Teknologjia e veshjes së ingranazheve

Teknologjia e depozitimit PVD është praktikuar për shumë vite si një teknologji e re e modifikimit të sipërfaqes, veçanërisht teknologjia e veshjes me jon vakum, e cila ka fituar një zhvillim të madh vitet e fundit dhe tani përdoret gjerësisht në trajtimin e veglave, formave, unazave të pistonit, ingranazheve dhe komponentëve të tjerë. Ingranazhet e veshura të përgatitura me teknologjinë e veshjes me jon vakum mund të ulin ndjeshëm koeficientin e fërkimit, të përmirësojnë rezistencën ndaj konsumimit dhe disa aspekte të tjera të antikorozionit, dhe janë bërë fokusi dhe pika e nxehtë e kërkimit në fushën e teknologjisë së forcimit të sipërfaqes së ingranazheve.

Materialet e zakonshme të përdorura për ingranazhet janë kryesisht çeliku i farkëtuar, çeliku i derdhur, giza, metalet jo-ferrozë (bakri, alumini) dhe plastikat. Çeliku është kryesisht çeliku 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Çeliku me karbon të ulët përdoret kryesisht në 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Çeliku i farkëtuar përdoret më gjerësisht në ingranazhe për shkak të performancës së tij më të mirë, ndërsa çeliku i derdhur zakonisht përdoret për të prodhuar ingranazhe me diametër > 400 mm dhe strukturë komplekse. Ingranazhet prej gize janë rezistente ndaj ngjitjes dhe gropëzimit, por nuk kanë rezistencë ndaj goditjes dhe konsumimit, kryesisht për punë të qëndrueshme, fuqia nuk është me shpejtësi të ulët ose me madhësi të madhe dhe formë komplekse, mund të funksionojë në kushte të mungesës së lubrifikimit, i përshtatshëm për transmetim të hapur. Metalet jo-ferrozë që përdoren zakonisht janë bronzi prej kallaji, bronzi prej alumini dhe aliazh alumini i derdhur, të cilat përdoren zakonisht në prodhimin e turbinave ose ingranazheve, por vetitë rrëshqitëse dhe anti-fërkime janë të dobëta, vetëm për ingranazhe të lehta, me ngarkesë të mesme dhe me shpejtësi të ulët. Ingranazhet prej materialesh jo-metalike përdoren kryesisht në disa fusha me kërkesa të veçanta, të tilla si lubrifikimi pa vaj dhe besueshmëri e lartë. Në kushte të tilla si ndotja e ulët, si pajisjet shtëpiake, pajisjet mjekësore, makineritë ushqimore dhe makineritë tekstile.

Materialet e veshjes së ingranazheve

Materialet qeramike inxhinierike janë materiale jashtëzakonisht premtuese me forcë dhe fortësi të lartë, veçanërisht rezistencë të shkëlqyer ndaj nxehtësisë, përçueshmëri të ulët termike dhe zgjerim termik, rezistencë të lartë ndaj konsumimit dhe rezistencë ndaj oksidimit. Një numër i madh studimesh kanë treguar se materialet qeramike janë në thelb rezistente ndaj nxehtësisë dhe kanë konsum të ulët të metaleve. Prandaj, përdorimi i materialeve qeramike në vend të materialeve metalike për pjesë rezistente ndaj konsumimit mund të përmirësojë jetëgjatësinë e nëndetëses së fërkimit, mund të përmbushë disa nga materialet me rezistencë të lartë ndaj temperaturës së lartë dhe konsumimit, kërkesa shumëfunksionale dhe të tjera të vështira. Aktualisht, materialet qeramike inxhinierike janë përdorur në prodhimin e pjesëve rezistente ndaj nxehtësisë së motorit, pjesëve të konsumimit të transmisionit mekanik, pjesëve rezistente ndaj korrozionit në pajisjet kimike dhe pjesëve të vulosjes, duke treguar gjithnjë e më shumë perspektiva të aplikimit të gjerë të materialeve qeramike.

Vendet e zhvilluara si Gjermania, Japonia, Shtetet e Bashkuara, Mbretëria e Bashkuar dhe vende të tjera i kushtojnë rëndësi të madhe zhvillimit dhe aplikimit të materialeve qeramike inxhinierike, duke investuar shumë para dhe fuqi punëtore për të zhvilluar teorinë dhe teknologjinë e përpunimit të qeramikës inxhinierike. Gjermania ka nisur një program të quajtur "SFB442", qëllimi i të cilit është përdorimi i teknologjisë PVD për të sintetizuar një film të përshtatshëm në sipërfaqen e pjesëve për të zëvendësuar mjedisin lubrifikues potencialisht të dëmshëm për mjedisin dhe trupin e njeriut. PW Gold dhe të tjerë në Gjermani përdorën financimin nga SFB442 për të aplikuar teknologjinë PVD për të depozituar filma të hollë në sipërfaqen e kushinetave rrotulluese dhe zbuluan se performanca kundër konsumimit të kushinetave rrotulluese ishte përmirësuar ndjeshëm dhe filmat e depozituar në sipërfaqe mund të zëvendësonin plotësisht funksionin e aditivëve kundër konsumimit nën presion ekstrem. Joachim, Franz et al. në Gjermani përdorën teknologjinë PVD për të përgatitur filma WC/C që demonstrojnë veti të shkëlqyera kundër lodhjes, më të larta se ato të lubrifikantëve që përmbajnë aditivë EP, një rezultat që në mënyrë të ngjashme jep mundësinë e zëvendësimit të aditivëve të dëmshëm me veshje. E. Lugscheider et al. i Institutit të Shkencës së Materialeve, Universiteti Teknik i Aachen, Gjermani, me financim nga DFG (Komisioni Gjerman i Kërkimeve), demonstruan një rritje të konsiderueshme të rezistencës ndaj lodhjes pas depozitimit të filmave të përshtatshëm në çelik 100Cr6 duke përdorur teknologjinë PVD. Përveç kësaj, General Motors i Shteteve të Bashkuara ka filluar në... Fletë depozitimi sipërfaqësore e ingranazheve të makinave të tipit VolvoS80Turbo për të përmirësuar rezistencën ndaj lodhjes dhe gropëzave; kompania e famshme Timken ka lançuar emrin fletë sipërfaqësore e ingranazheve ES200; marka tregtare e regjistruar MAXIT gear coating është shfaqur në Gjermani; marka tregtare e regjistruar Graphit-iC dhe Dymon-iC përkatësisht. Veshjet e ingranazheve me markat tregtare të regjistruara Graphit-iC dhe Dymon-iC janë gjithashtu të disponueshme në Mbretërinë e Bashkuar.

Si pjesë këmbimi të rëndësishme të transmisionit mekanik, ingranazhet luajnë një rol të rëndësishëm në industri, prandaj është me rëndësi shumë të madhe praktike të studiohet aplikimi i materialeve qeramike në ingranazhe. Aktualisht, qeramika inxhinierike e aplikuar në ingranazhe është kryesisht si më poshtë.

1, shtresë veshjeje TiN
1, TiN

Shtresa qeramike TiN me shtresë jonike është një nga veshjet më të përdorura të modifikuara sipërfaqësore me fortësi të lartë, forcë të lartë ngjitjeje, koeficient të ulët fërkimi, rezistencë të mirë ndaj korrozionit, etj. Është përdorur gjerësisht në fusha të ndryshme, veçanërisht në industrinë e veglave dhe formave. Arsyeja kryesore që ndikon në aplikimin e veshjes qeramike në ingranazhe është problemi i lidhjes midis veshjes qeramike dhe substratit. Meqenëse kushtet e punës dhe faktorët ndikues të ingranazheve janë shumë më të ndërlikuara se ato të veglave dhe formave, aplikimi i një shtrese të vetme TiN në trajtimin sipërfaqësor të ingranazheve është shumë i kufizuar. Megjithëse veshja qeramike ka avantazhet e fortësisë së lartë, koeficientit të ulët të fërkimit dhe rezistencës ndaj korrozionit, ajo është e brishtë dhe e vështirë për të marrë një shtresë më të trashë, kështu që ajo ka nevojë për një substrat me fortësi të lartë dhe rezistencë të lartë për të mbështetur veshjen në mënyrë që të luajë karakteristikat e saj. Prandaj, veshja qeramike përdoret kryesisht për sipërfaqen e karabit dhe çelikut me shpejtësi të lartë. Materiali i ingranazhit është i butë në krahasim me materialin qeramik, dhe ndryshimi midis natyrës së substratit dhe veshjes është i madh, kështu që kombinimi i veshjes dhe substratit është i dobët, dhe veshja nuk është e mjaftueshme për të mbështetur veshjen, duke e bërë veshjen të lehtë për t'u rrëzuar gjatë procesit të përdorimit, jo vetëm që nuk mund të luajë avantazhet e veshjes qeramike, por grimcat e veshjes qeramike që bien do të shkaktojnë konsumim gërryes në ingranazh, duke përshpejtuar humbjen e konsumimit të ingranazhit. Zgjidhja aktuale është përdorimi i teknologjisë së trajtimit sipërfaqësor kompozit për të përmirësuar lidhjen midis qeramikës dhe substratit. Teknologjia e trajtimit sipërfaqësor kompozit i referohet kombinimit të veshjes fizike të depozitimit të avullit dhe proceseve të tjera të trajtimit sipërfaqësor ose veshjeve, duke përdorur dy sipërfaqe/nënsipërfaqe të ndara për të modifikuar sipërfaqen e materialit të substratit për të marrë veti mekanike kompozite që nuk mund të arrihen me një proces të vetëm trajtimi sipërfaqësor. Veshje kompozite TiN e depozituar nga nitridimi jonik dhe PVD është një nga veshjet kompozite më të hulumtuara. Substrati i nitridimit plazmatik dhe veshja kompozite qeramike TiN kanë një lidhje të fortë dhe rezistenca ndaj konsumimit është përmirësuar ndjeshëm.

Trashësia optimale e shtresës së filmit TiN me rezistencë të shkëlqyer ndaj konsumimit dhe ngjitje të bazës së filmit është rreth 3~4μm. Nëse trashësia e shtresës së filmit është më pak se 2μm, rezistenca ndaj konsumimit nuk do të përmirësohet ndjeshëm. Nëse trashësia e shtresës së filmit është më shumë se 5μm, ngjitja e bazës së filmit do të ulet.

2, Veshje TiN me shumë shtresa dhe shumë përbërës

Me aplikimin gradual dhe të përhapur të veshjeve TiN, ka gjithnjë e më shumë kërkime se si të përmirësohen dhe përmirësohen veshjet TiN. Në vitet e fundit, veshjet shumëkomponentëshe dhe veshjet shumështresore janë zhvilluar bazuar në veshjet binare TiN, të tilla si Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, etj. Duke shtuar elementë të tillë si Al dhe Si në veshjet TiN, rezistenca ndaj oksidimit në temperatura të larta dhe fortësia e veshjeve mund të përmirësohet, ndërsa shtimi i elementëve të tillë si B mund të përmirësojë fortësinë dhe forcën e ngjitjes së veshjeve.

Për shkak të kompleksitetit të përbërjes shumëkomponentëshe, ka shumë polemika në këtë studim. Në studimin e veshjeve shumëkomponentëshe (Tix,Cr1-x)N, ka një polemikë të madhe në rezultatet e hulumtimit. Disa njerëz besojnë se veshjet (Tix,Cr1-x)N bazohen në TiN, dhe Cr mund të ekzistojë vetëm në formën e tretësirës së ngurtë zëvendësuese në matricën pikale TiN, por jo si një fazë e veçantë CrN. Studime të tjera tregojnë se numri i atomeve Cr që zëvendësojnë drejtpërdrejt atomet Ti në veshjet (Tix,Cr1-x)N është i kufizuar, dhe Cr i mbetur ekziston në gjendjen singlet ose formon komponime me N. Rezultatet eksperimentale tregojnë se shtimi i Cr në veshje zvogëlon madhësinë e grimcave sipërfaqësore dhe rrit fortësinë, dhe fortësia e veshjes arrin vlerën e saj më të lartë kur përqindja masive e Cr arrin 31%, por stresi i brendshëm i veshjes gjithashtu arrin vlerën e tij maksimale.

3, Shtresa tjetër e veshjes

Përveç veshjeve TiN që përdoren zakonisht, shumë qeramika të ndryshme inxhinierike përdoren për forcimin e sipërfaqes së ingranazheve.

(1) Y. Terauchi et al. nga Japonia studiuan rezistencën ndaj konsumimit nga fërkimi të ingranazheve qeramike të karabit të titanit ose nitritit të titanit të depozituara me metodën e depozitimit të avullit. Ingranazhet u karbonizuan dhe u lëmuan për të arritur një fortësi sipërfaqësore prej rreth HV720 dhe një ashpërsi sipërfaqësore prej 2.4 μm para veshjes, dhe veshjet qeramike u përgatitën me depozitim kimik të avullit (CVD) për karabit të titanit dhe me depozitim fizik të avullit (PVD) për nitritin e titanit, me një trashësi filmi qeramik prej rreth 2 μm. Vetitë e konsumimit nga fërkimi u hetuan në prani të vajit dhe fërkimit të thatë, përkatësisht. U zbulua se rezistenca ndaj gërvishtjes dhe rezistenca ndaj gërvishtjes së mengës së ingranazhit u rritën ndjeshëm pas veshjes me qeramikë.

(2) Shtresa kompozite e Ni-P dhe TiN të veshura kimikisht u përgatit duke para-veshur Ni-P si një shtresë kalimtare dhe më pas duke depozituar TiN. Studimi tregon se fortësia sipërfaqësore e kësaj shtrese kompozite është përmirësuar në një farë mase, dhe veshja është e lidhur më mirë me substratin dhe ka rezistencë më të mirë ndaj konsumimit.

(3) WC/C, film i hollë B4C
M. Murakawa et al., Departamenti i Inxhinierisë Mekanike, Instituti Japonez i Teknologjisë, përdorën teknologjinë PVD për të depozituar film të hollë WC/C në sipërfaqen e ingranazheve, dhe jeta e saj e shërbimit ishte tre herë më e lartë se ajo e ingranazheve të zakonshme të shuar dhe të bluar në kushte lubrifikimi pa vaj. Franz J et al. përdorën teknologjinë PVD për të depozituar film të hollë WC/C dhe B4C në sipërfaqen e ingranazheve FEZ-A dhe FEZ-C, dhe eksperimenti tregoi se veshja PVD uli ndjeshëm fërkimin e ingranazheve, e bëri ingranazhin më pak të ndjeshëm ndaj ngjitjes së nxehtë ose ngjitjes, dhe përmirësoi aftësinë mbajtëse të ngarkesës së ingranazhit.

(4) Filma CrN
Filmat CrN janë të ngjashëm me filmat TiN në atë që kanë fortësi më të lartë, dhe filmat CrN janë më rezistentë ndaj oksidimit në temperatura të larta sesa TiN, kanë rezistencë më të mirë ndaj korrozionit, stres të brendshëm më të ulët sesa filmat TiN dhe fortësi relativisht më të mirë. Chen Ling dhe të tjerët përgatitën një film kompozit TiAlCrN/CrN rezistent ndaj konsumimit me lidhje të shkëlqyera të bazuara në film në sipërfaqen e HSS, dhe gjithashtu propozuan teorinë e grumbullimit të zhvendosjeve të filmit shumështresor, nëse ndryshimi i energjisë së zhvendosjeve midis dy shtresave është i madh, zhvendosja që ndodh në njërën shtresë do të jetë e vështirë të kalojë ndërfaqen e saj në shtresën tjetër, duke formuar kështu grumbullimin e zhvendosjeve në ndërfaqe dhe duke luajtur rolin e forcimit të materialit. Zhong Bin dhe të tjerët studiuan efektin e përmbajtjes së azotit në strukturën e fazës dhe vetitë e konsumimit nga fërkimi të filmave CrNx, dhe studimi tregoi se maja e difraksionit Cr2N (211) në filma u dobësua gradualisht dhe maja CrN (220) u rrit gradualisht me rritjen e përmbajtjes së N2, grimcat e mëdha në sipërfaqen e filmit u ulën gradualisht dhe sipërfaqja tentoi të ishte e sheshtë. Kur ajrosja me N2 ishte 25 ml/min (rryma e harkut të burimit të synuar ishte 75 A), filmi i depozituar CrN ka cilësi të mirë sipërfaqësore, fortësi të mirë dhe rezistencë të shkëlqyer ndaj konsumimit kur ajrosja me N2 është 25 ml/min (rryma e harkut të burimit të synuar është 75A, presioni negativ është 100V).

(5) Fletë super e fortë
Filmi super i fortë është filmi i ngurtë me fortësi më të madhe se 40GPa, rezistencë të shkëlqyer ndaj konsumimit, rezistencë ndaj temperaturës së lartë dhe koeficient të ulët të fërkimit dhe koeficient të ulët të zgjerimit termik, kryesisht film diamanti amorf dhe film CN. Filmat diamanti amorfë kanë veti amorfe, nuk kanë strukturë të renditur me rreze të gjatë veprimi dhe përmbajnë një numër të madh lidhjesh tetraedrale CC, kështu që quhen edhe filma karboni amorfë tetraedralë. Si një lloj filmi karboni amorf, veshja në formë diamanti (DLC) ka shumë veti të shkëlqyera të ngjashme me diamantin, të tilla si përçueshmëri e lartë termike, fortësi e lartë, modul i lartë elastik, koeficient i ulët i zgjerimit termik, stabilitet i mirë kimik, rezistencë e mirë ndaj konsumimit dhe koeficient i ulët i fërkimit. Është treguar se veshja e filmave në formë diamanti në sipërfaqet e ingranazheve mund të zgjasë jetëgjatësinë e shërbimit me një faktor 6 dhe të përmirësojë ndjeshëm rezistencën ndaj lodhjes. Filmat CN, të njohur edhe si filma amorfë karbon-azot, kanë një strukturë kristalore të ngjashme me atë të komponimeve kovalente β-Si3N4 dhe njihen edhe si β-C3N4. Liu dhe Cohen et al. Kryen llogaritje teorike rigoroze duke përdorur llogaritjet e brezave pseudopotencialë nga parimi i natyrës së parë, konfirmoi se β-C3N4 ka një energji të madhe lidhëse, një strukturë mekanike të qëndrueshme, mund të ekzistojë të paktën një gjendje nën-stabile, dhe moduli i tij elastik është i krahasueshëm me diamantin, me veti të mira, të cilat mund të përmirësojnë në mënyrë efektive fortësinë sipërfaqësore dhe rezistencën ndaj konsumimit të materialit dhe të zvogëlojnë koeficientin e fërkimit.

(6) Shtresë veshjeje rezistente ndaj konsumimit nga aliazhe të tjera
Disa veshje rezistente ndaj konsumimit prej aliazhesh janë provuar gjithashtu të aplikohen në ingranazhe, për shembull, depozitimi i shtresës së aliazhit Ni-P-Co në sipërfaqen e dhëmbit të ingranazheve të çelikut 45# është një shtresë aliazh për të arritur organizim me kokërrza ultra të imëta, të cilat mund të zgjasin jetëgjatësinë deri në 1.144~1.533 herë. Është studiuar gjithashtu se shtresa metalike Cu dhe veshja e aliazhit Ni-W aplikohen në sipërfaqen e dhëmbit të ingranazhit prej gize prej aliazh Cu-Cr-P për të përmirësuar forcën e tij; veshjet e aliazhit Ni-W dhe Ni-Co aplikohen në sipërfaqen e dhëmbit të ingranazhit prej gize HT250 për të përmirësuar rezistencën ndaj konsumimit me 4~6 herë krahasuar me ingranazhin e paveshur.