PVD sadestamise tehnoloogiat on aastaid praktiseeritud uue pinna modifitseerimise tehnoloogiana, eriti vaakumioonkatmise tehnoloogiana, mis on viimastel aastatel märkimisväärselt arenenud ja mida nüüd laialdaselt kasutatakse tööriistade, vormide, kolvirõngaste, hammasrataste ja muude komponentide töötlemisel. Vaakumioonkatmise tehnoloogia abil valmistatud kaetud hammasrattad võivad oluliselt vähendada hõõrdetegurit, parandada kulumiskindlust ja teatud korrosioonikindlust ning on muutunud hammasrataste pinna tugevdamise tehnoloogia valdkonna uurimiskeskuseks ja kuumaks kohaks.
Hammasrataste valmistamiseks kasutatavad materjalid on peamiselt sepistatud teras, valuteras, malm, värvilised metallid (vask, alumiinium) ja plast. Teras on peamiselt 45-tolline teras, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Madala süsinikusisaldusega terast kasutatakse peamiselt 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB ja 20CrMnTo materjalides. Sepistatud terast kasutatakse hammasratastes laialdasemalt selle paremate omaduste tõttu, samas kui valuterast kasutatakse tavaliselt üle 400 mm läbimõõduga ja keeruka konstruktsiooniga hammasrataste valmistamiseks. Malmist hammasrattad on kleepumis- ja aukliku korrosioonikindlad, kuid neil puudub löögi- ja kulumiskindlus. See on vajalik peamiselt stabiilseks tööks, võimsuse tagamiseks mitte madalatel kiirustel ega suurtel mõõtmetel ja keeruka kujuga hammasratastel. Võib töötada ka ilma määrimiseta, sobides avatud käigukastidele. Tavaliselt kasutatavad värvilised metallid on tinapronks, alumiinium-raudpronks ja valualumiiniumisulam, mida tavaliselt kasutatakse turbiinide või hammasrataste tootmisel, kuid libisemis- ja hõõrdumisvastased omadused on kehvad, sobivad ainult kergetele, keskmise koormusega ja madala kiirusega hammasratastele. Mittemetallilistest materjalidest hammasrattaid kasutatakse peamiselt teatud valdkondades, kus on erinõuded, näiteks õlivaba määrimine ja suur töökindlus. Madala saastetasemega valdkondades, näiteks kodumasinate, meditsiiniseadmete, toidumasinate ja tekstiilimasinate puhul.
Hammasrataste kattematerjalid
Insenerkeraamilised materjalid on äärmiselt paljutõotavad materjalid, millel on kõrge tugevus ja kõvadus, eriti suurepärane kuumakindlus, madal soojusjuhtivus ja soojuspaisumine, kõrge kulumiskindlus ja oksüdatsioonikindlus. Suur hulk uuringuid on näidanud, et keraamilised materjalid on loomupäraselt kuumakindlad ja neil on metallide suhtes vähene kulumiskindlus. Seetõttu võib keraamiliste materjalide kasutamine kulumiskindlate osade puhul metallmaterjalide asemel parandada hõõrdeagregaatide eluiga ning täita mõningaid kõrge temperatuuri ja suure kulumiskindlusega materjalide, multifunktsionaalsuse ja muid rangeid nõudeid. Praegu kasutatakse insenerkeraamilisi materjale mootorite kuumakindlate osade, mehaaniliste ülekannete kulumisosades, keemiaseadmete korrosioonikindlates osades ja tihendusosades, mis näitab üha enam keraamiliste materjalide laialdast kasutamist.
Arenenud riigid, nagu Saksamaa, Jaapan, Ameerika Ühendriigid, Ühendkuningriik ja teised riigid, peavad insenerkeraamiliste materjalide arendamist ja rakendamist väga oluliseks, investeerides palju raha ja tööjõudu insenerkeraamika töötlemise teooria ja tehnoloogia arendamisse. Saksamaa on käivitanud programmi nimega „SFB442“, mille eesmärk on PVD-tehnoloogia abil sünteesida detailide pinnale sobiv kile, mis asendaks keskkonnale ja inimkehale potentsiaalselt kahjulikku määrdekeskkonda. PW Gold ja teised Saksamaal kasutasid SFB442 rahastamist PVD-tehnoloogia rakendamiseks õhukeste kilede sadestamiseks veerelaagrite pinnale ning leidsid, et veerelaagrite kulumisvastane toime paranes oluliselt ning pinnale sadestatud kiled võisid täielikult asendada äärmusrõhu kulumisvastaste lisandite funktsiooni. Joachim, Franz jt Saksamaal kasutasid PVD-tehnoloogiat WC/C-kilede valmistamiseks, millel olid suurepärased väsimusvastased omadused, mis olid kõrgemad kui EP-lisandeid sisaldavatel määrdeainetel, mis annab sarnase võimaluse asendada kahjulikud lisandid katetega. E. Lugscheider jt Aacheni Tehnikaülikooli Materjaliteaduse Instituudist Saksamaal näitasid DFG (Saksamaa Teaduskomisjoni) rahastamisel väsimuskindluse olulist suurenemist pärast sobivate kilede sadestamist 100Cr6 terasele PVD-tehnoloogia abil. Lisaks on Ameerika Ühendriikide General Motors alustanud... Oma VolvoS80Turbo tüüpi autode käigukasti pinnakattekilega parandatakse väsimuspitskindlust; kuulus Timkeni ettevõte on turule toonud nime ES200 käigukasti pinnakate; Saksamaal on ilmunud registreeritud kaubamärk MAXIT käigukasti kate; registreeritud kaubamärgid Graphit-iC ja Dymon-iC. Käigukasti katted registreeritud kaubamärkidega Graphit-iC ja Dymon-iC on saadaval ka Ühendkuningriigis.
Mehaanilise jõuülekande olulise varuosadena mängivad hammasrattad tööstuses olulist rolli, seega on keraamiliste materjalide kasutamise uurimine hammasratastel väga olulise praktilise tähtsusega. Praegu kasutatakse hammasratastel peamiselt järgmisi insenerkeraamikaid.
1, TiN kattekiht
1, TiN
Ioonkate TiN-keraamiline kiht on üks enimkasutatavaid pinna modifitseeritud katteid, millel on kõrge kõvadus, kõrge nakketugevus, madal hõõrdetegur, hea korrosioonikindlus jne. Seda on laialdaselt kasutatud erinevates valdkondades, eriti tööriista- ja vormitööstuses. Peamine põhjus, mis mõjutab keraamilise katte pealekandmist hammasratastele, on keraamilise katte ja aluspinna vaheline nakkeprobleem. Kuna hammasrataste töötingimused ja mõjutavad tegurid on palju keerulisemad kui tööriistade ja vormide puhul, on ühe TiN-katte pealekandmine hammasrataste pinnatöötlusele oluliselt piiratud. Kuigi keraamilisel kattel on eelised kõrge kõvaduse, madala hõõrdeteguri ja korrosioonikindluse poolest, on see habras ja paksema katte saamine on keeruline, seega vajab see oma omaduste säilitamiseks katte toetamiseks suurt kõvadust ja tugevat aluspinda. Seetõttu kasutatakse keraamilist katet enamasti karbiidi ja kiirlõiketerase pindadel. Hammasratta materjal on keraamilise materjaliga võrreldes pehmem ning aluspinna ja katte olemuse erinevus on suur, seega on katte ja aluspinna kombinatsioon halb ning kate ei ole katte toetamiseks piisav, mistõttu kate võib kasutamise ajal kergesti maha kukkuda. See mitte ainult ei lase keraamilisel kattel olla kasulik, vaid keraamilise katte osakesed, mis maha kukuvad, põhjustavad hammasratta abrasiivset kulumist, kiirendades hammasratta kulumist. Praegune lahendus on komposiitpinnatöötlustehnoloogia kasutamine keraamika ja aluspinna vahelise sideme parandamiseks. Komposiitpinnatöötlustehnoloogia viitab füüsikalise aurustamise-sadestamise katmise ja muude pinnatöötlusprotsesside või katete kombinatsioonile, kasutades aluspinnamaterjali pinna muutmiseks kahte eraldi pinda/aluspinda, et saavutada komposiitmehaanilisi omadusi, mida ei ole võimalik saavutada ühe pinnatöötlusprotsessiga. Ioonnitriidimise ja PVD-ga sadestatud TiN-komposiitkate on üks enim uuritud komposiitkatteid. Plasmanitriidimisega aluspinnal ja TiN-keraamilisel komposiitkattel on tugev side ning kulumiskindlus on oluliselt paranenud.
Suurepärase kulumiskindluse ja kilealuse nakkuvusega TiN-kile optimaalne paksus on umbes 3–4 μm. Kui kilekihi paksus on alla 2 μm, siis kulumiskindlus oluliselt ei parane. Kui kilekihi paksus on üle 5 μm, siis kilealuse nakkuvus väheneb.
2. Mitmekihiline, mitmekomponendiline TiN-kate
TiN-katete järkjärgulise ja laialdase kasutuselevõtuga uuritakse üha enam TiN-katete täiustamise ja täiustamise võimalusi. Viimastel aastatel on binaarsete TiN-katete põhjal välja töötatud mitmekomponentseid ja mitmekihilisi katteid, näiteks Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 jne. TiN-katetele selliste elementide nagu Al ja Si lisamisega saab parandada katete vastupidavust kõrgele temperatuurile oksüdeerumisele ja kõvadust, samas kui selliste elementide nagu B lisamine võib parandada katete kõvadust ja nakketugevust.
Mitmekomponendilise koostise keerukuse tõttu on käesolevas uuringus palju vastuolusid. (Tix,Cr1-x)N mitmekomponentsete katete uurimisel on uurimistulemustes suur vastuolulisus. Mõned inimesed usuvad, et (Tix,Cr1-x)N katted põhinevad TiN-il ja Cr saab eksisteerida ainult TiN punktmaatriksi asendustahke lahuse kujul, mitte aga eraldi CrN faasina. Teised uuringud näitavad, et (Tix,Cr1-x)N katetes on Ti aatomeid otse asendavate Cr-aatomite arv piiratud ning ülejäänud Cr esineb singleti olekus või moodustab N-iga ühendeid. Eksperimentaalsed tulemused näitavad, et Cr lisamine kattele vähendab pinnaosakeste suurust ja suurendab kõvadust ning katte kõvadus saavutab oma kõrgeima väärtuse, kui Cr massiprotsent ulatub 3l%-ni, kuid ka katte sisemine pinge saavutab oma maksimaalse väärtuse.
3, muu kattekiht
Lisaks tavaliselt kasutatavatele TiN-katetele kasutatakse hammasrataste pinna tugevdamiseks palju erinevaid insenerkeraamikaid.
(1) Jaapani teadlased Y. Terauchi jt uurisid aurustamise teel sadestatud titaankarbiidist või titaannitriidist keraamiliste hammasrataste hõõrdekulumiskindlust. Hammasrattad karastati ja poleeriti enne katmist, et saavutada pinna kõvadus umbes HV720 ja pinna karedus 2,4 μm, ning keraamilised katted valmistati titaankarbiidi puhul keemilise aurustamise (CVD) ja titaannitriidi puhul füüsikalise aurustamise (PVD) abil, keraamilise kile paksusega umbes 2 μm. Hõõrdekulumisomadusi uuriti vastavalt õli ja kuiva hõõrdumise juuresolekul. Leiti, et hammasratta kruustangi korrosioonikindlus ja kriimustuskindlus paranesid pärast keraamilise katmisega oluliselt.
(2) Keemiliselt kaetud Ni-P ja TiN komposiitkate valmistati Ni-P eelneva katmise teel üleminekukihina ja seejärel TiN sadestamise teel. Uuring näitab, et selle komposiitkatte pinna kõvadus on teatud määral paranenud ning kate on paremini aluspinnaga nakkunud ja kulumiskindlam.
(3) WC/C, B4C õhuke kile
Jaapani Tehnoloogiainstituudi masinaehituse osakonna teadlased M. Murakawa jt kasutasid PVD-tehnoloogiat WC/C õhukese kile sadestamiseks hammasrataste pinnale ning selle kasutusiga oli õlivaba määrimise tingimustes kolm korda suurem kui tavalistel karastatud ja lihvitud hammasratastel. Franz J jt kasutasid PVD-tehnoloogiat WC/C ja B4C õhukese kile sadestamiseks FEZ-A ja FEZ-C hammasrataste pinnale ning katse näitas, et PVD-kate vähendas oluliselt hammasrataste hõõrdumist, muutis hammasratta vähem vastuvõtlikuks kuumliimimisele või liimimisele ning parandas hammasratta kandevõimet.
(4) CrN-kiled
CrN-kiled sarnanevad TiN-kiledega selle poolest, et neil on suurem kõvadus ning CrN-kiled on vastupidavamad kõrgel temperatuuril oksüdeerumisele kui TiN, neil on parem korrosioonikindlus, madalam sisemine pinge kui TiN-kiledel ja suhteliselt parem sitkus. Chen Ling jt valmistasid kulumiskindla TiAlCrN/CrN komposiitkile, millel on suurepärane kilepõhine side HSS-i pinnal, ning pakkusid välja ka mitmekihilise kile dislokatsioonide kuhjumise teooria, mille kohaselt kui kahe kihi dislokatsioonienergia erinevus on suur, on ühes kihis tekkival dislokatsioonil raske oma piirpindadest teise kihti üle minna, moodustades seega liideses dislokatsioonide kuhjumise ja täites materjali tugevdamise rolli. Zhong Bin jt uurisid lämmastikusisalduse mõju CrNx-kilede faasistruktuurile ja hõõrdekulumisomadustele ning uuring näitas, et Cr2N (211) difraktsioonipiik kiledes nõrgenes järk-järgult ja CrN (220) piik suurenes järk-järgult N2-sisalduse suurenemisega, suured osakesed kile pinnal vähenesid järk-järgult ja pind kaldus olema tasane. Kui N2 aeratsioon oli 25 ml/min (sihtmärgiallika kaarevool oli 75 A), oli sadestatud CrN-kilel hea pinnakvaliteet, hea kõvadus ja suurepärane kulumiskindlus, kui N2 aeratsioon oli 25 ml/min (sihtmärgiallika kaarevool oli 75 A, negatiivne rõhk oli 100 V).
(5) Ülikõva kile
Ülikõva kile on tahke kile, mille kõvadus on üle 40 GPa, suurepärane kulumiskindlus, kõrge temperatuuritaluvus ning madal hõõrdetegur ja madal soojuspaisumistegur, peamiselt amorfne teemantkile ja CN-kile. Amorfsetel teemantkiledel on amorfsed omadused, neil puudub pikamaa korrastatud struktuur ja need sisaldavad suurt hulka CC-tetraeedrilisi sidemeid, mistõttu neid nimetatakse ka tetraeedrilisteks amorfseteks süsinikkiledeks. Amorfse süsinikkile liigina on teemantlaadsel kattel (DLC) palju suurepäraseid omadusi, mis sarnanevad teemandiga, näiteks kõrge soojusjuhtivus, kõrge kõvadus, kõrge elastsusmoodul, madal soojuspaisumistegur, hea keemiline stabiilsus, hea kulumiskindlus ja madal hõõrdetegur. On näidatud, et teemantlaadsete kilede katmine hammasrataste pindadele võib pikendada kasutusiga 6 korda ja parandada oluliselt väsimuskindlust. CN-kiled, tuntud ka kui amorfsed süsinik-lämmastikkiled, omavad kristallstruktuuri, mis sarnaneb β-Si3N4 kovalentsete ühendite omaga ja on tuntud ka kui β-C3N4. Liu ja Cohen jt. teostas ranged teoreetilised arvutused, kasutades pseudopotentsiaaltsoonide arvutusi esimese loomuse printsiibist lähtuvalt, kinnitades, et β-C3N4-l on suur sidumisenergia, stabiilne mehaaniline struktuur, võib esineda vähemalt üks substabiilne olek ja selle elastsusmoodul on võrreldav teemandiga, millel on head omadused, mis võivad tõhusalt parandada materjali pinna kõvadust ja kulumiskindlust ning vähendada hõõrdetegurit.
(6) Muu sulamist kulumiskindel kattekiht
Samuti on proovitud hammasratastele kanda mõningaid sulamist kulumiskindlaid katteid, näiteks Ni-P-Co sulamikihi sadestamine 45# terasest hammasrataste hambapinnale on sulamikiht ülipeene teralise struktuuri saavutamiseks, mis võib pikendada eluiga kuni 1,144–1,533 korda. Samuti on uuritud, et Cu-Cr-P sulamist malmist hammasrataste hambapinnale kantakse Cu-metallkiht ja Ni-W sulamkate, et parandada selle tugevust; Ni-W ja Ni-Co sulamkate kantakse HT250 malmist hammasrataste hambapinnale, et parandada kulumiskindlust 4–6 korda võrreldes katmata hammasratastega.
Postituse aeg: 07.11.2022