Tecnologia de revestimento de engrenagens

A tecnologia de deposição PVD é praticada há muitos anos como uma nova tecnologia de modificação de superfície, especialmente a tecnologia de revestimento iônico a vácuo, que obteve grande desenvolvimento nos últimos anos e é amplamente utilizada no tratamento de ferramentas, moldes, anéis de pistão, engrenagens e outros componentes. As engrenagens revestidas preparadas pela tecnologia de revestimento iônico a vácuo podem reduzir significativamente o coeficiente de atrito, melhorar o antidesgaste e certas propriedades anticorrosivas, e se tornaram o foco e o foco da pesquisa na área de tecnologia de reforço de superfícies de engrenagens.

Os materiais comuns usados ​​para engrenagens são principalmente aço forjado, aço fundido, ferro fundido, metais não ferrosos (cobre, alumínio) e plásticos. O aço é principalmente aço 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Aço de baixo carbono usado principalmente em 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. O aço forjado é mais amplamente usado em engrenagens devido ao seu melhor desempenho, enquanto o aço fundido é geralmente usado para fabricar engrenagens com diâmetro > 400mm e estrutura complexa. Engrenagens de ferro fundido anti-cola e resistência à corrosão, mas a falta de resistência ao impacto e ao desgaste, principalmente para trabalho estável, a potência não é baixa velocidade ou tamanho grande e forma complexa, pode trabalhar sob a condição da falta de lubrificação, adequada para transmissão aberta. Os metais não ferrosos comumente utilizados são bronze estanho, bronze alumínio-ferro e ligas de alumínio fundido, comumente utilizados na fabricação de turbinas ou engrenagens, mas as propriedades de deslizamento e antifricção são baixas, sendo utilizadas apenas em engrenagens de carga leve, média e baixa velocidade. Engrenagens de materiais não metálicos são usadas principalmente em algumas áreas com requisitos especiais, como lubrificação isenta de óleo e alta confiabilidade. Em áreas com baixa poluição, como eletrodomésticos, equipamentos médicos, máquinas alimentícias e máquinas têxteis.

Materiais de revestimento de engrenagens

Materiais cerâmicos de engenharia são materiais extremamente promissores, com alta resistência e dureza, especialmente excelente resistência ao calor, baixa condutividade térmica e expansão térmica, alta resistência ao desgaste e à oxidação. Um grande número de estudos demonstrou que os materiais cerâmicos são inerentemente resistentes ao calor e apresentam baixo desgaste em metais. Portanto, o uso de materiais cerâmicos em vez de materiais metálicos para peças resistentes ao desgaste pode aumentar a vida útil do sub de fricção, atender a alguns dos materiais de alta temperatura e alta resistência ao desgaste, multifuncionais e outros requisitos rigorosos. Atualmente, os materiais cerâmicos de engenharia têm sido utilizados na fabricação de peças resistentes ao calor de motores, peças de desgaste de transmissões mecânicas, peças resistentes à corrosão de equipamentos químicos e peças de vedação, mostrando cada vez mais a ampla perspectiva de aplicação de materiais cerâmicos.

Países desenvolvidos como Alemanha, Japão, Estados Unidos, Reino Unido e outros países atribuem grande importância ao desenvolvimento e à aplicação de materiais cerâmicos de engenharia, investindo muito dinheiro e mão de obra para desenvolver a teoria e a tecnologia de processamento de cerâmicas de engenharia. A Alemanha lançou um programa denominado "SFB442", cujo objetivo é usar a tecnologia PVD para sintetizar um filme adequado na superfície das peças, a fim de substituir o meio lubrificante potencialmente prejudicial ao meio ambiente e ao corpo humano. A PW Gold e outras empresas na Alemanha utilizaram o financiamento do SFB442 para aplicar a tecnologia PVD na deposição de filmes finos na superfície de rolamentos e constataram que o desempenho antidesgaste dos rolamentos foi significativamente melhorado e os filmes depositados na superfície poderiam substituir completamente a função dos aditivos antidesgaste de extrema pressão. Joachim, Franz et al., na Alemanha, utilizaram a tecnologia PVD para preparar filmes de WC/C que demonstraram excelentes propriedades antifadiga, superiores às de lubrificantes contendo aditivos EP, um resultado que, de forma semelhante, proporciona a possibilidade de substituir aditivos nocivos por revestimentos. E. Lugscheider et al., do Instituto de Ciência dos Materiais da Universidade Técnica de Aachen, Alemanha, com financiamento da DFG (Comissão Alemã de Pesquisa), demonstraram um aumento significativo na resistência à fadiga após a deposição de filmes apropriados em aço 100Cr6 usando Tecnologia PVD. Além disso, a General Motors dos Estados Unidos iniciou a aplicação de película de deposição de superfície para engrenagens de veículos do tipo Volvo S80Turbo para melhorar a resistência à corrosão por fadiga; a renomada empresa Timken lançou a película de superfície para engrenagens ES200; o revestimento de engrenagens MAXIT, marca registrada, surgiu na Alemanha; as marcas registradas Graphit-iC e Dymon-iC, respectivamente. Revestimentos para engrenagens com as marcas registradas Graphit-iC e Dymon-iC também estão disponíveis no Reino Unido.

Como peças de reposição importantes da transmissão mecânica, as engrenagens desempenham um papel fundamental na indústria, por isso é de suma importância prática estudar a aplicação de materiais cerâmicos em engrenagens. Atualmente, as cerâmicas de engenharia aplicadas às engrenagens são principalmente as seguintes:

1、Camada de revestimento TiN
1、TiN

A camada cerâmica de TiN com revestimento iônico é um dos revestimentos de superfície modificados mais amplamente utilizados, com alta dureza, alta resistência à adesão, baixo coeficiente de atrito, boa resistência à corrosão, etc. Ela tem sido amplamente utilizada em vários campos, especialmente na indústria de ferramentas e moldes. O principal motivo que afeta a aplicação de revestimento cerâmico em engrenagens é o problema de ligação entre o revestimento cerâmico e o substrato. Como as condições de trabalho e os fatores de influência das engrenagens são muito mais complexos do que os de ferramentas e moldes, a aplicação de um único revestimento de TiN no tratamento de superfície da engrenagem é bastante restrita. Embora o revestimento cerâmico tenha as vantagens de alta dureza, baixo coeficiente de atrito e resistência à corrosão, ele é quebradiço e difícil de obter um revestimento mais espesso, por isso precisa de um substrato de alta dureza e alta resistência para suportar o revestimento a fim de desempenhar suas características. Portanto, o revestimento cerâmico é usado principalmente para superfícies de carboneto e aço rápido. O material da engrenagem é macio em comparação com o material cerâmico, e a diferença entre a natureza do substrato e o revestimento é grande, portanto, a combinação do revestimento e do substrato é pobre, e o revestimento não é suficiente para suportar o revestimento, tornando o revestimento fácil de cair no processo de uso, não só não pode jogar as vantagens do revestimento cerâmico, mas as partículas de revestimento cerâmico que caem causarão desgaste abrasivo na engrenagem, acelerando a perda de desgaste da engrenagem. A solução atual é usar a tecnologia de tratamento de superfície composta para melhorar a ligação entre a cerâmica e o substrato. A tecnologia de tratamento de superfície composta refere-se à combinação de revestimento de deposição física de vapor e outros processos de tratamento de superfície ou revestimentos, usando duas superfícies/subsuperfícies separadas para modificar a superfície do material do substrato para obter propriedades mecânicas compostas que não podem ser alcançadas por um único processo de tratamento de superfície. O revestimento composto de TiN depositado por nitretação iônica e PVD é um dos revestimentos compostos mais pesquisados. O substrato de nitretação de plasma e o revestimento composto de cerâmica TiN têm uma forte ligação e a resistência ao desgaste é significativamente melhorada.

A espessura ideal da camada de filme de TiN com excelente resistência ao desgaste e ligação à base do filme é de cerca de 3 a 4 μm. Se a espessura da camada de filme for inferior a 2 μm, a resistência ao desgaste não será significativamente melhorada. Se a espessura da camada de filme for superior a 5 μm, a ligação à base do filme será reduzida.

2、Revestimento TiN multicamadas e multicomponentes

Com a aplicação gradual e generalizada de revestimentos de TiN, há cada vez mais pesquisas sobre como aprimorá-los e aprimorá-los. Nos últimos anos, revestimentos multicomponentes e multicamadas foram desenvolvidos com base em revestimentos binários de TiN, como Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, etc. A adição de elementos como Al e Si aos revestimentos de TiN pode melhorar a resistência à oxidação em alta temperatura e a dureza dos revestimentos, enquanto a adição de elementos como B pode melhorar a dureza e a força de adesão dos revestimentos.

Devido à complexidade da composição multicomponente, existem muitas controvérsias neste estudo. No estudo de revestimentos multicomponentes (Tix,Cr1-x)N, há uma grande controvérsia nos resultados da pesquisa. Algumas pessoas acreditam que os revestimentos (Tix,Cr1-x)N são baseados em TiN, e o Cr só pode existir na forma de solução sólida de substituição na matriz de pontos de TiN, mas não como uma fase CrN separada. Outros estudos mostram que o número de átomos de Cr substituindo diretamente átomos de Ti em revestimentos (Tix,Cr1-x)N é limitado, e o Cr restante existe no estado singleto ou forma compostos com N. Os resultados experimentais mostram que a adição de Cr ao revestimento reduz o tamanho das partículas da superfície e aumenta a dureza, e a dureza do revestimento atinge seu valor mais alto quando a porcentagem em massa de Cr atinge 31%, mas a tensão interna do revestimento também atinge seu valor máximo.

3、Outra camada de revestimento

Além dos revestimentos de TiN comumente usados, muitas cerâmicas de engenharia diferentes são usadas para reforçar a superfície das engrenagens.

(1) Y. Terauchi et al., do Japão, estudaram a resistência ao desgaste por atrito de engrenagens cerâmicas de carboneto de titânio ou nitreto de titânio depositadas pelo método de deposição de vapor. As engrenagens foram cementadas e polidas para atingir uma dureza superficial de aproximadamente HV720 e uma rugosidade superficial de 2,4 μm antes do revestimento, e os revestimentos cerâmicos foram preparados por deposição química de vapor (CVD) para carboneto de titânio e por deposição física de vapor (PVD) para nitreto de titânio, com uma espessura de filme cerâmico de cerca de 2 μm. As propriedades de desgaste por atrito foram investigadas na presença de óleo e atrito seco, respectivamente. Constatou-se que a resistência à corrosão e a resistência a arranhões da morsa de engrenagem foram substancialmente aumentadas após o revestimento com cerâmica.

(2) Um revestimento composto de Ni-P e TiN quimicamente revestidos foi preparado por meio da pré-revestimento de Ni-P como camada de transição e, em seguida, da deposição de TiN. O estudo demonstrou que a dureza superficial deste revestimento composto foi melhorada até certo ponto, apresentando melhor adesão ao substrato e maior resistência ao desgaste.

(3) WC/C, película fina B4C
M. Murakawa et al., do Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto de Tecnologia do Japão, utilizaram a tecnologia PVD para depositar uma película fina de WC/C na superfície de engrenagens, e sua vida útil foi três vezes maior que a de engrenagens temperadas e retificadas comuns sob condições de lubrificação isenta de óleo. Franz J et al. utilizaram a tecnologia PVD para depositar uma película fina de WC/C e B4C na superfície de engrenagens FEZ-A e FEZ-C, e o experimento mostrou que o revestimento PVD reduziu significativamente o atrito da engrenagem, tornou a engrenagem menos suscetível à colagem a quente ou colagem e melhorou sua capacidade de carga.

(4) Filmes de CrN
Filmes de CrN são semelhantes aos filmes de TiN, pois têm dureza mais alta, e filmes de CrN são mais resistentes à oxidação em alta temperatura do que TiN, têm melhor resistência à corrosão, menor estresse interno do que filmes de TiN e tenacidade relativamente melhor. Chen Ling et prepararam um filme composto de TiAlCrN/CrN resistente ao desgaste com excelente ligação baseada em filme na superfície de HSS, e também propuseram a teoria de empilhamento de discordâncias de filme multicamadas, se a diferença de energia de discordância entre duas camadas for grande, a discordância que ocorre em uma camada será difícil de cruzar sua interface para a outra camada, formando assim o empilhamento de discordâncias na interface e desempenhando o papel de fortalecer o material. Zhong Bin et estudaram o efeito do teor de nitrogênio na estrutura de fase e nas propriedades de desgaste por atrito de filmes de CrNx, e o estudo mostrou que o pico de difração de Cr2N (211) nos filmes enfraqueceu gradualmente e o pico de CrN (220) aumentou gradualmente com o aumento do teor de N2, as partículas grandes na superfície do filme diminuíram gradualmente e a superfície tendeu a ser plana. Quando a aeração de N2 foi de 25 ml/min (a corrente do arco da fonte alvo foi de 75 A, o filme de CrN depositado tem boa qualidade de superfície, boa dureza e excelente resistência ao desgaste quando a aeração de N2 foi de 25 ml/min (a corrente do arco da fonte alvo foi de 75 A, a pressão negativa foi de 100 V).

(5) Filme superduro
Filme superduro é o filme sólido com dureza superior a 40 GPa, excelente resistência ao desgaste, resistência a altas temperaturas e baixo coeficiente de atrito e baixo coeficiente de expansão térmica, principalmente filme de diamante amorfo e filme CN. Filmes de diamante amorfo têm propriedades amorfas, nenhuma estrutura ordenada de longo alcance e contêm um grande número de ligações tetraédricas CC, por isso também são chamados de filmes de carbono amorfo tetraédricos. Como um tipo de filme de carbono amorfo, o revestimento tipo diamante (DLC) tem muitas propriedades excelentes semelhantes ao diamante, como alta condutividade térmica, alta dureza, alto módulo de elasticidade, baixo coeficiente de expansão térmica, boa estabilidade química, boa resistência ao desgaste e baixo coeficiente de atrito. Foi demonstrado que o revestimento de filmes tipo diamante em superfícies de engrenagens pode estender a vida útil por um fator de 6 e melhorar significativamente a resistência à fadiga. Filmes CN, também conhecidos como filmes amorfos de carbono-nitrogênio, têm uma estrutura cristalina semelhante à dos compostos covalentes β-Si3N4 e também são conhecidos como β-C3N4. Liu e Cohen et al. realizou cálculos teóricos rigorosos usando cálculos de banda pseudopotencial do princípio da primeira natureza, confirmou que β-C3N4 tem uma grande energia de ligação, uma estrutura mecânica estável, pelo menos um estado subestável pode existir e seu módulo de elasticidade é comparável ao diamante, com boas propriedades, o que pode efetivamente melhorar a dureza da superfície e a resistência ao desgaste do material e reduzir o coeficiente de atrito.

(6) Outra camada de revestimento resistente ao desgaste de liga
Alguns revestimentos de liga resistentes ao desgaste também foram testados em engrenagens, por exemplo, a deposição de uma camada de liga Ni-P-Co na superfície do dente de engrenagens de aço de 45# é uma camada de liga para obter uma organização de grãos ultrafina, o que pode estender a vida útil em até 1,144 a 1,533 vezes. Também foi estudado que uma camada metálica de Cu e um revestimento de liga Ni-W são aplicados na superfície do dente de engrenagens de ferro fundido de liga Cu-Cr-P para aumentar sua resistência; revestimentos de liga Ni-W e Ni-Co são aplicados na superfície do dente de engrenagens de ferro fundido HT250 para aumentar a resistência ao desgaste em 4 a 6 vezes em comparação com engrenagens sem revestimento.