Tehnologija PVD nanošenja već se dugi niz godina primjenjuje kao nova tehnologija modifikacije površine, posebno tehnologija vakuumskog ionskog premazivanja, koja je posljednjih godina doživjela veliki razvoj i sada se široko koristi u obradi alata, kalupa, klipnih prstenova, zupčanika i drugih komponenti. Zupčanici s premazom pripremljeni tehnologijom vakuumskog ionskog premazivanja mogu značajno smanjiti koeficijent trenja, poboljšati otpornost na habanje i određenu otpornost na koroziju te su postali žarište i žarište istraživanja u području tehnologije jačanja površine zupčanika.
Uobičajeni materijali koji se koriste za zupčanike su uglavnom kovani čelik, lijevani čelik, lijevano željezo, obojeni metali (bakar, aluminij) i plastika. Čelik je uglavnom 45 čelik, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Niskougljični čelik se uglavnom koristi u 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Kovani čelik se šire koristi u zupčanicima zbog svojih boljih performansi, dok se lijevani čelik obično koristi za izradu zupčanika promjera > 400 mm i složene strukture. Zupčanici od lijevanog željeza otporni su na lijepljenje i koroziju, ali im nedostaje otpornosti na udarce i habanje, uglavnom zbog stabilnog rada, snage, a ne male brzine ili velike veličine i složenog oblika, mogu raditi pod uvjetima nedostatka podmazivanja, prikladni za otvorene prijenose. Neželjezni metali koji se obično koriste su kositrena bronca, aluminijsko-željezna bronca i lijevane aluminijske legure, obično se koriste u proizvodnji turbina ili zupčanika, ali klizna i antifrikcijska svojstva su loša, samo za lagana, srednja opterećenja i niskobrzinske zupčanike. Zupčanici od nemetalnih materijala uglavnom se koriste u nekim područjima s posebnim zahtjevima, kao što su podmazivanje bez ulja i visoka pouzdanost. Područje uvjeta kao što je nisko onečišćenje, poput kućanskih aparata, medicinske opreme, strojeva za hranu i tekstilnih strojeva.
Materijali za premazivanje zupčanika
Inženjerski keramički materijali izuzetno su obećavajući materijali s visokom čvrstoćom i tvrdoćom, posebno izvrsnom otpornošću na toplinu, niskom toplinskom vodljivošću i toplinskim širenjem, visokom otpornošću na habanje i otpornošću na oksidaciju. Veliki broj studija pokazao je da su keramički materijali inherentno otporni na toplinu i imaju malo habanje metala. Stoga, upotreba keramičkih materijala umjesto metalnih materijala za dijelove otporne na habanje može poboljšati vijek trajanja tarnog podmetača, može zadovoljiti neke od visokotemperaturnih i visokootpornih materijala, višenamjenskih i drugih strogih zahtjeva. Trenutno se inženjerski keramički materijali koriste u proizvodnji dijelova motora otpornih na toplinu, habajućih dijelova mehaničkih prijenosa, dijelova kemijske opreme otpornih na koroziju i brtvenih dijelova, što sve više pokazuje široku primjenu keramičkih materijala.
Razvijene zemlje poput Njemačke, Japana, Sjedinjenih Američkih Država, Ujedinjenog Kraljevstva i drugih zemalja pridaju veliku važnost razvoju i primjeni inženjerskih keramičkih materijala, ulažući mnogo novca i radne snage u razvoj teorije i tehnologije obrade inženjerske keramike. Njemačka je pokrenula program pod nazivom „SFB442“, čija je svrha korištenje PVD tehnologije za sintezu prikladnog filma na površini dijelova kako bi se zamijenilo potencijalno štetno mazivo za okoliš i ljudsko tijelo. PW Gold i drugi u Njemačkoj koristili su financiranje iz SFB442 za primjenu PVD tehnologije za nanošenje tankih filmova na površinu kotrljajućih ležajeva i otkrili su da su performanse protiv trošenja kotrljajućih ležajeva značajno poboljšane, a filmovi naneseni na površinu mogu u potpunosti zamijeniti funkciju aditiva protiv trošenja pod ekstremnim tlakom. Joachim, Franz i suradnici u Njemačkoj koristili su PVD tehnologiju za pripremu WC/C filmova koji pokazuju izvrsna svojstva protiv umora, viša od onih maziva koja sadrže EP aditive, rezultat koji slično daje mogućnost zamjene štetnih aditiva premazima. E. Lugscheider i suradnici iz Instituta za znanost o materijalima Tehničkog sveučilišta u Aachenu u Njemačkoj, uz financiranje DFG-a (Njemačke istraživačke komisije), pokazali su značajno povećanje otpornosti na umor nakon nanošenja odgovarajućih filmova na čelik 100Cr6 korištenjem PVD tehnologije. Osim toga, američki General Motors započeo je u svom Film za nanošenje na površinu zupčanika automobila tipa VolvoS80Turbo za poboljšanje otpornosti na koroziju uzrokovanu zamorom; poznata tvrtka Timken lansirala je film za površinu zupčanika pod nazivom ES200; registrirani zaštitni znak MAXIT premaz za zupčanike pojavio se u Njemačkoj; registrirani zaštitni znakovi Graphit-iC i Dymon-iC. Premazi za zupčanike s registriranim zaštitnim znakovima Graphit-iC i Dymon-iC dostupni su i u Velikoj Britaniji.
Kao važni rezervni dijelovi mehaničkog mjenjača, zupčanici igraju važnu ulogu u industriji, stoga je od vrlo važnog praktičnog značaja proučavati primjenu keramičkih materijala na zupčanicima. Trenutno se inženjerska keramika koja se primjenjuje na zupčanike uglavnom primjenjuje u sljedećem.
1, sloj TiN premaza
1, TiN
Ionski premaz TiN keramički sloj jedan je od najčešće korištenih površinski modificiranih premaza s visokom tvrdoćom, visokom čvrstoćom prianjanja, niskim koeficijentom trenja, dobrom otpornošću na koroziju itd. Široko se koristi u raznim područjima, posebno u industriji alata i kalupa. Glavni razlog koji utječe na primjenu keramičkog premaza na zupčanicima je problem vezivanja između keramičkog premaza i podloge. Budući da su radni uvjeti i utjecajni čimbenici zupčanika daleko složeniji od onih kod alata i kalupa, primjena jednog TiN premaza na površinsku obradu zupčanika uvelike je ograničena. Iako keramički premaz ima prednosti visoke tvrdoće, niskog koeficijenta trenja i otpornosti na koroziju, on je krhak i teško je dobiti deblji premaz, pa mu je potrebna podloga visoke tvrdoće i visoke čvrstoće kako bi podupro premaz kako bi se ostvarile njegove karakteristike. Stoga se keramički premaz uglavnom koristi za površine karbidnih i brzoreznih čelika. Materijal zupčanika je mekan u usporedbi s keramičkim materijalom, a razlika između prirode podloge i premaza je velika, pa je kombinacija premaza i podloge loša, a premaz nije dovoljan da podupire premaz, što premaz lako otpada tijekom upotrebe, ne samo da ne može iskoristiti prednosti keramičkog premaza, već će čestice keramičkog premaza koje otpadaju uzrokovati abrazivno trošenje zupčanika, ubrzavajući gubitak trošenja zupčanika. Trenutno rješenje je korištenje tehnologije obrade kompozitne površine za poboljšanje veze između keramike i podloge. Tehnologija obrade kompozitne površine odnosi se na kombinaciju fizičkog taloženja parom i drugih procesa obrade površine ili premaza, korištenjem dvije odvojene površine/podpovršine za modificiranje površine materijala podloge kako bi se dobila kompozitna mehanička svojstva koja se ne mogu postići jednim postupkom obrade površine. TiN kompozitni premaz nanesen ionskim nitriranjem i PVD-om jedan je od najistraženijih kompozitnih premaza. Podloga plazma nitrirana i TiN keramički kompozitni premaz imaju jaku vezu, a otpornost na habanje je značajno poboljšana.
Optimalna debljina sloja TiN filma s izvrsnom otpornošću na habanje i lijepljenjem s bazom filma je oko 3~4 μm. Ako je debljina sloja filma manja od 2 μm, otpornost na habanje neće se značajno poboljšati. Ako je debljina sloja filma veća od 5 μm, lijepljenje s bazom filma će se smanjiti.
2. Višeslojni, višekomponentni TiN premaz
S postupnom i široko rasprostranjenom primjenom TiN premaza, sve je više istraživanja o tome kako poboljšati i unaprijediti TiN premaze. Posljednjih godina razvijeni su višekomponentni premazi i višeslojni premazi na bazi binarnih TiN premaza, kao što su Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 itd. Dodavanjem elemenata poput Al i Si u TiN premaze može se poboljšati otpornost na oksidaciju na visokim temperaturama i tvrdoća premaza, dok dodavanje elemenata poput B može poboljšati tvrdoću i čvrstoću prianjanja premaza.
Zbog složenosti višekomponentnog sastava, u ovoj studiji postoje mnoge kontroverze. U studiji višekomponentnih premaza (Tix,Cr1-x)N, postoji velika kontroverza u rezultatima istraživanja. Neki ljudi vjeruju da su premazi (Tix,Cr1-x)N bazirani na TiN, a Cr može postojati samo u obliku zamjenske krute otopine u TiN točkastoj matrici, ali ne kao zasebna CrN faza. Druge studije pokazuju da je broj atoma Cr koji izravno zamjenjuju atome Ti u premazima (Tix,Cr1-x)N ograničen, a preostali Cr postoji u singletnom stanju ili tvori spojeve s N. Eksperimentalni rezultati pokazuju da dodatak Cr premazu smanjuje veličinu površinskih čestica i povećava tvrdoću, a tvrdoća premaza doseže svoju najveću vrijednost kada maseni postotak Cr dosegne 31%, ali unutarnje naprezanje premaza također doseže svoju maksimalnu vrijednost.
3, Drugi sloj premaza
Uz uobičajeno korištene TiN premaze, za ojačanje površine zupčanika koristi se mnogo različitih inženjerskih keramičkih materijala.
(1) Y. Terauchi i suradnici iz Japana proučavali su otpornost na habanje trenjem keramičkih zupčanika od titanijevog karbida ili titanijevog nitrida nanesenih metodom naparavanja. Zupčanici su cementirani i polirani kako bi se postigla površinska tvrdoća od oko HV720 i hrapavost površine od 2,4 μm prije nanošenja premaza, a keramički premazi su pripremljeni kemijskim naparavanjem (CVD) za titanijev karbid i fizičkim naparavanjem (PVD) za titanijev nitrid, s debljinom keramičkog filma od oko 2 μm. Svojstva habanja trenjem istraživana su u prisutnosti ulja odnosno suhog trenja. Utvrđeno je da su otpornost na habanje i otpornost na ogrebotine zupčanika znatno poboljšane nakon nanošenja premaza keramikom.
(2) Kompozitni premaz od kemijski obloženog Ni-P i TiN pripremljen je prethodnim nanošenjem Ni-P kao prijelaznog sloja, a zatim nanošenjem TiN. Studija pokazuje da je površinska tvrdoća ovog kompozitnog premaza do određene mjere poboljšana, te da je premaz bolje vezan za podlogu i ima bolju otpornost na habanje.
(3) WC/C, B4C tanki film
M. Murakawa i suradnici, Odjel za strojarstvo, Japanski tehnološki institut, koristili su PVD tehnologiju za nanošenje tankog filma WC/C na površinu zupčanika, a njegov vijek trajanja bio je tri puta veći od vijeka trajanja običnih kaljenih i brušenih zupčanika u uvjetima podmazivanja bez ulja. Franz J i suradnici koristili su PVD tehnologiju za nanošenje tankog filma WC/C i B4C na površinu zupčanika FEZ-A i FEZ-C, a eksperiment je pokazao da PVD premaz značajno smanjuje trenje zupčanika, čini zupčanik manje osjetljivim na vruće lijepljenje ili lijepljenje te poboljšava nosivost zupčanika.
(4) CrN filmovi
CrN filmovi su slični TiN filmovima po tome što imaju veću tvrdoću, a CrN filmovi su otporniji na oksidaciju na visokim temperaturama od TiN-a, imaju bolju otpornost na koroziju, niže unutarnje naprezanje od TiN filmova i relativno bolju žilavost. Chen Ling i suradnici su pripremili kompozitni film TiAlCrN/CrN otporan na habanje s izvrsnim vezivanjem na površini HSS-a, a također su predložili teoriju slaganja dislokacija višeslojnog filma. Ako je razlika u energiji dislokacija između dva sloja velika, dislokacija koja se javlja u jednom sloju teško će prijeći svoju površinu u drugi sloj, čime se formira slaganje dislokacija na površini i igra ulogu jačanja materijala. Zhong Bin i suradnici su proučavali utjecaj sadržaja dušika na faznu strukturu i svojstva trenja CrNx filmova, a studija je pokazala da difrakcijski vrh Cr2N (211) u filmovima postupno slabi, a vrh CrN (220) postupno se pojačava s povećanjem sadržaja N2, velike čestice na površini filma postupno se smanjuju, a površina teži da bude ravna. Kada je aeracija N2 bila 25 ml/min (struja luka ciljanog izvora bila je 75 A), deponirani CrN film ima dobru kvalitetu površine, dobru tvrdoću i izvrsnu otpornost na habanje kada je aeracija N2 bila 25 ml/min (struja luka ciljanog izvora je 75 A, negativni tlak je 100 V).
(5) Supertvrdi film
Supertvrdi film je čvrsti film s tvrdoćom većom od 40GPa, izvrsnom otpornošću na habanje, otpornošću na visoke temperature, niskim koeficijentom trenja i niskim koeficijentom toplinskog širenja, uglavnom amorfni dijamantni film i CN film. Amorfni dijamantni filmovi imaju amorfna svojstva, nemaju uređenu strukturu dugog dometa i sadrže veliki broj CC tetraedarskih veza, pa se nazivaju i tetraedarskim amorfnim ugljičnim filmovima. Kao vrsta amorfnog ugljičnog filma, dijamantni premaz (DLC) ima mnoga izvrsna svojstva slična dijamantu, kao što su visoka toplinska vodljivost, visoka tvrdoća, visoki modul elastičnosti, nizak koeficijent toplinskog širenja, dobra kemijska stabilnost, dobra otpornost na habanje i nizak koeficijent trenja. Pokazalo se da nanošenje dijamantnih filmova na površine zupčanika može produžiti vijek trajanja za faktor 6 i značajno poboljšati otpornost na umor. CN filmovi, poznati i kao amorfni ugljik-dušikovi filmovi, imaju kristalnu strukturu sličnu onoj kovalentnih spojeva β-Si3N4 i poznati su i kao β-C3N4. Liu i Cohen i sur. provedeni su rigorozni teorijski izračuni koristeći izračune pseudopotencijalne vrpce iz principa prve prirode, potvrdili su da β-C3N4 ima veliku energiju vezanja, stabilnu mehaničku strukturu, može postojati barem jedno substabilno stanje, a njegov modul elastičnosti usporediv je s dijamantom, s dobrim svojstvima, što može učinkovito poboljšati površinsku tvrdoću i otpornost materijala na habanje te smanjiti koeficijent trenja.
(6) Sloj premaza otpornog na habanje od drugih legura
Neki premazi otporni na habanje od legura također su pokušani primijeniti na zupčanike, na primjer, nanošenje sloja legure Ni-P-Co na površinu zuba zupčanika od čelika 45# je sloj legure za postizanje ultra fine organizacije zrna, što može produžiti vijek trajanja do 1,144~1,533 puta. Također je proučavano da se sloj metala Cu i premaz legure Ni-W nanose na površinu zuba zupčanika od legure Cu-Cr-P kako bi se poboljšala njegova čvrstoća; premaz legure Ni-W i Ni-Co nanose se na površinu zuba zupčanika od lijevanog željeza HT250 kako bi se poboljšala otpornost na habanje za 4~6 puta u usporedbi s zupčanikom bez premaza.
Vrijeme objave: 07.11.2022.