गियर कोटिंग प्रौद्योगिकी

सतह संशोधन की एक नई तकनीक के रूप में पीवीडी डिपोजिशन तकनीक का कई वर्षों से उपयोग किया जा रहा है, विशेष रूप से वैक्यूम आयन कोटिंग तकनीक का, जिसने हाल के वर्षों में काफी विकास किया है और अब औजारों, सांचों, पिस्टन रिंगों, गियरों और अन्य घटकों के उपचार में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। वैक्यूम आयन कोटिंग तकनीक द्वारा तैयार किए गए लेपित गियर घर्षण गुणांक को काफी हद तक कम कर सकते हैं, घिसाव-रोधी और कुछ हद तक संक्षारण-रोधी गुणों को बढ़ा सकते हैं, और गियर सतह सुदृढ़ीकरण तकनीक के क्षेत्र में अनुसंधान का केंद्र बिंदु बन गए हैं।

गियरों के निर्माण में प्रयुक्त सामान्य सामग्रियाँ मुख्यतः फोर्ज्ड स्टील, कास्ट स्टील, कास्ट आयरन, अलौह धातुएँ (तांबा, एल्युमीनियम) और प्लास्टिक हैं। स्टील मुख्यतः 45 स्टील, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl हैं। निम्न कार्बन स्टील मुख्यतः 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo में प्रयुक्त होते हैं। फोर्ज्ड स्टील का उपयोग गियरों में अधिक व्यापक रूप से किया जाता है क्योंकि इसका प्रदर्शन बेहतर होता है, जबकि कास्ट स्टील का उपयोग आमतौर पर 400 मिमी से अधिक व्यास और जटिल संरचना वाले गियरों के निर्माण में किया जाता है। कास्ट आयरन गियर चिपकने और गड्ढों के प्रतिरोध के लिए उपयुक्त होते हैं, लेकिन इनमें प्रभाव और घिसाव प्रतिरोध की कमी होती है। ये मुख्यतः स्थिर कार्य के लिए उपयुक्त होते हैं, जहाँ कम गति या बड़े आकार और जटिल आकृति वाले गियरों की आवश्यकता नहीं होती है। ये बिना स्नेहन के भी कार्य कर सकते हैं और खुले संचरण के लिए उपयुक्त हैं। अलौह धातुओं में आमतौर पर टिन ब्रॉन्ज़, एल्युमीनियम-लोहा ब्रॉन्ज़ और ढलाई एल्युमीनियम मिश्रधातु का उपयोग किया जाता है, जिनका उपयोग टरबाइन या गियर के निर्माण में होता है, लेकिन इनके फिसलने और घर्षण-रोधी गुण कमज़ोर होते हैं, इसलिए ये केवल हल्के, मध्यम भार और कम गति वाले गियर के लिए ही उपयुक्त हैं। गैर-धात्विक सामग्री से बने गियर मुख्य रूप से कुछ विशेष आवश्यकताओं वाले क्षेत्रों में उपयोग किए जाते हैं, जैसे कि तेल-मुक्त स्नेहन और उच्च विश्वसनीयता। इनका उपयोग कम प्रदूषण वाले क्षेत्रों में होता है, जैसे घरेलू उपकरण, चिकित्सा उपकरण, खाद्य मशीनरी और कपड़ा मशीनरी।

गियर कोटिंग सामग्री

इंजीनियरिंग सिरेमिक सामग्री अत्यंत आशाजनक सामग्री हैं जिनमें उच्च शक्ति और कठोरता होती है, विशेष रूप से उत्कृष्ट ताप प्रतिरोध, कम तापीय चालकता और तापीय विस्तार, उच्च घिसाव प्रतिरोध और ऑक्सीकरण प्रतिरोध होता है। अनेक अध्ययनों से पता चला है कि सिरेमिक सामग्री स्वाभाविक रूप से ताप प्रतिरोधी होती हैं और धातुओं की तुलना में इनमें घिसाव कम होता है। इसलिए, घिसाव-प्रतिरोधी पुर्जों के लिए धातु सामग्री के स्थान पर सिरेमिक सामग्री का उपयोग घर्षण उप-भागों के जीवनकाल को बढ़ा सकता है और उच्च तापमान और उच्च घिसाव-प्रतिरोधी सामग्री, बहु-कार्यात्मकता और अन्य कठिन आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है। वर्तमान में, इंजीनियरिंग सिरेमिक सामग्री का उपयोग इंजन के ताप-प्रतिरोधी पुर्जों, यांत्रिक संचरण के घिसाव-प्रतिरोधी पुर्जों, रासायनिक उपकरणों के संक्षारण-प्रतिरोधी पुर्जों और सीलिंग पुर्जों के निर्माण में किया जा रहा है, जो सिरेमिक सामग्री के व्यापक अनुप्रयोग की संभावनाओं को तेजी से दर्शाता है।

जर्मनी, जापान, संयुक्त राज्य अमेरिका, यूनाइटेड किंगडम और अन्य जैसे विकसित देश इंजीनियरिंग सिरेमिक सामग्रियों के विकास और अनुप्रयोग को बहुत महत्व देते हैं, और इंजीनियरिंग सिरेमिक के प्रसंस्करण सिद्धांत और प्रौद्योगिकी को विकसित करने के लिए बहुत सारा पैसा और जनशक्ति का निवेश करते हैं। जर्मनी ने "SFB442" नामक एक कार्यक्रम शुरू किया है, जिसका उद्देश्य PVD तकनीक का उपयोग करके पुर्जों की सतह पर एक उपयुक्त परत बनाना है, ताकि पर्यावरण और मानव शरीर के लिए संभावित रूप से हानिकारक चिकनाई वाले माध्यम को प्रतिस्थापित किया जा सके। जर्मनी में PW गोल्ड और अन्य शोधकर्ताओं ने SFB442 से प्राप्त धनराशि का उपयोग रोलिंग बियरिंग की सतह पर पतली परतें चढ़ाने के लिए PVD तकनीक को लागू करने में किया और पाया कि रोलिंग बियरिंग का घिसाव-रोधी प्रदर्शन काफी बेहतर हुआ है और सतह पर जमा की गई परतें अत्यधिक दबाव वाले घिसाव-रोधी योजकों के कार्य को पूरी तरह से प्रतिस्थापित कर सकती हैं। जर्मनी में जोआचिम, फ्रांज और अन्य शोधकर्ताओं ने PVD तकनीक का उपयोग करके WC/C परतें तैयार कीं, जिनमें उत्कृष्ट थकान-रोधी गुण थे, जो EP योजकों वाले स्नेहकों से भी अधिक थे। यह परिणाम भी हानिकारक योजकों को कोटिंग्स से प्रतिस्थापित करने की संभावना को दर्शाता है। जर्मनी के आचेन तकनीकी विश्वविद्यालय के सामग्री विज्ञान संस्थान के ई. लुग्शेइडर और अन्य शोधकर्ताओं ने DFG (जर्मन अनुसंधान आयोग) से प्राप्त धनराशि का उपयोग करके 100Cr6 स्टील पर उपयुक्त परतें चढ़ाने के बाद थकान प्रतिरोध में उल्लेखनीय वृद्धि प्रदर्शित की। पीवीडी तकनीक। इसके अतिरिक्त, संयुक्त राज्य अमेरिका की जनरल मोटर्स ने अपनी वोल्वो एस80 टर्बो प्रकार की कार के गियर सतह पर थकान प्रतिरोध को बेहतर बनाने के लिए एक परत चढ़ाना शुरू कर दिया है; प्रसिद्ध टिमकेन कंपनी ने ईएस200 नाम से गियर सतह परत लॉन्च की है; जर्मनी में पंजीकृत ट्रेडमार्क मैक्सिट गियर कोटिंग उपलब्ध है; यूके में भी क्रमशः ग्राफिट-आईसी और डायमोन-आईसी पंजीकृत ट्रेडमार्क वाली गियर कोटिंग्स उपलब्ध हैं।

यांत्रिक संचरण के महत्वपूर्ण पुर्जों में से एक होने के नाते, गियर उद्योग में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, इसलिए गियरों में सिरेमिक सामग्रियों के अनुप्रयोग का अध्ययन करना अत्यंत महत्वपूर्ण है। वर्तमान में, गियरों में प्रयुक्त इंजीनियरिंग सिरेमिक मुख्य रूप से निम्नलिखित हैं।

1. टिन-एन कोटिंग परत
1、टिन

आयन कोटिंग TiN सिरेमिक परत सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली सतह संशोधित कोटिंग्स में से एक है, जिसमें उच्च कठोरता, उच्च आसंजन क्षमता, कम घर्षण गुणांक, अच्छा संक्षारण प्रतिरोध आदि गुण होते हैं। इसका उपयोग विभिन्न क्षेत्रों में, विशेष रूप से औजार और मोल्ड उद्योग में व्यापक रूप से किया जाता है। गियर पर सिरेमिक कोटिंग के अनुप्रयोग को प्रभावित करने वाला मुख्य कारण सिरेमिक कोटिंग और सब्सट्रेट के बीच बंधन की समस्या है। चूंकि गियर की कार्य परिस्थितियां और प्रभावित करने वाले कारक औजारों और मोल्डों की तुलना में कहीं अधिक जटिल होते हैं, इसलिए गियर की सतह पर एकल TiN कोटिंग का अनुप्रयोग काफी सीमित है। हालांकि सिरेमिक कोटिंग में उच्च कठोरता, कम घर्षण गुणांक और संक्षारण प्रतिरोध जैसे गुण हैं, लेकिन यह भंगुर होती है और इसकी मोटी परत प्राप्त करना कठिन होता है, इसलिए इसके गुणों को पूरी तरह से प्रदर्शित करने के लिए कोटिंग को सहारा देने हेतु उच्च कठोरता और उच्च शक्ति वाले सब्सट्रेट की आवश्यकता होती है। इसलिए, सिरेमिक कोटिंग का उपयोग मुख्य रूप से कार्बाइड और उच्च गति वाले स्टील की सतह के लिए किया जाता है। गियर की सामग्री सिरेमिक सामग्री की तुलना में नरम होती है, और सब्सट्रेट और कोटिंग की प्रकृति में काफी अंतर होता है, इसलिए कोटिंग और सब्सट्रेट का संयोजन कमजोर होता है। कोटिंग को सहारा देने के लिए पर्याप्त बल नहीं होता, जिससे उपयोग के दौरान कोटिंग आसानी से निकल जाती है। इससे न केवल सिरेमिक कोटिंग के लाभ नहीं मिलते, बल्कि निकलने वाले सिरेमिक कोटिंग के कण गियर पर घर्षण पैदा करते हैं, जिससे गियर का घिसाव तेजी से बढ़ता है। वर्तमान समाधान सिरेमिक और सब्सट्रेट के बीच बंधन को मजबूत करने के लिए मिश्रित सतह उपचार तकनीक का उपयोग करना है। मिश्रित सतह उपचार तकनीक का तात्पर्य भौतिक वाष्प जमाव (PVD) कोटिंग और अन्य सतह उपचार प्रक्रियाओं या कोटिंग्स के संयोजन से है। इसमें दो अलग-अलग सतहों/उप-सतहों का उपयोग करके सब्सट्रेट सामग्री की सतह को संशोधित किया जाता है, जिससे मिश्रित यांत्रिक गुण प्राप्त होते हैं जो किसी एक सतह उपचार प्रक्रिया से प्राप्त नहीं किए जा सकते। आयन नाइट्राइडिंग और PVD द्वारा जमा की गई TiN मिश्रित कोटिंग सबसे अधिक शोधित मिश्रित कोटिंग्स में से एक है। प्लाज्मा नाइट्राइडिंग सब्सट्रेट और TiN सिरेमिक मिश्रित कोटिंग के बीच मजबूत बंधन होता है और घिसाव प्रतिरोध में उल्लेखनीय सुधार होता है।

उत्कृष्ट घिसाव प्रतिरोध और फिल्म बेस बॉन्डिंग के लिए TiN फिल्म परत की इष्टतम मोटाई लगभग 3~4 μm है। यदि फिल्म परत की मोटाई 2 μm से कम है, तो घिसाव प्रतिरोध में उल्लेखनीय सुधार नहीं होगा। यदि फिल्म परत की मोटाई 5 μm से अधिक है, तो फिल्म बेस बॉन्डिंग कम हो जाएगी।

2. बहु-परत, बहु-घटक TiN कोटिंग

TiN कोटिंग्स के क्रमिक और व्यापक अनुप्रयोग के साथ, TiN कोटिंग्स को बेहतर बनाने और बढ़ाने के तरीकों पर अधिकाधिक शोध हो रहे हैं। हाल के वर्षों में, द्विआधारी TiN कोटिंग्स पर आधारित बहु-घटक कोटिंग्स और बहुपरत कोटिंग्स विकसित की गई हैं, जैसे कि Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, आदि। TiN कोटिंग्स में Al और Si जैसे तत्वों को मिलाने से उच्च तापमान ऑक्सीकरण प्रतिरोध और कठोरता में सुधार किया जा सकता है, जबकि B जैसे तत्वों को मिलाने से कोटिंग्स की कठोरता और आसंजन शक्ति में सुधार किया जा सकता है।

बहुघटकीय संरचना की जटिलता के कारण, इस अध्ययन में कई विवाद हैं। (Tix,Cr1-x)N बहुघटकीय कोटिंग्स के अध्ययन में, शोध परिणामों में काफी मतभेद है। कुछ लोगों का मानना ​​है कि (Tix,Cr1-x)N कोटिंग्स TiN पर आधारित हैं, और Cr केवल TiN डॉट मैट्रिक्स में प्रतिस्थापन ठोस विलयन के रूप में मौजूद हो सकता है, न कि एक अलग CrN चरण के रूप में। अन्य अध्ययनों से पता चलता है कि (Tix,Cr1-x)N कोटिंग्स में Ti परमाणुओं को सीधे प्रतिस्थापित करने वाले Cr परमाणुओं की संख्या सीमित है, और शेष Cr एकल अवस्था में मौजूद होता है या N के साथ यौगिक बनाता है। प्रायोगिक परिणाम दर्शाते हैं कि कोटिंग में Cr मिलाने से सतह के कणों का आकार कम हो जाता है और कठोरता बढ़ जाती है, और कोटिंग की कठोरता Cr के द्रव्यमान प्रतिशत 31% तक पहुँचने पर अपने उच्चतम मान पर पहुँच जाती है, लेकिन कोटिंग का आंतरिक तनाव भी अपने अधिकतम मान पर पहुँच जाता है।

3. अन्य कोटिंग परत

आमतौर पर इस्तेमाल होने वाली TiN कोटिंग्स के अलावा, गियर की सतह को मजबूत करने के लिए कई अलग-अलग इंजीनियरिंग सिरेमिक का उपयोग किया जाता है।

(1) जापान के वाई. टेराउची एट अल. ने वाष्प निक्षेपण विधि द्वारा जमा किए गए टाइटेनियम कार्बाइड या टाइटेनियम नाइट्राइड सिरेमिक गियरों के घर्षण प्रतिरोध का अध्ययन किया। कोटिंग से पहले, गियरों को कार्बराइज्ड और पॉलिश किया गया ताकि सतह की कठोरता लगभग HV720 और सतह की खुरदरापन 2.4 μm हो जाए। टाइटेनियम कार्बाइड के लिए सिरेमिक कोटिंग रासायनिक वाष्प निक्षेपण (CVD) और टाइटेनियम नाइट्राइड के लिए भौतिक वाष्प निक्षेपण (PVD) द्वारा तैयार की गई थी, जिसमें सिरेमिक फिल्म की मोटाई लगभग 2 μm थी। घर्षण गुणों का अध्ययन क्रमशः तेल की उपस्थिति और शुष्क घर्षण में किया गया। यह पाया गया कि सिरेमिक कोटिंग के बाद गियर वाइस के गैलिंग प्रतिरोध और खरोंच प्रतिरोध में काफी वृद्धि हुई।

(2) रासायनिक रूप से लेपित Ni-P और TiN की मिश्रित कोटिंग को संक्रमण परत के रूप में Ni-P की पूर्व-लेपित परत लगाकर और फिर TiN को जमा करके तैयार किया गया था। अध्ययन से पता चलता है कि इस मिश्रित कोटिंग की सतह की कठोरता में कुछ हद तक सुधार हुआ है, और कोटिंग सब्सट्रेट के साथ बेहतर ढंग से बंधी हुई है और इसमें बेहतर घिसाव प्रतिरोध है।

(3) डब्ल्यूसी/सी, बी4सी पतली फिल्म
जापान इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के मैकेनिकल इंजीनियरिंग विभाग के एम. मुरकावा और अन्य शोधकर्ताओं ने पीवीडी तकनीक का उपयोग करके गियर की सतह पर WC/C की पतली परत चढ़ाई और तेल-मुक्त स्नेहन स्थितियों में इसकी सेवा अवधि सामान्य रूप से तैयार और पिसे हुए गियर की तुलना में तीन गुना अधिक पाई। फ्रांज जे और अन्य शोधकर्ताओं ने पीवीडी तकनीक का उपयोग करके FEZ-A और FEZ-C गियर की सतह पर WC/C और B4C की पतली परत चढ़ाई और प्रयोग से पता चला कि पीवीडी कोटिंग ने गियर के घर्षण को काफी कम कर दिया, गियर को गर्म ग्लूइंग या ग्लूइंग के प्रति कम संवेदनशील बनाया और गियर की भार वहन क्षमता में सुधार किया।

(4) CrN फ़िल्में
CrN फिल्में TiN फिल्मों के समान होती हैं क्योंकि इनमें कठोरता अधिक होती है, और CrN फिल्में TiN की तुलना में उच्च तापमान ऑक्सीकरण के प्रति अधिक प्रतिरोधी होती हैं, इनमें बेहतर संक्षारण प्रतिरोध, TiN फिल्मों की तुलना में कम आंतरिक तनाव और अपेक्षाकृत बेहतर मजबूती होती है। चेन लिंग एट अल ने HSS की सतह पर उत्कृष्ट फिल्म-आधारित बंधन के साथ एक घिसाव-प्रतिरोधी TiAlCrN/CrN मिश्रित फिल्म तैयार की, और बहुपरत फिल्म के विस्थापन स्टैकिंग सिद्धांत का भी प्रस्ताव दिया। यदि दो परतों के बीच विस्थापन ऊर्जा का अंतर अधिक होता है, तो एक परत में होने वाले विस्थापन के लिए अपनी सीमा रेखा को पार करके दूसरी परत में जाना मुश्किल हो जाता है, इस प्रकार सीमा रेखा पर विस्थापन स्टैकिंग का निर्माण होता है और यह सामग्री को मजबूत करने में भूमिका निभाता है। झोंग बिन एट अल ने CrNx फिल्मों की चरण संरचना और घर्षण गुणों पर नाइट्रोजन सामग्री के प्रभाव का अध्ययन किया, और अध्ययन से पता चला कि फिल्मों में Cr2N (211) विवर्तन शिखर धीरे-धीरे कमजोर होता गया और CrN (220) शिखर नाइट्रोजन की मात्रा में वृद्धि के साथ धीरे-धीरे मजबूत होता गया, फिल्म की सतह पर बड़े कण धीरे-धीरे कम होते गए और सतह समतल होने लगी। जब N2 वातन 25 मिली/मिनट था (लक्ष्य स्रोत चाप धारा 75 ए थी), तो जमा हुई CrN फिल्म की सतह की गुणवत्ता अच्छी थी, कठोरता अच्छी थी और घिसाव प्रतिरोध उत्कृष्ट था।

(5) सुपरहार्ड फिल्म
सुपरहार्ड फिल्म 40 GPa से अधिक कठोरता, उत्कृष्ट घिसाव प्रतिरोध, उच्च तापमान प्रतिरोध, कम घर्षण गुणांक और कम ऊष्मीय विस्तार गुणांक वाली ठोस फिल्म होती है, जो मुख्य रूप से अक्रिस्टलीय हीरा फिल्म और सीएन फिल्म होती है। अक्रिस्टलीय हीरा फिल्मों में अक्रिस्टलीय गुण होते हैं, कोई दीर्घ-श्रेणीबद्ध संरचना नहीं होती है, और इनमें बड़ी संख्या में सीसी चतुष्फलकीय बंध होते हैं, इसलिए इन्हें चतुष्फलकीय अक्रिस्टलीय कार्बन फिल्म भी कहा जाता है। एक प्रकार की अक्रिस्टलीय कार्बन फिल्म के रूप में, हीरा-सदृश कोटिंग (डीएलसी) में हीरे के समान कई उत्कृष्ट गुण होते हैं, जैसे उच्च ऊष्मीय चालकता, उच्च कठोरता, उच्च प्रत्यास्थता मापांक, कम ऊष्मीय विस्तार गुणांक, अच्छी रासायनिक स्थिरता, अच्छा घिसाव प्रतिरोध और कम घर्षण गुणांक। यह दिखाया गया है कि गियर की सतहों पर हीरा-सदृश फिल्मों की कोटिंग से सेवा जीवन को 6 गुना तक बढ़ाया जा सकता है और थकान प्रतिरोध में उल्लेखनीय सुधार किया जा सकता है। सीएन फिल्मों, जिन्हें अक्रिस्टलीय कार्बन-नाइट्रोजन फिल्मों के रूप में भी जाना जाता है, की क्रिस्टलीय संरचना β-Si3N4 सहसंयोजक यौगिकों के समान होती है और इन्हें β-C3N4 के रूप में भी जाना जाता है। लियू और कोहेन एट अल. ने प्रथम-प्रकृति सिद्धांत से स्यूडो-पोटेंशियल बैंड गणनाओं का उपयोग करते हुए कठोर सैद्धांतिक गणनाएँ कीं, जिससे यह पुष्टि हुई कि β-C3N4 में उच्च बंधन ऊर्जा, एक स्थिर यांत्रिक संरचना है, कम से कम एक उप-स्थिर अवस्था मौजूद हो सकती है, और इसका लोचदार मापांक हीरे के बराबर है, जिसमें अच्छे गुण हैं, जो सामग्री की सतह की कठोरता और घिसाव प्रतिरोध को प्रभावी ढंग से सुधार सकते हैं और घर्षण गुणांक को कम कर सकते हैं।

(6) अन्य मिश्र धातु घिसाव-प्रतिरोधी कोटिंग परत
कुछ मिश्रधातुओं के घिसाव-रोधी लेपों को गियरों पर लगाने का भी प्रयास किया गया है। उदाहरण के लिए, 45# स्टील गियरों के दाँतों की सतह पर Ni-P-Co मिश्रधातु की परत चढ़ाने से अति सूक्ष्म दानेदार संरचना प्राप्त होती है, जिससे गियर का जीवनकाल 1.144 से 1.533 गुना तक बढ़ जाता है। Cu-Cr-P मिश्रधातु के ढलवां लोहे के गियरों के दाँतों की सतह पर Cu धातु की परत और Ni-W मिश्रधातु का लेप लगाने से इसकी मजबूती में सुधार होता है। HT250 ढलवां लोहे के गियरों के दाँतों की सतह पर Ni-W और Ni-Co मिश्रधातु का लेप लगाने से बिना लेप वाले गियर की तुलना में घिसाव प्रतिरोध 4 से 6 गुना तक बढ़ जाता है।