Առջևի ծածկույթի տեխնոլոգիա

PVD նստեցման տեխնոլոգիան տարիներ շարունակ կիրառվել է որպես մակերևույթի փոփոխման նոր տեխնոլոգիա, մասնավորապես՝ վակուումային իոնային ծածկույթի տեխնոլոգիա, որը վերջին տարիներին մեծ զարգացում է ապրել և այժմ լայնորեն կիրառվում է գործիքների, կաղապարների, մխոցային օղակների, ատամնանիվների և այլ բաղադրիչների մշակման մեջ: Վակուումային իոնային ծածկույթի տեխնոլոգիայով պատրաստված ծածկույթով ատամնանիվները կարող են զգալիորեն նվազեցնել շփման գործակիցը, բարելավել մաշվածության և որոշակի հակակոռոզիոն դիմադրությունը, և դարձել են ատամնանիվների մակերեսի ամրացման տեխնոլոգիայի ոլորտում հետազոտությունների կիզակետ և թեժ կետ:

Ատամնաշարերի համար օգտագործվող տարածված նյութերը հիմնականում կռած պողպատն է, ձուլած պողպատը, ձուլածո երկաթը, գունավոր մետաղները (պղինձ, ալյումին) և պլաստմասսաները: Պողպատը հիմնականում 45 պողպատ է, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl: Ցածր ածխածնային պողպատը հիմնականում օգտագործվում է 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo: Կռածո պողպատն ավելի լայնորեն օգտագործվում է ատամնանիվների մեջ՝ իր ավելի լավ կատարողականության շնորհիվ, մինչդեռ ձուլածո պողպատը սովորաբար օգտագործվում է 400 մմ-ից ավելի տրամագծով և բարդ կառուցվածքով ատամնանիվներ արտադրելու համար: Ձուլածո ատամնանիվները դիմացկուն են սոսնձման և փոսերի նկատմամբ, բայց չունեն հարվածային և մաշվածության դիմադրություն, հիմնականում ապահովում են կայուն աշխատանք, հզորություն, ցածր արագություն կամ մեծ չափսեր և բարդ ձև, կարող են աշխատել քսանյութի բացակայության պայմաններում, հարմար են բաց փոխանցման տուփի համար: Գունավոր մետաղներից ամենատարածվածն են անագե բրոնզը, ալյումին-երկաթե բրոնզը և ձուլածո ալյումինե համաձուլվածքները, որոնք լայնորեն օգտագործվում են տուրբինների կամ ատամնանիվների արտադրության մեջ, սակայն սահող և հակաշփման հատկությունները վատն են, միայն թեթև, միջին բեռնվածության և ցածր արագության ատամնանիվների համար։ Ոչ մետաղական նյութական ատամնանիվները հիմնականում օգտագործվում են որոշակի հատուկ պահանջներով ոլորտներում, ինչպիսիք են յուղազերծ քսումը և բարձր հուսալիությունը։ Ցածր աղտոտվածության պայմաններում, ինչպիսիք են կենցաղային տեխնիկան, բժշկական սարքավորումները, սննդի մեքենաները և տեքստիլ մեքենաները։

Առջևի ծածկույթի նյութեր

Ինժեներական կերամիկական նյութերը չափազանց խոստումնալից նյութեր են՝ բարձր ամրությամբ և կարծրությամբ, մասնավորապես՝ գերազանց ջերմակայունությամբ, ցածր ջերմահաղորդականությամբ և ջերմային ընդարձակմամբ, բարձր մաշվածության դիմադրությամբ և օքսիդացման դիմադրությամբ: Մեծ թվով ուսումնասիրություններ ցույց են տվել, որ կերամիկական նյութերը բնույթով ջերմակայուն են և ունեն մետաղների վրա ցածր մաշվածություն: Հետևաբար, մաշվածության դիմացկուն մասերի համար մետաղական նյութերի փոխարեն կերամիկական նյութերի օգտագործումը կարող է բարելավել շփման ենթակառուցվածքի կյանքը, կարող է բավարարել որոշ բարձր ջերմաստիճանային և բարձր մաշվածության դիմացկուն նյութեր, բազմաֆունկցիոնալ և այլ կոշտ պահանջներ: Ներկայումս ինժեներական կերամիկական նյութերն օգտագործվում են շարժիչի ջերմակայուն մասերի, մաշվածության դիմացկուն մասերի, կոռոզիային դիմացկուն մասերի քիմիական սարքավորումների և կնքման մասերի արտադրության մեջ, ինչը ցույց է տալիս կերամիկական նյութերի լայն կիրառման հեռանկարները:

Զարգացած երկրները, ինչպիսիք են Գերմանիան, Ճապոնիան, ԱՄՆ-ն, Մեծ Բրիտանիան և այլ երկրներ, մեծ նշանակություն են տալիս ինժեներական կերամիկական նյութերի մշակմանը և կիրառմանը, ներդնելով մեծ գումարներ և աշխատուժ ինժեներական կերամիկայի մշակման տեսության և տեխնոլոգիայի մշակման համար։ Գերմանիան մեկնարկել է «SFB442» անվամբ ծրագիր, որի նպատակն է օգտագործել PVD տեխնոլոգիան՝ մասերի մակերեսին համապատասխան թաղանթ սինթեզելու համար՝ փոխարինելով շրջակա միջավայրի և մարդու մարմնի համար պոտենցիալ վնասակար քսանյութը: PW Gold-ը և այլք Գերմանիայում օգտագործել են SFB442-ի ֆինանսավորումը՝ PVD տեխնոլոգիան կիրառելու համար՝ գլանաձև կրողների մակերեսին բարակ թաղանթներ տեղադրելու համար, և պարզել են, որ գլանաձև կրողների մաշվածության դեմ պայքարը զգալիորեն բարելավվել է, և մակերեսին նստեցված թաղանթները կարող են ամբողջությամբ փոխարինել ծայրահեղ ճնշման մաշվածության դեմ հավելանյութերի գործառույթը: Յոախիմը, Ֆրանցը և այլք Գերմանիայում օգտագործել են PVD տեխնոլոգիան՝ WC/C թաղանթներ պատրաստելու համար, որոնք ցուցաբերում են գերազանց հոգնածության դեմ պայքարի հատկություններ, որոնք ավելի բարձր են, քան EP հավելանյութեր պարունակող քսանյութերի հատկությունները, ինչը նմանապես հնարավորություն է տալիս վնասակար հավելանյութերը փոխարինել ծածկույթներով: Գերմանիայի Աախենի տեխնիկական համալսարանի նյութագիտության ինստիտուտի Է. Լուգշայդերը և այլք՝ DFG-ի (Գերմանական հետազոտական ​​հանձնաժողով) ֆինանսավորմամբ, ցույց են տվել հոգնածության դիմադրության զգալի աճ՝ 100Cr6 պողպատի վրա համապատասխան թաղանթներ PVD տեխնոլոգիայի միջոցով տեղադրելուց հետո: Բացի այդ, Միացյալ Նահանգների General Motors-ը սկսել է իր... VolvoS80Turbo տիպի ավտոմեքենայի փոխանցման տուփի մակերեսային նստեցման թաղանթ՝ հոգնածության նկատմամբ փոսային դիմադրությունը բարելավելու համար։ Հայտնի Timken ընկերությունը թողարկել է ES200 փոխանցման տուփի մակերեսային թաղանթ անվանումը։ MAXIT գրանցված ապրանքանիշը հայտնվել է Գերմանիայում։ Գրանցված ապրանքանիշեր՝ Graphit-iC և Dymon-iC։ Գրանցված ապրանքանիշերով փոխանցման տուփի ծածկույթները համապատասխանաբար հասանելի են նաև Մեծ Բրիտանիայում։

Որպես մեխանիկական փոխանցման տուփի կարևոր պահեստամասեր, ատամնանիվները կարևոր դեր են խաղում արդյունաբերության մեջ, ուստի շատ կարևոր գործնական նշանակություն ունի կերամիկական նյութերի կիրառման ուսումնասիրությունը ատամնանիվների վրա: Ներկայումս ատամնանիվների վրա կիրառվող ինժեներական կերամիկան հիմնականում հետևյալն է:

1, TiN ծածկույթի շերտ
1, TiN

Իոնային ծածկույթ TiN կերամիկական շերտը ամենատարածված մակերեսային մոդիֆիկացված ծածկույթներից մեկն է՝ բարձր կարծրությամբ, բարձր կպչունության ամրությամբ, ցածր շփման գործակցով, լավ կոռոզիոն դիմադրությամբ և այլն: Այն լայնորեն կիրառվել է տարբեր ոլորտներում, մասնավորապես՝ գործիքների և ձուլվածքների արդյունաբերության մեջ: Ատամնաշարի վրա կերամիկական ծածկույթի կիրառման հիմնական պատճառը կերամիկական ծածկույթի և հիմքի միջև կպչունության խնդիրն է: Քանի որ ատամնանիվների աշխատանքային պայմանները և ազդող գործոնները շատ ավելի բարդ են, քան գործիքների և ձուլվածքների դեպքում, ատամնանիվների մակերեսային մշակման վրա մեկ TiN ծածկույթի կիրառումը մեծապես սահմանափակված է: Չնայած կերամիկական ծածկույթն ունի բարձր կարծրության, ցածր շփման գործակցի և կոռոզիոն դիմադրության առավելությունները, այն փխրուն է և դժվար է ստանալ ավելի հաստ ծածկույթ, ուստի այն պահանջում է բարձր կարծրության և բարձր ամրության հիմք՝ ծածկույթը պահելու և դրա բնութագրերը ցուցադրելու համար: Հետևաբար, կերամիկական ծածկույթը հիմնականում օգտագործվում է կարբիդային և արագագործ պողպատե մակերեսների համար: Ատամնաշարի նյութը կերամիկական նյութի համեմատ փափուկ է, և հիմքի և ծածկույթի բնույթի միջև տարբերությունը մեծ է, ուստի ծածկույթի և հիմքի համադրությունը վատն է, և ծածկույթը բավարար չէ ծածկույթը պահելու համար, ինչը հեշտացնում է ծածկույթի թափվելը օգտագործման ընթացքում, ոչ միայն չի կարող օգտագործել կերամիկական ծածկույթի առավելությունները, այլև թափվող կերամիկական ծածկույթի մասնիկները կարող են առաջացնել ատամնանիվի վրա հղկող մաշվածություն, արագացնելով ատամնանիվի մաշվածության կորուստը: Ներկայիս լուծումը կոմպոզիտային մակերեսային մշակման տեխնոլոգիայի օգտագործումն է՝ կերամիկայի և հիմքի միջև կապը բարելավելու համար: Կոմպոզիտային մակերեսային մշակման տեխնոլոգիան վերաբերում է ֆիզիկական գոլորշու նստեցման ծածկույթի և այլ մակերեսային մշակման գործընթացների կամ ծածկույթների համադրությանը, որն օգտագործում է երկու առանձին մակերեսներ/ենթամակերեսներ՝ հիմքի նյութի մակերեսը փոփոխելու համար՝ կոմպոզիտային մեխանիկական հատկություններ ստանալու համար, որոնք հնարավոր չէ ձեռք բերել մեկ մակերեսային մշակման գործընթացով: Իոնային նիտրացման և PVD-ի միջոցով նստեցված TiN կոմպոզիտային ծածկույթը ամենաշատ ուսումնասիրված կոմպոզիտային ծածկույթներից մեկն է: Պլազմային նիտրացման հիմքը և TiN կերամիկական կոմպոզիտային ծածկույթը ունեն ամուր կապ, և մաշվածության դիմադրությունը զգալիորեն բարելավվում է:

TiN թաղանթային շերտի օպտիմալ հաստությունը՝ գերազանց մաշվածության դիմադրությամբ և թաղանթային հիմքի կպչունությամբ, մոտ 3~4 մկմ է: Եթե թաղանթային շերտի հաստությունը 2 մկմ-ից պակաս է, մաշվածության դիմադրությունը զգալիորեն չի բարելավվի: Եթե թաղանթային շերտի հաստությունը 5 մկմ-ից ավելի է, թաղանթային հիմքի կպչունությունը կնվազի:

2, բազմաշերտ, բազմաբաղադրիչ TiN ծածկույթ

TiN ծածկույթների աստիճանական և լայն տարածման հետ մեկտեղ, ավելի ու ավելի շատ հետազոտություններ են կատարվում TiN ծածկույթների բարելավման և կատարելագործման վերաբերյալ: Վերջին տարիներին մշակվել են բազմաբաղադրիչ և բազմաշերտ ծածկույթներ՝ հիմնված երկուական TiN ծածկույթների վրա, ինչպիսիք են՝ Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 և այլն: TiN ծածկույթներին Al և Si նման տարրեր ավելացնելով՝ կարելի է բարելավել ծածկույթների բարձր ջերմաստիճանային օքսիդացման դիմադրությունը և կարծրությունը, մինչդեռ B-ի նման տարրերի ավելացումը կարող է բարելավել ծածկույթների կարծրությունը և կպչունության ուժը:

Բազմաբաղադրիչ կազմի բարդության պատճառով այս ուսումնասիրության մեջ կան բազմաթիվ հակասություններ: (Tix,Cr1-x)N բազմաբաղադրիչ ծածկույթների ուսումնասիրության մեջ հետազոտության արդյունքները մեծ հակասություն են առաջացնում: Որոշ մարդիկ կարծում են, որ (Tix,Cr1-x)N ծածկույթները հիմնված են TiN-ի վրա, և Cr-ը կարող է գոյություն ունենալ միայն TiN կետային մատրիցում փոխարինող պինդ լուծույթի տեսքով, բայց ոչ որպես առանձին CrN փուլ: Այլ ուսումնասիրություններ ցույց են տալիս, որ (Tix,Cr1-x)N ծածկույթներում Ti ատոմներին անմիջապես փոխարինող Cr ատոմների քանակը սահմանափակ է, և մնացած Cr-ը գոյություն ունի սինգլետային վիճակում կամ միացություններ է առաջացնում N-ի հետ: Փորձարարական արդյունքները ցույց են տալիս, որ ծածկույթին Cr-ի ավելացումը նվազեցնում է մակերեսային մասնիկների չափը և մեծացնում կարծրությունը, իսկ ծածկույթի կարծրությունը հասնում է իր ամենաբարձր արժեքին, երբ Cr-ի զանգվածային տոկոսը հասնում է 31%-ի, բայց ծածկույթի ներքին լարումը նույնպես հասնում է իր առավելագույն արժեքին:

3, այլ ծածկույթի շերտ

Բացի լայնորեն օգտագործվող TiN ծածկույթներից, ատամնանիվների մակերեսի ամրացման համար օգտագործվում են բազմաթիվ տարբեր ինժեներական կերամիկաներ:

(1) Ճապոնիայից Յ. Տերաուչին և այլք ուսումնասիրել են տիտանի կարբիդի կամ տիտանի նիտրիդի կերամիկական ատամնանիվների գոլորշու նստեցման մեթոդով նստեցված շփման մաշվածության դիմադրությունը: Ատամնանիվները կարբուրացվել և հղկվել են՝ մոտ HV720 մակերեսային կարծրություն և 2.4 մկմ մակերեսային կոպտություն ստանալու համար՝ ծածկույթից առաջ, և կերամիկական ծածկույթները պատրաստվել են տիտանի կարբիդի համար քիմիական գոլորշու նստեցման (CVD) և տիտանի նիտրիդի համար ֆիզիկական գոլորշու նստեցման (PVD) միջոցով՝ մոտ 2 մկմ կերամիկական թաղանթի հաստությամբ: Շփման մաշվածության հատկությունները ուսումնասիրվել են համապատասխանաբար յուղի և չոր շփման առկայության դեպքում: Պարզվել է, որ ատամնանիվային մեխանիվի քայքայման դիմադրությունը և քերծման դիմադրությունը զգալիորեն բարելավվել են կերամիկայով ծածկույթելուց հետո:

(2) Քիմիապես պատված Ni-P և TiN կոմպոզիտային ծածկույթը պատրաստվել է Ni-P-ն որպես անցումային շերտ նախապես պատելով, ապա TiN նստեցնելով։ Ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ այս կոմպոզիտային ծածկույթի մակերեսային կարծրությունը որոշակիորեն բարելավվել է, և ծածկույթն ավելի լավ է կպչում հիմքին և ունի ավելի լավ մաշվածության դիմադրություն։

(3) WC/C, B4C բարակ թաղանթ
Ճապոնիայի տեխնոլոգիական ինստիտուտի մեխանիկական ճարտարագիտության ամբիոնի Մ. Մուրակավան և այլք օգտագործել են PVD տեխնոլոգիան՝ WC/C բարակ թաղանթ ատամնանիվների մակերեսին նստեցնելու համար, և դրա ծառայության ժամկետը յուղ չպարունակող յուղման պայմաններում երեք անգամ գերազանցել է սովորական հանգցված և հղկված ատամնանիվներինը: Ֆրանց Ջ.-ն և այլք օգտագործել են PVD տեխնոլոգիան՝ FEZ-A և FEZ-C ատամնանիվների մակերեսին WC/C և B4C բարակ թաղանթ նստեցնելու համար, և փորձը ցույց է տվել, որ PVD ծածկույթը զգալիորեն նվազեցրել է ատամնանիվների շփումը, ատամնանիվը դարձրել է ավելի քիչ զգայուն տաք սոսնձման կամ սոսնձման նկատմամբ և բարելավել է ատամնանիվների բեռնունակությունը:

(4) CrN թաղանթներ
CrN թաղանթները նման են TiN թաղանթներին նրանով, որ ունեն ավելի բարձր կարծրություն, և CrN թաղանթները TiN-ից ավելի դիմացկուն են բարձր ջերմաստիճանային օքսիդացման նկատմամբ, ունեն ավելի լավ կոռոզիոն դիմադրություն, TiN թաղանթներից ցածր ներքին լարվածություն և համեմատաբար ավելի լավ ամրություն: Չեն Լինգը և նրա գործընկերները պատրաստել են մաշվածությանը դիմացկուն TiAlCrN/CrN կոմպոզիտային թաղանթ՝ HSS-ի մակերեսին գերազանց թաղանթային կապով, ինչպես նաև առաջարկել են բազմաշերտ թաղանթի դիսլոկացիայի կուտակման տեսությունը, ըստ որի՝ եթե երկու շերտերի միջև դիսլոկացիայի էներգիայի տարբերությունը մեծ է, մեկ շերտում տեղի ունեցող դիսլոկացիան դժվար կլինի անցնել իր միջերեսը մյուս շերտի մեջ, այդպիսով ձևավորելով դիսլոկացիայի կուտակում միջերեսում և խաղալով նյութի ամրացման դերը: Չժոնգ Բինը և նրա գործընկերները ուսումնասիրել են ազոտի պարունակության ազդեցությունը CrNx թաղանթների փուլային կառուցվածքի և շփման մաշվածության հատկությունների վրա, և ուսումնասիրությունը ցույց է տվել, որ թաղանթներում Cr2N (211) դիֆրակցիոն գագաթնակետը աստիճանաբար թուլանում է, իսկ CrN (220) գագաթնակետը՝ աստիճանաբար ուժեղանում N2 պարունակության աճին զուգընթաց, թաղանթի մակերեսին գտնվող խոշոր մասնիկները աստիճանաբար նվազում են, և մակերեսը հակված է հարթ լինելու: Երբ N2 աերացիան 25 մլ/րոպե էր (նպատակային աղբյուրի աղեղային հոսանքը 75 Ա էր), նստեցված CrN թաղանթը ուներ լավ մակերևույթի որակ, լավ կարծրություն և գերազանց մաշվածության դիմադրություն, երբ N2 աերացիան 25 մլ/րոպե էր (նպատակային աղբյուրի աղեղային հոսանքը 75 Ա էր, բացասական ճնշումը՝ 100 Վ)։

(5) Գերկարծր թաղանթ
Գերկարծր թաղանթը պինդ թաղանթ է՝ 40 ԳՊա-ից բարձր կարծրությամբ, գերազանց մաշվածության դիմադրությամբ, բարձր ջերմաստիճանային դիմադրությամբ, ցածր շփման գործակցով և ցածր ջերմային ընդարձակման գործակցով, հիմնականում ամորֆ ադամանդե թաղանթ և CN թաղանթ։ Ամորֆ ադամանդե թաղանթներն ունեն ամորֆ հատկություններ, չունեն երկարատև կարգավորված կառուցվածք և պարունակում են մեծ քանակությամբ CC քառանիստ կապեր, ուստի դրանք կոչվում են նաև քառանիստ ամորֆ ածխածնային թաղանթներ։ Որպես ամորֆ ածխածնային թաղանթի տեսակ, ադամանդանման ծածկույթը (DLC) ունի ադամանդին նման բազմաթիվ գերազանց հատկություններ, ինչպիսիք են բարձր ջերմահաղորդականությունը, բարձր կարծրությունը, բարձր առաձգականության մոդուլը, ջերմային ընդարձակման ցածր գործակիցը, լավ քիմիական կայունությունը, լավ մաշվածության դիմադրողականությունը և ցածր շփման գործակիցը։ Ապացուցված է, որ ադամանդանման թաղանթների ատամնանիվների մակերեսներին ծածկույթը կարող է երկարացնել ծառայության ժամկետը 6 անգամ և զգալիորեն բարելավել հոգնածության դիմադրությունը։ CN թաղանթները, որոնք հայտնի են նաև որպես ամորֆ ածխածին-ազոտային թաղանթներ, ունեն β-Si3N4 կովալենտ միացություններին նման բյուրեղային կառուցվածք և հայտնի են նաև որպես β-C3N4։ Լյու և Քոհեն և այլք։ Կատարվել են խիստ տեսական հաշվարկներ՝ օգտագործելով առաջին բնույթի սկզբունքից կեղծպոտենցիալ գոտիների հաշվարկներ, որոնք հաստատել են, որ β-C3N4-ը ունի մեծ կապի էներգիա, կայուն մեխանիկական կառուցվածք, կարող է գոյություն ունենալ առնվազն մեկ ենթակայուն վիճակ, և դրա առաձգականության մոդուլը համեմատելի է ադամանդի հետ՝ լավ հատկություններով, որոնք կարող են արդյունավետորեն բարելավել նյութի մակերեսային կարծրությունը և մաշվածության դիմադրությունը, ինչպես նաև նվազեցնել շփման գործակիցը։

(6) Այլ համաձուլվածքային մաշվածության դիմացկուն ծածկույթի շերտ
Որոշ համաձուլվածքային մաշվածության դիմացկուն ծածկույթներ նույնպես փորձվել են կիրառել ատամնանիվների վրա, օրինակ՝ Ni-P-Co համաձուլվածքի շերտը 45# պողպատե ատամնանիվների ատամնային մակերեսին նստեցնելով՝ համաձուլվածքային շերտ է ստեղծվում՝ գերնուրբ հատիկավոր կառուցվածք ստանալու համար, որը կարող է երկարացնել ծառայության ժամկետը մինչև 1.144~1.533 անգամ: Ուսումնասիրվել է նաև, որ Cu-Cr-P համաձուլվածքային թուջե ատամնանիվների ատամնային մակերեսին կիրառվում է Cu մետաղական շերտ և Ni-W համաձուլվածքի ծածկույթ՝ դրա ամրությունը բարելավելու համար. Ni-W և Ni-Co համաձուլվածքի ծածկույթը կիրառվում է HT250 թուջե ատամնանիվների ատամնային մակերեսին՝ մաշվածության դիմադրությունը 4~6 անգամ բարելավելու համար՝ համեմատած չծածկված ատամնանիվների հետ: