Zobratu pārklāšanas tehnoloģija

PVD uzklāšanas tehnoloģija jau daudzus gadus tiek praktizēta kā jauna virsmas modifikācijas tehnoloģija, īpaši vakuuma jonu pārklāšanas tehnoloģija, kas pēdējos gados ir guvusi ievērojamu attīstību un tagad tiek plaši izmantota instrumentu, veidņu, virzuļu gredzenu, zobratu un citu detaļu apstrādē. Ar vakuuma jonu pārklāšanas tehnoloģiju sagatavotie pārklātie zobrati var ievērojami samazināt berzes koeficientu, uzlabot nodiluma un zināmu pretkorozijas aizsardzību, un ir kļuvuši par pētījumu uzmanības centru un karsto punktu zobratu virsmas stiprināšanas tehnoloģiju jomā.

Visbiežāk zobratu ražošanā izmanto kaltu tēraudu, liešanas tēraudu, čugunu, krāsainos metālus (varu, alumīniju) un plastmasu. Tērauds galvenokārt ir 45. markas tērauds, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Zema oglekļa satura tērauds galvenokārt tiek izmantots 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Kalts tērauds tiek plaši izmantots zobratos tā labākās veiktspējas dēļ, savukārt liešanas tērauds parasti tiek izmantots zobratu ražošanai ar diametru > 400 mm un sarežģītu konstrukciju. Čuguna zobrati ir izturīgi pret līmes plaisāšanu un pitcošanu, taču tiem trūkst triecienizturības un nodilumizturības, galvenokārt tie ir paredzēti stabilam darbam, jauda nav maza ātruma vai liela izmēra un sarežģītas formas, var darboties bez eļļošanas, un tie ir piemēroti atvērtām transmisijām. No krāsainajiem metāliem parasti izmanto alvas bronzu, alumīnija-dzelzs bronzu un liešanas alumīnija sakausējumus, ko parasti izmanto turbīnu vai zobratu ražošanā, taču to slīdes un pretberzes īpašības ir sliktas, tās ir paredzētas tikai vieglajiem, vidējas slodzes un zema ātruma zobratiem. Nemetālisko materiālu zobratus galvenokārt izmanto dažās jomās ar īpašām prasībām, piemēram, bezeļļas eļļošanai un augstai uzticamībai. Zema piesārņojuma apstākļos, piemēram, sadzīves tehnikas, medicīnas iekārtu, pārtikas mašīnu un tekstilrūpniecības mašīnās.

Zobratu pārklājuma materiāli

Inženierkeramikas materiāli ir ārkārtīgi daudzsološi materiāli ar augstu izturību un cietību, īpaši ar izcilu karstumizturību, zemu siltumvadītspēju un termisko izplešanos, augstu nodilumizturību un oksidēšanās izturību. Liels skaits pētījumu ir pierādījuši, ka keramikas materiāliem piemīt karstumizturība un tie mazina metālu nodilumu. Tādēļ keramikas materiālu izmantošana nodilumizturīgu detaļu ražošanā var uzlabot berzes apakšdaļas kalpošanas laiku un atbilst dažām augstas temperatūras un augstas nodilumizturības materiālu, daudzfunkcionalitātes un citām stingrām prasībām. Pašlaik inženierkeramikas materiāli tiek izmantoti dzinēju karstumizturīgu detaļu ražošanā, mehānisko transmisiju nodiluma detaļās, ķīmisko iekārtu korozijizturīgās detaļās un blīvēšanas detaļās, arvien vairāk parādot keramikas materiālu plašās pielietošanas iespējas.

Attīstītās valstis, piemēram, Vācija, Japāna, Amerikas Savienotās Valstis, Apvienotā Karaliste un citas valstis, piešķir lielu nozīmi inženierkeramikas materiālu izstrādei un pielietošanai, ieguldot daudz naudas un darbaspēka, lai attīstītu inženierkeramikas apstrādes teoriju un tehnoloģiju. Vācija ir uzsākusi programmu ar nosaukumu “SFB442”, kuras mērķis ir izmantot PVD tehnoloģiju, lai sintezētu piemērotu plēvi uz detaļu virsmas, kas aizstātu potenciāli kaitīgo eļļošanas vidi videi un cilvēka ķermenim. PW Gold un citi Vācijā izmantoja SFB442 finansējumu, lai pielietotu PVD tehnoloģiju plānu plēves uzklāšanai uz rites gultņu virsmas un atklāja, ka rites gultņu nodiluma izturība ir ievērojami uzlabojusies, un uz virsmas nogulsnētās plēves var pilnībā aizstāt ekstremāla spiediena nodiluma piedevu funkciju. Joahims, Francs un līdzautori Vācijā izmantoja PVD tehnoloģiju, lai sagatavotu WC/C plēves, kurām ir izcilas noguruma izturības īpašības, kas ir augstākas nekā smērvielām, kas satur EP piedevas, un rezultātā ir iespējams aizstāt kaitīgās piedevas ar pārklājumiem. E. Lugšeiders un līdzautori no Materiālzinātnes institūta Āhenes Tehniskajā universitātē, Vācijā, ar DFG (Vācijas Pētniecības komisijas) finansējumu demonstrēja ievērojamu noguruma izturības pieaugumu pēc atbilstošu plēvju uzklāšanas uz 100Cr6 tērauda, ​​izmantojot PVD tehnoloģiju. Turklāt Amerikas Savienoto Valstu General Motors ir sācis... Savā VolvoS80Turbo tipa automašīnu pārnesumu virsmas nogulsnēšanas plēvē, lai uzlabotu noguruma izturību pret pitēm; slavenais Timken uzņēmums ir laidis klajā nosaukumu ES200 pārnesumu virsmas plēve; Vācijā ir parādījusies reģistrēta preču zīme MAXIT pārnesumu pārklājums; reģistrētas preču zīmes Graphit-iC un Dymon-iC. Zobratu pārklājumi ar reģistrētām preču zīmēm Graphit-iC un Dymon-iC ir pieejami arī Apvienotajā Karalistē.

Kā svarīgas mehāniskās transmisijas rezerves daļas, zobratiem ir svarīga loma rūpniecībā, tāpēc keramikas materiālu pielietojuma izpētei zobratos ir ļoti svarīga praktiska nozīme. Pašlaik zobratos galvenokārt tiek izmantota šāda inženierkeramika.

1. TiN pārklājuma slānis
1. TiN

Jonu pārklājums TiN keramikas slānim ir viens no visplašāk izmantotajiem virsmas modificētajiem pārklājumiem ar augstu cietību, augstu adhēzijas izturību, zemu berzes koeficientu, labu izturību pret koroziju utt. Tas ir plaši izmantots dažādās jomās, īpaši instrumentu un veidņu rūpniecībā. Galvenais iemesls, kas ietekmē keramikas pārklājuma uzklāšanu uz zobratiem, ir saķeres problēma starp keramikas pārklājumu un substrātu. Tā kā zobratu darba apstākļi un ietekmējošie faktori ir daudz sarežģītāki nekā instrumentu un veidņu gadījumā, viena TiN pārklājuma uzklāšana uz zobratu virsmas apstrādes ir ievērojami ierobežota. Lai gan keramikas pārklājumam ir tādas priekšrocības kā augsta cietība, zems berzes koeficients un izturība pret koroziju, tas ir trausls un grūti iegūt biezāku pārklājumu, tāpēc tam ir nepieciešama augsta cietība un augstas izturības substrāts, lai tas varētu saglabāt savas īpašības. Tāpēc keramikas pārklājumu galvenokārt izmanto karbīda un ātrgaitas tērauda virsmām. Zobratu materiāls ir mīksts salīdzinājumā ar keramikas materiālu, un atšķirība starp substrāta un pārklājuma īpašībām ir liela, tāpēc pārklājuma un substrāta kombinācija ir slikta, un pārklājums nav pietiekams, lai atbalstītu pārklājumu, padarot pārklājumu viegli nokrītošu lietošanas procesā. Tas ne tikai nevar izmantot keramikas pārklājuma priekšrocības, bet arī keramikas pārklājuma daļiņas, kas nokrīt, izraisīs abrazīvu nodilumu uz zobrata, paātrinot zobrata nodiluma zudumus. Pašreizējais risinājums ir izmantot kompozītmateriālu virsmas apstrādes tehnoloģiju, lai uzlabotu saikni starp keramiku un substrātu. Kompozītmateriālu virsmas apstrādes tehnoloģija attiecas uz fizikālās tvaiku uzklāšanas pārklājuma un citu virsmas apstrādes procesu vai pārklājumu kombināciju, izmantojot divas atsevišķas virsmas/apakšvirsmas, lai modificētu substrāta materiāla virsmu un iegūtu kompozītmateriālu mehāniskās īpašības, ko nevar sasniegt ar vienu virsmas apstrādes procesu. TiN kompozītmateriāla pārklājums, kas uzklāts ar jonu nitridēšanu un PVD, ir viens no visvairāk pētītajiem kompozītmateriālu pārklājumiem. Plazmas nitridēšanas substrātam un TiN keramikas kompozītmateriāla pārklājumam ir spēcīga saite, un nodilumizturība ir ievērojami uzlabota.

Optimālais TiN plēves slāņa biezums ar izcilu nodilumizturību un plēves pamatnes saķeri ir aptuveni 3–4 μm. Ja plēves slāņa biezums ir mazāks par 2 μm, nodilumizturība būtiski neuzlabosies. Ja plēves slāņa biezums ir lielāks par 5 μm, plēves pamatnes saķere samazināsies.

2. Daudzslāņu, daudzkomponentu TiN pārklājums

Līdz ar pakāpenisku un plašu TiN pārklājumu pielietošanu, tiek veikti arvien vairāk pētījumu par to, kā uzlabot un pastiprināt TiN pārklājumus. Pēdējos gados ir izstrādāti daudzkomponentu pārklājumi un daudzslāņu pārklājumi, kuru pamatā ir bināri TiN pārklājumi, piemēram, Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 utt. Pievienojot TiN pārklājumiem tādus elementus kā Al un Si, var uzlabot pārklājumu izturību pret oksidēšanos augstā temperatūrā un cietību, savukārt tādu elementu kā B pievienošana var uzlabot pārklājumu cietību un adhēzijas stiprību.

Daudzkomponentu sastāva sarežģītības dēļ šajā pētījumā ir daudz pretrunu. (Tix,Cr1-x)N daudzkomponentu pārklājumu pētījumos pētījumu rezultātos ir lielas pretrunas. Daži cilvēki uzskata, ka (Tix,Cr1-x)N pārklājumi ir balstīti uz TiN, un Cr var pastāvēt tikai kā aizvietojoša cieta šķīduma veidā TiN punktveida matricā, bet ne kā atsevišķa CrN fāze. Citi pētījumi liecina, ka Cr atomu skaits, kas tieši aizstāj Ti atomus (Tix,Cr1-x)N pārklājumos, ir ierobežots, un atlikušais Cr pastāv singleta stāvoklī vai veido savienojumus ar N. Eksperimentālie rezultāti liecina, ka Cr pievienošana pārklājumam samazina virsmas daļiņu izmēru un palielina cietību, un pārklājuma cietība sasniedz maksimālo vērtību, kad Cr masas procentuālais daudzums sasniedz 3l%, bet arī pārklājuma iekšējais spriegums sasniedz maksimālo vērtību.

3. Cits pārklājuma slānis

Papildus plaši izmantotajiem TiN pārklājumiem zobratu virsmas stiprināšanai tiek izmantotas daudzas dažādas inženierkeramikas.

(1) Y. Terauchi et al. no Japānas pētīja titāna karbīda vai titāna nitrīda keramikas zobratu, kas uzklāti ar tvaiku uzklāšanas metodi, izturību pret berzes nodilumu. Pirms pārklāšanas zobrati tika cementēti un pulēti, lai sasniegtu virsmas cietību aptuveni HV720 un virsmas raupjumu 2,4 μm, un keramikas pārklājumi tika sagatavoti, izmantojot ķīmisko tvaiku uzklāšanu (CVD) titāna karbīdam un fizikālo tvaiku uzklāšanu (PVD) titāna nitrīdam, ar keramikas plēves biezumu aptuveni 2 μm. Berzes nodiluma īpašības tika pētītas attiecīgi eļļas un sausās berzes klātbūtnē. Tika konstatēts, ka zobratu skrūvju izturība pret deformāciju un skrāpējumu izturība pēc pārklāšanas ar keramiku ievērojami uzlabojās.

(2) Ķīmiski pārklāta Ni-P un TiN kompozītpārklājums tika sagatavots, iepriekš pārklājot Ni-P kā pārejas slāni un pēc tam uzklājot TiN. Pētījums liecina, ka šī kompozītpārklājuma virsmas cietība ir zināmā mērā uzlabojusies, un pārklājums ir labāk saistīts ar substrātu un tam ir labāka nodilumizturība.

(3) WC/C, B4C plānā plēve
M. Murakava un līdzautori no Japānas Tehnoloģiju institūta Mehāniskās inženierijas katedras izmantoja PVD tehnoloģiju, lai uz zobratu virsmas uzklātu WC/C plāno plēvi, un tās kalpošanas laiks bez eļļas eļļošanas apstākļos bija trīs reizes lielāks nekā parastajiem rūdītajiem un slīpētajiem zobratiem. Francs Dž. un līdzautori izmantoja PVD tehnoloģiju, lai uz FEZ-A un FEZ-C zobratu virsmas uzklātu WC/C un B4C plāno plēvi, un eksperiments parādīja, ka PVD pārklājums ievērojami samazināja zobratu berzi, padarīja zobratus mazāk uzņēmīgus pret karsto līmēšanu vai līmēšanu un uzlaboja zobratu nestspēju.

(4) CrN plēves
CrN plēves ir līdzīgas TiN plēvēm ar to, ka tām ir augstāka cietība, un CrN plēves ir izturīgākas pret oksidēšanos augstā temperatūrā nekā TiN, tām ir labāka izturība pret koroziju, zemāks iekšējais spriegums nekā TiN plēvēm un relatīvi labāka izturība. Čens Lins un citi izgatavoja nodilumizturīgu TiAlCrN/CrN kompozītmateriāla plēvi ar lielisku plēves bāzes sasaisti uz HSS virsmas, kā arī ierosināja daudzslāņu plēves dislokāciju sakraušanās teoriju, kurā teikts, ka, ja dislokācijas enerģijas atšķirība starp diviem slāņiem ir liela, dislokācijai, kas rodas vienā slānī, būs grūti šķērsot tās saskarni otrā slānī, tādējādi veidojot dislokāciju sakraušanos saskarnē un spēlējot materiāla stiprināšanas lomu. Džuns Bins un citi pētīja slāpekļa satura ietekmi uz CrNx plēvju fāzes struktūru un berzes nodiluma īpašībām, un pētījums parādīja, ka Cr2N (211) difrakcijas pīķis plēvēs pakāpeniski vājinājās un CrN (220) pīķis pakāpeniski palielinājās, palielinoties N2 saturam, lielās daļiņas uz plēves virsmas pakāpeniski samazinājās un virsma kļuva plakana. Kad N2 aerācija bija 25 ml/min (mērķa avota loka strāva bija 75 A), uzklātajai CrN plēvei ir laba virsmas kvalitāte, laba cietība un lieliska nodilumizturība, ja N2 aerācija ir 25 ml/min (mērķa avota loka strāva ir 75 A, negatīvais spiediens ir 100 V).

(5) Supercieta plēve
Supercietā plēve ir cieta plēve ar cietību, kas lielāka par 40 GPa, izcilu nodilumizturību, izturību pret augstu temperatūru, zemu berzes koeficientu un zemu termiskās izplešanās koeficientu, galvenokārt amorfā dimanta plēve un CN plēve. Amorfajām dimanta plēvēm piemīt amorfas īpašības, tām nav tālas darbības sakārtotas struktūras, un tās satur lielu skaitu CC tetraedrisku saišu, tāpēc tās sauc arī par tetraedriskām amorfām oglekļa plēvēm. Kā amorfas oglekļa plēves veids, dimantam līdzīgajam pārklājumam (DLC) ir daudzas izcilas īpašības, kas līdzīgas dimantam, piemēram, augsta siltumvadītspēja, augsta cietība, augsts elastības modulis, zems termiskās izplešanās koeficients, laba ķīmiskā stabilitāte, laba nodilumizturība un zems berzes koeficients. Ir pierādīts, ka dimantam līdzīgu plēvju pārklāšana uz zobratu virsmām var pagarināt kalpošanas laiku 6 reizes un ievērojami uzlabot noguruma izturību. CN plēvēm, kas pazīstamas arī kā amorfās oglekļa-slāpekļa plēves, ir kristāliska struktūra, kas līdzīga β-Si3N4 kovalento savienojumu struktūrai, un tās ir pazīstamas arī kā β-C3N4. Liu un Cohen et al. Veicot stingrus teorētiskus aprēķinus, izmantojot pseidopotenciālo joslu aprēķinus no pirmās dabas principa, tika apstiprināts, ka β-C3N4 ir liela saistīšanās enerģija, stabila mehāniskā struktūra, var pastāvēt vismaz viens substabils stāvoklis, un tā elastības modulis ir salīdzināms ar dimanta elastības moduli ar labām īpašībām, kas var efektīvi uzlabot materiāla virsmas cietību un nodilumizturību, kā arī samazināt berzes koeficientu.

(6) Cits sakausējuma nodilumizturīgs pārklājuma slānis
Ir mēģināts uzklāt arī dažus sakausējumu nodilumizturīgus pārklājumus zobratiem, piemēram, Ni-P-Co sakausējuma slāņa uzklāšana uz 45# tērauda zobratu zoba virsmas ir sakausējuma slānis, lai iegūtu īpaši smalku graudu organizāciju, kas var pagarināt kalpošanas laiku līdz 1,144~1,533 reizēm. Ir arī pētīts, ka Cu-Cr-P sakausējuma čuguna zobratu zoba virsmai tiek uzklāts Cu metāla slānis un Ni-W sakausējuma pārklājums, lai uzlabotu to izturību; Ni-W un Ni-Co sakausējuma pārklājums tiek uzklāts uz HT250 čuguna zobratu zoba virsmas, lai uzlabotu nodilumizturību 4~6 reizes salīdzinājumā ar zobratiem bez pārklājuma.