Tehnologija PVD nanašanja se že vrsto let uporablja kot nova tehnologija modifikacije površin, zlasti tehnologija vakuumskega ionskega nanašanja, ki je v zadnjih letih doživela velik razvoj in se zdaj pogosto uporablja pri obdelavi orodij, kalupov, batnih obročev, zobnikov in drugih komponent. Zobniki, prevlečeni s tehnologijo vakuumskega ionskega nanašanja, lahko znatno zmanjšajo koeficient trenja, izboljšajo odpornost proti obrabi in določene protikorozijske lastnosti ter so postali osrednja točka raziskav na področju tehnologije krepitve površin zobnikov.
Pogosti materiali, ki se uporabljajo za zobnike, so predvsem kovano jeklo, lito jeklo, lito železo, barvne kovine (baker, aluminij) in plastika. Jeklo je predvsem jeklo 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Nizkoogljično jeklo se uporablja predvsem v 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB in 20CrMnTo. Kovano jeklo se zaradi boljše učinkovitosti pogosteje uporablja v zobnikih, medtem ko se lito jeklo običajno uporablja za izdelavo zobnikov s premerom > 400 mm in kompleksno strukturo. Zobniki iz litega železa so odporni proti lepljenju in jamkam, vendar nimajo odpornosti proti udarcem in obrabi, predvsem za stabilno delo, moč, ki ni nizka hitrost ali velika in kompleksna oblika, lahko delujejo pod pogojem pomanjkanja mazanja, primerni za odprte menjalnike. Neželezne kovine, ki se pogosto uporabljajo pri izdelavi turbin ali zobnikov, so kositrova brona, aluminijasto-železova brona in litje aluminijeve zlitine, vendar so drsne in protitrelne lastnosti slabe, primerne le za lahke, srednje obremenitve in nizkohitrostne zobnike. Zobniki iz nekovinskih materialov se uporabljajo predvsem na nekaterih področjih s posebnimi zahtevami, kot sta mazanje brez olja in visoka zanesljivost. Na področju z nizkimi pogoji onesnaženosti, kot so gospodinjski aparati, medicinska oprema, živilski stroji in tekstilni stroji.
Materiali za prevleko zobnikov
Inženirski keramični materiali so izjemno obetavni materiali z visoko trdnostjo in trdoto, še posebej odlično toplotno odpornostjo, nizko toplotno prevodnostjo in toplotnim raztezanjem, visoko odpornostjo proti obrabi in oksidaciji. Številne študije so pokazale, da so keramični materiali že po naravi toplotno odporni in imajo nizko obrabo kovin. Zato lahko uporaba keramičnih materialov namesto kovinskih materialov za dele, odporne proti obrabi, podaljša življenjsko dobo tornega substrata in izpolni nekatere visoke temperature in visoke odpornosti proti obrabi, večnamenskost in druge stroge zahteve. Trenutno se inženirski keramični materiali uporabljajo pri izdelavi toplotno odpornih delov motorjev, obrabnih delov mehanskih prenosov, korozijsko odpornih delov kemične opreme in tesnilnih delov, kar kaže na vse večjo perspektivo široke uporabe keramičnih materialov.
Razvite države, kot so Nemčija, Japonska, Združene države Amerike, Združeno kraljestvo in druge države, pripisujejo velik pomen razvoju in uporabi inženirskih keramičnih materialov ter vlagajo veliko denarja in delovne sile v razvoj teorije in tehnologije obdelave inženirske keramike. Nemčija je začela program z imenom »SFB442«, katerega namen je uporaba tehnologije PVD za sintezo ustreznega filma na površini delov, ki bi nadomestil potencialno škodljiv mazalni medij za okolje in človeško telo. PW Gold in drugi v Nemčiji so s pomočjo financiranja iz programa SFB442 uporabili tehnologijo PVD za nanašanje tankih filmov na površino kotalnih ležajev in ugotovili, da se je protiobrabna učinkovitost kotalnih ležajev znatno izboljšala, filmi, naneseni na površino, pa lahko v celoti nadomestijo funkcijo dodatkov proti obrabi pri ekstremnih tlakih. Joachim, Franz in sodelavci so v Nemčiji uporabili tehnologijo PVD za pripravo filmov WC/C, ki so pokazali odlične lastnosti proti utrujenosti, višje od lastnosti maziv, ki vsebujejo dodatke EP, kar podobno omogoča zamenjavo škodljivih dodatkov s premazi. E. Lugscheider in sodelavci z Inštituta za materiale Tehnične univerze v Aachnu v Nemčiji so s financiranjem DFG (Nemške raziskovalne komisije) pokazali znatno povečanje odpornosti proti utrujenosti po nanašanju ustreznih filmov na jeklo 100Cr6 z uporabo tehnologije PVD. Poleg tega je ameriški General Motors začel s svojim Nanosna folija za površino zobnikov avtomobilov tipa Volvo S80Turbo za izboljšanje odpornosti proti utrujenostnim jamkam; znano podjetje Timken je lansiralo folijo za površino zobnikov pod imenom ES200; v Nemčiji se je pojavila registrirana blagovna znamka MAXIT gear coating; v Združenem kraljestvu sta na voljo tudi registrirani blagovni znamki Graphit-iC oziroma Dymon-iC. Premazi za zobnike z registriranima blagovnima znamkama Graphit-iC in Dymon-iC so na voljo tudi v Združenem kraljestvu.
Kot pomemben rezervni del mehanskega menjalnika imajo zobniki pomembno vlogo v industriji, zato je preučevanje uporabe keramičnih materialov v zobnikih zelo pomembno v praksi. Trenutno se za zobnike uporabljajo predvsem naslednje inženirske keramike.
1, TiN prevleka
1, TiN
Ionska prevleka Keramična plast TiN je ena najpogosteje uporabljenih površinsko modificiranih prevlek z visoko trdoto, visoko oprijemno trdnostjo, nizkim koeficientom trenja, dobro odpornostjo proti koroziji itd. Široko se uporablja na različnih področjih, zlasti v orodjarni in kalupni industriji. Glavni razlog za nanašanje keramične prevleke na zobnike je problem vezave med keramično prevleko in podlago. Ker so delovni pogoji in vplivni dejavniki zobnikov veliko bolj zapleteni kot pri orodjih in kalupih, je nanašanje ene same TiN prevleke na površinsko obdelavo zobnikov zelo omejeno. Čeprav ima keramična prevleka prednosti visoke trdote, nizkega koeficienta trenja in odpornosti proti koroziji, je krhka in težko je dobiti debelejšo prevleko, zato potrebuje podlago z visoko trdoto in visoko trdnostjo, da prevleka ohrani svoje lastnosti. Zato se keramična prevleka najpogosteje uporablja za površine iz karbidnega in hitroreznega jekla. Material zobnika je v primerjavi s keramičnim materialom mehak, razlika med naravo substrata in prevleke pa je velika, zato je kombinacija prevleke in substrata slaba, prevleka pa ne podpira prevleke, zaradi česar se prevleka med uporabo zlahka odlušči. Ne le, da ne more izkoristiti prednosti keramične prevleke, ampak odpadajoči delci keramične prevleke povzročijo abrazivno obrabo zobnika in pospešijo izgubo zobnika zaradi obrabe. Trenutna rešitev je uporaba tehnologije obdelave kompozitnih površin za izboljšanje vezi med keramiko in substratom. Tehnologija obdelave kompozitnih površin se nanaša na kombinacijo fizikalnega nanašanja s paro in drugih postopkov površinske obdelave ali prevlek, pri čemer se za modifikacijo površine substrata uporabljajo dve ločeni površini/podpovršini, s čimer se dosežejo mehanske lastnosti kompozita, ki jih ni mogoče doseči z enim samim postopkom površinske obdelave. Kompozitna prevleka TiN, nanesena z ionskim nitriranjem in PVD, je ena najbolj raziskanih kompozitnih prevlek. Substrat s plazemskim nitriranjem in keramična kompozitna prevleka TiN imata močno vez, odpornost proti obrabi pa se znatno izboljša.
Optimalna debelina plasti TiN z odlično odpornostjo proti obrabi in oprijemom podlage filma je približno 3~4 μm. Če je debelina plasti filma manjša od 2 μm, se odpornost proti obrabi ne bo bistveno izboljšala. Če je debelina plasti filma večja od 5 μm, se bo oprijem podlage filma zmanjšal.
2. Večplastna, večkomponentna prevleka TiN
Z postopoma in široko uporabo TiN prevlek se pojavlja vse več raziskav o tem, kako izboljšati in izboljšati TiN prevleke. V zadnjih letih so bili razviti večkomponentni in večplastni premazi na osnovi binarnih TiN prevlek, kot so Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 itd. Z dodajanjem elementov, kot sta Al in Si, TiN prevlekam se lahko izboljša odpornost proti visokotemperaturni oksidaciji in trdota prevlek, dodajanje elementov, kot je B, pa lahko izboljša trdoto in oprijemno trdnost prevlek.
Zaradi kompleksnosti večkomponentne sestave je v tej študiji veliko polemik. V študiji večkomponentnih premazov (Tix,Cr1-x)N so rezultati raziskav zelo polemični. Nekateri menijo, da premazi (Tix,Cr1-x)N temeljijo na TiN in da lahko Cr obstaja le v obliki nadomestne trdne raztopine v matrici točk TiN, ne pa kot ločena faza CrN. Druge študije kažejo, da je število atomov Cr, ki neposredno nadomeščajo atome Ti v premazih (Tix,Cr1-x)N, omejeno, preostali Cr pa obstaja v singletnem stanju ali tvori spojine z N. Eksperimentalni rezultati kažejo, da dodatek Cr premazu zmanjša velikost površinskih delcev in poveča trdoto, trdota premaza pa doseže najvišjo vrednost, ko masni odstotek Cr doseže 31 %, vendar tudi notranja napetost premaza doseže svojo najvišjo vrednost.
3、Druga prevleka
Poleg pogosto uporabljenih TiN prevlek se za krepitev površin zobnikov uporablja veliko različnih inženirskih keramik.
(1) Y. Terauchi in sodelavci iz Japonske so preučevali odpornost proti trenju keramičnih zobnikov iz titanovega karbida ali titanovega nitrida, nanešenih z metodo naparjanja. Zobniki so bili pred nanosom premaza cementirani in polirani, da so dosegli površinsko trdoto približno HV720 in površinsko hrapavost 2,4 μm, keramične prevleke pa so bile pripravljene s kemičnim naparjanjem (CVD) za titanov karbid in s fizičnim naparjanjem (PVD) za titanov nitrid, z debelino keramičnega filma približno 2 μm. Lastnosti trenja so bile raziskane v prisotnosti olja oziroma suhega trenja. Ugotovljeno je bilo, da se je odpornost zobniškega primeža proti draženju in praskam znatno izboljšala po nanosu premaza s keramiko.
(2) Kompozitni premaz iz kemično prevlečenega Ni-P in TiN je bil pripravljen s predhodnim nanosom Ni-P kot prehodne plasti in nato z nanašanjem TiN. Študija kaže, da se je površinska trdota tega kompozitnega premaza do neke mere izboljšala, premaz pa je bolje vezan na podlago in ima boljšo odpornost proti obrabi.
(3) Tanka plast WC/C, B4C
M. Murakawa in sodelavci z Oddelka za strojništvo Japonskega tehnološkega inštituta so s tehnologijo PVD nanašali tanko plast WC/C na površino zobnikov, njena življenjska doba pa je bila trikrat daljša od življenjske dobe običajnih kaljenih in brušenih zobnikov v pogojih mazanja brez olja. Franz J in sodelavci so s tehnologijo PVD nanašali tanko plast WC/C in B4C na površino zobnikov FEZ-A in FEZ-C, poskus pa je pokazal, da je PVD prevleka znatno zmanjšala trenje zobnika, naredila zobnik manj dovzeten za vroče lepljenje ali lepljenje ter izboljšala nosilnost zobnika.
(4) CrN filmi
CrN filmi so podobni TiN filmom, saj imajo večjo trdoto, CrN filmi pa so bolj odporni na oksidacijo pri visokih temperaturah kot TiN, imajo boljšo odpornost proti koroziji, nižje notranje napetosti kot TiN filmi in relativno boljšo žilavost. Chen Ling in sodelavci so pripravili obrabno odporen kompozitni film TiAlCrN/CrN z odličnim oprijemom na površini hitroreznega jekla (HSS) in predlagali tudi teorijo zlaganja dislokacij v večplastnem filmu. Če je razlika v energiji dislokacij med dvema slojema velika, bo dislokacija, ki se pojavi v enem sloju, težko prečkala svoj vmesnik v drugega, kar bo povzročilo zlaganje dislokacij na vmesniku in imelo vlogo pri krepitvi materiala. Zhong Bin in sodelavci so preučevali vpliv vsebnosti dušika na fazno strukturo in lastnosti trenja pri obrabi CrNx filmov, študija pa je pokazala, da se je difrakcijski vrh Cr2N (211) v filmih postopoma slabil, vrh CrN (220) pa se je postopoma povečeval z naraščanjem vsebnosti N2, veliki delci na površini filma pa so se postopoma zmanjševali in površina je bila ponavadi ravna. Ko je bilo prezračevanje z N2 25 ml/min (tok ciljnega obloka je bil 75 A), je imela nanesena plast CrN dobro kakovost površine, dobro trdoto in odlično odpornost proti obrabi, ko je bilo prezračevanje z N2 25 ml/min (tok ciljnega obloka je bil 75 A, negativni tlak je bil 100 V).
(5) Supertrdi film
Supertrdi film je trdni film s trdoto večjo od 40 GPa, odlično odpornostjo proti obrabi, visoko temperaturno odpornostjo, nizkim koeficientom trenja in nizkim koeficientom toplotnega raztezanja, predvsem amorfni diamantni film in CN film. Amorfni diamantni filmi imajo amorfne lastnosti, nimajo urejene strukture na dolge razdalje in vsebujejo veliko število tetraedrskih vezi CC, zato jih imenujemo tudi tetraedrski amorfni ogljikovi filmi. Kot vrsta amorfnega ogljikovega filma ima diamantu podoben premaz (DLC) številne odlične lastnosti, podobne diamantu, kot so visoka toplotna prevodnost, visoka trdota, visok modul elastičnosti, nizek koeficient toplotnega raztezanja, dobra kemična stabilnost, dobra odpornost proti obrabi in nizek koeficient trenja. Dokazano je, da lahko nanos diamantu podobnih filmov na površine zobnikov podaljša življenjsko dobo za faktor 6 in znatno izboljša odpornost proti utrujenosti. CN filmi, znani tudi kot amorfni ogljikovo-dušikovi filmi, imajo kristalno strukturo, podobno kovalentnim spojinam β-Si3N4, in so znani tudi kot β-C3N4. Liu in Cohen et al. Izvedli so stroge teoretične izračune z uporabo izračunov psevdopotencialnih pasov iz načela prve narave in potrdili, da ima β-C3N4 veliko vezavno energijo, stabilno mehansko strukturo, da lahko obstaja vsaj eno podstabilno stanje, njegov elastični modul pa je primerljiv z diamantom, z dobrimi lastnostmi, kar lahko učinkovito izboljša površinsko trdoto in odpornost materiala proti obrabi ter zmanjša koeficient trenja.
(6) Prevleka, odporna proti obrabi iz drugih zlitin
Na zobnike so poskušali nanesti tudi nekatere prevleke iz zlitin, odporne proti obrabi, na primer nanašanje plasti zlitine Ni-P-Co na površino zob zobnikov iz jekla 45# je plast zlitine za doseganje ultra fine organizacije zrn, kar lahko podaljša življenjsko dobo do 1,144 do 1,533-krat. Preučevali so tudi, da se na površino zob zobnikov iz zlitine Cu-Cr-P nanese plast kovine Cu in prevleka zlitine Ni-W za izboljšanje trdnosti; prevleka zlitine Ni-W in Ni-Co na površino zob zobnikov iz litega železa HT250 pa izboljša odpornost proti obrabi za 4 do 6-krat v primerjavi z zobniki brez prevleke.
Čas objave: 7. november 2022