Technologia powlekania przekładni

Technologia osadzania PVD jest od wielu lat stosowana jako nowa technologia modyfikacji powierzchni, zwłaszcza technologia próżniowego powlekania jonowego, która w ostatnich latach zyskała na popularności i jest obecnie szeroko stosowana w obróbce narzędzi, form, pierścieni tłokowych, kół zębatych i innych elementów. Powłoki na kołach zębatych wykonane technologią próżniowego powlekania jonowego pozwalają znacząco obniżyć współczynnik tarcia, poprawić odporność na zużycie i korozję, stając się przedmiotem zainteresowania i gorącym tematem 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 jest głównie w 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Stal kuta jest szerzej stosowana w kołach zębatych ze względu na jej lepsze parametry, podczas gdy staliwo jest zwykle używane do produkcji kół zębatych o średnicy > 400 mm i złożonej strukturze. Koła zębate z żeliwa są odporne na sklejanie i korozję wżerową, ale nie na uderzenia i zużycie, głównie w przypadku stabilnej pracy, mocy 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 oraz odlewniczy stop aluminium, powszechnie stosowane w produkcji turbin lub przekładni, jednak ich właściwości ślizgowe i przeciwcierne są słabe, jedynie w przypadku przekładni o małym, średnim obciążeniu i niskiej prędkości. Przekładnie z materiałów niemetalowych są stosowane głównie w niektórych branżach o szczególnych wymaganiach, takich jak smarowanie bezolejowe i wysoka niezawodność. W branży o niskim poziomie zanieczyszczeń, np. w sprzęcie AGD, sprzęcie medycznym, maszynach spożywczych i tekstylnych, stosuje się je w przemyśle spożywczym.

Materiały powłokowe do przekładni

Materiały ceramiczne to niezwykle obiecujące materiały o wysokiej wytrzymałości i twardości, a zwłaszcza doskonałej odporności na ciepło, niskiej przewodności cieplnej i rozszerzalności cieplnej, wysokiej odporności na zużycie i utlenianie. Liczne badania wykazały, że materiały ceramiczne są z natury odporne na ciepło i charakteryzują się niskim zużyciem metali. Dlatego zastosowanie materiałów ceramicznych zamiast metalowych w częściach odpornych na zużycie może wydłużyć żywotność podzespołów ciernych, spełnić niektóre wymagania dotyczące materiałów odpornych na wysokie temperatury i zużycie, wielofunkcyjnych i innych. Obecnie materiały ceramiczne są wykorzystywane w produkcji żaroodpornych części silników, przekładni mechanicznych w częściach eksploatacyjnych, urządzeń chemicznych w częściach odpornych na korozję oraz uszczelnień, co wskazuje na coraz szersze 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 inżynierskiej, 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, która zastąpi potencjalnie szkodliwy dla środowiska i organizmu ludzkiego środek smarny. PW Gold i inni naukowcy z Niemiec wykorzystali finansowanie z programu SFB442 do zastosowania technologii PVD do osadzania cienkich warstw na powierzchni łożysk tocznych i odkryli, że właściwości przeciwzużyciowe łożysk tocznych uległy znacznej poprawie, a osadzone na powierzchni warstwy mogą całkowicie zastąpić funkcję dodatków przeciwzużyciowych o ekstremalnym ciśnieniu. Joachim, Franz i inni z Niemiec wykorzystali technologię PVD do przygotowania warstw WC/C, które wykazują doskonałe właściwości przeciwzmęczeniowe, wyższe niż w przypadku środków smarnych zawierających dodatki EP, co również daje możliwość zastąpienia szkodliwych dodatków powłokami. E. Lugscheider i inni z Instytutu Materiałoznawstwa Politechniki w Akwizgranie w Niemczech, korzystając z finansowania DFG (Niemieckiej Komisji Badań Naukowych), wykazali znaczny wzrost odporności na zmęczenie po Nakładanie odpowiednich powłok na stal 100Cr6 za pomocą technologii PVD. Ponadto, amerykański General Motors rozpoczął nakładanie powłok na powierzchnię przekładni w samochodach typu VolvoS80Turbo, aby poprawić odporność na wżery zmęczeniowe; znana firma Timken wprowadziła na rynek powłokę powierzchniową przekładni o nazwie ES200; w Niemczech pojawiła się zastrzeżona powłoka zębata MAXIT; zastrzeżona powłoka zębata Graphit-iC i Dymon-iC. Powłoki zębate z zastrzeżonymi znakami towarowymi Graphit-iC i Dymon-iC są również dostępne w Wielkiej Brytanii.

Jako ważne części zamienne przekładni mechanicznych, koła zębate odgrywają istotną rolę w przemyśle, dlatego niezwykle istotne znaczenie praktyczne ma badanie zastosowania materiałów ceramicznych w przekładniach. Obecnie do produkcji przekładni stosuje się głównie następujące materiały ceramiczne:

1. Warstwa powłoki TiN
1. TiN

Powłoka ceramiczna TiN jest jedną z najczęściej stosowanych powłok modyfikowanych powierzchniowo, charakteryzującą się wysoką twardością, wysoką przyczepnością, niskim współczynnikiem tarcia, dobrą odpornością na korozję itp. Jest szeroko stosowana w różnych dziedzinach, zwłaszcza w przemyśle narzędziowym i formowym. Głównym powodem wpływającym na stosowanie powłoki ceramicznej na kołach zębatych jest problem z wiązaniem powłoki ceramicznej z podłożem. Ponieważ warunki pracy i czynniki wpływające na koła zębate są znacznie bardziej skomplikowane niż w przypadku narzędzi i form, nakładanie pojedynczej powłoki TiN na obróbkę 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 wymaga podłoża o wysokiej twardości i wysokiej wytrzymałości, aby powłoka mogła zachować swoje właściwości. Dlatego powłoka ceramiczna jest najczęściej stosowana na powierzchniach z węglików spiekanych i stali szybkotnącej. Materiał przekładni jest miękki w porównaniu z materiałem ceramicznym, a różnica między charakterem podłoża a powłoką jest duża. W rezultacie połączenie powłoki i podłoża jest słabe, a sama powłoka nie jest w stanie utrzymać powłoki, co powoduje, że powłoka łatwo odpada w trakcie użytkowania. Nie tylko nie można w pełni wykorzystać zalet powłoki ceramicznej, ale odpadające cząstki powłoki ceramicznej powodują zużycie ścierne przekładni, przyspieszając jej zużycie. Obecnym rozwiązaniem jest zastosowanie technologii obróbki powierzchni kompozytów w celu poprawy wiązania między ceramiką a podłożem. Technologia obróbki powierzchni kompozytów odnosi się do połączenia fizycznego osadzania z fazy gazowej powłoki i innych procesów obróbki powierzchni lub powłok, wykorzystując dwie oddzielne powierzchnie/podpowierzchnie do modyfikacji powierzchni materiału podłoża w celu uzyskania właściwości mechanicznych kompozytu, których nie można osiągnąć za pomocą pojedynczego procesu obróbki powierzchni. Powłoka kompozytowa TiN nanoszona metodą azotowania jonowego i PVD jest jedną z najlepiej zbadanych powłok kompozytowych. Podłoże azotowane plazmowo i ceramiczna powłoka kompozytowa TiN zapewniają silne wiązanie, a odporność na zużycie jest znacznie zwiększona.

Optymalna grubość warstwy folii TiN, zapewniająca doskonałą odporność na zużycie i przyczepność do podłoża, wynosi około 3–4 μm. Jeśli grubość warstwy folii jest mniejsza niż 2 μm, odporność na zużycie nie ulegnie znaczącej poprawie. Jeśli grubość warstwy folii przekracza 5 μm, przyczepność do podłoża ulegnie pogorszeniu.

2、Wielowarstwowa, wieloskładnikowa powłoka TiN

Wraz ze stopniowym i powszechnym stosowaniem powłok TiN, coraz więcej badań koncentruje się na ich ulepszaniu i udoskonalaniu. W ostatnich latach opracowano powłoki wieloskładnikowe i wielowarstwowe oparte na binarnych powłokach TiN, takich jak Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 itp. Dodanie pierwiastków takich jak Al i Si do powłok TiN pozwala na poprawę odporności na utlenianie w wysokiej temperaturze oraz twardości powłok, a 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 eksperymentalne pokazują, że dodatek 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 tarciowe ceramicznych kół zębatych z węglika tytanu lub azotku tytanu, osadzonych metodą osadzania z fazy gazowej. Koła zębate nawęglano i polerowano, uzyskując twardość powierzchni około HV720 i chropowatość powierzchni 2,4 μm przed nałożeniem powłoki. Powłoki ceramiczne przygotowano metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) w przypadku węglika tytanu oraz metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD) w przypadku azotku tytanu, uzyskując warstwę ceramiczną o grubości około 2 μm. Właściwości związane z zużyciem tarciowym badano odpowiednio w obecności oleju i tarcia suchego. Stwierdzono, że odporność na zatarcie i zarysowanie imadła przekładniowego uległy znacznemu zwiększeniu po nałożeniu powłoki ceramicznej.

(2) Powłokę kompozytową z chemicznie powlekanego Ni-P i TiN przygotowano poprzez wstępne nałożenie Ni-P jako warstwy przejściowej, a następnie osadzenie TiN. Badanie wykazało, że twardość powierzchni tej powłoki kompozytowej uległa pewnej poprawie, a powłoka lepiej wiąże się z podłożem i ma lepszą odporność na zużycie.

(3) WC/C, cienka warstwa B4C
M. Murakawa i in. z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Japońskiego Instytutu Technologicznego zastosowali technologię PVD do nanoszenia cienkiej warstwy WC/C na powierzchnię kół zębatych. Jej żywotność była trzykrotnie wyższa niż w przypadku standardowych kół zębatych hartowanych i szlifowanych w warunkach smarowania bezolejowego. Franz J i in. zastosowali technologię PVD do nanoszenia cienkiej warstwy WC/C i B4C na powierzchnię kół zębatych FEZ-A i FEZ-C. Eksperyment wykazał, że powłoka PVD znacząco zmniejszyła tarcie kół zębatych, zmniejszyła podatność kół zębatych na klejenie na gorąco i klejenie oraz poprawiła ich nośność.

(4) Filmy CrN
Warstwy CrN są podobne do warstw TiN, ponieważ charakteryzują się wyższą twardością. Warstwy CrN są bardziej odporne na utlenianie w wysokiej temperaturze niż TiN, mają lepszą odporność na korozję, niższe naprężenia wewnętrzne niż warstwy TiN i relatywnie lepszą wytrzymałość. Chen Ling i in. opracowali odporną na zużycie warstwę kompozytową TiAlCrN/CrN z doskonałym wiązaniem na powierzchni stali szybkotnącej (HSS), a także zaproponowali teorię ułożenia dyslokacji w warstwie wielowarstwowej. Jeśli różnica energii dyslokacji między dwiema warstwami jest duża, dyslokacja występująca w jednej warstwie będzie miała trudności z przekroczeniem granicy fazowej do drugiej warstwy, tworząc w ten sposób ułożenie dyslokacji na granicy fazowej i wzmacniając materiał. Zhong Bin i in. zbadali wpływ zawartości azotu na strukturę fazową i właściwości cierne warstw CrNx. Badania wykazały, że pik dyfrakcyjny Cr2N (211) w warstwach stopniowo słabł, a pik CrN (220) stopniowo się wzmacniał wraz ze wzrostem zawartości N2. Liczba dużych cząstek na powierzchni warstwy stopniowo malała, a powierzchnia miała tendencję do płaszczenia się. Gdy napowietrzanie N2 wynosiło 25 ml/min (prąd łuku źródła docelowego wynosił 75 A), osadzona warstwa CrN miała dobrą jakość powierzchni, dobrą twardość i doskonałą odporność na zużycie, gdy napowietrzanie N2 wynosiło 25 ml/min (prąd łuku źródła docelowego wynosił 75 A, podciśnienie wynosiło 100 V).

(5) Film supertwardy
Powłoka supertwarda to stała powłoka o twardości powyżej 40 GPa, doskonałej odporności na zużycie, wysokiej odporności temperaturowej oraz niskim współczynniku tarcia i niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej, głównie amorficzna powłoka diamentowa i powłoka CN. Powłoki amorficzne diamentowe mają właściwości amorficzne, nie mają struktury o dużym zasięgu i zawierają dużą liczbę wiązań tetraedrycznych CC, dlatego nazywane są również tetraedrycznymi powłokami amorficznego węgla. Jako rodzaj amorficznej powłoki węglowej, 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 powłokami diamentopodobnymi może wydłużyć żywotność o współczynnik 6 i znacznie poprawić odporność zmęczeniową. Powłoki CN, znane również jako amorficzne powłoki węgiel-azot, mają strukturę krystaliczną podobną do związków kowalencyjnych β-Si3N4 i są również znane jako β-C3N4. Liu, 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
Próbowano również zastosować w przekładniach pewne powłoki stopowe odporne na zużycie, na przykład nałożenie warstwy stopu Ni-P-Co na powierzchnię zębów stalowych kół zębatych o wytrzymałości 45# to warstwa stopowa umożliwiająca uzyskanie ultradrobnej struktury ziarna, co może wydłużyć żywotność nawet 1,144–1,533 razy. Przebadano również, że warstwa miedzi i powłoka ze stopu Ni-W są nakładane na powierzchnię zębów żeliwnych kół zębatych ze stopu Cu-Cr-P w celu zwiększenia ich wytrzymałości; powłoki ze stopu Ni-W i Ni-Co są nakładane na powierzchnię zębów żeliwnych kół zębatych HT250, co zwiększa odporność na zużycie 4–6-krotnie w porównaniu z kołami zębatymi bez powłoki.