تکنولوژی پوشش دنده

فناوری رسوب‌دهی PVD سال‌ها به عنوان یک فناوری جدید اصلاح سطح، به‌ویژه فناوری پوشش یون خلاء، که در سال‌های اخیر پیشرفت زیادی پیدا کرده است، مورد استفاده قرار گرفته است و اکنون به طور گسترده در درمان ابزار، قالب‌ها، رینگ‌های پیستون، چرخ دنده‌ها و سایر اجزاء استفاده می‌شود. .چرخ دنده های پوشش داده شده توسط فناوری پوشش یون خلاء می توانند ضریب اصطکاک را به میزان قابل توجهی کاهش دهند، ضد سایش و ضد خوردگی خاص را بهبود بخشند و به کانون و نقطه داغ تحقیقات در زمینه فناوری تقویت سطح چرخ دنده تبدیل شده اند.

مواد رایج مورد استفاده برای چرخ دنده ها عمدتاً فولاد آهنگری، فولاد ریخته گری، چدن، فلزات غیر آهنی (مس، آلومینیوم) و پلاستیک است.فولاد عمدتاً فولاد 45، 35SiMn، 40Cr، 40CrNi، 40MnB، 38CrMoAl است.فولاد کم کربن عمدتاً در 20Cr، 20CrMnTi، 20MnB، 20CrMnTo استفاده می شود.فولاد آهنگری به دلیل عملکرد بهتر آن بیشتر در چرخ دنده ها استفاده می شود، در حالی که فولاد ریخته گری معمولاً برای تولید چرخ دنده هایی با قطر بیش از 400 میلی متر و ساختار پیچیده استفاده می شود.چرخ دنده های چدن ضد چسب و مقاومت در برابر سوراخ شدن، اما عدم مقاومت در برابر ضربه و سایش، عمدتا برای کار پایدار، قدرت سرعت کم یا اندازه بزرگ و شکل پیچیده نیست، می تواند تحت شرایط عدم روانکاری، مناسب برای باز کار کند. انتقال.فلزات غیرآهنی که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند برنز قلع، برنز آلومینیوم-آهن و آلیاژ آلومینیوم ریخته‌گری هستند که معمولاً در ساخت توربین‌ها یا چرخ دنده‌ها استفاده می‌شوند، اما خواص لغزشی و ضد اصطکاک ضعیف هستند، فقط برای سبک، بار متوسط ​​و سرعت کم. چرخ دنده هاچرخ دنده های مواد غیر فلزی عمدتاً در برخی زمینه ها با الزامات خاص مانند روانکاری بدون روغن و قابلیت اطمینان بالا استفاده می شود.زمینه شرایطی مانند آلودگی کم مانند لوازم خانگی، تجهیزات پزشکی، ماشین آلات مواد غذایی و ماشین آلات نساجی.

مواد پوشش دنده

مواد سرامیکی مهندسی مواد بسیار امیدوارکننده ای با استحکام و سختی بالا، به ویژه مقاومت در برابر حرارت عالی، هدایت حرارتی کم و انبساط حرارتی، مقاومت در برابر سایش بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون هستند.تعداد زیادی از مطالعات نشان داده اند که مواد سرامیکی ذاتاً در برابر حرارت مقاوم هستند و سایش کمی بر روی فلزات دارند.بنابراین، استفاده از مواد سرامیکی به جای مواد فلزی برای قطعات مقاوم در برابر سایش می تواند عمر زیر اصطکاک را بهبود بخشد، می تواند برخی از مواد با درجه حرارت بالا و مقاوم در برابر سایش، 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 آب بندی استفاده شده است، به طور فزاینده ای کاربرد گسترده مواد سرامیکی را نشان می دهد.

کشورهای توسعه یافته ای مانند آلمان، ژاپن، ایالات متحده، انگلستان و سایر کشورها اهمیت زیادی به توسعه و کاربرد مواد مهندسی سرامیک می دهند و سرمایه و نیروی انسانی زیادی را برای توسعه تئوری فرآوری و فناوری سرامیک های مهندسی سرمایه گذاری می کنند.آلمان برنامه ای به نام "SFB442" راه اندازی کرده است که هدف آن استفاده از فناوری PVD برای سنتز یک فیلم مناسب بر روی سطح قطعات به منظور جایگزینی بالقوه مضر روان کننده برای محیط زیست و بدن انسان است.PW Gold و دیگران در آلمان از بودجه SFB442 برای استفاده از فناوری PVD برای قرار دادن لایه‌های نازک بر روی سطح یاتاقان‌های غلتشی استفاده کردند و دریافتند که عملکرد ضد سایش یاطاقان‌های غلتشی به طور قابل‌توجهی بهبود یافته است و فیلم‌های رسوب‌شده روی سطح می‌توانند به طور کامل جایگزین یاتاقان‌های نورد شوند. عملکرد افزودنی های ضد سایش فشار شدیدیواخیم، فرانتس و همکاران.در آلمان از فناوری PVD برای تهیه فیلم‌های WC/C استفاده کرد 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.مؤسسه علوم مواد، دانشگاه فنی آخن، آلمان، با بودجه DFG (کمیسیون تحقیقات آلمان)، افزایش قابل توجهی در مقاومت در برابر خستگی پس از رسوب فیلم‌های مناسب روی فولاد 100Cr6 با استفاده از فناوری PVD نشان داد.علاوه بر این، جنرال موتورز ایالات متحده شروع به ساخت فیلم رسوب سطح دنده خودرو نوع VolvoS80Turbo خود برای بهبود مقاومت در برابر حفره های خستگی کرده است.شرکت معروف تیمکن نام فیلم سطح دنده ES200 را روانه بازار کرده است.پوشش دنده ای با علامت تجاری ثبت شده MAXIT در آلمان ظاهر شده است.علامت تجاری ثبت شده Graphit-iC و Dymon-iC به ترتیب پوشش های Gear با علائم تجاری ثبت شده Graphit-iC و Dymon-iC نیز در بریتانیا موجود است.

چرخ دنده ها به عنوان یکی از قطعات یدکی مهم انتقال مکانیکی نقش مهمی در صنعت دارند، بنابراین مطالعه کاربرد مواد سرامیکی بر روی چرخ دنده ها از اهمیت عملی بسیار مهمی برخوردار است.در حال حاضر سرامیک های مهندسی که روی چرخ دنده ها اعمال می شود عمدتاً به شرح زیر است.

1- لایه پوشش قلع
1. قلع

لایه سرامیکی TiN پوشش یونی یکی از پرکاربردترین پوشش های اصلاح شده سطحی با سختی بالا، استحکام چسبندگی بالا، ضریب اصطکاک پایین، مقاومت در برابر خوردگی خوب و ... می باشد که در زمینه های مختلف به ویژه در صنعت ابزار و قالب کاربرد فراوانی داشته است.دلیل اصلی تاثیرگذار بر کاربرد پوشش سرامیکی بر روی چرخ دنده ها، مشکل اتصال پوشش سرامیکی و زیرلایه است.از آنجایی که شرایط کار و عوامل موثر بر چرخ دنده‌ها بسیار پیچیده‌تر از ابزارها و قالب‌ها است، استفاده از یک پوشش قلع بر روی سطح چرخ دنده بسیار محدود است.اگرچه پوشش سرامیکی از مزایای سختی بالا، ضریب اصطکاک کم و مقاومت در برابر خوردگی برخوردار است، اما شکننده است و به سختی می‌توان پوشش ضخیم‌تری به دست آورد، بنابراین برای پشتیبانی از پوشش برای انجام ویژگی‌های آن، به بستری با سختی و استحکام بالا نیاز دارد.بنابراین پوشش سرامیکی بیشتر برای سطوح کاربید و فولادی پرسرعت استفاده می شود.جنس چرخ دنده در مقایسه با مواد سرامیکی نرم است و تفاوت بین ماهیت زیرلایه و پوشش زیاد است، بنابراین ترکیب پوشش و بستر ضعیف است و پوشش برای حمایت از پوشش کافی نیست. روکش به راحتی در فرآیند استفاده از بین می رود، نه تنها نمی تواند مزایای پوشش سرامیکی را بازی کند، بلکه ذرات پوشش سرامیکی که می افتند باعث سایش ساینده روی دنده می شود و سرعت از دست دادن سایش دنده را افزایش می دهد.راه حل فعلی استفاده از فناوری تصفیه سطح کامپوزیت برای بهبود پیوند بین سرامیک و زیرلایه است.فن آوری تصفیه سطح کامپوزیت به ترکیبی از پوشش رسوب بخار فیزیکی و سایر فرآیندها یا پوشش های تصفیه سطح، با استفاده از دو سطح / زیرسطح مجزا برای اصلاح سطح مواد بستر برای دستیابی به خواص مکانیکی کامپوزیت اشاره دارد که با یک فرآیند درمان سطحی قابل دستیابی نیست. .پوشش کامپوزیت قلع رسوب شده توسط نیترید یونی و PVD یکی از پوشش‌های کامپوزیتی است که بیشتر مورد تحقیق قرار گرفته است.بستر نیترید پلاسما و پوشش کامپوزیت سرامیکی TiN پیوند قوی دارند و مقاومت به سایش به طور قابل توجهی بهبود یافته است.

ضخامت بهینه لایه فیلم TiN با مقاومت در برابر سایش عالی و اتصال پایه فیلم حدود 3 تا 4μm است.اگر ضخامت لایه فیلم کمتر از 2μm باشد، مقاومت در برابر سایش به طور قابل توجهی بهبود نمی یابد.اگر ضخامت لایه فیلم بیش از 5μm باشد، پیوند پایه فیلم کاهش می یابد.

2، پوشش قلع چند لایه، چند جزئی

با کاربرد تدریجی و گسترده پوشش‌های TiN، تحقیقات بیشتری در مورد چگونگی بهبود و تقویت پوشش‌های TiN انجام می‌شود.در سال‌های اخیر، پوشش‌های چند جزئی و پوشش‌های چندلایه بر اساس پوشش‌های قلع دوتایی، مانند Ti-CN، Ti-CNB، Ti-Al-N، Ti-BN، (Tix,Cr1-x)N، TiN توسعه یافته‌اند. /Al2O3 و غیره با افزودن عناصری مانند Al و Si به پوشش های TiN می توان مقاومت در برابر اکسیداسیون با دمای بالا و سختی پوشش ها را بهبود بخشید، در حالی که با افزودن عناصری مانند B می توان سختی و استحکام چسبندگی پوشش ها را بهبود بخشید.

با توجه به پیچیدگی ترکیب چند جزئی، اختلاف نظرهای زیادی در این تحقیق وجود دارد.در مطالعه پوشش های چند جزئی (Tix,Cr1-x)N اختلاف نظر زیادی در نتایج تحقیق وجود دارد.برخی از مردم بر این باورند که پوشش‌های (Tix,Cr1-x)N بر پایه TiN هستند و کروم فقط می‌تواند به صورت 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 کروم که مستقیماً جایگزین اتم‌های Ti می‌شوند در پوشش‌های (Tix,Cr1-x)N محدود است و باقیمانده کروم در حالت منفرد وجود دارد یا ترکیباتی با N تشکیل می‌دهد. نتایج تجربی نشان می‌دهد که افزودن کروم به پوشش باعث کاهش اندازه ذرات سطح و افزایش سختی می شود و سختی پوشش زمانی به بالاترین مقدار خود می رسد که درصد جرم کروم به 3 لیتر برسد، اما تنش داخلی پوشش نیز به حداکثر مقدار خود می رسد.

3، لایه پوشش دیگر

علاوه بر پوشش‌های رایج TiN، بسیاری از سرامیک‌های مهندسی مختلف برای تقویت سطح چرخ دنده استفاده می‌شوند.

(1) Y.تراوچی و همکارانژاپن مقاومت در برابر سایش اصطکاکی دنده‌های سرامیکی کاربید تیتانیوم یا نیترید تیتانیوم را که با روش رسوب بخار رسوب می‌کنند مورد مطالعه قرار داد.چرخ دنده ها برای دستیابی به سختی سطح حدود HV720 و زبری سطح 2.4 میکرومتر قبل از پوشش، کربوریزه و صیقل داده شدند، و پوشش های سرامیکی با رسوب شیمیایی بخار (CVD) برای کاربید تیتانیوم و با رسوب بخار فیزیکی (PVD) برای کاربید تهیه شدند. نیترید تیتانیوم، با ضخامت فیلم سرامیکی حدود 2 میکرومتر.خواص سایش اصطکاکی به ترتیب در حضور روغن و اصطکاک خشک مورد بررسی قرار گرفت.مشخص شد که مقاومت در برابر ضربه و مقاومت در برابر خراش چرخ دنده پس از پوشش با سرامیک به طور قابل توجهی افزایش یافته است.

(2) پوشش کامپوزیت Ni-P و قلع با پوشش شیمیایی با پیش پوشش دادن Ni-P به عنوان یک لایه انتقال و سپس رسوب قلع تهیه شد.این مطالعه نشان می دهد که سختی سطح این پوشش کامپوزیت تا حدودی بهبود یافته است و پوشش بهتر با بستر چسبیده و مقاومت سایشی بهتری دارد.

(3) WC/C، لایه نازک B4C
M. Murakawa و همکاران، گروه مهندسی مکانیک، موسسه فناوری ژاپن، از فناوری PVD برای قرار دادن لایه نازک WC/C بر روی سطح چرخ دنده ها استفاده کردند و عمر مفید آن سه برابر چرخ دنده های معمولی خاموش شده و زمینی در زیر روغن بود. شرایط روغن کاری رایگانفرانتس جی و همکاراناز فناوری PVD برای رسوب لایه نازک WC/C و B4C بر روی سطح چرخ دنده های FEZ-A و FEZ-C استفاده کرد و آزمایش نشان داد که پوشش PVD به طور قابل توجهی اصطکاک چرخ دنده را کاهش می دهد و دنده را کمتر مستعد چسبندگی یا چسباندن داغ می کند. و ظرفیت تحمل بار چرخ دنده را بهبود بخشید.

(4) فیلم های CrN
فیلم‌های CrN مشابه فیلم‌های TiN هستند زیرا سختی بالاتری دارند و فیلم‌های CrN در برابر اکسیداسیون دمای بالا نسبت به TiN مقاوم‌تر هستند، مقاومت به خوردگی بهتری دارند، تنش داخلی کمتری نسبت به فیلم‌های TiN دارند و چقرمگی نسبتاً بهتری دارند.چن لینگ و همکاران یک فیلم کامپوزیت TiAlCrN/CrN مقاوم در برابر سایش با پیوند عالی مبتنی بر فیلم بر روی سطح HSS تهیه کردند و همچنین نظریه انباشته شدن نابجایی فیلم چند لایه را پیشنهاد کردند، اگر اختلاف انرژی نابجایی بین دو لایه زیاد باشد، نابجایی رخ می‌دهد. در یک لایه عبور از رابط آن به لایه دیگر دشوار خواهد بود، بنابراین نابجایی انباشته در سطح مشترک را تشکیل می دهد و نقش تقویت مواد را ایفا می کند.ژونگ بین و همکاران تأثیر محتوای نیتروژن را بر ساختار فاز و ویژگی‌های سایش اصطکاکی لایه‌های CrNx مورد مطالعه قرار دادند و این مطالعه نشان داد که پیک پراش Cr2N (211) در لایه‌ها به تدریج ضعیف شد و اوج CrN (220) به تدریج با افزایش افزایش یافت. از محتوای N2، ذرات بزرگ روی سطح فیلم به تدریج کاهش یافت و سطح تمایل به صاف شدن داشت.هنگامی که هوادهی N2 25 میلی‌لیتر در دقیقه بود (جریان قوس منبع هدف 75 آمپر بود، فیلم CrN رسوب‌شده دارای کیفیت سطح خوب، سختی خوب و مقاومت در برابر سایش عالی است که هوادهی N2 25 میلی‌لیتر در دقیقه باشد (جریان قوس منبع هدف 75 آمپر، منفی است. فشار 100 ولت است).

(5) فیلم فوق سخت
فیلم فوق سخت یک فیلم جامد با سختی بیشتر از 40GPa، مقاومت در برابر سایش عالی، مقاومت در برابر دمای بالا و ضریب اصطکاک کم و ضریب انبساط حرارتی کم، عمدتاً فیلم الماس آمورف و فیلم CN است.فیلم های الماس آمورف دارای خواص آمورف، بدون ساختار مرتب و دوربرد هستند و حاوی تعداد زیادی پیوند چهار وجهی CC هستند، بنابراین به آنها فیلم های کربن آمورف چهار وجهی نیز می گویند.به عنوان یک نوع فیلم کربن آمورف، پوشش الماس مانند (DLC) دارای خواص بسیار عالی مشابه الماس است، مانند هدایت حرارتی بالا، سختی بالا، مدول الاستیک بالا، ضریب انبساط حرارتی کم، پایداری شیمیایی خوب، مقاومت در برابر سایش خوب و ضریب اصطکاک کمنشان داده شده است که پوشش فیلم های الماس مانند روی سطوح چرخ دنده می تواند 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 بلوری شبیه به ترکیبات کووالانسی β-Si3N4 دارند و به عنوان β-C3N4 نیز شناخته می‌شوند.لیو و کوهن و همکارانانجام محاسبات نظری دقیق با استفاده از محاسبات باند شبه پتانسیل از اصل طبیعت اول، تأیید کرد که β-C3N4 دارای انرژی اتصال بزرگ، ساختار مکانیکی پایدار است، حداقل یک حالت فرعی می تواند وجود داشته باشد، و مدول الاستیک آن قابل مقایسه با الماس است. با خواص خوب، که می تواند به طور موثری سختی سطح و مقاومت در برابر سایش مواد را بهبود بخشد و ضریب اصطکاک را کاهش دهد.

(6) لایه پوشش مقاوم در برابر آلیاژ دیگر
برخی از پوشش های مقاوم در برابر سایش آلیاژ نیز سعی شده است روی چرخ دنده ها اعمال شوند، به عنوان مثال، رسوب لایه آلیاژ Ni-P-Co بر روی سطح دندانی چرخ دنده های فولادی 45#، یک لایه آلیاژی برای به دست آوردن سازماندهی دانه های فوق العاده ریز است. که می تواند عمر را تا 1.144 ~ 1.533 برابر افزایش دهد.همچنین بررسی شده است که لایه فلز مس و پوشش آلیاژ Ni-W بر روی سطح دندان دنده چدن آلیاژ Cu-Cr-P برای بهبود استحکام آن اعمال می شود.پوشش آلیاژ Ni-W و Ni-Co بر روی سطح دندان دنده چدن HT250 اعمال می شود تا مقاومت در برابر سایش را 4 تا 6 برابر در مقایسه با چرخ دنده بدون روکش بهبود بخشد.