Tecnología de recubrimiento de engranajes

La tecnología de deposición PVD se ha utilizado durante muchos años como una nueva tecnología de modificación de superficies, especialmente la tecnología de recubrimiento iónico al vacío, que ha experimentado un gran desarrollo en los últimos años y se utiliza ampliamente en el tratamiento de herramientas, moldes, anillos de pistón, engranajes y otros componentes. Los engranajes recubiertos mediante tecnología de recubrimiento iónico al vacío pueden reducir significativamente el coeficiente de fricción, mejorar la resistencia al desgaste y, en cierta medida, la anticorrosión, y se han convertido en el foco de investigación en el campo del reforzamiento de superficies de engranajes.

Los materiales comunes utilizados para engranajes son principalmente acero forjado, acero fundido, hierro fundido, metales no ferrosos (cobre, aluminio) y plásticos. El acero es principalmente acero 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. El acero bajo en carbono utilizado principalmente en 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. El acero forjado se usa más ampliamente en engranajes debido a su mejor rendimiento, mientras que el acero fundido se usa generalmente para fabricar engranajes con un diámetro> 400 mm y una estructura compleja. Los engranajes de hierro fundido son resistentes al pegamento y a las picaduras, pero carecen de resistencia al impacto y al desgaste, principalmente para un trabajo estable, la potencia no es de baja velocidad o de gran tamaño y forma compleja, puede funcionar bajo la condición de falta de lubricación, adecuado para transmisión abierta. Los metales no ferrosos más utilizados son el bronce al estaño, el bronce al aluminio-hierro y las aleaciones de aluminio fundido. Se emplean habitualmente en la fabricación de turbinas o engranajes. Sin embargo, sus propiedades de deslizamiento y antifricción son deficientes, y solo se utilizan en engranajes de carga ligera, media y baja velocidad. Los engranajes de materiales no metálicos se utilizan principalmente en sectores con requisitos especiales, como la lubricación sin aceite y una alta fiabilidad. En sectores con baja contaminación, como electrodomésticos, equipos médicos, maquinaria alimentaria y maquinaria textil.

Materiales de recubrimiento de engranajes

Los materiales cerámicos de ingeniería son muy prometedores, con alta resistencia y dureza, especialmente excelente resistencia al calor, baja conductividad térmica y expansión térmica, alta resistencia al desgaste y a la oxidación. Numerosos estudios han demostrado que los materiales cerámicos son inherentemente resistentes al calor y presentan un bajo desgaste en los metales. Por lo tanto, el uso de materiales cerámicos en lugar de materiales metálicos para piezas resistentes al desgaste puede mejorar la vida útil del componente de fricción, cumplir con algunos de los materiales resistentes a altas temperaturas y al desgaste, ser multifuncionales y otros requisitos exigentes. Actualmente, los materiales cerámicos de ingeniería se han utilizado en la fabricación de piezas resistentes al calor de motores, piezas de desgaste en transmisiones mecánicas, piezas resistentes a la corrosión en equipos químicos y piezas de sellado, lo que muestra cada vez más las amplias perspectivas de aplicación de los materiales cerámicos.

Los países desarrollados como Alemania, Japón, Estados Unidos, Reino Unido y otros países conceden gran importancia al desarrollo y la aplicación de materiales cerámicos de ingeniería, invirtiendo mucho dinero y mano de obra para desarrollar la teoría y la tecnología de procesamiento de la cerámica de ingeniería. Alemania ha lanzado un programa denominado "SFB442", cuyo objetivo es utilizar la tecnología PVD para sintetizar una película adecuada sobre la superficie de las piezas y sustituir el medio lubricante potencialmente perjudicial para el medio ambiente y el cuerpo humano. PW Gold y otros investigadores alemanes utilizaron la financiación del programa SFB442 para aplicar la tecnología PVD y depositar películas delgadas sobre la superficie de los rodamientos. Descubrieron que el rendimiento antidesgaste de los rodamientos mejoró significativamente y que las películas depositadas sobre la superficie podrían sustituir por completo la función de los aditivos antidesgaste de extrema presión. Joachim, Franz et al., en Alemania, utilizaron la tecnología PVD para preparar películas de WC/C, que demostraron excelentes propiedades antifatiga, superiores a las de los lubricantes con aditivos EP. Este resultado también permite sustituir los aditivos perjudiciales por recubrimientos. E. Lugscheider et al., del Instituto de Ciencia de los Materiales de la Universidad Técnica de Aquisgrán (Alemania), con financiación de la DFG (Comisión Alemana de Investigación), demostraron un aumento significativo de la resistencia a la fatiga tras depositar películas adecuadas sobre acero 100Cr6 mediante PVD. Tecnología. Además, General Motors, en Estados Unidos, ha comenzado a aplicar una película de deposición superficial para engranajes en su automóvil Volvo S80 Turbo para mejorar la resistencia a las picaduras por fatiga; la famosa empresa Timken ha lanzado la película superficial para engranajes ES200; la marca registrada MAXIT, el recubrimiento para engranajes, ha aparecido en Alemania; las marcas registradas Graphit-iC y Dymon-iC, respectivamente. Los recubrimientos para engranajes con las marcas registradas Graphit-iC y Dymon-iC también están disponibles en el Reino Unido.

Como piezas de repuesto importantes para transmisiones mecánicas, los engranajes desempeñan un papel fundamental en la industria, por lo que resulta de gran importancia práctica estudiar la aplicación de materiales cerámicos en ellos. Actualmente, las cerámicas de ingeniería que se aplican a los engranajes son principalmente las siguientes.

1、Capa de recubrimiento de TiN
1、Estaño

El recubrimiento cerámico de TiN con recubrimiento iónico es uno de los recubrimientos modificados de superficie más utilizados, con alta dureza, alta fuerza de adhesión, bajo coeficiente de fricción, buena resistencia a la corrosión, etc. Se ha utilizado ampliamente en diversos campos, especialmente en la industria de herramientas y moldes. La principal razón que afecta la aplicación del recubrimiento cerámico en engranajes es el problema de adhesión entre el recubrimiento cerámico y el sustrato. Dado que las condiciones de trabajo y los factores que influyen en los engranajes son mucho más complejos que los de las herramientas y los moldes, la aplicación de un solo recubrimiento de TiN en el tratamiento de la superficie de los engranajes está muy restringida. Si bien el recubrimiento cerámico tiene las ventajas de alta dureza, bajo coeficiente de fricción y resistencia a la corrosión, es frágil y difícil obtener un recubrimiento más grueso, por lo que necesita un sustrato de alta dureza y alta resistencia para soportar el recubrimiento y así desarrollar sus características. Por lo tanto, el recubrimiento cerámico se utiliza principalmente para superficies de carburo y acero de alta velocidad. El material de los engranajes es blando en comparación con el material cerámico, y la diferencia entre la naturaleza del sustrato y el recubrimiento es considerable. Por lo tanto, la combinación entre ambos es deficiente y el recubrimiento no es suficiente para soportarlo, lo que facilita su desprendimiento durante el uso. Esto no solo no aprovecha las ventajas del recubrimiento cerámico, sino que las partículas de este último causan desgaste abrasivo en el engranaje, acelerando su desgaste. La solución actual consiste en utilizar tecnología de tratamiento de superficies compuestas para mejorar la unión entre la cerámica y el sustrato. Esta tecnología combina el recubrimiento por deposición física de vapor con otros procesos de tratamiento de superficies, utilizando dos superficies/subsuperficies independientes para modificar la superficie del material del sustrato y obtener propiedades mecánicas que no se pueden lograr con un solo proceso de tratamiento. El recubrimiento compuesto de TiN, depositado mediante nitruración iónica y PVD, es uno de los recubrimientos compuestos más investigados. El sustrato de nitruración por plasma y el recubrimiento compuesto cerámico de TiN ofrecen una fuerte unión y una resistencia al desgaste significativamente mejorada.

El espesor óptimo de la capa de película de TiN, con excelente resistencia al desgaste y buena adherencia a la base de la película, es de aproximadamente 3 a 4 μm. Si el espesor de la capa de película es inferior a 2 μm, la resistencia al desgaste no mejorará significativamente. Si el espesor de la capa de película es superior a 5 μm, la adherencia a la base de la película disminuirá.

2、Recubrimiento de TiN multicapa y multicomponente

Con la aplicación gradual y generalizada de los recubrimientos de TiN, cada vez se investiga más para mejorarlos. En los últimos años, se han desarrollado recubrimientos multicomponente y multicapa basados ​​en recubrimientos binarios de TiN, como Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr⁻⁻x)N, TiN/Al₂O₃, etc. Añadiendo elementos como Al y Si a los recubrimientos de TiN, se puede mejorar la resistencia a la oxidación a alta temperatura y la dureza, mientras que añadiendo elementos como B se puede mejorar la dureza y la adhesión.

Debido a la complejidad de la composición multicomponente, existen muchas controversias en este estudio. En el estudio de recubrimientos multicomponentes (Tix,Cr1-x)N, existe una gran controversia en los resultados de la investigación. Algunas personas creen que los recubrimientos (Tix,Cr1-x)N se basan en TiN, y Cr solo puede existir en forma de solución sólida de reemplazo en la matriz de puntos de TiN, pero no como una fase separada de CrN. Otros estudios muestran que el número de átomos de Cr que reemplazan directamente los átomos de Ti en recubrimientos (Tix,Cr1-x)N es limitado, y el Cr restante existe en el estado singlete o forma compuestos con N. Los resultados experimentales muestran que la adición de Cr al recubrimiento reduce el tamaño de partícula superficial y aumenta la dureza, y la dureza del recubrimiento alcanza su valor más alto cuando el porcentaje de masa de Cr alcanza el 31%, pero la tensión interna del recubrimiento también alcanza su valor máximo.

3、Otra capa de recubrimiento

Además de los recubrimientos de TiN comúnmente utilizados, se utilizan muchas cerámicas de ingeniería diferentes para fortalecer la superficie de los engranajes.

(1) Y. Terauchi et al., de Japón, estudiaron la resistencia al desgaste por fricción de engranajes cerámicos de carburo de titanio o nitruro de titanio depositados mediante deposición de vapor. Los engranajes se carburizaron y pulieron para alcanzar una dureza superficial de aproximadamente HV720 y una rugosidad de 2,4 μm antes del recubrimiento. Los recubrimientos cerámicos se prepararon mediante deposición química de vapor (CVD) para el carburo de titanio y mediante deposición física de vapor (PVD) para el nitruro de titanio, con un espesor de película cerámica de aproximadamente 2 μm. Se investigaron las propiedades de desgaste por fricción en presencia de aceite y fricción seca, respectivamente. Se observó que la resistencia al desgaste por rozamiento y al rayado de la mordaza dentada mejoró sustancialmente tras el recubrimiento cerámico.

(2) Se preparó un recubrimiento compuesto de Ni-P y TiN recubiertos químicamente mediante una precapa de Ni-P como capa de transición y la posterior deposición de TiN. El estudio muestra que la dureza superficial de este recubrimiento compuesto ha mejorado en cierta medida, presenta una mejor adhesión al sustrato y una mayor resistencia al desgaste.

(3) Película delgada WC/C, B4C
M. Murakawa et al., del Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Japón, utilizaron la tecnología PVD para depositar una película delgada de WC/C sobre la superficie de los engranajes, y su vida útil triplicó la de los engranajes convencionales templados y rectificados en condiciones de lubricación sin aceite. Franz J et al. utilizaron la tecnología PVD para depositar una película delgada de WC/C y B4C sobre la superficie de engranajes FEZ-A y FEZ-C. El experimento demostró que el recubrimiento PVD redujo significativamente la fricción del engranaje, lo hizo menos susceptible al encolado en caliente y mejoró su capacidad de carga.

(4) Películas de CrN
Las películas de CrN son similares a las de TiN en su mayor dureza, siendo más resistentes a la oxidación a alta temperatura que las de TiN, con mejor resistencia a la corrosión, menor tensión interna y una tenacidad relativamente mejor. Chen Ling et al. prepararon una película compuesta de TiAlCrN/CrN resistente al desgaste con una excelente adhesión sobre la superficie de HSS. Además, propusieron la teoría del apilamiento de dislocaciones en películas multicapa: si la diferencia de energía de dislocación entre dos capas es grande, la dislocación que se produce en una capa difícilmente atravesará su interfaz hacia la otra, formándose así el apilamiento de dislocaciones en la interfaz y fortaleciendo el material. Zhong Bin et al. estudiaron el efecto del contenido de nitrógeno en la estructura de fases y las propiedades de desgaste por fricción de las películas de CrNx. El estudio demostró que el pico de difracción de Cr₂N (211) en las películas se debilitó gradualmente y el pico de CrN (220) aumentó gradualmente con el aumento del contenido de N₂. Las partículas grandes en la superficie de la película disminuyeron gradualmente y la superficie tendió a ser plana. Cuando la aireación de N2 fue de 25 ml/min (la corriente del arco de la fuente objetivo fue de 75 A, la película de CrN depositada tiene buena calidad de superficie, buena dureza y excelente resistencia al desgaste cuando la aireación de N2 es de 25 ml/min (la corriente del arco de la fuente objetivo es de 75 A, la presión negativa es de 100 V).

(5) Película superdura
La película superdura es una película sólida con una dureza superior a 40 GPa, excelente resistencia al desgaste, resistencia a altas temperaturas y bajo coeficiente de fricción y expansión térmica, principalmente película de diamante amorfo y película CN. Las películas de diamante amorfo tienen propiedades amorfas, carecen de una estructura ordenada de largo alcance y contienen una gran cantidad de enlaces tetraédricos CC, por lo que también se denominan películas de carbono amorfo tetraédrico. Como un tipo de película de carbono amorfo, el recubrimiento similar al diamante (DLC) posee muchas propiedades excelentes similares al diamante, como alta conductividad térmica, alta dureza, alto módulo elástico, bajo coeficiente de expansión térmica, buena estabilidad química, buena resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción. Se ha demostrado que el recubrimiento con películas similares al diamante en las superficies de los engranajes puede prolongar la vida útil por un factor de 6 y mejorar significativamente la resistencia a la fatiga. Las películas CN, también conocidas como películas amorfas de carbono-nitrógeno, tienen una estructura cristalina similar a la de los compuestos covalentes β-Si₃N₄ y también se conocen como β-C₃N₄. Liu y Cohen et al. Se realizaron cálculos teóricos rigurosos utilizando cálculos de banda pseudopotencial a partir del principio de primera naturaleza, y se confirmó que β-C3N4 tiene una gran energía de enlace, una estructura mecánica estable, puede existir al menos un estado subestable y su módulo elástico es comparable al diamante, con buenas propiedades, lo que puede mejorar efectivamente la dureza de la superficie y la resistencia al desgaste del material y reducir el coeficiente de fricción.

(6) Otra capa de revestimiento resistente al desgaste de aleación
También se han probado algunos recubrimientos de aleación resistentes al desgaste en engranajes. Por ejemplo, la deposición de una capa de aleación de Ni-P-Co en la superficie dentada de engranajes de acero 45# permite obtener una estructura de grano ultrafino, lo que prolonga la vida útil hasta 1144-1533 veces. También se ha estudiado la aplicación de una capa metálica de Cu y un recubrimiento de aleación de Ni-W en la superficie dentada de engranajes de hierro fundido de aleación Cu-Cr-P para mejorar su resistencia. Asimismo, se ha aplicado un recubrimiento de aleación de Ni-W y Ni-Co en la superficie dentada de engranajes de hierro fundido HT250 para mejorar la resistencia al desgaste entre 4 y 6 veces en comparación con los engranajes sin recubrimiento.