Teknolojia ya mipako ya gia

Teknolojia ya uwekaji wa PVD imetumika kwa miaka mingi kama teknolojia mpya ya urekebishaji wa uso, haswa teknolojia ya mipako ya ioni za utupu, ambayo imepata maendeleo makubwa katika miaka ya hivi karibuni na sasa inatumika sana katika matibabu ya zana, ukungu, pete za pistoni, gia na vipengele vingine. Gia zilizofunikwa zilizotayarishwa na teknolojia ya mipako ya ioni za utupu zinaweza kupunguza kwa kiasi kikubwa mgawo wa msuguano, kuboresha kuzuia uchakavu na kuzuia kutu fulani, na zimekuwa kitovu na mahali pa utafiti katika uwanja wa teknolojia ya uimarishaji wa uso wa gia.

Vifaa vya kawaida vinavyotumika kwa gia ni chuma cha kughushi, chuma cha kutupwa, chuma cha kutupwa, metali zisizo na feri (shaba, alumini) na plastiki. Chuma kimsingi ni chuma 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Chuma cha kaboni kidogo hutumika zaidi katika 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Chuma cha kughushi hutumika sana katika gia kwa sababu ya utendaji wake bora, huku chuma cha kutupwa kwa kawaida hutumika kutengeneza gia zenye kipenyo cha zaidi ya 400mm na muundo tata. Gia za chuma cha kutupwa hupinga gundi na upinzani wa mashimo, lakini ukosefu wa athari na upinzani wa uchakavu, hasa kwa kazi thabiti, nguvu si ya kasi ya chini au saizi kubwa na umbo tata, inaweza kufanya kazi chini ya hali ya ukosefu wa lubrication, inayofaa kwa usafirishaji wazi. Metali zisizo na feri zinazotumika sana ni shaba ya bati, shaba ya alumini-chuma na aloi ya alumini ya kutupwa, zinazotumika sana katika utengenezaji wa turbine au gia, lakini sifa za kuteleza na kuzuia msuguano ni duni, kwa gia nyepesi, za wastani na za kasi ya chini tu. Gia zisizo za metali hutumiwa hasa katika nyanja zingine zenye mahitaji maalum, kama vile kulainisha bila mafuta na kuegemea juu. Sehemu ya hali kama vile uchafuzi mdogo, kama vile vifaa vya nyumbani, vifaa vya matibabu, mashine za chakula na mashine za nguo.

Vifaa vya mipako ya gia

Vifaa vya kauri vya uhandisi ni nyenzo zenye matumaini makubwa zenye nguvu na ugumu wa hali ya juu, hasa upinzani bora wa joto, upitishaji mdogo wa joto na upanuzi wa joto, upinzani mkubwa wa uchakavu na upinzani wa oksidi. Idadi kubwa ya tafiti zimeonyesha kuwa vifaa vya kauri asili yake ni sugu kwa joto na vina uchakavu mdogo kwenye metali. Kwa hivyo, matumizi ya vifaa vya kauri badala ya vifaa vya chuma kwa sehemu zinazostahimili uchakavu yanaweza kuboresha maisha ya sehemu ndogo ya msuguano, yanaweza kukidhi baadhi ya vifaa vya hali ya juu na sugu kwa uchakavu wa hali ya juu, mahitaji ya kazi nyingi na mengine magumu. Kwa sasa, vifaa vya kauri vya uhandisi vimetumika katika utengenezaji wa sehemu zinazostahimili joto za injini, upitishaji wa mitambo katika sehemu zinazovaa, vifaa vya kemikali katika sehemu zinazostahimili kutu na sehemu za kuziba, na hivyo kuonyesha matumizi mapana ya matarajio ya vifaa vya kauri.

Nchi zilizoendelea kama vile Ujerumani, Japani, Marekani, Uingereza na nchi zingine zinatilia maanani sana maendeleo na matumizi ya vifaa vya kauri vya uhandisi, zikiwekeza pesa nyingi na nguvu kazi ili kuendeleza nadharia ya usindikaji na teknolojia ya kauri za uhandisi. Ujerumani imezindua programu inayoitwa "SFB442", ambayo madhumuni yake ni kutumia teknolojia ya PVD kutengeneza filamu inayofaa kwenye uso wa sehemu ili kuchukua nafasi ya njia ya kulainisha inayoweza kuwa na madhara kwa mazingira na mwili wa binadamu. PW Gold na wengine nchini Ujerumani walitumia ufadhili kutoka SFB442 kutumia teknolojia ya PVD kuweka filamu nyembamba kwenye uso wa fani zinazozunguka na kugundua kuwa utendaji wa kuzuia uchakavu wa fani zinazozunguka uliboreshwa sana na filamu zilizowekwa kwenye uso zinaweza kuchukua nafasi kabisa ya utendaji wa viongeza vya kuzuia uchakavu vya shinikizo kubwa. Joachim, Franz et al. nchini Ujerumani walitumia teknolojia ya PVD kuandaa filamu za WC/C zinazoonyesha sifa bora za kuzuia uchovu, kubwa kuliko zile za vilainishi vyenye viongeza vya EP, matokeo ambayo vile vile hutoa uwezekano wa kubadilisha viongeza vyenye madhara na mipako. E. Lugscheider et al. wa Taasisi ya Sayansi ya Vifaa, Chuo Kikuu cha Ufundi cha Aachen, Ujerumani, kwa ufadhili kutoka DFG (Tume ya Utafiti ya Ujerumani), walionyesha ongezeko kubwa la upinzani wa uchovu baada ya kuweka filamu zinazofaa kwenye chuma cha 100Cr6 kwa kutumia teknolojia ya PVD. Kwa kuongezea, Jenerali wa Marekani Motors imeanza kutumia filamu yake ya kuweka uso wa gia ya gari aina ya VolvoS80Turbo ili kuboresha upinzani wa mashimo ya uchovu; kampuni maarufu ya Timken imezindua filamu ya uso wa gia ya ES200; alama ya biashara iliyosajiliwa ya MAXIT imeonekana nchini Ujerumani; alama ya biashara iliyosajiliwa ya Graphit-iC na Dymon-iC mtawalia. Mipako ya gia yenye alama za biashara zilizosajiliwa za Graphit-iC na Dymon-iC pia zinapatikana Uingereza.

Kama sehemu muhimu za vipuri vya usafirishaji wa mitambo, gia zina jukumu muhimu katika tasnia, kwa hivyo ni muhimu sana kusoma matumizi ya vifaa vya kauri kwenye gia. Kwa sasa, kauri za uhandisi zinazotumika kwenye gia ni zifuatazo hasa.

1, safu ya mipako ya TiN
1, TiN

Safu ya kauri ya TiN ni mojawapo ya mipako iliyobadilishwa uso inayotumika sana yenye ugumu wa juu, nguvu ya kushikamana juu, mgawo mdogo wa msuguano, upinzani mzuri wa kutu, n.k. Imetumika sana katika nyanja mbalimbali, haswa katika tasnia ya zana na ukungu. Sababu kuu inayoathiri utumiaji wa mipako ya kauri kwenye gia ni tatizo la kuunganisha kati ya mipako ya kauri na substrate. Kwa kuwa hali ya kazi na vipengele vinavyoathiri gia ni ngumu zaidi kuliko ile ya zana na ukungu, utumiaji wa mipako moja ya TiN kwenye matibabu ya uso wa gia ni mdogo sana. Ingawa mipako ya kauri ina faida za ugumu wa juu, mgawo mdogo wa msuguano na upinzani wa kutu, ni dhaifu na ni vigumu kupata mipako nene, kwa hivyo inahitaji ugumu wa juu na substrate yenye nguvu nyingi ili kuunga mkono mipako ili kucheza sifa zake. Kwa hivyo, mipako ya kauri hutumiwa zaidi kwa kabidi na uso wa chuma wa kasi ya juu. Nyenzo ya gia ni laini ikilinganishwa na nyenzo za kauri, na tofauti kati ya asili ya substrate na mipako ni kubwa, kwa hivyo mchanganyiko wa mipako na substrate ni duni, na mipako haitoshi kuunga mkono mipako, na kufanya mipako iwe rahisi kuanguka wakati wa matumizi, sio tu kwamba haiwezi kucheza faida za mipako ya kauri, lakini chembe za mipako ya kauri zinazoanguka zitasababisha uchakavu mkubwa kwenye gia, na kuharakisha upotezaji wa uchakavu wa gia. Suluhisho la sasa ni kutumia teknolojia ya matibabu ya uso mchanganyiko ili kuboresha uhusiano kati ya kauri na substrate. Teknolojia ya matibabu ya uso mchanganyiko inarejelea mchanganyiko wa mipako ya uwekaji wa mvuke wa kimwili na michakato mingine ya matibabu ya uso au mipako, kwa kutumia nyuso/vipande viwili tofauti vya chini ili kurekebisha uso wa nyenzo ya substrate ili kupata sifa za mitambo mchanganyiko ambazo haziwezi kupatikana kwa mchakato mmoja wa matibabu ya uso. Mipako ya mchanganyiko ya TiN iliyowekwa na nitriding ya ioni na PVD ni mojawapo ya mipako ya mchanganyiko iliyotafitiwa zaidi. Substrate ya nitriding ya plasma na mipako ya mchanganyiko ya kauri ya TiN zina dhamana kubwa na upinzani wa uchakavu umeboreshwa sana.

Unene bora wa safu ya filamu ya TiN yenye upinzani bora wa uchakavu na uunganishaji wa msingi wa filamu ni takriban 3~4μm. Ikiwa unene wa safu ya filamu ni chini ya 2μm, upinzani wa uchakavu hautaboreshwa sana. Ikiwa unene wa safu ya filamu ni zaidi ya 5μm, uunganishaji wa msingi wa filamu utapungua.

2, mipako ya TiN yenye tabaka nyingi, yenye vipengele vingi

Kwa matumizi ya taratibu na yaliyoenea ya mipako ya TiN, kuna tafiti zaidi na zaidi kuhusu jinsi ya kuboresha na kuboresha mipako ya TiN. Katika miaka ya hivi karibuni, mipako yenye vipengele vingi na mipako yenye tabaka nyingi imetengenezwa kulingana na mipako ya TiN ya binary, kama vile Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, n.k. Kwa kuongeza vipengele kama vile Al na Si kwenye mipako ya TiN, upinzani dhidi ya oksidi ya joto la juu na ugumu wa mipako unaweza kuboreshwa, huku kuongeza vipengele kama vile B kunaweza kuboresha ugumu na nguvu ya kushikamana ya mipako.

Kutokana na ugumu wa muundo wa vipengele vingi, kuna utata mwingi katika utafiti huu. Katika utafiti wa mipako ya vipengele vingi (Tix,Cr1-x)N, kuna utata mkubwa katika matokeo ya utafiti. Baadhi ya watu wanaamini kwamba mipako ya (Tix,Cr1-x)N inategemea TiN, na Cr inaweza kuwepo tu katika mfumo wa suluhisho thabiti mbadala katika matrix ya nukta ya TiN, lakini si kama awamu tofauti ya CrN. Uchunguzi mwingine unaonyesha kwamba idadi ya atomi za Cr zinazobadilisha moja kwa moja atomi za Ti katika mipako ya (Tix,Cr1-x)N ni mdogo, na Cr iliyobaki ipo katika hali ya singlet au huunda misombo na N. Matokeo ya majaribio yanaonyesha kwamba kuongezwa kwa Cr kwenye mipako hupunguza ukubwa wa chembe ya uso na kuongeza ugumu, na ugumu wa mipako hufikia thamani yake ya juu zaidi wakati asilimia ya uzito ya Cr inafikia 3l%, lakini mkazo wa ndani wa mipako pia unafikia thamani yake ya juu.

3, safu nyingine ya mipako

Mbali na mipako ya TiN inayotumika sana, kauri nyingi tofauti za uhandisi hutumiwa kwa ajili ya kuimarisha uso wa gia.

(1) Y. Terauchi na wenzake wa Japani walisoma upinzani dhidi ya uchakavu wa msuguano wa gia za kauri za titani au nitridi ya titani zilizowekwa kwa njia ya uwekaji wa mvuke. Gia zilichomwa na kusuguliwa ili kufikia ugumu wa uso wa takriban HV720 na ukali wa uso wa 2.4 μm kabla ya kupakwa, na mipako ya kauri ilitayarishwa kwa uwekaji wa mvuke wa kemikali (CVD) kwa kabidi ya titani na kwa uwekaji wa mvuke wa kimwili (PVD) kwa nitridi ya titani, yenye unene wa filamu ya kauri wa takriban 2 μm. Sifa za uchakavu wa msuguano zilichunguzwa mbele ya msuguano wa mafuta na mkavu, mtawalia. Ilibainika kuwa upinzani wa ganzi na upinzani wa mikwaruzo wa gia uliongezeka sana baada ya kupakwa na kauri.

(2) Mipako ya mchanganyiko wa Ni-P na TiN iliyopakwa kemikali ilitayarishwa kwa kupakwa Ni-P kama safu ya mpito na kisha kuweka TiN. Utafiti unaonyesha kwamba ugumu wa uso wa mipako hii ya mchanganyiko umeboreshwa kwa kiwango fulani, na mipako imeunganishwa vyema na substrate na ina upinzani bora wa uchakavu.

(3) WC/C, filamu nyembamba ya B4C
M. Murakawa na wenzake, Idara ya Uhandisi wa Mitambo, Taasisi ya Teknolojia ya Japani, walitumia teknolojia ya PVD kuweka filamu nyembamba ya WC/C kwenye uso wa gia, na maisha yake ya huduma yalikuwa mara tatu ya gia za kawaida zilizozimwa na zilizosagwa chini ya hali ya kulainisha isiyo na mafuta. Franz J na wenzake walitumia teknolojia ya PVD kuweka filamu nyembamba ya WC/C na B4C kwenye uso wa gia za FEZ-A na FEZ-C, na jaribio lilionyesha kuwa mipako ya PVD ilipunguza kwa kiasi kikubwa msuguano wa gia, ilifanya gia isiathiriwe na gundi au gundi ya moto, na kuboresha uwezo wa kubeba mzigo wa gia.

(4) Filamu za CrN
Filamu za CrN zinafanana na filamu za TiN kwa kuwa zina ugumu wa juu zaidi, na filamu za CrN zina upinzani zaidi kwa oksidi ya joto la juu kuliko TiN, zina upinzani bora wa kutu, mkazo mdogo wa ndani kuliko filamu za TiN, na ugumu bora zaidi. Chen Ling aliandaa filamu mchanganyiko ya TiAlCrN/CrN inayostahimili uchakavu yenye uunganishaji bora unaotegemea filamu kwenye uso wa HSS, na pia alipendekeza nadharia ya utengano wa filamu ya tabaka nyingi, ikiwa tofauti ya nishati ya utengano kati ya tabaka mbili ni kubwa, utengano unaotokea katika safu moja utakuwa mgumu kuvuka kiolesura chake hadi safu nyingine, na hivyo kutengeneza utengano wa utengano kwenye kiolesura na kuchukua jukumu la kuimarisha nyenzo. Zhong Bin alisoma athari ya kiwango cha nitrojeni kwenye muundo wa awamu na sifa za uchakavu wa msuguano wa filamu za CrNx, na utafiti ulionyesha kuwa kilele cha utengano wa Cr2N (211) katika filamu kilidhoofika polepole na kilele cha CrN (220) kiliongezeka polepole na ongezeko la kiwango cha N2, chembe kubwa kwenye uso wa filamu zilipungua polepole na uso ulikuwa tambarare. Wakati mkondo wa hewa wa N2 ulikuwa 25 ml/dakika (mkondo wa arc chanzo lengwa ulikuwa 75 A, filamu ya CrN iliyohifadhiwa ina ubora mzuri wa uso, ugumu mzuri na upinzani bora wa kuvaa wakati mkondo wa hewa wa N2 ni 25ml/dakika (mkondo wa arc chanzo lengwa ni 75A, shinikizo hasi ni 100V).

(5) Filamu kali sana
Filamu ngumu sana ni filamu imara yenye ugumu zaidi ya 40GPa, upinzani bora wa uchakavu, upinzani wa halijoto ya juu na mgawo mdogo wa msuguano na mgawo mdogo wa upanuzi wa joto, hasa filamu ya almasi isiyo na umbo na filamu ya CN. Filamu za almasi isiyo na umbo zina sifa zisizo na umbo, hazina muundo wa masafa marefu, na zina idadi kubwa ya vifungo vya tetrahedrali vya CC, kwa hivyo pia huitwa filamu za tetrahedrali isiyo na umbo. Kama aina ya filamu ya kaboni isiyo na umbo, mipako kama almasi (DLC) ina sifa nyingi bora zinazofanana na almasi, kama vile upitishaji wa joto la juu, ugumu wa juu, moduli ya elastic ya juu, mgawo mdogo wa upanuzi wa joto, utulivu mzuri wa kemikali, upinzani mzuri wa uchakavu na mgawo mdogo wa msuguano. Imeonyeshwa kuwa mipako ya filamu kama almasi kwenye nyuso za gia inaweza kupanua maisha ya huduma kwa sababu ya 6 na kuboresha kwa kiasi kikubwa upinzani wa uchovu. Filamu za CN, pia hujulikana kama filamu zisizo na umbo la kaboni-nitrojeni, zina muundo wa fuwele sawa na ule wa misombo ya kovalenti ya β-Si3N4 na pia hujulikana kama β-C3N4. Liu na Cohen et al. ilifanya hesabu kali za kinadharia kwa kutumia hesabu za bendi bandia kutoka kwa kanuni ya asili ya kwanza, ilithibitisha kwamba β-C3N4 ina nishati kubwa ya kufungamana, muundo thabiti wa mitambo, angalau hali moja ndogo ya utulivu inaweza kuwepo, na moduli yake ya elastic inalinganishwa na almasi, ikiwa na sifa nzuri, ambazo zinaweza kuboresha kwa ufanisi ugumu wa uso na upinzani wa uchakavu wa nyenzo na kupunguza mgawo wa msuguano.

(6) Safu nyingine ya mipako inayostahimili uchakavu wa aloi
Baadhi ya mipako inayostahimili uchakavu wa aloi pia imejaribiwa kutumika kwenye gia, kwa mfano, uwekaji wa safu ya aloi ya Ni-P-Co kwenye uso wa jino wa gia za chuma 45# ni safu ya aloi ili kupata mpangilio wa nafaka laini sana, ambayo inaweza kuongeza muda wa matumizi hadi mara 1.144 ~ 1.533. Pia imesomwa kwamba safu ya chuma ya Cu na mipako ya aloi ya Ni-W hutumika kwenye uso wa jino wa gia ya chuma ya Cu-Cr-P ili kuboresha nguvu yake; mipako ya aloi ya Ni-W na Ni-Co hutumika kwenye uso wa jino wa gia ya chuma ya HT250 ili kuboresha upinzani wa uchakavu kwa mara 4 ~ 6 ikilinganishwa na gia isiyofunikwa.