Teknologi pelapisan roda gigi

Teknologi pengendapan PVD telah dipraktikkan selama bertahun-tahun sebagai teknologi modifikasi permukaan baru, khususnya teknologi pelapisan ion vakum, yang telah memperoleh perkembangan pesat dalam beberapa tahun terakhir dan kini digunakan secara luas dalam perawatan peralatan, cetakan, ring piston, roda gigi, dan komponen lainnya. Roda gigi berlapis yang disiapkan dengan teknologi pelapisan ion vakum dapat secara signifikan mengurangi koefisien gesekan, meningkatkan anti-aus dan anti-korosi tertentu, dan telah menjadi fokus dan titik fokus penelitian di bidang teknologi penguatan permukaan roda gigi.

Bahan-bahan umum yang digunakan untuk roda gigi terutama baja tempa, baja tuang, besi tuang, logam non-ferrous (tembaga, aluminium) dan plastik. Baja terutama baja 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Baja karbon rendah terutama digunakan dalam 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Baja tempa lebih banyak digunakan dalam roda gigi karena kinerjanya yang lebih baik, sementara baja tuang biasanya digunakan untuk memproduksi roda gigi dengan diameter > 400mm dan struktur yang kompleks. Roda gigi besi tuang anti-lem dan ketahanan terhadap keropos, tetapi kurangnya ketahanan terhadap benturan dan keausan, terutama untuk pekerjaan yang stabil, daya bukan kecepatan rendah atau ukuran besar dan bentuk yang kompleks, dapat bekerja di bawah kondisi kurangnya pelumasan, cocok untuk transmisi terbuka. Logam non-ferrous yang umum digunakan adalah perunggu timah, perunggu aluminium-besi, dan paduan aluminium cor, yang umum digunakan dalam pembuatan turbin atau roda gigi, tetapi sifat geser dan anti-gesekannya buruk, hanya untuk roda gigi beban ringan, sedang, dan kecepatan rendah. Roda gigi material non-logam terutama digunakan di beberapa bidang dengan persyaratan khusus, seperti pelumasan bebas oli dan keandalan tinggi. Bidang kondisi seperti polusi rendah, seperti peralatan rumah tangga, peralatan medis, mesin makanan, dan mesin tekstil.

Bahan pelapis roda gigi

Material keramik rekayasa merupakan material yang sangat menjanjikan dengan kekuatan dan kekerasan tinggi, terutama ketahanan panas yang sangat baik, konduktivitas termal dan ekspansi termal yang rendah, ketahanan aus yang tinggi dan ketahanan oksidasi. Sejumlah besar penelitian telah menunjukkan bahwa material keramik secara inheren tahan panas dan memiliki keausan yang rendah pada logam. Oleh karena itu, penggunaan material keramik sebagai pengganti material logam untuk komponen tahan aus dapat meningkatkan masa pakai sub gesek, dapat memenuhi beberapa material suhu tinggi dan ketahanan aus yang tinggi, multifungsi dan persyaratan sulit lainnya. Saat ini, material keramik rekayasa telah digunakan dalam pembuatan komponen tahan panas mesin, transmisi mekanis pada komponen aus, peralatan kimia pada komponen tahan korosi dan komponen penyegel, semakin menunjukkan prospek aplikasi material keramik yang luas.

Negara-negara maju seperti Jerman, Jepang, Amerika Serikat, Inggris dan negara-negara lain sangat mementingkan pengembangan dan penerapan material keramik rekayasa, menginvestasikan banyak uang dan tenaga untuk mengembangkan teori pemrosesan dan teknologi keramik rekayasa. Jerman telah meluncurkan program yang disebut “SFB442″, yang tujuannya adalah untuk menggunakan teknologi PVD guna mensintesis lapisan tipis pada permukaan komponen untuk menggantikan media pelumas yang berpotensi membahayakan lingkungan dan tubuh manusia. PW Gold dan yang lainnya di Jerman menggunakan pendanaan dari SFB442 untuk menerapkan teknologi PVD guna melapisi lapisan tipis pada permukaan bantalan gelinding dan menemukan bahwa kinerja anti-aus bantalan gelinding meningkat secara signifikan dan lapisan tipis yang dilapisi pada permukaan dapat sepenuhnya menggantikan fungsi aditif anti-aus tekanan ekstrem. Joachim, Franz dkk. di Jerman menggunakan teknologi PVD untuk menyiapkan lapisan WC/C yang menunjukkan sifat anti-kelelahan yang sangat baik, lebih tinggi daripada pelumas yang mengandung aditif EP, hasil yang juga menghasilkan kemungkinan untuk mengganti aditif berbahaya dengan pelapis. E. Lugscheider dkk. dari Institut Ilmu Material, Universitas Teknik Aachen, Jerman, dengan pendanaan dari DFG (Komisi Riset Jerman), menunjukkan peningkatan signifikan dalam ketahanan terhadap kelelahan setelah melapisi lapisan yang sesuai pada baja 100Cr6 menggunakan Teknologi PVD. Selain itu, General Motors Amerika Serikat telah memulai pelapisan permukaan roda gigi pada mobil jenis VolvoS80Turbo untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi akibat kelelahan; perusahaan Timken yang terkenal telah meluncurkan pelapisan permukaan roda gigi ES200; merek dagang terdaftar pelapis roda gigi MAXIT telah muncul di Jerman; merek dagang terdaftar Graphit-iC dan Dymon-iC. Pelapis roda gigi dengan merek dagang terdaftar Graphit-iC dan Dymon-iC juga tersedia di Inggris.

Sebagai suku cadang penting dari transmisi mekanis, roda gigi memegang peranan penting dalam industri, sehingga sangat penting untuk mempelajari penerapan material keramik pada roda gigi. Saat ini, keramik rekayasa yang diterapkan pada roda gigi terutama adalah sebagai berikut.

1、Lapisan pelapisan TiN
1.TiN

Lapisan ion Lapisan keramik TiN adalah salah satu lapisan modifikasi permukaan yang paling banyak digunakan dengan kekerasan tinggi, kekuatan rekat tinggi, koefisien gesekan rendah, ketahanan korosi yang baik, dll. Telah banyak digunakan di berbagai bidang, terutama dalam industri alat dan cetakan. Alasan utama yang mempengaruhi penerapan lapisan keramik pada roda gigi adalah masalah ikatan antara lapisan keramik dan substrat. Karena kondisi kerja dan faktor-faktor yang mempengaruhi roda gigi jauh lebih rumit daripada alat dan cetakan, penerapan lapisan TiN tunggal pada perawatan permukaan roda gigi sangat dibatasi. Meskipun lapisan keramik memiliki keunggulan kekerasan tinggi, koefisien gesekan rendah dan ketahanan korosi, lapisan ini getas dan sulit untuk mendapatkan lapisan yang lebih tebal, sehingga diperlukan substrat dengan kekerasan tinggi dan kekuatan tinggi untuk mendukung lapisan agar dapat memainkan karakteristiknya. Oleh karena itu, lapisan keramik sebagian besar digunakan untuk permukaan karbida dan baja kecepatan tinggi. Bahan roda gigi lebih lunak dibandingkan dengan bahan keramik, dan perbedaan antara sifat substrat dan lapisan sangat besar, sehingga kombinasi lapisan dan substrat buruk, dan lapisan tidak cukup untuk mendukung lapisan, membuat lapisan mudah jatuh dalam proses penggunaan, tidak hanya tidak dapat memainkan keuntungan dari lapisan keramik, tetapi partikel lapisan keramik yang jatuh akan menyebabkan keausan abrasif pada roda gigi, mempercepat hilangnya keausan roda gigi. Solusi saat ini adalah menggunakan teknologi perawatan permukaan komposit untuk meningkatkan ikatan antara keramik dan substrat. Teknologi perawatan permukaan komposit mengacu pada kombinasi pelapisan deposisi uap fisik dan proses perawatan permukaan atau pelapisan lainnya, menggunakan dua permukaan/subpermukaan terpisah untuk memodifikasi permukaan bahan substrat untuk mendapatkan sifat mekanis komposit yang tidak dapat dicapai dengan proses perawatan permukaan tunggal. Pelapisan komposit TiN yang diendapkan dengan ion nitriding dan PVD adalah salah satu pelapis komposit yang paling banyak diteliti. Substrat nitriding plasma dan pelapis komposit keramik TiN memiliki ikatan yang kuat dan ketahanan aus meningkat secara signifikan.

Ketebalan lapisan film TiN yang optimal dengan ketahanan aus dan ikatan dasar film yang sangat baik adalah sekitar 3~4μm. Jika ketebalan lapisan film kurang dari 2μm, ketahanan aus tidak akan meningkat secara signifikan. Jika ketebalan lapisan film lebih dari 5μm, ikatan dasar film akan berkurang.

2、Pelapisan TiN multi-lapis, multi-komponen

Dengan penerapan lapisan TiN secara bertahap dan meluas, semakin banyak penelitian tentang cara meningkatkan dan menyempurnakan lapisan TiN. Dalam beberapa tahun terakhir, lapisan multikomponen dan lapisan multilapis telah dikembangkan berdasarkan lapisan TiN biner, seperti Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, dll. Dengan menambahkan unsur-unsur seperti Al dan Si ke lapisan TiN, ketahanan terhadap oksidasi suhu tinggi dan kekerasan lapisan dapat ditingkatkan, sementara menambahkan unsur-unsur seperti B dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan rekat lapisan.

Karena kompleksitas komposisi multikomponen, ada banyak kontroversi dalam penelitian ini. Dalam studi pelapis multikomponen (Tix, Cr1-x) N, ada kontroversi besar dalam hasil penelitian. Beberapa orang percaya bahwa pelapis (Tix, Cr1-x) N didasarkan pada TiN, dan Cr hanya dapat ada dalam bentuk larutan padat pengganti dalam matriks titik TiN, tetapi tidak sebagai fase CrN yang terpisah. Penelitian lain menunjukkan bahwa jumlah atom Cr yang secara langsung menggantikan atom Ti dalam pelapis (Tix, Cr1-x) N terbatas, dan Cr yang tersisa ada dalam keadaan singlet atau membentuk senyawa dengan N. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa penambahan Cr ke lapisan mengurangi ukuran partikel permukaan dan meningkatkan kekerasan, dan kekerasan lapisan mencapai nilai tertingginya ketika persentase massa Cr mencapai 3l%, tetapi tegangan internal lapisan juga mencapai nilai maksimumnya.

3、Lapisan pelapis lainnya

Selain pelapis TiN yang umum digunakan, banyak keramik rekayasa yang berbeda digunakan untuk penguatan permukaan roda gigi.

(1)Y. Terauchi dkk. dari Jepang mempelajari ketahanan terhadap keausan gesekan roda gigi keramik titanium karbida atau titanium nitrida yang diendapkan dengan metode pengendapan uap. Roda gigi dikarburisasi dan dipoles untuk mencapai kekerasan permukaan sekitar HV720 dan kekasaran permukaan 2,4 μm sebelum pelapisan, dan pelapis keramik disiapkan dengan pengendapan uap kimia (CVD) untuk titanium karbida dan dengan pengendapan uap fisik (PVD) untuk titanium nitrida, dengan ketebalan film keramik sekitar 2 μm. Sifat keausan gesekan diselidiki dengan adanya minyak dan gesekan kering, masing-masing. Ditemukan bahwa ketahanan terhadap lecet dan ketahanan terhadap goresan dari ragum roda gigi meningkat secara substansial setelah pelapisan dengan keramik.

(2) Pelapisan komposit Ni-P dan TiN yang dilapisi secara kimia disiapkan dengan melapisi Ni-P terlebih dahulu sebagai lapisan transisi dan kemudian melapisi TiN. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kekerasan permukaan pelapis komposit ini telah ditingkatkan sampai batas tertentu, dan pelapis tersebut terikat lebih baik dengan substrat dan memiliki ketahanan aus yang lebih baik.

(3) WC/C, film tipis B4C
M. Murakawa dkk., Departemen Teknik Mesin, Institut Teknologi Jepang, menggunakan teknologi PVD untuk melapisi lapisan tipis WC/C pada permukaan roda gigi, dan masa pakainya tiga kali lebih lama dari roda gigi yang dipadamkan dan digiling biasa dalam kondisi pelumasan bebas oli. Franz J dkk. menggunakan teknologi PVD untuk melapisi lapisan tipis WC/C dan B4C pada permukaan roda gigi FEZ-A dan FEZ-C, dan percobaan menunjukkan bahwa lapisan PVD secara signifikan mengurangi gesekan roda gigi, membuat roda gigi tidak mudah mengalami perekatan panas atau perekatan, dan meningkatkan kapasitas menahan beban roda gigi.

(4) Film CrN
Film CrN mirip dengan film TiN karena memiliki kekerasan yang lebih tinggi, dan film CrN lebih tahan terhadap oksidasi suhu tinggi daripada TiN, memiliki ketahanan korosi yang lebih baik, tegangan internal yang lebih rendah daripada film TiN, dan ketangguhan yang relatif lebih baik. Chen Ling et menyiapkan film komposit TiAlCrN/CrN tahan aus dengan ikatan berbasis film yang sangat baik pada permukaan HSS, dan juga mengusulkan teori penumpukan dislokasi film multilapis, jika perbedaan energi dislokasi antara dua lapisan besar, dislokasi yang terjadi pada satu lapisan akan sulit untuk melewati antarmukanya ke lapisan lainnya, sehingga membentuk penumpukan dislokasi di antarmuka dan memainkan peran memperkuat material. Zhong Bin et mempelajari pengaruh kandungan nitrogen pada struktur fase dan sifat keausan gesekan film CrNx, dan penelitian menunjukkan bahwa puncak difraksi Cr2N (211) dalam film secara bertahap melemah dan puncak CrN (220) secara bertahap meningkat dengan peningkatan kandungan N2, partikel besar pada permukaan film secara bertahap berkurang dan permukaan cenderung datar. Bila aerasi N2 adalah 25 ml/menit (arus busur sumber target adalah 75 A, film CrN yang diendapkan memiliki kualitas permukaan yang baik, kekerasan yang baik, dan ketahanan aus yang sangat baik bila aerasi N2 adalah 25 ml/menit (arus busur sumber target adalah 75 A, tekanan negatif adalah 100 V).

(5) Film superkeras
Film superkeras adalah film padat dengan kekerasan lebih dari 40GPa, ketahanan aus yang sangat baik, ketahanan suhu tinggi dan koefisien gesekan rendah serta koefisien ekspansi termal rendah, terutama film berlian amorf dan film CN. Film berlian amorf memiliki sifat amorf, tidak memiliki struktur teratur jarak jauh, dan mengandung sejumlah besar ikatan tetrahedral CC, sehingga disebut juga film karbon amorf tetrahedral. Sebagai jenis film karbon amorf, lapisan seperti berlian (DLC) memiliki banyak sifat luar biasa yang mirip dengan berlian, seperti konduktivitas termal tinggi, kekerasan tinggi, modulus elastisitas tinggi, koefisien ekspansi termal rendah, stabilitas kimia yang baik, ketahanan aus yang baik, dan koefisien gesekan rendah. Telah ditunjukkan bahwa pelapisan film seperti berlian pada permukaan roda gigi dapat memperpanjang masa pakai hingga 6 kali lipat dan secara signifikan meningkatkan ketahanan lelah. Film CN, juga dikenal sebagai film karbon-nitrogen amorf, memiliki struktur kristal yang mirip dengan senyawa kovalen β-Si3N4 dan juga dikenal sebagai β-C3N4. Liu dan Cohen dkk. melakukan perhitungan teoritis yang ketat menggunakan perhitungan pita pseudopotensial dari prinsip alam pertama, mengonfirmasi bahwa β-C3N4 memiliki energi ikat yang besar, struktur mekanik yang stabil, setidaknya satu keadaan sub-stabil dapat ada, dan modulus elastisitasnya sebanding dengan berlian, dengan sifat yang baik, yang secara efektif dapat meningkatkan kekerasan permukaan dan ketahanan aus material dan mengurangi koefisien gesekan.

(6) Lapisan pelapis tahan aus paduan lainnya
Beberapa pelapis tahan aus paduan juga telah dicoba untuk diaplikasikan pada roda gigi, misalnya, pengendapan lapisan paduan Ni-P-Co pada permukaan gigi roda gigi baja 45# merupakan lapisan paduan untuk memperoleh susunan butiran yang sangat halus, yang dapat memperpanjang masa pakai hingga 1,144~1,533 kali. Telah dipelajari pula bahwa lapisan logam Cu dan pelapis paduan Ni-W diaplikasikan pada permukaan gigi roda gigi besi cor paduan Cu-Cr-P untuk meningkatkan kekuatannya; pelapis paduan Ni-W dan Ni-Co diaplikasikan pada permukaan gigi roda gigi besi cor HT250 untuk meningkatkan ketahanan aus hingga 4~6 kali dibandingkan dengan roda gigi yang tidak dilapisi.