Teknologi for girbelegg

PVD-avsetningsteknologi har blitt praktisert i mange år som en ny overflatemodifiseringsteknologi, spesielt vakuumionbeleggteknologi, som har fått stor utvikling de siste årene og er nå mye brukt i behandling av verktøy, former, stempelringer, gir og andre komponenter. De belagte girene fremstilt ved hjelp av vakuumionbeleggteknologi kan redusere friksjonskoeffisienten betydelig, forbedre slitasjebeskyttelse og visse antikorrosjonsegenskaper, og har blitt fokus og hett punkt for forskning innen teknologi for overflateforsterkning av gir.

Vanlige materialer som brukes til gir er hovedsakelig smidd stål, støpt stål, støpejern, ikke-jernholdige metaller (kobber, aluminium) og plast. Stål er hovedsakelig 45-stål, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Lavkarbonstål brukes hovedsakelig i 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Smidd stål er mer utbredt i gir på grunn av bedre ytelse, mens støpt stål vanligvis brukes til å produsere gir med diameter > 400 mm og kompleks struktur. Støpejernsgir er motstandsdyktige mot lim og gropkorrosjon, men har mangel på slag- og slitestyrke. Dette er hovedsakelig for stabil drift, lav hastighet eller stor størrelse og kompleks form, og kan brukes under forutsetning av mangel på smøring, og er egnet for åpen girkasse. Ikke-jernholdige metaller som ofte brukes er tinnbronse, aluminium-jernbronse og støpt aluminiumlegering, som ofte brukes i produksjon av turbiner eller gir, men glide- og friksjonsegenskapene er dårlige, og er kun egnet for gir med lette, middels belastning og lav hastighet. Ikke-metalliske gir brukes hovedsakelig i felt med spesielle krav, som oljefri smøring og høy pålitelighet. Felt med lav forurensning er blant annet husholdningsapparater, medisinsk utstyr, matmaskiner og tekstilmaskiner.

Materialer til girbelegg

Keramiske materialer er ekstremt lovende materialer med høy styrke og hardhet, spesielt utmerket varmebestandighet, lav varmeledningsevne og termisk ekspansjon, høy slitestyrke og oksidasjonsmotstand. Et stort antall studier har vist at keramiske materialer er iboende varmebestandige og har lav slitasje på metaller. Derfor kan bruk av keramiske materialer i stedet for metallmaterialer for slitasjebestandige deler forbedre levetiden til friksjonsdelen, og kan oppfylle noen av de høytemperatur- og høyslitasjebestandige materialene, samt multifunksjonelle og andre tøffe krav. Keramiske materialer har i dag blitt brukt i produksjon av varmebestandige motordeler, slitedeler i mekanisk overføring, korrosjonsbestandige deler i kjemisk utstyr og tetningsdeler, noe som i økende grad viser brede bruksmuligheter for keramiske materialer.

Utviklede land som Tyskland, Japan, USA, Storbritannia og andre land legger stor vekt på utvikling og anvendelse av keramiske materialer, og investerer mye penger og arbeidskraft i å utvikle prosesseringsteori og teknologi for keramisk ingeniørkunst. Tyskland har lansert et program kalt «SFB442», som har som formål å bruke PVD-teknologi til å syntetisere en passende film på overflaten av delene for å erstatte det potensielt skadelige smøremediet for miljøet og menneskekroppen. PW Gold og andre i Tyskland brukte finansieringen fra SFB442 til å anvende PVD-teknologi for å avsette tynne filmer på overflaten av rullelagre og fant at slitasjebeskyttelsen til rullelagre ble betydelig forbedret, og filmene som ble avsatt på overflaten kunne fullstendig erstatte funksjonen til slitasjebeskyttelsestilsetninger for ekstremt trykk. Joachim, Franz et al. i Tyskland brukte PVD-teknologi til å fremstille WC/C-filmer som viste utmerkede anti-tretthetsegenskaper, høyere enn smøremidler som inneholder EP-tilsetningsstoffer, et resultat som på samme måte gir muligheten til å erstatte skadelige tilsetningsstoffer med belegg. E. Lugscheider et al. fra Institute of Materials Science, Technical University of Aachen, Tyskland, med finansiering fra DFG (GermanResearch Commission), demonstrerte en betydelig økning i utmattingsmotstand etter å ha avsatt passende filmer på 100Cr6-stål ved hjelp av PVD-teknologi. I tillegg har det amerikanske General Motors begynt i sin Volvo S80Turbo-typen overflatebeleggfilm for gir for å forbedre motstanden mot utmattingspitting; det kjente selskapet Timken har lansert navnet ES200 overflatefilm for gir; det registrerte varemerket MAXIT girbelegg har dukket opp i Tyskland; registrerte varemerker Graphit-iC og Dymon-iC henholdsvis girbelegg med de registrerte varemerkene Graphit-iC og Dymon-iC er også tilgjengelig i Storbritannia.

Som viktige reservedeler i mekaniske girkasser spiller gir en viktig rolle i industrien, så det er av svært viktig praktisk betydning å studere bruken av keramiske materialer på gir. For tiden er de viktigste ingeniørkeramiske materialene som brukes på gir hovedsakelig følgende.

1. TiN-belegglag
1. TiN

Ionbelegg TiN-keramisk lag er et av de mest brukte overflatemodifiserte beleggene med høy hardhet, høy heftstyrke, lav friksjonskoeffisient, god korrosjonsbestandighet, etc. Det har blitt mye brukt på forskjellige felt, spesielt i verktøy- og støpeformindustrien. Hovedårsaken til at keramisk belegg påvirker bruken av keramisk belegg på gir er bindingsproblemet mellom keramisk belegg og substrat. Siden arbeidsforholdene og påvirkningsfaktorene for gir er langt mer kompliserte enn for verktøy og støpeformer, er bruken av et enkelt TiN-belegg på overflatebehandling av gir sterkt begrenset. Selv om keramisk belegg har fordelene med høy hardhet, lav friksjonskoeffisient og korrosjonsbestandighet, er det sprøtt og vanskelig å få et tykkere belegg, så det trenger et substrat med høy hardhet og høy styrke for å støtte belegget for å spille sine egenskaper. Derfor brukes keramisk belegg mest for overflater av karbid og hurtigstål. Girmaterialet er mykt sammenlignet med det keramiske materialet, og forskjellen mellom substratets og beleggets natur er stor. Kombinasjonen av belegg og substrat er derfor dårlig, og belegget er ikke nok til å støtte belegget. Dette gjør at belegget lett faller av under bruk. Dette kan ikke bare ikke utnytte fordelene med det keramiske belegget, men de keramiske beleggpartiklene som faller av vil forårsake slipende slitasje på giret, noe som fremskynder slitasjetapet på giret. Den nåværende løsningen er å bruke komposittoverflatebehandlingsteknologi for å forbedre bindingen mellom keramikken og substratet. Komposittoverflatebehandlingsteknologi refererer til kombinasjonen av fysisk dampavsetningsbelegg og andre overflatebehandlingsprosesser eller belegg, der man bruker to separate overflater/underflater for å modifisere overflaten på substratmaterialet for å oppnå komposittmekaniske egenskaper som ikke kan oppnås med en enkelt overflatebehandlingsprosess. TiN-komposittbelegg avsatt ved ionenitrering og PVD er et av de mest undersøkte komposittbeleggene. Plasmanitrering av substrat og TiN-keramisk komposittbelegg har en sterk binding, og slitestyrken er betydelig forbedret.

Den optimale tykkelsen på et TiN-filmlag med utmerket slitestyrke og filmbasebinding er omtrent 3~4 μm. Hvis tykkelsen på filmlaget er mindre enn 2 μm, vil ikke slitestyrken forbedres vesentlig. Hvis tykkelsen på filmlaget er mer enn 5 μm, vil filmbasebindingen reduseres.

2. Flerlags, flerkomponent TiN-belegg

Med den gradvise og utbredte bruken av TiN-belegg, er det stadig mer forskning på hvordan man kan forbedre og forsterke TiN-belegg. I de senere årene har flerkomponentbelegg og flerlagsbelegg blitt utviklet basert på binære TiN-belegg, som Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, etc. Ved å tilsette elementer som Al og Si til TiN-belegg, kan motstanden mot høytemperaturoksidasjon og hardheten til beleggene forbedres, mens tilsetning av elementer som B kan forbedre hardheten og heftstyrken til beleggene.

På grunn av kompleksiteten til flerkomponentsammensetningen er det mange kontroverser i denne studien. I studien av (Tix,Cr1-x)N flerkomponentbelegg er det stor kontrovers i forskningsresultatene. Noen mener at (Tix,Cr1-x)N-belegg er basert på TiN, og Cr kan bare eksistere i form av en erstatningsfast løsning i TiN-punktmatrisen, men ikke som en separat CrN-fase. Andre studier viser at antallet Cr-atomer som direkte erstatter Ti-atomer i (Tix,Cr1-x)N-belegg er begrenset, og det gjenværende Cr eksisterer i singletttilstand eller danner forbindelser med N. De eksperimentelle resultatene viser at tilsetning av Cr til belegget reduserer overflatepartikkelstørrelsen og øker hardheten, og beleggets hardhet når sin høyeste verdi når masseprosenten av Cr når 3 l %, men den indre spenningen i belegget når også sin maksimale verdi.

3. Annet belegglag

I tillegg til de vanlige TiN-beleggene, brukes mange forskjellige tekniske keramikktyper for å styrke giroverflater.

(1) Y. Terauchi et al. fra Japan studerte motstanden mot friksjonsslitasje til keramiske gir av titankarbid eller titannitrid som ble avsatt ved dampavsetningsmetoden. Girene ble karburert og polert for å oppnå en overflatehardhet på omtrent HV720 og en overflateruhet på 2,4 μm før belegg, og de keramiske beleggene ble fremstilt ved kjemisk dampavsetning (CVD) for titankarbid og ved fysisk dampavsetning (PVD) for titannitrid, med en keramisk filmtykkelse på omtrent 2 μm. Friksjonsslitasjeegenskapene ble undersøkt i nærvær av henholdsvis olje og tørrfriksjon. Det ble funnet at ripemotstanden og ripemotstanden til girskruen ble betydelig forbedret etter belegg med keramikk.

(2) Komposittbelegg av kjemisk belagt Ni-P og TiN ble fremstilt ved å forhåndsbelegge Ni-P som et overgangslag og deretter avsette TiN. Studien viser at overflatehardheten til dette komposittbelegget har blitt forbedret til en viss grad, og belegget er bedre bundet til underlaget og har bedre slitestyrke.

(3) WC/C, B4C tynnfilm
M. Murakawa et al., Institutt for maskinteknikk, Japan Institute of Technology, brukte PVD-teknologi til å avsette WC/C-tynnfilm på overflaten av gir, og levetiden var tre ganger høyere enn for vanlige bråkjølte og slipte gir under oljefrie smøreforhold. Franz J et al. brukte PVD-teknologi til å avsette WC/C- og B4C-tynnfilm på overflaten av FEZ-A- og FEZ-C-gir, og eksperimentet viste at PVD-belegget reduserte girfriksjonen betydelig, gjorde giret mindre utsatt for varmliming eller liming, og forbedret girets bæreevne.

(4) CrN-filmer
CrN-filmer ligner på TiN-filmer ved at de har høyere hardhet, og CrN-filmer er mer motstandsdyktige mot høytemperaturoksidasjon enn TiN, har bedre korrosjonsbestandighet, lavere indre spenning enn TiN-filmer og relativt bedre seighet. Chen Ling et al. fremstilte en slitesterk TiAlCrN/CrN-komposittfilm med utmerket filmbasert binding på overflaten av HSS, og foreslo også dislokasjonsstablingsteorien for flerlagsfilm. Hvis dislokasjonsenergiforskjellen mellom to lag er stor, vil dislokasjonen som oppstår i ett lag være vanskelig å krysse grensesnittet til det andre laget, og dermed danne dislokasjonsstabling ved grensesnittet og spille en rolle i å styrke materialet. Zhong Bin et al. studerte effekten av nitrogeninnhold på fasestrukturen og friksjonsslitasjeegenskapene til CrNx-filmer, og studien viste at Cr2N (211)-diffraksjonstoppen i filmene gradvis svekket seg og CrN (220)-toppen gradvis økte med økningen av N2-innhold. De store partiklene på filmoverflaten minket gradvis, og overflaten hadde en tendens til å være flat. Når N2-luftingen var 25 ml/min (målkildens lysbuestrøm var 75 A), har den avsatte CrN-filmen god overflatekvalitet, god hardhet og utmerket slitestyrke når N2-luftingen er 25 ml/min (målkildens lysbuestrøm er 75 A, negativt trykk er 100 V).

(5) Superhard film
Superhard film er en solid film med hardhet større enn 40 GPa, utmerket slitestyrke, høy temperaturbestandighet og lav friksjonskoeffisient og lav termisk ekspansjonskoeffisient, hovedsakelig amorf diamantfilm og CN-film. Amorfe diamantfilmer har amorfe egenskaper, ingen langtrekkende ordnet struktur, og inneholder et stort antall CC-tetraedriske bindinger, så de kalles også tetraedriske amorfe karbonfilmer. Som en type amorf karbonfilm har diamantlignende belegg (DLC) mange utmerkede egenskaper som ligner på diamant, for eksempel høy varmeledningsevne, høy hardhet, høy elastisitetsmodul, lav termisk ekspansjonskoeffisient, god kjemisk stabilitet, god slitestyrke og lav friksjonskoeffisient. Det har blitt vist at belegg av diamantlignende filmer på giroverflater kan forlenge levetiden med en faktor på 6 og forbedre utmattingsmotstanden betydelig. CN-filmer, også kjent som amorfe karbon-nitrogenfilmer, har en krystallstruktur som ligner på β-Si3N4 kovalente forbindelser og er også kjent som β-C3N4. Liu og Cohen et al. utførte grundige teoretiske beregninger ved bruk av pseudopotensialbåndberegninger fra første naturprinsippet, bekreftet at β-C3N4 har en stor bindingsenergi, en stabil mekanisk struktur, minst én substabil tilstand kan eksistere, og dens elastisitetsmodul er sammenlignbar med diamant, med gode egenskaper, som effektivt kan forbedre overflatehardheten og slitestyrken til materialet og redusere friksjonskoeffisienten.

(6) Andre slitesterke belegglag av legering
Noen slitesterke belegg av legeringer har også blitt forsøkt påført på gir, for eksempel er avsetning av et Ni-P-Co-legeringslag på tannoverflaten av 45# stålgir et legeringslag for å oppnå ultrafin kornorganisering, noe som kan forlenge levetiden opptil 1,144~1,533 ganger. Det har også blitt studert at Cu-metalllag og Ni-W-legeringsbelegg påføres tannoverflaten av Cu-Cr-P-legeringsstøpejernsgir for å forbedre styrken; Ni-W- og Ni-Co-legeringsbelegg påføres tannoverflaten av HT250 støpejernsgir for å forbedre slitestyrken med 4~6 ganger sammenlignet med ubelagte gir.