar càlculs teòrics rigorosos utilitzant càlculs de banda pseudopotencial a partir del principi de primera naturalesa, van confirmar que el β-C3N4 té una gran energia d'enllaç, una estructura mecànica estable, pot existir almenys un estat subestable i el seu mòdul elàstic és comparable al diamant, amb bones propietats, que poden millorar eficaçment la duresa superficial i la resistència al desgast del material i reduir el coeficient de fricció.

(6) Una altra capa de recobriment resistent al desgast de l'aliatge
També s'han provat alguns recobriments d'aliatge resistents al desgast per aplicar-los als engranatges, per exemple, la deposició d'una capa d'aliatge Ni-P-Co a la superfície de la dent dels engranatges d'acer 45# és una capa d'aliatge per obtenir una organització del gra ultrafina, que pot allargar la vida útil fins a 1.144~1.533 vegades. També s'ha estudiat que la capa de metall Cu i el recobriment d'aliatge Ni-W s'apliquen a la superfície de la dent de l'engranatge de ferro colat d'aliatge Cu-Cr-P per millorar-ne la resistència; el recobriment d'aliatge Ni-W i Ni-Co s'apliquen a la superfície de la dent de l'engranatge de ferro colat HT250 per millorar la resistència al desgast en 4~6 vegades en comparació amb l'engranatge sense recobriment.