PVD nusodinimo technologija jau daugelį metų taikoma kaip nauja paviršiaus modifikavimo technologija, ypač vakuuminio jonų dengimo technologija, kuri pastaraisiais metais labai ištobulėjo ir dabar plačiai naudojama įrankių, formų, stūmoklių žiedų, krumpliaračių ir kitų komponentų apdirbimui. Vakuuminio jonų dengimo technologija paruoštos dengtos krumpliaračiai gali žymiai sumažinti trinties koeficientą, pagerinti atsparumą dilimui ir tam tikras antikorozines savybes, todėl tapo pagrindine ir karštąja vieta krumpliaračių paviršiaus stiprinimo technologijų srityje atliekamų tyrimų srityje.
Dažniausiai krumpliaračiams naudojamos kaltinio plieno, lietinio plieno, ketaus, spalvotųjų metalų (vario, aliuminio) ir plastikų medžiagos. Plienas daugiausia yra 45 klasės plienas, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Mažo anglies kiekio plienas daugiausia naudojamas 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Kaltinis plienas krumpliaračiuose plačiau naudojamas dėl geresnių eksploatacinių savybių, o lietinis plienas dažniausiai naudojamas gaminant krumpliaračius, kurių skersmuo didesnis nei 400 mm ir yra sudėtingos konstrukcijos. Ketaus krumpliaračiai yra atsparūs įdubimams ir korozijai, tačiau jiems trūksta smūgių ir dilimo atsparumo. Jie skirti darbui stabiliai, ne mažo greičio, didelio dydžio ir sudėtingos formos, todėl gali dirbti be tepimo, todėl tinka atviroms transmisijoms. Dažniausiai naudojami spalvotieji metalai yra alavo bronza, aliuminio-geležies bronza ir liejimo aliuminio lydiniai, dažniausiai naudojami turbinų ar krumpliaračių gamyboje, tačiau jų slydimo ir antifrikcijos savybės yra prastos, tinka tik lengvoms, vidutinėms apkrovoms ir mažo greičio krumpliaračiams. Nemetalinės medžiagos krumpliaračiai daugiausia naudojami kai kuriose srityse, kurioms keliami specialūs reikalavimai, pavyzdžiui, tepimas be alyvos ir didelis patikimumas. Mažos taršos sąlygos, pavyzdžiui, buitiniai prietaisai, medicinos įranga, maisto mašinos ir tekstilės mašinos.
Pavarų dangų medžiagos
Inžinerinės keraminės medžiagos yra itin perspektyvios medžiagos, pasižyminčios dideliu stiprumu ir kietumu, ypač puikiu atsparumu karščiui, mažu šilumos laidumu ir šiluminiu plėtimusi, dideliu atsparumu dilimui ir oksidacijai. Daugybė tyrimų parodė, kad keraminės medžiagos yra iš prigimties atsparios karščiui ir mažai dilsta metalams. Todėl vietoj metalinių medžiagų naudojant keramines medžiagas dilimui atsparioms detalėms galima prailginti trinties pado tarnavimo laiką, atitikti kai kuriuos aukštai temperatūrai ir dideliam atsparumui dilimui keliamus medžiagų reikalavimus, daugiafunkciškumą ir kitus griežtus reikalavimus. Šiuo metu inžinerinės keraminės medžiagos naudojamos variklių karščiui atsparių detalių gamyboje, mechaninių pavarų dėžės dylančiose detalėse, cheminių įrenginių korozijai atspariose detalėse ir sandarinimo detalėse, o tai vis labiau rodo plačias keraminių medžiagų taikymo perspektyvas.
Išsivysčiusios šalys, tokios kaip Vokietija, Japonija, Jungtinės Valstijos, Jungtinė Karalystė ir kitos šalys, teikia didelę reikšmę inžinerinių keraminių medžiagų kūrimui ir taikymui, investuodamos daug pinigų ir darbo jėgos, kad sukurtų inžinerinės keramikos apdorojimo teoriją ir technologiją. Vokietija pradėjo programą pavadinimu „SFB442“, kurios tikslas – naudojant PVD technologiją susintetinti tinkamą plėvelę ant detalių paviršiaus, kuri pakeistų potencialiai kenksmingą tepimo terpę aplinkai ir žmogaus organizmui. „PW Gold“ ir kiti Vokietijoje panaudojo SFB442 finansavimą, kad pritaikytų PVD technologiją plonoms plėvelėms ant riedėjimo guolių paviršiaus nusodinti ir nustatė, kad riedėjimo guolių atsparumas dilimui buvo žymiai pagerintas, o ant paviršiaus nusodintos plėvelės galėjo visiškai pakeisti ekstremalaus slėgio apsaugos nuo dilimo priedų funkciją. Joachimas, Franzas ir kt. Vokietijoje panaudojo PVD technologiją, kad pagamintų WC/C plėveles, pasižyminčias puikiomis anti-nuovargio savybėmis, geresnėmis nei tepalų su EP priedais, o tai leidžia panašiai pakeisti kenksmingus priedus dangomis. E. Lugscheideris ir kt. iš Acheno technikos universiteto Medžiagų mokslo instituto (Vokietija), gavę DFG (Vokietijos tyrimų komisijos) finansavimą, pademonstravo reikšmingą atsparumą nuovargiui nusodinus atitinkamas plėveles ant 100Cr6 plieno naudojant PVD technologiją. Be to, Jungtinių Valstijų „General Motors“ pradėjo... „VolvoS80Turbo“ tipo automobilių krumpliaračių paviršiaus nusodinimo plėvele, skirta pagerinti atsparumą nuovargio duobėms; garsioji „Timken“ kompanija pristatė ES200 krumpliaračių paviršiaus plėvelės pavadinimą; Vokietijoje atsirado registruotasis prekės ženklas MAXIT krumpliaračių danga; Jungtinėje Karalystėje taip pat galima įsigyti atitinkamai registruotųjų prekių ženklų „Graphit-iC“ ir „Dymon-iC“ krumpliaračių dangų su registruotaisiais prekių ženklais „Graphit-iC“ ir „Dymon-iC“.
Kaip svarbios mechaninės transmisijos atsarginės dalys, krumpliaračiai atlieka svarbų vaidmenį pramonėje, todėl labai svarbi praktinė keraminių medžiagų taikymo krumpliaračiuose studija. Šiuo metu krumpliaračiams daugiausia naudojama ši inžinerinė keramika.
1. TiN dangos sluoksnis
1, TiN
Joninė TiN keramikos danga yra viena iš plačiausiai naudojamų paviršiaus modifikuotų dangų, pasižyminti dideliu kietumu, didele sukibimo jėga, mažu trinties koeficientu, geru atsparumu korozijai ir kt. Ji plačiai naudojama įvairiose srityse, ypač įrankių ir formų pramonėje. Pagrindinė priežastis, turinti įtakos keraminės dangos naudojimui ant krumpliaračių, yra keraminės dangos ir pagrindo sukibimo problema. Kadangi krumpliaračių darbo sąlygos ir įtakos veiksniai yra daug sudėtingesni nei įrankių ir formų, vienos TiN dangos naudojimas ant krumpliaračių paviršiaus apdorojimo yra labai ribotas. Nors keraminė danga turi didelio kietumo, mažo trinties koeficiento ir atsparumo korozijai privalumus, ji yra trapi ir sunku gauti storesnę dangą, todėl jai reikia didelio kietumo ir didelio stiprumo pagrindo, kad danga išlaikytų savo savybes. Todėl keraminė danga dažniausiai naudojama karbido ir greitapjovio plieno paviršiams. Krumpliaračio medžiaga yra minkštesnė, palyginti su keramika, o skirtumas tarp pagrindo ir dangos pobūdžio yra didelis, todėl dangos ir pagrindo derinys yra prastas, o danga nepakankamai palaiko dangą, todėl danga naudojimo metu lengvai nusilups. Tai ne tik neleidžia pasinaudoti keraminės dangos privalumais, bet ir nukritusios keraminės dangos dalelės sukels krumpliaračio abrazyvinį dilimą, pagreitindamos krumpliaračio nusidėvėjimą. Dabartinis sprendimas – naudoti kompozicinę paviršiaus apdorojimo technologiją, siekiant pagerinti keramikos ir pagrindo sukibimą. Kompozitinė paviršiaus apdorojimo technologija – tai fizikinio garų nusodinimo ir kitų paviršiaus apdorojimo procesų arba dangų derinimas, naudojant du atskirus paviršius/paviršius, siekiant modifikuoti pagrindo medžiagos paviršių ir gauti kompozitines mechanines savybes, kurių negalima pasiekti vienu paviršiaus apdorojimo procesu. Jonų nitridavimo ir PVD būdu nusodinta TiN kompozicinė danga yra viena iš labiausiai ištirtų kompozicinių dangų. Plazminio nitridavimo pagrindas ir TiN keraminė kompozicinė danga turi stiprų sukibimą, o atsparumas dilimui žymiai pagerėja.
Optimalus TiN plėvelės sluoksnio storis, užtikrinantis puikų atsparumą dilimui ir sukibimą su plėvelės pagrindu, yra apie 3–4 μm. Jei plėvelės sluoksnio storis yra mažesnis nei 2 μm, atsparumas dilimui reikšmingai nepagerės. Jei plėvelės sluoksnio storis yra didesnis nei 5 μm, sukibimas su plėvelės pagrindu sumažės.
2. Daugiasluoksnė, daugiakomponentė TiN danga
Palaipsniui ir plačiai taikant TiN dangas, atliekama vis daugiau tyrimų, kaip jas patobulinti ir sustiprinti. Pastaraisiais metais binarinių TiN dangų pagrindu buvo sukurtos daugiakomponenčios ir daugiasluoksnės dangos, tokios kaip Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 ir kt. Į TiN dangas pridedant tokių elementų kaip Al ir Si, galima pagerinti dangų atsparumą oksidacijai aukštoje temperatūroje ir kietumą, o pridėjus tokių elementų kaip B, galima pagerinti dangų kietumą ir sukibimo stiprumą.
Dėl daugiakomponenčios sudėties šiame tyrime kyla daug prieštaravimų. Tiriant (Tix,Cr1-x)N daugiakomponenčias dangas, tyrimų rezultatai yra labai prieštaringi. Kai kurie mano, kad (Tix,Cr1-x)N dangos yra sudarytos iš TiN, o Cr gali egzistuoti tik kaip pakaitinis kietas tirpalas TiN taškinėje matricoje, bet ne kaip atskira CrN fazė. Kiti tyrimai rodo, kad Cr atomų, tiesiogiai pakeičiančių Ti atomus (Tix,Cr1-x)N dangose, skaičius yra ribotas, o likęs Cr yra singletinėje būsenoje arba sudaro junginius su N. Eksperimentiniai rezultatai rodo, kad pridėjus Cr prie dangos, sumažėja paviršiaus dalelių dydis ir padidėja kietumas, o dangos kietumas pasiekia didžiausią vertę, kai Cr masės procentinė dalis pasiekia 3l %, tačiau dangos vidinis įtempis taip pat pasiekia maksimalią vertę.
3. Kitas dangos sluoksnis
Be įprastai naudojamų TiN dangų, krumpliaračių paviršiui stiprinti naudojama daug įvairių inžinerinių keramikų.
(1) Y. Terauchi ir kt. iš Japonijos tyrė titano karbido arba titano nitrido keraminių krumpliaračių, nusodintų garinimo būdu, atsparumą trinties dilimui. Prieš padengimą krumpliaračiai buvo įanglinti ir poliruoti, kad paviršiaus kietumas būtų apie HV720, o paviršiaus šiurkštumas – 2,4 μm, o keraminės dangos buvo paruoštos cheminio garinimo nusodinimo (CVD) metodu titano karbidui ir fizikinio garinimo nusodinimo (PVD) metodu titano nitridui, naudojant apie 2 μm keraminės plėvelės storį. Trinties dilimo savybės buvo tiriamos atitinkamai esant alyvai ir sausai trintis. Nustatyta, kad krumpliaračių spaustuvų atsparumas dilimui ir įbrėžimams gerokai padidėjo po padengimo keramika.
(2) Chemiškai padengto Ni-P ir TiN kompozicinė danga buvo paruošta iš anksto padengiant Ni-P kaip pereinamąjį sluoksnį ir po to nusodinant TiN. Tyrimas rodo, kad šios kompozicinės dangos paviršiaus kietumas tam tikru mastu pagerėjo, danga geriau sukimba su pagrindu ir yra atsparesnė dilimui.
(3) WC/C, B4C plona plėvelė
M. Murakawa ir kt., Japonijos technologijos instituto Mechanikos inžinerijos katedra, panaudojo PVD technologiją, kad nusodintų WC/C ploną plėvelę ant krumpliaračių paviršiaus, o jos tarnavimo laikas buvo tris kartus ilgesnis nei įprastų grūdintų ir šlifuotų krumpliaračių, esant tepimo be alyvos sąlygoms. Franz J ir kt. panaudojo PVD technologiją, kad nusodintų WC/C ir B4C ploną plėvelę ant FEZ-A ir FEZ-C krumpliaračių paviršiaus, o eksperimentas parodė, kad PVD danga žymiai sumažino krumpliaračių trintį, padarė krumpliaratį mažiau jautrų karštam klijavimui ar įklijavimui ir pagerino krumpliaračio laikomąją galią.
(4) CrN plėvelės
CrN plėvelės panašios į TiN plėveles tuo, kad yra kietesnės, be to, CrN plėvelės yra atsparesnės oksidacijai aukštoje temperatūroje nei TiN, turi geresnį atsparumą korozijai, mažesnį vidinį įtempį nei TiN plėvelės ir santykinai geresnį tvirtumą. Chen Ling ir kt. parengė dilimui atsparią TiAlCrN/CrN kompozicinę plėvelę su puikiu plėvelės pagrindu sukibimu ant HSS paviršiaus ir taip pat pasiūlė daugiasluoksnės plėvelės dislokacijų kaupimosi teoriją, pagal kurią, jei dislokacijų energijos skirtumas tarp dviejų sluoksnių yra didelis, viename sluoksnyje vykstančiai dislokacijai bus sunku pereiti per jos sąsają į kitą sluoksnį, todėl sąsajoje susidaro dislokacijų kaupimasis ir jis atlieka medžiagos stiprinimo vaidmenį. Zhong Bin ir kt. tyrė azoto kiekio įtaką CrNx plėvelių fazinei struktūrai ir trinties dilimo savybėms, ir tyrimas parodė, kad Cr2N (211) difrakcijos smailė plėvelėse palaipsniui silpnėjo, o CrN (220) smailė palaipsniui didėjo didėjant N2 kiekiui, didelių dalelių plėvelės paviršiuje palaipsniui mažėjo, o paviršius tapo plokščias. Kai N2 aeracija buvo 25 ml/min. (tikslinio šaltinio lanko srovė buvo 75 A), nusodinta CrN plėvelė pasižymi gera paviršiaus kokybe, geru kietumu ir puikiu atsparumu dilimui, kai N2 aeracija buvo 25 ml/min. (tikslinio šaltinio lanko srovė buvo 75 A, neigiamas slėgis – 100 V).
(5) Superkieta plėvelė
Superkieta plėvelė yra kieta plėvelė, kurios kietumas didesnis nei 40 GPa, pasižymi puikiu atsparumu dilimui, atsparumu aukštai temperatūrai, mažu trinties koeficientu ir mažu šiluminio plėtimosi koeficientu, daugiausia amorfinė deimanto plėvelė ir CN plėvelė. Amorfinės deimanto plėvelės pasižymi amorfinėmis savybėmis, neturi tolimojo nuotolio tvarkingos struktūros ir turi daug CC tetraedrinių jungčių, todėl jos dar vadinamos tetraedrinėmis amorfinėmis anglies plėvelėmis. Kaip amorfinės anglies plėvelės rūšis, deimanto pavidalo danga (DLC) turi daug puikių savybių, panašių į deimantą, pavyzdžiui, didelį šilumos laidumą, didelį kietumą, didelį elastingumo modulį, mažą šiluminio plėtimosi koeficientą, gerą cheminį stabilumą, gerą atsparumą dilimui ir mažą trinties koeficientą. Įrodyta, kad deimanto pavidalo plėvelių dengimas ant krumpliaračių paviršių gali 6 kartus pailginti tarnavimo laiką ir žymiai pagerinti atsparumą nuovargiui. CN plėvelės, dar žinomos kaip amorfinės anglies-azoto plėvelės, turi kristalinę struktūrą, panašią į β-Si3N4 kovalentinių junginių ir dar vadinamos β-C3N4. Liu ir Cohen ir kt. Atlikti griežti teoriniai skaičiavimai, naudojant pseudopotencialinių juostų skaičiavimus pagal pirmosios prigimties principą, patvirtino, kad β-C3N4 turi didelę rišamąją energiją, stabilią mechaninę struktūrą, gali egzistuoti bent viena substabili būsena, o jo tamprumo modulis yra panašus į deimanto, pasižymintis geromis savybėmis, kurios gali efektyviai pagerinti medžiagos paviršiaus kietumą ir atsparumą dilimui bei sumažinti trinties koeficientą.
(6) Kitas lydinio dilimui atsparus dangos sluoksnis
Taip pat buvo bandyta ant krumpliaračių uždėti kai kurias lydinių atsparias dilimui dangas, pavyzdžiui, Ni-P-Co lydinio sluoksnio nusodinimas ant 45# plieninių krumpliaračių dantų paviršiaus yra lydinio sluoksnis, siekiant gauti itin smulkių grūdelių struktūrą, kuri gali pailginti tarnavimo laiką iki 1,144–1,533 karto. Taip pat buvo tirta, kad Cu-Cr-P lydinio ketaus krumpliaračių dantų paviršius uždedamas Cu metalo sluoksniu ir Ni-W lydinio danga, siekiant pagerinti jų stiprumą; Ni-W ir Ni-Co lydinio dangos uždedamos ant HT250 ketaus krumpliaračių dantų paviršiaus, siekiant 4–6 kartus padidinti atsparumą dilimui, palyginti su nepadengtomis krumpliaračiais.
Įrašo laikas: 2022 m. lapkričio 7 d.