Zahnradbeschichtungstechnologie

Die PVD-Beschichtungstechnologie wird seit vielen Jahren als neue Oberflächenmodifizierungstechnologie eingesetzt, insbesondere die Vakuum-Ionenbeschichtung. Sie hat in den letzten Jahren eine enorme Entwicklung erfahren und wird heute häufig zur Behandlung von Werkzeugen, Formen, Kolbenringen, Zahnrädern und anderen Komponenten eingesetzt. Die mit der Vakuum-Ionenbeschichtungstechnologie hergestellten beschichteten Zahnräder können den Reibungskoeffizienten deutlich senken, den Verschleiß- und Korrosionsschutz verbessern und stehen im Mittelpunkt der Forschung im Bereich der Zahnradoberflächenverstärkung.

Die für Zahnräder verwendeten Materialien sind hauptsächlich Schmiedestahl, Gussstahl, Gusseisen, Nichteisenmetalle (Kupfer, Aluminium) und Kunststoff. Stahl wird hauptsächlich in den Sorten 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB und 38CrMoAl verwendet. Kohlenstoffarmer Stahl wird hauptsächlich in den Sorten 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB und 20CrMnTo verwendet. Schmiedestahl wird aufgrund seiner besseren Leistung häufiger für Zahnräder verwendet, während Gussstahl üblicherweise zur Herstellung von Zahnrädern mit einem Durchmesser von > 400 mm und komplexer Struktur verwendet wird. Gusseisenzahnräder sind beständig gegen Verklebungen und Lochfraß, jedoch nicht stoß- und verschleißfest. Sie sind hauptsächlich für den Dauerbetrieb, nicht für niedrige Drehzahlen oder große Abmessungen und komplexe Formen geeignet und können auch bei mangelnder Schmierung betrieben werden. Sie eignen sich daher für offene Getriebe. Zu den häufig verwendeten Nichteisenmetallen zählen Zinnbronze, Aluminium-Eisen-Bronze und Aluminiumgusslegierungen. Sie werden häufig bei der Herstellung von Turbinen oder Zahnrädern eingesetzt, weisen jedoch schlechte Gleit- und Reibungseigenschaften auf und eignen sich nur für Zahnräder mit geringer, mittlerer Belastung und niedriger Drehzahl. Zahnräder aus nichtmetallischen Werkstoffen werden hauptsächlich in Bereichen mit besonderen Anforderungen wie ölfreier Schmierung und hoher Zuverlässigkeit eingesetzt. In Bereichen mit geringer Umweltverschmutzung werden sie beispielsweise in Haushaltsgeräten, medizinischen Geräten, Lebensmittelmaschinen und Textilmaschinen eingesetzt.

Zahnradbeschichtungsmaterialien

Technische Keramik ist ein äußerst vielversprechendes Material mit hoher Festigkeit und Härte, insbesondere ausgezeichneter Hitzebeständigkeit, geringer Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung sowie hoher Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Zahlreiche Studien belegen, dass Keramik von Natur aus hitzebeständig ist und einen geringen Verschleiß gegenüber Metallen aufweist. Daher kann die Verwendung von Keramik anstelle von Metallen für verschleißfeste Teile die Lebensdauer von Reibungselementen verlängern und die hohen Anforderungen an hohe Temperaturen und hohe Verschleißfestigkeit sowie an Multifunktionalität erfüllen. Technische Keramik wird derzeit bei der Herstellung hitzebeständiger Motorteile, mechanischer Getriebe in Verschleißteilen, korrosionsbeständiger Teile in chemischen Anlagen und Dichtungsteilen eingesetzt und zeigt damit das zunehmende Anwendungspotenzial keramischer Materialien.

Industrieländer wie Deutschland, Japan, die USA, das Vereinigte Königreich und andere legen großen Wert auf die Entwicklung und Anwendung technischer Keramikmaterialien und investieren viel Geld und Arbeitskräfte in die Entwicklung der Verarbeitungstheorie und -technologie technischer Keramik. Deutschland hat das Programm „SFB442“ gestartet. Ziel ist es, mithilfe der PVD-Technologie einen geeigneten Film auf der Oberfläche von Bauteilen zu synthetisieren, der potenziell schädliche Schmiermittel für Umwelt und Körper ersetzt. PW Gold und andere deutsche Unternehmen nutzten die Fördermittel des SFB442, um mithilfe der PVD-Technologie dünne Filme auf Wälzlageroberflächen abzuscheiden. Dabei stellten sie fest, dass der Verschleißschutz von Wälzlagern deutlich verbessert wurde und die auf der Oberfläche abgeschiedenen Filme die Funktion von Hochdruck-Verschleißschutzadditiven vollständig ersetzen konnten. Joachim, Franz et al. in Deutschland nutzten die PVD-Technologie zur Herstellung von WC/C-Filmen mit hervorragenden Ermüdungseigenschaften, die die von Schmierstoffen mit EP-Additiven übertreffen. Dieses Ergebnis eröffnet ebenfalls die Möglichkeit, schädliche Additive durch Beschichtungen zu ersetzen. E. Lugscheider et al. vom Institut für Werkstoffwissenschaft der RWTH Aachen konnten mit Förderung der DFG eine signifikante Erhöhung der Ermüdungsbeständigkeit nach der Abscheidung geeigneter Filme auf 100Cr6-Stahl mittels PVD nachweisen. Technologie. Darüber hinaus hat General Motors in den USA damit begonnen, auf den Zahnrädern seines Volvo S80 Turbo-Modells eine Beschichtung aufzutragen, um die Beständigkeit gegen Ermüdungskorrosion zu verbessern. Das renommierte Unternehmen Timken hat die Zahnradbeschichtung ES200 auf den Markt gebracht. In Deutschland ist die Zahnradbeschichtung unter der eingetragenen Marke MAXIT erschienen. In Großbritannien sind auch Zahnradbeschichtungen unter den eingetragenen Marken Graphit-iC und Dymon-iC erhältlich.

Als wichtiges Ersatzteil mechanischer Getriebe spielen Zahnräder in der Industrie eine wichtige Rolle. Daher ist die Anwendung keramischer Werkstoffe in Zahnrädern von großer praktischer Bedeutung. Derzeit werden in Zahnrädern hauptsächlich folgende technische Keramiken eingesetzt:

1. TiN-Beschichtung
1. Zinn

Die ionenbeschichtete TiN-Keramikschicht ist eine der am häufigsten verwendeten oberflächenmodifizierten Beschichtungen mit hoher Härte, hoher Haftfestigkeit, niedrigem Reibungskoeffizienten, guter Korrosionsbeständigkeit usw. Sie wird in vielen Bereichen eingesetzt, insbesondere im Werkzeug- und Formenbau. Der Hauptgrund für das Aufbringen einer Keramikbeschichtung auf Zahnräder ist das Bindungsproblem zwischen der Keramikbeschichtung und dem Substrat. Da die Arbeitsbedingungen und Einflussfaktoren von Zahnrädern weitaus komplizierter sind als die von Werkzeugen und Formen, ist das Aufbringen einer einzelnen TiN-Beschichtung auf die Zahnradoberfläche stark eingeschränkt. Obwohl eine Keramikbeschichtung die Vorteile einer hohen Härte, eines niedrigen Reibungskoeffizienten und einer hohen Korrosionsbeständigkeit bietet, ist sie spröde und es ist schwierig, eine dickere Beschichtung aufzubringen. Sie benötigt also ein Substrat mit hoher Härte und hoher Festigkeit, um die Beschichtung zu stützen und ihre Eigenschaften entfalten zu können. Aus diesem Grund wird eine Keramikbeschichtung hauptsächlich für Oberflächen aus Hartmetall und Schnellarbeitsstahl verwendet. Das Zahnradmaterial ist im Vergleich zu Keramik weich, und der Unterschied zwischen Substrat und Beschichtung ist groß. Daher ist die Verbindung zwischen Beschichtung und Substrat schlecht. Die Beschichtung bietet keinen ausreichenden Halt, wodurch die Beschichtung während des Gebrauchs leicht abfällt. Dadurch können die Vorteile der Keramikbeschichtung nicht genutzt werden. Die abfallenden Keramikpartikel verursachen zudem abrasiven Verschleiß am Zahnrad und beschleunigen dessen Verschleiß. Die aktuelle Lösung besteht in der Verwendung von Verbundoberflächenbehandlungstechnologien zur Verbesserung der Verbindung zwischen Keramik und Substrat. Verbundoberflächenbehandlungstechnologien bezeichnen die Kombination von physikalischer Gasphasenabscheidung und anderen Oberflächenbehandlungsverfahren. Dabei werden zwei separate Oberflächen/Untergründe genutzt, um die Oberfläche des Substratmaterials zu modifizieren und so mechanische Eigenschaften zu erzielen, die mit einer einzelnen Oberflächenbehandlung nicht erreicht werden können. Die durch Ionennitrieren und PVD abgeschiedene TiN-Verbundbeschichtung gehört zu den am besten erforschten Verbundbeschichtungen. Das plasmanitrierte Substrat und die TiN-Keramik-Verbundbeschichtung bilden eine starke Verbindung, wodurch die Verschleißfestigkeit deutlich verbessert wird.

Die optimale Schichtdicke einer TiN-Schicht mit hervorragender Verschleißfestigkeit und Filmgrundhaftung beträgt etwa 3–4 μm. Bei einer Schichtdicke unter 2 μm verbessert sich die Verschleißfestigkeit nicht signifikant. Bei einer Schichtdicke über 5 μm verringert sich die Filmgrundhaftung.

2. Mehrschichtige, mehrkomponentige TiN-Beschichtung

Mit der zunehmenden Verbreitung von TiN-Beschichtungen wird zunehmend an deren Verbesserung geforscht. In den letzten Jahren wurden Mehrkomponenten- und Mehrlagenbeschichtungen auf Basis binärer TiN-Beschichtungen entwickelt, beispielsweise Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 usw. Durch die Zugabe von Elementen wie Al und Si zu TiN-Beschichtungen können deren Oxidationsbeständigkeit und Härte verbessert werden, während die Zugabe von Elementen wie B die Härte und Haftfestigkeit der Beschichtungen verbessern kann.

Aufgrund der Komplexität der Mehrkomponentenzusammensetzung gibt es in dieser Studie viele Kontroversen. Bei der Untersuchung von (Tix,Cr1-x)N-Mehrkomponentenbeschichtungen gibt es große Kontroversen in den Forschungsergebnissen. Einige Leute glauben, dass (Tix,Cr1-x)N-Beschichtungen auf TiN basieren und Cr nur in Form einer Ersatzmischkristalllösung in der TiN-Punktmatrix existieren kann, aber nicht als separate CrN-Phase. Andere Studien zeigen, dass die Zahl der Cr-Atome, die Ti-Atome in (Tix,Cr1-x)N-Beschichtungen direkt ersetzen, begrenzt ist und das verbleibende Cr im Singulettzustand existiert oder Verbindungen mit N bildet. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Cr zur Beschichtung die Oberflächenpartikelgröße reduziert und die Härte erhöht und die Härte der Beschichtung ihren höchsten Wert erreicht, wenn der Massenanteil von Cr 31 % erreicht, aber auch die innere Spannung der Beschichtung ihren Maximalwert erreicht.

3. Andere Beschichtungsschicht

Zusätzlich zu den häufig verwendeten TiN-Beschichtungen werden viele verschiedene technische Keramiken zur Oberflächenverstärkung von Zahnrädern verwendet.

(1) Y. Terauchi et al. aus Japan untersuchten die Reibungsverschleißbeständigkeit von Zahnrädern aus Titankarbid oder Titannitrid, die mittels Dampfabscheidung beschichtet wurden. Die Zahnräder wurden aufgekohlt und poliert, um vor der Beschichtung eine Oberflächenhärte von ca. HV720 und eine Oberflächenrauheit von 2,4 μm zu erreichen. Die Keramikbeschichtungen wurden mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) für Titankarbid und mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) für Titannitrid hergestellt, wobei die Keramikschichtdicke ca. 2 μm betrug. Die Reibungsverschleißeigenschaften wurden in Gegenwart von Öl bzw. Trockenreibung untersucht. Es zeigte sich, dass die Fress- und Kratzfestigkeit des Zahnradschraubstocks nach der Beschichtung mit Keramik deutlich verbessert wurde.

(2) Eine Verbundbeschichtung aus chemisch beschichtetem Ni-P und TiN wurde hergestellt, indem zunächst Ni-P als Übergangsschicht aufgebracht und anschließend TiN abgeschieden wurde. Die Untersuchung zeigt, dass die Oberflächenhärte dieser Verbundbeschichtung bis zu einem gewissen Grad verbessert wurde. Die Beschichtung haftet besser am Substrat und weist eine höhere Verschleißfestigkeit auf.

(3) WC/C, B4C-Dünnschicht
M. Murakawa et al. vom Fachbereich Maschinenbau am Japan Institute of Technology (JIT) nutzten PVD-Technologie, um eine WC/C-Dünnschicht auf der Oberfläche von Zahnrädern abzuscheiden. Die Lebensdauer dieser Schicht war dreimal so hoch wie die von herkömmlichen, gehärteten und geschliffenen Zahnrädern unter ölfreier Schmierung. Franz J et al. nutzten PVD-Technologie, um WC/C- und B4C-Dünnschichten auf der Oberfläche von FEZ-A- und FEZ-C-Zahnrädern abzuscheiden. Das Experiment zeigte, dass die PVD-Beschichtung die Zahnradreibung deutlich reduzierte, das Zahnrad weniger anfällig für Heißkleben oder Kleben machte und die Tragfähigkeit des Zahnrads verbesserte.

(4) CrN-Schichten
CrN-Filme weisen ähnlich wie TiN-Filme eine höhere Härte auf und sind widerstandsfähiger gegen Hochtemperaturoxidation als TiN. Sie sind korrosionsbeständiger, weisen geringere innere Spannungen als TiN-Filme auf und haben eine vergleichsweise höhere Zähigkeit. Chen Ling et al. stellten einen verschleißfesten TiAlCrN/CrN-Verbundfilm mit hervorragender filmbasierter Bindung auf der Oberfläche von HSS her und schlugen außerdem die Theorie der Versetzungsstapelung von Mehrschichtfilmen vor. Bei einem großen Unterschied der Versetzungsenergie zwischen zwei Schichten können Versetzungen einer Schicht nur schwer über ihre Schnittstelle in die andere gelangen, wodurch an der Schnittstelle eine Versetzungsstapelung entsteht, die das Material verstärkt. Zhong Bin et al. untersuchten die Auswirkung des Stickstoffgehalts auf die Phasenstruktur und die Reibungsverschleißeigenschaften von CrNx-Filmen. Die Untersuchung zeigte, dass mit zunehmendem N2-Gehalt der Cr2N (211)-Beugungspeak in den Filmen allmählich abgeschwächt und der CrN (220)-Peak allmählich verstärkt wurde, die großen Partikel auf der Filmoberfläche allmählich abnahmen und die Oberfläche tendenziell flach wurde. Bei einer N2-Belüftung von 25 ml/min (Zielquellen-Lichtbogenstrom 75 A) weist der abgeschiedene CrN-Film eine gute Oberflächenqualität, gute Härte und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit auf, wenn die N2-Belüftung 25 ml/min beträgt (Zielquellen-Lichtbogenstrom 75 A, Unterdruck 100 V).

(5) Superharter Film
Superharte Filme sind feste Filme mit einer Härte von über 40 GPa, ausgezeichneter Verschleißfestigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit sowie niedrigem Reibungskoeffizienten und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Sie bestehen hauptsächlich aus amorphen Diamant- und CN-Filmen. Amorphe Diamantfilme haben amorphe Eigenschaften, keine weitreichend geordnete Struktur und enthalten eine große Zahl tetraedrischer CC-Bindungen. Deshalb werden sie auch tetraedrische amorphe Kohlenstofffilme genannt. Als eine Art amorpher Kohlenstofffilm hat eine diamantähnliche Beschichtung (DLC) viele hervorragende Eigenschaften, die denen von Diamanten ähneln, wie z. B. hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Härte, hoher Elastizitätsmodul, niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, gute chemische Stabilität, gute Verschleißfestigkeit und niedriger Reibungskoeffizient. Es hat sich gezeigt, dass das Aufbringen diamantähnlicher Filme auf Zahnradoberflächen die Lebensdauer um das Sechsfache verlängern und die Ermüdungsbeständigkeit deutlich verbessern kann. CN-Filme, auch als amorphe Kohlenstoff-Stickstoff-Filme bekannt, haben eine ähnliche Kristallstruktur wie kovalente β-Si3N4-Verbindungen und werden auch als β-C3N4 bezeichnet. Liu und Cohen et al. führte strenge theoretische Berechnungen unter Verwendung von Pseudopotentialbandberechnungen auf der Grundlage des Prinzips der ersten Natur durch und bestätigte, dass β-C3N4 eine große Bindungsenergie und eine stabile mechanische Struktur aufweist, mindestens einen substabilen Zustand existieren kann und sein Elastizitätsmodul mit dem von Diamant vergleichbar ist und gute Eigenschaften aufweist, wodurch die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit des Materials wirksam verbessert und der Reibungskoeffizient verringert werden kann.

(6) Verschleißfeste Beschichtung aus anderen Legierungen
Es wurde auch erprobt, einige verschleißfeste Legierungsbeschichtungen auf Zahnräder aufzubringen. Beispielsweise wurde die Zahnoberfläche von 45#-Stahlzahnrädern mit einer Ni-P-Co-Legierungsschicht versehen, um eine ultrafeine Kornstruktur zu erzielen, die die Lebensdauer um das 1,144- bis 1,533-Fache verlängern kann. Es wurde auch untersucht, wie Cu-Metallschichten und Ni-W-Legierungsbeschichtungen auf die Zahnoberfläche von Gusseisenzahnrädern aus Cu-Cr-P-Legierung aufgetragen werden, um deren Festigkeit zu verbessern. Ni-W- und Ni-Co-Legierungsbeschichtungen auf der Zahnoberfläche von HT250-Gusseisenzahnrädern verbessern die Verschleißfestigkeit im Vergleich zu unbeschichteten Zahnrädern um das 4- bis 6-Fache.