Тісті жабын технологиясы

PVD тұндыру технологиясы көптеген жылдар бойы жаңа бетті модификациялау технологиясы, әсіресе вакуумдық иондық жабын технологиясы ретінде қолданылып келеді, ол соңғы жылдары үлкен дамуға ие болды және қазір құралдарды, қалыптарды, поршень сақиналарын, тісті доңғалақтарды және басқа да компоненттерді өңдеуде кеңінен қолданылады. Вакуумдық иондық жабын технологиясымен дайындалған жабынды тісті доңғалақтар үйкеліс коэффициентін айтарлықтай төмендетіп, тозуға қарсы және коррозияға қарсы қасиеттерді жақсарта алады және тісті доңғалақ бетін нығайту технологиясы саласындағы зерттеулердің назарында және қызу нүктесіне айналды.

Беріліс қораптары үшін қолданылатын кең таралған материалдар негізінен соғылған болат, шойын, шойын, түсті емес металдар (мыс, алюминий) және пластмассалар. Болат негізінен 45 болат, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl болып табылады. Төмен көміртекті болат негізінен 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo түрінде қолданылады. Соғылған болат жақсы өнімділігіне байланысты берілістерде кеңінен қолданылады, ал құйылған болат әдетте диаметрі > 400 мм және күрделі құрылымды беріліс қораптарын жасау үшін қолданылады. Шойын берілістер желімге және ойықтарға төзімді, бірақ соққыға және тозуға төзімділіктің болмауы негізінен тұрақты жұмыс үшін, қуаты төмен жылдамдықта немесе үлкен өлшемде және күрделі пішінде емес, майлаудың болмауы жағдайында жұмыс істей алады, ашық беріліс қорабына жарамды. Түсті металдарға қалайы қоласы, алюминий-темір қоласы және құйма алюминий қорытпасы жиі қолданылады, олар турбиналар немесе беріліс қораптарын жасауда жиі қолданылады, бірақ сырғанау және үйкеліске қарсы қасиеттері нашар, тек жеңіл, орташа жүктемелі және төмен жылдамдықты беріліс қораптарына қолданылады. Металл емес материалдан жасалған берілістер негізінен майсыз майлау және жоғары сенімділік сияқты арнайы талаптары бар кейбір салаларда қолданылады. Тұрмыстық техника, медициналық жабдықтар, тамақ машиналары және тоқыма машиналары сияқты төмен ластану сияқты жағдайлар саласы.

Беріліс жабынының материалдары

Инженерлік керамикалық материалдар жоғары беріктік пен қаттылыққа, әсіресе тамаша ыстыққа төзімділікке, төмен жылу өткізгіштікке және термиялық кеңеюге, жоғары тозуға төзімділікке және тотығуға төзімділікке ие өте перспективалы материалдар болып табылады. Көптеген зерттеулер керамикалық материалдардың ыстыққа төзімді және металдарға аз тозу қабілетіне ие екенін көрсетті. Сондықтан, тозуға төзімді бөлшектер үшін металл материалдардың орнына керамикалық материалдарды пайдалану үйкеліске төзімді субстраттың қызмет ету мерзімін ұзарта алады, жоғары температураға және жоғары тозуға төзімді материалдардың кейбірін, көп функциялы және басқа да қатаң талаптарды қанағаттандыра алады. Қазіргі уақытта инженерлік керамикалық материалдар қозғалтқыштың ыстыққа төзімді бөлшектерін, тозуға төзімді бөлшектердегі механикалық беріліс қорабын, коррозияға төзімді бөлшектердегі химиялық жабдықтарды және тығыздағыш бөлшектерді өндіруде қолданылып келеді, бұл керамикалық материалдарды кеңінен қолданудың болашағын көрсетеді.

Германия, Жапония, Америка Құрама Штаттары, Ұлыбритания және басқа да дамыған елдер инженерлік керамикалық материалдарды әзірлеуге және қолдануға үлкен мән береді, инженерлік керамиканы өңдеу теориясы мен технологиясын дамытуға көп ақша мен жұмыс күшін жұмсайды. Германия «SFB442» деп аталатын бағдарламаны іске қосты, оның мақсаты - PVD технологиясын пайдаланып, бөлшектердің бетіне қолайлы пленка синтездеу және қоршаған орта мен адам ағзасына зиянды майлау ортасын ауыстыру. Германиядағы PW Gold және басқалары SFB442 қаржыландыруын пайдаланып, домалау мойынтіректерінің бетіне жұқа пленкаларды жағу үшін PVD технологиясын қолданды және домалау мойынтіректерінің тозуға қарсы қасиеттері айтарлықтай жақсарғанын және бетіне жағылған пленкалар экстремалды қысыммен тозуға қарсы қоспалардың функциясын толығымен алмастыра алатынын анықтады. Германиядағы Йоахим, Франц және т.б. PVD технологиясын пайдаланып, WC/C пленкаларын дайындады, олар EP қоспалары бар майлағыштарға қарағанда жоғары тамаша шаршауға қарсы қасиеттерді көрсетеді, бұл зиянды қоспаларды жабындармен ауыстыру мүмкіндігін береді. Германияның Аахен техникалық университетінің Материалтану институтының Э. Лугшайдер және т.б. DFG (Герман зерттеу комиссиясы) қаржыландыруымен 100Cr6 болатына PVD технологиясын қолдана отырып, тиісті пленкаларды жағудан кейін шаршауға төзімділіктің айтарлықтай артқанын көрсетті. Сонымен қатар, Америка Құрама Штаттары General Motors шаршау шұңқырларының пайда болуына төзімділікті жақсарту үшін VolvoS80Turbo типті автомобиль берілістерінің беткі қабатын жағу пленкасын шығара бастады; әйгілі Timken компаниясы ES200 берілістерінің беткі қабатын шығарды; Германияда MAXIT тіркелген сауда белгісі бар беріліс жабыны пайда болды; Ұлыбританияда Graphit-iC және Dymon-iC тіркелген сауда белгілері бар беріліс жабындары да қолжетімді.

Механикалық берілістің маңызды қосалқы бөлшектері ретінде берілістер өнеркәсіпте маңызды рөл атқарады, сондықтан керамикалық материалдарды берілістерге қолдануды зерттеу өте маңызды практикалық маңызға ие. Қазіргі уақытта берілістерге қолданылатын инженерлік керамика негізінен келесідей.

1, TiN жабын қабаты
1, TiN

Иондық жабын TiN керамикалық қабаты - жоғары қаттылыққа, жоғары адгезия беріктігіне, төмен үйкеліс коэффициентіне, жақсы коррозияға төзімділікке және т.б. ие ең кең таралған беттік модификацияланған жабындардың бірі. Ол әртүрлі салаларда, әсіресе құрал-саймандар мен қалыптар өнеркәсібінде кеңінен қолданылып келеді. Берілістерге керамикалық жабынды қолдануға әсер ететін негізгі себеп - керамикалық жабын мен негіз арасындағы байланыс мәселесі. Берілістердің жұмыс жағдайлары мен әсер етуші факторлары құралдар мен қалыптарға қарағанда әлдеқайда күрделі болғандықтан, беріліс бетін өңдеуге бір TiN жабынын қолдану айтарлықтай шектеулі. Керамикалық жабынның жоғары қаттылық, төмен үйкеліс коэффициенті және коррозияға төзімділік артықшылықтары болғанымен, ол сынғыш және қалың жабын алу қиын, сондықтан оның сипаттамаларын ойнау үшін жабынды ұстап тұру үшін жоғары қаттылық пен жоғары беріктік негіз қажет. Сондықтан керамикалық жабын негізінен карбидті және жоғары жылдамдықты болат беттерінде қолданылады. Беріліс материалы керамикалық материалмен салыстырғанда жұмсақ, ал негіз бен жабынның табиғаты арасындағы айырмашылық үлкен, сондықтан жабын мен негіздің үйлесімі нашар, ал жабын жабынды ұстап тұруға жеткіліксіз, бұл жабынның пайдалану процесінде оңай түсіп қалуын тудырады, керамикалық жабынның артықшылықтарын көрсете алмайды, сонымен қатар түсіп кететін керамикалық жабын бөлшектері берілісте абразивті тозуды тудырады, берілістің тозуын тездетеді. Қазіргі шешім - керамика мен негіз арасындағы байланысты жақсарту үшін композиттік бетті өңдеу технологиясын пайдалану. Композиттік бетті өңдеу технологиясы физикалық бумен тұндыру жабыны мен басқа бетті өңдеу процестерінің немесе жабындарының үйлесімін білдіреді, екі бөлек бетті/төменгі бетті пайдаланып, бір бетті өңдеу процесімен қол жеткізу мүмкін емес композиттік механикалық қасиеттерді алу үшін негіз материалының бетін өзгертеді. Иондық азоттау және PVD арқылы тұндырылған TiN композиттік жабыны ең көп зерттелген композиттік жабындардың бірі болып табылады. Плазмалық азоттау негізі мен TiN керамикалық композиттік жабыны берік байланысқа ие және тозуға төзімділігі айтарлықтай жақсарады.

Тозуға төзімділігі және пленка негізімен байланысы тамаша TiN пленка қабатының оңтайлы қалыңдығы шамамен 3-4 мкм құрайды. Егер пленка қабатының қалыңдығы 2 мкм-ден аз болса, тозуға төзімділік айтарлықтай жақсармайды. Егер пленка қабатының қалыңдығы 5 мкм-ден асса, пленка негізімен байланысы төмендейді.

2, көп қабатты, көп компонентті TiN жабыны

TiN жабындарының біртіндеп және кеңінен қолданылуымен TiN жабындарын жақсарту және жақсарту бойынша зерттеулер көбейіп келеді. Соңғы жылдары Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 және т.б. сияқты екілік TiN жабындарына негізделген көп компонентті жабындар мен көп қабатты жабындар жасалды. TiN жабындарына Al және Si сияқты элементтерді қосу арқылы жабындардың жоғары температураға төзімділігі мен қаттылығын жақсартуға болады, ал B сияқты элементтерді қосу жабындардың қаттылығы мен адгезия беріктігін жақсарта алады.

Көп компонентті құрамның күрделілігіне байланысты бұл зерттеуде көптеген даулар бар. (Tix,Cr1-x)N көп компонентті жабындарын зерттеуде зерттеу нәтижелерінде үлкен дау туындайды. Кейбір адамдар (Tix,Cr1-x)N жабындары TiN-ге негізделген және Cr тек TiN нүктелік матрицасында ауыстырылатын қатты ерітінді түрінде ғана өмір сүре алады, бірақ бөлек CrN фазасы ретінде емес деп санайды. Басқа зерттеулер (Tix,Cr1-x)N жабындарында Ti атомдарын тікелей алмастыратын Cr атомдарының саны шектеулі екенін және қалған Cr синглет күйінде болатынын немесе N-мен қосылыстар түзетінін көрсетеді. Тәжірибелік нәтижелер жабынға Cr қосу беттік бөлшектердің өлшемін азайтып, қаттылықты арттыратынын, ал Cr-дің массалық пайызы 3л%-ға жеткенде жабынның қаттылығы ең жоғары мәнге жететінін, бірақ жабынның ішкі кернеуі де ең жоғары мәнге жететінін көрсетеді.

3, басқа жабын қабаты

Жиі қолданылатын TiN жабындарынан басқа, тісті доңғалақ бетін нығайту үшін көптеген әртүрлі инженерлік керамика қолданылады.

(1) Жапониялық Y. Terauchi және т.б. бумен тұндыру әдісімен тұндырылған титан карбиді немесе титан нитриді керамикалық берілістердің үйкеліс тозуына төзімділігін зерттеді. Жабу алдында берілістер шамамен HV720 беттік қаттылығына және 2,4 мкм беттік кедір-бұдырлыққа жету үшін карбюризацияланып, жылтыратылды, ал керамикалық жабындар титан карбиді үшін химиялық бумен тұндыру (CVD) және титан нитриді үшін физикалық бумен тұндыру (PVD) арқылы дайындалды, керамикалық қабықша қалыңдығы шамамен 2 мкм болды. Үйкеліс тозу қасиеттері сәйкесінше май және құрғақ үйкеліс болған кезде зерттелді. Керамикамен қапталғаннан кейін беріліс қысқышының тозу және сызаттарға төзімділігі айтарлықтай артқаны анықталды.

(2) Химиялық жолмен қапталған Ni-P және TiN композиттік жабыны Ni-P-ны өтпелі қабат ретінде алдын ала қаптау және содан кейін TiN-ді тұндыру арқылы дайындалды. Зерттеу бұл композиттік жабынның беткі қаттылығы белгілі бір дәрежеде жақсарғанын және жабынның негізге жақсырақ жабысып, тозуға төзімділігі жоғары екенін көрсетеді.

(3) Дәретхана/Құрылғы, B4C жұқа пленкасы
Жапония технологиялық институтының механикалық инженерия кафедрасының М. Муракава және т.б. берілістердің бетіне WC/C жұқа қабықшасын жағу үшін PVD технологиясын қолданды, және оның қызмет ету мерзімі майсыз майлау жағдайында кәдімгі сөндірілген және жерленген берілістерге қарағанда үш есе көп болды. Франц Дж және т.б. FEZ-A және FEZ-C берілістерінің бетіне WC/C және B4C жұқа қабықшасын жағу үшін PVD технологиясын қолданды, және тәжірибе PVD жабыны беріліс үйкелісін айтарлықтай азайтқанын, берілістің ыстық желімдеуге немесе желімдеуге аз сезімтал екенін және берілістің жүк көтергіштігін жақсартқанын көрсетті.

(4) CrN пленкалары
CrN пленкалары TiN пленкаларына ұқсас, себебі олардың қаттылығы жоғары, ал CrN пленкалары TiN-ге қарағанда жоғары температуралық тотығуға төзімдірек, коррозияға төзімділігі жақсырақ, TiN пленкаларына қарағанда ішкі кернеуі төмен және салыстырмалы түрде жақсы беріктікке ие. Чен Лин және т.б. HSS бетінде тамаша пленка негізіндегі байланысы бар тозуға төзімді TiAlCrN/CrN композиттік пленкасын дайындады, сондай-ақ көп қабатты пленканың дислокациялық қабаттасу теориясын ұсынды, егер екі қабат арасындағы дислокациялық энергия айырмашылығы үлкен болса, бір қабатта пайда болатын дислокация оның шекарасынан екінші қабатқа өтуі қиын болады, осылайша шекарада дислокациялық қабаттасу пайда болады және материалды нығайту рөлін атқарады. Чжун Бин және т.б. азот мөлшерінің CrNx пленкаларының фазалық құрылымы мен үйкеліс тозу қасиеттеріне әсерін зерттеді, және зерттеу пленкалардағы Cr2N (211) дифракциялық шыңы біртіндеп әлсірегенін және CrN (220) шыңы N2 мөлшерінің артуымен біртіндеп күшейгенін, пленка бетіндегі ірі бөлшектер біртіндеп азайып, беті тегіс болуға бейім екенін көрсетті. N2 аэрациясы 25 мл/мин болған кезде (нысаналы көздің доғалық тогы 75 А болғанда), тұндырылған CrN пленкасы жақсы беттік сапа, жақсы қаттылық және N2 аэрациясы 25 мл/мин болған кезде (нысаналы көздің доғалық тогы 75 А, теріс қысым 100 В) тамаша тозуға төзімділікке ие болады.

(5) Өте қатты фильм
Аса қатты пленка - қаттылығы 40 ГПа-дан асатын, тозуға төзімділігі жоғары, жоғары температураға төзімділігі төмен және үйкеліс коэффициенті төмен және жылу кеңею коэффициенті төмен қатты пленка, негізінен аморфты гауһар пленка және CN пленкасы. Аморфты гауһар пленкалары аморфты қасиеттерге ие, ұзақ қашықтықтағы реттелген құрылымы жоқ және көптеген CC тетраэдрлік байланыстарын қамтиды, сондықтан оларды тетраэдрлік аморфты көміртекті пленкалар деп те атайды. Аморфты көміртекті пленканың бір түрі ретінде гауһар тәрізді жабын (DLC) гауһар тәрізді көптеген тамаша қасиеттерге ие, мысалы, жоғары жылу өткізгіштік, жоғары қаттылық, жоғары серпімділік модулі, жылу кеңеюінің төмен коэффициенті, жақсы химиялық тұрақтылық, жақсы тозуға төзімділік және төмен үйкеліс коэффициенті. Тісті дөңгелектің беттеріне гауһар тәрізді пленкаларды жабу қызмет ету мерзімін 6 есеге ұзартып, шаршауға төзімділікті айтарлықтай жақсартатыны көрсетілген. CN пленкалары, сондай-ақ аморфты көміртек-азот пленкалары деп аталады, β-Si3N4 ковалентті қосылыстарына ұқсас кристалдық құрылымға ие және β-C3N4 деп те аталады. Liu және Cohen және т.б. бірінші табиғат принципінен псевдопотенциалды жолақ есептеулерін қолдана отырып, қатаң теориялық есептеулер жүргізілді, β-C3N4 жоғары байланыс энергиясына, тұрақты механикалық құрылымға, кем дегенде бір субтұрақты күйге ие бола алатынына және оның серпімділік модулі алмаспен салыстыруға болатынына, жақсы қасиеттеріне ие екеніне, бұл материалдың беткі қаттылығы мен тозуға төзімділігін тиімді түрде жақсартып, үйкеліс коэффициентін төмендете алатынына расталды.

(6) Басқа қорытпадан жасалған тозуға төзімді жабын қабаты
Кейбір қорытпа тозуға төзімді жабындар тісті доңғалақтарға да қолданылып көрді, мысалы, 45# болат тісті доңғалақтардың тіс бетіне Ni-P-Co қорытпа қабатын жағу өте ұсақ түйіршікті ұйымдастыруды алу үшін қорытпа қабаты болып табылады, бұл қызмет ету мерзімін 1,144 ~ 1,533 есеге дейін ұзарта алады. Сондай-ақ, Cu-Cr-P қорытпасынан жасалған шойын тісті доңғалақтың беріктігін арттыру үшін оның тіс бетіне Cu металл қабаты және Ni-W қорытпасынан жасалған жабын жағылатыны зерттелді; HT250 шойын тісті доңғалақтың тіс бетіне Ni-W және Ni-Co қорытпасынан жасалған жабын жағылып, тозуға төзімділікті қапталмаған тісті доңғалақпен салыстырғанда 4 ~ 6 есеге арттырады.