Gearbelægningsteknologi

PVD-aflejringsteknologi har været anvendt i mange år som en ny overflademodifikationsteknologi, især vakuumionbelægningsteknologi, som har oplevet stor udvikling i de senere år og nu er meget anvendt til behandling af værktøj, forme, stempelringe, gear og andre komponenter. De belagte gear fremstillet ved hjælp af vakuumionbelægningsteknologi kan reducere friktionskoefficienten betydeligt, forbedre slidstyrken og en vis antikorrosion og er blevet et fokuspunkt og et hotspot for forskning inden for teknologi til forstærkning af gearoverflader.

De almindelige materialer, der anvendes til gear, er hovedsageligt smedet stål, støbt stål, støbejern, ikke-jernholdige metaller (kobber, aluminium) og plast. Stål er hovedsageligt 45 stål, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Lavkulstofstål anvendes hovedsageligt i 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Smedet stål er mere udbredt i gear på grund af dets bedre ydeevne, mens støbt stål normalt bruges til at fremstille gear med en diameter på > 400 mm og kompleks struktur. Støbejernsgear er modstandsdygtige over for lim og grubetæring, men har manglende slag- og slidstyrke. Dette giver primært stabilt arbejde, lav hastighed eller stor størrelse og kompleks form, hvilket gør det muligt at arbejde under manglende smøring og er egnet til åben transmission. Ikke-jernholdige metaller, der almindeligvis anvendes, er tinbronze, aluminium-jernbronze og støbt aluminiumlegering, som almindeligvis anvendes til fremstilling af turbiner eller gear, men deres glide- og friktionsegenskaber er dårlige og kun egnet til lette, mellemstore og lavhastighedsgear. Ikke-metalliske gear anvendes hovedsageligt i visse områder med særlige krav, såsom oliefri smøring og høj pålidelighed. Områder med lav forurening, såsom husholdningsapparater, medicinsk udstyr, fødevaremaskiner og tekstilmaskiner.

Materialer til belægning af gear

Tekniske keramiske materialer er yderst lovende materialer med høj styrke og hårdhed, især fremragende varmebestandighed, lav varmeledningsevne og termisk udvidelse, høj slidstyrke og oxidationsbestandighed. Et stort antal undersøgelser har vist, at keramiske materialer er iboende varmebestandige og har lavt slid på metaller. Derfor kan brugen af ​​keramiske materialer i stedet for metalmaterialer til slidbestandige dele forbedre friktionsdelens levetid og opfylde nogle af de højtemperatur- og slidbestandige materialer samt multifunktionelle og andre strenge krav. I øjeblikket er tekniske keramiske materialer blevet brugt til fremstilling af varmebestandige motordele, sliddele til mekanisk transmission, korrosionsbestandige dele til kemisk udstyr og tætningsdele, hvilket i stigende grad viser en bred anvendelse af keramiske materialer.

Udviklede lande som Tyskland, Japan, USA, Storbritannien og andre lande lægger stor vægt på udvikling og anvendelse af tekniske keramiske materialer og investerer mange penge og arbejdskraft i at udvikle forarbejdningsteori og teknologi inden for teknisk keramik. Tyskland har lanceret et program kaldet "SFB442", hvis formål er at bruge PVD-teknologi til at syntetisere en passende film på overfladen af ​​delene for at erstatte det potentielt skadelige smøremiddel for miljøet og menneskekroppen. PW Gold og andre i Tyskland brugte finansieringen fra SFB442 til at anvende PVD-teknologi til at aflejre tynde film på overfladen af ​​rullelejer og fandt, at rullelejernes slidstyrke blev betydeligt forbedret, og at filmene, der aflejres på overfladen, fuldstændigt kunne erstatte funktionen af ​​slidstyrkeadditiver under ekstremt tryk. Joachim, Franz et al. i Tyskland brugte PVD-teknologi til at fremstille WC/C-film, der udviste fremragende anti-træthedsegenskaber, der er højere end smøremidler, der indeholder EP-additiver, et resultat, der ligeledes giver mulighed for at erstatte skadelige tilsætningsstoffer med belægninger. E. Lugscheider et al. fra Institut for Materialevidenskab, Tekniske Universitet i Aachen, Tyskland, demonstrerede med finansiering fra DFG (Tysk Forskningskommission) en betydelig stigning i træthedsmodstanden efter aflejring af passende film på 100Cr6-stål ved hjælp af PVD-teknologi. Derudover er det amerikanske General Motors begyndt at ... Volvo S80Turbo-typen tandhjulsoverfladeaflejringsfilm for at forbedre modstandsdygtigheden over for udmattelsesgruber; det berømte firma Timken har lanceret navnet ES200 tandhjulsoverfladefilm; det registrerede varemærke MAXIT tandhjulsbelægning er dukket op i Tyskland; de registrerede varemærker Graphit-iC og Dymon-iC henholdsvis tandhjulsbelægninger med de registrerede varemærker Graphit-iC og Dymon-iC er også tilgængelige i Storbritannien.

Som vigtige reservedele i mekanisk transmission spiller gear en vigtig rolle i industrien, så det er af meget stor praktisk betydning at studere anvendelsen af ​​keramiske materialer på gear. I øjeblikket anvendes der primært følgende tekniske keramikmaterialer på gear.

1. TiN-belægningslag
1. TiN

Ionbelægning TiN keramisk lag er en af ​​de mest anvendte overflademodificerede belægninger med høj hårdhed, høj vedhæftningsstyrke, lav friktionskoefficient, god korrosionsbestandighed osv. Det har været meget anvendt inden for forskellige områder, især i værktøjs- og formindustrien. Hovedårsagen til, at keramisk belægning på gear påvirker anvendelsen af ​​keramisk belægning på tandhjul, er bindingsproblemet mellem keramisk belægning og substrat. Da arbejdsforholdene og påvirkningsfaktorerne for gear er langt mere komplicerede end for værktøjer og forme, er anvendelsen af ​​en enkelt TiN-belægning på overfladebehandling af gear stærkt begrænset. Selvom keramisk belægning har fordelene ved høj hårdhed, lav friktionskoefficient og korrosionsbestandighed, er den sprød og vanskelig at opnå en tykkere belægning, så den kræver et substrat med høj hårdhed og høj styrke for at understøtte belægningen for at kunne leve op til sine egenskaber. Derfor anvendes keramisk belægning mest til overflader af hårdmetal og hurtigstål. Gearmaterialet er blødt sammenlignet med det keramiske materiale, og forskellen mellem substratets og belægningens natur er stor, så kombinationen af ​​belægning og substrat er dårlig, og belægningen er ikke tilstrækkelig til at understøtte belægningen, hvilket gør belægningen let at falde af under brug. Ikke alene kan man ikke udnytte fordelene ved den keramiske belægning, men de keramiske belægningspartikler, der falder af, vil forårsage slibende slid på gearet, hvilket fremskynder slidtab på gearet. Den nuværende løsning er at bruge kompositoverfladebehandlingsteknologi til at forbedre bindingen mellem keramikken og substratet. Kompositoverfladebehandlingsteknologi refererer til kombinationen af ​​fysisk dampaflejringsbelægning og andre overfladebehandlingsprocesser eller belægninger, hvor man bruger to separate overflader/underflader til at modificere overfladen af ​​substratmaterialet for at opnå kompositmekaniske egenskaber, der ikke kan opnås ved en enkelt overfladebehandlingsproces. TiN-kompositbelægning aflejret ved ionnitrering og PVD er en af ​​de mest undersøgte kompositbelægninger. Plasmanitreringssubstratet og TiN-keramisk kompositbelægning har en stærk binding, og slidstyrken er betydeligt forbedret.

Den optimale tykkelse af et TiN-filmlag med fremragende slidstyrke og filmbasebinding er omkring 3~4 μm. Hvis filmlagets tykkelse er mindre end 2 μm, vil slidstyrken ikke forbedres væsentligt. Hvis filmlagets tykkelse er mere end 5 μm, vil filmbasebindingen blive reduceret.

2. Flerlags, flerkomponent TiN-belægning

Med den gradvise og udbredte anvendelse af TiN-belægninger er der blevet foretaget mere og mere forskning i, hvordan man kan forbedre og forstærke TiN-belægninger. I de senere år er der blevet udviklet flerkomponentbelægninger og flerlagsbelægninger baseret på binære TiN-belægninger, såsom Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 osv. Ved at tilsætte elementer som Al og Si til TiN-belægninger kan belægningernes modstandsdygtighed over for højtemperaturoxidation og hårdhed forbedres, mens tilsætning af elementer som B kan forbedre belægningernes hårdhed og vedhæftningsstyrke.

På grund af kompleksiteten af ​​multikomponentsammensætningen er der mange kontroverser i denne undersøgelse. I undersøgelsen af ​​(Tix,Cr1-x)N multikomponentbelægninger er der stor kontrovers i forskningsresultaterne. Nogle mener, at (Tix,Cr1-x)N-belægninger er baseret på TiN, og at Cr kun kan eksistere i form af en erstatningsopløsning i TiN-punktmatrixen, men ikke som en separat CrN-fase. Andre undersøgelser viser, at antallet af Cr-atomer, der direkte erstatter Ti-atomer i (Tix,Cr1-x)N-belægninger, er begrænset, og at det resterende Cr eksisterer i singlettilstand eller danner forbindelser med N. De eksperimentelle resultater viser, at tilsætning af Cr til belægningen reducerer overfladepartikelstørrelsen og øger hårdheden, og belægningens hårdhed når sin højeste værdi, når masseprocenten af ​​Cr når 31%, men belægningens indre spænding når også sin maksimale værdi.

3. Andet belægningslag

Ud over de almindeligt anvendte TiN-belægninger anvendes mange forskellige tekniske keramiktyper til forstærkning af gearoverflader.

(1) Y. Terauchi et al. fra Japan undersøgte modstanden mod friktionsslid af keramiske tandhjul af titancarbid eller titanitrid, der var aflejret ved dampaflejringsmetoden. Tandhjulene blev karbureret og poleret for at opnå en overfladehårdhed på omkring HV720 og en overfladeruhed på 2,4 μm før belægning, og de keramiske belægninger blev fremstillet ved kemisk dampaflejring (CVD) for titancarbid og ved fysisk dampaflejring (PVD) for titanitrid med en keramisk filmtykkelse på omkring 2 μm. Friktionsslidegenskaberne blev undersøgt i nærvær af henholdsvis olie og tør friktion. Det blev konstateret, at tandhjulsskruestikkens rivningsmodstand og ridsemodstand blev væsentligt forbedret efter belægning med keramik.

(2) En kompositbelægning af kemisk belagt Ni-P og TiN blev fremstillet ved at forbelægge Ni-P som et overgangslag og derefter aflejre TiN. Undersøgelsen viser, at overfladehårdheden af ​​denne kompositbelægning er blevet forbedret til en vis grad, og belægningen er bedre bundet til substratet og har bedre slidstyrke.

(3) WC/C, B4C tyndfilm
M. Murakawa et al., Institut for Mekanik, Japan Institute of Technology, brugte PVD-teknologi til at aflejre WC/C-tyndfilm på overfladen af ​​gear, og dens levetid var tre gange så lang som almindelige bratkølede og slebne gear under oliefri smøreforhold. Franz J et al. brugte PVD-teknologi til at aflejre WC/C- og B4C-tyndfilm på overfladen af ​​FEZ-A- og FEZ-C-gear, og eksperimentet viste, at PVD-belægningen reducerede gearets friktion betydeligt, gjorde gearet mindre modtageligt for varmlimning eller limning og forbedrede gearets bæreevne.

(4) CrN-film
CrN-film ligner TiN-film, idet de har højere hårdhed, og CrN-film er mere modstandsdygtige over for oxidation ved høj temperatur end TiN, har bedre korrosionsbestandighed, lavere indre spænding end TiN-film og relativt bedre sejhed. Chen Ling et al. fremstillede en slidstærk TiAlCrN/CrN-kompositfilm med fremragende filmbaseret binding på overfladen af ​​HSS og foreslog også dislokationsstablingsteorien for flerlagsfilm. Hvis forskellen i dislokationsenergi mellem to lag er stor, vil det være vanskeligt for dislokationen, der forekommer i det ene lag, at krydse dets grænseflade ind i det andet lag, hvilket danner dislokationsstablingen ved grænsefladen og spiller en rolle i at styrke materialet. Zhong Bin et al. undersøgte effekten af ​​nitrogenindhold på fasestrukturen og friktionsslidegenskaberne af CrNx-film, og undersøgelsen viste, at Cr2N (211)-diffraktionstoppen i filmene gradvist svækkedes, og CrN (220)-toppen gradvist forstærkedes med stigningen i N2-indholdet. De store partikler på filmoverfladen faldt gradvist, og overfladen havde en tendens til at være flad. Når N2-luftningen var 25 ml/min (målkildens lysbuestrøm var 75 A), har den aflejrede CrN-film god overfladekvalitet, god hårdhed og fremragende slidstyrke, når N2-luftningen er 25 ml/min (målkildens lysbuestrøm er 75 A, undertrykket er 100 V).

(5) Superhård film
Superhård film er en fast film med en hårdhed på over 40 GPa, fremragende slidstyrke, høj temperaturbestandighed, lav friktionskoefficient og lav termisk udvidelseskoefficient, primært amorfe diamantfilm og CN-film. Amorfe diamantfilm har amorfe egenskaber, ingen langtrækkende ordnet struktur og indeholder et stort antal CC-tetraedriske bindinger, så de kaldes også tetraedriske amorfe kulstoffilm. Som en type amorf kulstoffilm har diamantlignende belægning (DLC) mange fremragende egenskaber svarende til diamant, såsom høj varmeledningsevne, høj hårdhed, højt elasticitetsmodul, lav termisk udvidelseskoefficient, god kemisk stabilitet, god slidstyrke og lav friktionskoefficient. Det er blevet vist, at belægning af diamantlignende film på gearoverflader kan forlænge levetiden med en faktor 6 og forbedre udmattelsesmodstanden betydeligt. CN-film, også kendt som amorfe kulstof-nitrogenfilm, har en krystalstruktur, der ligner β-Si3N4 kovalente forbindelser og er også kendt som β-C3N4. Liu og Cohen et al. udførte grundige teoretiske beregninger ved hjælp af pseudopotentialbåndberegninger ud fra første naturprincippet, bekræftede, at β-C3N4 har en stor bindingsenergi, en stabil mekanisk struktur, mindst én substabil tilstand kan eksistere, og dens elasticitetsmodul er sammenlignelig med diamant, med gode egenskaber, som effektivt kan forbedre materialets overfladehårdhed og slidstyrke og reducere friktionskoefficienten.

(6) Andet slidstærkt belægningslag af legering
Nogle slidbestandige legeringsbelægninger er også blevet forsøgt anvendt på gear, for eksempel er aflejring af et Ni-P-Co-legeringslag på tandoverfladen af ​​45# stålgear et legeringslag for at opnå ultrafin kornstruktur, hvilket kan forlænge levetiden op til 1,144~1,533 gange. Det er også blevet undersøgt, hvordan Cu-metallag og Ni-W-legeringsbelægning påføres tandoverfladen af ​​Cu-Cr-P-legeringsstøbejernsgear for at forbedre dets styrke; Ni-W- og Ni-Co-legeringsbelægning påføres tandoverfladen af ​​HT250 støbejernsgear for at forbedre slidstyrken med 4~6 gange sammenlignet med ubelagte gear.