Tecnoloxía de revestimento de engrenaxes

A tecnoloxía de deposición PVD leva moitos anos practicándose como unha nova tecnoloxía de modificación de superficies, especialmente a tecnoloxía de revestimento por ións ao baleiro, que acadou un gran desenvolvemento nos últimos anos e agora úsase amplamente no tratamento de ferramentas, moldes, aneis de pistón, engrenaxes e outros compoñentes. As engrenaxes revestidas preparadas mediante a tecnoloxía de revestimento por ións ao baleiro poden reducir significativamente o coeficiente de fricción, mellorar a protección antidesgaste e certas propiedades anticorrosión, e convertéronse no foco e punto de interese da investigación no campo da tecnoloxía de reforzo da superficie das engrenaxes.

Os materiais comúns empregados para as engrenaxes son principalmente aceiro forxado, aceiro fundido, ferro fundido, metais non ferrosos (cobre, aluminio) e plásticos. O aceiro é principalmente aceiro 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. O aceiro baixo en carbono úsase principalmente en 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. O aceiro forxado úsase máis amplamente en engrenaxes debido ao seu mellor rendemento, mentres que o aceiro fundido adoita usarse para fabricar engrenaxes con diámetro > 400 mm e estrutura complexa. As engrenaxes de ferro fundido son antiadherentes e resistentes ás picaduras, pero carecen de resistencia ao impacto e ao desgaste, o que as fai principalmente axeitadas para un traballo estable, a potencia non é baixa, nin grande, nin de forma complexa, polo que poden funcionar con falta de lubricación, o que é axeitado para transmisión aberta. Os metais non ferrosos que se empregan habitualmente son o bronce ao estaño, o bronce ao aluminio e o ferro fundido e as aliaxes de aluminio fundido, que se empregan habitualmente na fabricación de turbinas ou engrenaxes, pero as súas propiedades de deslizamento e antifricción son deficientes e só se empregan engrenaxes lixeiras, de carga media e de baixa velocidade. As engrenaxes de materiais non metálicos úsanse principalmente nalgúns campos con requisitos especiais, como a lubricación sen aceite e a alta fiabilidade. Tamén se aplican a campos con condicións de baixa contaminación, como electrodomésticos, equipos médicos, maquinaria alimentaria e maquinaria téxtil.

Materiais de revestimento de engrenaxes

Os materiais cerámicos de enxeñaría son materiais extremadamente prometedores con alta resistencia e dureza, especialmente excelente resistencia á calor, baixa condutividade térmica e expansión térmica, alta resistencia ao desgaste e resistencia á oxidación. Un gran número de estudos demostraron que os materiais cerámicos son inherentemente resistentes á calor e teñen un baixo desgaste nos metais. Polo tanto, o uso de materiais cerámicos en lugar de materiais metálicos para pezas resistentes ao desgaste pode mellorar a vida útil do subreddit de fricción, pode cumprir algúns dos materiais de alta temperatura e alta resistencia ao desgaste, multifuncionais e outros requisitos rigorosos. Na actualidade, os materiais cerámicos de enxeñaría foron utilizados na fabricación de pezas resistentes á calor de motores, transmisión mecánica en pezas de desgaste, equipos químicos en pezas resistentes á corrosión e pezas de selado, mostrando cada vez máis as amplas perspectivas de aplicación dos materiais cerámicos.

Países desenvolvidos como Alemaña, Xapón, Estados Unidos, Reino Unido e outros países dan grande importancia ao desenvolvemento e aplicación de materiais cerámicos de enxeñaría, investindo moito diñeiro e man de obra para desenvolver a teoría e a tecnoloxía de procesamento da cerámica de enxeñaría. Alemaña lanzou un programa chamado "SFB442", cuxo obxectivo é usar a tecnoloxía PVD para sintetizar unha película axeitada na superficie das pezas para substituír o medio lubricante potencialmente prexudicial para o medio ambiente e o corpo humano. PW Gold e outros en Alemaña usaron os fondos do SFB442 para aplicar a tecnoloxía PVD para depositar películas finas na superficie dos rolamentos e descubriron que o rendemento antidesgaste dos rolamentos melloraba significativamente e que as películas depositadas na superficie podían substituír completamente a función dos aditivos antidesgaste de presión extrema. Joachim, Franz et al. en Alemaña usaron a tecnoloxía PVD para preparar películas WC/C demostrando excelentes propiedades antifatiga, superiores ás dos lubricantes que conteñen aditivos EP, un resultado que de xeito similar ofrece a posibilidade de substituír os aditivos prexudiciais por revestimentos. E. Lugscheider et al. do Instituto de Ciencia dos Materiais da Universidade Técnica de Aquisgrán, Alemaña, con financiamento da DFG (Comisión Alemá de Investigación), demostraron un aumento significativo na resistencia á fatiga despois de depositar películas axeitadas sobre aceiro 100Cr6 usando a tecnoloxía PVD. Ademais, a General Motors dos Estados Unidos comezou en a súa película de deposición superficial de engrenaxes de automóbiles tipo VolvoS80Turbo para mellorar a resistencia á picadura por fatiga; a famosa empresa Timken lanzou a película superficial de engrenaxes nomeada ES200; a marca rexistrada de revestimento de engrenaxes MAXIT apareceu en Alemaña; as marcas rexistradas Graphit-iC e Dymon-iC, respectivamente, tamén están dispoñibles no Reino Unido revestimentos de engrenaxes coas marcas rexistradas Graphit-iC e Dymon-iC.

Como pezas de reposto importantes da transmisión mecánica, as engrenaxes desempeñan un papel importante na industria, polo que é de gran importancia práctica estudar a aplicación de materiais cerámicos nas engrenaxes. Na actualidade, as cerámicas de enxeñaría aplicadas ás engrenaxes son principalmente as seguintes.

1. Capa de revestimento de TiN
1. TiN

A capa cerámica de TiN con revestimento iónico é un dos revestimentos modificados na superficie máis empregados, con alta dureza, alta resistencia á adhesión, baixo coeficiente de fricción, boa resistencia á corrosión, etc. Empregouse amplamente en diversos campos, especialmente na industria de ferramentas e moldes. A principal razón que afecta á aplicación de revestimentos cerámicos en engrenaxes é o problema da unión entre o revestimento cerámico e o substrato. Dado que as condicións de traballo e os factores de influencia das engrenaxes son moito máis complicados que os das ferramentas e os moldes, a aplicación dun único revestimento de TiN no tratamento da superficie das engrenaxes está moi restrinxida. Aínda que o revestimento cerámico ten as vantaxes dunha alta dureza, baixo coeficiente de fricción e resistencia á corrosión, é fráxil e é difícil obter un revestimento máis groso, polo que necesita un substrato de alta dureza e alta resistencia para soportar o revestimento e poder desempeñar as súas características. Polo tanto, o revestimento cerámico úsase principalmente para superficies de carburo e aceiro de alta velocidade. O material da engrenaxe é brando en comparación co material cerámico, e a diferenza entre a natureza do substrato e o revestimento é grande, polo que a combinación do revestimento e o substrato é deficiente, e o revestimento non é suficiente para soportalo, facendo que o revestimento se desprenda facilmente no proceso de uso, non só non pode aproveitar as vantaxes do revestimento cerámico, senón que as partículas do revestimento cerámico que caen causarán un desgaste abrasivo na engrenaxe, acelerando a perda de desgaste da engrenaxe. A solución actual é usar tecnoloxía de tratamento de superficies compostas para mellorar a unión entre a cerámica e o substrato. A tecnoloxía de tratamento de superficies compostas refírese á combinación de revestimentos de deposición física de vapor e outros procesos ou revestimentos de tratamento de superficies, utilizando dúas superficies/subsuperficies separadas para modificar a superficie do material do substrato para obter propiedades mecánicas compostas que non se poden conseguir mediante un único proceso de tratamento de superficie. O revestimento composto de TiN depositado por nitruración iónica e PVD é un dos revestimentos compostos máis investigados. O substrato de nitruración por plasma e o revestimento composto cerámico de TiN teñen unha forte unión e a resistencia ao desgaste mellora significativamente.

O grosor óptimo da capa de película de TiN con excelente resistencia ao desgaste e unión da base da película é duns 3~4 μm. Se o grosor da capa de película é inferior a 2 μm, a resistencia ao desgaste non mellorará significativamente. Se o grosor da capa de película é superior a 5 μm, a unión da base da película diminuirá.

2. Revestimento de TiN multicapa e multicompoñente

Coa aplicación gradual e xeneralizada dos recubrimentos de TiN, hai cada vez máis investigacións sobre como mellorar e potenciar os recubrimentos de TiN. Nos últimos anos, desenvolvéronse recubrimentos multicompoñentes e multicapa baseados en recubrimentos binarios de TiN, como Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, etc. Ao engadir elementos como Al e Si aos recubrimentos de TiN, pódese mellorar a resistencia á oxidación a altas temperaturas e a dureza dos recubrimentos, mentres que engadir elementos como B pode mellorar a dureza e a forza de adhesión dos recubrimentos.

Debido á complexidade da composición multicompoñente, existen moitas controversias neste estudo. No estudo dos recubrimentos multicompoñente (Tix,Cr1-x)N, existe unha gran controversia nos resultados da investigación. Algunhas persoas cren que os recubrimentos (Tix,Cr1-x)N están baseados en TiN, e o Cr só pode existir en forma de solución sólida de substitución na matriz de puntos de TiN, pero non como unha fase de CrN separada. Outros estudos mostran que o número de átomos de Cr que substitúen directamente os átomos de Ti nos recubrimentos (Tix,Cr1-x)N é limitado, e o Cr restante existe no estado singlete ou forma compostos con N. Os resultados experimentais mostran que a adición de Cr ao recubrimento reduce o tamaño das partículas superficiais e aumenta a dureza, e a dureza do recubrimento alcanza o seu valor máis alto cando a porcentaxe en masa de Cr alcanza o 31%, pero a tensión interna do recubrimento tamén alcanza o seu valor máximo.

3. Outra capa de revestimento

Ademais dos revestimentos de TiN que se usan habitualmente, utilízanse moitas cerámicas de enxeñaría diferentes para o reforzo da superficie das engrenaxes.

(1) Y. Terauchi et al., do Xapón, estudaron a resistencia ao desgaste por fricción de engrenaxes cerámicas de carburo ou nitruro de titanio depositadas mediante o método de deposición de vapor. As engrenaxes foron carburadas e pulidas para acadar unha dureza superficial de aproximadamente HV720 e unha rugosidade superficial de 2,4 μm antes do revestimento, e os revestimentos cerámicos preparáronse mediante deposición química de vapor (CVD) para o carburo de titanio e mediante deposición física de vapor (PVD) para o nitruro de titanio, cun grosor de película cerámica de aproximadamente 2 μm. As propiedades de desgaste por fricción investigáronse en presenza de aceite e fricción seca, respectivamente. Descubriuse que a resistencia á fricción e a resistencia ao rabuñadura do torno de engrenaxe melloraron substancialmente despois do revestimento con cerámica.

(2) Preparouse un revestimento composto de Ni-P e TiN revestidos quimicamente mediante un prerevestimento de Ni-P como capa de transición e, a continuación, depositando TiN. O estudo demostra que a dureza superficial deste revestimento composto mellorou ata certo punto, que o revestimento se une mellor ao substrato e que ten unha mellor resistencia ao desgaste.

(3) WC/C, película fina B4C
M. Murakawa et al., do Departamento de Enxeñaría Mecánica do Instituto Tecnolóxico do Xapón, empregaron a tecnoloxía PVD para depositar unha película fina de WC/C na superficie das engrenaxes, e a súa vida útil foi tres veces maior que a das engrenaxes ordinarias temperadas e rectificadas en condicións de lubricación sen aceite. Franz J et al. empregaron a tecnoloxía PVD para depositar unha película fina de WC/C e B4C na superficie das engrenaxes FEZ-A e FEZ-C, e o experimento demostrou que o revestimento PVD reduciu significativamente a fricción da engrenaxe, fixo que a engrenaxe fose menos susceptible ao pegado en quente ou ao pegado e mellorou a capacidade de carga da engrenaxe.

(4) Películas de CrN
As películas de CrN son similares ás películas de TiN porque teñen unha maior dureza, e as películas de CrN son máis resistentes á oxidación a altas temperaturas que o TiN, teñen unha mellor resistencia á corrosión, unha menor tensión interna que as películas de TiN e unha tenacidade relativamente mellor. Chen Ling et al. prepararon unha película composta de TiAlCrN/CrN resistente ao desgaste cunha excelente unión baseada en películas na superficie de HSS, e tamén propuxeron a teoría do apilamento de dislocacións da película multicapa: se a diferenza de enerxía de dislocacións entre dúas capas é grande, a dislocación que se produce nunha capa terá dificultades para cruzar a súa interface cara á outra capa, formando así o apilamento de dislocacións na interface e desempeñando o papel de fortalecer o material. Zhong Bin et al. estudaron o efecto do contido de nitróxeno na estrutura de fase e as propiedades de desgaste por fricción das películas de CrNx, e o estudo mostrou que o pico de difracción de Cr2N (211) nas películas se debilitaba gradualmente e o pico de CrN (220) aumentaba gradualmente co aumento do contido de N2, as partículas grandes na superficie da película diminuían gradualmente e a superficie tendía a ser plana. Cando a aireación de N2 era de 25 ml/min (a corrente de arco da fonte obxectivo era de 75 A), a película de CrN depositada tiña boa calidade superficial, boa dureza e excelente resistencia ao desgaste cando a aireación de N2 era de 25 ml/min (a corrente de arco da fonte obxectivo era de 75 A, a presión negativa era de 100 V).

(5) Película superdura
A película superdura é a película sólida cunha dureza superior a 40 GPa, excelente resistencia ao desgaste, alta resistencia á temperatura e baixo coeficiente de fricción e baixo coeficiente de expansión térmica, principalmente película de diamante amorfo e película CN. As películas de diamante amorfo teñen propiedades amorfas, sen estrutura ordenada de longo alcance e conteñen un gran número de enlaces tetraédricos CC, polo que tamén se denominan películas de carbono amorfo tetraédricas. Como un tipo de película de carbono amorfo, o revestimento tipo diamante (DLC) ten moitas propiedades excelentes similares ao diamante, como alta condutividade térmica, alta dureza, alto módulo elástico, baixo coeficiente de expansión térmica, boa estabilidade química, boa resistencia ao desgaste e baixo coeficiente de fricción. Demostrouse que o revestimento de películas tipo diamante nas superficies das engrenaxes pode prolongar a vida útil nun factor de 6 e mellorar significativamente a resistencia á fatiga. As películas CN, tamén coñecidas como películas de carbono-nitróxeno amorfo, teñen unha estrutura cristalina similar á dos compostos covalentes β-Si3N4 e tamén se coñecen como β-C3N4. Liu e Cohen et al. realizaron cálculos teóricos rigorosos empregando cálculos de banda de pseudopotencial a partir do principio da primeira natureza, confirmaron que o β-C3N4 ten unha gran enerxía de enlace, unha estrutura mecánica estable, pode existir polo menos un estado subestable e o seu módulo elástico é comparable ao do diamante, con boas propiedades, o que pode mellorar eficazmente a dureza superficial e a resistencia ao desgaste do material e reducir o coeficiente de fricción.

(6) Outra capa de revestimento resistente ao desgaste da aliaxe
Tamén se tentaron aplicar algúns revestimentos de aliaxe resistentes ao desgaste ás engrenaxes, por exemplo, a deposición dunha capa de aliaxe de Ni-P-Co na superficie do dente das engrenaxes de aceiro de 45# é unha capa de aliaxe para obter unha organización de gran ultrafina, o que pode prolongar a vida útil ata 1,144~1,533 veces. Tamén se estudou que a capa de metal Cu e o revestimento de aliaxe de Ni-W se aplican na superficie do dente das engrenaxes de ferro fundido de aliaxe Cu-Cr-P para mellorar a súa resistencia; os revestimentos de aliaxe de Ni-W e Ni-Co aplícanse na superficie do dente das engrenaxes de ferro fundido HT250 para mellorar a resistencia ao desgaste en 4~6 veces en comparación coa engrenaxe sen revestimento.