Технологија на обложување на запчаници

Технологијата на PVD таложење се практикува со години како нова технологија за модификација на површината, особено технологијата за вакуумско јонско обложување, која доби голем развој во последниве години и сега е широко користена во третманот на алати, калапи, клипни прстени, запчаници и други компоненти. Обложените запчаници подготвени со технологија на вакуумско јонско обложување можат значително да го намалат коефициентот на триење, да ја подобрат антиабењето и одредена антикорозија, и станаа фокус и жариште на истражување во областа на технологијата за зајакнување на површината на запчаниците.

Вообичаените материјали што се користат за запчаници се главно кован челик, ливнат челик, ливнат железо, обоени метали (бакар, алуминиум) и пластика. Челикот е главно 45 челик, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Челикот со ниска содржина на јаглерод главно се користи во 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Кованиот челик е пошироко користен во запчаници поради неговите подобри перформанси, додека ливнатиот челик обично се користи за производство на запчаници со дијаметар > 400 mm и сложена структура. Запчаниците од леано железо се отпорни на лепење и вдлабнатини, но немаат отпорност на удар и абење, главно за стабилна работа, моќност не е мала брзина или голема големина и сложена форма, може да работи под услови на недостаток на подмачкување, погоден за отворен менувач. Обоени метали најчесто се користат како калајна бронза, алуминиум-железо бронза и леење алуминиумска легура, најчесто се користат во производството на турбини или запчаници, но лизгачките и антитриечките својства се слаби, само за лесни, средни оптоварувања и нискобрзински запчаници. Запчаниците од неметални материјали главно се користат во некои области со посебни барања, како што се подмачкување без масло и висока сигурност. Областа на услови како што е ниското загадување, како што се апарати за домаќинство, медицинска опрема, машини за храна и текстилни машини.

Материјали за обложување на запчаници

Инженерските керамички материјали се исклучително ветувачки материјали со висока цврстина и тврдост, особено одлична отпорност на топлина, ниска топлинска спроводливост и термичка експанзија, висока отпорност на абење и отпорност на оксидација. Голем број студии покажаа дека керамичките материјали се по природа отпорни на топлина и имаат ниско абење на металите. Затоа, употребата на керамички материјали наместо метални материјали за делови отпорни на абење може да го подобри животниот век на подлогата за триење, може да ги задоволи некои од материјалите отпорни на висока температура и висока отпорност на абење, мултифункционални и други тешки барања. Во моментов, инженерските керамички материјали се користат во производството на делови отпорни на топлина на моторот, делови за абење на механички менувач, делови отпорни на корозија за хемиска опрема и делови за запечатување, што сè повеќе покажува широка примена на керамичките материјали.

Развиените земји како Германија, Јапонија, САД, Обединетото Кралство и други земји придаваат големо значење на развојот и примената на инженерските керамички материјали, инвестирајќи многу пари и работна сила за да ја развијат теоријата и технологијата на обработка на инженерската керамика. Германија започна програма наречена „SFB442“, чија цел е да се користи PVD технологија за синтетизирање на соодветен филм на површината на деловите за да се замени потенцијално штетниот медиум за подмачкување за животната средина и човечкото тело. PW Gold и други во Германија го искористија финансирањето од SFB442 за да применат PVD технологија за нанесување тенки филмови на површината на тркалачките лежишта и открија дека перформансите против абење на тркалачките лежишта се значително подобрени и филмовите наталожени на површината можат целосно да ја заменат функцијата на адитивите против абење под екстремен притисок. Јоаким, Франц и др. во Германија ја користеа PVD технологијата за да подготват WC/C филмови кои покажуваат одлични својства против замор, повисоки од оние на лубрикантите што содржат EP адитиви, резултат што слично дава можност за замена на штетните адитиви со премази. Е. Лугшајдер и др. од Институтот за наука за материјали, Технички универзитет во Ахен, Германија, со финансирање од DFG (Германска истражувачка комисија), покажаа значително зголемување на отпорноста на замор по нанесувањето соодветни филмови на челик 100Cr6 со користење на PVD технологија. Покрај тоа, General Motors од Соединетите Американски Држави започна во својата Фолија за нанесување на површината на менувачот од типот VolvoS80Turbo за подобрување на отпорноста на замор и вдлабнатини; познатата компанија Timken го лансираше името ES200 филм за површина на менувачот; регистрираната трговска марка MAXIT облога за менувачот се појави во Германија; регистрираните трговски марки Graphit-iC и Dymon-iC, соодветно. Облоги за менувачот со регистрираните трговски марки Graphit-iC и Dymon-iC се достапни и во Велика Британија.

Како важен резервен дел од механичкиот пренос, запчаниците играат важна улога во индустријата, па затоа е од многу важно практично значење да се проучи примената на керамичките материјали на запчаниците. Во моментов, инженерската керамика што се применува на запчаниците е главно следната.

1, слој од TiN
1, ТиН

Јонскиот премаз TiN керамичкиот слој е еден од најчесто користените површински модифицирани премази со висока тврдост, висока цврстина на адхезија, низок коефициент на триење, добра отпорност на корозија итн. Широко се користи во различни области, особено во индустријата за алати и калапи. Главната причина што влијае на примената на керамички премаз на запчаници е проблемот со поврзувањето помеѓу керамичкиот премаз и подлогата. Бидејќи условите за работа и факторите на влијание на запчаниците се многу посложени од оние на алатите и калапите, примената на еден TiN премаз на површинската обработка на запчаниците е значително ограничена. Иако керамичкиот премаз има предности на висока тврдост, низок коефициент на триење и отпорност на корозија, тој е кршлив и тешко се добива подебел премаз, па затоа му е потребна подлога со висока тврдост и висока цврстина за да го поддржи премазот за да ги одигра своите карактеристики. Затоа, керамичкиот премаз најчесто се користи за површини од карбиден и брзорастечки челик. Материјалот на запчаникот е мек во споредба со керамичкиот материјал, а разликата помеѓу природата на подлогата и облогата е голема, па комбинацијата на облогата и подлогата е лоша, а облогата не е доволна за да го поддржи облогата, што го прави облогата лесно да падне за време на употребата, не само што не може да ги искористи предностите на керамичката облога, туку честичките од керамичката облога што паѓаат ќе предизвикаат абразивно абење на запчаникот, забрзувајќи го губењето на абењето на запчаникот. Сегашното решение е да се користи композитна технологија за површинска обработка за да се подобри врската помеѓу керамиката и подлогата. Технологијата за површинска обработка на композит се однесува на комбинацијата од физичко премачкување со таложење на пареа и други процеси на површинска обработка или облоги, користејќи две одделни површини/подповршини за да се модифицира површината на материјалот на подлогата за да се добијат композитни механички својства што не можат да се постигнат со еден процес на површинска обработка. TiN композитната облога нанесена со јонско нитридирање и PVD е една од најистражуваните композитни облоги. Плазма нитридната подлога и TiN керамичката композитна облога имаат силна врска и отпорноста на абење е значително подобрена.

Оптималната дебелина на TiN филмскиот слој со одлична отпорност на абење и лепење на филмската основа е околу 3~4μm. Ако дебелината на филмскиот слој е помала од 2μm, отпорноста на абење нема да се подобри значително. Ако дебелината на филмскиот слој е поголема од 5μm, лепењето на филмската основа ќе се намали.

2, повеќеслоен, повеќекомпонентен TiN слој

Со постепената и широка примена на TiN премази, се повеќе истражувања се прават за тоа како да се подобрат и подобрат TiN премазите. Во последниве години, развиени се повеќекомпонентни премази и повеќеслојни премази базирани на бинарни TiN премази, како што се Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, итн. Со додавање на елементи како што се Al и Si во TiN премази, може да се подобри отпорноста на оксидација на високи температури и тврдоста на премазите, додека додавањето на елементи како што е B може да ја подобри тврдоста и цврстината на адхезија на премазите.

Поради сложеноста на повеќекомпонентниот состав, во оваа студија има многу контроверзии. Во студијата за (Tix,Cr1-x)N повеќекомпонентни премази, постои голема контроверзност во резултатите од истражувањето. Некои луѓе веруваат дека (Tix,Cr1-x)N премазите се базираат на TiN, а Cr може да постои само во форма на цврст раствор за замена во точкастата матрица на TiN, но не како посебна CrN фаза. Други студии покажуваат дека бројот на Cr атоми што директно ги заменуваат атомите на Ti во (Tix,Cr1-x)N премазите е ограничен, а преостанатиот Cr постои во синглетна состојба или формира соединенија со N. Експерименталните резултати покажуваат дека додавањето на Cr во премазот ја намалува големината на површинските честички и ја зголемува тврдоста, а тврдоста на премазот достигнува највисока вредност кога масениот процент на Cr достигнува 31%, но внатрешниот стрес на премазот исто така достигнува максимална вредност.

3, друг слој за обложување

Покрај вообичаено користените TiN премази, за зајакнување на површината на запчаниците се користат многу различни инженерски керамики.

(1) Ј. Тераучи и сор. од Јапонија ја проучувале отпорноста на триење на керамичките запчаници од титаниум карбид или титаниум нитрид нанесени со методот на пареа. Запчаниците биле карбуризирани и полирани за да се постигне површинска тврдост од околу HV720 и површинска грубост од 2,4 μm пред премачкувањето, а керамичките премази биле подготвени со хемиско пареа нанесување (CVD) за титаниум карбид и со физичко пареа нанесување (PVD) за титаниум нитрид, со дебелина на керамички филм од околу 2 μm. Својствата на триење на абење биле испитани во присуство на масло и суво триење, соодветно. Беше откриено дека отпорноста на триење и отпорноста на гребење на запчаникот биле значително подобрени по премачкувањето со керамика.

(2) Композитен премаз од хемиски обложени Ni-P и TiN беше подготвен со претходно премачкување на Ni-P како преоден слој, а потоа таложење на TiN. Студијата покажува дека површинската тврдост на овој композитен премаз е подобрена до одреден степен, а премазот е подобро врзан за подлогата и има подобра отпорност на абење.

(3) WC/C, B4C тенок филм
М. Муракава и сор., од Одделот за машинско инженерство, Јапонскиот институт за технологија, користеле PVD технологија за да нанесат тенок филм од WC/C на површината на запчаниците, а неговиот век на траење бил три пати поголем од оној на обичните калени и брусени запчаници под услови на подмачкување без масло. Франц Ј и сор. користеле PVD технологија за да нанесат тенок филм од WC/C и B4C на површината на запчаниците FEZ-A и FEZ-C, а експериментот покажал дека PVD облогата значително го намалила триењето на запчаниците, го направила запчаникот помалку подложен на топло лепење или лепење и ја подобрила носивоста на запчаникот.

(4) CrN филмови
CrN филмовите се слични на TiN филмовите по тоа што имаат поголема тврдост, а CrN филмовите се поотпорни на оксидација на високи температури од TiN, имаат подобра отпорност на корозија, помал внатрешен стрес од TiN филмовите и релативно подобра цврстина. Чен Линг и други подготвија композитен филм TiAlCrN/CrN отпорен на абење со одлично врзување базирано на филм на површината на HSS, а исто така ја предложија и теоријата за натрупување на дислокации на повеќеслоен филм, ако разликата во енергијата на дислокациите помеѓу два слоја е голема, дислокацијата што се јавува во едниот слој ќе биде тешко да ја премине својата интерфејсна површина во другиот слој, со што се формира натрупување на дислокации на интерфејсот и игра улога на зајакнување на материјалот. Џонг Бин и други го проучуваа ефектот на содржината на азот врз фазната структура и својствата на триење на CrNx филмовите, а студијата покажа дека врвот на дифракција Cr2N (211) во филмовите постепено ослабува, а врвот CrN (220) постепено се засилува со зголемувањето на содржината на N2, големите честички на површината на филмот постепено се намалуваат и површината има тенденција да биде рамна. Кога аерацијата со N2 беше 25 ml/min (струјата на лакот на целниот извор беше 75 A), наталожениот CrN филм имаше добар квалитет на површината, добра тврдост и одлична отпорност на абење кога аерацијата со N2 беше 25 ml/min (струјата на лакот на целниот извор е 75A, негативниот притисок е 100V).

(5) Супертврд филм
Супертврд филм е цврст филм со тврдост поголема од 40GPa, одлична отпорност на абење, отпорност на висока температура и низок коефициент на триење и низок коефициент на термичка експанзија, главно аморфен дијамантски филм и CN филм. Аморфните дијамантски филмови имаат аморфни својства, немаат долгорочно наредена структура и содржат голем број CC тетраедарски врски, па затоа се нарекуваат и тетраедарски аморфни јаглеродни филмови. Како вид на аморфен јаглероден филм, дијамантскиот премаз (DLC) има многу одлични својства слични на дијамантот, како што се висока топлинска спроводливост, висока тврдост, висок модул на еластичност, низок коефициент на термичка експанзија, добра хемиска стабилност, добра отпорност на абење и низок коефициент на триење. Покажано е дека премачкувањето на дијамантски филмови на површините на запчаниците може да го продолжи работниот век за фактор 6 и значително да ја подобри отпорноста на замор. CN филмовите, исто така познати како аморфни јаглеродно-азотни филмови, имаат кристална структура слична на онаа на β-Si3N4 ковалентните соединенија и се познати и како β-C3N4. Лиу и Коен и др. Извршени се ригорозни теоретски пресметки користејќи пресметки на псевдопотенцијални ленти од принципот на прва природа, со што се потврди дека β-C3N4 има голема енергија на врзување, стабилна механичка структура, може да постои барем една подстабилна состојба, а неговиот модул на еластичност е споредлив со дијамантот, со добри својства, што може ефикасно да ја подобри површинската тврдост и отпорноста на абење на материјалот и да го намали коефициентот на триење.

(6) Слој за обложување отпорен на абење од друга легура
Некои легирани премази отпорни на абење се обидоа да се нанесат и на запчаници, на пример, таложењето на слој од легура Ni-P-Co на површината на забот на челични запчаници 45# е легиран слој за да се добие ултрафина зрнеста организација, што може да го продолжи животниот век до 1,144~1,533 пати. Исто така, е проучено дека металниот слој Cu и премазот од легура Ni-W се нанесуваат на површината на забот на запчаникот од леано железо од легура Cu-Cr-P за да се подобри неговата цврстина; премази од легура Ni-W и Ni-Co се нанесуваат на површината на забот на запчаникот од леано железо HT250 за да се подобри отпорноста на абење за 4~6 пати во споредба со непремачканиот запчаник.