tecnologia de revestimento de engrenagens

A tecnologia de deposição PVD tem sido 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 agora é amplamente utilizada no tratamento de ferramentas, moldes, anéis de pistão, engrenagens e outros componentes. As engrenagens revestidas com a tecnologia de revestimento iônico a vácuo podem reduzir significativamente o coeficiente de atrito, melhorar a resistência ao desgaste e, em certa medida, à corrosão, tornando-se o foco e o principal tema de pesquisa na área de tecnologia de reforço da superfície de engrenagens.

Os materiais mais comuns usados ​​para engrenagens são aço forjado, aço fundido, ferro fundido, metais não ferrosos (cobre, alumínio) e plásticos. O aço é principalmente o aço 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB e 38CrMoAl. O aço de baixo carbono usado principalmente é o 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB e 20CrMnTo. O aço forjado é mais amplamente utilizado em engrenagens devido ao seu melhor desempenho, enquanto o aço fundido é geralmente usado para fabricar engrenagens com diâmetro > 400 mm e estrutura complexa. As engrenagens de ferro fundido são resistentes à colagem e à corrosão por pites, mas carecem de resistência ao impacto e ao desgaste, sendo indicadas principalmente para trabalho estável, potência não é baixa velocidade ou grande tamanho e forma complexa, podendo operar em condições de falta de lubrificação, adequadas para transmissões abertas. Os metais não ferrosos mais comuns são o bronze de estanho, o bronze de alumínio-ferro e a liga de alumínio fundido, frequentemente utilizados na fabricação de turbinas e engrenagens. No entanto, suas propriedades de deslizamento e antifricção são deficientes, sendo adequados apenas para engrenagens de baixa, média e baixa velocidade. Engrenagens de materiais não metálicos são utilizadas principalmente em setores com requisitos especiais, como lubrificação sem óleo e alta confiabilidade. Esses setores exigem condições de baixa poluição, como eletrodomésticos, equipamentos médicos, máquinas para a indústria alimentícia e máquinas têxteis.

materiais de revestimento de engrenagens

Os materiais cerâmicos de engenharia são extremamente promissores, apresentando alta resistência e dureza, além de excelente resistência ao calor, baixa condutividade térmica e expansão térmica, alta resistência ao desgaste e à oxidação. Numerosos estudos demonstram que os materiais cerâmicos são inerentemente resistentes ao calor e apresentam menor desgaste em comparação aos metais. Portanto, a utilização de materiais cerâmicos em substituição aos metais para componentes sujeitos a desgaste pode aumentar a vida útil do componente de fricção, atendendo a requisitos exigentes de alta temperatura e alta resistência ao desgaste, além de outras necessidades de multifuncionalidade. Atualmente, os materiais cerâmicos de engenharia são utilizados na fabricação de componentes resistentes ao calor de motores, componentes sujeitos a desgaste em transmissões mecânicas, componentes resistentes à corrosão em equipamentos químicos e componentes de vedação, demonstrando o crescente potencial de aplicação desses materiais.

Países desenvolvidos como Alemanha, Japão, Estados Unidos, Reino Unido e outros atribuem grande importância ao desenvolvimento e à aplicação de materiais cerâmicos de engenharia, investindo muitos recursos financeiros e humanos no desenvolvimento da teoria e da tecnologia de processamento de cerâmicas de engenharia. A Alemanha lançou um programa chamado “SFB442”, cujo objetivo é utilizar a tecnologia PVD para sintetizar um filme adequado na superfície de peças, substituindo o lubrificante potencialmente prejudicial ao meio ambiente e à saúde humana. A PW Gold e outras empresas alemãs utilizaram o financiamento do SFB442 para aplicar a tecnologia PVD na deposição de filmes finos na superfície de rolamentos. Os resultados mostraram uma melhora significativa no desempenho antidesgaste dos rolamentos, com os filmes depositados substituindo completamente a função dos aditivos antidesgaste de extrema pressão. Joachim, Franz e outros pesquisadores, também na Alemanha, utilizaram a tecnologia PVD para preparar filmes de WC/C com excelentes propriedades antifadiga, superiores às de lubrificantes com aditivos EP. Esse resultado também abre a possibilidade de substituir aditivos nocivos por revestimentos. E. Lugscheider e outros pesquisadores do Instituto de Ciência dos Materiais da Universidade Técnica de Aachen, na Alemanha, com financiamento da DFG (Fundação Alemã de Pesquisa), demonstraram um aumento significativo na resistência à fadiga após a deposição de filmes adequados em aço 100Cr6 utilizando a tecnologia PVD. tecnologia. Além disso, a General Motors dos Estados Unidos começou a aplicar uma película de revestimento na superfície das engrenagens do seu carro Volvo S80 Turbo para melhorar a resistência à corrosão por fadiga; a renomada empresa Timken lançou a película de revestimento para engrenagens ES200; a marca registrada MAXIT para revestimento de engrenagens surgiu na Alemanha; e as marcas registradas Graphit-iC e Dymon-iC também estão disponíveis no Reino Unido.

Como componentes importantes da transmissão mecânica, as engrenagens desempenham um papel fundamental na indústria, sendo, portanto, de grande importância prática o estudo da aplicação de materiais cerâmicos em engrenagens. Atualmente, as cerâmicas de engenharia aplicadas em engrenagens são principalmente as seguintes:

1. Camada de revestimento de TiN
1、TiN

A deposição iônica de revestimento cerâmico de TiN é um dos revestimentos de modificação de superfície mais utilizados, apresentando alta dureza, alta resistência de adesão, baixo coeficiente de atrito e boa resistência à corrosão. Tem sido amplamente utilizada em diversos campos, especialmente na indústria de ferramentas e moldes. O principal obstáculo para a aplicação do revestimento cerâmico em engrenagens é a dificuldade de adesão entre o revestimento e o substrato. Como as condições de trabalho e os fatores que influenciam o funcionamento das engrenagens são muito mais complexos do que os de ferramentas e moldes, a aplicação de uma única camada de TiN no tratamento da superfície das engrenagens é bastante limitada. Embora o revestimento cerâmico apresente vantagens como alta dureza, baixo coeficiente de atrito e resistência à corrosão, ele é frágil e difícil de ser aplicado em camadas espessas, necessitando, portanto, de um substrato de alta dureza e alta resistência para suportar o revestimento e, assim, exercer suas características. Consequentemente, o revestimento cerâmico é utilizado principalmente em superfícies de metal duro e aço rápido. O material da engrenagem é macio em comparação com o material cerâmico, e a diferença entre a natureza do substrato e do revestimento é grande, resultando em uma combinação deficiente entre o revestimento e o substrato. O revestimento não oferece suporte suficiente, facilitando seu desprendimento durante o uso. Isso não só impede o aproveitamento das vantagens do revestimento cerâmico, como também causa desgaste abrasivo na engrenagem, acelerando sua perda por desgaste. A solução atual consiste em utilizar a tecnologia de tratamento de superfície composta para melhorar a adesão entre a cerâmica e o substrato. Essa tecnologia combina a deposição física de vapor (PVD) com outros processos ou revestimentos de tratamento de superfície, utilizando duas superfícies/subsuperfícies distintas para modificar a superfície do material do substrato e 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 nitretado por plasma e o revestimento composto de cerâmica TiN apresentam forte adesão, melhorando significativamente a resistência ao desgaste.

A espessura ideal da camada de filme de TiN, que proporciona excelente resistência ao desgaste e boa adesão à base do filme, é de aproximadamente 3 a 4 μm. Se a espessura da camada de filme for inferior a 2 μm, a resistência ao desgaste não apresentará melhoria significativa. Se a espessura da camada de filme for superior a 5 μm, a adesão à base do filme será prejudicada.

2. Revestimento de TiN multicamadas e multicomponente

Com a aplicação gradual e generalizada de revestimentos de TiN, crescem as pesquisas sobre como aprimorá-los e melhorá-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 permite melhorar a resistência à oxidação em altas temperaturas e a dureza, enquanto a adição de elementos como B melhora a dureza e a resistência 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. Alguns acreditam que os revestimentos (Tix,Cr1-x)N são baseados em TiN e que o Cr só pode existir na forma de solução sólida de substituição na matriz de pontos de TiN, e não como uma fase CrN separada. Outros estudos mostram que o número de átomos de Cr que substituem diretamente os átomos de Ti nos 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, sendo que a dureza do revestimento atinge seu valor máximo quando a porcentagem em massa de Cr chega a 31%, mas a tensão interna do revestimento também atinge seu valor máximo.

3. Outra camada de revestimento

Além dos revestimentos de TiN comumente utilizados, muitas cerâmicas de engenharia diferentes são usadas para o reforço da superfície das engrenagens.

(1) Y. Terauchi et al., do Japão, estudaram a resistência ao desgaste por fricção de engrenagens cerâmicas de carboneto de titânio ou nitreto de titânio depositadas pelo método de deposição a 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 a vapor (CVD) para o carboneto de titânio e por deposição física a vapor (PVD) para o nitreto de titânio, com uma espessura de filme cerâmico de cerca de 2 μm. As propriedades de desgaste por fricção foram investigadas na presença de óleo e fricção seca, respectivamente. Constatou-se que a resistência à abrasão e a resistência a riscos da morsa da engrenagem foram substancialmente aprimoradas após o revestimento com cerâmica.

(2) Um revestimento composto de Ni-P e TiN revestidos quimicamente foi preparado pré-revestindo-se Ni-P como camada de transição e, em seguida, depositando-se TiN. O estudo mostra que a dureza superficial deste revestimento composto foi melhorada até certo ponto, e o revestimento tem melhor adesão ao substrato e melhor resistência ao desgaste.

(3) Filme fino WC/C, B4C
M. Murakawa e colaboradores, 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 convencionais sob condições de lubrificação sem óleo. Franz J e colaboradores utilizaram a tecnologia PVD para depositar películas finas 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, tornando-a menos suscetível à colagem a quente ou à colagem mecânica, e melhorou sua capacidade de carga.

(4) Filmes de CrN
Os filmes de CrN são semelhantes aos filmes de TiN por apresentarem maior dureza. Além disso, os filmes de CrN são mais resistentes à oxidação em altas temperaturas do que os de TiN, possuem melhor resistência à corrosão, menor tensão interna e tenacidade relativamente superior. Chen Ling et al. prepararam um filme compósito TiAlCrN/CrN resistente ao desgaste, com excelente adesão à superfície do aço rápido (HSS), e propuseram a teoria do empilhamento de discordâncias em filmes multicamadas. Segundo essa teoria, se a diferença de energia de discordância entre duas camadas for grande, a discordância presente em uma camada terá dificuldade em atravessar sua interface para a outra, formando assim um empilhamento de discordâncias na interface e atuando como um reforço do material. Zhong Bin et al. estudaram o efeito do teor de nitrogênio na estrutura de fases e nas propriedades de desgaste por fricção de filmes de CrNx. O estudo mostrou que o pico de difração Cr2N (211) nos filmes enfraqueceu gradualmente e o pico CrN (220) intensificou-se gradualmente com o aumento do teor de N2. As partículas grandes na superfície do filme diminuíram gradualmente e a superfície tendeu a se tornar mais plana. Quando a aeração com N2 era de 25 ml/min (corrente do arco da fonte alvo de 75 A), o filme de CrN depositado apresentava boa qualidade superficial, boa dureza e excelente resistência ao desgaste.

(5) Filme superduro
Filmes superduros são filmes sólidos com dureza superior a 40 GPa, excelente resistência ao desgaste, resistência a altas temperaturas, baixo coeficiente de atrito e baixo coeficiente de expansão térmica, sendo principalmente filmes de diamante amorfo e filmes de CN. Filmes de diamante amorfo possuem propriedades amorfas, não apresentam estrutura ordenada de longo alcance e contêm um grande número de ligações tetraédricas C-C, sendo também chamados de filmes de carbono amorfo tetraédrico. Como um tipo de filme de carbono amorfo, o revestimento tipo diamante (DLC) possui 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. Demonstrou-se que o revestimento de superfícies de engrenagens com filmes tipo diamante pode prolongar a vida útil em até 6 vezes e melhorar significativamente a resistência à fadiga. Filmes de CN, também conhecidos como filmes de carbono-nitrogênio amorfo, possuem uma estrutura cristalina semelhante à dos compostos covalentes β-Si3N4 e também são conhecidos como β-C3N4. Liu e Cohen et al. Realizaram-se cálculos teóricos rigorosos utilizando cálculos de bandas de pseudopotencial a partir do princípio da natureza fundamental, confirmando que o β-C3N4 possui uma grande energia de ligação, uma estrutura mecânica estável, podendo existir pelo menos um estado subestável, e seu módulo de elasticidade é comparável ao do diamante, apresentando boas propriedades, o que pode melhorar efetivamente a dureza superficial e a resistência ao desgaste do material, além de reduzir o coeficiente de atrito.

(6) Outra camada de revestimento resistente ao desgaste de liga
Algumas ligas metálicas resistentes ao desgaste também foram testadas para aplicação em engrenagens. Por exemplo, a deposição de uma camada de liga Ni-P-Co na superfície dos dentes de engrenagens de aço 45# proporciona uma organização de grãos ultrafina, o que pode prolongar a vida útil em até 1,144 a 1,533 vezes. Estudos também investigaram a aplicação de camadas de cobre e liga Ni-W na superfície dos dentes de engrenagens de ferro fundido de liga Cu-Cr-P para melhorar sua resistência; já a aplicação de revestimentos de liga Ni-W e Ni-Co na superfície dos dentes de engrenagens de ferro fundido HT250 aumentou a resistência ao desgaste em 4 a 6 vezes em comparação com engrenagens sem revestimento.