Teknologi salutan gear

Teknologi pemendapan PVD telah diamalkan selama bertahun-tahun sebagai teknologi pengubahsuaian permukaan baharu, terutamanya teknologi salutan ion vakum, yang telah mendapat perkembangan hebat dalam beberapa tahun kebelakangan ini dan kini digunakan secara meluas dalam rawatan alatan, acuan, gelang omboh, gear dan komponen lain. Gear bersalut yang disediakan oleh teknologi salutan ion vakum boleh mengurangkan pekali geseran dengan ketara, meningkatkan anti haus dan anti-karat tertentu, dan telah menjadi tumpuan dan titik panas penyelidikan dalam bidang teknologi pengukuhan permukaan gear.

Bahan biasa yang digunakan untuk gear adalah terutamanya keluli tempa, keluli tuang, besi tuang, logam bukan ferus (tembaga, aluminium) dan plastik. Keluli terutamanya 45 keluli, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Keluli karbon rendah terutamanya digunakan dalam 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Keluli tempa lebih banyak digunakan dalam gear kerana prestasinya yang lebih baik, manakala keluli tuang biasanya digunakan untuk mengeluarkan gear dengan diameter > 400mm dan struktur kompleks. Gear besi tuang anti-gam dan rintangan pitting, tetapi kekurangan hentaman dan rintangan haus, terutamanya untuk kerja yang stabil, kuasa tidak kelajuan rendah atau saiz besar dan bentuk kompleks, boleh berfungsi di bawah keadaan kekurangan pelinciran , sesuai untuk penghantaran terbuka. Logam bukan ferus yang biasa digunakan ialah gangsa timah, gangsa aluminium-besi dan aloi aluminium tuangan, yang biasa digunakan dalam pembuatan turbin atau gear, tetapi sifat gelongsor dan anti geseran adalah lemah, hanya untuk gear ringan, beban sederhana dan kelajuan rendah. Gear bahan bukan logam digunakan terutamanya dalam beberapa bidang dengan keperluan khas, seperti pelinciran bebas minyak dan kebolehpercayaan yang tinggi. Bidang keadaan seperti pencemaran rendah, seperti perkakas rumah, peralatan perubatan, mesin makanan dan mesin tekstil.

Bahan salutan gear

Bahan seramik kejuruteraan adalah bahan yang sangat menjanjikan dengan kekuatan dan kekerasan yang tinggi, terutamanya rintangan haba yang sangat baik, kekonduksian haba yang rendah dan pengembangan haba, rintangan haus yang tinggi dan rintangan pengoksidaan. Sebilangan besar kajian telah menunjukkan bahawa bahan seramik sememangnya tahan haba dan mempunyai haus yang rendah pada logam. Oleh itu, penggunaan bahan seramik dan bukannya bahan logam untuk bahagian tahan haus boleh meningkatkan hayat sub geseran, boleh memenuhi beberapa suhu tinggi dan bahan tahan haus yang tinggi, pelbagai fungsi dan keperluan sukar yang lain. Pada masa ini, bahan seramik kejuruteraan telah digunakan dalam pembuatan bahagian tahan haba enjin, penghantaran mekanikal dalam bahagian haus, peralatan kimia dalam bahagian tahan kakisan dan bahagian pengedap, semakin menunjukkan aplikasi meluas prospek bahan seramik.

Negara-negara maju seperti Jerman, Jepun, Amerika Syarikat, United Kingdom dan negara-negara lain mementingkan pembangunan dan aplikasi bahan seramik kejuruteraan, melaburkan banyak wang dan tenaga kerja untuk membangunkan teori pemprosesan dan teknologi seramik kejuruteraan. Jerman telah melancarkan program yang dipanggil "SFB442", tujuannya adalah untuk menggunakan teknologi PVD untuk mensintesis filem yang sesuai pada permukaan bahagian untuk menggantikan medium pelincir yang berpotensi berbahaya kepada alam sekitar dan badan manusia. PW Gold dan lain-lain di Jerman menggunakan pembiayaan daripada SFB442 untuk menggunakan teknologi PVD untuk mendepositkan filem nipis yang lebih baik pada permukaan galas gelek yang ketara dan prestasi galas anti haus yang ketara. filem yang didepositkan pada permukaan sepenuhnya boleh menggantikan fungsi bahan tambahan anti-haus tekanan melampau Joachim, Franz et al di Jerman menggunakan teknologi PVD untuk menyediakan filem WC/C yang menunjukkan sifat anti-keletihan yang sangat baik, lebih tinggi daripada pelincir yang mengandungi bahan tambahan EP, hasil yang sama menghasilkan bahan tambahan yang berbahaya Sains Bahan, Universiti Teknikal Aachen, Jerman, dengan pembiayaan daripada DFG (Suruhanjaya Penyelidikan Jerman), menunjukkan peningkatan ketara dalam rintangan lesu selepas mendepositkan filem yang sesuai pada keluli 100Cr6 menggunakan teknologi PVD Selain itu, General Motors telah memulakan filem VolvoS80Turbo jenis pemendapan gear kereta 0 yang terkenal dengan nama permukaan gear Timken0 yang terkenal; salutan gear tanda dagangan berdaftar MAXIT telah muncul di Jerman, salutan gear berdaftar Graphit-iC dan Dymon-iC dengan tanda dagangan berdaftar Graphit-iC dan Dymon-iC juga tersedia di UK.

Sebagai alat ganti yang penting dalam penghantaran mekanikal, gear memainkan peranan penting dalam industri, jadi adalah sangat penting untuk mengkaji penggunaan bahan seramik pada gear. Pada masa ini, seramik kejuruteraan yang digunakan pada gear adalah seperti berikut.

1、Lapisan salutan TiN
1、TiN

Lapisan seramik TiN salutan adalah salah satu salutan diubah suai permukaan yang paling banyak digunakan dengan kekerasan tinggi, kekuatan lekatan yang tinggi, pekali geseran rendah, rintangan kakisan yang baik, dan lain-lain. Ia telah digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang, terutamanya dalam industri alat dan acuan. Sebab utama yang mempengaruhi penggunaan salutan seramik pada gear ialah masalah ikatan antara salutan seramik dan substrat. Memandangkan keadaan kerja dan faktor yang mempengaruhi gear adalah jauh lebih rumit daripada keadaan alat dan acuan, penggunaan salutan TiN tunggal pada rawatan permukaan gear sangat terhad. Walaupun salutan seramik mempunyai kelebihan kekerasan tinggi, pekali geseran rendah dan rintangan kakisan, ia rapuh dan sukar untuk mendapatkan salutan yang lebih tebal, jadi ia memerlukan kekerasan tinggi dan substrat kekuatan tinggi untuk menyokong salutan untuk memainkan ciri-cirinya. Oleh itu, salutan seramik kebanyakannya digunakan untuk karbida dan permukaan keluli berkelajuan tinggi. Bahan gear lembut berbanding dengan bahan seramik, dan perbezaan antara sifat substrat dan salutan adalah besar, jadi gabungan salutan dan substrat adalah lemah, dan salutan tidak mencukupi untuk menyokong salutan, menjadikan salutan mudah jatuh semasa proses penggunaan, bukan sahaja tidak dapat memainkan kelebihan salutan seramik, tetapi salutan seramik akan menyebabkan kehausan salutan pada zarah gear, yang akan menyebabkan kehausan salutan pada gear. gear. Penyelesaian semasa ialah menggunakan teknologi rawatan permukaan komposit untuk meningkatkan ikatan antara seramik dan substrat. Teknologi rawatan permukaan komposit merujuk kepada gabungan salutan pemendapan wap fizikal dan proses atau salutan rawatan permukaan lain, menggunakan dua permukaan/subpermukaan yang berasingan untuk mengubah suai permukaan bahan substrat untuk mendapatkan sifat mekanikal komposit yang tidak boleh dicapai dengan proses rawatan permukaan tunggal. Salutan komposit TiN yang didepositkan oleh ion nitriding dan PVD adalah salah satu salutan komposit yang paling dikaji. Substrat nitriding plasma dan salutan komposit seramik TiN mempunyai ikatan yang kuat dan rintangan haus bertambah baik dengan ketara.

Ketebalan optimum lapisan filem TiN dengan rintangan haus yang sangat baik dan ikatan asas filem adalah kira-kira 3~4μm. Jika ketebalan lapisan filem kurang daripada 2μm, rintangan haus tidak akan bertambah baik dengan ketara. Jika ketebalan lapisan filem lebih daripada 5μm, ikatan asas filem akan berkurangan.

2、Salutan TiN berbilang lapisan, berbilang komponen

Dengan penggunaan salutan TiN secara beransur-ansur dan meluas, terdapat lebih banyak kajian tentang cara menambah baik dan meningkatkan salutan TiN. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, salutan berbilang komponen dan salutan berbilang lapisan telah dibangunkan berdasarkan salutan TiN binari, seperti Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, dan lain-lain. Dengan menambahkan unsur-unsur seperti Al dan Si kepada salutan TiN, rintangan terhadap salutan suhu tinggi dan kekerasan seperti pengoksidaan bertambah baik. boleh meningkatkan kekerasan dan kekuatan lekatan salutan.

Oleh kerana kerumitan komposisi multikomponen, terdapat banyak kontroversi dalam kajian ini. Dalam kajian salutan berbilang komponen (Tix,Cr1-x)N, terdapat kontroversi besar dalam hasil penyelidikan. Sesetengah orang percaya bahawa salutan (Tix,Cr1-x)N adalah berdasarkan TiN, dan Cr hanya boleh wujud dalam bentuk penyelesaian pepejal gantian dalam matriks titik TiN, tetapi bukan sebagai fasa CrN yang berasingan. Kajian lain menunjukkan bahawa bilangan atom Cr yang menggantikan secara langsung atom Ti dalam salutan (Tix,Cr1-x)N adalah terhad, dan selebihnya Cr wujud dalam keadaan singlet atau membentuk sebatian dengan N. Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa penambahan Cr pada salutan mengurangkan saiz zarah permukaan dan meningkatkan kekerasan, dan kekerasan salutan mencapai nilai peratusan tertinggi Cr apabila mencapai 3% tegasan dalamannya. salutan juga mencapai nilai maksimumnya.

3、Lapisan salutan lain

Sebagai tambahan kepada salutan TiN yang biasa digunakan, banyak seramik kejuruteraan yang berbeza digunakan untuk pengukuhan permukaan gear.

(1)Y. Terauchi et al. Jepun mengkaji rintangan terhadap haus geseran gear seramik titanium karbida atau titanium nitrida yang dimendapkan dengan kaedah pemendapan wap. Gear telah dikarburkan dan digilap untuk mencapai kekerasan permukaan kira-kira HV720 dan kekasaran permukaan 2.4 μm sebelum salutan, dan salutan seramik disediakan oleh pemendapan wap kimia (CVD) untuk titanium karbida dan oleh pemendapan wap fizikal (PVD) untuk titanium nitrida, dengan ketebalan filem seramik 2μm. Sifat haus geseran telah disiasat dengan kehadiran minyak dan geseran kering, masing-masing. Didapati bahawa rintangan pedih dan rintangan calar pada naib gear telah dipertingkatkan dengan ketara selepas disalut dengan seramik.

(2) Salutan komposit Ni-P dan TiN yang disalut secara kimia telah disediakan dengan pra-salutan Ni-P sebagai lapisan peralihan dan kemudian mendepositkan TiN. Kajian menunjukkan bahawa kekerasan permukaan salutan komposit ini telah dipertingkatkan pada tahap tertentu, dan salutan lebih baik terikat dengan substrat dan mempunyai rintangan haus yang lebih baik.

(3) WC/C, filem nipis B4C
M. Murakawa et al., Jabatan Kejuruteraan Mekanikal, Institut Teknologi Jepun, menggunakan teknologi PVD untuk mendepositkan filem nipis WC/C pada permukaan gear, dan hayat perkhidmatannya adalah tiga kali ganda daripada gear dipadamkan dan tanah biasa di bawah keadaan pelinciran tanpa minyak. Franz J et al. menggunakan teknologi PVD untuk mendepositkan filem nipis WC/C dan B4C pada permukaan gear FEZ-A dan FEZ-C, dan eksperimen menunjukkan bahawa salutan PVD mengurangkan geseran gear dengan ketara, menjadikan gear kurang terdedah kepada gam panas atau gam, dan meningkatkan kapasiti galas beban gear.

(4) Filem CrN
Filem CrN adalah serupa dengan filem TiN kerana ia mempunyai kekerasan yang lebih tinggi, dan filem CrN lebih tahan terhadap pengoksidaan suhu tinggi daripada TiN, mempunyai rintangan kakisan yang lebih baik, tekanan dalaman yang lebih rendah daripada filem TiN, dan keliatan yang agak lebih baik. Chen Ling et menyediakan filem komposit TiAlCrN/CrN yang tahan haus dengan ikatan berasaskan filem yang sangat baik pada permukaan HSS, dan juga mencadangkan teori susun kehelan filem berbilang lapisan, jika perbezaan tenaga kehelan antara dua lapisan adalah besar, kehelan yang berlaku dalam satu lapisan akan sukar untuk menyeberangi antara mukanya ke lapisan lain, sekali gus membentuk peranan di antara muka dan memainkan bahan dislokasi. Zhong Bin et mengkaji kesan kandungan nitrogen pada struktur fasa dan sifat haus geseran filem CrNx, dan kajian menunjukkan bahawa puncak pembelauan Cr2N (211) dalam filem secara beransur-ansur menjadi lemah dan puncak CrN (220) secara beransur-ansur dipertingkatkan dengan peningkatan kandungan N2, zarah-zarah besar pada permukaan filem secara beransur-ansur berkurangan dan permukaannya menjadi rata. Apabila pengudaraan N2 ialah 25 ml/min (arus arka sumber sasaran ialah 75 A, filem CrN yang dimendapkan mempunyai kualiti permukaan yang baik, kekerasan yang baik dan rintangan haus yang sangat baik apabila pengudaraan N2 ialah 25ml/min (arus arka sumber sasaran ialah 75A, tekanan negatif ialah 100V).

(5) Filem superhard
Filem Superhard ialah filem pepejal dengan kekerasan lebih besar daripada 40GPa, rintangan haus yang sangat baik, rintangan suhu tinggi dan pekali geseran rendah dan pekali pengembangan haba yang rendah, terutamanya filem berlian amorf dan filem CN. Filem berlian amorfus mempunyai sifat amorfus, tiada struktur tersusun jarak jauh, dan mengandungi sejumlah besar ikatan tetrahedral CC, jadi ia juga dipanggil filem karbon amorfus tetrahedral. Sebagai sejenis filem karbon amorf, salutan seperti berlian (DLC) mempunyai banyak sifat cemerlang yang serupa dengan berlian, seperti kekonduksian terma yang tinggi, kekerasan yang tinggi, modulus keanjalan yang tinggi, pekali pengembangan haba yang rendah, kestabilan kimia yang baik, rintangan haus yang baik dan pekali geseran yang rendah. Telah ditunjukkan bahawa salutan filem seperti berlian pada permukaan gear boleh memanjangkan hayat perkhidmatan dengan faktor 6 dan meningkatkan rintangan keletihan dengan ketara. Filem CN, juga dikenali sebagai filem karbon-nitrogen amorf, mempunyai struktur kristal yang serupa dengan sebatian kovalen β-Si3N4 dan juga dikenali sebagai β-C3N4. Liu dan Cohen et al. melakukan pengiraan teori yang ketat menggunakan pengiraan jalur pseudopotential dari prinsip sifat pertama, mengesahkan bahawa β-C3N4 mempunyai tenaga pengikat yang besar, struktur mekanikal yang stabil, sekurang-kurangnya satu keadaan sub-stabil boleh wujud, dan modulus keanjalannya adalah setanding dengan berlian, dengan sifat yang baik, yang dapat meningkatkan kekerasan permukaan secara berkesan dan mengurangkan rintangan haus bahan.

(6) Lapisan salutan tahan haus aloi lain
Beberapa salutan tahan haus aloi juga telah cuba digunakan pada gear, contohnya, pemendapan lapisan aloi Ni-P-Co pada permukaan gigi gear keluli 45# ialah lapisan aloi untuk mendapatkan organisasi butiran ultra halus, yang boleh memanjangkan hayat sehingga 1.144~1.533 kali. Ia juga telah dikaji bahawa lapisan logam Cu dan salutan aloi Ni-W digunakan pada permukaan gigi gear besi tuang aloi Cu-Cr-P untuk meningkatkan kekuatannya; Salutan aloi Ni-W dan Ni-Co digunakan pada permukaan gigi gear besi tuang HT250 untuk meningkatkan rintangan haus sebanyak 4~6 kali berbanding dengan gear tidak bersalut.