Technologie PVD nanášení se již mnoho let používá jako nová technologie modifikace povrchu, zejména technologie vakuového iontového povlakování, která v posledních letech zaznamenala velký rozvoj a nyní se široce používá při ošetřování nástrojů, forem, pístních kroužků, ozubených kol a dalších součástí. Povlakovaná ozubená kola připravená technologií vakuového iontového povlakování mohou výrazně snížit koeficient tření, zlepšit odolnost proti opotřebení a určité antikorozní vlastnosti a stala se středem výzkumu v oblasti technologie zpevňování povrchu ozubených kol.
Mezi běžné materiály používané pro ozubená kola patří především kovaná ocel, litá ocel, litina, neželezné kovy (měď, hliník) a plasty. Ocel je používána převážně jako ocel 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB a 38CrMoAl. Nízkouhlíková ocel se používá hlavně jako 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB a 20CrMnTo. Kovaná ocel se v ozubených kolech používá častěji kvůli svým lepším vlastnostem, zatímco litá ocel se obvykle používá k výrobě ozubených kol s průměrem > 400 mm a složitou strukturou. Litinová ozubená kola jsou odolná proti lepení a důlkování, ale nemají odolnost proti nárazům a opotřebení, zejména pro stabilní chod, výkon, nízké otáčky, velké rozměry a složitý tvar, mohou pracovat i za podmínek nedostatečného mazání a jsou vhodná pro otevřené převody. Mezi neželezné kovy se běžně používají cínový bronz, hliníkovo-železný bronz a slitiny hliníku pro odlévání, které se běžně používají při výrobě turbín nebo ozubených kol, ale jejich kluzné a antifrikční vlastnosti jsou nízké a používají se pouze pro lehká, středně zatížená a nízkorychlostní ozubená kola. Ozubená kola z nekovových materiálů se používají hlavně v některých oblastech se zvláštními požadavky, jako je bezolejové mazání a vysoká spolehlivost. V oblastech s nízkým znečištěním, jako jsou domácí spotřebiče, zdravotnické zařízení, potravinářské stroje a textilní stroje.
Materiály pro potahování ozubených kol
Technické keramické materiály jsou mimořádně slibné materiály s vysokou pevností a tvrdostí, zejména vynikající tepelnou odolností, nízkou tepelnou vodivostí a tepelnou roztažností, vysokou odolností proti opotřebení a oxidaci. Velké množství studií ukázalo, že keramické materiály jsou ze své podstaty tepelně odolné a vykazují nízké opotřebení kovů. Použití keramických materiálů namísto kovových materiálů pro otěruvzdorné díly proto může zlepšit životnost třecích podložek a splnit některé z požadavků na materiály odolné vůči vysokým teplotám a opotřebení, multifunkční a další náročné požadavky. V současné době se technické keramické materiály používají při výrobě tepelně odolných dílů motorů, otěruvzdorných dílů mechanických převodovek, korozivzdorných dílů chemických zařízení a těsnicích dílů, což ukazuje na stále větší perspektivu širokého uplatnění keramických materiálů.
Rozvinuté země jako Německo, Japonsko, Spojené státy, Spojené království a další země přikládají velký význam vývoji a aplikaci technických keramických materiálů a investují velké množství peněz a pracovní síly do rozvoje teorie a technologie zpracování technické keramiky. Německo spustilo program s názvem „SFB442“, jehož účelem je využití technologie PVD k syntéze vhodného filmu na povrchu dílů, který nahradí potenciálně škodlivé mazací médium pro životní prostředí a lidské tělo. PW Gold a další v Německu využili finanční prostředky z programu SFB442 k aplikaci technologie PVD k nanášení tenkých filmů na povrch valivých ložisek a zjistili, že se výrazně zlepšila odolnost proti opotřebení valivých ložisek a filmy nanesené na povrch mohou zcela nahradit funkci extrémně tlakových protioděrových přísad. Joachim, Franz a kol. v Německu použili technologii PVD k přípravě filmů WC/C, které prokazují vynikající protiúnavové vlastnosti, vyšší než u maziv obsahujících EP přísady, což podobně umožňuje nahradit škodlivé přísady povlaky. E. Lugscheider a kol. z Ústavu materiálových věd Technické univerzity v Cáchách v Německu s financováním od DFG (Německá výzkumná komise) prokázali významné zvýšení odolnosti proti únavě po nanesení vhodných filmů na ocel 100Cr6 pomocí technologie PVD. Kromě toho americká společnost General Motors začala ve svém... Nanášecí film na povrch převodovky automobilu VolvoS80Turbo pro zlepšení odolnosti proti únavové důlkové korozi; slavná společnost Timken uvedla na trh povrchový film na převodovku s názvem ES200; v Německu se objevila registrovaná ochranná známka MAXIT gear coating; registrovaná ochranná známka Graphit-iC a Dymon-iC. Povlaky na převodovky s registrovanými ochrannými známkami Graphit-iC a Dymon-iC jsou k dispozici také ve Velké Británii.
Jakožto důležité náhradní díly mechanických převodů hrají ozubená kola v průmyslu důležitou roli, proto má studium aplikace keramických materiálů na ozubená kola velmi důležitý praktický význam. V současné době se na ozubená kola používají zejména následující technické keramické materiály.
1. Vrstva povlaku TiN
1, TiN
Iontový povlak Keramická vrstva TiN je jedním z nejpoužívanějších povrchově modifikovaných povlaků s vysokou tvrdostí, vysokou adhezní pevností, nízkým koeficientem tření, dobrou odolností proti korozi atd. Je široce používána v různých oblastech, zejména v nástrojářském a lisovacím průmyslu. Hlavním důvodem ovlivňujícím aplikaci keramického povlaku na ozubená kola je problém s vazbou mezi keramickým povlakem a substrátem. Vzhledem k tomu, že pracovní podmínky a ovlivňující faktory ozubených kol jsou mnohem složitější než u nástrojů a forem, je aplikace jediného povlaku TiN na povrchovou úpravu ozubených kol značně omezená. Ačkoli má keramický povlak výhody vysoké tvrdosti, nízkého koeficientu tření a odolnosti proti korozi, je křehký a obtížné je dosáhnout silnějšího povlaku, takže pro udržení jeho vlastností je potřeba substrát s vysokou tvrdostí a vysokou pevností. Proto se keramický povlak používá nejčastěji pro povrchy karbidů a rychlořezných ocelí. Materiál ozubeného kola je ve srovnání s keramickým materiálem měkký a rozdíl mezi povahou substrátu a povlaku je velký, takže kombinace povlaku a substrátu je špatná a povlak nestačí k podepření povlaku, což vede k jeho snadnému odpadávání během používání. Nejenže se tak nemohou využít výhody keramického povlaku, ale odpadávající částice keramického povlaku způsobují abrazivní opotřebení ozubeného kola a urychlují jeho ztrátu opotřebením. Současným řešením je použití technologie povrchové úpravy kompozitů ke zlepšení vazby mezi keramikou a substrátem. Technologie povrchové úpravy kompozitů označuje kombinaci fyzikálního nanášení par a dalších procesů povrchové úpravy nebo povlaků, přičemž se používají dva oddělené povrchy/podpovrchy k úpravě povrchu substrátového materiálu za účelem dosažení mechanických vlastností kompozitu, kterých nelze dosáhnout jediným procesem povrchové úpravy. Kompozitní povlak TiN nanesený iontovou nitridací a PVD je jedním z nejvíce zkoumaných kompozitních povlaků. Plazmový nitridační substrát a keramický kompozitní povlak TiN mají silnou vazbu a výrazně se zlepšuje odolnost proti opotřebení.
Optimální tloušťka vrstvy TiN s vynikající odolností proti opotřebení a spojováním se základnou filmu je asi 3~4 μm. Pokud je tloušťka vrstvy filmu menší než 2 μm, odolnost proti opotřebení se významně nezlepší. Pokud je tloušťka vrstvy filmu větší než 5 μm, spojování se základnou filmu se sníží.
2. Vícevrstvý, vícesložkový povlak TiN
S postupným a rozšířeným používáním povlaků TiN probíhá stále více výzkumů zaměřených na zlepšení a vylepšení povlaků TiN. V posledních letech byly vyvinuty vícesložkové povlaky a vícevrstvé povlaky založené na binárních povlakech TiN, jako jsou Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 atd. Přidáním prvků, jako jsou Al a Si, do povlaků TiN lze zlepšit odolnost vůči vysokoteplotní oxidaci a tvrdost povlaků, zatímco přidání prvků, jako je B, může zlepšit tvrdost a adhezní pevnost povlaků.
Vzhledem ke složitosti vícesložkového složení existuje v této studii mnoho kontroverzí. Ve studiu vícesložkových povlaků (Tix,Cr1-x)N panuje velká kontroverze ve výsledcích výzkumu. Někteří lidé se domnívají, že povlaky (Tix,Cr1-x)N jsou založeny na TiN a Cr může existovat pouze ve formě náhradního pevného roztoku v bodové matrici TiN, nikoli však jako samostatná fáze CrN. Jiné studie ukazují, že počet atomů Cr přímo nahrazujících atomy Ti v povlacích (Tix,Cr1-x)N je omezený a zbývající Cr existuje v singletovém stavu nebo tvoří sloučeniny s N. Experimentální výsledky ukazují, že přidání Cr do povlaku snižuje velikost povrchových částic a zvyšuje tvrdost, přičemž tvrdost povlaku dosahuje nejvyšší hodnoty, když hmotnostní procento Cr dosáhne 31 %, ale vnitřní napětí povlaku také dosahuje své maximální hodnoty.
3. Další vrstva povlaku
Kromě běžně používaných povlaků TiN se pro zpevnění povrchu ozubených kol používá mnoho různých technických keramických materiálů.
(1) Y. Terauchi a kol. z Japonska studovali odolnost ozubených kol z karbidu titanu nebo nitridu titanu nanesených metodou napařování, a to vůči třecímu opotřebení. Ozubená kola byla před nanesením povlaku cementována a leštěna, aby se dosáhlo povrchové tvrdosti přibližně HV720 a drsnosti povrchu 2,4 μm. Keramické povlaky byly připraveny chemickým napařováním (CVD) pro karbid titanu a fyzikálním napařováním (PVD) pro nitrid titanu s tloušťkou keramického filmu přibližně 2 μm. Vlastnosti třením proti opotřebení byly zkoumány za přítomnosti oleje, respektive za suchého tření. Bylo zjištěno, že odolnost ozubeného svěráku proti zadření a odolnost proti poškrábání se po nanesení povlaku keramikou podstatně zlepšily.
(2) Kompozitní povlak z chemicky povlakovaného Ni-P a TiN byl připraven předběžným povlakováním Ni-P jako přechodové vrstvy a následným nanesením TiN. Studie ukazuje, že povrchová tvrdost tohoto kompozitního povlaku se do určité míry zlepšila a povlak je lépe spojen se substrátem a má lepší odolnost proti opotřebení.
(3) Tenký film WC/C, B4C
M. Murakawa a kol. z katedry strojního inženýrství Japonského technologického institutu použili technologii PVD k nanášení tenkého filmu WC/C na povrch ozubených kol, jehož životnost byla třikrát delší než u běžných kalených a broušených ozubených kol za podmínek mazání bez oleje. Franz J a kol. použili technologii PVD k nanášení tenkého filmu WC/C a B4C na povrch ozubených kol FEZ-A a FEZ-C a experiment ukázal, že povlak PVD výrazně snížil tření ozubeného kola, učinil ozubené kolo méně náchylným k lepení za tepla nebo za tepla a zlepšil únosnost ozubeného kola.
(4) CrN filmy
CrN filmy jsou podobné TiN filmům v tom, že mají vyšší tvrdost a jsou odolnější vůči vysokoteplotní oxidaci než TiN, mají lepší odolnost proti korozi, nižší vnitřní napětí než TiN filmy a relativně lepší houževnatost. Chen Ling a další připravili otěruvzdorný kompozitní film TiAlCrN/CrN s vynikající vazbou na povrchu HSS a také navrhli teorii vrstvení dislokací u vícevrstvého filmu. Pokud je rozdíl energie dislokací mezi dvěma vrstvami velký, dislokace vyskytující se v jedné vrstvě bude obtížné překročit své rozhraní do druhé vrstvy, čímž se na rozhraní vytvoří vrstvení dislokací a hraje roli zpevnění materiálu. Zhong Bin a další studovali vliv obsahu dusíku na fázovou strukturu a třecí vlastnosti CrNx filmů a studie ukázala, že difrakční pík Cr2N (211) ve filmech postupně slábl a pík CrN (220) se postupně zvyšoval se zvyšujícím se obsahem N2, velké částice na povrchu filmu se postupně snižovaly a povrch měl tendenci být plochý. Pokud bylo provzdušňování N2 25 ml/min (proud cílového zdroje oblouku 75 A), měl nanesený film CrN dobrou kvalitu povrchu, dobrou tvrdost a vynikající odolnost proti opotřebení při provzdušňování N2 25 ml/min (proud cílového zdroje oblouku 75 A, podtlak 100 V).
(5) Supertvrdý film
Supertvrdý film je pevný film s tvrdostí větší než 40 GPa, vynikající odolností proti opotřebení, vysokou teplotní odolností, nízkým koeficientem tření a nízkým koeficientem tepelné roztažnosti, zejména amorfní diamantový film a CN film. Amorfní diamantové filmy mají amorfní vlastnosti, nemají žádnou dlouhodobě uspořádanou strukturu a obsahují velký počet tetraedrických vazeb CC, proto se jim také říká tetraedrické amorfní uhlíkové filmy. Jako druh amorfního uhlíkového filmu má diamantový povlak (DLC) mnoho vynikajících vlastností podobných diamantu, jako je vysoká tepelná vodivost, vysoká tvrdost, vysoký modul pružnosti, nízký koeficient tepelné roztažnosti, dobrá chemická stabilita, dobrá odolnost proti opotřebení a nízký koeficient tření. Bylo prokázáno, že nanesení diamantových filmů na povrchy ozubených kol může prodloužit životnost šestinásobně a výrazně zlepšit odolnost proti únavě. CN filmy, také známé jako amorfní uhlík-dusíkové filmy, mají krystalovou strukturu podobnou kovalentním sloučeninám β-Si3N4 a jsou také známé jako β-C3N4. Liu a Cohen a kol. provedli rigorózní teoretické výpočty s využitím výpočtů pseudopotenciálního pásu z principu první přirozenosti a potvrdili, že β-C3N4 má velkou vazebnou energii, stabilní mechanickou strukturu, může existovat alespoň jeden substabilní stav a jeho modul pružnosti je srovnatelný s diamantem, s dobrými vlastnostmi, které mohou účinně zlepšit povrchovou tvrdost a odolnost materiálu proti opotřebení a snížit koeficient tření.
(6) Vrstva odolná proti opotřebení z jiných slitin
Některé povlaky odolné proti opotřebení ze slitin byly také vyzkoušeny na ozubených kolech, například nanesení vrstvy slitiny Ni-P-Co na povrch zubu ozubených kol z oceli 45# je vrstva slitiny pro dosažení ultrajemné struktury zrna, která může prodloužit životnost až 1,144 až 1,533krát. Bylo také studováno, že vrstva kovu Cu a povlak slitiny Ni-W se nanášejí na povrch zubu ozubených kol z litiny Cu-Cr-P pro zlepšení jejich pevnosti; povlaky slitiny Ni-W a Ni-Co se nanášejí na povrch zubu ozubených kol z litiny HT250 pro zlepšení odolnosti proti opotřebení 4 až 6krát ve srovnání s nepovlakovaným ozubeným kolem.
Čas zveřejnění: 7. listopadu 2022