PVD-pinnoitustekniikkaa on käytetty jo vuosia uutena pinnanmuokkaustekniikkana, erityisesti tyhjiö-ionipinnoitustekniikkana, joka on kehittynyt huomattavasti viime vuosina ja jota käytetään nyt laajalti työkalujen, muottien, männänrenkaiden, hammaspyörien ja muiden komponenttien käsittelyssä. Tyhjiö-ionipinnoitustekniikalla valmistetut pinnoitetut hammaspyörät voivat merkittävästi vähentää kitkakerrointa, parantaa kulumisenestoa ja tiettyä korroosionestokestävyyttä, ja niistä on tullut hammaspyöräpintojen vahvistamistekniikan alan tutkimuksen keskipiste ja kuuma kohde.
Vaihteiden yleisimpiä materiaaleja ovat taottu teräs, valuteräs, valurauta, ei-rautametallit (kupari, alumiini) ja muovit. Teräs on pääasiassa 45-terästä, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB ja 38CrMoAl. Vähähiilisestä teräksestä käytetään pääasiassa 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB ja 20CrMnTo. Taottua terästä käytetään vaihteissa laajemmin sen paremman suorituskyvyn vuoksi, kun taas valuterästä käytetään yleensä yli 400 mm halkaisijaltaan olevien ja monimutkaisten rakenteiden vaihteiden valmistukseen. Valurautaiset vaihteet ovat vastustuskykyisiä iskuille ja pistesyöpymiselle, mutta niillä ei ole isku- ja kulumiskestävyyttä. Ne soveltuvat pääasiassa vakaaseen työskentelyyn, eivätkä ne ole teholtaan alhaisia nopeuksia tai suuria ja monimutkaisia. Ne voivat toimia ilman voitelua ja sopivat avoimeen vaihteistoon. Yleisesti käytettyjä ei-rautametalleja ovat tinapronssi, alumiini-rautaparonssi ja valualumiiniseos, joita käytetään yleisesti turbiinien tai vaihteiden valmistuksessa, mutta niiden liuku- ja kitkaominaisuudet ovat huonot, vain kevyissä, keskikuormituksissa ja hitaissa vaihteissa. Ei-metallisia materiaaleja olevia vaihteita käytetään pääasiassa tietyillä aloilla, joilla on erityisvaatimuksia, kuten öljytön voitelu ja korkea luotettavuus. Aloilla, joissa on vähän saasteita, kuten kodinkoneissa, lääketieteellisissä laitteissa, elintarvikekoneissa ja tekstiilikoneissa.
Vaihteiden pinnoitusmateriaalit
Tekniset keraamiset materiaalit ovat erittäin lupaavia materiaaleja, joilla on korkea lujuus ja kovuus, erityisesti erinomainen lämmönkestävyys, alhainen lämmönjohtavuus ja lämpölaajeneminen, korkea kulutuskestävyys ja hapettumisenkestävyys. Lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet, että keraamiset materiaalit ovat luonnostaan lämmönkestäviä ja niillä on alhainen metallien kuluminen. Siksi keraamisten materiaalien käyttö metallimateriaalien sijaan kulutusta kestävissä osissa voi parantaa kitka-alustan käyttöikää ja täyttää joitakin korkeita lämpötiloja ja kulutusta kestäviä materiaaleja koskevia, monikäyttöisiä ja muita tiukkoja vaatimuksia. Tällä hetkellä teknisiä keraamisia materiaaleja käytetään moottorien lämmönkestävien osien valmistuksessa, mekaanisten voimansiirtojen kulutusosissa, kemiallisten laitteiden korroosionkestävissä osissa ja tiivisteosissa, mikä osoittaa yhä enemmän keraamisten materiaalien laaja-alaisia käyttömahdollisuuksia.
Kehittyneet maat, kuten Saksa, Japani, Yhdysvallat, Iso-Britannia ja muut maat, pitävät teknisten keraamisten materiaalien kehittämistä ja soveltamista erittäin tärkeänä ja investoivat paljon rahaa ja työvoimaa teknisten keraamien prosessointiteorian ja -teknologian kehittämiseen. Saksa on käynnistänyt "SFB442"-nimisen ohjelman, jonka tarkoituksena on syntetisoida PVD-teknologialla sopiva kalvo osien pinnalle korvaamaan ympäristölle ja ihmiskeholle mahdollisesti haitallinen voiteluaine. PW Gold ja muut Saksassa käyttivät SFB442-rahoituksen PVD-teknologian soveltamiseen ohuiden kalvojen kerrostamiseen vierintälaakereiden pinnalle ja havaitsivat, että vierintälaakereiden kulumisenestokyky parani merkittävästi ja pinnalle kerrostetut kalvot voivat korvata kokonaan äärimmäisen paineen kulumisenestoaineiden toiminnan. Joachim, Franz ym. Saksassa käyttivät PVD-teknologiaa WC/C-kalvojen valmistukseen, joilla oli erinomaiset väsymisenesto-ominaisuudet, jotka olivat korkeammat kuin EP-lisäaineita sisältävillä voiteluaineilla. Tämä tulos mahdollistaa haitallisten lisäaineiden korvaamisen pinnoitteilla. E. Lugscheider ym. Aachenin teknillisen yliopiston materiaalitieteen laitokselta Saksasta osoittivat DFG:n (Saksan tutkimuskomission) rahoituksella merkittävää väsymiskestävyyden kasvua sen jälkeen, kun 100Cr6-teräkselle oli kerrostettu sopivia kalvoja PVD-teknologialla. Lisäksi Yhdysvaltain General Motors on aloittanut... VolvoS80Turbo-tyyppisessä autojen vaihteiston pintakäsittelykalvossa väsymispistekorroosionkestävyyden parantamiseksi; kuuluisa Timken-yritys on lanseerannut nimen ES200-vaihteiston pintakäsittelykalvo; rekisteröity tavaramerkki MAXIT-vaihteistopinnoite on ilmestynyt Saksaan; rekisteröity tavaramerkki Graphit-iC ja Dymon-iC. Vaihteistopinnoitteita rekisteröidyillä tavaramerkeillä Graphit-iC ja Dymon-iC on saatavilla myös Isossa-Britanniassa.
Mekaanisen voimansiirron tärkeinä varaosina vaihteilla on tärkeä rooli teollisuudessa, joten keraamisten materiaalien käytön tutkiminen vaihteissa on erittäin tärkeää käytännön kannalta. Tällä hetkellä vaihteissa käytetään pääasiassa seuraavia teknisiä keraamisia materiaaleja.
1, TiN-pinnoitekerros
1, TiN
Ionipinnoitus TiN-keraaminen kerros on yksi yleisimmin käytetyistä pintamodifioiduista pinnoitteista, jolla on korkea kovuus, korkea tarttuvuuslujuus, alhainen kitkakerroin, hyvä korroosionkestävyys jne. Sitä on käytetty laajalti useilla aloilla, erityisesti työkalu- ja muottiteollisuudessa. Tärkein syy keraamisen pinnoitteen levitykseen hammaspyöriin on keraamisen pinnoitteen ja alustan välinen sidosongelma. Koska hammaspyörien työolosuhteet ja vaikuttavat tekijät ovat paljon monimutkaisempia kuin työkalujen ja muottien, yksittäisen TiN-pinnoitteen levittäminen hammaspyörien pintakäsittelyyn on huomattavasti rajoitettua. Vaikka keraamisella pinnoitteella on korkea kovuus, alhainen kitkakerroin ja korroosionkestävyys, se on hauras ja paksumman pinnoitteen saaminen on vaikeaa, joten se tarvitsee korkean kovuuden ja lujuuden alustan tukemaan pinnoitetta, jotta se voi toimia ominaisuuksiensa mukaisesti. Siksi keraamista pinnoitetta käytetään enimmäkseen kovametalli- ja pikateräspinnoilla. Vaihteiston materiaali on pehmeämpää kuin keraaminen materiaali, ja alustan ja pinnoitteen luonteen välinen ero on suuri. Siksi pinnoitteen ja alustan yhdistelmä on huono, eikä pinnoite riitä tukemaan pinnoitetta, minkä vuoksi pinnoite irtoaa helposti käytön aikana. Tämä ei ainoastaan estä keraamisen pinnoitteen etujen hyödyntämistä, vaan irtoavat keraamisen pinnoitteen hiukkaset aiheuttavat vaihteelle hankausta ja nopeuttavat vaihteen kulumista. Nykyinen ratkaisu on käyttää komposiittipintakäsittelytekniikkaa keraamisen ja alustan välisen sidoksen parantamiseksi. Komposiittipintakäsittelytekniikka viittaa fysikaalisen höyrypinnoituspinnoitteen ja muiden pintakäsittelyprosessien tai pinnoitteiden yhdistelmään, jossa käytetään kahta erillistä pintaa/alustasoa alustamateriaalin pinnan muokkaamiseksi, jotta saadaan aikaan komposiitin mekaanisia ominaisuuksia, joita ei voida saavuttaa yhdellä pintakäsittelyprosessilla. Ioninitrauksella ja PVD:llä kerrostettu TiN-komposiittipinnoite on yksi tutkituimmista komposiittipinnoitteista. Plasmanitritsoidulla alustalla ja TiN-keraamisella komposiittipinnoitteella on vahva sidos ja kulutuskestävyys paranee merkittävästi.
Erinomaisen kulutuskestävyyden ja pohjasidoksen omaavan TiN-kalvokerroksen optimaalinen paksuus on noin 3–4 μm. Jos kalvokerroksen paksuus on alle 2 μm, kulutuskestävyys ei parane merkittävästi. Jos kalvokerroksen paksuus on yli 5 μm, pohjasidos heikkenee.
2, Monikerroksinen, monikomponenttinen TiN-pinnoite
TiN-pinnoitteiden asteittaisen ja laajan käytön myötä on tehty yhä enemmän tutkimusta TiN-pinnoitteiden parantamiseksi ja tehostamiseksi. Viime vuosina on kehitetty monikomponenttipinnoitteita ja monikerrospinnoitteita binaaristen TiN-pinnoitteiden pohjalta, kuten Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 jne. Lisäämällä TiN-pinnoitteisiin alkuaineita, kuten Al ja Si, voidaan parantaa pinnoitteiden kestävyyttä korkeissa lämpötiloissa tapahtuvaa hapettumista vastaan ja kovuutta, kun taas alkuaineiden, kuten B, lisääminen voi parantaa pinnoitteiden kovuutta ja tarttuvuuslujuutta.
Monikomponenttikoostumuksen monimutkaisuuden vuoksi tässä tutkimuksessa on monia ristiriitoja. (Tix,Cr1-x)N-monikomponenttipinnoitteiden tutkimustuloksissa on paljon ristiriitaisuuksia. Jotkut uskovat, että (Tix,Cr1-x)N-pinnoitteet perustuvat TiN:ään ja että Cr voi esiintyä vain korvaavana kiinteänä liuoksena TiN-pistematriisissa, mutta ei erillisenä CrN-faasina. Toiset tutkimukset osoittavat, että (Tix,Cr1-x)N-pinnoitteissa Ti-atomit suoraan korvaavien Cr-atomien määrä on rajallinen, ja jäljelle jäävä Cr esiintyy singlettitilassa tai muodostaa yhdisteitä N:n kanssa. Kokeelliset tulokset osoittavat, että Cr:n lisääminen pinnoitteeseen pienentää pinnan hiukkaskokoa ja lisää kovuutta, ja pinnoitteen kovuus saavuttaa suurimman arvonsa, kun Cr:n massaprosentti saavuttaa 31 %, mutta myös pinnoitteen sisäinen jännitys saavuttaa suurimman arvonsa.
3, Muu pinnoitekerros
Yleisesti käytettyjen TiN-pinnoitteiden lisäksi hammaspyörien pinnan vahvistamiseen käytetään monia erilaisia teknisiä keraamisia materiaaleja.
(1) Japanilainen Y. Terauchi ym. tutkivat höyrypinnoitusmenetelmällä kerrostettujen titaanikarbidi- tai titaaninitridikeraamisten hammaspyörien kitkakulumiskestävyyttä. Hammaspyörät hiiletettiin ja kiillotettiin noin HV720:n pinnankovuudeksi ja 2,4 μm:n pinnankarheudeksi ennen pinnoitusta. Keraamiset pinnoitteet valmistettiin kemiallisella höyrypinnoituksella (CVD) titaanikarbidille ja fysikaalisella höyrypinnoituksella (PVD) titaaninitridille, ja keraamisen kalvon paksuus oli noin 2 μm. Kitkakulumisominaisuuksia tutkittiin öljyn ja kuivakitkan läsnä ollessa. Havaittiin, että hammaspyöräruuvipenkin kitkasyöpymiskestävyys ja naarmuuntumisenkestävyys paranivat huomattavasti keraamisella pinnoituksella.
(2) Kemiallisesti päällystetyn Ni-P:n ja TiN:n komposiittipinnoite valmistettiin esipinnoittamalla Ni-P siirtymäkerrokseksi ja kerrostamalla sitten TiN. Tutkimus osoittaa, että tämän komposiittipinnoitteen pinnan kovuus on parantunut jonkin verran, ja pinnoite tarttuu paremmin alustaan ja sillä on parempi kulutuskestävyys.
(3) WC/C, B4C-ohutkalvo
M. Murakawa ym., Japanin teknillisen korkeakoulun konetekniikan laitos, käyttivät PVD-tekniikkaa WC/C-ohutkalvon kerrostamiseen hammaspyörien pinnalle, ja sen käyttöikä oli kolminkertainen tavallisiin sammutettuihin ja hiottuihin hammaspyöriin verrattuna öljyttömissä voiteluolosuhteissa. Franz J ym. käyttivät PVD-tekniikkaa WC/C- ja B4C-ohutkalvon kerrostamiseen FEZ-A- ja FEZ-C-hammaspyörien pinnalle, ja koe osoitti, että PVD-pinnoite vähensi merkittävästi hammaspyörien kitkaa, teki hammaspyörästä vähemmän alttiin kuumaliimaukselle tai liimaukselle ja paransi hammaspyörän kuormituksenkestoa.
(4) CrN-kalvot
CrN-kalvot ovat samankaltaisia kuin TiN-kalvot siinä mielessä, että niillä on suurempi kovuus, ja ne kestävät paremmin korkeiden lämpötilojen hapettumista kuin TiN, niillä on parempi korroosionkestävyys, pienempi sisäinen jännitys kuin TiN-kalvoilla ja suhteellisen parempi sitkeys. Chen Ling ym. valmistivat kulutusta kestävän TiAlCrN/CrN-komposiittikalvon, jolla on erinomainen kalvopohjainen sidos HSS-pinnalla, ja esittivät myös monikerroskalvon dislokaatioiden pinoamisteorian. Jos kahden kerroksen välinen dislokaatioenergiaero on suuri, toisessa kerroksessa tapahtuvan dislokaation on vaikea ylittää rajapintaansa toiseen kerrokseen, jolloin dislokaatioiden pinoaminen rajapintaan muodostuu ja materiaalia lujitetaan. Zhong Bin ym. tutkivat typpipitoisuuden vaikutusta CrNx-kalvojen faasirakenteeseen ja kitkakulumisominaisuuksiin, ja tutkimus osoitti, että kalvojen Cr2N (211) -diffraktiopiikki heikkeni vähitellen ja CrN (220) -piikki voimistui vähitellen N2-pitoisuuden kasvaessa, kalvon pinnalla olevat suuret hiukkaset vähenivät vähitellen ja pinta pyrki olemaan tasainen. Kun N2-ilmastus oli 25 ml/min (kohdelähteen valokaaren virta oli 75 A), kerrostetulla CrN-kalvolla oli hyvä pinnanlaatu, hyvä kovuus ja erinomainen kulutuskestävyys, kun N2-ilmastus oli 25 ml/min (kohdelähteen valokaaren virta oli 75 A, alipaine 100 V).
(5) Superkova kalvo
Superkova kalvo on kiinteä kalvo, jonka kovuus on yli 40 GPa, erinomainen kulutuskestävyys, korkean lämpötilan kestävyys ja alhainen kitkakerroin ja alhainen lämpölaajenemiskerroin, pääasiassa amorfista timanttikalvoa ja CN-kalvoa. Amorfisilla timanttikalvoilla on amorfisia ominaisuuksia, niillä ei ole pitkän kantaman järjestäytynyttä rakennetta ja ne sisältävät suuren määrän CC-tetraedrisiä sidoksia, joten niitä kutsutaan myös tetraedrisiksi amorfisiksi hiilikalvoiksi. Amorfisena hiilikalvona timantin kaltaisella pinnoitteella (DLC) on monia erinomaisia ominaisuuksia, jotka ovat samanlaisia kuin timantilla, kuten korkea lämmönjohtavuus, korkea kovuus, korkea kimmokerroin, alhainen lämpölaajenemiskerroin, hyvä kemiallinen stabiilius, hyvä kulutuskestävyys ja alhainen kitkakerroin. On osoitettu, että timantin kaltaisten kalvojen pinnoittaminen hammaspyörien pinnoille voi pidentää käyttöikää kertoimella 6 ja parantaa merkittävästi väsymiskestävyyttä. CN-kalvoilla, jotka tunnetaan myös amorfisina hiili-typpikalvoina, on samanlainen kiderakenne kuin β-Si3N4-kovalenttisilla yhdisteillä, ja ne tunnetaan myös nimellä β-C3N4. Liu ja Cohen ym. suorittivat tiukkoja teoreettisia laskelmia käyttäen pseudopotentiaalivyöhykelaskelmia ensimmäisen luontoperiaatteen mukaisesti ja vahvistivat, että β-C3N4:llä on suuri sitoutumisenergia, vakaa mekaaninen rakenne, ainakin yksi alistabiili tila voi esiintyä ja sen kimmokerroin on verrattavissa timanttiin, ja sillä on hyvät ominaisuudet, jotka voivat tehokkaasti parantaa materiaalin pinnan kovuutta ja kulutuskestävyyttä sekä vähentää kitkakerrointa.
(6) Muu seos kulutusta kestävä pinnoitekerros
Vaihteisiin on myös kokeiltu levittää kulutusta kestäviä pinnoitteita, esimerkiksi Ni-P-Co-seoskerroksen kerrostaminen 45# teräsvaihteiden hampaan pinnalle on seoskerros, jolla saavutetaan erittäin hienojakoinen raerakenne, mikä voi pidentää käyttöikää jopa 1,144–1,533-kertaisesti. On myös tutkittu, että Cu-Cr-P-seoksesta valmistettujen valurautavaihteiden hampaan pinnalle levitetään kuparikerros ja Ni-W-seospinnoite sen lujuuden parantamiseksi; HT250-valurautavaihteiden hampaan pinnalle levitetään Ni-W- ja Ni-Co-seospinnoite, jolla parannetaan kulutuskestävyyttä 4–6-kertaisesti pinnoittamattomiin vaihteisiin verrattuna.
Julkaisun aika: 07.11.2022