Tecnologia di rivestimento degli ingranaggi

La tecnologia di deposizione PVD è utilizzata da molti anni come nuova tecnologia di modifica superficiale, in particolare la tecnologia di rivestimento ionico sotto vuoto, che ha registrato un notevole sviluppo negli ultimi anni ed è ora ampiamente utilizzata nel trattamento di utensili, stampi, fasce elastiche, ingranaggi e altri componenti. Gli ingranaggi rivestiti con la tecnologia di rivestimento ionico sotto vuoto possono ridurre significativamente il coefficiente di attrito, migliorare l'usura e in parte la resistenza alla corrosione, e sono diventati il ​​fulcro e il fulcro della ricerca nel campo della tecnologia di rinforzo superficiale degli ingranaggi.

I materiali comunemente utilizzati per gli ingranaggi sono principalmente acciaio forgiato, acciaio fuso, ghisa, metalli non ferrosi (rame, alluminio) e plastica. L'acciaio è principalmente acciaio 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. L'acciaio a basso tenore di carbonio è utilizzato principalmente in 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. L'acciaio forgiato è più ampiamente utilizzato negli ingranaggi per le sue migliori prestazioni, mentre l'acciaio fuso è solitamente utilizzato per produrre ingranaggi con diametro > 400 mm e struttura complessa. Gli ingranaggi in ghisa sono resistenti all'incollaggio e alla corrosione puntiforme, ma non agli urti e all'usura, principalmente per lavori stabili, la potenza non è bassa o di grandi dimensioni e forma complessa, può funzionare in condizioni di mancanza di lubrificazione, adatto per trasmissioni aperte. I metalli non ferrosi comunemente utilizzati sono il bronzo allo stagno, il bronzo alluminio-ferro e le leghe di alluminio da fusione, comunemente impiegati nella produzione di turbine o ingranaggi, ma le loro proprietà di scorrimento e antiattrito sono scarse, soprattutto per ingranaggi leggeri, a carico medio e a bassa velocità. Gli ingranaggi in materiali non metallici sono utilizzati principalmente in settori con requisiti specifici, come la lubrificazione senza olio e l'elevata affidabilità. Questi settori richiedono condizioni di basso inquinamento, come elettrodomestici, apparecchiature mediche, macchinari alimentari e macchinari tessili.

Materiali di rivestimento degli ingranaggi

I materiali ceramici ingegneristici sono materiali estremamente promettenti, caratterizzati da elevata resistenza e durezza, in particolare un'eccellente resistenza al calore, bassa conduttività termica e dilatazione termica, elevata resistenza all'usura e all'ossidazione. Numerosi studi hanno dimostrato che i materiali ceramici sono intrinsecamente resistenti al calore e presentano una bassa usura sui metalli. Pertanto, l'uso di materiali ceramici al posto di materiali metallici per componenti resistenti all'usura può migliorare la durata dei componenti di attrito, soddisfare alcuni requisiti di resistenza alle alte temperature e all'usura, multifunzionalità e altri requisiti complessi. Attualmente, i materiali ceramici ingegneristici vengono utilizzati nella produzione di componenti resistenti al calore dei motori, trasmissioni meccaniche nelle parti soggette a usura, apparecchiature chimiche nelle parti resistenti alla corrosione e componenti di tenuta, dimostrando sempre più le loro ampie prospettive di applicazione.

Paesi sviluppati come Germania, Giappone, Stati Uniti, Regno Unito e altri attribuiscono grande importanza allo sviluppo e all'applicazione di materiali ceramici ingegneristici, investendo ingenti somme di denaro e manodopera per sviluppare la teoria e la tecnologia di lavorazione dei materiali ceramici ingegneristici. La Germania ha lanciato un programma denominato "SFB442", il cui scopo è quello di utilizzare la tecnologia PVD per sintetizzare un film idoneo sulla superficie dei componenti, in sostituzione del lubrificante potenzialmente dannoso per l'ambiente e il corpo umano. PW Gold e altri in Germania hanno utilizzato i finanziamenti del programma SFB442 per applicare la tecnologia PVD al deposito di film sottili sulla superficie dei cuscinetti volventi e hanno scoperto che le prestazioni antiusura dei cuscinetti volventi erano significativamente migliorate e che i film depositati sulla superficie potevano sostituire completamente la funzione degli additivi antiusura per pressioni estreme. Joachim, Franz et al. in Germania hanno utilizzato la tecnologia PVD per preparare film di WC/C che dimostravano eccellenti proprietà antifatica, superiori a quelle dei lubrificanti contenenti additivi EP, un risultato che offre analogamente la possibilità di sostituire gli additivi nocivi con i rivestimenti. E. Lugscheider et al. dell'Istituto di Scienza dei Materiali dell'Università Tecnica di Aquisgrana, in Germania, con finanziamenti della DFG (Commissione Tedesca per la Ricerca), hanno dimostrato un aumento significativo della resistenza alla fatica dopo il deposito di film appropriati su Acciaio 100Cr6 con tecnologia PVD. Inoltre, la General Motors statunitense ha avviato la deposizione di un film superficiale sugli ingranaggi delle sue autovetture Volvo S80Turbo per migliorarne la resistenza alla corrosione da fatica; la famosa azienda Timken ha lanciato il film superficiale per ingranaggi denominato ES200; il marchio registrato MAXIT Gear Coating è apparso in Germania; i marchi registrati Graphit-iC e Dymon-iC, rispettivamente. I rivestimenti per ingranaggi con i marchi registrati Graphit-iC e Dymon-iC sono disponibili anche nel Regno Unito.

Essendo importanti componenti di ricambio per trasmissioni meccaniche, gli ingranaggi svolgono un ruolo fondamentale nell'industria, pertanto è di fondamentale importanza studiare l'applicazione dei materiali ceramici su di essi. Attualmente, le ceramiche ingegneristiche applicate agli ingranaggi sono principalmente le seguenti.

1、Strato di rivestimento TiN
1、TiN

Il rivestimento ceramico TiN con rivestimento ionico è uno dei rivestimenti superficiali modificati più ampiamente utilizzati, caratterizzato da elevata durezza, elevata forza di adesione, basso coefficiente di attrito, buona resistenza alla corrosione, ecc. È stato ampiamente utilizzato in vari campi, in particolare nell'industria degli utensili e degli stampi. Il motivo principale che influenza l'applicazione del rivestimento ceramico sugli ingranaggi è il problema dell'adesione tra il rivestimento ceramico e il substrato. Poiché le condizioni di lavoro e i fattori che influenzano la lavorazione degli ingranaggi sono molto più complessi rispetto a quelli di utensili e stampi, l'applicazione di un singolo rivestimento TiN sul trattamento superficiale degli ingranaggi è notevolmente limitata. Sebbene il rivestimento ceramico offra i vantaggi di elevata durezza, basso coefficiente di attrito e resistenza alla corrosione, è fragile ed è difficile ottenere uno spessore maggiore, quindi è necessario un substrato con elevata durezza e resistenza per supportare il rivestimento affinché ne esprima le caratteristiche. Pertanto, il rivestimento ceramico è utilizzato principalmente per superfici in metallo duro e acciaio rapido. Il materiale degli ingranaggi è morbido rispetto al materiale ceramico e la differenza tra la natura del substrato e quella del rivestimento è notevole, quindi la combinazione tra rivestimento e substrato è scarsa e il rivestimento non è sufficiente a supportare il rivestimento, rendendolo facilmente soggetto a distacco durante l'uso. Non solo non si possono sfruttare i vantaggi del rivestimento ceramico, ma le particelle di rivestimento ceramico che si staccano causano usura abrasiva sugli ingranaggi, accelerandone la perdita per usura. La soluzione attuale consiste nell'utilizzare la tecnologia di trattamento superficiale composito per migliorare l'adesione tra la ceramica e il substrato. La tecnologia di trattamento superficiale composito si riferisce alla combinazione di un rivestimento mediante deposizione fisica da vapore e di altri processi o rivestimenti superficiali, utilizzando due superfici/sottosuperfici separate per modificare la superficie del materiale del substrato e ottenere proprietà meccaniche composite che non possono essere ottenute con un singolo processo di trattamento superficiale. Il rivestimento composito TiN depositato mediante nitrurazione ionica e PVD è uno dei rivestimenti compositi più studiati. Il substrato sottoposto a nitrurazione al plasma e il rivestimento composito ceramico TiN presentano un'adesione forte e una resistenza all'usura significativamente migliorata.

Lo spessore ottimale dello strato di film di TiN con eccellente resistenza all'usura e buona adesione alla base del film è di circa 3-4 μm. Se lo spessore dello strato di film è inferiore a 2 μm, la resistenza all'usura non migliorerà significativamente. Se lo spessore dello strato di film è superiore a 5 μm, la tenuta alla base del film diminuirà.

2. Rivestimento TiN multistrato e multicomponente

Con la graduale e diffusa applicazione dei rivestimenti TiN, sono sempre più numerose le ricerche su come migliorarli e potenziarli. Negli ultimi anni, sono stati sviluppati rivestimenti multicomponente e multistrato basati su rivestimenti binari TiN, come Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, ecc. Aggiungendo elementi come Al e Si ai rivestimenti TiN, è possibile migliorarne la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura e la durezza, mentre l'aggiunta di elementi come B può migliorare la durezza e la forza di adesione dei rivestimenti.

A causa della complessità della composizione multicomponente, questo studio è oggetto di numerose controversie. Nello studio dei rivestimenti multicomponenti (Tix,Cr1-x)N, i risultati della ricerca sono molto controversi. Alcuni ritengono che i rivestimenti (Tix,Cr1-x)N siano a base di TiN e che il Cr possa esistere solo sotto forma di soluzione solida di sostituzione nella matrice puntiforme di TiN, ma non come fase CrN separata. Altri studi dimostrano che il numero di atomi di Cr che sostituiscono direttamente gli atomi di Ti nei rivestimenti (Tix,Cr1-x)N è limitato e che il Cr rimanente esiste allo stato di singoletto o forma composti con N. I risultati sperimentali mostrano che l'aggiunta di Cr al rivestimento riduce la granulometria superficiale e aumenta la durezza, che raggiunge il suo valore massimo quando la percentuale in massa di Cr raggiunge il 31%, ma anche lo stress interno del rivestimento raggiunge il suo valore massimo.

3、Altro strato di rivestimento

Oltre ai rivestimenti TiN comunemente utilizzati, per rinforzare le superfici degli ingranaggi vengono utilizzate numerose altre ceramiche tecniche.

(1) Y. Terauchi et al., Giappone, hanno studiato la resistenza all'usura da attrito di ingranaggi ceramici in carburo di titanio o nitruro di titanio depositati con il metodo di deposizione da vapore. Gli ingranaggi sono stati cementati e lucidati per ottenere una durezza superficiale di circa HV720 e una rugosità superficiale di 2,4 μm prima del rivestimento, e i rivestimenti ceramici sono stati preparati mediante deposizione chimica da vapore (CVD) per il carburo di titanio e mediante deposizione fisica da vapore (PVD) per il nitruro di titanio, con uno spessore del film ceramico di circa 2 μm. Le proprietà di usura da attrito sono state studiate rispettivamente in presenza di olio e attrito a secco. Si è riscontrato che la resistenza al grippaggio e la resistenza ai graffi della morsa per ingranaggi sono risultate notevolmente migliorate dopo il rivestimento con ceramica.

(2) Il rivestimento composito di Ni-P e TiN trattati chimicamente è stato preparato pre-rivestindo Ni-P come strato di transizione e depositando successivamente TiN. Lo studio dimostra che la durezza superficiale di questo rivestimento composito è stata migliorata in una certa misura, che il rivestimento aderisce meglio al substrato e presenta una migliore resistenza all'usura.

(3) WC/C, film sottile B4C
M. Murakawa et al., del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Japan Institute of Technology, hanno utilizzato la tecnologia PVD per depositare un film sottile di WC/C sulla superficie degli ingranaggi, ottenendo una durata tre volte superiore a quella di ingranaggi temprati e rettificati in condizioni di lubrificazione senza olio. Franz J. et al. hanno utilizzato la tecnologia PVD per depositare un film sottile di WC/C e B4C sulla superficie di ingranaggi FEZ-A e FEZ-C, e l'esperimento ha dimostrato che il rivestimento PVD ha ridotto significativamente l'attrito degli ingranaggi, li ha resi meno suscettibili all'incollaggio a caldo o all'incollaggio a caldo e ne ha migliorato la capacità portante.

(4) Film di CrN
I film di CrN sono simili ai film di TiN in quanto presentano una maggiore durezza, e sono più resistenti all'ossidazione ad alta temperatura rispetto al TiN, hanno una migliore resistenza alla corrosione, minori sollecitazioni interne rispetto ai film di TiN e una tenacità relativamente migliore. Chen Ling et al. hanno preparato un film composito TiAlCrN/CrN resistente all'usura con un'eccellente adesione superficiale sulla superficie dell'HSS, e hanno anche proposto la teoria dell'impilamento delle dislocazioni nei film multistrato: se la differenza di energia delle dislocazioni tra due strati è elevata, la dislocazione che si verifica in uno strato avrà difficoltà ad attraversare la sua interfaccia nell'altro strato, formando così l'impilamento delle dislocazioni all'interfaccia e svolgendo un ruolo di rinforzo del materiale. Zhong Bin et hanno studiato l'effetto del contenuto di azoto sulla struttura di fase e sulle proprietà di usura da attrito dei film di CrNx, e lo studio ha dimostrato che il picco di diffrazione di Cr2N (211) nei film si è gradualmente indebolito e il picco di CrN (220) è gradualmente aumentato con l'aumento del contenuto di N2, le particelle di grandi dimensioni sulla superficie del film sono gradualmente diminuite e la superficie tendeva a essere piatta. Quando l'aerazione di N2 era di 25 ml/min (la corrente dell'arco sorgente target era di 75 A), il film di CrN depositato presentava una buona qualità superficiale, buona durezza ed eccellente resistenza all'usura quando l'aerazione di N2 era di 25 ml/min (la corrente dell'arco sorgente target era di 75 A, la pressione negativa era di 100 V).

(5) Pellicola superdura
Il film superduro è un film solido con durezza superiore a 40 GPa, eccellente resistenza all'usura, resistenza alle alte temperature e basso coefficiente di attrito e dilatazione termica, principalmente film di diamante amorfo e film CN. I film di diamante amorfo hanno proprietà amorfe, nessuna struttura ordinata a lungo raggio e contengono un gran numero di legami tetraedrici CC, per questo sono anche chiamati film di carbonio amorfo tetraedrico. Come tipo di film di carbonio amorfo, il rivestimento simile al diamante (DLC) presenta molte eccellenti proprietà simili al diamante, come elevata conduttività termica, elevata durezza, elevato modulo elastico, basso coefficiente di dilatazione termica, buona stabilità chimica, buona resistenza all'usura e basso coefficiente di attrito. È stato dimostrato che il rivestimento di film simili al diamante sulle superfici degli ingranaggi può prolungare la durata di un fattore 6 e migliorare significativamente la resistenza alla fatica. I film CN, noti anche come film amorfi di carbonio-azoto, hanno una struttura cristallina simile a quella dei composti covalenti β-Si3N4 e sono noti anche come β-C3N4. Liu, Cohen et al. hanno eseguito rigorosi calcoli teorici utilizzando calcoli di bande pseudopotenziali dal principio della prima natura, hanno confermato che β-C3N4 ha una grande energia di legame, una struttura meccanica stabile, può esistere almeno uno stato sub-stabile e il suo modulo elastico è paragonabile al diamante, con buone proprietà, che possono migliorare efficacemente la durezza superficiale e la resistenza all'usura del materiale e ridurre il coefficiente di attrito.

(6) Altro strato di rivestimento resistente all'usura in lega
Sono stati inoltre sperimentati rivestimenti in lega antiusura per ingranaggi. Ad esempio, la deposizione di uno strato di lega Ni-P-Co sulla superficie dei denti di ingranaggi in acciaio 45# consente di ottenere una grana ultrafine, che può prolungare la durata fino a 1,144~1,533 volte. È stato inoltre studiato come uno strato metallico di Cu e un rivestimento in lega Ni-W vengano applicati sulla superficie dei denti di ingranaggi in ghisa con lega Cu-Cr-P per migliorarne la resistenza; il rivestimento in lega Ni-W e Ni-Co viene applicato sulla superficie dei denti di ingranaggi in ghisa HT250 per migliorarne la resistenza all'usura di 4~6 volte rispetto a un ingranaggio non rivestito.