La tecnologia di deposizione PVD è utilizzata da molti anni come nuova tecnologia di modifica superficiale, in particolare la tecnologia di rivestimento ionico sottovuoto, che ha registrato un grande 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 sottovuoto possono ridurre significativamente il coefficiente di attrito, migliorare la resistenza all'usura e una certa resistenza alla corrosione, e sono diventati un punto focale e un argomento di grande interesse nella ricerca nel campo delle tecnologie 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 utilizzato è principalmente acciaio 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. L'acciaio a basso tenore di carbonio utilizzato è principalmente 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. L'acciaio forgiato è più ampiamente utilizzato negli ingranaggi grazie alle sue migliori prestazioni, mentre l'acciaio fuso è solitamente utilizzato per la produzione di ingranaggi con diametro > 400 mm e struttura complessa. Gli ingranaggi in ghisa sono resistenti all'incollaggio e alla corrosione per vaiolatura, ma mancano di resistenza agli urti e all'usura; sono principalmente adatti per lavori stabili, potenze non basse velocità o grandi dimensioni e forme complesse, possono funzionare in condizioni di mancanza di lubrificazione e sono adatti per trasmissioni aperte. I metalli non ferrosi comunemente utilizzati sono il bronzo allo stagno, il bronzo all'alluminio-ferro e le leghe di alluminio da fusione, spesso impiegati nella produzione di turbine o ingranaggi, ma le loro proprietà di scorrimento e antiattrito sono scarse, risultando adatti solo per ingranaggi leggeri, a carico medio e a bassa velocità. Gli ingranaggi in materiali non metallici sono utilizzati principalmente in settori con requisiti speciali, come la lubrificazione senza olio e l'elevata affidabilità. Tra questi, i settori che richiedono condizioni a basso impatto ambientale, come elettrodomestici, apparecchiature mediche, macchinari per l'industria alimentare e tessile.
Materiali di rivestimento per ingranaggi
I materiali ceramici ingegneristici sono materiali estremamente promettenti, caratterizzati da elevata resistenza e durezza, in particolare un'eccellente resistenza al calore, bassa conducibilità 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'utilizzo di materiali ceramici al posto dei materiali metallici per le parti soggette ad usura può prolungare la durata dei componenti a contatto con l'attrito e soddisfare requisiti stringenti in termini di resistenza alle alte temperature e all'usura, nonché di multifunzionalità. Attualmente, i materiali ceramici ingegneristici trovano impiego nella produzione di componenti resistenti al calore per motori, componenti soggetti ad usura per trasmissioni meccaniche, componenti resistenti alla corrosione e guarnizioni per apparecchiature chimiche, a dimostrazione delle ampie prospettive di applicazione di questi materiali.
Paesi sviluppati come Germania, Giappone, Stati Uniti, Regno Unito e altri attribuiscono grande importanza allo sviluppo e all'applicazione dei materiali ceramici ingegneristici, investendo ingenti risorse economiche e umane nello sviluppo della teoria e della tecnologia di lavorazione delle ceramiche ingegneristiche. 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 per il corpo umano. PW Gold e altre aziende tedesche hanno utilizzato i finanziamenti di SFB442 per applicare la tecnologia PVD al fine di depositare film sottili sulla superficie dei cuscinetti volventi, riscontrando un significativo miglioramento delle prestazioni antiusura e la completa sostituzione della funzione degli additivi antiusura per pressioni estreme con i film depositati sulla superficie. Joachim, Franz e altri ricercatori in Germania hanno utilizzato la tecnologia PVD per preparare film di WC/C che hanno dimostrato eccellenti proprietà antifatica, superiori a quelle dei lubrificanti contenenti additivi EP, un risultato che apre la possibilità di sostituire gli additivi nocivi con rivestimenti. E. Lugscheider e altri ricercatori 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 significativo aumento della resistenza alla fatica dopo aver depositato film appropriati sull'acciaio 100Cr6. utilizzando la tecnologia PVD. Inoltre, la General Motors degli Stati Uniti ha iniziato a utilizzare una pellicola di deposizione superficiale per ingranaggi per migliorare la resistenza alla corrosione da fatica nelle sue auto tipo Volvo S80 Turbo; la famosa azienda Timken ha lanciato la pellicola per ingranaggi denominata ES200; il marchio registrato MAXIT gear coating è apparso in Germania; i marchi registrati Graphit-iC e Dymon-iC sono disponibili anche nel Regno Unito.
Essendo componenti di ricambio fondamentali per la trasmissione meccanica, gli ingranaggi rivestono un ruolo cruciale nell'industria; pertanto, lo studio dell'applicazione dei materiali ceramici agli ingranaggi riveste un'importanza pratica notevole. Attualmente, le ceramiche ingegneristiche utilizzate principalmente negli ingranaggi sono le seguenti.
1. Strato di rivestimento in TiN
1、TiN
Il rivestimento ceramico in nitruro di titanio (TiN) applicato tramite ioni è uno dei rivestimenti superficiali modificati più diffusi, grazie alla sua elevata durezza, all'elevata forza di adesione, al basso coefficiente di attrito e alla buona resistenza alla corrosione. Trova ampio impiego in diversi settori, in particolare nell'industria degli utensili e degli stampi. Il principale ostacolo all'applicazione del rivestimento ceramico sugli ingranaggi è rappresentato dai problemi di adesione tra il rivestimento e il substrato. Poiché le condizioni di lavoro e i fattori che influenzano gli ingranaggi sono molto più complessi rispetto a quelli degli utensili e degli stampi, l'applicazione di un singolo rivestimento in TiN sul trattamento superficiale degli ingranaggi risulta fortemente limitata. Sebbene il rivestimento ceramico presenti i vantaggi di elevata durezza, basso coefficiente di attrito e resistenza alla corrosione, è fragile e difficile da applicare in strati spessi; pertanto, necessita di un substrato ad alta durezza e resistenza per supportare il rivestimento e sfruttarne appieno le caratteristiche. Di conseguenza, il rivestimento ceramico è utilizzato principalmente per superfici in carburo e acciaio rapido. Rispetto al materiale ceramico, il materiale degli ingranaggi è morbido e la differenza tra la natura del substrato e quella del rivestimento è notevole. Di conseguenza, l'adesione tra il rivestimento e il substrato è scarsa e il rivestimento stesso non è sufficiente a garantire un supporto adeguato, con il rischio che si stacchi durante l'utilizzo. Questo non solo impedisce di sfruttare i vantaggi del rivestimento ceramico, ma le particelle di rivestimento ceramico che si staccano causano usura abrasiva sull'ingranaggio, accelerandone il deterioramento. 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 deposizione fisica da fase vapore (PVD) e altri processi o rivestimenti di trattamento superficiale, utilizzando due superfici/sottosuperfici separate per modificare la superficie del materiale del substrato e ottenere proprietà meccaniche composite non raggiungibili con un singolo processo di trattamento superficiale. Il rivestimento composito in TiN depositato mediante nitrurazione ionica e PVD è uno dei rivestimenti compositi più studiati. Il substrato nitrurato al plasma e il rivestimento composito ceramico in TiN presentano un forte legame e la resistenza all'usura risulta significativamente migliorata.
Lo spessore ottimale dello strato di film di TiN, che garantisce un'eccellente resistenza all'usura e un buon legame con la 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 in modo significativo. Se lo spessore dello strato di film è superiore a 5 μm, il legame con la base del film risulterà compromesso.
2. Rivestimento TiN multistrato e multicomponente
Con la graduale e diffusa applicazione dei rivestimenti in TiN, si moltiplicano le ricerche su come migliorarli e potenziarli. Negli ultimi anni, sono stati sviluppati rivestimenti multicomponenti e multistrato basati su rivestimenti binari in TiN, come Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, ecc. L'aggiunta di elementi come Al e Si ai rivestimenti in TiN permette di migliorarne la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura e la durezza, mentre l'aggiunta di elementi come il boro ne migliora la durezza e l'adesione.
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 discordanti. Alcuni ritengono che i rivestimenti (Tix,Cr1-x)N siano basati su TiN e che il Cr possa esistere solo sotto forma di soluzione solida di sostituzione nella matrice di punti di TiN, e 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 dimensione delle particelle superficiali e aumenta la durezza, che raggiunge il suo valore massimo quando la percentuale in massa di Cr raggiunge il 31%, ma anche la tensione interna del rivestimento raggiunge il suo valore massimo.
3、Altro strato di rivestimento
Oltre ai rivestimenti in TiN comunemente utilizzati, per il rinforzo delle superfici degli ingranaggi vengono impiegate diverse ceramiche tecniche.
(1)Y. Terauchi et al. del Giappone hanno studiato la resistenza all'usura da attrito di ingranaggi ceramici in carburo di titanio o nitruro di titanio depositati mediante il metodo di deposizione in fase 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 fase vapore (CVD) per il carburo di titanio e mediante deposizione fisica da fase 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 in presenza di olio e attrito a secco, rispettivamente. È stato riscontrato che la resistenza al grippaggio e la resistenza ai graffi della morsa per ingranaggi sono state sostanzialmente migliorate dopo il rivestimento con ceramica.
(2) È stato preparato un rivestimento composito di Ni-P e TiN rivestiti chimicamente mediante pre-rivestimento con Ni-P come strato di transizione e successiva deposizione di TiN. Lo studio mostra che la durezza superficiale di questo rivestimento composito è stata migliorata in una certa misura, e 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 di servizio tre volte superiore a quella degli ingranaggi temprati e rettificati ordinari 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 degli ingranaggi FEZ-A e FEZ-C, e l'esperimento ha dimostrato che il rivestimento PVD ha ridotto significativamente l'attrito degli ingranaggi, rendendoli meno suscettibili all'incollaggio a caldo o all'incollaggio e migliorandone la capacità di carico.
(4) pellicole di CrN
I film di CrN sono simili ai film di TiN in quanto presentano una maggiore durezza, e i film di CrN sono più resistenti all'ossidazione ad alta temperatura rispetto ai film di TiN, hanno una migliore resistenza alla corrosione, una minore tensione interna 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 legame basato sul film sulla superficie dell'HSS, e hanno anche proposto la teoria dell'impilamento delle dislocazioni del film multistrato: se la differenza di energia di dislocazione tra due strati è grande, 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 il 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 per attrito dei film di CrNx, e lo studio ha mostrato che il picco di diffrazione Cr2N (211) nei film si è gradualmente indebolito e il picco CrN (220) è gradualmente aumentato con l'aumento del contenuto di N2, le particelle grandi sulla superficie del film sono gradualmente diminuite e la superficie tendeva ad essere piatta. Quando l'aerazione di N2 era di 25 ml/min (corrente dell'arco della sorgente target era di 75 A), il film di CrN depositato ha una buona qualità superficiale, una buona durezza e un'eccellente resistenza all'usura quando l'aerazione di N2 è di 25 ml/min (corrente dell'arco della sorgente target è 75 A, pressione negativa è 100 V).
(5) Film super difficile
Il film superduro è un film solido con durezza superiore a 40 GPa, eccellente resistenza all'usura, resistenza alle alte temperature, basso coefficiente di attrito e basso coefficiente di dilatazione termica, costituito principalmente da film di diamante amorfo e film di CN. I film di diamante amorfo hanno proprietà amorfe, non presentano una struttura ordinata a lungo raggio e contengono un gran numero di legami tetraedrici CC, pertanto sono anche chiamati film di carbonio amorfo tetraedrico. Come tipo di film di carbonio amorfo, il rivestimento simile al diamante (DLC) possiede 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 con film simili al diamante sulle superfici degli ingranaggi può estendere la durata di servizio di un fattore 6 e migliorare significativamente la resistenza alla fatica. I film di CN, noti anche come film di carbonio-azoto amorfo, hanno una struttura cristallina simile a quella dei composti covalenti β-Si3N4 e sono anche noti come β-C3N4. Liu e Cohen et al. Sono stati effettuati rigorosi calcoli teorici utilizzando calcoli di banda pseudopotenziale dal principio primo-naturale, confermando 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 della lega
Sono stati inoltre sperimentati alcuni rivestimenti in lega resistenti all'usura da applicare agli ingranaggi; ad esempio, la deposizione di uno strato di lega Ni-P-Co sulla superficie del dente di ingranaggi in acciaio 45# consente di ottenere una struttura a grana ultrafine, che può prolungare la durata fino a 1,144-1,533 volte. È stato anche studiato l'applicazione di uno strato di metallo Cu e di un rivestimento in lega Ni-W sulla superficie del dente di ingranaggi in ghisa con lega Cu-Cr-P per migliorarne la resistenza; e l'applicazione di rivestimenti in lega Ni-W e Ni-Co sulla superficie del dente di ingranaggi in ghisa HT250 per migliorarne la resistenza all'usura di 4-6 volte rispetto agli ingranaggi non rivestiti.
Data di pubblicazione: 7 novembre 2022