Teknik för beläggning av växeln

PVD-deponeringsteknik har använts i många år som en ny ytmodifieringsteknik, särskilt vakuumjonbeläggningsteknik, som har utvecklats kraftigt de senaste åren och används nu i stor utsträckning vid behandling av verktyg, formar, kolvringar, kugghjul och andra komponenter. De belagda kugghjulen som framställts med vakuumjonbeläggningsteknik kan avsevärt minska friktionskoefficienten, förbättra slitageskyddet och viss korrosionsskydd, och har blivit fokus och hett forskningsområde inom området för ytförstärkningsteknik för kugghjul.

Vanliga material som används för kugghjul är huvudsakligen smidd stål, gjutstål, gjutjärn, icke-järnmetaller (koppar, aluminium) och plast. Stål är huvudsakligen 45-stål, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Lågkolstål används huvudsakligen i 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Smidd stål används mer i kugghjul på grund av dess bättre prestanda, medan gjutstål vanligtvis används för att tillverka kugghjul med diameter > 400 mm och komplex struktur. Gjutjärnskugghjul är motståndskraftiga mot lim och gropfrätning, men har brist på slag- och slitstyrka, främst för stabilt arbete, låg effekt, låg hastighet eller stor storlek och komplex form, vilket gör att de kan arbeta även under förhållanden med bristande smörjning och är lämpliga för öppen transmission. Vanliga icke-järnmetaller är tennbrons, aluminium-järnbrons och gjuten aluminiumlegering, som vanligtvis används vid tillverkning av turbiner eller kugghjul, men glid- och friktionsegenskaperna är dåliga och passar endast för lätta, medelbelastade och lågvarviga kugghjul. Kugghjul av icke-metalliska material används huvudsakligen inom vissa områden med speciella krav, såsom oljefri smörjning och hög tillförlitlighet. Områden med låg föroreningsnivå, såsom hushållsapparater, medicinsk utrustning, livsmedelsmaskiner och textilmaskiner.

Material för beläggning av växellådan

Tekniska keramiska material är extremt lovande material med hög hållfasthet och hårdhet, särskilt utmärkt värmebeständighet, låg värmeledningsförmåga och värmeutvidgning, hög slitstyrka och oxidationsbeständighet. Ett stort antal studier har visat att keramiska material är i sig värmebeständiga och har lågt slitage på metaller. Därför kan användningen av keramiska material istället för metallmaterial för slitstarka delar förbättra livslängden på friktionsdelar, uppfylla vissa av de högtemperatur- och högslitagebeständiga materialens krav, multifunktionella och andra tuffa krav. För närvarande har tekniska keramiska material använts vid tillverkning av värmebeständiga delar i motorer, slitdelar i mekanisk transmission, korrosionsbeständiga delar i kemisk utrustning och tätningsdelar, vilket i allt högre grad visar på breda tillämpningsmöjligheter för keramiska material.

Utvecklade länder som Tyskland, Japan, USA, Storbritannien och andra länder lägger stor vikt vid utveckling och tillämpning av tekniska keramiska material och investerar mycket pengar och arbetskraft för att utveckla bearbetningsteorin och tekniken för teknisk keramik. Tyskland har lanserat ett program som heter "SFB442", vars syfte är att använda PVD-teknik för att syntetisera en lämplig film på ytan av delarna för att ersätta det potentiellt skadliga smörjmedlet för miljön och människokroppen. PW Gold och andra i Tyskland använde finansieringen från SFB442 för att tillämpa PVD-teknik för att avsätta tunna filmer på ytan av rullningslager och fann att slitageskyddsprestanda hos rullningslager förbättrades avsevärt och att filmerna som avsattes på ytan helt kunde ersätta funktionen hos slitageskyddstillsatser under extremt tryck. Joachim, Franz et al. i Tyskland använde PVD-teknik för att framställa WC/C-filmer som uppvisade utmärkta anti-utmattningsegenskaper, högre än de hos smörjmedel som innehåller EP-tillsatser, ett resultat som på liknande sätt ger möjlighet att ersätta skadliga tillsatser med beläggningar. E. Lugscheider et al. från Institute of Materials Science, Technical University of Aachen, Tyskland, med finansiering från DFG (Tyska forskningskommissionen), visade en signifikant ökning av utmattningshållfastheten efter att lämpliga filmer avsatts på 100Cr6-stål med hjälp av PVD-teknik. Dessutom har det amerikanska General Motors påbörjat sin... Volvo S80Turbo-typ kugghjulsytbeläggningsfilm för att förbättra motståndskraften mot utmattningspunktsfrätning; det berömda företaget Timken har lanserat namnet ES200 kugghjulsytfilm; det registrerade varumärket MAXIT kugghjulsbeläggning har dykt upp i Tyskland; de registrerade varumärkena Graphit-iC respektive Dymon-iC. Kugghjulsbeläggningar med de registrerade varumärkena Graphit-iC och Dymon-iC finns också tillgängliga i Storbritannien.

Som viktiga reservdelar i mekanisk transmission spelar kugghjul en viktig roll inom industrin, så det är av mycket stor praktisk betydelse att studera tillämpningen av keramiska material på kugghjul. För närvarande är de tekniska keramikmaterial som används på kugghjul huvudsakligen följande.

1. TiN-beläggningsskikt
1. TiN

Jonbeläggning av TiN-keramiskt lager är en av de mest använda ytmodifierade beläggningarna med hög hårdhet, hög vidhäftningsstyrka, låg friktionskoefficient, god korrosionsbeständighet etc. Den har använts flitigt inom olika områden, särskilt inom verktygs- och formindustrin. Den främsta anledningen till att keramisk beläggning påverkar appliceringen av kugghjul är bindningsproblemet mellan keramisk beläggning och substrat. Eftersom arbetsförhållandena och påverkansfaktorerna för kugghjul är mycket mer komplicerade än för verktyg och formar, är appliceringen av en enda TiN-beläggning på kugghjulsytor starkt begränsad. Även om keramisk beläggning har fördelarna med hög hårdhet, låg friktionskoefficient och korrosionsbeständighet, är den spröd och svår att få en tjockare beläggning, så den behöver ett substrat med hög hårdhet och hög hållfasthet för att stödja beläggningen för att kunna spela sina egenskaper. Därför används keramisk beläggning mestadels för ytor av hårdmetall och snabbstål. Kugghjulsmaterialet är mjukt jämfört med det keramiska materialet, och skillnaden mellan substratets och beläggningens natur är stor, så kombinationen av beläggning och substrat är dålig, och beläggningen räcker inte för att stödja beläggningen, vilket gör att beläggningen lätt faller av under användningsprocessen. Detta kan inte bara inte utnyttja fördelarna med den keramiska beläggningen, utan de keramiska beläggningspartiklarna som faller av kommer också att orsaka slipande slitage på växeln, vilket påskyndar slitageförlusten hos växeln. Den nuvarande lösningen är att använda kompositytbehandlingsteknik för att förbättra bindningen mellan keramiken och substratet. Kompositytbehandlingsteknik avser kombinationen av fysisk ångavsättningsbeläggning och andra ytbehandlingsprocesser eller beläggningar, med användning av två separata ytor/underytor för att modifiera substratmaterialets yta för att erhålla kompositmekaniska egenskaper som inte kan uppnås med en enda ytbehandlingsprocess. TiN-kompositbeläggning som deponeras med jonkitrering och PVD är en av de mest undersökta kompositbeläggningarna. Plasmanitreringssubstratet och TiN-keramisk kompositbeläggning har en stark bindning och slitstyrkan förbättras avsevärt.

Den optimala tjockleken på ett TiN-filmlager med utmärkt slitstyrka och filmbasbindning är cirka 3~4 μm. Om filmlagrets tjocklek är mindre än 2 μm kommer slitstyrkan inte att förbättras avsevärt. Om filmlagrets tjocklek är mer än 5 μm kommer filmbasbindningen att minska.

2. Flerskiktad, flerkomponents TiN-beläggning

Med den gradvisa och utbredda tillämpningen av TiN-beläggningar finns det mer och mer forskning om hur man kan förbättra och förstärka TiN-beläggningar. Under senare år har flerkomponentsbeläggningar och flerskiktsbeläggningar utvecklats baserade på binära TiN-beläggningar, såsom Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, etc. Genom att tillsätta element som Al och Si till TiN-beläggningar kan beläggningarnas motståndskraft mot högtemperaturoxidation och hårdhet förbättras, medan tillsats av element som B kan förbättra beläggningarnas hårdhet och vidhäftningsstyrka.

På grund av komplexiteten hos flerkomponentskompositionen finns det många kontroverser i denna studie. I studien av (Tix,Cr1-x)N flerkomponentsbeläggningar finns det stor kontrovers i forskningsresultaten. Vissa tror att (Tix,Cr1-x)N-beläggningar är baserade på TiN, och Cr kan endast existera i form av en ersättningslösning i TiN-punktmatrisen, men inte som en separat CrN-fas. Andra studier visar att antalet Cr-atomer som direkt ersätter Ti-atomer i (Tix,Cr1-x)N-beläggningar är begränsat, och att det återstående Cr existerar i singletttillstånd eller bildar föreningar med N. De experimentella resultaten visar att tillsatsen av Cr till beläggningen minskar ytpartikelstorleken och ökar hårdheten, och beläggningens hårdhet når sitt högsta värde när massprocenten Cr når 3 l %, men beläggningens inre spänning når också sitt maximala värde.

3. Annat beläggningsskikt

Förutom de vanligt förekommande TiN-beläggningarna används många olika tekniska keramer för att förstärka kugghjulsytor.

(1) Y. Terauchi et al. från Japan studerade motståndet mot friktionsslitage hos keramiska kugghjul av titankarbid eller titannitrid som deponerats med ångdeponeringsmetoden. Kugghjulen karburerades och polerades för att uppnå en ythårdhet på cirka HV720 och en ytjämnhet på 2,4 μm före beläggning, och de keramiska beläggningarna framställdes genom kemisk ångdeponering (CVD) för titankarbid och genom fysisk ångdeponering (PVD) för titannitrid, med en keramisk filmtjocklek på cirka 2 μm. Friktionsslitageegenskaperna undersöktes i närvaro av olja respektive torr friktion. Det visade sig att skruvstyckets motståndskraft mot skärning och reptålighet förbättrades avsevärt efter beläggning med keramik.

(2) En kompositbeläggning av kemiskt belagd Ni-P och TiN framställdes genom att förbelägga Ni-P som ett övergångsskikt och sedan avsätta TiN. Studien visar att ythårdheten hos denna kompositbeläggning har förbättrats i viss mån, och beläggningen binds bättre till substratet och har bättre slitstyrka.

(3) WC/C, B4C tunnfilm
M. Murakawa et al., Institutionen för maskinteknik, Japan Institute of Technology, använde PVD-teknik för att avsätta WC/C-tunnfilm på ytan av kugghjul, och dess livslängd var tre gånger högre än för vanliga kylda och slipade kugghjul under oljefria smörjförhållanden. Franz J et al. använde PVD-teknik för att avsätta WC/C- och B4C-tunnfilm på ytan av FEZ-A- och FEZ-C-kugghjul, och experimentet visade att PVD-beläggningen avsevärt minskade kugghjulets friktion, gjorde kugghjulet mindre känsligt för varmlimning eller limning och förbättrade kugghjulets bärförmåga.

(4) CrN-filmer
CrN-filmer liknar TiN-filmer genom att de har högre hårdhet, och CrN-filmer är mer motståndskraftiga mot högtemperaturoxidation än TiN, har bättre korrosionsbeständighet, lägre inre spänning än TiN-filmer och relativt bättre seghet. Chen Ling et al. framställde en slitstark TiAlCrN/CrN-kompositfilm med utmärkt filmbaserad bindning på ytan av HSS, och föreslog även dislokationsstaplingsteorin för flerskiktsfilm. Om dislokationsenergiskillnaden mellan två lager är stor, kommer dislokationen som uppstår i ett lager att vara svår att korsa dess gränssnitt till det andra lagret, vilket bildar dislokationsstapling vid gränssnittet och spelar en roll för att förstärka materialet. Zhong Bin et al. studerade effekten av kvävehalten på fasstrukturen och friktionsslitageegenskaperna hos CrNx-filmer, och studien visade att Cr2N (211)-diffraktionstoppen i filmerna gradvis försvagades och CrN (220)-toppen gradvis ökade med ökningen av N2-innehållet, de stora partiklarna på filmytan minskade gradvis och ytan tenderade att vara plan. När N2-luftningen var 25 ml/min (målkällans bågström var 75 A), har den avsatta CrN-filmen god ytkvalitet, god hårdhet och utmärkt slitstyrka när N2-luftningen är 25 ml/min (målkällans bågström är 75 A, undertrycket är 100 V).

(5) Superhård film
Superhård film är en fast film med en hårdhet större än 40 GPa, utmärkt slitstyrka, hög temperaturbeständighet och låg friktionskoefficient samt låg värmeutvidgningskoefficient, främst amorf diamantfilm och CN-film. Amorfa diamantfilmer har amorfa egenskaper, ingen långsiktig ordnad struktur och innehåller ett stort antal CC-tetraedriska bindningar, så de kallas även tetraedriska amorfa kolfilmer. Som en typ av amorf kolfilm har diamantliknande beläggning (DLC) många utmärkta egenskaper som liknar diamant, såsom hög värmeledningsförmåga, hög hårdhet, hög elasticitetsmodul, låg värmeutvidgningskoefficient, god kemisk stabilitet, god slitstyrka och låg friktionskoefficient. Det har visats att beläggning av diamantliknande filmer på kugghjulsytor kan förlänga livslängden med en faktor 6 och avsevärt förbättra utmattningsbeständigheten. CN-filmer, även kända som amorfa kol-kvävefilmer, har en kristallstruktur som liknar den hos β-Si3N4 kovalenta föreningar och är även kända som β-C3N4. Liu och Cohen et al. utförde rigorösa teoretiska beräkningar med hjälp av pseudopotentialbandsberäkningar från första naturprincipen, bekräftade att β-C3N4 har en hög bindningsenergi, en stabil mekanisk struktur, att minst ett substabilt tillstånd kan existera, och dess elasticitetsmodul är jämförbar med diamant, med goda egenskaper, vilket effektivt kan förbättra ythårdheten och slitstyrkan hos materialet och minska friktionskoefficienten.

(6) Annan slitstark beläggning av legering
Vissa slitstarka beläggningar i legeringar har också försökts appliceras på kugghjul, till exempel genom att applicera ett Ni-P-Co-legeringslager på kuggytan på 45# stålkugghjul får man en ultrafin kornstruktur, vilket kan förlänga livslängden med upp till 1,144~1,533 gånger. Det har också studerats hur ett Cu-metalllager och en Ni-W-legeringsbeläggning appliceras på kuggytan på kugghjul i gjutjärn av Cu-Cr-P-legering för att förbättra dess hållfasthet. Ni-W- och Ni-Co-legeringsbeläggningar appliceras på kuggytan på kugghjul i gjutjärn av HT250 för att förbättra slitstyrkan med 4~6 gånger jämfört med obelagda kugghjul.