فناوری پوشش چرخ دنده

فناوری رسوب PVD سال‌هاست که به عنوان یک فناوری جدید اصلاح سطح، به ویژه فناوری پوشش یونی در خلاء، مورد استفاده قرار می‌گیرد که در سال‌های اخیر پیشرفت چشمگیری داشته و اکنون به طور گسترده در فرآوری ابزارها، قالب‌ها، رینگ‌های پیستون، چرخ‌دنده‌ها و سایر قطعات مورد استفاده قرار می‌گیرد. چرخ‌دنده‌های پوشش داده شده با فناوری پوشش یونی در خلاء می‌توانند ضریب اصطکاک را به میزان قابل توجهی کاهش دهند، خاصیت ضد سایش و برخی خواص ضد خوردگی را بهبود بخشند و به کانون توجه و نقطه داغ تحقیقات در زمینه فناوری تقویت سطح چرخ‌دنده تبدیل شده‌اند.

مواد رایج مورد استفاده برای چرخ‌دنده‌ها عمدتاً فولاد آهنگری شده، فولاد ریخته‌گری شده، چدن، فلزات غیر آهنی (مس، آلومینیوم) و پلاستیک هستند. فولاد عمدتاً شامل فولاد 45، 35SiMn، 40Cr، 40CrNi، 40MnB، 38CrMoAl است. فولاد کم کربن عمدتاً در 20Cr، 20CrMnTi، 20MnB، 20CrMnTo استفاده می‌شود. فولاد آهنگری شده به دلیل عملکرد بهتر، بیشتر در چرخ‌دنده‌ها استفاده می‌شود، در حالی که فولاد ریخته‌گری معمولاً برای ساخت چرخ‌دنده‌هایی با قطر > 400 میلی‌متر و ساختار پیچیده استفاده می‌شود. چرخ‌دنده‌های چدنی در برابر چسبندگی و حفره‌دار شدن مقاوم هستند، اما به دلیل عدم مقاومت در برابر ضربه و سایش، عمدتاً برای کار پایدار، قدرت کم، سرعت کم یا اندازه بزرگ و شکل پیچیده مناسب نیستند و می‌توانند در شرایط عدم روانکاری کار کنند و برای انتقال قدرت باز مناسب هستند. فلزات غیر آهنی که معمولاً استفاده می‌شوند عبارتند از برنز قلع، برنز آلومینیوم-آهن و آلیاژ آلومینیوم ریخته‌گری که معمولاً در ساخت توربین‌ها یا چرخ‌دنده‌ها استفاده می‌شوند، اما خواص لغزشی و ضد اصطکاک آنها ضعیف است و فقط برای چرخ‌دنده‌های سبک، متوسط ​​و کم‌سرعت مناسب است. چرخ‌دنده‌های غیرفلزی عمدتاً در برخی زمینه‌ها با الزامات خاص مانند روانکاری بدون روغن و قابلیت اطمینان بالا استفاده می‌شوند. زمینه‌هایی با شرایط آلودگی کم، مانند لوازم خانگی، تجهیزات پزشکی، ماشین‌آلات غذایی و ماشین‌آلات نساجی.

مواد پوشش دنده

مواد سرامیکی مهندسی، موادی بسیار امیدوارکننده با استحکام و سختی بالا، به ویژه مقاومت حرارتی عالی، رسانایی حرارتی و انبساط حرارتی کم، مقاومت در برابر سایش بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون هستند. تعداد زیادی از مطالعات نشان داده‌اند که مواد سرامیکی ذاتاً مقاوم در برابر حرارت هستند و سایش کمی روی فلزات دارند. بنابراین، استفاده از مواد سرامیکی به جای مواد فلزی برای قطعات مقاوم در برابر سایش می‌تواند عمر قطعات اصطکاکی را بهبود بخشد، برخی از مواد مقاوم در برابر دمای بالا و سایش بالا، چند منظوره و سایر الزامات سخت را برآورده کند. در حال حاضر، مواد سرامیکی مهندسی در ساخت قطعات مقاوم در برابر حرارت موتور، انتقال مکانیکی در قطعات سایش، تجهیزات شیمیایی در قطعات مقاوم در برابر خوردگی و قطعات آب‌بندی استفاده شده‌اند که به طور فزاینده‌ای کاربرد گسترده مواد سرامیکی را نشان می‌دهد.

کشورهای توسعه‌یافته‌ای مانند آلمان، ژاپن، ایالات متحده، انگلستان و سایر کشورها اهمیت زیادی به توسعه و کاربرد مواد سرامیکی مهندسی می‌دهند و پول و نیروی انسانی زیادی را برای توسعه نظریه پردازش و فناوری سرامیک‌های مهندسی سرمایه‌گذاری می‌کنند. آلمان برنامه‌ای با نام «SFB442» راه‌اندازی کرده است که هدف آن استفاده از فناوری PVD برای سنتز یک لایه نازک مناسب روی سطح قطعات به منظور جایگزینی محیط روان‌کننده بالقوه مضر برای محیط زیست و بدن انسان است. PW Gold و دیگران در آلمان از بودجه SFB442 برای اعمال فناوری PVD برای رسوب لایه‌های نازک روی سطح یاتاقان‌های غلتشی استفاده کردند و دریافتند که عملکرد ضد سایش یاتاقان‌های غلتشی به طور قابل توجهی بهبود یافته و لایه‌های رسوب شده روی سطح می‌توانند به طور کامل جایگزین عملکرد افزودنی‌های ضد سایش فشار شدید شوند. Joachim, Franz و همکاران در آلمان از فناوری PVD برای تهیه لایه‌های WC/C استفاده کردند که خواص ضد خستگی عالی، بالاتر از روان‌کننده‌های حاوی افزودنی‌های EP، را نشان می‌دهند، نتیجه‌ای که به طور مشابه امکان جایگزینی افزودنی‌های مضر با پوشش‌ها را فراهم می‌کند. E. Lugscheider و همکاران از موسسه علوم مواد، دانشگاه فنی آخن، آلمان، با بودجه DFG (کمیسیون تحقیقات آلمان)، افزایش قابل توجهی در مقاومت در برابر خستگی پس از رسوب لایه‌های مناسب روی فولاد 100Cr6 با استفاده از PVD را نشان دادند. فناوری. علاوه بر این، شرکت جنرال موتورز ایالات متحده در مدل VolvoS80Turbo خود، لایه رسوب سطحی دنده خودرو را برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی خستگی آغاز کرده است؛ شرکت معروف Timken لایه سطحی دنده ES200 را عرضه کرده است؛ پوشش دنده با علامت تجاری ثبت شده MAXIT در آلمان عرضه شده است؛ پوشش‌های دنده با علامت‌های تجاری ثبت شده Graphit-iC و Dymon-iC به ترتیب در بریتانیا نیز موجود هستند.

چرخ‌دنده‌ها به عنوان یکی از قطعات یدکی مهم در انتقال قدرت مکانیکی، نقش مهمی در صنعت ایفا می‌کنند، بنابراین مطالعه کاربرد مواد سرامیکی در چرخ‌دنده‌ها از اهمیت عملی بسیار بالایی برخوردار است. در حال حاضر، سرامیک‌های مهندسی مورد استفاده در چرخ‌دنده‌ها عمدتاً موارد زیر هستند.

۱، لایه پوشش TiN
۱، قلع

لایه سرامیکی TiN با پوشش یونی یکی از پرکاربردترین پوشش‌های اصلاح‌شده سطحی با سختی بالا، استحکام چسبندگی بالا، ضریب اصطکاک پایین، مقاومت در برابر خوردگی خوب و غیره است. این پوشش در زمینه‌های مختلف، به‌ویژه در صنعت ابزار و قالب، به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. دلیل اصلی تأثیرگذاری بر کاربرد پوشش سرامیکی روی چرخ‌دنده‌ها، مشکل پیوند بین پوشش سرامیکی و زیرلایه است. از آنجایی که شرایط کاری و عوامل مؤثر بر چرخ‌دنده‌ها بسیار پیچیده‌تر از شرایط کاری ابزارها و قالب‌ها است، کاربرد یک پوشش TiN واحد روی سطح چرخ‌دنده بسیار محدود است. اگرچه پوشش سرامیکی مزایای سختی بالا، ضریب اصطکاک پایین و مقاومت در برابر خوردگی را دارد، اما شکننده است و به‌دست آوردن پوشش ضخیم‌تر دشوار است، بنابراین برای پشتیبانی از پوشش به منظور ایفای ویژگی‌های آن، به یک زیرلایه با سختی و استحکام بالا نیاز دارد. بنابراین، پوشش سرامیکی بیشتر برای سطوح کاربیدی و فولادهای تندبر استفاده می‌شود. جنس چرخ‌دنده در مقایسه با جنس سرامیک نرم است و تفاوت بین ماهیت زیرلایه و پوشش زیاد است، بنابراین ترکیب پوشش و زیرلایه ضعیف است و پوشش برای پشتیبانی از پوشش کافی نیست و باعث می‌شود پوشش در فرآیند استفاده به راحتی جدا شود، نه تنها نمی‌تواند مزایای پوشش سرامیکی را از بین ببرد، بلکه ذرات پوشش سرامیکی که جدا می‌شوند باعث سایش ساینده روی چرخ‌دنده می‌شوند و سرعت سایش چرخ‌دنده را افزایش می‌دهند. راه‌حل فعلی استفاده از فناوری عملیات سطحی کامپوزیت برای بهبود پیوند بین سرامیک و زیرلایه است. فناوری عملیات سطحی کامپوزیت به ترکیبی از پوشش رسوب بخار فیزیکی و سایر فرآیندها یا پوشش‌های عملیات سطحی اشاره دارد که با استفاده از دو سطح/زیرسطح جداگانه برای اصلاح سطح ماده زیرلایه برای دستیابی به خواص مکانیکی کامپوزیتی که با یک فرآیند عملیات سطحی واحد قابل دستیابی نیستند، استفاده می‌شود. پوشش کامپوزیتی TiN رسوب شده توسط نیترید یونی و PVD یکی از پوشش‌های کامپوزیتی است که بیشترین تحقیقات روی آن انجام شده است. زیرلایه نیترید پلاسما و پوشش کامپوزیتی سرامیکی TiN پیوند قوی دارند و مقاومت در برابر سایش به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد.

ضخامت بهینه لایه فیلم TiN با مقاومت سایشی عالی و اتصال پایه فیلم حدود 3 تا 4 میکرومتر است. اگر ضخامت لایه فیلم کمتر از 2 میکرومتر باشد، مقاومت سایشی به طور قابل توجهی بهبود نمی‌یابد. اگر ضخامت لایه فیلم بیش از 5 میکرومتر باشد، اتصال پایه فیلم کاهش می‌یابد.

۲، پوشش TiN چند لایه و چند جزئی

با کاربرد تدریجی و گسترده پوشش‌های TiN، تحقیقات بیشتری در مورد چگونگی بهبود و ارتقای پوشش‌های TiN انجام می‌شود. در سال‌های اخیر، پوشش‌های چند جزئی و پوشش‌های چند لایه بر اساس پوشش‌های دوتایی TiN مانند Ti-CN، Ti-CNB، Ti-Al-N، Ti-BN، (Tix,Cr1-x)N، TiN/Al2O3 و غیره توسعه یافته‌اند. با افزودن عناصری مانند Al و Si به پوشش‌های TiN، مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا و سختی پوشش‌ها می‌تواند بهبود یابد، در حالی که افزودن عناصری مانند B می‌تواند سختی و استحکام چسبندگی پوشش‌ها را بهبود بخشد.

با توجه به پیچیدگی ترکیب چند جزئی، در این مطالعه اختلاف نظرهای زیادی وجود دارد. در مطالعه پوشش‌های چند جزئی (Tix,Cr1-x)N، اختلاف نظر زیادی در نتایج تحقیقات وجود دارد. برخی معتقدند که پوشش‌های (Tix,Cr1-x)N بر پایه TiN هستند و Cr فقط می‌تواند به شکل محلول جامد جایگزین در ماتریس نقطه‌ای TiN وجود داشته باشد، اما نه به عنوان یک فاز CrN جداگانه. مطالعات دیگر نشان می‌دهد که تعداد اتم‌های Cr که مستقیماً جایگزین اتم‌های Ti در پوشش‌های (Tix,Cr1-x)N می‌شوند، محدود است و Cr باقی مانده در حالت تکی وجود دارد یا با N ترکیباتی تشکیل می‌دهد. نتایج تجربی نشان می‌دهد که افزودن Cr به پوشش، اندازه ذرات سطحی را کاهش داده و سختی را افزایش می‌دهد و سختی پوشش زمانی به بالاترین مقدار خود می‌رسد که درصد جرمی Cr به 31٪ برسد، اما تنش داخلی پوشش نیز به حداکثر مقدار خود می‌رسد.

۳، لایه پوشش دیگر

علاوه بر پوشش‌های TiN که معمولاً استفاده می‌شوند، سرامیک‌های مهندسی مختلف زیادی برای تقویت سطح چرخ‌دنده‌ها استفاده می‌شوند.

(1) Y. Terauchi و همکارانش از ژاپن، مقاومت در برابر سایش اصطکاکی چرخ‌دنده‌های سرامیکی کاربید تیتانیوم یا نیترید تیتانیوم رسوب داده شده با روش رسوب بخار را بررسی کردند. چرخ‌دنده‌ها قبل از پوشش‌دهی، کربن‌دهی و صیقل داده شدند تا به سختی سطحی حدود HV720 و زبری سطح 2.4 میکرومتر برسند و پوشش‌های سرامیکی با رسوب بخار شیمیایی (CVD) برای کاربید تیتانیوم و رسوب بخار فیزیکی (PVD) برای نیترید تیتانیوم، با ضخامت فیلم سرامیکی حدود 2 میکرومتر تهیه شدند. خواص سایش اصطکاکی به ترتیب در حضور روغن و اصطکاک خشک بررسی شد. مشخص شد که مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خراش گیره چرخ‌دنده پس از پوشش‌دهی با سرامیک به طور قابل توجهی افزایش یافته است.

(2) پوشش کامپوزیتی Ni-P و TiN با پوشش شیمیایی با پیش پوشش Ni-P به عنوان یک لایه انتقالی و سپس رسوب TiN تهیه شد. این مطالعه نشان می‌دهد که سختی سطح این پوشش کامپوزیتی تا حدودی بهبود یافته است و پوشش بهتر با زیرلایه پیوند خورده و مقاومت به سایش بهتری دارد.

(3) WC/C، فیلم نازک B4C
ام. موراکاوا و همکارانش، از دپارتمان مهندسی مکانیک، موسسه فناوری ژاپن، از فناوری PVD برای رسوب‌دهی لایه نازک WC/C روی سطح چرخ‌دنده‌ها استفاده کردند و عمر مفید آن سه برابر چرخ‌دنده‌های کوئنچ شده و سنگ‌زنی شده معمولی در شرایط روانکاری بدون روغن بود. فرانتس جی و همکارانش از فناوری PVD برای رسوب‌دهی لایه نازک WC/C و B4C روی سطح چرخ‌دنده‌های FEZ-A و FEZ-C استفاده کردند و آزمایش نشان داد که پوشش PVD اصطکاک چرخ‌دنده را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد، چرخ‌دنده را کمتر مستعد چسب‌کاری یا چسباندن گرم می‌کند و ظرفیت تحمل بار چرخ‌دنده را بهبود می‌بخشد.

(4) فیلم‌های CrN
فیلم‌های CrN از این نظر که سختی بالاتری دارند، شبیه فیلم‌های TiN هستند و فیلم‌های CrN در مقایسه با TiN در برابر اکسیداسیون دمای بالا مقاوم‌ترند، مقاومت خوردگی بهتری دارند، تنش داخلی کمتری نسبت به فیلم‌های TiN دارند و چقرمگی نسبتاً بهتری دارند. چن لینگ و همکارانش یک فیلم کامپوزیت TiAlCrN/CrN مقاوم در برابر سایش با پیوند عالی مبتنی بر فیلم بر روی سطح HSS تهیه کردند و همچنین نظریه انباشتگی نابجایی فیلم چند لایه را پیشنهاد کردند. اگر اختلاف انرژی نابجایی بین دو لایه زیاد باشد، نابجایی که در یک لایه رخ می‌دهد، عبور از سطح مشترک خود به لایه دیگر دشوار خواهد بود و در نتیجه انباشتگی نابجایی در سطح مشترک تشکیل می‌شود و نقش تقویت ماده را ایفا می‌کند. ژونگ بین و همکارانش تأثیر محتوای نیتروژن را بر ساختار فازی و خواص سایش اصطکاکی فیلم‌های CrNx بررسی کردند و این مطالعه نشان داد که پیک پراش Cr2N (211) در فیلم‌ها به تدریج ضعیف می‌شود و پیک CrN (220) به تدریج با افزایش محتوای N2 افزایش می‌یابد، ذرات بزرگ روی سطح فیلم به تدریج کاهش می‌یابند و سطح تمایل به صاف شدن دارد. وقتی هوادهی N2 برابر با 25 میلی‌لیتر در دقیقه بود (جریان قوس منبع هدف 75 آمپر بود)، لایه نازک CrN رسوب داده شده کیفیت سطح خوب، سختی خوب و مقاومت سایشی عالی داشت، وقتی هوادهی N2 برابر با 25 میلی‌لیتر در دقیقه بود (جریان قوس منبع هدف 75 آمپر، فشار منفی 100 ولت).

(5) فیلم فوق سخت
فیلم فوق سخت، فیلم جامدی با سختی بیش از 40 گیگا پاسکال، مقاومت عالی در برابر سایش، مقاومت در برابر دمای بالا و ضریب اصطکاک کم و ضریب انبساط حرارتی پایین است که عمدتاً شامل فیلم الماس آمورف و فیلم CN می‌شود. فیلم‌های الماس آمورف دارای خواص آمورف، بدون ساختار منظم دوربرد و حاوی تعداد زیادی پیوند چهاروجهی CC هستند، بنابراین به آنها فیلم‌های کربن آمورف چهاروجهی نیز گفته می‌شود. پوشش الماس مانند (DLC) به عنوان نوعی فیلم کربن آمورف، دارای خواص عالی بسیاری مشابه الماس است، مانند رسانایی حرارتی بالا، سختی بالا، مدول الاستیک بالا، ضریب انبساط حرارتی پایین، پایداری شیمیایی خوب، مقاومت در برابر سایش خوب و ضریب اصطکاک پایین. نشان داده شده است که پوشش فیلم‌های الماس مانند روی سطوح چرخ دنده می‌تواند عمر مفید را تا 6 برابر افزایش دهد و مقاومت در برابر خستگی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. فیلم‌های CN که به عنوان فیلم‌های کربن-نیتروژن آمورف نیز شناخته می‌شوند، ساختار کریستالی مشابه ترکیبات کووالانسی β-Si3N4 دارند و به عنوان β-C3N4 نیز شناخته می‌شوند. لیو و کوهن و همکاران. محاسبات نظری دقیقی را با استفاده از محاسبات باند شبه پتانسیل از اصل طبیعت اول انجام دادند و تأیید کردند که β-C3N4 انرژی اتصال زیادی دارد، ساختار مکانیکی پایداری دارد، حداقل یک حالت زیرپایدار می‌تواند وجود داشته باشد و مدول الاستیک آن با الماس قابل مقایسه است، با خواص خوبی که می‌تواند به طور مؤثر سختی سطح و مقاومت در برابر سایش ماده را بهبود بخشد و ضریب اصطکاک را کاهش دهد.

(6) لایه پوشش مقاوم در برابر سایش آلیاژ دیگر
برخی از پوشش‌های مقاوم در برابر سایش آلیاژی نیز برای چرخ‌دنده‌ها استفاده شده‌اند، به عنوان مثال، رسوب لایه آلیاژی Ni-P-Co روی سطح دندانه چرخ‌دنده‌های فولادی شماره ۴۵، یک لایه آلیاژی برای دستیابی به ساختار دانه‌بندی فوق‌العاده ریز است که می‌تواند عمر را تا ۱.۱۴۴ تا ۱.۵۳۳ برابر افزایش دهد. همچنین بررسی شده است که لایه فلزی مس و پوشش آلیاژی Ni-W روی سطح دندانه چرخ‌دنده چدنی آلیاژ Cu-Cr-P اعمال می‌شوند تا استحکام آن بهبود یابد. پوشش آلیاژی Ni-W و Ni-Co روی سطح دندانه چرخ‌دنده چدنی HT250 اعمال می‌شود تا مقاومت سایشی را ۴ تا ۶ برابر در مقایسه با چرخ‌دنده بدون پوشش بهبود بخشد.