Technológia PVD nanášania sa už mnoho rokov používa ako nová technológia modifikácie povrchu, najmä technológia vákuového iónového povlakovania, ktorá v posledných rokoch zaznamenala veľký rozvoj a v súčasnosti sa široko používa pri úprave nástrojov, foriem, piestnych krúžkov, ozubených kolies a iných komponentov. Povlakované ozubené kolesá pripravené technológiou vákuového iónového povlakovania môžu výrazne znížiť koeficient trenia, zlepšiť odolnosť proti opotrebeniu a určité protikorózne vlastnosti a stali sa stredobodom výskumu v oblasti technológie spevňovania povrchu ozubených kolies.
Bežné materiály používané na ozubené kolesá sú hlavne kovaná oceľ, liata oceľ, liatina, neželezné kovy (meď, hliník) a plasty. Oceľ je hlavne 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Nízkouhlíková oceľ sa používa hlavne v 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Kovaná oceľ sa v ozubených kolesách používa častejšie kvôli svojmu lepšiemu výkonu, zatiaľ čo liata oceľ sa zvyčajne používa na výrobu ozubených kolies s priemerom > 400 mm a zložitou štruktúrou. Liatinové ozubené kolesá sú odolné voči lepeniu a jamkovej tvorbe, ale nemajú odolnosť voči nárazom a opotrebovaniu, najmä pre stabilnú prevádzku, výkon nie je nízky, nie je veľký a nemá zložitý tvar. Dokážu pracovať aj bez mazania a sú vhodné pre otvorené prevody. Z neželezných kovov sa bežne používa cínový bronz, hliníkovo-železný bronz a odlievané hliníkové zliatiny, ktoré sa bežne používajú pri výrobe turbín alebo ozubených kolies, ale ich klzné a antifrikčné vlastnosti sú slabé a používajú sa len pri ľahkých, stredne zaťažených a nízkorýchlostných ozubených kolesách. Ozubené kolesá z nekovových materiálov sa používajú hlavne v niektorých oblastiach so špeciálnymi požiadavkami, ako je bezolejové mazanie a vysoká spoľahlivosť. V oblastiach s nízkym znečistením, ako sú domáce spotrebiče, zdravotnícke zariadenia, potravinárske stroje a textilné stroje.
Materiály na povlakovanie ozubených kolies
Technické keramické materiály sú mimoriadne sľubné materiály s vysokou pevnosťou a tvrdosťou, najmä vynikajúcou tepelnou odolnosťou, nízkou tepelnou vodivosťou a tepelnou rozťažnosťou, vysokou odolnosťou proti opotrebovaniu a oxidácii. Množstvo štúdií ukázalo, že keramické materiály sú inherentne tepelne odolné a majú nízke opotrebenie kovov. Preto použitie keramických materiálov namiesto kovových materiálov na výrobu dielov odolných proti opotrebovaniu môže zlepšiť životnosť trecích podložiek a splniť niektoré požiadavky na materiály odolné voči vysokým teplotám a opotrebovaniu, multifunkčné a ďalšie náročné požiadavky. V súčasnosti sa technické keramické materiály používajú pri výrobe tepelne odolných dielov motorov, opotrebovaných dielov v mechanických prevodovkách, dielov odolných voči korózii v chemických zariadeniach a tesniacich dielov, čo ukazuje čoraz širšie uplatnenie keramických materiálov v perspektíve.
Rozvinuté krajiny ako Nemecko, Japonsko, Spojené štáty, Spojené kráľovstvo a ďalšie krajiny prikladajú veľký význam vývoju a aplikácii technických keramických materiálov a investujú veľa peňazí a pracovnej sily do rozvoja teórie a technológie spracovania technickej keramiky. Nemecko spustilo program s názvom „SFB442“, ktorého cieľom je použiť technológiu PVD na syntézu vhodného filmu na povrchu súčiastok, ktorý nahradí potenciálne škodlivé mazacie médium pre životné prostredie a ľudské telo. PW Gold a ďalší v Nemecku využili financovanie z programu SFB442 na aplikáciu technológie PVD na nanášanie tenkých filmov na povrch valivých ložísk a zistili, že odolnosť valivých ložísk proti opotrebovaniu sa výrazne zlepšila a filmy nanesené na povrch by mohli úplne nahradiť funkciu prísad proti opotrebovaniu pre extrémny tlak. Joachim, Franz a kol. v Nemecku použili technológiu PVD na prípravu filmov WC/C, ktoré preukázali vynikajúce vlastnosti proti únave, vyššie ako u mazív obsahujúcich prísady EP, čo podobne umožňuje nahradiť škodlivé prísady povlakmi. E. Lugscheider a kol. z Inštitútu materiálových vied Technickej univerzity v Aachene v Nemecku s financovaním od DFG (Nemecká výskumná komisia) preukázali výrazné zvýšenie odolnosti proti únave po nanesení vhodných filmov na oceľ 100Cr6 pomocou technológie PVD. Okrem toho spoločnosť General Motors v Spojených štátoch začala vo svojom... Nanášanie filmového povlaku na povrch prevodov automobilov typu VolvoS80Turbo na zlepšenie odolnosti proti únavovej jamke; slávna spoločnosť Timken uviedla na trh povrchový film na prevodovku s názvom ES200; v Nemecku sa objavila registrovaná ochranná známka MAXIT gear coating; registrovaná ochranná známka Graphit-iC a Dymon-iC. Povlakové povlaky na prevodovky s registrovanými ochrannými známkami Graphit-iC a Dymon-iC sú dostupné aj vo Veľkej Británii.
Ako dôležité náhradné diely mechanických prevodov zohrávajú ozubené kolesá dôležitú úlohu v priemysle, preto má štúdium aplikácie keramických materiálov na ozubené kolesá veľmi dôležitý praktický význam. V súčasnosti sa na ozubené kolesá používajú najmä nasledujúce technické keramické materiály.
1. Vrstva povlaku TiN
1, TiN
Iónový povlak Keramická vrstva TiN je jedným z najpoužívanejších povrchovo modifikovaných povlakov s vysokou tvrdosťou, vysokou adhéznou pevnosťou, nízkym koeficientom trenia, dobrou odolnosťou proti korózii atď. Široko sa používa v rôznych oblastiach, najmä v nástrojárskom a lisovacom priemysle. Hlavným dôvodom ovplyvňujúcim aplikáciu keramického povlaku na ozubené kolesá je problém s väzbou medzi keramickým povlakom a substrátom. Keďže pracovné podmienky a ovplyvňujúce faktory ozubených kolies sú oveľa zložitejšie ako v prípade nástrojov a foriem, aplikácia jedného povlaku TiN na povrchovú úpravu ozubených kolies je značne obmedzená. Hoci keramický povlak má výhody vysokej tvrdosti, nízkeho koeficientu trenia a odolnosti proti korózii, je krehký a je ťažké získať hrubší povlak, takže na udržanie svojich vlastností je potrebný substrát s vysokou tvrdosťou a vysokou pevnosťou. Preto sa keramický povlak používa najmä na povrchy karbidových a rýchlorezných ocelí. Materiál ozubeného kolesa je v porovnaní s keramickým materiálom mäkký a rozdiel medzi povahou substrátu a povlaku je veľký, takže kombinácia povlaku a substrátu je slabá a povlak nie je dostatočne podopretý na povlak, čo spôsobuje ľahké odlupovanie povlaku počas používania. Nielenže nedokáže využiť výhody keramického povlaku, ale častice keramického povlaku, ktoré odpadávajú, spôsobujú abrazívne opotrebovanie ozubeného kolesa, čo urýchľuje jeho stratu opotrebením. Súčasným riešením je použitie technológie povrchovej úpravy kompozitov na zlepšenie väzby medzi keramikou a substrátom. Technológia povrchovej úpravy kompozitov sa vzťahuje na kombináciu fyzikálneho nanášania parou a iných procesov povrchovej úpravy alebo povlakov, pričom sa používajú dva samostatné povrchy/podpovrchy na úpravu povrchu substrátového materiálu, čím sa získajú mechanické vlastnosti kompozitu, ktoré sa nedajú dosiahnuť jedným procesom povrchovej úpravy. Kompozitný povlak TiN nanesený iónovou nitridáciou a PVD je jedným z najskúmanejších kompozitných povlakov. Plazmový nitridačný substrát a keramický kompozitný povlak TiN majú silnú väzbu a výrazne sa zlepšuje odolnosť proti opotrebovaniu.
Optimálna hrúbka vrstvy TiN filmu s vynikajúcou odolnosťou proti opotrebeniu a priľnavosťou k základni filmu je približne 3 až 4 μm. Ak je hrúbka vrstvy filmu menšia ako 2 μm, odolnosť proti opotrebeniu sa výrazne nezlepší. Ak je hrúbka vrstvy filmu väčšia ako 5 μm, priľnavosť k základni filmu sa zníži.
2. Viacvrstvový, viaczložkový povlak TiN
S postupným a rozsiahlym používaním povlakov TiN existuje čoraz viac výskumov zameraných na to, ako vylepšiť a zdokonaliť povlaky TiN. V posledných rokoch boli vyvinuté viaczložkové povlaky a viacvrstvové povlaky založené na binárnych TiN povlakoch, ako napríklad Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 atď. Pridaním prvkov, ako sú Al a Si, do povlakov TiN je možné zlepšiť odolnosť voči vysokoteplotnej oxidácii a tvrdosť povlakov, zatiaľ čo pridanie prvkov, ako je B, môže zlepšiť tvrdosť a priľnavosť povlakov.
Vzhľadom na komplexnosť viaczložkového zloženia existuje v tejto štúdii veľa kontroverzií. V štúdii viaczložkových povlakov (Tix,Cr1-x)N existuje veľká kontroverzia vo výsledkoch výskumu. Niektorí ľudia sa domnievajú, že povlaky (Tix,Cr1-x)N sú založené na TiN a Cr môže existovať iba vo forme náhradného tuhého roztoku v bodkovej matrici TiN, ale nie ako samostatná fáza CrN. Iné štúdie ukazujú, že počet atómov Cr priamo nahrádzajúcich atómy Ti v povlakoch (Tix,Cr1-x)N je obmedzený a zostávajúci Cr existuje v singletovom stave alebo tvorí zlúčeniny s N. Experimentálne výsledky ukazujú, že pridanie Cr do povlaku znižuje veľkosť povrchových častíc a zvyšuje tvrdosť a tvrdosť povlaku dosahuje svoju najvyššiu hodnotu, keď hmotnostné percento Cr dosiahne 31 %, ale vnútorné napätie povlaku tiež dosahuje svoju maximálnu hodnotu.
3, Ďalšia vrstva povlaku
Okrem bežne používaných povlakov TiN sa na spevnenie povrchu ozubených kolies používa mnoho rôznych technických keramických materiálov.
(1) Y. Terauchi a kol. z Japonska študovali odolnosť ozubených kolies z karbidu titánu alebo nitridu titánu nanesených metódou naparovania, voči treciemu opotrebeniu. Ozubené kolesá boli pred nanesením povlaku cementované a leštené, aby sa dosiahla tvrdosť povrchu približne HV720 a drsnosť povrchu 2,4 μm, a keramické povlaky boli pripravené chemickým naparovaním (CVD) pre karbid titánu a fyzikálnym naparovaním (PVD) pre nitrid titánu s hrúbkou keramického filmu približne 2 μm. Vlastnosti trecieho opotrebenia boli skúmané v prítomnosti oleja, respektíve suchého trenia. Zistilo sa, že odolnosť zveráka voči oderu a odolnosť voči poškriabaniu sa po nanesení povlaku keramikou podstatne zlepšili.
(2) Kompozitný povlak z chemicky potiahnutého Ni-P a TiN bol pripravený predbežným nanesením Ni-P ako prechodovej vrstvy a následným nanesením TiN. Štúdia ukazuje, že povrchová tvrdosť tohto kompozitného povlaku sa do určitej miery zlepšila a povlak je lepšie spojený so substrátom a má lepšiu odolnosť voči opotrebovaniu.
(3) tenký film WC/C, B4C
M. Murakawa a kol. z Katedry strojárstva Japonského technologického inštitútu použili technológiu PVD na nanášanie tenkého filmu WC/C na povrch ozubených kolies a jeho životnosť bola trikrát vyššia ako životnosť bežných kalených a brúsených ozubených kolies za podmienok mazania bez oleja. Franz J a kol. použili technológiu PVD na nanášanie tenkého filmu WC/C a B4C na povrch ozubených kolies FEZ-A a FEZ-C a experiment ukázal, že PVD povlak výrazne znížil trenie ozubeného kolesa, znížil náchylnosť ozubeného kolesa na lepenie za tepla alebo za tepla a zlepšil nosnosť ozubeného kolesa.
(4) CrN filmy
CrN filmy sú podobné TiN filmom v tom, že majú vyššiu tvrdosť a CrN filmy sú odolnejšie voči oxidácii pri vysokých teplotách ako TiN, majú lepšiu odolnosť voči korózii, nižšie vnútorné napätie ako TiN filmy a relatívne lepšiu húževnatosť. Chen Ling a ďalší pripravili opotrebovateľný kompozitný film TiAlCrN/CrN s vynikajúcou väzbou na báze filmu na povrchu HSS a tiež navrhli teóriu skladania dislokácií viacvrstvového filmu. Ak je rozdiel energie dislokácií medzi dvoma vrstvami veľký, dislokácia vyskytujúca sa v jednej vrstve bude ťažko prechádzať cez svoje rozhranie do druhej vrstvy, čím sa na rozhraní vytvorí skladanie dislokácií a zohrá sa úloha spevňovania materiálu. Zhong Bin a ďalší študovali vplyv obsahu dusíka na fázovú štruktúru a vlastnosti trenia a opotrebenia CrNx filmov a štúdia ukázala, že difrakčný pík Cr2N (211) vo filmoch postupne slabne a pík CrN (220) sa postupne zvyšuje so zvyšujúcim sa obsahom N2, veľké častice na povrchu filmu sa postupne znižujú a povrch má tendenciu byť plochý. Keď bolo prevzdušňovanie N2 25 ml/min (cieľový zdroj oblúkového prúdu bol 75 A), nanesený film CrN mal dobrú kvalitu povrchu, dobrú tvrdosť a vynikajúcu odolnosť proti opotrebovaniu pri prevzdušňovaní N2 25 ml/min (cieľový zdroj oblúkového prúdu je 75 A, podtlak je 100 V).
(5) Supertvrdý film
Supertvrdý film je pevný film s tvrdosťou vyššou ako 40 GPa, vynikajúcou odolnosťou proti opotrebovaniu, vysokou teplotnou odolnosťou, nízkym koeficientom trenia a nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti, najmä amorfný diamantový film a CN film. Amorfné diamantové filmy majú amorfné vlastnosti, nemajú usporiadanú štruktúru na dlhé vzdialenosti a obsahujú veľký počet tetraedrických väzieb CC, preto sa nazývajú aj tetraedrické amorfné uhlíkové filmy. Ako druh amorfného uhlíkového filmu má diamantový povlak (DLC) mnoho vynikajúcich vlastností podobných diamantu, ako je vysoká tepelná vodivosť, vysoká tvrdosť, vysoký modul pružnosti, nízky koeficient tepelnej rozťažnosti, dobrá chemická stabilita, dobrá odolnosť proti opotrebovaniu a nízky koeficient trenia. Ukázalo sa, že nanesenie diamantových filmov na povrchy ozubených kolies môže predĺžiť životnosť šesťkrát a výrazne zlepšiť odolnosť proti únave. CN filmy, známe aj ako amorfné uhlík-dusíkové filmy, majú kryštálovú štruktúru podobnú kovalentným zlúčeninám β-Si3N4 a sú známe aj ako β-C3N4. Liu a Cohen a kol. vykonali prísne teoretické výpočty s použitím výpočtov pseudopotenciálneho pásma z princípu prvej prírody a potvrdili, že β-C3N4 má veľkú väzbovú energiu, stabilnú mechanickú štruktúru, môže existovať aspoň jeden substabilný stav a jeho modul pružnosti je porovnateľný s diamantom s dobrými vlastnosťami, čo môže účinne zlepšiť povrchovú tvrdosť a odolnosť materiálu voči opotrebovaniu a znížiť koeficient trenia.
(6) Vrstva odolná voči opotrebovaniu z inej zliatiny
Na ozubené kolesá sa tiež skúšalo aplikovať niektoré povlaky zo zliatin odolné proti opotrebeniu, napríklad nanesenie vrstvy zliatiny Ni-P-Co na povrch zubov ozubených kolies z ocele 45# je vrstva zliatiny na dosiahnutie ultrajemnej organizácie zŕn, ktorá môže predĺžiť životnosť až 1,144 až 1,533-krát. Tiež sa skúmalo, že vrstva kovu Cu a povlak zo zliatiny Ni-W sa nanášajú na povrch zubov ozubených kolies zo zliatiny Cu-Cr-P na zlepšenie ich pevnosti; povlaky zo zliatin Ni-W a Ni-Co sa nanášajú na povrch zubov ozubených kolies zo zliatiny HT250 na zlepšenie odolnosti proti opotrebeniu 4 až 6-krát v porovnaní s nepotiahnutým ozubeným kolesom.
Čas uverejnenia: 7. novembra 2022