Teknologi pelapisan roda gigi

Teknologi deposisi PVD telah dipraktikkan selama bertahun-tahun sebagai teknologi modifikasi permukaan baru, terutama teknologi pelapisan ion vakum, yang telah mengalami perkembangan pesat dalam beberapa tahun terakhir dan kini banyak digunakan dalam pengolahan perkakas, cetakan, ring piston, roda gigi, dan komponen lainnya. Roda gigi yang dilapisi dengan teknologi pelapisan ion vakum dapat secara signifikan mengurangi koefisien gesekan, meningkatkan ketahanan aus dan ketahanan korosi tertentu, dan telah menjadi fokus dan titik panas penelitian di bidang teknologi penguatan permukaan roda gigi.

Bahan umum yang digunakan untuk roda gigi terutama adalah baja tempa, baja cor, besi cor, logam non-ferrous (tembaga, aluminium) dan plastik. Baja terutama berupa baja 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Baja karbon rendah terutama digunakan pada 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Baja tempa lebih banyak digunakan dalam roda gigi karena kinerjanya yang lebih baik, sedangkan baja cor biasanya digunakan untuk pembuatan roda gigi dengan diameter > 400mm dan struktur yang kompleks. Roda gigi besi cor tahan terhadap lem dan korosi, tetapi kurang tahan terhadap benturan dan keausan, terutama untuk kerja yang stabil, daya tidak rendah, kecepatan rendah atau ukuran besar dan bentuk yang kompleks, dapat bekerja dalam kondisi tanpa pelumasan, cocok untuk transmisi terbuka. Logam non-ferrous yang umum digunakan adalah perunggu timah, perunggu aluminium-besi, dan paduan aluminium cor, yang umumnya digunakan dalam pembuatan turbin atau roda gigi, tetapi sifat gesekan 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 tanpa oli dan keandalan tinggi. Bidang-bidang dengan kondisi seperti polusi rendah, seperti peralatan rumah tangga, peralatan medis, mesin makanan, dan mesin tekstil.

Bahan pelapis roda gigi

Material keramik teknik 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 rendah pada logam. Oleh karena itu, penggunaan material keramik sebagai pengganti material logam untuk komponen tahan aus dapat meningkatkan umur pakai komponen gesekan, dapat memenuhi beberapa persyaratan material tahan suhu tinggi dan tahan aus tinggi, multifungsi, dan persyaratan berat lainnya. Saat ini, material keramik teknik telah digunakan dalam pembuatan komponen tahan panas mesin, komponen aus transmisi mekanis, komponen tahan korosi peralatan kimia, dan komponen penyegelan, yang semakin menunjukkan prospek aplikasi material keramik yang luas.

Negara-negara maju seperti Jerman, Jepang, Amerika Serikat, Inggris Raya, dan negara-negara lain sangat mementingkan pengembangan dan penerapan material keramik teknik, dengan menginvestasikan banyak uang dan tenaga kerja untuk mengembangkan teori dan teknologi pengolahan keramik teknik. Jerman telah meluncurkan program bernama “SFB442”, yang bertujuan untuk menggunakan teknologi PVD untuk mensintesis lapisan tipis yang sesuai pada permukaan komponen guna menggantikan media pelumas yang berpotensi berbahaya bagi lingkungan dan tubuh manusia. PW Gold dan lainnya di Jerman menggunakan dana 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 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 serupa memberikan kemungkinan untuk mengganti aditif berbahaya dengan lapisan. E. Lugscheider dkk. dari Institut Ilmu Material, Universitas Teknik Aachen, Jerman, dengan pendanaan dari DFG (Komisi Riset Jerman), menunjukkan peningkatan signifikan dalam ketahanan lelah setelah melapisi lapisan yang sesuai pada baja 100Cr6 menggunakan PVD. Selain itu, General Motors Amerika Serikat telah mulai menggunakan lapisan film pengendapan permukaan roda gigi pada mobil tipe Volvo S80 Turbo untuk meningkatkan ketahanan terhadap kelelahan dan korosi; perusahaan terkenal Timken telah meluncurkan lapisan film permukaan roda gigi bernama ES200; merek dagang terdaftar pelapis roda gigi MAXIT telah muncul di Jerman; merek dagang terdaftar Graphit-iC dan Dymon-iC masing-masing juga tersedia di Inggris. Pelapis roda gigi dengan merek dagang terdaftar Graphit-iC dan Dymon-iC juga tersedia di Inggris.

Sebagai komponen penting dari transmisi mekanis, roda gigi memainkan peran penting dalam industri, sehingga mempelajari penerapan material keramik pada roda gigi memiliki signifikansi praktis yang sangat penting. Saat ini, keramik teknik yang diterapkan pada roda gigi terutama meliputi hal-hal berikut.

1. Lapisan pelapis TiN
1、TiN

Lapisan keramik TiN yang dilapisi ion merupakan salah satu lapisan modifikasi permukaan yang paling banyak digunakan dengan kekerasan tinggi, daya rekat tinggi, koefisien gesekan rendah, ketahanan korosi yang baik, dan lain-lain. Lapisan ini telah banyak digunakan di berbagai bidang, terutama di industri perkakas dan cetakan. Alasan utama yang memengaruhi penerapan lapisan keramik pada roda gigi adalah masalah ikatan antara lapisan keramik dan substrat. Karena kondisi kerja dan faktor-faktor yang memengaruhi roda gigi jauh lebih kompleks daripada perkakas dan cetakan, penerapan lapisan TiN tunggal pada perawatan permukaan roda gigi sangat terbatas. Meskipun lapisan keramik memiliki keunggulan kekerasan tinggi, koefisien gesekan rendah, dan ketahanan korosi, lapisan ini rapuh dan sulit untuk mendapatkan lapisan yang lebih tebal, sehingga membutuhkan substrat dengan kekerasan dan kekuatan tinggi untuk menopang lapisan agar dapat menunjukkan karakteristiknya. Oleh karena itu, lapisan keramik sebagian besar digunakan untuk permukaan karbida dan baja kecepatan tinggi. Material roda gigi lebih lunak dibandingkan material keramik, dan perbedaan sifat antara substrat dan lapisan pelapisnya besar, sehingga kombinasi antara lapisan pelapis dan substrat kurang baik, dan lapisan pelapis tidak cukup kuat untuk menopang lapisan pelapis, membuat lapisan pelapis mudah terlepas selama penggunaan. Hal ini tidak hanya tidak dapat menunjukkan keunggulan lapisan keramik, tetapi partikel lapisan keramik yang terlepas 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 atau pelapisan perawatan permukaan lainnya, menggunakan dua permukaan/subpermukaan terpisah untuk memodifikasi permukaan material substrat guna memperoleh sifat mekanik komposit yang tidak dapat dicapai oleh proses perawatan permukaan tunggal. Lapisan komposit TiN yang diendapkan dengan nitridasi ion dan PVD adalah salah satu lapisan komposit yang paling banyak diteliti. Substrat nitridasi plasma dan lapisan komposit keramik TiN memiliki ikatan yang kuat dan ketahanan ausnya meningkat secara signifikan.

Ketebalan lapisan film TiN 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 menurun.

2. Lapisan TiN multi-lapisan, multi-komponen

Dengan semakin meluasnya penerapan lapisan TiN, semakin banyak penelitian yang dilakukan untuk meningkatkan dan memperkuat lapisan TiN. Dalam beberapa tahun terakhir, lapisan multi-komponen dan lapisan multi-lapisan telah dikembangkan berdasarkan lapisan TiN biner, seperti Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, dan lain-lain. Dengan menambahkan unsur-unsur seperti Al dan Si ke lapisan TiN, ketahanan terhadap oksidasi suhu tinggi dan kekerasan lapisan dapat ditingkatkan, sedangkan penambahan unsur-unsur seperti B dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan adhesi lapisan.

Karena kompleksitas komposisi multikomponen, terdapat banyak kontroversi dalam penelitian ini. Dalam penelitian pelapis multikomponen (Tix,Cr1-x)N, terdapat kontroversi besar dalam hasil penelitian. Beberapa orang percaya bahwa pelapis (Tix,Cr1-x)N berbasis TiN, dan Cr hanya dapat ada dalam bentuk larutan padat pengganti dalam matriks titik TiN, bukan sebagai fase CrN yang terpisah. Studi 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 pada pelapis mengurangi ukuran partikel permukaan dan meningkatkan kekerasan, dan kekerasan pelapis mencapai nilai tertinggi ketika persentase massa Cr mencapai 31%, tetapi tegangan internal pelapis juga mencapai nilai maksimumnya.

3. Lapisan pelapis lainnya

Selain lapisan TiN yang umum digunakan, banyak keramik teknik berbeda yang 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 dilapisi dengan metode deposisi uap. Roda gigi dikarburisasi dan dipoles untuk mencapai kekerasan permukaan sekitar HV720 dan kekasaran permukaan 2,4 μm sebelum pelapisan, dan lapisan keramik disiapkan dengan deposisi uap kimia (CVD) untuk titanium karbida dan dengan deposisi uap fisik (PVD) untuk titanium nitrida, dengan ketebalan film keramik sekitar 2 μm. Sifat keausan gesekan diteliti dengan adanya minyak dan gesekan kering. Ditemukan bahwa ketahanan terhadap gesekan dan ketahanan terhadap goresan pada ragum roda gigi meningkat secara substansial setelah dilapisi dengan keramik.

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

(3) Film tipis WC/C, 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 daripada roda gigi yang diproses dengan pendinginan dan penggerindaan biasa dalam kondisi pelumasan tanpa 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 kurang rentan terhadap 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 dkk. 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 di satu lapisan akan sulit untuk melewati antarmuka ke lapisan lain, sehingga membentuk penumpukan dislokasi di antarmuka dan berperan dalam memperkuat material. Zhong Bin dkk. mempelajari pengaruh kandungan nitrogen pada struktur fasa 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 menjadi rata. Ketika aerasi N2 sebesar 25 ml/menit (arus busur sumber target adalah 75 A), lapisan film CrN yang diendapkan memiliki kualitas permukaan yang baik, kekerasan yang baik, dan ketahanan aus yang sangat baik.

(5) Film superkeras
Lapisan superkeras adalah lapisan padat dengan kekerasan lebih besar dari 40 GPa, ketahanan aus yang sangat baik, ketahanan suhu tinggi, koefisien gesekan rendah, dan koefisien ekspansi termal rendah, terutama lapisan intan amorf dan lapisan CN. Lapisan intan amorf memiliki sifat amorf, tidak memiliki struktur teratur jarak jauh, dan mengandung sejumlah besar ikatan tetrahedral CC, sehingga disebut juga lapisan karbon amorf tetrahedral. Sebagai jenis lapisan karbon amorf, lapisan mirip intan (DLC) memiliki banyak sifat unggul yang mirip dengan intan, 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 lapisan mirip intan pada permukaan roda gigi dapat memperpanjang masa pakai hingga 6 kali lipat dan secara signifikan meningkatkan ketahanan lelah. Lapisan CN, juga dikenal sebagai lapisan 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 dasar, mengkonfirmasi bahwa β-C3N4 memiliki energi ikat yang besar, struktur mekanik yang stabil, setidaknya satu keadaan sub-stabil dapat ada, dan modulus elastisitasnya sebanding dengan intan, dengan sifat yang baik, yang dapat secara efektif meningkatkan kekerasan permukaan dan ketahanan aus material serta mengurangi koefisien gesekan.

(6) Lapisan pelapis tahan aus paduan lainnya
Beberapa lapisan 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 mendapatkan susunan butiran ultra-halus, yang dapat memperpanjang umur hingga 1,144~1,533 kali. Telah juga dipelajari bahwa lapisan logam Cu dan lapisan paduan Ni-W diaplikasikan pada permukaan gigi roda gigi besi cor paduan Cu-Cr-P untuk meningkatkan kekuatannya; lapisan 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 tanpa lapisan.