Technologia powlekania kół zębatych

Technologia osadzania PVD jest stosowana od wielu lat jako nowa technologia modyfikacji powierzchni, zwłaszcza technologia powlekania jonowego próżniowego, która w ostatnich latach zyskała duży rozwój i jest obecnie szeroko stosowana w obróbce narzędzi, form, pierścieni tłokowych, kół zębatych i innych komponentów. Powlekane koła zębate przygotowane technologią powlekania jonowego próżniowego mogą znacznie zmniejszyć współczynnik tarcia, poprawić odporność na zużycie i pewną ochronę antykorozyjną, a także stały się przedmiotem zainteresowania i gorącym punktem badań w dziedzinie technologii wzmacniania powierzchni kół zębatych.

Materiały powszechnie stosowane do kół zębatych to głównie stal kuta, staliwo, żeliwo, metale nieżelazne (miedź, aluminium) i tworzywa sztuczne. Stal to głównie stal 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Stal niskowęglowa stosowana głównie w 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Stal kuta jest szerzej stosowana w kołach zębatych ze względu na jej lepsze osiągi, podczas gdy stal odlewana jest zwykle używana do produkcji kół zębatych o średnicy > 400 mm i złożonej strukturze. Koła zębate z żeliwa są odporne na sklejanie i wżery, ale brak odporności na uderzenia i zużycie, głównie w przypadku stabilnej pracy, moc nie jest niska prędkość lub duży rozmiar i złożony kształt, może pracować w warunkach braku smarowania, nadaje się do otwartej skrzyni biegów. Metale nieżelazne powszechnie stosowane to brąz cynowy, brąz aluminiowo-żelazny i odlewniczy stop aluminium, powszechnie stosowane w produkcji turbin lub kół zębatych, ale właściwości ślizgowe i przeciwcierne są słabe, tylko w przypadku lekkich, średnich obciążeń i przekładni wolnoobrotowych. Koła zębate z materiałów niemetalowych są głównie stosowane w niektórych dziedzinach o specjalnych wymaganiach, takich jak smarowanie bezolejowe i wysoka niezawodność. Dziedzina warunków, takich jak niskie zanieczyszczenie, takich jak urządzenia gospodarstwa domowego, sprzęt medyczny, maszyny spożywcze i maszyny tekstylne.

Materiały powłokowe do przekładni

Materiały ceramiczne inżynieryjne są niezwykle obiecującymi materiałami o wysokiej wytrzymałości i twardości, szczególnie doskonałej odporności na ciepło, niskiej przewodności cieplnej i rozszerzalności cieplnej, wysokiej odporności na zużycie i utlenianie. Wiele badań wykazało, że materiały ceramiczne są z natury odporne na ciepło i mają niskie zużycie metali. Dlatego stosowanie materiałów ceramicznych zamiast materiałów metalowych do części odpornych na zużycie może poprawić żywotność podzespołu ciernego, może spełniać niektóre z materiałów o wysokiej temperaturze i wysokiej odporności na zużycie, wielofunkcyjnych i innych trudnych wymagań. Obecnie materiały ceramiczne inżynieryjne są stosowane w produkcji części silników odpornych na ciepło, przekładni mechanicznych w częściach eksploatacyjnych, sprzętu chemicznego w częściach odpornych na korozję i części uszczelniających, co coraz bardziej pokazuje szerokie perspektywy zastosowania materiałów ceramicznych.

Kraje rozwinięte, takie jak Niemcy, Japonia, Stany Zjednoczone, Wielka Brytania i inne, przywiązują dużą wagę do rozwoju i stosowania materiałów ceramiki inżynieryjnej, inwestując duże środki finansowe i siłę roboczą w rozwój teorii przetwarzania i technologii ceramiki inżynieryjnej. Niemcy uruchomiły program o nazwie „SFB442”, którego celem jest wykorzystanie technologii PVD do syntezy odpowiedniej warstwy na powierzchni części w celu zastąpienia potencjalnie szkodliwego dla środowiska i ludzkiego ciała środka smarnego. PW Gold i inni w Niemczech wykorzystali finansowanie z SFB442 do zastosowania technologii PVD do osadzania cienkich warstw na powierzchni łożysk tocznych i odkryli, że właściwości przeciwzużyciowe łożysk tocznych uległy znacznej poprawie, a warstwy osadzone na powierzchni mogą całkowicie zastąpić funkcję dodatków przeciwzużyciowych o ekstremalnym ciśnieniu. Joachim, Franz i in. w Niemczech wykorzystali technologię PVD do przygotowania warstw WC/C wykazujących doskonałe właściwości przeciwzmęczeniowe, wyższe niż w przypadku środków smarnych zawierających dodatki EP, co podobnie daje możliwość zastąpienia szkodliwych dodatków powłokami. E. Lugscheider i in. z Instytutu Nauki o Materiałach, Politechniki w Akwizgranie, Niemcy, z finansowaniem z DFG (Niemieckiej Komisji Badawczej), wykazali znaczny wzrost odporności na zmęczenie po osadzanie odpowiednich powłok na stali 100Cr6 przy użyciu technologii PVD. Ponadto, amerykański General Motors rozpoczął w swoim samochodzie typu VolvoS80Turbo osadzanie powłoki powierzchniowej przekładni w celu poprawy odporności na zmęczenie wżerowe; znana firma Timken wprowadziła na rynek powłokę powierzchniową przekładni o nazwie ES200; zarejestrowany znak towarowy MAXIT gear coated pojawił się w Niemczech; zarejestrowany znak towarowy Graphit-iC i Dymon-iC odpowiednio Powłoki przekładniowe z zarejestrowanymi znakami towarowymi Graphit-iC i Dymon-iC są również dostępne w Wielkiej Brytanii.

Jako ważne części zamienne przekładni mechanicznej, koła zębate odgrywają ważną rolę w przemyśle, dlatego też bardzo ważne jest praktyczne zbadanie zastosowania materiałów ceramicznych na kołach zębatych. Obecnie ceramika inżynieryjna stosowana na kołach zębatych to głównie następujące materiały.

1. Warstwa powłoki TiN
1.TiN

Powłoka jonowa Warstwa ceramiczna TiN jest jedną z najczęściej stosowanych powłok modyfikowanych powierzchniowo o wysokiej twardości, wysokiej wytrzymałości na przyczepność, niskim współczynniku tarcia, dobrej odporności na korozję itp. Jest szeroko stosowana w różnych dziedzinach, szczególnie w przemyśle narzędziowym i formowym. Głównym powodem wpływającym na stosowanie powłoki ceramicznej na kołach zębatych jest problem wiązania między powłoką ceramiczną a podłożem. Ponieważ warunki pracy i czynniki wpływające na koła zębate są znacznie bardziej skomplikowane niż w przypadku narzędzi i form, stosowanie pojedynczej powłoki TiN na powierzchni koła zębatego jest znacznie ograniczone. Chociaż powłoka ceramiczna ma zalety wysokiej twardości, niskiego współczynnika tarcia i odporności na korozję, jest krucha i trudno uzyskać grubszą powłokę, dlatego potrzebuje podłoża o wysokiej twardości i wysokiej wytrzymałości, aby podeprzeć powłokę, aby zachować jej właściwości. Dlatego powłoka ceramiczna jest najczęściej stosowana na powierzchniach z węglika spiekanego i stali szybkotnącej. Materiał przekładni jest miękki w porównaniu do materiału ceramicznego, a różnica między naturą podłoża i powłoki jest duża, więc połączenie powłoki i podłoża jest słabe, a powłoka nie jest wystarczająca, aby podtrzymać powłokę, co sprawia, że ​​powłoka łatwo odpada w procesie użytkowania, nie tylko nie może wykorzystać zalet powłoki ceramicznej, ale odpadające cząstki powłoki ceramicznej spowodują zużycie ścierne przekładni, przyspieszając utratę zużycia przekładni. Obecnym rozwiązaniem jest wykorzystanie technologii obróbki powierzchni kompozytowych w celu poprawy wiązania między ceramiką a podłożem. Technologia obróbki powierzchni kompozytowych odnosi się do połączenia powłoki fizycznego osadzania z fazy gazowej i innych procesów obróbki powierzchni lub powłok, wykorzystując dwie oddzielne powierzchnie/podpowierzchnie w celu modyfikacji powierzchni materiału podłoża w celu uzyskania właściwości mechanicznych kompozytu, których nie można uzyskać za pomocą pojedynczego procesu obróbki powierzchni. Powłoka kompozytowa TiN osadzona przez azotowanie jonowe i PVD jest jedną z najlepiej zbadanych powłok kompozytowych. Podłoże azotowane plazmowo i powłoka kompozytowa TiN ceramiczna mają silne wiązanie, a odporność na zużycie jest znacznie poprawiona.

Optymalna grubość warstwy folii TiN z doskonałą odpornością na zużycie i wiązaniem do podłoża folii wynosi około 3~4μm. Jeśli grubość warstwy folii jest mniejsza niż 2μm, odporność na zużycie nie ulegnie znacznej poprawie. Jeśli grubość warstwy folii jest większa niż 5μm, wiązanie do podłoża folii zostanie zmniejszone.

2、Wielowarstwowa, wieloskładnikowa powłoka TiN

Wraz ze stopniowym i powszechnym stosowaniem powłok TiN, coraz więcej badań dotyczy sposobów ulepszania i wzmacniania powłok TiN. W ostatnich latach opracowano powłoki wieloskładnikowe i wielowarstwowe na bazie binarnych powłok TiN, takich jak Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 itp. Poprzez dodanie do powłok TiN pierwiastków, takich jak Al i Si, można poprawić odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze i twardość powłok, podczas gdy dodanie pierwiastków, takich jak B, może poprawić twardość i przyczepność powłok.

Ze względu na złożoność składu wieloskładnikowego, w tym badaniu występuje wiele kontrowersji. W badaniu powłok wieloskładnikowych (Tix,Cr1-x)N istnieje duża kontrowersja w wynikach badań. Niektórzy uważają, że powłoki (Tix,Cr1-x)N są oparte na TiN, a Cr może występować tylko w postaci zastępczego roztworu stałego w matrycy punktowej TiN, ale nie jako oddzielna faza CrN. Inne badania pokazują, że liczba atomów Cr bezpośrednio zastępujących atomy Ti w powłokach (Tix,Cr1-x)N jest ograniczona, a pozostały Cr występuje w stanie singletowym lub tworzy związki z N. Wyniki eksperymentów pokazują, że dodanie Cr do powłoki zmniejsza rozmiar cząstek powierzchniowych i zwiększa twardość, a twardość powłoki osiąga najwyższą wartość, gdy procentowa zawartość masowa Cr osiąga 31%, ale naprężenie wewnętrzne powłoki również osiąga maksymalną wartość.

3、Inna warstwa powłoki

Oprócz powszechnie stosowanych powłok TiN, do wzmacniania powierzchni kół zębatych stosuje się wiele różnych materiałów ceramicznych.

(1)Y. Terauchi i in. z Japonii badali odporność na zużycie cierne ceramicznych kół zębatych z węglika tytanu lub azotku tytanu osadzonych metodą osadzania z fazy gazowej. Koła zębate nawęglono i polerowano, aby uzyskać twardość powierzchni około HV720 i chropowatość powierzchni 2,4 μm przed powlekaniem, a powłoki ceramiczne przygotowano metodą osadzania z fazy gazowej (CVD) dla węglika tytanu i metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD) dla azotku tytanu, przy grubości powłoki ceramicznej około 2 μm. Właściwości zużycia ciernego badano odpowiednio w obecności oleju i tarcia suchego. Stwierdzono, że odporność na zatarcia i zarysowania imadła przekładniowego uległy znacznemu zwiększeniu po pokryciu ceramiką.

(2)Powłoka kompozytowa z chemicznie powlekanego Ni-P i TiN została przygotowana przez wstępne powlekanie Ni-P jako warstwy przejściowej, a następnie osadzanie TiN. Badanie pokazuje, że twardość powierzchni tej powłoki kompozytowej została poprawiona w pewnym stopniu, a powłoka jest lepiej związana z podłożem i ma lepszą odporność na zużycie.

(3) WC/C, cienka warstwa B4C
M. Murakawa i in., Wydział Inżynierii Mechanicznej, Japoński Instytut Technologiczny, zastosowali technologię PVD do osadzania cienkiej warstwy WC/C na powierzchni kół zębatych, a jej żywotność była trzykrotnie większa od żywotności zwykłych kół zębatych hartowanych i szlifowanych w warunkach smarowania bezolejowego. Franz J i in. zastosowali technologię PVD do osadzania cienkiej warstwy WC/C i B4C na powierzchni kół zębatych FEZ-A i FEZ-C, a eksperyment wykazał, że powłoka PVD znacznie zmniejszyła tarcie kół zębatych, uczyniła je mniej podatnymi na klejenie na gorąco lub przyklejanie i poprawiła nośność koła zębatego.

(4) Filmy CrN
Folie CrN są podobne do folii TiN, ponieważ mają wyższą twardość, a folie CrN są bardziej odporne na utlenianie w wysokiej temperaturze niż TiN, mają lepszą odporność na korozję, niższe naprężenia wewnętrzne niż folie TiN i stosunkowo lepszą wytrzymałość. Chen Ling i in. opracowali odporną na zużycie kompozytową folię TiAlCrN/CrN z doskonałym wiązaniem opartym na folii na powierzchni HSS, a także zaproponowali teorię układania dyslokacji w folii wielowarstwowej, jeśli różnica energii dyslokacji między dwiema warstwami jest duża, dyslokacja występująca w jednej warstwie będzie trudna do przekroczenia swojego interfejsu do drugiej warstwy, tworząc w ten sposób układanie dyslokacji na interfejsie i odgrywając rolę wzmacniania materiału. Zhong Bin i in. badali wpływ zawartości azotu na strukturę fazową i właściwości cierne folii CrNx, a badanie wykazało, że pik dyfrakcyjny Cr2N (211) w foliach stopniowo słabł, a pik CrN (220) stopniowo wzmacniał się wraz ze wzrostem zawartości N2, duże cząstki na powierzchni folii stopniowo malały, a powierzchnia miała tendencję do bycia płaską. Przy napowietrzaniu N2 wynoszącym 25 ml/min (prąd łuku źródła docelowego wynosi 75 A), osadzona powłoka CrN ma dobrą jakość powierzchni, dużą twardość i doskonałą odporność na zużycie, gdy napowietrzanie N2 wynosi 25 ml/min (prąd łuku źródła docelowego wynosi 75 A, podciśnienie wynosi 100 V).

(5) Folia supertwarda
Film supertwardy to film stały o twardości większej niż 40 GPa, doskonałej odporności na zużycie, wysokiej odporności na temperaturę i niskim współczynniku tarcia oraz niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej, głównie film diamentowy amorficzny i film CN. Film diamentowy amorficzny ma właściwości amorficzne, nie ma uporządkowanej struktury dalekiego zasięgu i zawiera dużą liczbę wiązań tetraedrycznych CC, dlatego nazywa się je również filmami węgla amorficznego tetraedrycznego. Jako rodzaj filmu węgla amorficznego, powłoka diamentopodobna (DLC) ma wiele doskonałych właściwości podobnych do diamentu, takich jak wysoka przewodność cieplna, wysoka twardość, wysoki moduł sprężystości, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, dobra stabilność chemiczna, dobra odporność na zużycie i niski współczynnik tarcia. Wykazano, że powlekanie powierzchni przekładni filmami diamentopodobnymi może wydłużyć żywotność o współczynnik 6 i znacznie poprawić odporność zmęczeniową. Film CN, znany również jako film węgiel-azot amorficzny, ma strukturę krystaliczną podobną do związków kowalencyjnych β-Si3N4 i jest również znany jako β-C3N4. Liu i Cohen i in. przeprowadzili rygorystyczne obliczenia teoretyczne, wykorzystując obliczenia pasm pseudopotencjalnych z zasady pierwszej natury, i potwierdzili, że β-C3N4 ma dużą energię wiązania, stabilną strukturę mechaniczną, może istnieć co najmniej jeden stan podstabilny, a jego moduł sprężystości jest porównywalny z diamentem, przy dobrych właściwościach, które mogą skutecznie poprawić twardość powierzchni i odporność materiału na zużycie oraz zmniejszyć współczynnik tarcia.

(6) Inna warstwa powłoki odpornej na zużycie stopu
Niektóre powłoki odporne na zużycie stopowe próbowano również stosować do kół zębatych, na przykład osadzanie warstwy stopu Ni-P-Co na powierzchni zębów kół zębatych ze stali 45# jest warstwą stopu w celu uzyskania ultradrobnej organizacji ziarna, co może wydłużyć żywotność do 1,144~1,533 razy. Badano również, że warstwa metalu Cu i powłoka stopu Ni-W są nakładane na powierzchnię zębów koła zębatego z żeliwa stopowego Cu-Cr-P w celu zwiększenia jego wytrzymałości; powłoka stopu Ni-W i Ni-Co są nakładane na powierzchnię zębów koła zębatego z żeliwa HT250 w celu zwiększenia odporności na zużycie o 4~6 razy w porównaniu z kołem zębatym bez powłoki.