Технология осаждения PVD практикуется уже много лет как новая технология модификации поверхности, особенно технология вакуумного ионного покрытия, которая получила большое развитие в последние годы и в настоящее время широко используется при обработке инструментов, пресс-форм, поршневых колец, шестерен и других компонентов. Покрытые шестерни, изготовленные с помощью технологии вакуумного ионного покрытия, могут значительно снизить коэффициент трения, улучшить противоизносные и определенные антикоррозионные свойства и стали центром и горячей точкой исследований в области технологии упрочнения поверхности шестерен.
Обычные материалы, используемые для зубчатых передач, в основном кованая сталь, литая сталь, чугун, цветные металлы (медь, алюминий) и пластик. Сталь в основном 45 сталь, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Низкоуглеродистая сталь в основном используется в 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Кованая сталь более широко используется в зубчатых передачах из-за ее лучшей производительности, в то время как литая сталь обычно используется для изготовления зубчатых передач диаметром > 400 мм и сложной структуры. Чугунные шестерни антиклеевые и питтинговые, но не имеют ударопрочности и износостойкости, в основном для стабильной работы, мощность не является низкой скоростью или большим размером и сложной формой, может работать в условиях отсутствия смазки, подходит для открытой передачи. Цветные металлы обычно используются в качестве оловянной бронзы, алюминиево-железной бронзы и литейного алюминиевого сплава, обычно используются в производстве турбин или шестерен, но скользящие и антифрикционные свойства плохие, только для легких, средних нагрузок и низкоскоростных шестерен. Шестерни из неметаллических материалов в основном используются в некоторых областях с особыми требованиями, такими как смазка без масла и высокая надежность. Область условий, таких как низкое загрязнение, как бытовая техника, медицинское оборудование, пищевое оборудование и текстильное оборудование.
Материалы для покрытия зубчатых передач
Инженерные керамические материалы являются чрезвычайно перспективными материалами с высокой прочностью и твердостью, особенно превосходной термостойкостью, низкой теплопроводностью и тепловым расширением, высокой износостойкостью и стойкостью к окислению. Большое количество исследований показало, что керамические материалы по своей природе являются термостойкими и имеют низкий износ металлов. Поэтому использование керамических материалов вместо металлических материалов для износостойких деталей может улучшить срок службы фрикционного переводника, может соответствовать некоторым высокотемпературным и высокоизносостойким материалам, многофункциональным и другим жестким требованиям. В настоящее время инженерные керамические материалы используются при изготовлении термостойких деталей двигателей, механических трансмиссий в изнашиваемых деталях, химического оборудования в коррозионно-стойких деталях и уплотнительных деталях, все больше показывают широкие перспективы применения керамических материалов.
Развитые страны, такие как Германия, Япония, США, Великобритания и другие, придают большое значение разработке и применению инженерных керамических материалов, вкладывая большие средства и рабочую силу в развитие теории и технологии обработки инженерной керамики. Германия запустила программу под названием «SFB442», целью которой является использование технологии PVD для синтеза подходящей пленки на поверхности деталей для замены потенциально вредной смазочной среды для окружающей среды и человеческого организма. PW Gold и другие в Германии использовали финансирование SFB442 для применения технологии PVD для нанесения тонких пленок на поверхность подшипников качения и обнаружили, что противоизносные характеристики подшипников качения значительно улучшились, а пленки, нанесенные на поверхность, могут полностью заменить функцию противоизносных присадок для работы при экстремальном давлении. Йоахим, Франц и др. в Германии использовали технологию PVD для приготовления пленок WC/C, демонстрирующих превосходные противоусталостные свойства, более высокие, чем у смазочных материалов, содержащих присадки EP, результат, который также дает возможность замены вредных присадок покрытиями. E. Lugscheider и др. из Института материаловедения Технического университета Ахена, Германия, при финансировании DFG (Немецкая исследовательская комиссия) продемонстрировали значительное увеличение усталостной прочности после нанесения соответствующих пленок на сталь 100Cr6 с использованием технологии PVD. Кроме того, американская компания General Motors начала наносить пленку на поверхность шестерен автомобиля типа VolvoS80Turbo для повышения стойкости к усталостной точечной коррозии; известная компания Timken выпустила пленку на поверхность шестерен под названием ES200; в Германии появилась зарегистрированная торговая марка MAXIT gear coat; зарегистрированные торговые марки Graphit-iC и Dymon-iC соответственно. Покрытия шестерен с зарегистрированными торговыми марками Graphit-iC и Dymon-iC также доступны в Великобритании.
Как важные запасные части механической передачи, зубчатые колеса играют важную роль в промышленности, поэтому изучение применения керамических материалов на зубчатых колесах имеет очень важное практическое значение. В настоящее время в зубчатых колесах в основном применяются следующие виды технической керамики.
1. Слой покрытия TiN
1.TiN
Керамический слой TiN с ионным покрытием является одним из наиболее широко используемых поверхностно-модифицированных покрытий с высокой твердостью, высокой прочностью сцепления, низким коэффициентом трения, хорошей коррозионной стойкостью и т. д. Он широко используется в различных областях, особенно в инструментальной и пресс-формовой промышленности. Основной причиной, влияющей на нанесение керамического покрытия на шестерни, является проблема сцепления между керамическим покрытием и подложкой. Поскольку условия работы и факторы влияния шестерен намного сложнее, чем у инструментов и пресс-форм, нанесение одного покрытия TiN на обработку поверхности шестерни значительно ограничено. Хотя керамическое покрытие имеет такие преимущества, как высокая твердость, низкий коэффициент трения и коррозионная стойкость, оно хрупкое и его трудно получить более толстое покрытие, поэтому для поддержки покрытия требуется подложка с высокой твердостью и высокой прочностью, чтобы воспроизвести его характеристики. Поэтому керамическое покрытие в основном используется для поверхности из карбида и быстрорежущей стали. Материал шестерни мягок по сравнению с керамическим материалом, и разница между природой подложки и покрытия велика, поэтому сочетание покрытия и подложки плохое, и покрытие недостаточно для поддержки покрытия, из-за чего покрытие легко отваливается в процессе использования, не только не может воспроизвести преимущества керамического покрытия, но и частицы керамического покрытия, которые отваливаются, вызывают абразивный износ шестерни, ускоряя износ шестерни. Текущее решение заключается в использовании технологии обработки композитной поверхности для улучшения связи между керамикой и подложкой. Технология обработки композитной поверхности относится к комбинации физического осаждения из паровой фазы покрытия и других процессов обработки поверхности или покрытий, используя две отдельные поверхности/подповерхности для модификации поверхности материала подложки для получения композитных механических свойств, которые не могут быть достигнуты с помощью одного процесса обработки поверхности. Композитное покрытие TiN, нанесенное ионным азотированием и PVD, является одним из наиболее исследованных композитных покрытий. Подложка с плазменным азотированием и керамическое композитное покрытие TiN имеют прочную связь, и износостойкость значительно улучшается.
Оптимальная толщина слоя пленки TiN с превосходной износостойкостью и сцеплением с основой пленки составляет около 3~4 мкм. Если толщина слоя пленки меньше 2 мкм, износостойкость не будет значительно улучшена. Если толщина слоя пленки больше 5 мкм, сцепление с основой пленки ухудшится.
2. Многослойное, многокомпонентное покрытие TiN
С постепенным и широким применением покрытий TiN, появляется все больше и больше исследований о том, как улучшить и усилить покрытия TiN. В последние годы были разработаны многокомпонентные покрытия и многослойные покрытия на основе бинарных покрытий TiN, таких как Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 и т. д. Добавляя такие элементы, как Al и Si, к покрытиям TiN, можно улучшить стойкость к высокотемпературному окислению и твердость покрытий, в то время как добавление таких элементов, как B, может улучшить твердость и прочность сцепления покрытий.
Из-за сложности многокомпонентного состава в этом исследовании есть много противоречий. При изучении многокомпонентных покрытий (Tix,Cr1-x)N существует большое противоречие в результатах исследования. Некоторые люди считают, что покрытия (Tix,Cr1-x)N основаны на TiN, а Cr может существовать только в форме замещающего твердого раствора в точечной матрице TiN, но не как отдельная фаза CrN. Другие исследования показывают, что количество атомов Cr, непосредственно замещающих атомы Ti в покрытиях (Tix,Cr1-x)N, ограничено, а оставшийся Cr существует в синглетном состоянии или образует соединения с N. Экспериментальные результаты показывают, что добавление Cr к покрытию уменьшает размер поверхностных частиц и увеличивает твердость, а твердость покрытия достигает своего наибольшего значения, когда массовый процент Cr достигает 31%, но внутреннее напряжение покрытия также достигает своего максимального значения.
3. Другой слой покрытия
Помимо широко используемых покрытий TiN, для упрочнения поверхности зубчатых передач применяется множество различных видов инженерной керамики.
(1)Y. Terauchi et al. из Японии изучали стойкость к фрикционному износу керамических зубчатых передач из карбида титана или нитрида титана, нанесенных методом парового осаждения. Зубчатые передачи были цементированы и отполированы для достижения твердости поверхности около HV720 и шероховатости поверхности 2,4 мкм перед нанесением покрытия, а керамические покрытия были подготовлены методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) для карбида титана и методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) для нитрида титана с толщиной керамической пленки около 2 мкм. Свойства фрикционного износа были исследованы в присутствии масла и сухого трения соответственно. Было обнаружено, что стойкость к истиранию и стойкость к царапанию зубчатых тисков существенно улучшились после нанесения покрытия керамикой.
(2)Композитное покрытие из химически покрытого Ni-P и TiN было подготовлено путем предварительного покрытия Ni-P в качестве переходного слоя и последующего осаждения TiN. Исследование показывает, что твердость поверхности этого композитного покрытия была улучшена в определенной степени, и покрытие лучше связано с подложкой и имеет лучшую износостойкость.
(3) WC/C, тонкая пленка B4C
M. Murakawa et al., Department of Mechanical Engineering, Japan Institute of Technology, использовали технологию PVD для нанесения тонкой пленки WC/C на поверхность зубчатых колес, и ее срок службы был в три раза больше, чем у обычных закаленных и шлифованных зубчатых колес в условиях смазки без масла. Franz J et al. использовали технологию PVD для нанесения тонкой пленки WC/C и B4C на поверхность зубчатых колес FEZ-A и FEZ-C, и эксперимент показал, что покрытие PVD значительно уменьшило трение зубчатых колес, сделало зубчатое колесо менее восприимчивым к горячему склеиванию или склеиванию и улучшило несущую способность зубчатого колеса.
(4) Пленки CrN
Пленки CrN похожи на пленки TiN тем, что они имеют более высокую твердость, а пленки CrN более устойчивы к высокотемпературному окислению, чем TiN, имеют лучшую коррозионную стойкость, меньшее внутреннее напряжение, чем пленки TiN, и относительно лучшую прочность. Чэнь Лин и др. подготовили износостойкую композитную пленку TiAlCrN/CrN с превосходным сцеплением на основе пленки на поверхности HSS, а также предложили теорию укладки дислокаций многослойной пленки: если разница в энергии дислокации между двумя слоями велика, дислокации, возникающей в одном слое, будет трудно пересечь ее интерфейс в другой слой, тем самым образуя укладку дислокаций на интерфейсе и играя роль упрочнения материала. Чжун Бин и др. изучали влияние содержания азота на фазовую структуру и свойства фрикционного износа пленок CrNx, и исследование показало, что дифракционный пик Cr2N (211) в пленках постепенно ослабевает, а пик CrN (220) постепенно усиливается с увеличением содержания N2, крупные частицы на поверхности пленки постепенно уменьшаются, а поверхность имеет тенденцию быть плоской. При аэрации N2 25 мл/мин (ток дуги целевого источника 75 А) осажденная пленка CrN имеет хорошее качество поверхности, хорошую твердость и превосходную износостойкость при аэрации N2 25 мл/мин (ток дуги целевого источника 75 А, отрицательное давление 100 В).
(5) Сверхтвердая пленка
Сверхтвердая пленка — это твердая пленка с твердостью более 40 ГПа, отличной износостойкостью, высокой термостойкостью, низким коэффициентом трения и низким коэффициентом теплового расширения, в основном аморфная алмазная пленка и пленка CN. Аморфные алмазные пленки обладают аморфными свойствами, не имеют дальнеупорядоченной структуры и содержат большое количество тетраэдрических связей CC, поэтому их также называют тетраэдрическими аморфными углеродными пленками. Как разновидность аморфной углеродной пленки, алмазоподобное покрытие (DLC) обладает многими превосходными свойствами, аналогичными алмазу, такими как высокая теплопроводность, высокая твердость, высокий модуль упругости, низкий коэффициент теплового расширения, хорошая химическая стабильность, хорошая износостойкость и низкий коэффициент трения. Было показано, что нанесение алмазоподобных пленок на поверхности зубчатых передач может продлить срок службы в 6 раз и значительно улучшить усталостную прочность. Пленки CN, также известные как аморфные углеродно-азотные пленки, имеют кристаллическую структуру, похожую на структуру ковалентных соединений β-Si3N4, и также известны как β-C3N4. Лю и Коэн и др. выполнили строгие теоретические расчеты с использованием расчетов псевдопотенциальной зоны из принципа первой природы, подтвердили, что β-C3N4 имеет большую энергию связи, стабильную механическую структуру, может существовать по крайней мере одно субстабильное состояние, а его модуль упругости сравним с алмазом, с хорошими свойствами, которые могут эффективно улучшить поверхностную твердость и износостойкость материала, а также снизить коэффициент трения.
(6) Другой слой износостойкого покрытия из сплава
Некоторые износостойкие покрытия из сплавов также пытались наносить на шестерни, например, нанесение слоя сплава Ni-P-Co на поверхность зубьев стальных шестерен 45# представляет собой слой сплава для получения сверхмелкозернистой организации, которая может продлить срок службы до 1,144~1,533 раза. Также было изучено, что слой металла Cu и покрытие из сплава Ni-W наносятся на поверхность зубьев чугунной шестерни из сплава Cu-Cr-P для повышения ее прочности; покрытие из сплава Ni-W и Ni-Co наносятся на поверхность зубьев чугунной шестерни HT250 для повышения износостойкости в 4~6 раз по сравнению с непокрытой шестерней.
Время публикации: 07.11.2022