Технологија премазивања зупчаника

Технологија PVD наношења се већ дуги низ година примењује као нова технологија модификације површине, посебно технологија вакуумског јонског премазивања, која је последњих година доживела велики развој и сада се широко користи у обради алата, калупа, клипних прстенова, зупчаника и других компоненти. Обложени зупчаници припремљени технологијом вакуумског јонског премазивања могу значајно смањити коефицијент трења, побољшати отпорност на хабање и одређену отпорност на корозију, и постали су фокус и жариште истраживања у области технологије јачања површине зупчаника.

Уобичајени материјали који се користе за израду зупчаника су углавном ковани челик, ливени челик, ливено гвожђе, обојени метали (бакар, алуминијум) и пластика. Челик је углавном 45 челик, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Нискугљични челик се углавном користи у 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Ковани челик се шире користи у зупчаницима због својих бољих перформанси, док се ливени челик обично користи за производњу зупчаника пречника > 400 мм и сложене структуре. Зупчаници од ливеног гвожђа су отпорни на лепљење и тачкасто крхко ... Обојени метали који се најчешће користе су калајна бронза, алуминијум-гвоздена бронза и ливене легуре алуминијума, које се обично користе у производњи турбина или зупчаника, али су клизна и антифрикциона својства лоша, само за зупчанике са лаким, средњим оптерећењем и малим брзинама. Зупчаници од неметалних материјала се углавном користе у неким областима са посебним захтевима, као што су подмазивање без уља и висока поузданост. У области услова као што је ниско загађење, као што су кућни апарати, медицинска опрема, прехрамбене машине и текстилне машине.

Материјали за премазивање зупчаника

Инжењерски керамички материјали су изузетно перспективни материјали са високом чврстоћом и тврдоћом, посебно одличном отпорношћу на топлоту, ниском топлотном проводљивошћу и термичком експанзијом, високом отпорношћу на хабање и отпорношћу на оксидацију. Велики број студија је показао да су керамички материјали инхерентно отпорни на топлоту и да имају мало хабања метала. Стога, употреба керамичких материјала уместо металних материјала за делове отпорне на хабање може побољшати век трајања фрикционог подметача, може испунити неке од захтева за материјале отпорне на високе температуре и хабање, мултифункционалне и друге строге захтеве. Тренутно се инжењерски керамички материјали користе у производњи делова отпорних на топлоту мотора, хабајућих делова за механичке преноснике, делова отпорних на корозију у хемијској опреми и делова за заптивање, што све више показује широку примену керамичких материјала у перспективи.

Развијене земље попут Немачке, Јапана, Сједињених Држава, Уједињеног Краљевства и других земаља придају велики значај развоју и примени инжењерских керамичких материјала, улажући много новца и радне снаге у развој теорије и технологије обраде инжењерске керамике. Немачка је покренула програм под називом „SFB442“, чија је сврха коришћење PVD технологије за синтезу одговарајућег филма на површини делова како би се заменио потенцијално штетни медијум за подмазивање по животну средину и људско тело. PW Gold и други у Немачкој користили су финансирање из SFB442 за примену PVD технологије за наношење танких филмова на површину котрљајућих лежајева и открили су да су перформансе против хабања котрљајућих лежајева значајно побољшане и да филмови нанети на површину могу у потпуности заменити функцију адитива против хабања под екстремним притиском. Јоаким, Франц и др. у Немачкој користили су PVD технологију за припрему WC/C филмова који показују одлична својства против замора, виша од оних код мазива која садрже EP адитиве, резултат који слично даје могућност замене штетних адитива премазима. Е. Лугшајдер и др. из Института за науку о материјалима, Техничког универзитета у Ахену, Немачка, уз финансирање од стране DFG (Немачке истраживачке комисије), показали су значајно повећање отпорности на замор након наношења одговарајућих филмова на челик 100Cr6 коришћењем PVD технологије. Поред тога, амерички General Motors је почео у свом... Филм за наношење на површину зупчаника аутомобила типа VolvoS80Turbo ради побољшања отпорности на замор; позната компанија Timken лансирала је филм за површину зупчаника под називом ES200; регистровани заштитни знак MAXIT премаз за зупчаник појавио се у Немачкој; регистровани заштитни знакови Graphit-iC и Dymon-iC респективно. Премази за зупчанике са регистрованим заштитним знаковима Graphit-iC и Dymon-iC такође су доступни у Великој Британији.

Као важни резервни делови механичких преносника, зупчаници играју важну улогу у индустрији, тако да је од веома важног практичног значаја проучавање примене керамичких материјала на зупчаницима. Тренутно, инжењерска керамика која се примењује на зупчанике је углавном следећа.

1, TiN слој премаза
1, TiN

Јонски премаз TiN керамички слој је један од најчешће коришћених површински модификованих премаза са високом тврдоћом, високом чврстоћом приањања, ниским коефицијентом трења, добром отпорношћу на корозију итд. Широко се користи у различитим областима, посебно у индустрији алата и калупа. Главни разлог који утиче на примену керамичког премаза на зупчаницима је проблем везивања између керамичког премаза и подлоге. Пошто су радни услови и фактори утицаја на зупчанике далеко компликованији него код алата и калупа, примена једног TiN премаза на површинску обраду зупчаника је знатно ограничена. Иако керамички премаз има предности високе тврдоће, ниског коефицијента трења и отпорности на корозију, он је крхак и тешко је добити дебљи премаз, па му је потребна подлога високе тврдоће и високе чврстоће да би подржао премаз како би се оствариле његове карактеристике. Стога се керамички премаз углавном користи за површине од карбидног и брзорезног челика. Материјал зупчаника је мекан у поређењу са керамичким материјалом, а разлика између природе подлоге и премаза је велика, тако да је комбинација премаза и подлоге лоша, а премаз није довољан да подржи премаз, што олакшава отпадање премаза током употребе. Не само да не може да искористи предности керамичког премаза, већ честице керамичког премаза које отпадају изазивају абразивно хабање зупчаника, убрзавајући губитак зупчаника услед хабања. Тренутно решење је употреба технологије композитне површинске обраде како би се побољшала веза између керамике и подлоге. Технологија композитне површинске обраде односи се на комбинацију физичког таложења паром и других процеса површинске обраде или премаза, користећи две одвојене површине/подповршине за модификацију површине материјала подлоге како би се добила композитна механичка својства која се не могу постићи једним поступком површинске обраде. TiN композитни премаз нанет јонским нитрирањем и PVD-ом је један од најистраженијих композитних премаза. Плазма нитрирање подлоге и TiN керамички композитни премаз имају јаку везу, а отпорност на хабање је значајно побољшана.

Оптимална дебљина слоја TiN филма са одличном отпорношћу на хабање и одличним везивањем са основом филма је око 3~4μm. Ако је дебљина слоја филма мања од 2μm, отпорност на хабање се неће значајно побољшати. Ако је дебљина слоја филма већа од 5μm, везивање са основом филма ће се смањити.

2, Вишеслојни, вишекомпонентни TiN премаз

Са постепеном и широко распрострањеном применом TiN премаза, све је више истраживања о томе како побољшати и унапредити TiN премазе. Последњих година развијени су вишекомпонентни премази и вишеслојни премази на бази бинарних TiN премаза, као што су Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, итд. Додавањем елемената као што су Al и Si у TiN премазе, може се побољшати отпорност на оксидацију на високим температурама и тврдоћа премаза, док додавање елемената као што је B може побољшати тврдоћу и чврстоћу приањања премаза.

Због сложености вишекомпонентног састава, у овој студији постоји много контроверзи. У проучавању вишекомпонентних премаза (Tix,Cr1-x)N, постоји велика контроверза у резултатима истраживања. Неки људи верују да су (Tix,Cr1-x)N премази засновани на TiN, а Cr може постојати само у облику чврстог раствора за замену у TiN матрици тачака, али не као посебна CrN фаза. Друге студије показују да је број атома Cr који директно замењују атоме Ti у (Tix,Cr1-x)N премазима ограничен, а преостали Cr постоји у синглетном стању или формира једињења са N. Експериментални резултати показују да додавање Cr у премаз смањује величину површинских честица и повећава тврдоћу, а тврдоћа премаза достиже своју највећу вредност када масени проценат Cr достигне 3l%, али унутрашњи напон премаза такође достиже своју максималну вредност.

3, Други слој премаза

Поред уобичајено коришћених TiN премаза, за ојачавање површине зупчаника се користи много различитих инжењерских керамика.

(1)Ј. Тераучи и др. из Јапана проучавали су отпорност на хабање трењем керамичких зупчаника од титанијум карбида или титанијум нитрида, депонованих методом наношења паре. Зупчаници су наугљеничени и полирани да би се постигла површинска тврдоћа од око HV720 и површинска храпавост од 2,4 μm пре наношења премаза, а керамички премази су припремљени хемијским наношењем паре (CVD) за титанијум карбид и физичким наношењем паре (PVD) за титанијум нитрид, са дебљином керамичког филма од око 2 μm. Особине хабања при трењу испитиване су у присуству уља и сувог трења, респективно. Утврђено је да су отпорност на хабање и отпорност на гребање зупчаника знатно побољшане након наношења премаза керамиком.

(2) Композитни премаз од хемијски пресвученог Ni-P и TiN је припремљен претходним пресвлачењем Ni-P као прелазног слоја, а затим наношењем TiN. Студија показује да је површинска тврдоћа овог композитног премаза донекле побољшана, да је премаз боље везан за подлогу и има бољу отпорност на хабање.

(3) WC/C, B4C танки филм
М. Муракава и др., Одсек за машинство, Јапански технолошки институт, користили су PVD технологију за наношење танког филма WC/C на површину зупчаника, а његов век трајања је био три пута већи од века трајања обичних каљених и брушених зупчаника под условима подмазивања без уља. Франц Ј. и др. користили су PVD технологију за наношење танког филма WC/C и B4C на површину зупчаника FEZ-A и FEZ-C, а експеримент је показао да PVD премаз значајно смањује трење зупчаника, чини зупчаник мање подложним врућем лепљењу или лепљењу и побољшава носивост зупчаника.

(4) CrN филмови
CrN филмови су слични TiN филмовима по томе што имају већу тврдоћу, а CrN филмови су отпорнији на оксидацију на високим температурама од TiN, имају бољу отпорност на корозију, нижи унутрашњи напон од TiN филмова и релативно бољу жилавост. Чен Линг и др. су припремили композитни филм отпоран на хабање TiAlCrN/CrN са одличним везивањем на бази филма на површини HSS-а, а такође су предложили теорију слагања дислокација вишеслојног филма. Ако је разлика у енергији дислокација између два слоја велика, дислокација која се јавља у једном слоју ће тешко прећи преко своје границе у други слој, чиме се формира слагање дислокација на граници и игра улогу јачања материјала. Џонг Бин и др. су проучавали утицај садржаја азота на фазну структуру и својства трења и хабања CrNx филмова, а студија је показала да дифракциони врх Cr2N (211) у филмовима постепено слаби, а врх CrN (220) постепено се повећава са повећањем садржаја N2, велике честице на површини филма постепено се смањују, а површина тежи да буде равна. Када је аерација N2 била 25 ml/min (струја циљног извора лука била је 75 A), наталожени CrN филм има добар квалитет површине, добру тврдоћу и одличну отпорност на хабање када је аерација N2 25 ml/min (струја циљног извора лука је 75 A, негативни притисак је 100 V).

(5) Супертврди филм
Супертврди филм је чврсти филм са тврдоћом већом од 40GPa, одличном отпорношћу на хабање, отпорношћу на високе температуре, ниским коефицијентом трења и ниским коефицијентом термичког ширења, углавном аморфни дијамантски филм и CN филм. Аморфни дијамантски филмови имају аморфна својства, немају дугорочно уређену структуру и садрже велики број CC тетраедарских веза, па се називају и тетраедарским аморфним угљеничним филмовима. Као врста аморфног угљеничног филма, премаз сличан дијаманту (DLC) има многа одлична својства слична дијаманту, као што су висока топлотна проводљивост, висока тврдоћа, висок модул еластичности, низак коефицијент термичког ширења, добра хемијска стабилност, добра отпорност на хабање и низак коефицијент трења. Показано је да наношење филмова сличних дијаманту на површине зупчаника може продужити век трајања за фактор 6 и значајно побољшати отпорност на замор. CN филмови, познати и као аморфни филмови угљеника и азота, имају кристалну структуру сличну структури β-Si3N4 ковалентних једињења и познати су и као β-C3N4. Лиу и Коен и др. извршени су ригорозни теоријски прорачуни користећи прорачуне псеудопотенцијалних зона из принципа прве природе, потврдили су да β-C3N4 има велику енергију везивања, стабилну механичку структуру, може постојати бар једно подстабилно стање, а његов модул еластичности је упоредив са дијамантом, са добрим својствима, што може ефикасно побољшати површинску тврдоћу и отпорност материјала на хабање и смањити коефицијент трења.

(6) Други слој премаза отпорног на хабање од легуре
Неки легирани премази отпорни на хабање су такође покушани да се примене на зупчанике, на пример, наношење слоја легуре Ni-P-Co на површину зуба зупчаника од челика 45# је слој легуре за добијање ултра фине зрнасте организације, што може продужити век трајања до 1,144~1,533 пута. Такође је проучавано да се слој метала Cu и премаз легуре Ni-W наносе на површину зуба зупчаника од ливеног гвожђа Cu-Cr-P легуре како би се побољшала његова чврстоћа; премаз легуре Ni-W и Ni-Co наноси се на површину зуба зупчаника од ливеног гвожђа HT250 како би се побољшала отпорност на хабање за 4~6 пута у поређењу са зупчаником без премаза.