технология нанесения покрытия на шестерни

Технология PVD-покрытия уже много лет применяется как новая технология модификации поверхности, особенно вакуумная ионная технология нанесения покрытий, которая в последние годы получила широкое развитие и сейчас широко используется для обработки инструментов, пресс-форм, поршневых колец, шестерен и других компонентов. Шестерни с покрытием, полученным с помощью вакуумной ионной технологии, могут значительно снизить коэффициент трения, улучшить износостойкость и некоторые антикоррозионные свойства, и стали предметом пристального внимания и актуальных исследований в области технологий упрочнения поверхности шестерен.

В качестве основных материалов для зубчатых передач используются кованая сталь, литая сталь, чугун, цветные металлы (медь, алюминий) и пластмассы. В основном используется сталь марок 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Низкоуглеродистая сталь в основном представлена ​​марганцево-марганцевыми сплавами 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Кованая сталь более широко используется в зубчатых передачах благодаря своим лучшим характеристикам, в то время как литая сталь обычно применяется для изготовления зубчатых передач диаметром более 400 мм и сложной конструкции. Чугунные зубчатые передачи обладают антикоррозионными и точечными свойствами, но им не хватает ударопрочности и износостойкости. Они предназначены в основном для стабильной работы, не требуют большой мощности, низких скоростей, больших размеров и сложной формы, могут работать в условиях отсутствия смазки и подходят для открытых передач. В производстве зубчатых передач обычно используются цветные металлы, такие как оловянная бронза, алюминиево-железная бронза и литейный алюминиевый сплав. Однако их скользящие и антифрикционные свойства оставляют желать лучшего, поэтому они подходят только для легких, средних и низкоскоростных передач. Зубчатые передачи из неметаллических материалов в основном используются в областях со специальными требованиями, такими как безмасляная смазка и высокая надежность. К таким областям относятся, например, бытовая техника, медицинское оборудование, пищевое и текстильное оборудование, где важны низкие уровни загрязнения окружающей среды.

материалы для покрытия зубчатых передач

Конструкционная керамика – это чрезвычайно перспективный материал, обладающий высокой прочностью и твердостью, особенно отличной термостойкостью, низкой теплопроводностью и коэффициентом теплового расширения, высокой износостойкостью и стойкостью к окислению. Многочисленные исследования показали, что керамические материалы обладают присущей им термостойкостью и низким износом металлов. Поэтому использование керамических материалов вместо металлических в износостойких деталях может увеличить срок службы фрикционных элементов, удовлетворить некоторые требования к высокотемпературным и износостойким материалам, а также обеспечить их многофункциональность и другие сложные характеристики. В настоящее время конструкционная керамика используется в производстве термостойких деталей двигателей, износостойких деталей механических трансмиссий, коррозионностойких деталей химического оборудования и уплотнительных элементов, что свидетельствует о все более широком спектре перспектив применения керамических материалов.

Развитые страны, такие как Германия, Япония, США, Великобритания и другие, придают большое значение развитию и применению конструкционной керамики, вкладывая значительные средства и трудовые ресурсы в разработку теории и технологии обработки конструкционной керамики. В Германии запущена программа «SFB442», целью которой является использование технологии PVD для синтеза подходящей пленки на поверхности деталей с целью замены потенциально вредной для окружающей среды и организма человека смазки. П. В. Голд и другие исследователи в Германии использовали финансирование программы SFB442 для применения технологии PVD для нанесения тонких пленок на поверхность подшипников качения и обнаружили, что противоизносные свойства подшипников значительно улучшились, а нанесенные на поверхность пленки могут полностью заменить функцию противоизносных присадок, работающих в условиях экстремального давления. Иоахим, Франц и др. в Германии использовали технологию PVD для получения пленок WC/C, демонстрирующих превосходные противоусталостные свойства, превосходящие свойства смазочных материалов, содержащих противозадирные присадки, что также открывает возможность замены вредных присадок покрытиями. Э. Лугшайдер и др. из Института материаловедения Технического университета Аахена (Германия) при финансовой поддержке DFG (Немецкой исследовательской комиссии) продемонстрировали значительное повышение сопротивления усталости после нанесения соответствующих пленок на поверхность. Сталь 100Cr6 с использованием технологии PVD. Кроме того, американская компания General Motors начала использовать в своих автомобилях Volvo S80 Turbo покрытие для улучшения стойкости к усталостному питтингу; известная компания Timken выпустила пленку для покрытия зубчатых колес под названием ES200; в Германии появилась зарегистрированная торговая марка MAXIT gear coating; в Великобритании также доступны зарегистрированные торговые марки Graphit-iC и Dymon-iC.

Зубчатые передачи, являясь важной частью механической трансмиссии, играют важную роль в промышленности, поэтому изучение применения керамических материалов в зубчатых передачах имеет большое практическое значение. В настоящее время в зубчатых передачах в основном применяются следующие виды конструкционной керамики.

1. Слой покрытия из нитрида титана (TiN)
1. TiN

Ионное нанесение керамического слоя TiN является одним из наиболее широко используемых покрытий для модификации поверхности, обладающих высокой твердостью, высокой адгезионной прочностью, низким коэффициентом трения, хорошей коррозионной стойкостью и т. д. Оно широко применяется в различных областях, особенно в инструментальной и литейной промышленности. Основной причиной, ограничивающей применение керамических покрытий на зубчатых передачах, является проблема сцепления между керамическим покрытием и подложкой. Поскольку условия работы и влияющие факторы зубчатых передач гораздо сложнее, чем у инструментов и пресс-форм, применение одного покрытия TiN для обработки поверхности зубчатых передач значительно ограничено. Хотя керамическое покрытие обладает преимуществами высокой твердости, низкого коэффициента трения и коррозионной стойкости, оно хрупкое и трудно поддается нанесению в толстом слое, поэтому для проявления его характеристик необходима высокотвердая и прочная подложка. Поэтому керамические покрытия в основном используются для обработки поверхностей твердосплавных и быстрорежущих сталей. Материал шестерни мягче по сравнению с керамическим материалом, а разница между природой подложки и покрытия велика, поэтому сцепление покрытия с подложкой плохое, а покрытия недостаточно для его поддержки, что приводит к легкому отслаиванию покрытия в процессе эксплуатации. Это не только лишает керамического покрытия его преимуществ, но и приводит к абразивному износу шестерни из-за отслаивающихся частиц керамического покрытия, ускоряя износ шестерни. Современное решение заключается в использовании технологии комбинированной обработки поверхности для улучшения сцепления между керамикой и подложкой. Технология комбинированной обработки поверхности подразумевает сочетание нанесения покрытия методом физического осаждения из паровой фазы и других процессов обработки поверхности или нанесения покрытий, используя две отдельные поверхности/подповерхности для модификации поверхности материала подложки с целью получения комбинированных механических свойств, недостижимых при использовании одного процесса обработки поверхности. Композитное покрытие TiN, нанесенное методом ионного азотирования и PVD, является одним из наиболее исследованных композитных покрытий. Плазменно-азотированная подложка и керамическое композитное покрытие TiN обладают прочным сцеплением и значительно улучшают износостойкость.

Оптимальная толщина слоя пленки TiN, обеспечивающая превосходную износостойкость и прочное сцепление с основой пленки, составляет примерно 3–4 мкм. Если толщина слоя пленки меньше 2 мкм, износостойкость существенно не улучшится. Если толщина слоя пленки превышает 5 мкм, прочность сцепления с основой пленки снизится.

2. Многослойное многокомпонентное покрытие из нитрида титана (TiN).

В связи с постепенным и широким применением покрытий из нитрида титана (TiN) проводится все больше исследований по улучшению и повышению их качества. В последние годы на основе бинарных покрытий TiN разрабатываются многокомпонентные и многослойные покрытия, такие как Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 и др. Добавление таких элементов, как Al и Si, в покрытия TiN позволяет улучшить стойкость к высокотемпературному окислению и твердость покрытий, а добавление таких элементов, как B, повышает твердость и прочность сцепления покрытий.

Из-за сложности многокомпонентного состава в данном исследовании существует множество противоречий. В исследовании многокомпонентных покрытий (Tix,Cr1-x)N наблюдается большая полемика в результатах исследований. Некоторые считают, что покрытия (Tix,Cr1-x)N основаны на TiN, и Cr может существовать только в виде твердого раствора замещения в матрице из точек TiN, а не в виде отдельной фазы 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 в покрытие уменьшает размер частиц на поверхности и увеличивает твердость, причем твердость покрытия достигает своего максимального значения, когда массовая доля Cr достигает 31%, но при этом внутреннее напряжение покрытия также достигает своего максимального значения.

3. Другой слой покрытия

Помимо широко используемых покрытий из нитрида титана (TiN), для упрочнения поверхности зубчатых передач применяются различные виды конструкционной керамики.

(1) Й. Тераучи и др. из Японии исследовали стойкость к фрикционному износу керамических шестерен из карбида титана или нитрида титана, нанесенных методом парофазного осаждения. Шестерни были цементированы и отполированы до достижения твердости поверхности около HV720 и шероховатости поверхности 2,4 мкм перед нанесением покрытия, а керамические покрытия были получены методом химического парофазного осаждения (CVD) для карбида титана и методом физического парофазного осаждения (PVD) для нитрида титана, с толщиной керамической пленки около 2 мкм. Фрикционные свойства износа исследовались в присутствии масла и при сухом трении соответственно. Было установлено, что стойкость к заеданию и стойкость к царапинам зубчатых тисков существенно повышаются после нанесения керамического покрытия.

(2) Композитное покрытие из химически нанесенного Ni-P и TiN было получено путем предварительного нанесения Ni-P в качестве переходного слоя, а затем нанесения TiN. Исследование показывает, что твердость поверхности этого композитного покрытия в определенной степени улучшена, покрытие лучше сцеплено с подложкой и обладает лучшей износостойкостью.

(3) Тонкая пленка WC/C, B4C
М. Муракава и др. из кафедры машиностроения Японского технологического института использовали технологию PVD для нанесения тонкой пленки WC/C на поверхность зубчатых колес, и срок их службы в три раза превысил срок службы обычных закаленных и шлифованных зубчатых колес в условиях безмасляной смазки. Франц Дж. и др. использовали технологию PVD для нанесения тонких пленок WC/C и B4C на поверхность зубчатых колес FEZ-A и FEZ-C, и эксперимент показал, что PVD-покрытие значительно снижает трение зубчатых колес, делает их менее восприимчивыми к горячему или обычному склеиванию и повышает несущую способность зубчатого колеса.

(4) Пленки CrN
Пленки CrN похожи на пленки TiN тем, что обладают более высокой твердостью, более устойчивы к высокотемпературному окислению, чем TiN, имеют лучшую коррозионную стойкость, меньшее внутреннее напряжение и относительно лучшую ударную вязкость. Чен Лин и др. получили износостойкую композитную пленку TiAlCrN/CrN с превосходной адгезией на поверхности быстрорежущей стали, а также предложили теорию дислокационной упаковки многослойной пленки: если разница в энергии дислокаций между двумя слоями велика, дислокациям, возникающим в одном слое, будет трудно пересечь границу раздела с другим слоем, образуя дислокационную упаковку на границе раздела и играя роль упрочняющего материала. Чжун Бин и др. изучили влияние содержания азота на фазовую структуру и свойства фрикционного износа пленок CrNx, и исследование показало, что пик дифракции Cr2N (211) в пленках постепенно ослабевает, а пик CrN (220) постепенно усиливается с увеличением содержания N2, количество крупных частиц на поверхности пленки постепенно уменьшается, а поверхность стремится к плоской форме. При скорости подачи азота 25 мл/мин (целевой ток дуги источника составлял 75 А) осажденная пленка CrN обладает хорошим качеством поверхности, высокой твердостью и превосходной износостойкостью.

(5) Сверхтвердая пленка
Сверхтвердая пленка — это твердая пленка с твердостью более 40 ГПа, обладающая превосходной износостойкостью, термостойкостью, низким коэффициентом трения и низким коэффициентом теплового расширения, в основном это аморфная алмазная пленка и пленка CN. Аморфные алмазные пленки обладают аморфными свойствами, не имеют дальнего порядка и содержат большое количество тетраэдрических связей CC, поэтому их также называют тетраэдрическими аморфными углеродными пленками. В качестве одного из видов аморфных углеродных пленок 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 увеличить срок службы в 6 раз и значительно улучшить усталостную прочность. Пленки CN, также известные как аморфные углеродно-азотные пленки, имеют кристаллическую структуру, аналогичную структуре ковалентных соединений β-Si3N4, и также известны как β-C3N4. Лю и Коэн и др. Были проведены строгие теоретические расчеты с использованием псевдопотенциальных зонных вычислений на основе принципа первой природы, подтверждено, что β-C3N4 обладает большой энергией связи, стабильной механической структурой, может существовать по меньшей мере одно субстабильное состояние, а его модуль упругости сопоставим с модулем алмаза, что обеспечивает хорошие свойства, которые могут эффективно повысить твердость поверхности и износостойкость материала, а также снизить коэффициент трения.

(6) Другой износостойкий слой из сплава
Были также предприняты попытки применения некоторых износостойких покрытий из сплавов к зубчатым передачам. Например, нанесение слоя сплава Ni-P-Co на поверхность зубьев шестерен из стали № 45 позволило получить ультрамелкозернистую структуру, что может увеличить срок службы в 1,144–1,533 раза. Также изучалось применение слоя меди и покрытия из сплава Ni-W на поверхности зубьев чугунной шестерни из сплава Cu-Cr-P для повышения ее прочности; нанесение покрытия из сплавов Ni-W и Ni-Co на поверхность зубьев чугунной шестерни HT250 позволило повысить износостойкость в 4–6 раз по сравнению с шестерней без покрытия.