טכנולוגיית ציפוי גלגלי שיניים

טכנולוגיית ציפוי PVD נהוגה מזה שנים רבות כטכנולוגיית שינוי פני שטח חדשה, ובמיוחד טכנולוגיית ציפוי יוני ואקום, אשר צברה פיתוח רב בשנים האחרונות וכיום נמצאת בשימוש נרחב בטיפול בכלים, תבניות, טבעות בוכנה, גלגלי שיניים ורכיבים אחרים. גלגלי שיניים מצופים המוכנים בטכנולוגיית ציפוי יוני ואקום יכולים להפחית משמעותית את מקדם החיכוך, לשפר את עמידות הבלאי ואת עמידות הקורוזיה, והפכו למוקד ולנקודה חמה של מחקר בתחום טכנולוגיית חיזוק פני השטח של גלגלי שיניים.

החומרים הנפוצים המשמשים להילוכים הם בעיקר פלדה מחושלת, פלדה יצוקה, ברזל יצוק, מתכות לא ברזליות (נחושת, אלומיניום) ופלסטיק. פלדה היא בעיקר פלדה 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. פלדה דלת פחמן משמשת בעיקר ב-20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. פלדה מחושלת נמצאת בשימוש נרחב יותר בהילוכים בשל ביצועיה הטובים יותר, בעוד שפלדה יצוקה משמשת בדרך כלל לייצור הילוכים בקוטר של יותר מ-400 מ"מ ובמבנה מורכב. גלגלי שיניים מברזל יצוק עמידים בפני דבק ופקקים, אך אינם עמידים בפני פגיעות ובלאי, מה שמאפשר עבודה יציבה, כוח במהירות נמוכה או גודל גדול וצורה מורכבת, ויכולים לעבוד בתנאים של חוסר סיכה, ומתאימים לתיבת הילוכים פתוחה. מתכות לא ברזליות הנפוצות הן ברונזה מבדיל, ברונזה מאלומיניום-ברזל וסגסוגת אלומיניום יציקה, המשמשות בדרך כלל לייצור טורבינות או גלגלי שיניים, אך תכונות ההחלקה וההתנגדות לחיכוך ירודות, ומתאימים רק לגלגלי שיניים קלים, בינוניים ובעלי מהירות נמוכה. גלגלי שיניים מחומרים לא מתכתיים משמשים בעיקר בתחומים מסוימים עם דרישות מיוחדות, כגון שימון ללא שמן ואמינות גבוהה. בתחומים של זיהום נמוך, כמו מכשירי חשמל ביתיים, ציוד רפואי, מכונות מזון ומכונות טקסטיל.

חומרי ציפוי גלגלי שיניים

חומרים קרמיים הנדסיים הם חומרים מבטיחים ביותר בעלי חוזק וקשיחות גבוהים, במיוחד עמידות מצוינת בחום, מוליכות תרמית נמוכה והתפשטות תרמית, עמידות גבוהה בפני שחיקה ועמידות גבוהה בפני חמצון. מספר רב של מחקרים הראו שחומרים קרמיים עמידים בחום מטבעם ובעלי שחיקה נמוכה על מתכות. לכן, השימוש בחומרים קרמיים במקום חומרי מתכת עבור חלקים עמידים בפני שחיקה יכול לשפר את חיי תת החיכוך, לעמוד בדרישות של חומרים עמידים בפני טמפרטורה גבוהה ובלאי גבוה, רב-תכליתיים ודרישות קשות אחרות. כיום, חומרים קרמיים הנדסיים משמשים לייצור חלקים עמידים בחום של מנועים, חלקי שידור מכניים בחלקי שחיקה, חלקים עמידים בפני קורוזיה בציוד כימי וחלקי איטום, ומראים יותר ויותר את אפשרויות היישום הנרחבות של חומרים קרמיים.

מדינות מפותחות כמו גרמניה, יפן, ארצות הברית, בריטניה ומדינות אחרות מייחסות חשיבות רבה לפיתוח ויישום של חומרי קרמיקה הנדסיים, ומשקיעות כסף וכוח אדם רבים בפיתוח תורת העיבוד והטכנולוגיה של קרמיקה הנדסית. גרמניה השיקה תוכנית בשם "SFB442", שמטרתה להשתמש בטכנולוגיית PVD כדי לסנתז שכבה מתאימה על פני החלקים כדי להחליף את חומר הסיכה שעלול להיות מזיק לסביבה ולגוף האדם. PW Gold ואחרים בגרמניה השתמשו במימון מ-SFB442 כדי ליישם טכנולוגיית PVD כדי להפקיד שכבות דקות על פני השטח של מיסבים מתגלגלים וגילו כי ביצועי מניעת הבלאי של מיסבים מתגלגלים השתפרו משמעותית והשכבות המופקדות על פני השטח יכולות להחליף לחלוטין את תפקידם של תוספים נגד בלאי בלחץ קיצוני. יואכים, פרנץ ואחרים בגרמניה השתמשו בטכנולוגיית PVD כדי להכין שכבות WC/C שהפגינו תכונות מצוינות נגד עייפות, גבוהות מאלה של חומרי סיכה המכילים תוספי EP, תוצאה שמאפשרת באופן דומה להחליף תוספים מזיקים בציפויים. E. Lugscheider ואחרים מהמכון למדעי החומרים, האוניברסיטה הטכנית של אכן, גרמניה, במימון DFG (ועדת המחקר הגרמנית), הדגימו עלייה משמעותית בעמידות לעייפות לאחר הפקדת שכבות מתאימות על פלדת 100Cr6 באמצעות טכנולוגיית PVD. בנוסף, ג'נרל מוטורס האמריקאית החלה ב... סרט שקיעת פני השטח של גלגלי שיניים מסוג VolvoS80Turbo לשיפור העמידות בפני חוררות עייפות; חברת Timken המפורסמת השיקה את סרט פני השטח של גלגלי שיניים בשם ES200; ציפוי גלגלי שיניים MAXIT הופיע בגרמניה, הסימנים המסחריים הרשום; ציפויי גלגלי שיניים עם הסימנים המסחריים הרשומים Graphit-iC ו-Dymon-iC בהתאמה זמינים גם בבריטניה.

כחלקי חילוף חשובים של תיבת הילוכים מכנית, גלגלי שיניים ממלאים תפקיד חשוב בתעשייה, ולכן יש חשיבות מעשית רבה לחקר היישום של חומרים קרמיים על גלגלי שיניים. כיום, הקרמיקה ההנדסית המיושמת על גלגלי שיניים היא בעיקר כדלקמן.

1. שכבת ציפוי TiN
1. TiN

שכבת קרמיקה TiN בציפוי יונים היא אחת מציפויי השטח שעברו שינוי מדויק הנפוצים ביותר, בעלת קשיות גבוהה, חוזק הידבקות גבוה, מקדם חיכוך נמוך, עמידות טובה בפני קורוזיה ועוד. היא נמצאת בשימוש נרחב בתחומים שונים, במיוחד בתעשיית הכלים והתבניות. הסיבה העיקרית המשפיעה על יישום ציפוי קרמי על גלגלי שיניים היא בעיית ההדבקה בין הציפוי הקרמי למצע. מכיוון שתנאי העבודה וגורמי ההשפעה של גלגלי שיניים מורכבים בהרבה מאלה של כלים ותבניות, יישום ציפוי TiN יחיד על משטח טיפולי של גלגלי שיניים מוגבל מאוד. למרות שלציפוי הקרמי יש יתרונות של קשיות גבוהה, מקדם חיכוך נמוך ועמידות בפני קורוזיה, הוא שביר וקשה להשיג ציפוי עבה יותר, ולכן הוא זקוק למצע בעל קשיות גבוהה וחוזק גבוה כדי לתמוך בציפוי על מנת לממש את תכונותיו. לכן, ציפוי קרמי משמש בעיקר למשטחי קרביד ופלדה מהירה. חומר גלגל השיניים רך בהשוואה לחומר הקרמי, וההבדל בין אופי המצע לציפוי גדול, כך שהשילוב של הציפוי והמצע גרוע, והציפוי אינו מספיק כדי לתמוך בציפוי, מה שהופך את הציפוי לנשירה קלה בתהליך השימוש. לא רק שלא ניתן לממש את יתרונות הציפוי הקרמי, אלא שחלקיקי ציפוי הקרמי הנושרים יגרמו לבלאי שוחק של גלגל השיניים, ויאיצו את אובדן הבלאי של גלגל השיניים. הפתרון הנוכחי הוא להשתמש בטכנולוגיית טיפול פני שטח מרוכבים כדי לשפר את הקשר בין הקרמיקה למצע. טכנולוגיית טיפול פני שטח מרוכבים מתייחסת לשילוב של ציפוי שקיעת אדים פיזיקלי ותהליכי טיפול פני שטח או ציפויים אחרים, תוך שימוש בשני משטחים/תת-משטחים נפרדים כדי לשנות את פני השטח של חומר המצע כדי להשיג תכונות מכניות מרוכבות שלא ניתן להשיג בתהליך טיפול פני שטח יחיד. ציפוי מרוכב TiN המופקד על ידי ניטריד יונים ו-PVD הוא אחד הציפויים המרוכבים הנחקרים ביותר. למצע ניטריד פלזמה ולציפוי מרוכב קרמי TiN יש קשר חזק ועמידות הבלאי משופרת משמעותית.

העובי האופטימלי של שכבת סרט TiN עם עמידות מצוינת בפני שחיקה והדבקה בבסיס הסרט הוא כ-3~4 מיקרומטר. אם עובי שכבת הסרט קטן מ-2 מיקרומטר, עמידות הבלאי לא תשתפר באופן משמעותי. אם עובי שכבת הסרט גדול מ-5 מיקרומטר, הדבקה בבסיס הסרט תפחת.

2、ציפוי TiN רב שכבתי ורב רכיבי

עם היישום ההדרגתי והנפוץ של ציפויי TiN, ישנם יותר ויותר מחקרים על כיצד לשפר ולחזק ציפויי TiN. בשנים האחרונות פותחו ציפויים רב-רכיביים וציפויים רב-שכבתיים המבוססים על ציפויי TiN בינאריים, כגון Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 וכו'. על ידי הוספת יסודות כגון Al ו-Si לציפויי TiN, ניתן לשפר את העמידות בפני חמצון בטמפרטורה גבוהה ואת קשיות הציפויים, בעוד שהוספת יסודות כגון B יכולה לשפר את הקשיות וחוזק ההידבקות של הציפויים.

בשל מורכבות ההרכב הרב-רכיבי, ישנן מחלוקות רבות במחקר זה. במחקר ציפויים רב-רכיביים (Tix,Cr1-x)N, קיימת מחלוקת גדולה בתוצאות המחקר. יש הסבורים שציפויי (Tix,Cr1-x)N מבוססים על TiN, ו-Cr יכול להתקיים רק בצורה של תמיסה מוצקה חלופית במטריצת הנקודות של TiN, אך לא כפאזה נפרדת של CrN. מחקרים אחרים מראים שמספר אטומי ה-Cr המחליפים ישירות אטומי Ti בציפויי (Tix,Cr1-x)N מוגבל, וה-Cr הנותר קיים במצב סינגלט או יוצר תרכובות עם N. תוצאות הניסוי מראות שתוספת Cr לציפוי מקטינה את גודל החלקיקים על פני השטח ומגדילה את הקשיות, וקשיות הציפוי מגיעה לערכה הגבוה ביותר כאשר אחוז המסה של Cr מגיע ל-3l%, אך גם המאמץ הפנימי של הציפוי מגיע לערכה המקסימלי.

3, שכבת ציפוי אחרת

בנוסף לציפויי TiN הנפוצים, משתמשים בקרמיקה הנדסית רבה ושונה לחיזוק פני השטח של גלגלי שיניים.

(1) י. טראוצ'י ועמיתיו מיפן חקרו את העמידות בפני שחיקה חיכוכית של גלגלי שיניים קרמיים מטיטניום קרביד או טיטניום ניטריד שהופקדו בשיטת שקיעת אדים. גלגלי השיניים עברו קרבורציה וליטוש כדי להשיג קשיות פני שטח של כ-HV720 וחספוס פני שטח של 2.4 מיקרון לפני הציפוי, והציפויים הקרמיים הוכנו באמצעות שקיעת אדים כימית (CVD) עבור טיטניום קרביד ובשקיעת אדים פיזיקלית (PVD) עבור טיטניום ניטריד, עם עובי שכבת קרמיקה של כ-2 מיקרון. תכונות הבלאי החיכוכית נחקרו בנוכחות שמן וחיכוך יבש, בהתאמה. נמצא כי העמידות בפני גירוד ועמידות בפני שריטות של מלחציים של גלגל השיניים השתפרו משמעותית לאחר הציפוי בקרמיקה.

(2) ציפוי מרוכב של Ni-P ו-TiN מצופים כימית הוכן על ידי ציפוי מקדים של Ni-P כשכבת מעבר ולאחר מכן הפקדת TiN. המחקר מראה כי קשיות פני השטח של ציפוי מרוכב זה שופרה במידה מסוימת, והציפוי מחובר טוב יותר למצע ובעל עמידות טובה יותר בפני שחיקה.

(3) WC/C, סרט דק B4C
מ. מוראקאווה ואחרים, מהמחלקה להנדסת מכונות, המכון הטכנולוגי של יפן, השתמשו בטכנולוגיית PVD כדי להניח שכבה דקה של WC/C על פני השטח של גלגלי שיניים, וחיי השירות שלה היו פי שלושה מזה של גלגלי שיניים רגילים שעברו קירור וגיר מלוטש בתנאי שימון ללא שמן. פרנץ ג' ועמיתיו השתמשו בטכנולוגיית PVD כדי להניח שכבה דקה של WC/C ו-B4C על פני השטח של גלגלי שיניים FEZ-A ו-FEZ-C, והניסוי הראה שציפוי ה-PVD הפחית משמעותית את חיכוך גלגלי השיניים, הפך את גלגל השיניים לפחות רגיש להדבקה חמה או הדבקה, ושיפר את כושר נשיאת העומס של גלגל השיניים.

(4) סרטי CrN
סרטי CrN דומים לסרטי TiN בכך שיש להם קשיות גבוהה יותר, וסרטי CrN עמידים יותר לחמצון בטמפרטורה גבוהה מאשר TiN, בעלי עמידות טובה יותר בפני קורוזיה, מאמץ פנימי נמוך יותר מסרטי TiN, וקשיחות טובה יותר יחסית. צ'ן לינג ועמיתיו הכינו סרט מרוכב TiAlCrN/CrN עמיד בפני שחיקה עם הדבקה מצוינת מבוססת סרט על פני השטח של HSS, וגם הציעו את תיאוריית הערימה של פריקה של סרט רב שכבתי, שאם הפרש אנרגיית הפריקה בין שתי שכבות גדול, הפריקה המתרחשת בשכבה אחת תהיה קשה לחצות את הממשק שלה לשכבה השנייה, ובכך תיווצר הערימה של פריקה בממשק ותמלא תפקיד בחיזוק החומר. ג'ונג בין ועמיתיו חקרו את השפעת תכולת החנקן על מבנה הפאזה ותכונות הבלאי החיכוכיות של סרטי CrNx, והמחקר הראה ששיא הדיפרקציה של Cr2N (211) בסרטים נחלש בהדרגה ושיא ה-CrN (220) גדל בהדרגה עם עליית תכולת ה-N2, החלקיקים הגדולים על פני השטח של הסרט פחתו בהדרגה והמשטח נטה להיות שטוח. כאשר אוורור ה-N2 היה 25 מ"ל/דקה (זרם קשת המקור היעד היה 75 אמפר, לסרט ה-CrN שהופקד יש איכות פני שטח טובה, קשיות טובה ועמידות מצוינת בפני שחיקה כאשר אוורור ה-N2 הוא 25 מ"ל/דקה (זרם קשת המקור היעד הוא 75 אמפר, לחץ שלילי הוא 100 וולט).

(5) סרט קשיח במיוחד
סרט סופר-קשה הוא סרט מוצק בעל קשיות גדולה מ-40GPa, עמידות מצוינת בפני שחיקה, עמידות בטמפרטורה גבוהה, מקדם חיכוך נמוך ומקדם התפשטות תרמית נמוך, בעיקר סרט יהלום אמורפי וסרט CN. סרטי יהלום אמורפיים הם בעלי תכונות אמורפיות, ללא מבנה מסודר ארוך טווח, ומכילים מספר רב של קשרים טטרהדרליים של CC, ולכן הם נקראים גם סרטי פחמן אמורפיים טטרהדרליים. כסוג של סרט פחמן אמורפי, לציפוי דמוי יהלום (DLC) יש תכונות מצוינות רבות הדומות ליהלום, כגון מוליכות תרמית גבוהה, קשיות גבוהה, מודול אלסטיות גבוה, מקדם התפשטות תרמית נמוך, יציבות כימית טובה, עמידות טובה בפני שחיקה ומקדם חיכוך נמוך. הוכח כי ציפוי סרטים דמויי יהלום על משטחי גלגלי שיניים יכול להאריך את חיי השירות פי 6 ולשפר משמעותית את עמידות העייפות. סרטי CN, הידועים גם כסרטים אמורפיים של פחמן-חנקן אמורפיים, בעלי מבנה גבישי דומה לזה של תרכובות קוולנטיות β-Si3N4 והם ידועים גם כ-β-C3N4. ליו וכהן ואחרים. ביצעו חישובים תיאורטיים קפדניים באמצעות חישובי פס פסאודו-פוטנציאלי מעקרון הטבע הראשון, אישרו כי ל-β-C3N4 אנרגיית קשירה גדולה, מבנה מכני יציב, לפחות מצב תת-יציב אחד יכול להתקיים, ומודול האלסטיות שלו דומה ליהלום, עם תכונות טובות, שיכולות לשפר ביעילות את קשיות פני השטח ואת עמידות הבלאי של החומר ולהפחית את מקדם החיכוך.

(6) שכבת ציפוי עמידה בפני שחיקה מסגסוגת אחרת
ציפויים עמידים בפני שחיקה מסגסוגות מסוימות נוסו גם הם ליישם על גלגלי שיניים, לדוגמה, שכבת סגסוגת Ni-P-Co על פני השן של גלגלי שיניים מפלדה 45# היא שכבת סגסוגת כדי להשיג ארגון גרגירים דק במיוחד, מה שיכול להאריך את תוחלת החיים עד פי 1.144~1.533. כמו כן, נחקר כי שכבת מתכת Cu וציפוי סגסוגת Ni-W מורחים על פני השן של גלגל שיניים מברזל יצוק מסגסוגת Cu-Cr-P כדי לשפר את חוזקו; ציפוי סגסוגת Ni-W וסגסוגת Ni-Co מורחים על פני השן של גלגל שיניים מברזל יצוק HT250 כדי לשפר את עמידות הבלאי פי 4~6 בהשוואה לגלגל שיניים ללא ציפוי.