Téhnologi palapis gir

Téhnologi déposisi PVD parantos dipraktékkeun salami mangtaun-taun salaku téknologi modifikasi permukaan énggal, khususna téknologi palapis ion vakum, anu parantos kéngingkeun kamekaran anu ageung dina sababaraha taun terakhir sareng ayeuna seueur dianggo dina pangobatan alat, cetakan, ring piston, gir sareng komponén sanésna. Gir anu dilapis anu disiapkeun ku téknologi palapis ion vakum tiasa ngirangan koefisien gesekan sacara signifikan, ningkatkeun anti-aus sareng anti-korosi anu tangtu, sareng parantos janten fokus sareng titik panas panalungtikan dina widang téknologi penguatan permukaan gir.

Bahan umum anu dianggo pikeun gir utamina baja tempa, baja tuang, beusi tuang, logam non-ferrous (tambaga, aluminium) sareng plastik. Baja utamina baja 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Baja karbon rendah utamina dianggo dina 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Baja tempa langkung seueur dianggo dina gir kusabab kinerjana anu langkung saé, sedengkeun baja tuang biasana dianggo pikeun ngadamel gir kalayan diaméter > 400mm sareng struktur anu rumit. Gir beusi tuang anti lem sareng tahan pitting, tapi kurangna tahan dampak sareng aus, utamina pikeun padamelan anu stabil, kakuatan henteu kecepatan rendah atanapi ukuran ageung sareng bentuk anu rumit, tiasa dianggo dina kaayaan kurangna pelumasan, cocog pikeun transmisi kabuka. Logam non-ferrous anu umumna dianggo nyaéta timah perunggu, aluminium-beusi perunggu sareng paduan aluminium tuang, umumna dianggo dina pabrik turbin atanapi gir, tapi sipat geser sareng anti gesekanana goréng, ngan ukur pikeun gir anu hampang, beban sedeng sareng kecepatan rendah. Gir bahan non-logam utamina dianggo dina sababaraha widang kalayan sarat khusus, sapertos pelumasan bébas minyak sareng reliabilitas anu luhur. Widang kaayaan sapertos polusi anu handap, sapertos alat-alat rumah tangga, alat médis, mesin dahareun sareng mesin tékstil.

Bahan palapis gir

Bahan keramik rékayasa mangrupikeun bahan anu ngajangjikeun pisan kalayan kakuatan sareng karasana anu luhur, khususna tahan panas anu saé, konduktivitas termal sareng ékspansi termal anu handap, tahan aus anu luhur sareng tahan oksidasi. Seueur panilitian anu nunjukkeun yén bahan keramik sacara inheren tahan panas sareng gaduh aus anu handap dina logam. Ku alatan éta, panggunaan bahan keramik tinimbang bahan logam pikeun bagian anu tahan aus tiasa ningkatkeun umur sub gesekan, tiasa nyumponan sababaraha bahan tahan suhu anu luhur sareng tahan aus anu luhur, multi-fungsi sareng sarat anu sesah anu sanés. Ayeuna, bahan keramik rékayasa parantos dianggo dina pembuatan bagian anu tahan panas mesin, transmisi mékanis dina bagian anu tahan aus, peralatan kimia dina bagian anu tahan korosi sareng bagian sealing, beuki nunjukkeun aplikasi anu lega tina prospek bahan keramik.

Nagara-nagara maju sapertos Jerman, Jepang, Amérika Serikat, Inggris sareng nagara-nagara sanésna masihan perhatian anu ageung kana pamekaran sareng aplikasi bahan keramik rékayasa, investasi seueur artos sareng tanaga kerja pikeun ngembangkeun téori pamrosésan sareng téknologi keramik rékayasa. Jérman parantos ngaluncurkeun program anu disebut "SFB442", anu tujuanana nyaéta pikeun nganggo téknologi PVD pikeun nyintésis pilem anu cocog dina permukaan bagian-bagian pikeun ngagentos média pelumas anu berpotensi ngabahayakeun pikeun lingkungan sareng awak manusa. PW Gold sareng anu sanésna di Jérman nganggo dana ti SFB442 pikeun nerapkeun téknologi PVD pikeun neundeun pilem ipis dina permukaan bantalan gulung sareng mendakan yén kinerja anti-aus bantalan gulung ningkat sacara signifikan sareng pilem anu disimpen dina permukaan tiasa ngagentos fungsi aditif anti-aus tekanan ekstrim. Joachim, Franz et al. di Jérman nganggo téknologi PVD pikeun nyiapkeun pilem WC/C anu nunjukkeun sipat anti-kacapean anu saé, langkung luhur tibatan pelumas anu ngandung aditif EP, hasil anu sami ngahasilkeun kamungkinan ngagentos aditif ngabahayakeun ku palapis. E. Lugscheider et al. ti Institut Élmu Bahan, Universitas Téknis Aachen, Jérman, kalayan dana ti DFG (Komisi Panalungtikan Jérman), nunjukkeun paningkatan anu signifikan dina résistansi kacapean saatos neundeun pilem anu pas dina baja 100Cr6 nganggo téknologi PVD. Salaku tambahan, Amérika Serikat General Motors parantos ngamimitian ngadamel pilem déposisi permukaan gir mobil tipe VolvoS80Turbo pikeun ningkatkeun résistansi pitting kacapean; perusahaan Timken anu kasohor parantos ngaluncurkeun nami pilem permukaan gir ES200; mérek dagang kadaptar MAXIT gear coating parantos muncul di Jerman; mérek dagang kadaptar Graphit-iC sareng Dymon-iC masing-masing. Palapis gir kalayan mérek dagang kadaptar Graphit-iC sareng Dymon-iC ogé sayogi di Inggris.

Salaku suku cadang anu penting dina transmisi mékanis, gir maénkeun peran anu penting dina industri, janten penting pisan pikeun nalungtik aplikasi bahan keramik dina gir. Ayeuna, keramik rékayasa anu diterapkeun kana gir utamina sapertos kieu.

1. Lapisan palapis TiN
1. TiN

Lapisan keramik TiN palapis ion mangrupikeun salah sahiji palapis modifikasi permukaan anu paling seueur dianggo kalayan karasa luhur, kakuatan adhesi anu luhur, koefisien gesekan anu handap, résistansi korosi anu saé, jsb. Ieu parantos seueur dianggo dina sagala rupa widang, khususna dina industri alat sareng kapang. Alesan utama anu mangaruhan aplikasi palapis keramik dina gir nyaéta masalah beungkeutan antara palapis keramik sareng substrat. Kusabab kaayaan kerja sareng faktor pangaruh gir jauh langkung rumit tibatan alat sareng kapang, aplikasi palapis TiN tunggal dina perawatan permukaan gir diwatesan pisan. Sanaos palapis keramik gaduh kaunggulan karasa luhur, koefisien gesekan anu handap sareng résistansi korosi, éta rapuh sareng hésé kéngingkeun palapis anu langkung kandel, janten peryogi karasa luhur sareng substrat kakuatan anu luhur pikeun ngadukung palapis supados maénkeun karakteristikna. Ku alatan éta, palapis keramik biasana dianggo pikeun permukaan karbida sareng baja kecepatan tinggi. Bahan gir téh lemes dibandingkeun jeung bahan keramik, sarta bédana antara sipat substrat jeung palapisna gedé, jadi kombinasi palapis jeung substratna goréng, sarta palapisna teu cukup pikeun ngadukung palapis, ngajadikeun palapis gampang murag dina prosés panggunaan, teu ngan saukur teu bisa maénkeun kaunggulan tina palapis keramik, tapi partikel palapis keramik anu murag bakal nyababkeun makéna abrasif dina gir, ngagancangkeun leungitna makéna gir. Solusi ayeuna nyaéta ngagunakeun téknologi perlakuan permukaan komposit pikeun ningkatkeun beungkeutan antara keramik jeung substrat. Téhnologi perlakuan permukaan komposit nujul kana kombinasi palapis déposisi uap fisik jeung prosés perlakuan permukaan atawa palapis séjénna, ngagunakeun dua permukaan/subpermukaan anu misah pikeun ngarobah permukaan bahan substrat pikeun meunangkeun sipat mékanis komposit anu teu bisa kahontal ku hiji prosés perlakuan permukaan. Palapis komposit TiN anu diendapkeun ku ion nitriding jeung PVD mangrupa salah sahiji palapis komposit anu paling loba ditalungtik. Substrat nitriding plasma jeung palapis komposit keramik TiN miboga beungkeutan anu kuat sarta résistansi makéna ningkat sacara signifikan.

Kandel optimal lapisan pilem TiN kalayan résistansi maké anu saé sareng beungkeutan dasar pilem nyaéta sakitar 3 ~ 4 μm. Upami kandel lapisan pilem kirang ti 2 μm, résistansi maké moal ningkat sacara signifikan. Upami kandel lapisan pilem langkung ti 5 μm, beungkeutan dasar pilem bakal turun.

2. Lapisan TiN multi-lapisan, multi-komponén

Kalayan aplikasi palapis TiN anu laun sareng nyebar, beuki seueur panilitian ngeunaan kumaha ningkatkeun sareng ningkatkeun palapis TiN. Dina sababaraha taun ka pengker, palapis multi-komponén sareng palapis multilapis parantos dikembangkeun dumasar kana palapis TiN binér, sapertos Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, jsb. Ku nambihan unsur sapertos Al sareng Si kana palapis TiN, résistansi kana oksidasi suhu luhur sareng karasa palapis tiasa ditingkatkeun, sedengkeun nambihan unsur sapertos B tiasa ningkatkeun karasa sareng kakuatan adhesi palapis.

Kusabab kompléksitas komposisi multikomponén, aya seueur kontrovérsi dina panilitian ieu. Dina panilitian palapis multikomponén (Tix,Cr1-x)N, aya kontrovérsi ageung dina hasil panilitian. Sababaraha urang yakin yén palapis (Tix,Cr1-x)N dumasar kana TiN, sareng Cr ngan ukur tiasa aya dina bentuk larutan padet pangganti dina matriks titik TiN, tapi sanés salaku fase CrN anu misah. Panilitian sanés nunjukkeun yén jumlah atom Cr anu langsung ngagentos atom Ti dina palapis (Tix,Cr1-x)N diwatesan, sareng sésa Cr aya dina kaayaan singlet atanapi ngabentuk sanyawa sareng N. Hasil ékspérimén nunjukkeun yén panambahan Cr kana palapis ngirangan ukuran partikel permukaan sareng ningkatkeun karasa, sareng karasa palapis ngahontal nilai pangluhurna nalika persentase massa Cr ngahontal 3l%, tapi tegangan internal palapis ogé ngahontal nilai maksimumna.

3. Lapisan palapis anu sanés

Salian ti palapis TiN anu umum dianggo, seueur keramik rékayasa anu béda-béda dianggo pikeun nguatkeun permukaan gir.

(1) Y. Terauchi et al. ti Jepang nalungtik résistansi kana gesekan tina gir keramik titanium karbida atanapi titanium nitrida anu diendapkeun ku metode deposisi uap. Gir-gir éta dikarburisasi sareng dipoles pikeun ngahontal karasa permukaan sakitar HV720 sareng karasana permukaan 2,4 μm sateuacan dilapis, sareng lapisan keramik disiapkeun ku deposisi uap kimiawi (CVD) pikeun titanium karbida sareng ku deposisi uap fisik (PVD) pikeun titanium nitrida, kalayan ketebalan pilem keramik sakitar 2 μm. Sipat gesekan ditalungtik dina ayana gesekan minyak sareng garing. Kapanggih yén résistansi galling sareng résistansi goresan tina ragum gir ningkat sacara substansial saatos dilapis ku keramik.

(2) Lapisan komposit Ni-P sareng TiN anu dilapis sacara kimia disiapkeun ku cara ngalapis Ni-P salaku lapisan transisi teras neundeun TiN. Panilitian ieu nunjukkeun yén karasana permukaan lapisan komposit ieu parantos ningkat dugi ka tingkat anu tangtu, sareng lapisan ieu langkung saé ngabeungkeut sareng substrat sareng gaduh résistansi anu langkung saé.

(3) WC/C, pilem ipis B4C
M. Murakawa et al., Departemen Teknik Mesin, Institut Teknologi Jepang, nganggo téknologi PVD pikeun neundeun pilem ipis WC/C dina permukaan gir, sareng umur jasana tilu kali lipat tibatan gir anu di-quench sareng di-ground biasa dina kaayaan pelumasan bébas oli. Franz J et al. nganggo téknologi PVD pikeun neundeun pilem ipis WC/C sareng B4C dina permukaan gir FEZ-A sareng FEZ-C, sareng ékspérimén nunjukkeun yén palapis PVD sacara signifikan ngirangan gesekan gir, ngajantenkeun gir kirang rentan ka perekatan panas atanapi perekatan, sareng ningkatkeun kapasitas bantalan beban gir.

(4) Pilem CrN
Pilem CrN téh sarupa jeung pilem TiN sabab mibanda karasana anu leuwih luhur, sarta pilem CrN leuwih tahan kana oksidasi suhu luhur tibatan TiN, mibanda résistansi korosi anu leuwih hadé, tegangan internal anu leuwih handap tibatan pilem TiN, sarta kateguhan anu relatif leuwih hadé. Chen Ling et al. nyiapkeun pilem komposit TiAlCrN/CrN anu tahan aus kalayan beungkeutan dumasar pilem anu alus dina beungeut HSS, sarta ogé ngajukeun téori susunan dislokasi pilem multilayer, upami bédana énergi dislokasi antara dua lapisan ageung, dislokasi anu lumangsung dina hiji lapisan bakal hésé meuntas antarmuka na kana lapisan anu sanés, sahingga ngabentuk susunan dislokasi dina antarmuka sareng maénkeun peran pikeun nguatkeun bahan. Zhong Bin et al. nalungtik pangaruh eusi nitrogén kana struktur fase sareng sipat maké gesekan pilem CrNx, sarta panilitian nunjukkeun yén puncak difraksi Cr2N (211) dina pilem laun-laun lemah sarta puncak CrN (220) laun-laun ningkat kalayan ningkatna eusi N2, partikel ageung dina beungeut pilem laun-laun turun sarta beungeut condong rata. Nalika aerasi N2 nyaéta 25 ml/mnt (arus busur sumber target nyaéta 75 A, pilem CrN anu diendapkeun gaduh kualitas permukaan anu saé, karasana anu saé sareng résistansi aus anu saé nalika aerasi N2 nyaéta 25ml/mnt (arus busur sumber target nyaéta 75A, tekanan négatip nyaéta 100V).

(5) Pilem Superhard
Pilem superhard nyaéta pilem padet anu karasa leuwih ti 40GPa, résistansi maké anu alus, résistansi suhu luhur sareng koéfisién gesekan anu handap sareng koéfisién ékspansi termal anu handap, utamina pilem inten amorf sareng pilem CN. Pilem inten amorf gaduh sipat amorf, teu aya struktur anu teratur jarak jauh, sareng ngandung sajumlah ageung beungkeut tétrahedral CC, janten disebut ogé pilem karbon amorf tetrahedral. Salaku jinis pilem karbon amorf, palapis sapertos inten (DLC) gaduh seueur sipat anu saé anu sami sareng inten, sapertos konduktivitas termal anu luhur, karasa luhur, modulus élastis anu luhur, koéfisién ékspansi termal anu handap, stabilitas kimia anu saé, résistansi maké anu saé sareng koéfisién gesekan anu handap. Parantos dipidangkeun yén palapis pilem sapertos inten dina permukaan gir tiasa manjangkeun umur jasa ku faktor 6 sareng ningkatkeun résistansi kacapean sacara signifikan. Pilem CN, ogé katelah pilem karbon-nitrogén amorf, gaduh struktur kristal anu sami sareng sanyawa kovalén β-Si3N4 sareng ogé katelah β-C3N4. Liu sareng Cohen et al. ngalaksanakeun itungan téoritis anu ketat nganggo itungan pita pseudopoténsial tina prinsip alam kahiji, mastikeun yén β-C3N4 gaduh énergi pangiket anu ageung, struktur mékanis anu stabil, sahenteuna aya hiji kaayaan sub-stabil, sareng modulus élastisna sami sareng inten, kalayan sipat anu saé, anu sacara efektif tiasa ningkatkeun karasa permukaan sareng résistansi ngagem bahan sareng ngirangan koefisien gesekan.

(6) Lapisan palapis tahan aus logam campuran anu sanés
Sababaraha palapis tahan aus logam campuran ogé parantos dicobian diterapkeun kana gir, contona, déposisi lapisan logam campuran Ni-P-Co dina permukaan huntu gir baja 45# mangrupikeun lapisan logam campuran pikeun kéngingkeun organisasi butiran ultra-halus, anu tiasa manjangkeun umur dugi ka 1,144 ~ 1,533 kali. Éta ogé parantos ditalungtik yén lapisan logam Cu sareng palapis logam campuran Ni-W diterapkeun dina permukaan huntu gir beusi cor logam campuran Cu-Cr-P pikeun ningkatkeun kakuatanana; palapis logam campuran Ni-W sareng Ni-Co diterapkeun dina permukaan huntu gir beusi cor HT250 pikeun ningkatkeun résistansi aus ku 4 ~ 6 kali dibandingkeun sareng gir anu henteu dilapis.