Tandwielcoatingtechnologie

PVD-afzettingstechnologie wordt al vele jaren toegepast als een nieuwe oppervlaktebehandelingstechnologie, met name vacuüm-ionencoatingtechnologie. Deze technologie heeft de afgelopen jaren een sterke ontwikkeling doorgemaakt en wordt nu op grote schaal gebruikt voor de behandeling van gereedschappen, mallen, zuigerveren, tandwielen en andere componenten. De met vacuüm-ionencoatingtechnologie gecoate tandwielen kunnen de wrijvingscoëfficiënt aanzienlijk verlagen, de slijtvastheid verbeteren en tot op zekere hoogte ook de corrosiebestendigheid. Hierdoor is deze technologie een belangrijk onderzoeksonderwerp geworden binnen de technologie voor oppervlakteversterking van tandwielen.

De meest gebruikte materialen voor tandwielen zijn gesmeed staal, gietstaal, gietijzer, non-ferrometalen (koper, aluminium) en kunststoffen. Staalsoorten die veel voorkomen zijn 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB en 38CrMoAl. Laaggelegeerd staal wordt voornamelijk gebruikt in 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB en 20CrMnTo. Gesmeed staal wordt vanwege zijn betere eigenschappen veel gebruikt voor tandwielen, terwijl gietstaal meestal wordt gebruikt voor tandwielen met een diameter van meer dan 400 mm en een complexe structuur. Gietijzeren tandwielen zijn bestand tegen aankoeken en putcorrosie, maar hebben een lage slag- en slijtvastheid. Ze zijn vooral geschikt voor stabiele werking, bij lage snelheden of bij grote afmetingen en complexe vormen, en kunnen werken zonder smering. Ze zijn daarom geschikt voor open transmissiesystemen. Veelgebruikte non-ferrometalen zijn tinbrons, aluminium-ijzerbrons en gegoten aluminiumlegeringen. Deze worden vaak gebruikt bij de fabricage van turbines of tandwielen, maar hun glij- en wrijvingseigenschappen zijn slecht, waardoor ze alleen geschikt zijn voor lichte tot middelzware belastingen en lage snelheden. Tandwielen van non-metalen materialen worden vooral gebruikt in sectoren met specifieke eisen, zoals olievrije smering en hoge betrouwbaarheid. Denk hierbij aan toepassingen met lage vervuilingsomstandigheden, zoals huishoudelijke apparaten, medische apparatuur, voedselverwerkingsmachines en textielmachines.

Coatingmaterialen voor tandwielen

Technische keramische materialen zijn zeer veelbelovende materialen met een hoge sterkte en hardheid, en met name een uitstekende hittebestendigheid, lage warmtegeleiding en thermische uitzetting, hoge slijtvastheid en oxidatiebestendigheid. Talrijke studies hebben aangetoond dat keramische materialen van nature hittebestendig zijn en minder slijtage veroorzaken dan metalen. Het gebruik van keramische materialen in plaats van metalen voor slijtvaste onderdelen kan daarom de levensduur van wrijvingsonderdelen verlengen en voldoen aan de hoge eisen op het gebied van hoge temperaturen, hoge slijtvastheid, multifunctionaliteit en andere strenge eisen. Momenteel worden technische keramische materialen gebruikt in de productie van hittebestendige motoronderdelen, slijtageonderdelen in mechanische transmissies, corrosiebestendige onderdelen en afdichtingen in chemische apparatuur, wat de brede toepassingsmogelijkheden van keramische materialen steeds verder aantoont.

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 en investeren veel geld en mankracht in de ontwikkeling van de verwerkingstheorie en -technologie van technische keramiek. Duitsland heeft een programma gelanceerd genaamd "SFB442", dat tot doel heeft PVD-technologie te gebruiken om een ​​geschikte film op het oppervlak van onderdelen aan te brengen ter vervanging van potentieel schadelijke smeermiddelen voor het milieu en de menselijke gezondheid. PW Gold en andere bedrijven in Duitsland hebben met financiering van SFB442 PVD-technologie toegepast om dunne films op het oppervlak van wentellagers aan te brengen. Zij ontdekten dat de slijtagebestendigheid van wentellagers aanzienlijk verbeterde en dat de aangebrachte films de functie van extreme druk-slijtageadditieven volledig konden vervangen. Joachim, Franz et al. in Duitsland gebruikten PVD-technologie om WC/C-films te produceren die uitstekende anti-vermoeidheidseigenschappen vertoonden, beter dan die van smeermiddelen met EP-additieven. Dit resultaat biedt eveneens de mogelijkheid om schadelijke additieven te vervangen door coatings. E. Lugscheider et al. van het Instituut voor Materiaalwetenschappen van de Technische Universiteit van Aken, Duitsland, toonden met financiering van de DFG (Duitse Onderzoekscommissie) een significante toename in vermoeiingsweerstand aan na het aanbrengen van geschikte films op 100Cr6-staal met behulp van PVD. technologie. Daarnaast is General Motors in de Verenigde Staten begonnen met het aanbrengen van een coating op het tandwieloppervlak van zijn Volvo S80 Turbo om de weerstand tegen vermoeiingscorrosie te verbeteren; het bekende bedrijf Timken heeft de ES200-tandwielcoating op de markt gebracht; de geregistreerde merknaam MAXIT-tandwielcoating is in Duitsland verschenen; en in het Verenigd Koninkrijk zijn tandwielcoatings met de geregistreerde merknamen Graphit-iC en Dymon-iC verkrijgbaar.

Tandwielen zijn belangrijke reserveonderdelen van mechanische transmissies en spelen een cruciale rol in de industrie. Daarom is het van groot praktisch belang om de toepassing van keramische materialen op tandwielen te bestuderen. Momenteel worden de volgende technische keramische materialen hoofdzakelijk toegepast op tandwielen.

1. TiN-coatinglaag
1、TiN

Ioncoating met een TiN-keramische laag is een van de meest gebruikte oppervlaktebehandelingen vanwege de hoge hardheid, hoge hechtsterkte, lage wrijvingscoëfficiënt en goede corrosiebestendigheid. Het wordt veelvuldig toegepast in diverse sectoren, met name in de gereedschaps- en matrijzenindustrie. De belangrijkste reden voor de beperkingen bij de toepassing van keramische coatings op tandwielen is het hechtingsprobleem tussen de coating en het substraat. Omdat de werkomstandigheden en invloedfactoren bij tandwielen veel complexer zijn dan bij gereedschappen en matrijzen, is de toepassing van een enkele TiN-coating voor oppervlaktebehandeling van tandwielen sterk beperkt. Hoewel keramische coatings de voordelen bieden van hoge hardheid, lage wrijvingscoëfficiënt en corrosiebestendigheid, zijn ze bros en moeilijk aan te brengen. Daarom is een substraat met hoge hardheid en sterkte nodig om de coating optimaal te laten functioneren. Keramische coatings worden dan ook voornamelijk gebruikt voor oppervlakken van hardmetaal en snelstaal. Het materiaal van de tandwielen is zacht in vergelijking met het keramische materiaal, en het verschil tussen de aard van het substraat en de coating is groot. Hierdoor is de hechting tussen de coating en het substraat slecht en biedt de coating onvoldoende ondersteuning, waardoor de coating tijdens gebruik gemakkelijk loslaat. Dit zorgt er niet alleen voor dat de voordelen van de keramische coating niet benut worden, maar de losgekomen keramische coatingdeeltjes veroorzaken ook schurende slijtage aan de tandwielen, waardoor de slijtage ervan versneld wordt. De huidige oplossing is het gebruik van composietoppervlaktebehandelingstechnologie om de hechting tussen het keramiek en het substraat te verbeteren. Composietoppervlaktebehandelingstechnologie verwijst naar de combinatie van fysische dampafzetting (PVD) en andere oppervlaktebehandelingsprocessen of -coatings, waarbij twee afzonderlijke oppervlakken/onderlagen worden gebruikt om het oppervlak van het substraatmateriaal te modificeren en composietmechanische eigenschappen te verkrijgen die niet met een enkel oppervlaktebehandelingsproces kunnen worden bereikt. TiN-composietcoatings, aangebracht door middel van ionennitrering en PVD, zijn een van de meest onderzochte composietcoatings. Het plasma-genitreerde substraat en de TiN-keramische composietcoating hebben een sterke hechting en de slijtvastheid is aanzienlijk verbeterd.

De optimale dikte van de TiN-filmlaag voor een uitstekende slijtvastheid en hechting van de film aan de basislaag is ongeveer 3-4 μm. Als de dikte van de filmlaag minder dan 2 μm is, zal de slijtvastheid niet significant verbeteren. Als de dikte van de filmlaag meer dan 5 μm is, zal de hechting van de film aan de basislaag afnemen.

2. Meerlaagse, meercomponenten TiN-coating

Met de geleidelijke en wijdverspreide toepassing van TiN-coatings wordt er steeds meer onderzoek gedaan naar manieren om deze coatings te verbeteren en te versterken. De afgelopen 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, enzovoort. Door elementen zoals Al en Si toe te voegen aan TiN-coatings, kan de weerstand tegen oxidatie bij hoge temperaturen en de hardheid van de coatings worden verbeterd, terwijl de toevoeging van elementen zoals B de hardheid en hechtsterkte van de coatings kan verhogen.

Vanwege de complexiteit van de meercomponentensamenstelling bestaan ​​er veel controverses in dit onderzoek. In het onderzoek naar (Tix,Cr1-x)N meercomponentencoatings is er grote onenigheid over de onderzoeksresultaten. Sommigen zijn van mening dat (Tix,Cr1-x)N-coatings gebaseerd zijn op TiN en dat Cr alleen kan bestaan ​​in de vorm van een vervangende vaste oplossing in de TiN-puntmatrix, en niet als een afzonderlijke CrN-fase. Andere studies tonen aan dat het aantal Cr-atomen dat Ti-atomen rechtstreeks vervangt in (Tix,Cr1-x)N-coatings beperkt is en dat het resterende Cr in de singlettoestand bestaat of verbindingen vormt met N. De experimentele resultaten laten zien 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% bedraagt, maar de interne spanning van de coating bereikt dan ook zijn maximum.

3. Overige coatinglaag

Naast de veelgebruikte TiN-coatings worden er voor het versterken van tandwieloppervlakken ook veel verschillende technische keramische materialen gebruikt.

(1) Y. Terauchi et al. uit Japan onderzochten de wrijvingsslijtageweerstand van keramische tandwielen van titaniumcarbide of titaniumnitride, aangebracht met behulp van de dampafzettingsmethode. De tandwielen werden gecarburiseerd en gepolijst om een ​​oppervlaktehardheid van ongeveer HV720 en een oppervlakteruwheid van 2,4 μm te bereiken vóór het aanbrengen van de coating. De keramische coatings werden aangebracht met behulp van chemische dampafzetting (CVD) voor titaniumcarbide en met behulp van fysische dampafzetting (PVD) voor titaniumnitride, met een keramische filmdikte van ongeveer 2 μm. De wrijvingsslijtage-eigenschappen werden onderzocht in aanwezigheid van olie en bij droge wrijving. Er werd vastgesteld dat de vreet- en krasbestendigheid van de tandwielklem aanzienlijk verbeterd waren na het aanbrengen van de keramische coating.

(2) Een composietcoating van chemisch gecoat Ni-P en TiN werd bereid door eerst Ni-P als overgangslaag aan te brengen 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., van de afdeling Werktuigbouwkunde van het Japan Institute of Technology, gebruikten PVD-technologie om een ​​dunne WC/C-film op het oppervlak van tandwielen aan te brengen. De levensduur van deze films was drie keer zo lang als die van gewone geharde en geslepen tandwielen onder olievrije smeringsomstandigheden. Franz J et al. gebruikten PVD-technologie om dunne WC/C- en B4C-films aan te brengen op het oppervlak van FEZ-A- en FEZ-C-tandwielen. Uit het experiment bleek dat de PVD-coating de wrijving van de tandwielen aanzienlijk verminderde, de tandwielen minder gevoelig maakte voor hete lijm of verlijming en het draagvermogen van de tandwielen 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, een lagere interne spanning dan TiN-films en een relatief betere taaiheid. Chen Ling et al. bereidden een slijtvaste TiAlCrN/CrN-composietfilm met een uitstekende hechting op het oppervlak van HSS voor en stelden tevens de theorie van dislocatiestapeling in meerlaagse films voor. Als het energieverschil tussen twee dislocaties groot is, zal het voor dislocaties in de ene laag moeilijk zijn om de interface naar de andere laag te passeren, waardoor dislocatiestapeling op de interface ontstaat en het materiaal versterkt wordt. Zhong Bin et al. bestudeerden het effect van het stikstofgehalte op de fasestructuur en de 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 met een toenemend N2-gehalte. De grote deeltjes op het filmoppervlak namen geleidelijk af en het oppervlak neigde naar een vlakker oppervlak. Bij een N2-beluchting van 25 ml/min (doelbronboogstroom van 75 A) vertoont de afgezette CrN-film een ​​goede oppervlaktekwaliteit, goede hardheid en uitstekende slijtvastheid.

(5) Superhard film
Superharde films zijn vaste films met een hardheid van meer dan 40 GPa, uitstekende slijtvastheid, hoge temperatuurbestendigheid, een lage wrijvingscoëfficiënt en een lage thermische uitzettingscoëfficiënt. Het betreft voornamelijk amorfe diamantfilms en CN-films. Amorfe diamantfilms hebben amorfe eigenschappen, geen lange-afstandsgeordende structuur en bevatten een groot aantal C-C-tetraëderbindingen. Daarom worden ze ook wel tetraëdrische amorfe koolstoffilms genoemd. Als een soort amorfe koolstoffilm heeft diamantachtige coating (DLC) veel uitstekende eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van diamant, zoals een hoge thermische geleidbaarheid, hoge hardheid, hoge elasticiteitsmodulus, lage thermische uitzettingscoëfficiënt, goede chemische stabiliteit, goede slijtvastheid en een 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. Door middel van nauwkeurige theoretische berekeningen met behulp van pseudopotentiaalbandberekeningen op basis van het eerste natuurprincipe werd bevestigd dat β-C3N4 een grote bindingsenergie heeft, een stabiele mechanische structuur, dat er ten minste 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 experimenten gedaan met het aanbrengen van slijtvaste coatings van legeringen op tandwielen. Zo is bijvoorbeeld een Ni-P-Co-legeringslaag aangebracht op het tandoppervlak van 45# stalen tandwielen. Deze legeringslaag zorgt voor een ultrafijne korrelstructuur, waardoor de levensduur tot wel 1,144 à 1,533 keer langer kan worden. Ook is onderzocht hoe een koperen metaallaag en een Ni-W-legeringscoating op het tandoppervlak van een Cu-Cr-P-legering gietijzeren tandwiel de sterkte kunnen verbeteren. Op een HT250 gietijzeren tandwiel is een Ni-W- en Ni-Co-legeringscoating aangebracht, waarmee de slijtvastheid met een factor 4 à 6 kan worden verbeterd ten opzichte van een ongecoat tandwiel.