Fogaskerék-bevonatolási technológia

A PVD lerakódási technológiát már évek óta alkalmazzák új felületmódosító technológiaként, különösen a vákuumionos bevonatolási technológiát, amely az elmúlt években nagy fejlődésen ment keresztül, és ma már széles körben használják szerszámok, öntőformák, dugattyúgyűrűk, fogaskerekek és egyéb alkatrészek kezelésében. A vákuumionos bevonatolási technológiával előállított bevonatos fogaskerekek jelentősen csökkenthetik a súrlódási együtthatót, javíthatják a kopásállóságot és bizonyos korrózióvédelmet, és a fogaskerék-felület-erősítő technológia területén a kutatás fókuszpontjává és forró pontjává váltak.

A fogaskerekek gyártásához leggyakrabban kovácsolt acél, öntött acél, öntöttvas, színesfémek (réz, alumínium) és műanyagok használhatók. Az acél főként 45-ös acél, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Az alacsony széntartalmú acélt főként 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB és 20CrMnTo anyagokból gyártják. A kovácsolt acélt szélesebb körben használják fogaskerekekben a jobb teljesítménye miatt, míg az öntött acélt általában 400 mm-nél nagyobb átmérőjű és összetett szerkezetű fogaskerekek gyártásához használják. Az öntöttvas fogaskerekek ellenállnak a ragasztásnak és a gödrösödésnek, de nincsenek ütés- és kopásállóságuk, főként stabil munkavégzésre alkalmasak, nem alacsony sebességűek vagy nagy méretűek és összetett alakúak, kenés nélkül is működhetnek, és nyitott sebességváltókhoz alkalmasak. A gyakran használt színesfémek az ónbronz, az alumínium-vasbronz és az öntvényalumínium ötvözet, amelyeket általában turbinák vagy fogaskerekek gyártásához használnak, de a siklási és súrlódási tulajdonságok gyengeek, csak könnyű, közepes terhelésű és alacsony sebességű fogaskerekeknél. A nemfémes anyagú fogaskerekeket főként olyan speciális követelményeket támasztó területeken használják, mint az olajmentes kenés és a nagy megbízhatóság. Alacsony szennyezésű körülmények között, például háztartási gépek, orvosi berendezések, élelmiszeripari gépek és textilipari gépek esetében.

Fogaskerék bevonó anyagok

A műszaki kerámiaanyagok rendkívül ígéretes anyagok, nagy szilárdsággal és keménységgel, különösen kiváló hőállósággal, alacsony hővezető képességgel és hőtágulással, magas kopásállósággal és oxidációs ellenállással. Számos tanulmány kimutatta, hogy a kerámiaanyagok természetüknél fogva hőállóak és alacsony a fémek kopása. Ezért a kerámiaanyagok használata a fémanyagok helyett kopásálló alkatrészekhez javíthatja a súrlódó alátét élettartamát, megfelelhet a magas hőmérsékletű és nagy kopásállóságú anyagoknak, a multifunkcionális és egyéb szigorú követelményeknek. Jelenleg a műszaki kerámiaanyagokat motorok hőálló alkatrészeinek gyártásában, mechanikus sebességváltók kopóalkatrészeiben, vegyipari berendezések korrózióálló alkatrészeiben és tömítőalkatrészeiben használják, egyre szélesebb körű alkalmazási lehetőségeket mutatva a kerámiaanyagok kilátásaira.

A fejlett országok, mint például Németország, Japán, az Egyesült Államok, az Egyesült Királyság és más országok nagy jelentőséget tulajdonítanak a mérnöki kerámiaanyagok fejlesztésének és alkalmazásának, sok pénzt és munkaerőt fektetve a mérnöki kerámia feldolgozási elméletének és technológiájának fejlesztésébe. Németország elindított egy „SFB442” nevű programot, amelynek célja PVD technológia alkalmazása egy megfelelő filmréteg szintézise az alkatrészek felületén, amely helyettesítheti a környezetre és az emberi szervezetre potenciálisan káros kenőközeget. A PW Gold és mások Németországban az SFB442 finanszírozását PVD technológia alkalmazásával vékony filmrétegek létrehozására használták fel a gördülőcsapágyak felületén, és azt találták, hogy a gördülőcsapágyak kopásgátló teljesítménye jelentősen javult, és a felületre lerakódott filmek teljes mértékben helyettesíthették a nagynyomású kopásgátló adalékok funkcióját. Joachim, Franz és munkatársai Németországban PVD technológiát alkalmaztak WC/C filmek előállítására, amelyek kiváló fáradásgátló tulajdonságokkal rendelkeznek, magasabbak, mint az EP adalékokat tartalmazó kenőanyagoké, ami hasonlóképpen lehetőséget ad a káros adalékanyagok bevonatokkal való helyettesítésére. E. Lugscheider és munkatársai, az Aacheni Műszaki Egyetem Anyagtudományi Intézetének munkatársai a DFG (Német Kutatási Bizottság) finanszírozásával jelentős növekedést mutattak ki a fáradásállóságban, miután megfelelő filmeket vittek fel 100Cr6 acélra PVD technológiával. Ezenkívül az Egyesült Államok General Motorsa megkezdte... A VolvoS80Turbo típusú autókban egy felületleválasztó fóliát használnak a kifáradásos gödrösödéssel szembeni ellenállás javítására; a híres Timken cég bevezette az ES200 hajtómű-felületvédő fólia nevet; Németországban megjelent a MAXIT bejegyzett védjegyű hajtóműbevonat; a Graphit-iC és Dymon-iC bejegyzett védjegyekkel ellátott hajtóműbevonatok az Egyesült Királyságban is kaphatók.

A mechanikus erőátvitel fontos alkatrészeiként a fogaskerekek fontos szerepet játszanak az iparban, ezért nagyon fontos gyakorlati jelentőséggel bír a kerámia anyagok fogaskerekeken való alkalmazásának tanulmányozása. Jelenleg a fogaskerekekhez főként a következő műszaki kerámiákat alkalmazzák.

1. TiN bevonatréteg
1. TiN

Ionbevonat A TiN kerámia réteg az egyik legszélesebb körben használt felületmódosított bevonat, nagy keménységgel, nagy tapadási szilárdsággal, alacsony súrlódási együtthatóval, jó korrózióállósággal stb. Széles körben alkalmazzák különböző területeken, különösen a szerszám- és formagyártásban. A fogaskerekek kerámia bevonatának alkalmazását befolyásoló fő ok a kerámia bevonat és az aljzat közötti kötési probléma. Mivel a fogaskerekek munkakörülményei és befolyásoló tényezői sokkal bonyolultabbak, mint a szerszámok és formák esetében, egyetlen TiN bevonat felvitele a fogaskerekek felületkezelésére nagymértékben korlátozott. Bár a kerámia bevonat előnyei a nagy keménység, az alacsony súrlódási együttható és a korrózióállóság, törékeny, és nehéz vastagabb bevonatot előállítani, ezért nagy keménységű és nagy szilárdságú aljzatra van szükség a bevonat alátámasztásához, hogy tulajdonságai érvényesülhessenek. Ezért a kerámia bevonatot főként keményfém és gyorsacél felületeken használják. A fogaskerék anyaga lágyabb a kerámia anyaghoz képest, és az aljzat és a bevonat jellege közötti különbség nagy, így a bevonat és az aljzat kombinációja gyenge, és a bevonat nem elég a bevonat megtartásához, így a bevonat könnyen leválhat használat közben. Ez nemcsak hogy nem tudja kihasználni a kerámia bevonat előnyeit, de a leváló kerámia bevonat részecskék kopást okoznak a fogaskeréken, felgyorsítva a fogaskerék kopását. A jelenlegi megoldás a kompozit felületkezelési technológia alkalmazása a kerámia és az aljzat közötti kötés javítására. A kompozit felületkezelési technológia a fizikai gőzfázisú leválasztásos bevonatolás és más felületkezelési eljárások vagy bevonatok kombinációját jelenti, két különálló felület/alfelület használatával módosítva az aljzatanyag felületét, olyan kompozit mechanikai tulajdonságokat elérve, amelyeket egyetlen felületkezelési eljárással nem lehet elérni. Az ionnitridálással és PVD-vel lerakódott TiN kompozit bevonat az egyik leggyakrabban kutatott kompozit bevonat. A plazmanitridáló aljzat és a TiN kerámia kompozit bevonat erős kötéssel rendelkezik, és a kopásállóság jelentősen javul.

A kiváló kopásállóságú és alapkötésű TiN filmréteg optimális vastagsága körülbelül 3~4 μm. Ha a filmréteg vastagsága kisebb, mint 2 μm, a kopásállóság nem javul jelentősen. Ha a filmréteg vastagsága nagyobb, mint 5 μm, a filmalapkötés csökken.

2. Többrétegű, többkomponensű TiN bevonat

A TiN bevonatok fokozatos és széles körű elterjedésével egyre több kutatás foglalkozik a TiN bevonatok fejlesztésével és fokozásával. Az elmúlt években bináris TiN bevonatok alapján többkomponensű és többrétegű bevonatokat fejlesztettek ki, mint például a Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 stb. Az olyan elemek, mint az Al és a Si hozzáadásával a TiN bevonatokhoz javítható a bevonatok magas hőmérsékletű oxidációval szembeni ellenállása és keménysége, míg olyan elemek, mint a B, javíthatják a bevonatok keménységét és tapadási szilárdságát.

A többkomponensű összetétel összetettsége miatt számos ellentmondás van ebben a tanulmányban. A (Tix,Cr1-x)N többkomponensű bevonatok vizsgálatakor nagy ellentmondások figyelhetők meg a kutatási eredményekben. Egyesek úgy vélik, hogy a (Tix,Cr1-x)N bevonatok TiN-alapúak, és a Cr csak szilárd oldat formájában létezhet a TiN pontmátrixban, és nem különálló CrN fázisként. Más tanulmányok azt mutatják, hogy a (Tix,Cr1-x)N bevonatokban a Ti-atomokat közvetlenül helyettesítő Cr-atomok száma korlátozott, és a fennmaradó Cr szingulett állapotban van, vagy vegyületeket képez a N-nel. A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a Cr hozzáadása a bevonathoz csökkenti a felületi részecskeméretet és növeli a keménységet, a bevonat keménysége pedig akkor éri el a legmagasabb értékét, amikor a Cr tömegszázaléka eléri a 3l%-ot, de a bevonat belső feszültsége is eléri a maximális értékét.

3. Egyéb bevonóréteg

Az általánosan használt TiN bevonatok mellett számos különböző műszaki kerámiát használnak a fogaskerék-felületek megerősítésére.

(1) Y. Terauchi és munkatársai Japánban vizsgálták a gőzleválasztásos eljárással előállított titán-karbid vagy titán-nitrid kerámia fogaskerekek súrlódási kopással szembeni ellenállását. A fogaskerekeket a bevonás előtt körülbelül HV720 felületi keménység eléréséig karbonizálták és polírozták, a kerámia bevonatokat pedig kémiai gőzleválasztással (CVD) titán-karbid, illetve fizikai gőzleválasztással (PVD) titán-nitrid esetén készítették el, körülbelül 2 μm kerámia filmvastagsággal. A súrlódási kopási tulajdonságokat olaj, illetve száraz súrlódás jelenlétében vizsgálták. Megállapították, hogy a fogaskerék-satu berágási ellenállása és karcállósága jelentősen javult a kerámiával való bevonás után.

(2) Kémiailag bevont Ni-P és TiN kompozit bevonatot készítettek úgy, hogy Ni-P-t előzetesen átmeneti rétegként vontak be, majd TiN-t vittek fel rá. A tanulmány kimutatta, hogy ennek a kompozit bevonatnak a felületi keménysége bizonyos mértékig javult, a bevonat jobban kötődik az aljzathoz, és jobb kopásállósággal rendelkezik.

(3) WC/C, B4C vékonyréteg
M. Murakawa és munkatársai, a Japán Műszaki Intézet Gépészmérnöki Tanszékének munkatársai PVD technológiát alkalmaztak WC/C vékonyréteg felvitelére fogaskerekek felületére, amelynek élettartama háromszorosa volt a hagyományos edzett és köszörült fogaskerekek élettartamának olajmentes kenési körülmények között. Franz J és munkatársai PVD technológiát alkalmaztak WC/C és B4C vékonyréteg felvitelére FEZ-A és FEZ-C fogaskerekek felületére, és a kísérlet kimutatta, hogy a PVD bevonat jelentősen csökkentette a fogaskerekek súrlódását, kevésbé tette érzékenysé a fogaskereket a forró ragasztásra vagy ragasztásra, és javította a fogaskerék teherbírását.

(4) CrN-fóliák
A CrN-fóliák hasonlóak a TiN-fóliákhoz abban az értelemben, hogy nagyobb keménységgel rendelkeznek, és jobban ellenállnak a magas hőmérsékletű oxidációnak, mint a TiN, jobb korrózióállósággal, alacsonyabb belső feszültséggel rendelkeznek, mint a TiN-fóliák, és viszonylag jobb szívóssággal rendelkeznek. Chen Ling és munkatársai egy kopásálló TiAlCrN/CrN kompozit fóliát készítettek, amely kiváló fólia alapú kötéssel rendelkezik a HSS felületén, és felvetették a többrétegű fólia diszlokáció-halmozási elméletét is, miszerint ha a diszlokációs energiakülönbség két réteg között nagy, az egyik rétegben bekövetkező diszlokáció nehezen tud átjutni a határfelületén a másik rétegbe, így diszlokáció-halmozás alakul ki a határfelületen, és az anyag erősítésében játszik szerepet. Zhong Bin és munkatársai a nitrogéntartalom hatását vizsgálták a CrNx-fóliák fázisszerkezetére és súrlódási kopási tulajdonságaira, és a tanulmány kimutatta, hogy a fóliákban a Cr2N (211) diffrakciós csúcs fokozatosan gyengült, a CrN (220) csúcs pedig fokozatosan erősödött az N2-tartalom növekedésével, a fólia felületén lévő nagy részecskék fokozatosan csökkentek, és a felület általában lapos lett. Amikor az N2 levegőztetés 25 ml/perc volt (a célforrás ívárama 75 A), a lerakódott CrN film jó felületi minőséggel, jó keménységgel és kiváló kopásállósággal rendelkezett 25 ml/perc N2 levegőztetés esetén (a célforrás ívárama 75 A, a negatív nyomás 100 V).

(5) Szuperkemény film
A szuperkemény film egy 40 GPa-nál nagyobb keménységű, kiváló kopásállósággal, magas hőmérséklettel szembeni ellenállással, alacsony súrlódási együtthatóval és alacsony hőtágulási együtthatóval rendelkező szilárd film, főként amorf gyémántfilm és CN film. Az amorf gyémántfilmek amorf tulajdonságokkal rendelkeznek, nincs hosszú távú rendezett szerkezetük, és nagyszámú CC tetraéderes kötést tartalmaznak, ezért tetraéderes amorf szénfilmeknek is nevezik őket. Az amorf szénfilm egyik fajtájaként a gyémántszerű bevonat (DLC) számos kiváló, a gyémánthoz hasonló tulajdonsággal rendelkezik, mint például a magas hővezető képesség, nagy keménység, nagy rugalmassági modulus, alacsony hőtágulási együttható, jó kémiai stabilitás, jó kopásállóság és alacsony súrlódási együttható. Kimutatták, hogy a gyémántszerű filmek fogaskerék-felületekre történő bevonása 6-szorosára növelheti az élettartamot, és jelentősen javíthatja a fáradási ellenállást. A CN filmek, más néven amorf szén-nitrogén filmek, kristályszerkezetük hasonló a β-Si3N4 kovalens vegyületekéhez, és β-C3N4 néven is ismertek. Liu és Cohen et al. szigorú elméleti számításokat végzett a természet első elvéből adódó pszeudopotenciálsáv-számítások segítségével, és megerősítette, hogy a β-C3N4 nagy kötési energiával, stabil mechanikai szerkezettel rendelkezik, legalább egy szubstabil állapot létezhet, rugalmassági modulusa pedig a gyémántéhoz hasonló, jó tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek hatékonyan javítják az anyag felületi keménységét és kopásállóságát, valamint csökkentik a súrlódási együtthatót.

(6) Egyéb ötvözetből készült kopásálló bevonatréteg
Néhány ötvözetből készült kopásálló bevonatot is megpróbáltak már fogaskerekekre felvinni, például a 45#-os acél fogaskerekek fogfelületére felvitt Ni-P-Co ötvözetréteg ultrafinom szemcsés szerveződést eredményez, ami akár 1,144~1,533-szorosára is meghosszabbíthatja az élettartamot. Azt is tanulmányozták, hogy a Cu-Cr-P ötvözetű öntöttvas fogaskerekek fogfelületére Cu fémréteget és Ni-W ötvözetbevonatot vittek fel a szilárdság javítása érdekében; a HT250 öntöttvas fogaskerekek fogfelületére Ni-W és Ni-Co ötvözetbevonatot vittek fel, hogy a kopásállóságot 4-6-szorosára javítsák a bevonat nélküli fogaskerekekhez képest.