Tækni til að húða gír

PVD-útfellingartækni hefur verið notuð í mörg ár sem ný yfirborðsbreytingartækni, sérstaklega lofttæmis-jónhúðunartækni, sem hefur notið mikilla þróana á undanförnum árum og er nú mikið notuð í meðhöndlun verkfæra, mót, stimpilhringja, gíra og annarra íhluta. Húðaðir gírar sem eru framleiddir með lofttæmis-jónhúðunartækni geta dregið verulega úr núningstuðlinum, bætt slitþol og ákveðna tæringarvörn og hafa orðið að brennidepli og heitum rannsóknarstað á sviði tækni til að styrkja yfirborð gíra.

Algeng efni sem notuð eru í gír eru aðallega smíðað stál, steypt stál, steypujárn, málmar sem ekki eru járn (kopar, ál) og plast. Stál er aðallega 45 stál, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Lágkolefnisstál er aðallega notað í 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Smíðað stál er meira notað í gír vegna betri afkösta, en steypt stál er venjulega notað til að framleiða gír með þvermál > 400 mm og flókna uppbyggingu. Steypujárnsgírar eru lím- og holuþolnir, en skortur á högg- og slitþolnum, aðallega fyrir stöðuga vinnu, aflgjafa með lágum hraða eða stórum stærðum og flóknum lögun, geta virkað án smurningar og henta vel fyrir opna gírskiptingu. Algeng notkun á járnlausum málmum er tinbrons, ál-járnbrons og steypt álfelgur, sem eru almennt notaðar við framleiðslu á túrbínum eða gírum, en renni- og núningseiginleikarnir eru lélegir og eru aðeins notaðir fyrir létt, meðalálag og lághraða gíra. Gírar úr járnlausum efnum eru aðallega notaðir á sviðum með sérstökum kröfum, svo sem olíulausri smurningu og mikilli áreiðanleika. Notaðar eru á sviðum þar sem mengun er lítil, svo sem heimilistækjum, lækningatækjum, matvælavélum og textílvélum.

Efni til að húða gír

Verkfræðileg keramikefni eru afar efnileg efni með miklum styrk og hörku, sérstaklega framúrskarandi hitaþol, lága varmaleiðni og varmaþenslu, mikla slitþol og oxunarþol. Fjölmargar rannsóknir hafa sýnt að keramikefni eru í eðli sínu hitaþolin og hafa lítið slit á málmum. Þess vegna getur notkun keramikefna í stað málmefna fyrir slitþolna hluti aukið líftíma núningshluta, getur uppfyllt sumar kröfur um háan hita og mikla slitþol, fjölnota og aðrar erfiðar kröfur. Sem stendur hefur verkfræðileg keramikefni verið notað í framleiðslu á hitaþolnum hlutum í vélum, slithlutum í vélrænum gírskiptingum, tæringarþolnum hlutum í efnabúnaði og þéttihlutum, sem sýnir sífellt víðtækari notkunarmöguleika keramikefna.

Þróuð lönd eins og Þýskaland, Japan, Bandaríkin, Bretland og önnur lönd leggja mikla áherslu á þróun og notkun verkfræðilegra keramikefna og fjárfesta miklum peningum og mannafla til að þróa vinnslukenningu og tækni verkfræðilegrar keramik. Þýskaland hefur hleypt af stokkunum verkefni sem kallast „SFB442“, en tilgangur þess er að nota PVD tækni til að mynda viðeigandi filmu á yfirborði hlutanna til að skipta út hugsanlega skaðlegum smurefnum fyrir umhverfið og mannslíkamann. PW Gold og aðrir í Þýskalandi notuðu fjármögnunina frá SFB442 til að beita PVD tækni til að setja þunnar filmur á yfirborð veltingalegna og komust að því að slitþol veltingalegna batnaði verulega og filmurnar sem settar voru á yfirborðið gætu alveg komið í stað virkni slitþolinna aukefna við mikinn þrýsting. Joachim, Franz o.fl. í Þýskalandi notuðu PVD tækni til að búa til WC/C filmur sem sýndu framúrskarandi þreytuþolandi eiginleika, betri en smurefni sem innihalda EP aukefni, sem gefur einnig möguleika á að skipta út skaðlegum aukefnum fyrir húðun. E. Lugscheider o.fl. frá Institute of Materials Science, Technical University of Aachen, Þýskalandi, sýndu fram á verulega aukningu á þreytuþoli með fjármögnun frá DFG (þýsku rannsóknarnefndinni), eftir að viðeigandi filmur voru settar á 100Cr6 stál með PVD tækni. Að auki hefur bandaríska fyrirtækið General Motors hafið starfsemi sína... Yfirborðsfilma af gerðinni Volvo S80Turbo fyrir gírar til að bæta þreytuþol; hið fræga fyrirtæki Timken hefur gefið út nafnið ES200 yfirborðsfilma fyrir gírar; skráða vörumerkið MAXIT gírhúðun hefur komið fram í Þýskalandi; skráðu vörumerkin Graphit-iC og Dymon-iC fyrir gírhúðun undir skráðu vörumerkjunum Graphit-iC og Dymon-iC eru einnig fáanleg í Bretlandi.

Sem mikilvægur varahlutur í vélrænum gírskiptingum gegna gírar mikilvægu hlutverki í iðnaði, þannig að það er mjög mikilvægt að rannsaka notkun keramikefna á gírum. Eins og er eru verkfræðileg keramik notuð á gíra aðallega eftirfarandi.

1. TiN húðunarlag
1. TiN

Jónhúðun TiN keramiklag er ein mest notaða yfirborðsmeðhöndlunin með mikilli hörku, miklum viðloðunarstyrk, lágum núningstuðli, góðri tæringarþol og svo framvegis. Hún hefur verið mikið notuð á ýmsum sviðum, sérstaklega í verkfæra- og mótframleiðslu. Helsta ástæðan fyrir því að keramikhúðun hefur áhrif á gír er vandamálið með límingu milli keramikhúðunar og undirlags. Þar sem vinnuskilyrði og áhrifaþættir gírs eru mun flóknari en verkfæra og móts, er notkun einnar TiN húðunar á yfirborðsmeðhöndlun gírs mjög takmörkuð. Þó að keramikhúðun hafi kosti eins og mikla hörku, lágan núningstuðul og tæringarþol, er hún brothætt og erfitt að fá þykkari húðun, þannig að hún þarfnast undirlags með mikilli hörku og miklum styrk til að styðja húðunina til að hún nái sínum eiginleikum. Þess vegna er keramikhúðun aðallega notuð fyrir yfirborð úr karbíði og hraðstáli. Efnið í gírnum er mjúkt miðað við keramikefnið og munurinn á eðli undirlagsins og húðunarinnar er mikill, þannig að samsetning húðunarinnar og undirlagsins er léleg og húðunin er ekki nægjanleg til að styðja húðunina, sem gerir það að verkum að húðunin dettur auðveldlega af í notkun. Þetta getur ekki aðeins ekki nýtt kosti keramikhúðunarinnar, heldur valda keramikhúðunaragnirnar sem detta af núningnum sliti á gírnum og flýtir fyrir sliti gírsins. Núverandi lausn er að nota samsett yfirborðsmeðferðartækni til að bæta tengslin milli keramiksins og undirlagsins. Samsett yfirborðsmeðferðartækni vísar til samsetningar á gufuútfellingarhúðun og annarra yfirborðsmeðferðarferla eða húðunar, þar sem tvær aðskildar yfirborðsfletir/undirfletir eru notaðar til að breyta yfirborði undirlagsins til að fá fram samsetta vélræna eiginleika sem ekki er hægt að ná með einni yfirborðsmeðferð. TiN samsett húðun sem er sett með jónnítríðun og PVD er ein af mest rannsökuðu samsettu húðunum. Plasmanítríðandi undirlagið og TiN keramik samsett húðunin hafa sterk tengsl og slitþolið er verulega bætt.

Besti þykkt TiN filmulags með framúrskarandi slitþoli og filmugrunnslímingu er um 3~4 μm. Ef þykkt filmulagsins er minni en 2 μm, mun slitþolið ekki batna verulega. Ef þykkt filmulagsins er meira en 5 μm, mun filmugrunnslímingin minnka.

2. Fjöllaga, fjölþátta TiN húðun

Með stigvaxandi og útbreiddri notkun TiN-húðunar eru sífellt fleiri rannsóknir á því hvernig hægt er að bæta og efla TiN-húðun. Á undanförnum árum hafa fjölþátta húðun og fjöllaga húðun verið þróaðar byggðar á tvíþátta TiN-húðun, svo sem Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, o.s.frv. Með því að bæta frumefnum eins og Al og Si við TiN-húðun er hægt að bæta viðnám gegn háhitaoxun og hörku húðunarinnar, en með því að bæta við frumefnum eins og B er hægt að bæta hörku og viðloðunarstyrk húðunarinnar.

Vegna flækjustigs fjölþátta samsetningarinnar eru margar deilur í þessari rannsókn. Í rannsókn á (Tix,Cr1-x)N fjölþátta húðunum eru miklar deilur um rannsóknarniðurstöðurnar. Sumir telja að (Tix,Cr1-x)N húðanir séu byggðar á TiN og að Cr geti aðeins komið fyrir í formi fastrar lausnar í TiN punktafylkinu en ekki sem sérstakt CrN fasa. Aðrar rannsóknir sýna að fjöldi Cr atóma sem koma beint í stað Ti atóma í (Tix,Cr1-x)N húðunum er takmarkaður og að eftirstandandi Cr er til staðar í einþátta ástandi eða myndar efnasambönd með N. Tilraunaniðurstöður sýna að viðbót Cr við húðunina minnkar agnastærð yfirborðsins og eykur hörku og hörku húðunarinnar nær hæsta gildi þegar massaprósenta Cr nær 31%, en innri spenna húðunarinnar nær einnig hámarksgildi.

3, Annað húðlag

Auk algengra TiN-húðana eru margar mismunandi verkfræðikeramikefni notuð til að styrkja yfirborð gírs.

(1) Y. Terauchi o.fl. frá Japan rannsökuðu viðnám gegn núningsslit títan karbíðs eða títan nítríð keramik gírs sem voru settir upp með gufuútfellingaraðferð. Gírarnir voru karbureraðir og pússaðir til að ná yfirborðshörku upp á um HV720 og yfirborðsgrófleika upp á 2,4 μm fyrir húðun, og keramikhúðunin var útbúin með efnagufuútfellingu (CVD) fyrir títan karbíð og með eðlisfræðilegri gufuútfellingu (PVD) fyrir títan nítríð, með keramikfilmuþykkt upp á um 2 μm. Núningssliteiginleikar voru rannsakaðir í viðurvist olíu og þurrs núnings, talið í þeirri röð. Kom í ljós að rispuþol og rispuþol gírskrúfsins batnaði verulega eftir húðun með keramik.

(2) Samsett húðun úr efnafræðilega húðuðu Ni-P og TiN var útbúin með því að forhúða Ni-P sem millilag og síðan setja TiN á. Rannsóknin sýnir að yfirborðshörku þessarar samsettu húðunar hefur batnað að vissu marki og húðunin er betur bundin við undirlagið og hefur betri slitþol.

(3) WC/C, B4C þunnfilma
M. Murakawa o.fl., frá vélaverkfræðideild Japan Institute of Technology, notuðu PVD-tækni til að setja WC/C þunna filmu á yfirborð gíra og endingartími hennar var þrefalt meiri en venjulegir kæfðir og slípaðir gírar við olíulausar smurskilyrði. Franz J o.fl. notuðu PVD-tækni til að setja WC/C og B4C þunna filmu á yfirborð FEZ-A og FEZ-C gíra og tilraunin sýndi að PVD-húðunin minnkaði verulega núning gíra, gerði gírinn minna viðkvæman fyrir heitri límingu eða límingu og bætti burðarþol gíra.

(4) CrN filmur
CrN-filmur eru svipaðar TiN-filmum að því leyti að þær hafa meiri hörku og CrN-filmur eru ónæmari fyrir oxun við háan hita en TiN, hafa betri tæringarþol, minni innri spennu en TiN-filmur og tiltölulega betri seiglu. Chen Ling o.fl. bjuggu til slitþolna TiAlCrN/CrN samsetta filmu með framúrskarandi filmubundinni límingu á yfirborði HSS og lögðu einnig til kenninguna um tilfærslustöflun fyrir marglaga filmu. Ef munurinn á tilfærsluorku milli tveggja laga er mikill, verður erfitt fyrir tilfærsluna sem á sér stað í öðru lagi að komast yfir viðmótið yfir í hitt lagið, sem myndar tilfærslustöflun á viðmótinu og styrkir efnið. Zhong Bin o.fl. rannsökuðu áhrif köfnunarefnisinnihalds á fasabyggingu og núningssliteiginleika CrNx-filma og rannsóknin sýndi að Cr2N (211) dreifingartoppurinn í filmunum veiktist smám saman og CrN (220) toppurinn jókst smám saman með aukningu á N2 innihaldi, stórar agnir á yfirborði filmunnar minnkuðu smám saman og yfirborðið hafði tilhneigingu til að vera flatt. Þegar N2-loftræstingin var 25 ml/mín. (markstraumur bogans frá 75 A) hefur CrN-filman góða yfirborðsgæði, góða hörku og framúrskarandi slitþol þegar N2-loftræstingin er 25 ml/mín. (markstraumur bogans frá 75 A, neikvæður þrýstingur er 100 V).

(5) Ofurhörð filma
Ofurhörð filma er fast filma með hörku meiri en 40 GPa, framúrskarandi slitþol, háan hitaþol og lágan núningstuðul og lágan varmaþenslustuðul, aðallega mynduð af ókristölluðum demantfilmum og CN filmum. Ókristallaðar demantfilmur hafa ókristallaða eiginleika, enga langdræga skipulagða uppbyggingu og innihalda mikið magn af CC fjórflötungstengjum, þannig að þær eru einnig kallaðar fjórflötungstengi ókristallaðar kolefnisfilmur. Sem tegund af ókristallaðri kolefnisfilmu hefur demantlík húðun (DLC) marga framúrskarandi eiginleika svipaða demanti, svo sem mikla varmaleiðni, mikla hörku, mikla teygjanleikastuðul, lágan varmaþenslustuðul, góðan efnastöðugleika, góða slitþol og lágan núningstuðul. Það hefur verið sýnt fram á að húðun demantlíkra filma á yfirborði gírs getur sexfaldað líftíma þeirra og bætt þreytuþol verulega. CN filmur, einnig þekktar sem ókristallaðar kolefnis-niturfilmur, hafa kristalbyggingu sem er svipuð og β-Si3N4 samgild efnasambönd og eru einnig þekktar sem β-C3N4. Liu og Cohen o.fl. Framkvæmdir voru strangar fræðilegar útreikningar með því að nota útreikninga á gervispennuböndum út frá frumeðlisreglunni og staðfestu að β-C3N4 hefur mikla bindingarorku, stöðuga vélræna uppbyggingu, að minnsta kosti eitt undirstöðugleikaástand getur verið til staðar og teygjustuðull þess er sambærilegur við demant, með góða eiginleika, sem geta á áhrifaríkan hátt bætt yfirborðshörku og slitþol efnisins og dregið úr núningstuðlinum.

(6) Annað slitþolið húðlag úr málmblöndu
Einnig hefur verið reynt að bera á gír með slitþolnum málmblöndum, til dæmis er Ni-P-Co málmblöndulag sett á tannyfirborð 45# stálgírs til að fá fínkornaskipan, sem getur aukið líftíma þeirra allt að 1,144~1,533 sinnum. Einnig hefur verið rannsakað að bera Cu málmlag og Ni-W málmblönduhúð á tannyfirborð Cu-Cr-P steypujárnsgírs til að auka styrk þeirra; Ni-W og Ni-Co málmblönduhúð á tannyfirborð HT250 steypujárnsgírs til að auka slitþol um 4~6 sinnum samanborið við óhúðaða gír.