Тиштүү каптоо технологиясы

PVD чөктүрүү технологиясы көп жылдардан бери жаңы бетти модификациялоо технологиясы, айрыкча вакуумдук иондук каптоо технологиясы катары колдонулуп келет, ал акыркы жылдары чоң өнүгүп, азыр шаймандарды, калыптарды, поршень шакекчелерин, тиштүү дөңгөлөктөрдү жана башка компоненттерди иштетүүдө кеңири колдонулат. Вакуумдук иондук каптоо технологиясы менен даярдалган капталган тиштүү дөңгөлөктөр сүрүлүү коэффициентин бир топ төмөндөтүп, эскирүүгө каршы жана белгилүү бир коррозияга каршы касиеттерин жакшыртып, тиштүү дөңгөлөктөрдүн бетин бекемдөө технологиясы жаатындагы изилдөөлөрдүн чордонуна жана эң кызыган жерине айланды.

Тиштүү дөңгөлөктөр үчүн колдонулган кеңири таралган материалдар негизинен согулган болот, куюлган болот, чоюн, түстүү эмес металлдар (жез, алюминий) жана пластмассалар. Болот негизинен 45 болот, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Төмөн көмүртектүү болот негизинен 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo колдонулат. Согулган болот жакшы иштөөсүнөн улам тиштүү дөңгөлөктөрдө кеңири колдонулат, ал эми куюлган болот көбүнчө диаметри > 400 мм жана татаал түзүлүштөгү тиштүү дөңгөлөктөрдү жасоодо колдонулат. Чоюн тиштүү дөңгөлөктөр желимге жана чуңкурга туруктуу, бирок соккуга жана эскирүүгө туруктуу эмес, негизинен туруктуу иштөө үчүн, кубаттуулук аз ылдамдыкта же чоң өлчөмдө жана татаал формада эмес, майлоочу майлоочу каражаттын жоктугу шартында иштей алат, ачык трансмиссияга ылайыктуу. Түстүү эмес металлдар көбүнчө калай коло, алюминий-темир коло жана куюучу алюминий эритмеси болуп саналат, алар көбүнчө турбиналар же тиштүү дөңгөлөктөрдү жасоодо колдонулат, бирок жылмакай жана сүрүлүүгө каршы касиеттери начар, жеңил, орто жүктүү жана аз ылдамдыктагы тиштүү дөңгөлөктөр үчүн гана колдонулат. Металл эмес материалдан жасалган тиштүү дөңгөлөктөр негизинен майсыз майлоо жана жогорку ишенимдүүлүк сыяктуу атайын талаптары бар айрым тармактарда колдонулат. Бул тармакта тиричилик техникалары, медициналык жабдуулар, тамак-аш машиналары жана текстиль машиналары сыяктуу аз булгануу сыяктуу шарттар бар.

Тиштүү каптоо материалдары

Инженердик керамикалык материалдар жогорку бекемдикке жана катуулукка, айрыкча ысыкка мыкты туруктуулукка, төмөнкү жылуулук өткөрүмдүүлүгүнө жана жылуулук кеңейүүсүнө, жогорку эскирүүгө жана кычкылданууга туруктуулукка ээ болгон өтө келечектүү материалдар болуп саналат. Көптөгөн изилдөөлөр керамикалык материалдар табиятынан ысыкка туруктуу жана металлдарга аз эскирүүгө ээ экенин көрсөттү. Ошондуктан, эскирүүгө туруктуу тетиктер үчүн металл материалдардын ордуна керамикалык материалдарды колдонуу сүрүлүү подшипниктеринин иштөө мөөнөтүн жакшырта алат, кээ бир жогорку температурага жана жогорку эскирүүгө туруктуу материалдарды, көп функциялуу жана башка катаал талаптарды канааттандыра алат. Учурда инженердик керамикалык материалдар кыймылдаткычтын ысыкка туруктуу тетиктерин, эскирүүгө туруктуу тетиктердеги механикалык трансмиссияны, коррозияга туруктуу тетиктердеги химиялык жабдууларды жана пломбалоочу тетиктерди өндүрүүдө колдонулуп, керамикалык материалдардын кеңири колдонулуш келечегин көрсөтүп жатат.

Германия, Япония, АКШ, Улуу Британия жана башка өнүккөн өлкөлөр инженердик керамикалык материалдарды иштеп чыгууга жана колдонууга чоң маани беришет, инженердик керамиканы кайра иштетүү теориясын жана технологиясын иштеп чыгуу үчүн көп акча жана жумушчу күчүн жумшашат. Германия "SFB442" деп аталган программаны ишке киргизди, анын максаты - PVD технологиясын колдонуп, тетиктердин бетине ылайыктуу пленканы синтездеп, айлана-чөйрөгө жана адам денесине зыяндуу майлоочу чөйрөнү алмаштыруу. Германиядагы PW Gold жана башкалар SFB442ден алынган каржылоону колдонуп, тоголок подшипниктердин бетине жука пленкаларды жайгаштыруу үчүн PVD технологиясын колдонушту жана тоголок подшипниктердин эскирүүгө каршы касиети бир кыйла жакшырганын жана бетке жайгаштырылган пленкалар өтө басымдуу эскирүүгө каршы кошулмалардын функциясын толугу менен алмаштыра аларын аныкташты. Германиядагы Йоахим, Франц жана башкалар PVD технологиясын колдонуп, WC/C пленкаларын даярдашкан, алар EP кошулмаларын камтыган майлоочу материалдарга караганда эң сонун чарчоого каршы касиеттерди көрсөтүшкөн, бул зыяндуу кошулмаларды каптоолор менен алмаштыруу мүмкүнчүлүгүн берет. Германиянын Аахен техникалык университетинин Материал таануу институтунун Э. Лугшайдер жана башкалар DFG (Герман изилдөө комиссиясы) каржылоосу менен 100Cr6 болотуна PVD технологиясын колдонуп, тиешелүү пленкаларды жайгаштыргандан кийин чарчоого туруктуулуктун олуттуу жогорулаганын көрсөтүштү. Мындан тышкары, Америка Кошмо Штаттары General Motors чарчоодон улам пайда болгон тешиктердин пайда болушуна туруктуулугун жогорулатуу үчүн VolvoS80Turbo тибиндеги унаа тиштеринин бетин жабуу пленкасын чыгара баштады; атактуу Timken компаниясы ES200 деген аталыштагы тиштеринин бетин жабуу пленкасын чыгарды; Германияда MAXIT катталган соода белгиси пайда болду; Graphit-iC жана Dymon-iC катталган соода белгилери менен белгиленген Graphit-iC жана Dymon-iC тиштеринин каптоолору Улуу Британияда да бар.

Механикалык трансмиссиянын маанилүү запастык бөлүктөрү катары тиштүү дөңгөлөктөр өнөр жайда маанилүү ролду ойнойт, андыктан тиштүү дөңгөлөктөрдө керамикалык материалдарды колдонууну изилдөө абдан маанилүү практикалык мааниге ээ. Учурда тиштүү дөңгөлөктөргө колдонулган инженердик керамика негизинен төмөнкүлөр.

1, TiN каптоо катмары
1, TiN

Иондук каптоо TiN керамикалык катмары жогорку катуулук, жогорку адгезия күчү, төмөн сүрүлүү коэффициенти, жакшы коррозияга туруктуулугу ж.б. менен эң кеңири колдонулган беттик модификацияланган каптоолордун бири болуп саналат. Ал ар кандай тармактарда, айрыкча шаймандар жана калыптар өнөр жайында кеңири колдонулуп келет. Тиштүү дөңгөлөктөргө керамикалык каптоону колдонууга таасир этүүчү негизги себеп - керамикалык каптоо менен негиздин ортосундагы байланыш көйгөйү. Тиштүү дөңгөлөктөрдүн иштөө шарттары жана таасир этүүчү факторлору шаймандар менен калыптарга караганда алда канча татаал болгондуктан, тиштүү дөңгөлөктүн бетин иштетүүгө бир TiN каптоосун колдонуу бир топ чектелүү. Керамикалык каптоо жогорку катуулук, төмөн сүрүлүү коэффициенти жана коррозияга туруктуулук сыяктуу артыкчылыктарга ээ болгону менен, ал морт жана калыңыраак каптоону алуу кыйын, андыктан анын мүнөздөмөлөрүн ойнотуу үчүн каптоону колдоо үчүн жогорку катуулук жана жогорку бекемдиктеги негиз керек. Ошондуктан, керамикалык каптоо көбүнчө карбид жана жогорку ылдамдыктагы болот беттери үчүн колдонулат. Тиштүү дөңгөлөктүн материалы керамикалык материалга салыштырмалуу жумшак жана субстрат менен каптоонун мүнөзүнүн ортосундагы айырма чоң, ошондуктан каптоо менен субстраттын айкалышы начар жана каптоо каптоону колдоо үчүн жетишсиз, бул каптоону колдонуу процессинде оңой түшүп калышына алып келет, керамикалык каптоонун артыкчылыктарын гана ойной албастан, түшүп калган керамикалык каптоо бөлүкчөлөрү тиштүү дөңгөлөктүн абразивдик эскиришине алып келип, тиштүү дөңгөлөктүн эскирүүсүн тездетет. Учурдагы чечим - керамика менен субстраттын ортосундагы байланышты жакшыртуу үчүн композиттик беттик иштетүү технологиясын колдонуу. Композиттик беттик иштетүү технологиясы физикалык буу чөктүрүү каптоосун жана башка беттик иштетүү процесстерин же каптоолорду айкалыштырууну билдирет, эки өзүнчө бетти/жер астынкы беттерди колдонуп, субстрат материалынын бетин бир беттик иштетүү процесси менен жетишүүгө мүмкүн болбогон композиттик механикалык касиеттерди алуу үчүн өзгөртөт. Иондук азоттоо жана PVD аркылуу чөктүрүлгөн TiN композиттик каптоосу эң изилденген композиттик каптоолордун бири. Плазмалык азоттоо субстраты жана TiN керамикалык композиттик каптоосу күчтүү байланышка ээ жана эскирүүгө туруктуулугу бир топ жакшырган.

Эң сонун эскирүүгө туруктуу жана пленканын негизинин байланышы бар TiN пленка катмарынын оптималдуу калыңдыгы болжол менен 3~4 мкм. Эгерде пленка катмарынын калыңдыгы 2 мкмден аз болсо, эскирүүгө туруктуулук олуттуу жакшырбайт. Эгерде пленка катмарынын калыңдыгы 5 мкмден ашык болсо, пленканын негизинин байланышы азаят.

2, көп катмарлуу, көп компоненттүү TiN каптоо

TiN каптамаларынын акырындык менен жана кеңири колдонулушу менен, TiN каптамаларын жакшыртуу жана жакшыртуу боюнча изилдөөлөр барган сайын көбөйүүдө. Акыркы жылдары TiN каптамаларынын негизинде Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 ж.б. сыяктуу көп компоненттүү жана көп катмарлуу каптамалар иштелип чыкты. TiN каптамаларына Al жана Si сыяктуу элементтерди кошуу менен каптамалардын жогорку температурадагы кычкылданууга туруктуулугун жана катуулугун жакшыртууга болот, ал эми B сыяктуу элементтерди кошуу каптамалардын катуулугун жана адгезия күчүн жакшырта алат.

Көп компоненттүү курамдын татаалдыгынан улам, бул изилдөөдө көптөгөн талаш-тартыштар бар. (Tix,Cr1-x)N көп компоненттүү каптоолорду изилдөөдө изилдөөнүн жыйынтыктарында чоң талаш-тартыштар бар. Айрым адамдар (Tix,Cr1-x)N каптоолору TiNге негизделген жана Cr TiN чекиттүү матрицасында алмаштыруучу катуу эритме түрүндө гана болушу мүмкүн, бирок өзүнчө CrN фазасы катары эмес деп эсептешет. Башка изилдөөлөр (Tix,Cr1-x)N каптоолорунда Ti атомдорун түздөн-түз алмаштырган Cr атомдорунун саны чектелүү экенин жана калган Cr синглет абалында же N менен кошулмаларды пайда кылаарын көрсөтөт. Эксперименталдык жыйынтыктар каптоого Cr кошуу беттик бөлүкчөлөрдүн өлчөмүн азайтып, катуулугун жогорулатаарын жана каптоонун катуулугу Crдин массалык пайызы 3l% жеткенде эң жогорку мааниге жетерин, бирок каптоонун ички чыңалуусу да максималдуу мааниге жетерин көрсөтүп турат.

3, башка каптоо катмары

Көп колдонулган TiN каптоолорунан тышкары, тиштүү дөңгөлөктүн бетин бекемдөө үчүн көптөгөн ар кандай инженердик керамика колдонулат.

(1) Япониялык Y. Terauchi жана башкалар буу менен чөктүрүү ыкмасы менен чөктүрүлгөн титан карбидинин же титан нитридинин керамикалык тиштүү дөңгөлөктөрүнүн сүрүлүү эскирүүсүнө туруктуулугун изилдешкен. Тиштүү дөңгөлөктөр каптоодон мурун HV720 беттик катуулугуна жана 2,4 мкм беттик тегиздигине жетүү үчүн карбюризацияланып, жылтыратылган, ал эми керамикалык каптоолор титан карбиди үчүн химиялык буу менен чөктүрүү (CVD) жана титан нитриди үчүн физикалык буу менен чөктүрүү (PVD) аркылуу даярдалган, керамикалык пленканын калыңдыгы болжол менен 2 мкм болгон. Сүрүлүү эскирүү касиеттери тиешелүүлүгүнө жараша май жана кургак сүрүлүү учурунда изилденген. Тиштүү дөңгөлөктүн тиштүү дөңгөлөктөрүнүн ийилүүгө жана чийилүүгө туруктуулугу керамика менен капталгандан кийин бир топ жогорулаганы аныкталган.

(2) Химиялык жол менен капталган Ni-P жана TiNден турган композиттик каптоо Ni-Pди өткөөл катмар катары алдын ала каптап, андан кийин TiNди чөктүрүү жолу менен даярдалган. Изилдөө көрсөткөндөй, бул композиттик каптоонун беттик катуулугу белгилүү бир деңгээлде жакшырган жана каптоо негиз менен жакшыраак байланышып, эскирүүгө туруктуулугу жогору.

(3) WC/C, B4C жука пленкасы
Япония технология институтунун механикалык инженерия бөлүмүнүн башчысы М. Муракава жана башкалар тиштүү дөңгөлөктөрдүн бетине WC/C жука пленкасын түшүрүү үчүн PVD технологиясын колдонушкан жана анын иштөө мөөнөтү майсыз майлоо шарттарында кадимки өчүрүлгөн жана жерленген тиштүү дөңгөлөктөргө караганда үч эсе көп болгон. Франц Ж жана башкалар FEZ-A жана FEZ-C тиштүү дөңгөлөктөрүнүн бетине WC/C жана B4C жука пленкасын түшүрүү үчүн PVD технологиясын колдонушкан жана эксперимент PVD каптоосу тиштүү сүрүлүүнү бир топ азайтканын, тиштүү дөңгөлөктү ысык желимдөөгө же желимдөөгө азыраак сезгич кылганын жана тиштүү дөңгөлөктүн жүк көтөрүмдүүлүгүн жакшырткандыгын көрсөттү.

(4) CrN пленкалары
CrN пленкалары TiN пленкаларына окшош, анткени алардын катуулугу жогору, ал эми CrN пленкалары TiNге караганда жогорку температурадагы кычкылданууга туруктуураак, коррозияга туруктуулугу жакшыраак, TiN пленкаларына караганда ички чыңалуусу төмөн жана салыштырмалуу жакшыраак бекемдикке ээ. Чен Лин ж.б. HSS бетинде пленкага негизделген эң сонун байланышы бар эскирүүгө туруктуу TiAlCrN/CrN композиттик пленкасын даярдашкан жана ошондой эле көп катмарлуу пленканын дислокациялык катмарлоо теориясын сунушташкан, эгерде эки катмардын ортосундагы дислокация энергиясынын айырмасы чоң болсо, бир катмарда пайда болгон дислокация анын интерфейсинен экинчи катмарга өтүү кыйын болот, ошентип интерфейсте дислокациялык катмарлоо пайда болуп, материалды бекемдөөчү ролду ойнойт. Чжун Бин ж.б. азоттун курамынын CrNx пленкаларынын фазалык түзүлүшүнө жана сүрүлүү эскирүү касиеттерине тийгизген таасирин изилдеген жана изилдөө пленкалардагы Cr2N (211) дифракциялык чокусу акырындык менен алсырап, CrN (220) чокусу N2 курамынын көбөйүшү менен акырындык менен күчөгөнүн, пленканын бетиндеги ири бөлүкчөлөр акырындык менен азайып, бети жалпак болуп калганын көрсөткөн. N2 аэрациясы 25 мл/мин болгондо (максаттуу булактын жаа тогу 75 А болгон), чөктүрүлгөн CrN пленкасы жакшы беттик сапатка, жакшы катуулукка жана N2 аэрациясы 25 мл/мин болгондо (максаттуу булактын жаа тогу 75 А, терс басым 100 В) эң сонун эскирүүгө туруктуулукка ээ болгон.

(5) Суперкатуу тасма
Өтө катуу пленка - бул 40 ГПадан жогору катуулугу, эң сонун эскирүүгө туруктуулугу, жогорку температурага туруктуулугу жана төмөнкү сүрүлүү коэффициенти жана төмөнкү жылуулук кеңейүү коэффициенти бар катуу пленка, негизинен аморфтук алмаз пленкасы жана CN пленкасы. Аморфтук алмаз пленкалары аморфтук касиеттерге ээ, узак аралыкка иреттелген түзүлүшкө ээ эмес жана көп сандаган CC тетраэдрдик байланыштарын камтыйт, ошондуктан алар тетраэдрдик аморфтук көмүртек пленкалары деп да аталат. Аморфтук көмүртек пленкасынын бир түрү катары, алмаз сымал каптоо (DLC) алмазга окшош көптөгөн мыкты касиеттерге ээ, мисалы, жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү, жогорку катуулук, жогорку серпилгичтик модулу, жылуулук кеңейүүнүн төмөнкү коэффициенти, жакшы химиялык туруктуулук, жакшы эскирүүгө туруктуулук жана төмөнкү сүрүлүү коэффициенти. Тиштүү беттерге алмаз сымал пленкаларды каптоо кызмат мөөнөтүн 6 эсеге узартып, чарчоого туруктуулукту бир кыйла жакшырта алары көрсөтүлдү. CN пленкалары, ошондой эле аморфтук көмүртек-азот пленкалары деп аталат, β-Si3N4 коваленттик кошулмаларына окшош кристаллдык түзүлүшкө ээ жана β-C3N4 деп да аталат. Лю жана Коэн ж.б. биринчи жаратылыш принцибинен псевдопотенциалдык тилке эсептөөлөрүн колдонуу менен катуу теориялык эсептөөлөрдү жүргүзүп, β-C3N4 чоң байланыш энергиясына, туруктуу механикалык түзүлүшкө ээ экенин, жок дегенде бир суб-туруктуу абалга ээ боло аларын жана анын серпилгичтик модулу алмазга салыштырмалуу жакшы касиеттерге ээ экенин, бул материалдын бетинин катуулугун жана эскирүүгө туруктуулугун натыйжалуу жакшыртып, сүрүлүү коэффициентин төмөндөтө аларын тастыктады.

(6) Башка эритмеден жасалган эскирүүгө туруктуу каптоо катмары
Кээ бир эритмелердин эскирүүгө туруктуу каптамалары тиштүү дөңгөлөктөргө да колдонулуп көрүлгөн, мисалы, 45# болот тиштүү дөңгөлөктөрдүн тиштүү бетине Ni-P-Co эритме катмарын чөктүрүү өтө майда дандуу уюштурууну алуу үчүн эритме катмары болуп саналат, ал кызмат мөөнөтүн 1,144 ~ 1,533 эсеге чейин узарта алат. Ошондой эле, Cu-Cr-P эритмесинен жасалган чоюн тиштүү дөңгөлөктүн бекемдигин жогорулатуу үчүн анын тиштүү бетине Cu металл катмары жана Ni-W эритмесинен жасалган каптама колдонулаары изилденген; капталбаган тиштүү дөңгөлөктөргө салыштырмалуу эскирүүгө туруктуулугун 4 ~ 6 эсе жогорулатуу үчүн HT250 чоюн тиштүү дөңгөлөктүн тиштүү бетине Ni-W жана Ni-Co эритмесинен жасалган каптама колдонулат.