PVD deposizio teknologia urte askotan zehar praktikatu izan da gainazalak aldatzeko teknologia berri gisa, batez ere huts-ioi estaldura teknologia, azken urteotan garapen handia izan duena eta gaur egun oso erabilia dena erremintak, moldeak, pistoi eraztunak, engranajeak eta beste osagai batzuk tratatzeko. Huts-ioi estaldura teknologiak prestatutako estalitako engranajeek marruskadura koefizientea nabarmen murriztu dezakete, higaduraren aurkako erresistentzia eta korrosioaren aurkako zenbait erresistentzia hobetu, eta engranajeen gainazalak indartzeko teknologiaren arloko ikerketaren foku eta gune bero bihurtu dira.
Engranajeetarako erabiltzen diren material ohikoenak batez ere altzairu forjatua, altzairu urtua, burdinurtua, metal ez-ferrosoak (kobrea, aluminioa) eta plastikoak dira. Altzairua batez ere 45 altzairua, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl da. Karbono gutxiko altzairua batez ere 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo erabiltzen da. Altzairu forjatua engranajeetan gehiago erabiltzen da bere errendimendu hobea duelako, eta altzairu urtua normalean 400 mm-tik gorako diametroa eta egitura konplexua duten engranajeak fabrikatzeko erabiltzen da. Burdinurtuzko engranajeek itsaspenaren eta zuloen aurkako erresistentzia dute, baina inpaktu eta higaduraren aurkako erresistentziarik ez dute, batez ere lan egonkorrerako, potentzia ez da abiadura txikikoa edo tamaina handikoa eta forma konplexua, lubrifikaziorik ez dagoenean funtziona dezakete, transmisio irekietarako egokiak. Metal ez-ferrikozkoak eztainu-brontzea, aluminio-burdinazko brontzea eta aluminiozko aleazio galdaketa dira, turbinak edo engranajeak fabrikatzeko erabili ohi direnak, baina irristatze- eta marruskadura-kontrako propietateak eskasak dira, engranaje arin, karga ertaineko eta abiadura baxukoetarako bakarrik. Material ez-metalikozko engranajeak batez ere eskakizun bereziak dituzten arlo batzuetan erabiltzen dira, hala nola oliorik gabeko lubrifikazioa eta fidagarritasun handia. Kutsadura txikiko baldintzetan, hala nola etxetresna elektrikoetan, ekipamendu medikoetan, elikagai-makinetan eta ehungintzako makinetan.
Engranajeen estaldura-materialak
Ingeniaritza zeramikoko materialak oso etorkizun handiko materialak dira, erresistentzia eta gogortasun handikoak, batez ere beroarekiko erresistentzia bikaina, eroankortasun termiko eta hedapen termiko baxua, higadura-erresistentzia handia eta oxidazio-erresistentzia. Ikerketa askok erakutsi dute zeramikazko materialak berez beroarekiko erresistenteak direla eta metalen higadura txikia dutela. Beraz, higadura-erresistenteak diren piezetarako metalezko materialen ordez zeramikazko materialak erabiltzeak marruskadura-substantziaren bizitza hobetu dezake, tenperatura altuko eta higadura-erresistentzia handiko material batzuk bete ditzake, funtzio anitzekoak eta beste baldintza zorrotz batzuk. Gaur egun, ingeniaritza zeramikoko materialak motorraren beroarekiko erresistenteak diren piezetan, transmisio mekanikoan higadura-piezetan, korrosioarekiko erresistenteak diren ekipo kimikoetan eta zigilatzeko piezetan erabili dira, eta gero eta gehiago erakusten dute zeramikazko materialen aplikazio zabala.
Alemania, Japonia, Estatu Batuak, Erresuma Batua eta beste herrialde garatu batzuek garrantzi handia ematen diote ingeniaritza zeramikoko materialen garapenari eta aplikazioari, diru eta giza baliabide asko inbertituz ingeniaritza zeramikoen prozesatzeko teoria eta teknologia garatzeko. Alemaniak "SFB442" izeneko programa bat abiarazi du, eta programa horren helburua PVD teknologia erabiltzea da piezen gainazalean film egoki bat sintetizatzeko, ingurumenarentzat eta giza gorputzarentzat kaltegarria izan daitekeen lubrifikatzaile-euskarria ordezkatzeko. Alemaniako PW Goldek eta beste batzuek SFB442ren finantzaketa erabili zuten PVD teknologia aplikatzeko errodamendu-errodamenduen gainazalean film meheak jartzeko, eta ikusi zuten errodamendu-errodamenduen higaduraren aurkako errendimendua nabarmen hobetu zela eta gainazalean jarritako filmek muturreko presioko higaduraren aurkako gehigarrien funtzioa erabat ordezka zezaketela. Alemaniako Joachim, Franz eta beste batzuek PVD teknologia erabili zuten WC/C filmak prestatzeko, nekearen aurkako propietate bikainak erakutsiz, EP gehigarriak dituzten lubrifikatzaileenak baino handiagoak, eta emaitza horrek gehigarri kaltegarriak estaldurekin ordezkatzeko aukera ematen du. Alemaniako Aachengo Unibertsitate Teknikoko Materialen Zientzia Institutuko E. Lugscheider eta beste batzuek, DFGren (Alemaniako Ikerketa Batzordea) finantzaketarekin, nekearen aurkako erresistentzia nabarmen handitu zela frogatu zuten 100Cr6 altzairuan film egokiak jarri ondoren PVD teknologia erabiliz. Horrez gain, Estatu Batuetako General Motorsek hasi du... bere VolvoS80Turbo motako autoaren engranajeen gainazaleko deposizio-filma nekearen aurkako zuloen aurkako erresistentzia hobetzeko; Timken enpresa ospetsuak ES200 engranajeen gainazaleko filma merkaturatu du; MAXIT engranajeen estaldura marka erregistratua agertu da Alemanian; Graphit-iC eta Dymon-iC marka erregistratuak, hurrenez hurren, Graphit-iC eta Dymon-iC marka erregistratuak dituzten engranajeen estaldurak Erresuma Batuan ere eskuragarri daude.
Transmisio mekanikoaren ordezko pieza garrantzitsu gisa, engranajeek zeregin garrantzitsua dute industrian, beraz, oso garrantzi praktikoa du zeramikazko materialen aplikazioa engranajeetan aztertzeak. Gaur egun, engranajeetan aplikatzen diren ingeniaritza zeramikoak hauek dira batez ere.
1. TiN estaldura geruza
1. TiN
Ioi-estaldura TiN zeramikazko geruza gainazaleko estaldura aldatu erabilienetako bat da, gogortasun handikoa, atxikimendu handikoa, marruskadura-koefiziente txikia eta korrosioarekiko erresistentzia ona dituena, etab. Hainbat arlotan erabili izan da, batez ere erreminta eta moldeen industrian. Engranajeetan zeramikazko estaldura aplikatzean eragiten duen arrazoi nagusia zeramikazko estalduraren eta substratuaren arteko lotura-arazoa da. Engranajeen lan-baldintzak eta eragin-faktoreak erreminta eta moldeenak baino askoz konplexuagoak direnez, TiN estaldura bakarra engranajeen gainazaleko tratamenduan aplikatzea oso mugatua da. Zeramikazko estaldurak gogortasun handiko, marruskadura-koefiziente txikiko eta korrosioarekiko erresistentziako abantailak dituen arren, hauskorra da eta zaila da estaldura lodiagoa lortzea, beraz, gogortasun handiko eta erresistentzia handiko substratu bat behar du estaldura eusteko bere ezaugarriak betetzeko. Hori dela eta, zeramikazko estaldura gehienbat karburo eta altzairu azkarreko gainazaletarako erabiltzen da. Engranajeen materiala zeramikazko materialarekin alderatuta biguna da, eta substratuaren izaeraren eta estalduraren arteko aldea handia da, beraz, estalduraren eta substratuaren konbinazioa eskasa da, eta estaldura ez da nahikoa estaldura eusteko, estaldura erraz erortzen da erabilera prozesuan, ez bakarrik zeramikazko estalduraren abantailak ezin ditu erabili, baizik eta erortzen diren zeramikazko estaldura partikulek higadura urratzailea eragingo dute engranajean, engranajearen higadura galera bizkortuz. Gaur egungo irtenbidea gainazal konposatuaren tratamendu teknologia erabiltzea da zeramikaren eta substratuaren arteko lotura hobetzeko. Gainazal konposatuaren tratamendu teknologiak lurrun bidezko deposizio fisikoaren estalduraren eta beste gainazal tratamendu prozesu edo estaldura batzuen konbinazioa aipatzen du, bi gainazal/azpiazal bereizi erabiliz substratu materialaren gainazala aldatzeko, gainazal tratamendu prozesu bakar batekin lortu ezin diren propietate mekaniko konposatuak lortzeko. Ioi nitrurazio eta PVD bidez metatutako TiN konposatu estaldura gehien ikertzen diren konposatu estalduretako bat da. Plasma nitrurazio substratuak eta TiN zeramikazko konposatu estaldurak lotura sendoa dute eta higadurarekiko erresistentzia nabarmen hobetzen da.
Higadura-erresistentzia eta oinarri-filmaren lotura bikainak dituen TiN film-geruzaren lodiera optimoa 3~4 μm ingurukoa da. Film-geruzaren lodiera 2 μm baino txikiagoa bada, higadura-erresistentzia ez da nabarmen hobetuko. Film-geruzaren lodiera 5 μm baino handiagoa bada, oinarri-filmaren lotura gutxitu egingo da.
2. Geruza anitzeko eta osagai anitzeko TiN estaldura
TiN estaldurak pixkanaka eta zabalago aplikatzen diren heinean, gero eta ikerketa gehiago egiten ari dira TiN estaldurak nola hobetu eta hobetu jakiteko. Azken urteotan, osagai anitzeko estaldurak eta geruza anitzeko estaldurak garatu dira TiN estaldura bitarretan oinarrituta, hala nola Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, etab. Al eta Si bezalako elementuak TiN estaldurei gehituz, tenperatura altuko oxidazioarekiko erresistentzia eta estalduraren gogortasuna hobetu daitezke, eta B bezalako elementuak gehitzeak estalduraren gogortasuna eta atxikimendu-indarra hobetu ditzake.
Osagai anitzeko konposizioaren konplexutasuna dela eta, ikerketa honetan eztabaida ugari daude. (Tix,Cr1-x)N osagai anitzeko estalduren azterketan, ikerketaren emaitzetan eztabaida handia dago. Batzuek uste dute (Tix,Cr1-x)N estaldurak TiN-n oinarritzen direla, eta Cr TiN puntu matrizean ordezko soluzio solido moduan bakarrik egon daitekeela, baina ez CrN fase bereizi gisa. Beste ikerketa batzuek erakusten dute (Tix,Cr1-x)N estalduretan Ti atomoak zuzenean ordezkatzen dituzten Cr atomoen kopurua mugatua dela, eta gainerako Cr singlete egoeran dagoela edo N-rekin konposatuak eratzen dituela. Esperimentu-emaitzek erakusten dute estaldurari Cr gehitzeak gainazaleko partikulen tamaina murrizten duela eta gogortasuna handitzen duela, eta estalduraren gogortasuna bere baliorik altuena lortzen duela Cr-ren masa-ehunekoa %3l-ra iristen denean, baina estalduraren barne-tentsioak ere bere baliorik altuena lortzen duela.
3. Beste estaldura geruza bat
Engranajeen gainazala indartzeko, ohiko TiN estaldurez gain, ingeniaritza zeramika asko erabiltzen dira.
(1) Japoniako Y. Terauchi et al.-ek titanio karburozko edo titanio nitrurozko zeramikazko engranajeen marruskadura-higadurarekiko erresistentzia aztertu zuten, lurrun-deposizio metodoaren bidez metatuta. Engranajeak karburizatu eta leundu egin ziren HV720 inguruko gainazaleko gogortasuna eta 2,4 μm-ko gainazaleko zimurtasuna lortzeko estaldura eman aurretik, eta zeramikazko estaldurak lurrun-deposizio kimikoaren (CVD) bidez prestatu ziren titanio karburoarentzat eta lurrun-deposizio fisikoaren (PVD) bidez titanio nitruroarentzat, 2 μm inguruko zeramikazko filmaren lodierarekin. Marruskadura-higadura propietateak olioaren eta marruskadura lehorraren aurrean ikertu ziren, hurrenez hurren. Ikusi zen engranaje-torzoaren higadura-erresistentzia eta marradura-erresistentzia nabarmen hobetu zirela zeramikaz estali ondoren.
(2) Kimikoki estalitako Ni-P eta TiN konposite estaldura prestatu zen Ni-P trantsizio-geruza gisa aldez aurretik estaliz eta ondoren TiN jarriz. Ikerketak erakusten du konposite estaldura honen gainazaleko gogortasuna neurri batean hobetu dela, eta estaldura hobeto lotuta dagoela substratuarekin eta higadura-erresistentzia hobea duela.
(3) WC/C, B4C film mehea
M. Murakawa et al.-ek, Japoniako Teknologia Institutuko Ingeniaritza Mekanikoko Sailekoak, PVD teknologia erabili zuten WC/C film mehea engranajeen gainazalean uzteko, eta haren zerbitzu-bizitza hiru aldiz handiagoa izan zen lubrifikazio-baldintza arruntetan hoztutako eta leundutako engranajeena baino. Franz J et al.-ek PVD teknologia erabili zuten WC/C eta B4C film mehea FEZ-A eta FEZ-C engranajeen gainazalean uzteko, eta esperimentuak erakutsi zuen PVD estaldurak engranajeen marruskadura nabarmen murrizten zuela, engranajea beroan itsasteko edo itsasteko joera gutxiago zuela eta engranajearen karga-ahalmena hobetzen zuela.
(4) CrN filmak
CrN filmak TiN filmen antzekoak dira gogortasun handiagoa dutelako, eta CrN filmak TiN baino erresistenteagoak dira tenperatura altuko oxidazioarekiko, korrosioarekiko erresistentzia hobea dute, TiN filmek baino barne-tentsio txikiagoa dute eta gogortasun nahiko hobea dute. Chen Lingek eta bere taldeak TiAlCrN/CrN konpositezko film bat prestatu zuten higaduraren aurkakoa, HSS gainazalean lotura bikainarekin, eta geruza anitzeko filmaren dislokazio-pilaketa teoria ere proposatu zuten, bi geruzen arteko dislokazio-energiaren aldea handia bada, geruza batean gertatzen den dislokazioa zaila izango da bere interfazea beste geruzara zeharkatzea, horrela dislokazio-pilaketa sortuz interfazean eta materiala indartzeko eginkizuna jokatuz. Zhong Binek eta bere taldeak nitrogeno-edukiak CrNx filmen fase-egituran eta marruskadura-higadura propietateetan duen eragina aztertu zuten, eta ikerketak erakutsi zuen filmetako Cr2N (211) difrakzio-pikoa pixkanaka ahuldu zela eta CrN (220) pikoa pixkanaka handitu zela N2 edukia handitzen den heinean, filmaren gainazaleko partikula handiak pixkanaka gutxitu zirela eta gainazala laua izateko joera zuela. N2 aireztapena 25 ml/min-koa zenean (helburuko arku-korrontea 75 A-koa zen), metatutako CrN filmak gainazal-kalitate ona, gogortasun ona eta higadura-erresistentzia bikaina ditu N2 aireztapena 25 ml/min-koa denean (helburuko arku-korrontea 75 A-koa da, presio negatiboa 100 V-koa).
(5) Film supergogorra
Supergogorra den filma 40GPa baino gogortasun handiagoa duen film solidoa da, higadura-erresistentzia bikaina, tenperatura-erresistentzia handia eta marruskadura-koefiziente baxua eta hedapen termiko koefiziente baxua dituena, batez ere diamante amorfoaren filma eta CN filma. Diamante amorfoaren filmek propietate amorfoak dituzte, ez dute egitura ordenatu luzerik, eta CC lotura tetraedriko ugari dituzte, beraz, karbono amorfo tetraedrikoen filmak ere deitzen zaie. Karbono amorfoaren film mota gisa, diamante itxurako estaldurak (DLC) diamantearen antzeko propietate bikain asko ditu, hala nola eroankortasun termiko handia, gogortasun handia, elastikotasun-modulu handia, hedapen termiko koefiziente baxua, egonkortasun kimiko ona, higadura-erresistentzia ona eta marruskadura-koefiziente baxua. Frogatu da engranajeen gainazaletan diamante itxurako filmak estaltzeak zerbitzu-bizitza 6 aldiz luzatu dezakeela eta nekearekiko erresistentzia nabarmen hobetu dezakeela. CN filmak, karbono-nitrogeno amorfoaren filmak bezala ere ezagutzen direnak, β-Si3N4 konposatu kobalenteen antzeko kristal-egitura dute eta β-C3N4 bezala ere ezagutzen dira. Liu eta Cohen et al. Lehenengo naturaren printzipiotik abiatutako pseudopotentzial bandaren kalkuluak erabiliz kalkulu teoriko zorrotzak egin zituen, eta baieztatu zuen β-C3N4-k lotura-energia handia duela, egitura mekaniko egonkorra duela, gutxienez egoera azpiegonkor bat egon daitekeela, eta bere elastikotasun-modulua diamantearen parekoa dela, propietate onekin, eta horrek materialaren gainazaleko gogortasuna eta higadura-erresistentzia eraginkortasunez hobetu eta marruskadura-koefizientea murriztu dezakeela.
(6) Beste aleaziozko higadura-erresistente estaldura geruza bat
Engranajeetan higaduraren aurkako estaldura batzuk ere aplikatzen saiatu dira, adibidez, 45# altzairuzko engranajeen hortz-gainazalean Ni-P-Co aleazio geruza jartzea aleazio geruza bat da, ale ultra-finen antolaketa lortzeko, eta horrek bizitza 1.144~1.533 aldiz luzatu dezake. Halaber, aztertu da Cu metal geruza eta Ni-W aleazio estaldura Cu-Cr-P aleaziozko burdinurtuzko engranajeen hortz-gainazalean aplikatzen direla, haren erresistentzia hobetzeko; Ni-W eta Ni-Co aleazio estaldurak HT250 burdinurtuzko engranajeen hortz-gainazalean aplikatzen dira higaduraren aurkako erresistentzia 4~6 aldiz hobetzeko, estali gabeko engranajearekin alderatuta.
Argitaratze data: 2022ko azaroaren 7a