Tehnologija nanašanja PVD se že vrsto let uporablja kot nova tehnologija modifikacije površine, zlasti tehnologija vakuumskega ionskega premazovanja, ki se je v zadnjih letih zelo razvila in se zdaj pogosto uporablja pri obdelavi orodij, kalupov, batnih obročkov, zobnikov in drugih komponent .Prevlečeni zobniki, pripravljeni s tehnologijo vakuumskega ionskega premaza, lahko znatno zmanjšajo koeficient trenja, izboljšajo zaščito pred obrabo in določeno zaščito pred korozijo ter so postali žarišče in vroča točka raziskav na področju tehnologije ojačitve površine zobnikov.
Običajni materiali, ki se uporabljajo za zobnike, so predvsem kovano jeklo, lito jeklo, lito železo, neželezne kovine (baker, aluminij) in plastika.Jeklo je večinoma jeklo 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Jeklo z nizko vsebnostjo ogljika se večinoma uporablja v 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Kovano jeklo se pogosteje uporablja v zobnikih zaradi boljše zmogljivosti, medtem ko se lito jeklo običajno uporablja za izdelavo zobnikov s premerom > 400 mm in kompleksno strukturo.Zobniki iz litega železa proti lepilu in odpornost proti luknjam, vendar pomanjkanje odpornosti proti udarcem in obrabi, predvsem za stabilno delo, moč ni nizka hitrost ali velika velikost in kompleksna oblika, lahko deluje pod pogojem pomanjkanja mazanja, primerna za odprto prenos.Neželezne kovine, ki se običajno uporabljajo, so kositrni bron, aluminijev železov bron in zlitine litega aluminija, ki se običajno uporabljajo pri izdelavi turbin ali zobnikov, vendar so lastnosti drsenja in proti trenju slabe, le za lahke, srednje obremenitve in nizke hitrosti zobniki.Zobniki iz nekovinskih materialov se večinoma uporabljajo na nekaterih področjih s posebnimi zahtevami, kot sta mazanje brez olja in visoka zanesljivost.Področje pogojev, kot je nizka onesnaženost, kot so gospodinjski aparati, medicinska oprema, živilski stroji in tekstilni stroji.
Materiali za prevleke zobnikov
Inženirski keramični materiali so izjemno obetavni materiali z visoko trdnostjo in trdoto, zlasti odlično toplotno odpornostjo, nizko toplotno prevodnostjo in toplotnim raztezkom, visoko odpornostjo proti obrabi in oksidaciji.Številne študije so pokazale, da so keramični materiali sami po sebi toplotno odporni in imajo nizko obrabo kovin.Zato lahko uporaba keramičnih materialov namesto kovinskih materialov za dele, odporne proti obrabi, izboljša življenjsko dobo torne enote, lahko izpolni nekatere materiale, odporne na visoke temperature in visoko obrabo, večnamenske in druge težke zahteve.Trenutno se inženirski keramični materiali uporabljajo pri izdelavi delov motorja, odpornih na vročino, mehanskega prenosa v obrabnih delih, kemične opreme v korozijsko odpornih delih in tesnilnih delih, kar vse bolj kaže na široko uporabo keramičnih materialov.
Razvite države, kot so Nemčija, Japonska, Združene države, Združeno kraljestvo in druge države, pripisujejo velik pomen razvoju in uporabi inženirskih keramičnih materialov ter vlagajo veliko denarja in delovne sile v razvoj teorije obdelave in tehnologije inženirske keramike.Nemčija je uvedla program, imenovan »SFB442″, katerega namen je s tehnologijo PVD sintetizirati ustrezen film na površini delov, ki bi nadomestil potencialno škodljiv mazalni medij za okolje in človeško telo.PW Gold in drugi v Nemčiji so uporabili sredstva iz SFB442 za uporabo tehnologije PVD za nanašanje tankih filmov na površino kotalnih ležajev in ugotovili, da je bila učinkovitost proti obrabi kotalnih ležajev bistveno izboljšana in da bi filmi, naneseni na površino, lahko popolnoma nadomestili delovanje aditivov proti obrabi pri ekstremnem tlaku.Joachim, Franz idr.v Nemčiji uporabili tehnologijo PVD za pripravo WC/C folij, ki kažejo odlične lastnosti proti utrujenosti, višje od lastnosti maziv, ki vsebujejo EP dodatke, rezultat, ki podobno daje možnost zamenjave škodljivih dodatkov s premazi.E. Lugscheider et al.z Inštituta za znanost o materialih Tehnične univerze v Aachnu v Nemčiji, s financiranjem DFG (Nemška raziskovalna komisija), je dokazal znatno povečanje odpornosti proti utrujenosti po nanosu ustreznih filmov na jeklo 100Cr6 s tehnologijo PVD.Poleg tega je General Motors Združenih držav Amerike začel s površinsko nanašalno folijo tipa VolvoS80Turbo za izboljšanje odpornosti proti udarcem zaradi utrujenosti;znano podjetje Timken je lansiralo ime ES200 gear surface film;registrirana blagovna znamka MAXIT gear coating se je pojavila v Nemčiji;registrirana blagovna znamka 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 prenosa imajo zobniki pomembno vlogo v industriji, zato je zelo pomemben praktični pomen preučevanje uporabe keramičnih materialov na zobnikih.Trenutno je inženirska keramika, ki se uporablja za zobnike, v glavnem naslednja.
1、TiN prevlečna plast
1、TiN
Ionska prevleka TiN keramična plast je ena najpogosteje uporabljenih površinsko modificiranih prevlek z visoko trdoto, visoko adhezijsko trdnostjo, nizkim koeficientom trenja, dobro odpornostjo proti koroziji itd. Široko se uporablja na različnih področjih, zlasti v industriji orodij in kalupov.Glavni razlog, ki vpliva na nanos keramične prevleke na zobnike, je težava pri lepljenju med keramično prevleko in podlago.Ker so delovni pogoji in vplivni dejavniki zobnikov veliko bolj zapleteni kot pri orodjih in kalupih, je uporaba ene same prevleke TiN na površinski obdelavi zobnikov močno omejena.Čeprav ima keramična prevleka prednosti visoke trdote, nizkega koeficienta trenja in odpornosti proti koroziji, je krhka in je težko dobiti debelejšo prevleko, zato potrebuje substrat visoke trdote in visoke trdnosti, ki podpira prevleko, da lahko igra svoje značilnosti.Zato se keramična prevleka večinoma uporablja za površino karbida in hitroreznega jekla.Material orodja je mehak v primerjavi s keramičnim materialom, razlika med naravo podlage in prevleke pa je velika, zato je kombinacija prevleke in podlage slaba, prevleka pa ni dovolj za podporo prevleke, zaradi česar prevleka, ki med uporabo zlahka odpade, ne samo, da ne more izkoristiti prednosti keramične prevleke, ampak bodo delci keramične prevleke, ki odpadejo, povzročili abrazivno obrabo orodja, kar pospeši izgubo obrabe orodja.Trenutna rešitev je uporaba kompozitne tehnologije površinske obdelave za izboljšanje vezi med keramiko in podlago.Tehnologija kompozitne površinske obdelave se nanaša na kombinacijo fizičnega nanašanja naparjenega premaza in drugih postopkov ali premazov površinske obdelave z uporabo dveh ločenih površin/podpovršin za spreminjanje površine substratnega materiala za pridobitev kompozitnih mehanskih lastnosti, ki jih ni mogoče doseči z enim postopkom površinske obdelave .TiN kompozitna prevleka, nanesena z ionskim nitriranjem in PVD, je ena najbolj raziskanih kompozitnih prevlek.Substrat za plazemsko nitriranje in keramična kompozitna prevleka TiN imata močno vez in odpornost proti obrabi je znatno izboljšana.
Optimalna debelina sloja filma TiN z odlično odpornostjo proti obrabi in lepljenjem podlage filma je približno 3 ~ 4 μm.Če je debelina sloja filma manjša od 2 μm, odpornost proti obrabi ne bo bistveno izboljšana.Če je debelina sloja filma večja od 5 μm, se bo vezava na osnovo filma zmanjšala.
2、Večslojni, večkomponentni TiN premaz
S postopno in široko uporabo TiN prevlek je vedno več raziskav o tem, kako izboljšati in izboljšati TiN prevleke.V zadnjih letih so bili razviti večkomponentni premazi in večplastni premazi na osnovi binarnih prevlek TiN, 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 je mogoče izboljšati odpornost proti visokotemperaturni oksidaciji in trdoto prevlek, medtem ko lahko dodajanje elementov, kot je B, izboljša trdoto in oprijemljivost prevlek.
Zaradi kompleksnosti večkomponentne sestave je v tej študiji veliko polemik.Pri proučevanju (Tix,Cr1-x)N večkomponentnih premazov obstaja velika polemika v rezultatih raziskav.Nekateri menijo, da (Tix,Cr1-x)N prevleke temeljijo na TiN, Cr pa lahko obstaja samo v obliki nadomestne trdne raztopine v pikčasti matriki TiN, ne pa kot ločena faza CrN.Druge študije kažejo, da je število atomov Cr, ki neposredno nadomeščajo atome Ti v (Tix,Cr1-x)N prevlekah, omejeno, preostali Cr pa obstaja v singletnem stanju ali tvori spojine z N. Eksperimentalni rezultati kažejo, da dodatek Cr do prevleke zmanjša velikost površinskih delcev in poveča trdoto, pri čemer trdota prevleke doseže najvišjo vrednost, ko masni delež Cr doseže 3l%, vendar doseže največjo vrednost tudi notranja napetost prevleke.
3、Drugi premazni sloj
Poleg običajno uporabljenih prevlek TiN se za ojačitev površine zobnikov uporablja veliko različnih inženirskih keramik.
(1)Y.Terauchi idr.z Japonske je proučeval odpornost keramičnih zobnikov iz titanovega karbida ali titanovega nitrida na obrabo zaradi trenja, nanesenih z metodo naparjevanja.Zobniki so bili naogljičeni in polirani, da so dosegli površinsko trdoto približno HV720 in površinsko hrapavost 2,4 μm pred nanosom, keramične prevleke pa so bile pripravljene s kemičnim naparjevanjem (CVD) za titanov karbid in s fizičnim naparjevanjem (PVD) za titanov nitrid, z debelino keramičnega filma približno 2 μm.Lastnosti torne obrabe so bile raziskane v prisotnosti oljnega oziroma suhega trenja.Ugotovljeno je bilo, da sta se odpornost zobniškega primeža proti drgnjenju in praskam znatno povečala po prevleki s keramiko.
(2) Kompozitna prevleka iz kemično prevlečenih Ni-P in TiN je bila pripravljena s predhodnim nanosom Ni-P kot prehodne plasti in nato nanosom TiN.Študija je pokazala, da je bila površinska trdota tega kompozitnega premaza do določene mere izboljšana, premaz pa je bolje vezan na podlago in ima boljšo odpornost proti obrabi.
(3) WC/C, B4C tanek film
M. Murakawa et al., Oddelek za strojništvo, Japonski inštitut za tehnologijo, je uporabil tehnologijo PVD za nanos tankega filma WC/C na površino zobnikov, njegova življenjska doba pa je bila trikrat daljša od običajnih kaljenih in brušenih zobnikov pod oljem. prosti pogoji mazanja.Franz J et al.uporabil tehnologijo PVD za nanos tankega filma WC/C in B4C na površino zobnikov FEZ-A in FEZ-C, poskus pa je pokazal, da je prevleka PVD znatno zmanjšala trenje zobnikov, zaradi česar je zobnik manj dovzeten za vroče lepljenje ali lepljenje, in izboljšala nosilnost orodja.
(4) CrN filmi
Filmi CrN so podobni filmom TiN, saj imajo višjo trdoto, filmi CrN pa so bolj odporni na visokotemperaturno oksidacijo kot TiN, imajo boljšo odpornost proti koroziji, manjšo notranjo napetost kot filmi TiN in relativno boljšo žilavost.Chen Ling in et. so pripravili proti obrabi odporen kompozitni film TiAlCrN/CrN z odlično vezavo na podlagi filma na površino HSS in predlagali tudi teorijo zlaganja dislokacij večplastnega filma, če je razlika v energiji dislokacij med dvema slojema velika, pride do dislokacije v eni plasti bo težko prečkati svoj vmesnik v drugo plast, s čimer se oblikuje zlaganje dislokacij na vmesniku in igra vlogo krepitve materiala.Zhong Bin in et. so preučevali učinek vsebnosti dušika na fazno strukturo in torne obrabne lastnosti filmov CrNx in študija je pokazala, da je vrh uklona Cr2N (211) v filmih postopoma oslabljen, vrh CrN (220) pa se postopoma krepi s povečanjem vsebnosti N2 so se veliki delci na površini filma postopoma zmanjševali in površina je bila ravna.Ko je prezračevanje N2 znašalo 25 ml/min (tok obloka ciljnega vira je bil 75 A, ima nanešen CrN film dobro kakovost površine, dobro trdoto in odlično odpornost proti obrabi, ko je prezračevanje N2 25 ml/min (tok obloka ciljnega vira je 75 A, negativno tlak je 100V).
(5) Supertrda folija
Supertrda folija je trdna folija s trdoto večjo od 40 GPa, odlično odpornostjo proti obrabi, odpornostjo na visoke temperature in nizkim koeficientom trenja ter 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 CC tetraedrskih vezi, zato jih imenujemo tudi tetraedrski amorfni ogljikovi filmi.Kot vrsta amorfnega ogljikovega filma ima diamantu podobna prevleka (DLC) številne odlične lastnosti, podobne diamantu, kot so visoka toplotna prevodnost, visoka trdota, visok modul elastičnosti, nizek koeficient toplotne razteznosti, dobra kemična stabilnost, dobra odpornost proti obrabi in nizek koeficient trenja.Dokazano je, da lahko prevleka diamantu podobnih filmov na zobniške površine podaljša življenjsko dobo za faktor 6 in znatno izboljša odpornost proti utrujenosti.Filmi CN, znani tudi kot amorfni filmi ogljik-dušik, imajo kristalno strukturo, podobno strukturi kovalentnih spojin β-Si3N4 in so znani tudi kot β-C3N4.Liu in Cohen et al.izvedel stroge teoretične izračune z uporabo izračunov psevdopotencialnih pasov iz načela prve narave, potrdil, da ima β-C3N4 veliko vezavno energijo, stabilno mehansko strukturo, lahko obstaja vsaj eno podstabilno stanje in je njegov modul elastičnosti primerljiv z diamantom, z dobrimi lastnostmi, ki lahko učinkovito izboljšajo površinsko trdoto in odpornost proti obrabi materiala ter zmanjšajo koeficient trenja.
(6) Prevleka iz druge zlitine, odporna proti obrabi
Nekatere prevleke iz zlitine, odporne proti obrabi, so poskušali nanesti tudi na zobnike, na primer nanos plasti zlitine Ni-P-Co na zobno površino zobnikov iz jekla 45# je plast zlitine za pridobitev ultrafine zrnate organizacije, ki lahko podaljša življenjsko dobo do 1.144~1.533-krat.Raziskano je bilo tudi, da sta kovinska plast Cu in prevleka iz zlitine Ni-W nanešena na površino zob zobnika iz litega železa iz zlitine Cu-Cr-P, da se izboljša njegova trdnost;Prevleke iz zlitine Ni-W in Ni-Co so nanesene na zobno površino zobnika iz litega železa HT250, da izboljšajo odpornost proti obrabi za 4-6-krat v primerjavi z zobnikom brez premaza.
Čas objave: Nov-07-2022