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 alat, 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 tumpuan penyelidikan dalam bidang teknologi pengukuhan permukaan gear.

Bahan-bahan biasa yang digunakan untuk gear terutamanya keluli tempa, keluli tuang, besi tuang, logam bukan ferus (kuprum, aluminium) dan plastik. Keluli terutamanya keluli 45, 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 yang kompleks. Gear besi tuang tahan gam dan bopeng, tetapi kekurangan rintangan hentaman dan haus, terutamanya untuk kerja yang stabil, kuasa tidak berkelajuan rendah atau saiz besar dan bentuk yang 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 terutamanya digunakan dalam beberapa bidang dengan keperluan khas, seperti pelinciran bebas minyak dan kebolehpercayaan yang tinggi. Bidang keadaan seperti pencemaran yang rendah, seperti peralatan rumah, peralatan perubatan, jentera makanan dan jentera tekstil.

Bahan salutan gear

Bahan seramik kejuruteraan merupakan bahan yang sangat berpotensi dengan kekuatan dan kekerasan yang tinggi, terutamanya rintangan haba yang sangat baik, kekonduksian terma dan pengembangan terma yang rendah, rintangan haus yang tinggi dan rintangan pengoksidaan. Sejumlah besar kajian telah menunjukkan bahawa bahan seramik secara semula jadi tahan haba dan mempunyai haus yang rendah pada logam. Oleh itu, penggunaan bahan seramik dan bukannya bahan logam untuk bahagian tahan haus dapat meningkatkan jangka hayat sub geseran, dapat memenuhi beberapa bahan tahan suhu tinggi dan haus yang tinggi, pelbagai fungsi dan keperluan sukar yang lain. Pada masa ini, bahan seramik kejuruteraan telah digunakan dalam pembuatan bahagian tahan haba enjin, transmisi mekanikal dalam bahagian haus, peralatan kimia dalam bahagian tahan kakisan dan bahagian pengedap, semakin menunjukkan prospek aplikasi bahan seramik yang luas.

Negara-negara maju seperti Jerman, Jepun, Amerika Syarikat, United Kingdom dan negara-negara lain amat 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", yang tujuannya adalah untuk menggunakan teknologi PVD bagi mensintesis filem yang sesuai pada permukaan bahagian bagi menggantikan medium pelincir yang berpotensi berbahaya kepada alam sekitar dan tubuh manusia. PW Gold dan lain-lain di Jerman menggunakan dana daripada SFB442 untuk menggunakan teknologi PVD bagi memendapkan filem nipis pada permukaan galas gulung dan mendapati bahawa prestasi anti-haus galas gulung telah bertambah baik dengan ketara dan filem yang memendapkan pada permukaan boleh menggantikan sepenuhnya fungsi bahan tambahan anti-haus tekanan ekstrem. Joachim, Franz dkk. 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 kemungkinan menggantikan bahan tambahan berbahaya dengan salutan. E. Lugscheider dkk. dari Institut Sains Bahan, Universiti Teknikal Aachen, Jerman, dengan dana daripada DFG (Suruhanjaya Penyelidikan Jerman), menunjukkan peningkatan ketara dalam rintangan lesu selepas memendapkan filem yang sesuai pada keluli 100Cr6 menggunakan teknologi PVD. Di samping itu, Amerika Syarikat General Motors telah memulakan pengeluaran filem pemendapan permukaan gear kereta jenis VolvoS80Turbo untuk meningkatkan rintangan lubang lesu; syarikat Timken yang terkenal telah melancarkan filem permukaan gear ES200; salutan gear berdaftar MAXIT telah muncul di Jerman; salutan gear berdaftar Graphit-iC dan Dymon-iC masing-masing. Salutan gear dengan tanda dagangan berdaftar Graphit-iC dan Dymon-iC juga terdapat di UK.

Sebagai alat ganti penting dalam transmisi mekanikal, gear memainkan peranan penting dalam industri, jadi kajian praktikal tentang penggunaan bahan seramik pada gear adalah sangat penting. Pada masa ini, seramik kejuruteraan yang digunakan pada gear adalah seperti berikut.

1, lapisan salutan TiN
1, TiN

Lapisan seramik TiN salutan ion merupakan salah satu salutan yang diubah suai permukaan yang paling banyak digunakan dengan kekerasan yang tinggi, kekuatan lekatan yang tinggi, pekali geseran yang rendah, rintangan kakisan yang baik, dan sebagainya. Ia telah digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang, terutamanya dalam industri alat dan acuan. Sebab utama yang mempengaruhi penggunaan salutan seramik pada gear adalah masalah ikatan antara salutan seramik dan substrat. Memandangkan keadaan kerja dan faktor pengaruh gear jauh lebih rumit daripada alat dan acuan, penggunaan salutan TiN tunggal pada rawatan permukaan gear adalah sangat terhad. Walaupun salutan seramik mempunyai kelebihan kekerasan yang tinggi, pekali geseran yang rendah dan rintangan kakisan, ia rapuh dan sukar untuk mendapatkan salutan yang lebih tebal, jadi ia memerlukan kekerasan yang tinggi dan substrat kekuatan tinggi untuk menyokong salutan bagi memainkan ciri-cirinya. Oleh itu, salutan seramik kebanyakannya digunakan untuk permukaan karbida dan keluli berkelajuan tinggi. Bahan gear adalah lembut berbanding 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 tertanggal dalam proses penggunaan, bukan sahaja tidak dapat memainkan kelebihan salutan seramik, tetapi zarah salutan seramik yang tertanggal akan menyebabkan haus kasar pada gear, mempercepatkan kehilangan haus gear. Penyelesaian semasa adalah dengan 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 berasingan untuk mengubah suai permukaan bahan substrat untuk mendapatkan sifat mekanikal komposit yang tidak dapat dicapai oleh satu proses rawatan permukaan. Salutan komposit TiN yang dimendapkan oleh nitridasi ion dan PVD adalah salah satu salutan komposit yang paling banyak dikaji. Substrat nitridasi 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 dan ikatan asas filem yang sangat baik 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 semakin banyak kajian tentang cara menambah baik dan mempertingkatkan salutan TiN. Dalam beberapa 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 sebagainya. Dengan menambah unsur seperti Al dan Si kepada salutan TiN, rintangan terhadap pengoksidaan suhu tinggi dan kekerasan salutan dapat ditingkatkan, sementara penambahan unsur seperti B dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan lekatan salutan.

Disebabkan kerumitan komposisi berbilang komponen, terdapat banyak kontroversi dalam kajian ini. Dalam kajian salutan berbilang komponen (Tix,Cr1-x)N, terdapat kontroversi besar dalam hasil kajian. Sesetengah orang percaya bahawa salutan (Tix,Cr1-x)N adalah berdasarkan TiN, dan Cr hanya boleh wujud dalam bentuk larutan pepejal gantian dalam matriks titik TiN, tetapi bukan sebagai fasa CrN yang berasingan. Kajian lain menunjukkan bahawa bilangan atom Cr yang menggantikan atom Ti secara langsung dalam salutan (Tix,Cr1-x)N adalah terhad, dan baki 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 tertinggi apabila peratusan jisim Cr mencapai 3l%, tetapi tegasan dalaman salutan juga mencapai nilai maksimumnya.

3, lapisan salutan lain

Selain salutan TiN yang biasa digunakan, pelbagai jenis seramik kejuruteraan digunakan untuk pengukuhan permukaan gear.

(1) Y. Terauchi dkk. dari Jepun mengkaji rintangan haus geseran gear seramik titanium karbida atau titanium nitrida yang dimendapkan melalui kaedah pemendapan wap. Gear telah dikarburisasi dan digilap untuk mencapai kekerasan permukaan kira-kira HV720 dan kekasaran permukaan 2.4 μm sebelum disalut, dan salutan seramik telah disediakan melalui pemendapan wap kimia (CVD) untuk titanium karbida dan melalui pemendapan wap fizikal (PVD) untuk titanium nitrida, dengan ketebalan filem seramik kira-kira 2 μm. Sifat haus geseran telah dikaji masing-masing dengan kehadiran geseran minyak dan geseran kering. Didapati bahawa rintangan galakan dan rintangan calar ragum gear telah dipertingkatkan dengan ketara selepas disalut dengan seramik.

(2) Salutan komposit Ni-P dan TiN yang disalut secara kimia disediakan dengan menyalut Ni-P sebagai lapisan peralihan dan kemudian memendapkan TiN. Kajian menunjukkan bahawa kekerasan permukaan salutan komposit ini telah diperbaiki sehingga tahap tertentu, dan salutan tersebut lebih 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 memendapkan filem nipis WC/C pada permukaan gear, dan jangka hayatnya adalah tiga kali ganda daripada gear biasa yang telah dipadamkan dan dikisar di bawah keadaan pelinciran bebas minyak. Franz J et al. menggunakan teknologi PVD untuk memendapkan 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 pelekat panas atau pelekatan, 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 berbanding TiN, mempunyai rintangan kakisan yang lebih baik, tekanan dalaman yang lebih rendah berbanding filem TiN, dan keliatan yang agak lebih baik. Chen Ling et al. menyediakan filem komposit TiAlCrN/CrN tahan haus dengan ikatan berasaskan filem yang sangat baik pada permukaan HSS, dan juga mencadangkan teori susunan kehelan filem berbilang lapisan. Jika perbezaan tenaga kehelan antara dua lapisan adalah besar, kehelan yang berlaku dalam satu lapisan akan sukar untuk melintasi antara mukanya ke lapisan yang lain, sekali gus membentuk susunan kehelan pada antara muka dan memainkan peranan dalam mengukuhkan bahan. Zhong Bin et al. 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 meningkat dengan peningkatan kandungan N2, zarah besar pada permukaan filem secara beransur-ansur berkurangan dan permukaan cenderung rata. Apabila pengudaraan N2 ialah 25 ml/min (arus arka sumber sasaran ialah 75 A, filem CrN yang termendap 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 super keras ialah filem pepejal dengan kekerasan lebih besar daripada 40GPa, rintangan haus yang sangat baik, rintangan suhu tinggi dan pekali geseran rendah serta pekali pengembangan haba yang rendah, terutamanya filem berlian amorfus dan filem CN. Filem berlian amorfus mempunyai sifat amorfus, tiada struktur tertib jarak jauh, dan mengandungi sebilangan besar ikatan tetrahedral CC, jadi ia juga dipanggil filem karbon amorfus tetrahedral. Sebagai sejenis filem karbon amorfus, salutan seperti berlian (DLC) mempunyai banyak sifat cemerlang yang serupa dengan berlian, seperti kekonduksian haba yang tinggi, kekerasan yang tinggi, modulus elastik 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 sebanyak 6 kali ganda dan meningkatkan rintangan lesu dengan ketara. Filem CN, juga dikenali sebagai filem karbon-nitrogen amorfus, 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 teliti menggunakan pengiraan jalur pseudopotensial daripada prinsip sifat pertama, mengesahkan bahawa β-C3N4 mempunyai tenaga pengikatan yang besar, struktur mekanikal yang stabil, sekurang-kurangnya satu keadaan sub-stabil boleh wujud, dan modulus elastiknya setanding dengan berlian, dengan sifat yang baik, yang berkesan dapat meningkatkan kekerasan permukaan dan rintangan haus bahan serta mengurangkan pekali geseran.

(6) Lapisan salutan tahan haus aloi lain
Sesetengah salutan tahan haus aloi juga telah dicuba untuk digunakan pada gear, contohnya, pemendapan lapisan aloi Ni-P-Co pada permukaan gigi gear keluli 45# adalah lapisan aloi untuk mendapatkan organisasi butiran ultra halus, yang boleh memanjangkan hayat sehingga 1.144 ~ 1.533 kali ganda. 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 ganda berbanding dengan gear yang tidak bersalut.