Technologie voor tandwielcoating

PVD-depositietechnologie wordt al jaren toegepast als een nieuwe technologie voor oppervlaktemodificatie, met name vacuümioncoatingtechnologie. Deze technologie heeft de afgelopen jaren een enorme ontwikkeling doorgemaakt en wordt nu veel gebruikt bij de behandeling van gereedschappen, mallen, zuigerveren, tandwielen en andere componenten. Gecoate tandwielen, vervaardigd met behulp van vacuümioncoatingtechnologie, kunnen de wrijvingscoëfficiënt aanzienlijk verlagen, de antislijtage en bepaalde corrosiewerende eigenschappen verbeteren en zijn uitgegroeid tot een speerpunt en hot spot van onderzoek op het gebied van technologie voor het versterken van tandwieloppervlakken.

De meest gebruikte materialen voor tandwielen zijn voornamelijk gesmeed staal, gegoten staal, gietijzer, non-ferrometalen (koper, aluminium) en kunststoffen. Staal is voornamelijk 45 staal, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Laagkoolstofstaal wordt voornamelijk gebruikt in 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Gesmeed staal wordt op grotere schaal gebruikt in tandwielen vanwege de betere prestaties, terwijl gegoten staal meestal wordt gebruikt om tandwielen te vervaardigen met een diameter > 400 mm en een complexe structuur. Gietijzeren tandwielen hebben een anti-lijm- en putcorrosieweerstand, maar het gebrek aan slag- en slijtvastheid, vooral voor stabiel werk, het vermogen is niet laag toerental of groot formaat en complexe vorm, kan werken onder de voorwaarde van het gebrek aan smering, geschikt voor open transmissie. Veelgebruikte non-ferrometalen zijn tinbrons, aluminium-ijzerbrons en gegoten aluminiumlegeringen. Deze worden vaak gebruikt bij de productie van turbines of tandwielen, maar de glij- en wrijvingseigenschappen zijn slecht. Ze worden alleen gebruikt voor lichte, middelzware en lage snelheid tandwielen. Tandwielen van niet-metalen materialen worden voornamelijk gebruikt in sectoren met speciale eisen, zoals olievrije smering en hoge betrouwbaarheid. Toepassingen zoals lage vervuiling zijn bijvoorbeeld huishoudelijke apparaten, medische apparatuur, voedingsmiddelenmachines en textielmachines.

Tandwielcoatingmaterialen

Technische keramische materialen zijn veelbelovende materialen met een hoge sterkte en hardheid, met name een uitstekende hittebestendigheid, een lage thermische geleidbaarheid en thermische uitzetting, een hoge slijtvastheid en oxidatiebestendigheid. Een groot aantal studies heeft aangetoond dat keramische materialen inherent hittebestendig zijn en een lage slijtage aan metalen veroorzaken. Daarom kan het gebruik van keramische materialen in plaats van metalen voor slijtvaste onderdelen de levensduur van het wrijvingselement verbeteren en voldoen aan een aantal van de hoge temperatuur- en slijtvaste materialen, multifunctionele en andere zware eisen. Momenteel worden technische keramische materialen gebruikt bij de productie van hittebestendige motoronderdelen, slijtageonderdelen voor mechanische transmissies, corrosiebestendige onderdelen voor chemische apparatuur en afdichtingsonderdelen, wat de brede toepassingsmogelijkheden van keramische materialen in toenemende mate laat zien.

Ontwikkelde landen zoals Duitsland, Japan, de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk en andere landen hechten veel belang aan de ontwikkeling en toepassing van technische keramische materialen. Ze investeren veel geld en mankracht om de verwerkingstheorie en -technologie van technische keramiek te ontwikkelen. Duitsland heeft een programma gelanceerd genaamd "SFB442", met als doel PVD-technologie te gebruiken om een ​​geschikte film op het oppervlak van de onderdelen te synthetiseren ter vervanging van het potentieel schadelijke smeermiddel voor het milieu en de mens. PW Gold en anderen in Duitsland gebruikten de financiering van SFB442 om PVD-technologie toe te passen voor het afzetten van dunne films op het oppervlak van wentellagers en ontdekten dat de antislijtageprestaties van wentellagers aanzienlijk werden verbeterd en dat de op het oppervlak afgezette films de functie van extreme druk antislijtageadditieven volledig konden vervangen. Joachim, Franz et al. in Duitsland gebruikten PVD-technologie om WC/C-films te bereiden met uitstekende antivermoeiingseigenschappen, hoger dan die van smeermiddelen met EP-additieven, een resultaat dat eveneens de mogelijkheid biedt om schadelijke additieven te vervangen door coatings. E. Lugscheider et al. van het Instituut voor Materiaalkunde van de Technische Universiteit Aken, Duitsland, met financiering van de DFG (Duitse Onderzoekscommissie), toonden een significante toename van de vermoeiingsweerstand aan na het afzetten van geschikte films op 100Cr6-staal met behulp van PVD-technologie. Daarnaast is General Motors in de Verenigde Staten begonnen met de productie van tandwieloverbrengingsfilm voor auto's van het type Volvo S80Turbo om de weerstand tegen vermoeiingspitcorrosie te verbeteren; het bekende bedrijf Timken heeft de naam ES200 tandwieloverbrengingsfilm gelanceerd; in Duitsland is de geregistreerde merknaam MAXIT tandwielcoating verschenen; respectievelijk de geregistreerde merknamen Graphit-iC en Dymon-iC. Tandwielcoatings met de geregistreerde merknamen Graphit-iC en Dymon-iC zijn ook in het Verenigd Koninkrijk verkrijgbaar.

Als belangrijk reserveonderdeel voor mechanische overbrengingen spelen tandwielen een belangrijke rol in de industrie. Het is daarom van groot praktisch belang om de toepassing van keramische materialen op tandwielen te bestuderen. Momenteel worden voornamelijk de volgende soorten technische keramiek op tandwielen toegepast.

1. TiN-coatinglaag
1、TiN

Ioncoating met een TiN keramische laag is een van de meest gebruikte oppervlaktegemodificeerde coatings met een hoge hardheid, hoge hechtsterkte, lage wrijvingscoëfficiënt, goede corrosiebestendigheid, enz. Het wordt veel gebruikt in diverse sectoren, met name in de gereedschaps- en matrijzenindustrie. De belangrijkste reden voor het aanbrengen van een keramische coating op tandwielen is de hechtingsproblematiek tussen de keramische coating en het substraat. Omdat de werkomstandigheden en beïnvloedende factoren van tandwielen veel complexer zijn dan die van gereedschappen en matrijzen, is het aanbrengen van een enkele TiN-coating op een tandwieloppervlak sterk beperkt. Hoewel een keramische coating de voordelen heeft van een hoge hardheid, lage wrijvingscoëfficiënt en corrosiebestendigheid, is het bros en moeilijk om een ​​dikkere coating te verkrijgen. Daarom is een substraat met een hoge hardheid en hoge sterkte nodig om de coating te ondersteunen en zijn eigenschappen te behouden. Daarom wordt keramische coating vooral gebruikt voor hardmetaal- en snelstaaloppervlakken. Het tandwielmateriaal is zacht in vergelijking met het keramische materiaal en het verschil tussen de aard van het substraat en de coating is groot. De combinatie van de coating en het substraat is dus slecht en de coating is niet voldoende om de coating te ondersteunen, waardoor de coating gemakkelijk loslaat tijdens het gebruik. Niet alleen kan de keramische coating niet profiteren, maar de keramische coatingdeeltjes die eraf vallen, veroorzaken ook abrasieve slijtage op het tandwiel, wat de slijtage van het tandwiel versnelt. De huidige oplossing is om composiet oppervlaktebehandelingstechnologie te gebruiken om de hechting tussen het keramiek en het substraat te verbeteren. Composiet oppervlaktebehandelingstechnologie verwijst naar de combinatie van fysische dampdepositie en andere oppervlaktebehandelingsprocessen of coatings, waarbij twee afzonderlijke oppervlakken/substraten worden gebruikt om het oppervlak van het substraatmateriaal te modificeren om mechanische composieteigenschappen te verkrijgen die niet kunnen worden bereikt met één oppervlaktebehandelingsproces. TiN-composietcoating, afgezet door ionennitreren en PVD, is een van de meest onderzochte composietcoatings. Het plasmanitreren van het substraat en de TiN-keramische composietcoating hebben een sterke hechting en de slijtvastheid is aanzienlijk verbeterd.

De optimale dikte van een TiN-filmlaag met uitstekende slijtvastheid en hechting op de filmbasis is ongeveer 3 tot 4 μm. Bij een dikte van de filmlaag van minder dan 2 μm zal de slijtvastheid niet significant verbeteren. Bij een dikte van de filmlaag van meer dan 5 μm zal de hechting op de filmbasis afnemen.

2. Meerlaagse, meercomponenten TiN-coating

Met de geleidelijke en wijdverbreide toepassing van TiN-coatings wordt er steeds meer onderzoek gedaan naar de verbetering en verbetering van TiN-coatings. De laatste jaren zijn er meercomponenten- en meerlaagse coatings ontwikkeld op basis van binaire TiN-coatings, zoals Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, enz. Door elementen zoals Al en Si aan TiN-coatings toe te voegen, kunnen de weerstand tegen oxidatie bij hoge temperaturen en de hardheid van de coatings worden verbeterd, terwijl het toevoegen van elementen zoals B de hardheid en hechtsterkte van de coatings kan verbeteren.

Vanwege de complexiteit van de multicomponentsamenstelling zijn er veel controverses in deze studie. De resultaten van de studie naar (Tix,Cr1-x)N multicomponentcoatings zijn zeer controversieel. Sommigen denken dat (Tix,Cr1-x)N coatings gebaseerd zijn op TiN, en dat Cr alleen kan bestaan ​​in de vorm van een vaste vervangingsoplossing in de TiN-dotmatrix, maar niet als een aparte CrN-fase. Andere studies tonen aan dat het aantal Cr-atomen dat Ti-atomen direct vervangt in (Tix,Cr1-x)N coatings beperkt is, en dat het resterende Cr in de singulettoestand voorkomt of verbindingen vormt met N. De experimentele resultaten tonen aan dat de toevoeging van Cr aan de coating de deeltjesgrootte aan het oppervlak verkleint en de hardheid verhoogt. De hardheid van de coating bereikt zijn hoogste waarde wanneer het massapercentage Cr 31% bereikt, maar de interne spanning van de coating bereikt ook zijn maximale waarde.

3. Andere coatinglaag

Naast de veelgebruikte TiN-coatings worden veel verschillende soorten technische keramiek gebruikt voor het versterken van tandwieloppervlakken.

(1) Y. Terauchi et al. uit Japan bestudeerden de weerstand tegen wrijvingsslijtage van tandwielen van titaniumcarbide of titaniumnitride keramiek, afgezet met behulp van de dampdepositiemethode. De tandwielen werden gecarboneerd en gepolijst om een ​​oppervlaktehardheid van ongeveer HV720 en een oppervlakteruwheid van 2,4 μm te bereiken vóór het coaten. De keramische coatings werden vervaardigd door middel van chemische dampdepositie (CVD) voor titaniumcarbide en door middel van fysische dampdepositie (PVD) voor titaniumnitride, met een keramische filmdikte van ongeveer 2 μm. De eigenschappen van wrijvingsslijtage werden onderzocht in aanwezigheid van respectievelijk olie en droge wrijving. Er werd vastgesteld dat de vreetweerstand en krasbestendigheid van de tandwielklem aanzienlijk verbeterden na coating met keramiek.

(2) Een composietcoating van chemisch gecoat Ni-P en TiN werd vervaardigd door Ni-P als overgangslaag voor te coaten en vervolgens TiN af te zetten. Uit het onderzoek blijkt dat de oppervlaktehardheid van deze composietcoating tot op zekere hoogte is verbeterd, dat de coating beter hecht aan het substraat en een betere slijtvastheid heeft.

(3) WC/C, B4C dunne film
M. Murakawa et al., afdeling Werktuigbouwkunde van het Japan Institute of Technology, gebruikten PVD-technologie om een ​​dunne WC/C-film aan te brengen op het oppervlak van tandwielen. De levensduur was drie keer zo lang als die van gewone geharde en geslepen tandwielen onder olievrije smeeromstandigheden. Franz J et al. gebruikten PVD-technologie om een ​​dunne WC/C- en B4C-film aan te brengen op het oppervlak van FEZ-A- en FEZ-C-tandwielen. Het experiment toonde aan dat de PVD-coating de wrijving aanzienlijk verminderde, het tandwiel minder gevoelig maakte voor hete lijm of verlijming en het draagvermogen verbeterde.

(4) CrN-films
CrN-films lijken op TiN-films doordat ze een hogere hardheid hebben. CrN-films zijn beter bestand tegen oxidatie bij hoge temperaturen dan TiN, hebben een betere corrosiebestendigheid, lagere interne spanningen dan TiN-films en een relatief betere taaiheid. Chen Ling et al. ontwikkelden een slijtvaste TiAlCrN/CrN-composietfilm met uitstekende filmgebaseerde hechting op het oppervlak van HSS. Ze stelden ook de dislocatiestapelingstheorie voor meerlagige films voor. Als het energieverschil tussen twee lagen groot is, zal de dislocatie die in de ene laag optreedt, moeilijk over het grensvlak naar de andere laag kunnen dringen, waardoor de dislocatiestapeling op het grensvlak ontstaat en het materiaal wordt versterkt. Zhong Bin et al. bestudeerden het effect van het stikstofgehalte op de fasestructuur en wrijvingsslijtage-eigenschappen van CrNx-films. Uit het onderzoek bleek dat de Cr2N (211)-diffractiepiek in de films geleidelijk verzwakte en de CrN (220)-piek geleidelijk toenam naarmate het N2-gehalte toenam. De grote deeltjes op het filmoppervlak namen geleidelijk af en het oppervlak neigde vlak te zijn. Bij een N2-beluchting van 25 ml/min (doelbronboogstroom is 75 A), heeft de afgezette CrN-film een ​​goede oppervlaktekwaliteit, goede hardheid en uitstekende slijtvastheid. Bij een N2-beluchting van 25 ml/min (doelbronboogstroom is 75 A, negatieve druk is 100 V) is de afgezette CrN-film goed bestand tegen slijtage.

(5) Superharde film
Superharde film is de vaste film met een hardheid groter dan 40 GPa, uitstekende slijtvastheid, hoge temperatuurbestendigheid en lage wrijvingscoëfficiënt en lage thermische uitzettingscoëfficiënt, voornamelijk amorfe diamantfilm en CN-film. Amorfe diamantfilms hebben amorfe eigenschappen, geen lange-afstand geordende structuur, en bevatten een groot aantal CC-tetraëdrische bindingen, daarom worden ze ook tetraëdrische amorfe koolstoffilms genoemd. Als een soort amorfe koolstoffilm heeft diamantachtige coating (DLC) veel uitstekende eigenschappen die vergelijkbaar zijn met diamant, zoals een hoge thermische geleidbaarheid, hoge hardheid, hoge elasticiteitsmodulus, lage thermische uitzettingscoëfficiënt, goede chemische stabiliteit, goede slijtvastheid en lage wrijvingscoëfficiënt. Het is aangetoond dat het coaten van diamantachtige films op tandwieloppervlakken de levensduur met een factor 6 kan verlengen en de vermoeiingsweerstand aanzienlijk kan verbeteren. CN-films, ook bekend als amorfe koolstof-stikstoffilms, hebben een kristalstructuur die vergelijkbaar is met die van β-Si3N4 covalente verbindingen en staan ​​ook bekend als β-C3N4. Liu en Cohen et al. voerden rigoureuze theoretische berekeningen uit met behulp van pseudopotentiaalbandberekeningen op basis van het principe van de eerste natuur, en bevestigden dat β-C3N4 een grote bindingsenergie heeft, een stabiele mechanische structuur, dat er minstens één substabiele toestand kan bestaan ​​en dat de elasticiteitsmodulus vergelijkbaar is met die van diamant, met goede eigenschappen, die de oppervlaktehardheid en slijtvastheid van het materiaal effectief kunnen verbeteren en de wrijvingscoëfficiënt kunnen verlagen.

(6) Andere slijtvaste coatinglaag van legering
Er zijn ook pogingen gedaan om slijtvaste coatings van legeringen aan te brengen op tandwielen. Zo is de afzetting van een Ni-P-Co-legeringslaag op het tandoppervlak van 45# stalen tandwielen een legeringslaag die zorgt voor een ultrafijne korrelstructuur, wat de levensduur tot wel 1,144 tot 1,533 keer kan verlengen. Er is ook onderzoek gedaan naar het aanbrengen van een Cu-metaallaag en een Ni-W-legeringscoating op het tandoppervlak van een Cu-Cr-P-gelegeerd gietijzeren tandwiel om de sterkte te verbeteren. Een Ni-W- en Ni-Co-legeringscoating op het tandoppervlak van een HT250 gietijzeren tandwiel verbetert de slijtvastheid met 4 tot 6 keer ten opzichte van een ongecoat tandwiel.