Tehnologia de acoperire a angrenajelor

Tehnologia de depunere PVD este practicată de mulți ani ca o nouă tehnologie de modificare a suprafeței, în special tehnologia de acoperire cu ioni în vid, care a cunoscut o dezvoltare semnificativă în ultimii ani și este acum utilizată pe scară largă în tratarea sculelor, matrițelor, segmenților de piston, angrenajelor și a altor componente. Angrenajele acoperite preparate prin tehnologia de acoperire cu ioni în vid pot reduce semnificativ coeficientul de frecare, pot îmbunătăți rezistența la uzură și anumite proprietăți anticorozive și au devenit punctul central și punctul fierbinte al cercetării în domeniul tehnologiei de întărire a suprafeței angrenajelor.

Materialele comune utilizate pentru angrenaje sunt în principal oțelul forjat, oțelul turnat, fonta, metalele neferoase (cupru, aluminiu) și materialele plastice. Oțelul este în principal oțel 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Oțelul cu conținut scăzut de carbon este utilizat în principal ca 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Oțelul forjat este mai utilizat pe scară largă în angrenaje datorită performanțelor sale superioare, în timp ce oțelul turnat este de obicei utilizat pentru fabricarea angrenajelor cu diametrul > 400 mm și structură complexă. Angrenajele din fontă sunt rezistente la adeziv și coroziune, dar nu au rezistență la impact și uzură, fiind ideale pentru o funcționare stabilă, cu viteză redusă sau dimensiuni mari și formă complexă, putând funcționa în condiții de lipsă de lubrifiere, fiind potrivite pentru transmisii deschise. Metalele neferoase utilizate în mod obișnuit sunt bronzul staniu, bronzul aluminiu-fier și aliajele de aluminiu turnat, utilizate în mod obișnuit în fabricarea turbinelor sau a angrenajelor, însă proprietățile de alunecare și antifricțiune sunt slabe, fiind utilizate doar pentru angrenaje ușoare, cu sarcină medie și viteză mică. Angrenajele din materiale nemetalice sunt utilizate în principal în anumite domenii cu cerințe speciale, cum ar fi lubrifierea fără ulei și fiabilitatea ridicată. În domenii cu condiții de poluare redusă, cum ar fi electrocasnicele, echipamentele medicale, mașinile alimentare și mașinile textile.

Materiale de acoperire a angrenajelor

Materialele ceramice inginerești sunt materiale extrem de promițătoare, cu rezistență și duritate ridicate, în special rezistență excelentă la căldură, conductivitate termică și dilatare termică scăzute, rezistență ridicată la uzură și rezistență la oxidare. Un număr mare de studii au arătat că materialele ceramice sunt inerent rezistente la căldură și prezintă o uzură redusă a metalelor. Prin urmare, utilizarea materialelor ceramice în locul materialelor metalice pentru piesele rezistente la uzură poate îmbunătăți durata de viață a amortizoarelor de frecare, poate îndeplini unele dintre cerințele de temperatură ridicată și rezistență ridicată la uzură, fiind multifuncționale și alte cerințe dificile. În prezent, materialele ceramice inginerești sunt utilizate în fabricarea pieselor rezistente la căldură ale motoarelor, a pieselor de transmisie mecanică, a pieselor rezistente la coroziune ale echipamentelor chimice și a pieselor de etanșare, demonstrând din ce în ce mai multe perspective de aplicare largă a materialelor ceramice.

Țările dezvoltate precum Germania, Japonia, Statele Unite, Regatul Unit și alte țări acordă o importanță deosebită dezvoltării și aplicării materialelor ceramice inginerești, investind mulți bani și forță de muncă pentru a dezvolta teoria și tehnologia de procesare a ceramicii inginerești. Germania a lansat un program numit „SFB442”, al cărui scop este de a utiliza tehnologia PVD pentru a sintetiza o peliculă adecvată pe suprafața pieselor, înlocuind mediul de lubrifiere potențial dăunător pentru mediu și organismul uman. PW Gold și alții din Germania au folosit finanțarea din SFB442 pentru a aplica tehnologia PVD în vederea depunerii de pelicule subțiri pe suprafața rulmenților și au descoperit că performanța anti-uzură a rulmenților a fost semnificativ îmbunătățită, iar peliculele depuse pe suprafață puteau înlocui complet funcția aditivilor anti-uzură de presiune extremă. Joachim, Franz și colab. din Germania au folosit tehnologia PVD pentru a prepara pelicule WC/C, demonstrând proprietăți anti-oboseală excelente, superioare celor ale lubrifianților care conțin aditivi EP, un rezultat care, în mod similar, oferă posibilitatea înlocuirii aditivilor dăunători cu acoperiri. E. Lugscheider și colab. de la Institutul de Știința Materialelor, Universitatea Tehnică din Aachen, Germania, cu finanțare de la DFG (Comisia Germană de Cercetare), au demonstrat o creștere semnificativă a rezistenței la oboseală după depunerea de pelicule adecvate pe oțel 100Cr6 folosind tehnologia PVD. În plus, General Motors din Statele Unite a început în... pelicula sa de depunere la suprafața angrenajului de tip VolvoS80Turbo pentru a îmbunătăți rezistența la coroziunea la oboseală; celebra companie Timken a lansat folia de suprafață a angrenajului sub numele ES200; marca înregistrată MAXIT gear coating a apărut în Germania; mărcile înregistrate Graphit-iC și, respectiv, Dymon-iC Gear coatings cu mărcile înregistrate Graphit-iC și Dymon-iC sunt disponibile și în Regatul Unit.

Fiind piese de schimb importante ale transmisiilor mecanice, angrenajele joacă un rol important în industrie, așadar studierea aplicării materialelor ceramice pe angrenaje are o semnificație practică foarte importantă. În prezent, ceramica inginerească aplicată pe angrenaje este în principal următoarea.

1. Strat de acoperire TiN
1、TiN

Stratul ceramic de TiN cu acoperire ionica este unul dintre cele mai utilizate acoperiri modificate la suprafață, având o duritate ridicată, o rezistență mare la aderență, un coeficient de frecare scăzut, o bună rezistență la coroziune etc. A fost utilizat pe scară largă în diverse domenii, în special în industria sculelor și matrițelor. Principalul motiv care afectează aplicarea acoperirii ceramice pe angrenaje este problema lipirii dintre acoperirea ceramică și substrat. Deoarece condițiile de lucru și factorii de influență ai angrenajelor sunt mult mai complicați decât cei ai sculelor și matrițelor, aplicarea unui singur strat de TiN pe tratamentul suprafeței angrenajelor este foarte restricționată. Deși acoperirea ceramică are avantajele unei durități ridicate, a unui coeficient de frecare scăzut și a rezistenței la coroziune, este fragilă și este dificil să se obțină o acoperire mai groasă, așa că este nevoie de un substrat de duritate ridicată și rezistență ridicată pentru a susține acoperirea pentru a-și îndeplini caracteristicile. Prin urmare, acoperirea ceramică este utilizată mai ales pentru suprafețele din carburi și oțeluri rapide. Materialul angrenajului este moale în comparație cu materialul ceramic, iar diferența dintre natura substratului și acoperire este mare, astfel încât combinația dintre acoperire și substrat este slabă, iar acoperirea nu este suficientă pentru a susține acoperirea, ceea ce face ca acoperirea să se desprindă ușor în timpul procesului de utilizare. Nu numai că nu poate juca avantajele acoperirii ceramice, dar particulele de acoperire ceramică care cad vor provoca uzură abrazivă a angrenajului, accelerând pierderea prin uzură a angrenajului. Soluția actuală este utilizarea tehnologiei de tratare a suprafeței compozite pentru a îmbunătăți legătura dintre ceramică și substrat. Tehnologia de tratare a suprafeței compozite se referă la combinarea acoperirii prin depunere fizică de vapori și a altor procese sau acoperiri de tratare a suprafeței, utilizând două suprafețe/subsuprafețe separate pentru a modifica suprafața materialului substratului pentru a obține proprietăți mecanice compozite care nu pot fi obținute printr-un singur proces de tratare a suprafeței. Acoperirea compozită TiN depusă prin nitrurare ionică și PVD este una dintre cele mai cercetate acoperiri compozite. Substratul de nitrurare cu plasmă și acoperirea compozită ceramică TiN au o legătură puternică, iar rezistența la uzură este semnificativ îmbunătățită.

Grosimea optimă a stratului de peliculă TiN cu o rezistență excelentă la uzură și o lipire a bazei peliculei este de aproximativ 3~4 μm. Dacă grosimea stratului de peliculă este mai mică de 2 μm, rezistența la uzură nu va fi îmbunătățită semnificativ. Dacă grosimea stratului de peliculă este mai mare de 5 μm, lipirea bazei peliculei va fi redusă.

2. Acoperire TiN multistrat, multicomponentă

Odată cu aplicarea treptată și pe scară largă a acoperirilor TiN, există tot mai multe cercetări privind modul de îmbunătățire și optimizare a acoperirilor TiN. În ultimii ani, au fost dezvoltate acoperiri multi-componente și acoperiri multistrat pe baza acoperirilor binare TiN, cum ar fi Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 etc. Prin adăugarea de elemente precum Al și Si la acoperirile TiN, se poate îmbunătăți rezistența la oxidarea la temperaturi ridicate și duritatea acoperirilor, în timp ce adăugarea de elemente precum B poate îmbunătăți duritatea și rezistența la aderență a acoperirilor.

Datorită complexității compoziției multicomponente, există numeroase controverse în acest studiu. În studiul acoperirilor multicomponente (Tix,Cr1-x)N, există o mare controversă în rezultatele cercetării. Unii oameni cred că acoperirile (Tix,Cr1-x)N sunt pe bază de TiN, iar Cr poate exista doar sub formă de soluție solidă de înlocuire în matricea punctuală de TiN, dar nu ca o fază CrN separată. Alte studii arată că numărul de atomi de Cr care înlocuiesc direct atomii de Ti în acoperirile (Tix,Cr1-x)N este limitat, iar Cr-ul rămas există în stare singletă sau formează compuși cu N. Rezultatele experimentale arată că adăugarea de Cr la acoperire reduce dimensiunea particulelor de suprafață și crește duritatea, iar duritatea acoperirii atinge valoarea sa maximă atunci când procentul de masă de Cr atinge 3l%, dar și tensiunea internă a acoperirii atinge valoarea sa maximă.

3. Alt strat de acoperire

Pe lângă acoperirile TiN utilizate în mod obișnuit, multe tipuri diferite de ceramică inginerească sunt utilizate pentru întărirea suprafeței angrenajelor.

(1) Y. Terauchi și colab. din Japonia au studiat rezistența la uzură prin frecare a angrenajelor ceramice din carbură de titan sau nitrură de titan depuse prin metoda depunerii în stare de vapori. Angrenajele au fost carburate și lustruite pentru a obține o duritate a suprafeței de aproximativ HV720 și o rugozitate a suprafeței de 2,4 μm înainte de acoperire, iar acoperirile ceramice au fost preparate prin depunere chimică din vapori (CVD) pentru carbură de titan și prin depunere fizică din vapori (PVD) pentru nitrură de titan, cu o grosime a peliculei ceramice de aproximativ 2 μm. Proprietățile de uzură prin frecare au fost investigate în prezența uleiului, respectiv a frecării uscate. S-a constatat că rezistența la uzură prin frecare și rezistența la zgârieturi a menghinei angrenajului au fost substanțial îmbunătățite după acoperirea cu ceramică.

(2) Acoperirea compozită din Ni-P și TiN acoperite chimic a fost preparată prin pre-acoperirea cu Ni-P ca strat de tranziție și apoi depunerea de TiN. Studiul arată că duritatea suprafeței acestei acoperiri compozite a fost îmbunătățită într-o oarecare măsură, iar acoperirea este mai bine lipită de substrat și are o rezistență mai bună la uzură.

(3) WC/C, peliculă subțire B4C
M. Murakawa și colab., de la Departamentul de Inginerie Mecanică al Institutului de Tehnologie din Japonia, au utilizat tehnologia PVD pentru a depune peliculă subțire de WC/C pe suprafața angrenajelor, iar durata de viață a acesteia a fost de trei ori mai mare decât cea a angrenajelor obișnuite, călite și rectificate, în condiții de lubrifiere fără ulei. Franz J și colab. au utilizat tehnologia PVD pentru a depune peliculă subțire de WC/C și B4C pe suprafața angrenajelor FEZ-A și FEZ-C, iar experimentul a arătat că acoperirea PVD a redus semnificativ frecarea angrenajului, a făcut angrenajul mai puțin susceptibil la lipire la cald sau prin lipire și a îmbunătățit capacitatea portantă a angrenajului.

(4) Filme CrN
Filmele CrN sunt similare cu cele de TiN prin faptul că au o duritate mai mare, iar filmele CrN sunt mai rezistente la oxidarea la temperaturi ridicate decât TiN, au o rezistență mai bună la coroziune, o tensiune internă mai mică decât filmele TiN și o tenacitate relativ mai bună. Chen Ling și colaboratorii săi au preparat un film compozit TiAlCrN/CrN rezistent la uzură cu o lipire excelentă pe bază de film pe suprafața HSS și au propus, de asemenea, teoria suprapunerii dislocațiilor pentru filmul multistrat. Dacă diferența de energie a dislocațiilor dintre două straturi este mare, dislocația care apare într-un strat va fi dificil de traversat la interfața sa în celălalt strat, formând astfel o suprapunere de dislocații la interfață și jucând rolul de întărire a materialului. Zhong Bin și colaboratorii săi au studiat efectul conținutului de azot asupra structurii de fază și a proprietăților de uzură prin frecare ale filmelor CrNx, iar studiul a arătat că vârful de difracție Cr2N (211) în filme a slăbit treptat, iar vârful CrN (220) a crescut treptat odată cu creșterea conținutului de N2, particulele mari de pe suprafața filmului au scăzut treptat, iar suprafața a avut tendința de a fi plată. Când aerarea cu N2 a fost de 25 ml/min (curentul arcului sursă țintă a fost de 75 A), pelicula de CrN depusă are o calitate bună a suprafeței, o duritate bună și o rezistență excelentă la uzură atunci când aerarea cu N2 este de 25 ml/min (curentul arcului sursă țintă este de 75 A, presiunea negativă este de 100 V).

(5) Film super dur
Pelicula superdură este pelicula solidă cu o duritate mai mare de 40GPa, rezistență excelentă la uzură, rezistență la temperatură ridicată și coeficient de frecare scăzut și coeficient de dilatare termică scăzut, în principal peliculă de diamant amorf și peliculă CN. Peliculele de diamant amorf au proprietăți amorfe, nu au o structură ordonată pe distanțe lungi și conțin un număr mare de legături tetraedrice CC, de aceea sunt numite și pelicule de carbon amorf tetraedrice. Ca un tip de peliculă de carbon amorf, acoperirea de tip diamant (DLC) are multe proprietăți excelente similare cu diamantul, cum ar fi conductivitate termică ridicată, duritate ridicată, modul de elasticitate ridicat, coeficient de dilatare termică scăzut, stabilitate chimică bună, rezistență bună la uzură și coeficient de frecare scăzut. S-a demonstrat că acoperirea peliculelor de tip diamant pe suprafețele angrenajelor poate prelungi durata de viață cu un factor de 6 și poate îmbunătăți semnificativ rezistența la oboseală. Peliculele CN, cunoscute și sub denumirea de pelicule amorfe carbon-azot, au o structură cristalină similară cu cea a compușilor covalenți β-Si3N4 și sunt cunoscute și sub denumirea de β-C3N4. Liu și Cohen și colab. au efectuat calcule teoretice riguroase folosind calcule de bandă pseudopotențială din principiul primei naturi, confirmând că β-C3N4 are o energie de legătură mare, o structură mecanică stabilă, poate exista cel puțin o stare substabilă și un modul de elasticitate comparabil cu cel al diamantului, cu proprietăți bune, care pot îmbunătăți eficient duritatea suprafeței și rezistența la uzură a materialului și pot reduce coeficientul de frecare.

(6) Alt strat de acoperire rezistent la uzură din aliaj
Unele acoperiri rezistente la uzură din aliaje au fost încercate și pentru a fi aplicate pe angrenaje, de exemplu, depunerea unui strat de aliaj Ni-P-Co pe suprafața dintelui angrenajelor din oțel de 45# este un strat de aliaj pentru a obține o organizare a granulelor ultrafine, care poate prelungi durata de viață de până la 1,144~1,533 ori. De asemenea, s-a studiat faptul că stratul metalic Cu și acoperirea din aliaj Ni-W sunt aplicate pe suprafața dintelui angrenajelor din fontă din aliaj Cu-Cr-P pentru a-i îmbunătăți rezistența; acoperirile din aliaje Ni-W și Ni-Co sunt aplicate pe suprafața dintelui angrenajelor din fontă HT250 pentru a îmbunătăți rezistența la uzură de 4~6 ori comparativ cu angrenajul neacoperit.