Teknolohiya ng patong ng gear

Ang teknolohiya ng PVD deposition ay isinasagawa sa loob ng maraming taon bilang isang bagong teknolohiya sa pagbabago ng ibabaw, lalo na ang teknolohiya ng vacuum ion coating, na nakakuha ng malaking pag-unlad nitong mga nakaraang taon at ngayon ay malawakang ginagamit sa paggamot ng mga tool, molde, piston ring, gear at iba pang mga bahagi. Ang mga coated gear na inihanda gamit ang teknolohiya ng vacuum ion coating ay maaaring makabuluhang bawasan ang koepisyent ng friction, mapabuti ang anti-wear at ilang anti-corrosion, at naging pokus at mainit na lugar ng pananaliksik sa larangan ng teknolohiya ng pagpapalakas ng ibabaw ng gear.

Ang mga karaniwang materyales na ginagamit para sa mga gear ay pangunahing forged steel, cast steel, cast iron, mga non-ferrous metal (tanso, aluminyo) at plastik. Ang bakal ay pangunahing 45 steel, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Ang low carbon steel ay pangunahing ginagamit sa 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Ang forged steel ay mas malawak na ginagamit sa mga gear dahil sa mas mahusay na pagganap nito, habang ang cast steel ay karaniwang ginagamit sa paggawa ng mga gear na may diameter na > 400mm at kumplikadong istraktura. Ang mga cast iron gear ay anti-glue at pitting resistance, ngunit walang impact at wear resistance, pangunahin para sa matatag na trabaho, ang lakas ay hindi mababa ang bilis o malaki ang sukat at kumplikadong hugis, maaaring gumana sa ilalim ng kondisyon ng kawalan ng lubrication, na angkop para sa open transmission. Ang mga non-ferrous metal na karaniwang ginagamit ay lata bronse, aluminum-iron bronse at hulmahan ng aluminum alloy, na karaniwang ginagamit sa paggawa ng mga turbine o gear, ngunit ang mga katangian ng pag-slide at anti-friction ay mahina, para lamang sa magaan, katamtamang karga at mababang bilis na gear. Ang mga non-metallic material gear ay pangunahing ginagamit sa ilang larangan na may mga espesyal na pangangailangan, tulad ng oil-free lubrication at mataas na pagiging maaasahan. Ang larangan ay may mga kondisyon tulad ng mababang polusyon, tulad ng mga kagamitan sa bahay, kagamitang medikal, makinarya sa pagkain at makinarya sa tela.

Mga materyales sa patong ng gear

Ang mga materyales na seramiko sa inhinyeriya ay lubhang maaasahang mga materyales na may mataas na lakas at katigasan, lalo na ang mahusay na resistensya sa init, mababang thermal conductivity at thermal expansion, mataas na resistensya sa pagkasira at resistensya sa oksihenasyon. Maraming pag-aaral ang nagpakita na ang mga materyales na seramiko ay likas na lumalaban sa init at may mababang pagkasira sa mga metal. Samakatuwid, ang paggamit ng mga materyales na seramiko sa halip na mga materyales na metal para sa mga bahaging lumalaban sa pagkasira ay maaaring mapabuti ang buhay ng friction sub, matugunan ang ilan sa mga materyales na lumalaban sa mataas na temperatura at mataas na pagkasira, multi-functional at iba pang mahihirap na pangangailangan. Sa kasalukuyan, ang mga materyales na seramiko sa inhinyeriya ay ginagamit sa paggawa ng mga bahaging lumalaban sa init ng makina, mekanikal na transmisyon sa mga bahaging lumalaban sa pagkasira, kagamitang kemikal sa mga bahaging lumalaban sa kalawang at mga bahaging pang-seal, na lalong nagpapakita ng malawak na aplikasyon ng mga potensyal na materyales na seramiko.

Ang mga mauunlad na bansa tulad ng Germany, Japan, Estados Unidos, United Kingdom at iba pang mga bansa ay nagbibigay ng malaking kahalagahan sa pagpapaunlad at paggamit ng mga materyales sa engineering ceramic, namumuhunan ng maraming pera at lakas-tao upang mapaunlad ang teorya ng pagproseso at teknolohiya ng engineering ceramics. Inilunsad ng Germany ang isang programang tinatawag na "SFB442", na ang layunin ay gamitin ang teknolohiyang PVD upang lumikha ng angkop na pelikula sa ibabaw ng mga bahagi upang palitan ang potensyal na mapaminsalang lubricating medium sa kapaligiran at katawan ng tao. Ginamit nina PW Gold at iba pa sa Germany ang pondo mula sa SFB442 upang ilapat ang teknolohiyang PVD upang magdeposito ng manipis na pelikula sa ibabaw ng mga rolling bearings at natuklasan na ang anti-wear performance ng mga rolling bearings ay lubos na napabuti at ang mga pelikulang idineposito sa ibabaw ay maaaring ganap na palitan ang function ng mga extreme pressure anti-wear additives. Ginamit nina Joachim, Franz et al. sa Germany ang teknolohiyang PVD upang maghanda ng mga WC/C film na nagpapakita ng mahusay na anti-fatigue properties, mas mataas kaysa sa mga lubricant na naglalaman ng mga EP additives, isang resulta na katulad na nagbubunga ng posibilidad na palitan ang mga mapaminsalang additives ng mga coatings. Si E. Lugscheider et al. ng Institute of Materials Science, Technical University of Aachen, Germany, na may pondo mula sa DFG (GermanResearch Commission), ay nagpakita ng isang makabuluhang pagtaas sa fatigue resistance matapos magdeposito ng mga naaangkop na pelikula sa 100Cr6 steel gamit ang teknolohiyang PVD. Bilang karagdagan, ang Estados Unidos Sinimulan na ng General Motors ang paggamit ng VolvoS80Turbo type na gear surface deposition film para sa sasakyan upang mapabuti ang fatigue pitting resistance; inilunsad na ng sikat na kumpanyang Timken ang pangalang ES200 gear surface film; lumitaw na sa Germany ang rehistradong trademark na MAXIT gear coating; at sa UK naman ay makukuha ang mga gear coating na may rehistradong trademark na Graphit-iC at Dymon-iC.

Bilang mahalagang ekstrang bahagi ng mekanikal na transmisyon, ang mga gear ay may mahalagang papel sa industriya, kaya naman napakahalagang praktikal na kahalagahan ang pag-aaral ng aplikasyon ng mga materyales na seramiko sa mga gear. Sa kasalukuyan, ang mga engineering ceramics na inilalapat sa mga gear ay pangunahing ang mga sumusunod.

1, patong na patong na TiN
1, TiN

Ang ion coating na TiN ceramic layer ay isa sa mga pinakalawak na ginagamit na surface modified coatings na may mataas na tigas, mataas na lakas ng pagdikit, mababang friction coefficient, mahusay na corrosion resistance, atbp. Malawakan itong ginagamit sa iba't ibang larangan, lalo na sa industriya ng tool at molde. Ang pangunahing dahilan na nakakaapekto sa aplikasyon ng ceramic coating sa mga gear ay ang problema sa pagdikit sa pagitan ng ceramic coating at substrate. Dahil ang mga kondisyon sa pagtatrabaho at mga salik na nakakaimpluwensya sa mga gear ay mas kumplikado kaysa sa mga tool at molde, ang aplikasyon ng isang TiN coating sa ibabaw ng gear ay lubhang limitado. Bagama't ang ceramic coating ay may mga bentahe ng mataas na tigas, mababang friction coefficient at corrosion resistance, ito ay malutong at mahirap makakuha ng mas makapal na coating, kaya kailangan nito ng mataas na tigas at mataas na lakas na substrate upang suportahan ang coating upang maisagawa ang mga katangian nito. Samakatuwid, ang ceramic coating ay kadalasang ginagamit para sa carbide at high-speed steel surface. Malambot ang materyal ng gear kumpara sa materyal na ceramic, at malaki ang pagkakaiba sa pagitan ng katangian ng substrate at ng patong, kaya mahina ang kombinasyon ng patong at substrate, at hindi sapat ang patong upang suportahan ang patong, na ginagawang madaling matanggal ang patong sa proseso ng paggamit, hindi lamang hindi nito nagagamit ang mga bentahe ng ceramic coating, kundi pati na rin ang mga particle ng ceramic coating na natatanggal ay magdudulot ng abrasive wear sa gear, na magpapabilis sa pagkawala ng wear ng gear. Ang kasalukuyang solusyon ay ang paggamit ng composite surface treatment technology upang mapabuti ang bond sa pagitan ng ceramic at substrate. Ang composite surface treatment technology ay tumutukoy sa kombinasyon ng physical vapor deposition coating at iba pang proseso o coatings sa surface treatment, gamit ang dalawang magkahiwalay na surface/subsurface upang baguhin ang surface ng materyal ng substrate upang makakuha ng mga composite mechanical properties na hindi makakamit sa pamamagitan ng iisang proseso ng surface treatment. Ang TiN composite coating na idineposito ng ion nitriding at PVD ay isa sa mga pinakasinaliksik na composite coatings. Ang plasma nitriding substrate at TiN ceramic composite coating ay may matibay na bond at ang wear resistance ay lubos na napabuti.

Ang pinakamainam na kapal ng TiN film layer na may mahusay na resistensya sa pagkasira at pagdikit ng film base ay humigit-kumulang 3~4μm. Kung ang kapal ng film layer ay mas mababa sa 2μm, ang resistensya sa pagkasira ay hindi mapapabuti nang malaki. Kung ang kapal ng film layer ay higit sa 5μm, ang pagdikit ng film base ay mababawasan.

2, Multi-layer, multi-component na TiN coating

Dahil sa unti-unti at malawakang paggamit ng TiN coatings, parami nang parami ang mga pananaliksik kung paano mapapabuti at mapapahusay ang TiN coatings. Sa mga nakaraang taon, nabuo ang mga multi-component coatings at multilayer coatings batay sa binary TiN coatings, tulad ng Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, atbp. Sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga elemento tulad ng Al at Si sa mga TiN coatings, mapapabuti ang resistensya sa high-temperature oxidation at katigasan ng mga coatings, habang ang pagdaragdag ng mga elemento tulad ng B ay maaaring magpabuti sa katigasan at lakas ng pagdikit ng mga coatings.

Dahil sa kasalimuotan ng komposisyong multicomponent, maraming kontrobersiya sa pag-aaral na ito. Sa pag-aaral ng (Tix,Cr1-x)N multicomponent coatings, mayroong malaking kontrobersiya sa mga resulta ng pananaliksik. Naniniwala ang ilang tao na ang (Tix,Cr1-x)N coatings ay batay sa TiN, at ang Cr ay maaari lamang umiral sa anyo ng kapalit na solidong solusyon sa TiN dot matrix, ngunit hindi bilang isang hiwalay na yugto ng CrN. Ipinapakita ng ibang mga pag-aaral na limitado ang bilang ng mga atomo ng Cr na direktang pumapalit sa mga atomo ng Ti sa (Tix,Cr1-x)N coatings, at ang natitirang Cr ay umiiral sa estado ng singlet o bumubuo ng mga compound na may N. Ipinapakita ng mga resulta ng eksperimento na ang pagdaragdag ng Cr sa coating ay binabawasan ang laki ng particle sa ibabaw at pinapataas ang katigasan, at ang katigasan ng coating ay umaabot sa pinakamataas na halaga nito kapag ang porsyento ng masa ng Cr ay umabot sa 3l%, ngunit ang panloob na stress ng coating ay umaabot din sa pinakamataas na halaga nito.

3, Iba pang patong ng patong

Bukod sa mga karaniwang ginagamit na TiN coatings, maraming iba't ibang engineering ceramics ang ginagamit para sa pagpapalakas ng ibabaw ng gear.

(1) Pinag-aralan nina Y. Terauchi et al. ng Japan ang resistensya sa frictional wear ng titanium carbide o titanium nitride ceramic gears na idineposito gamit ang vapor deposition method. Ang mga gears ay nilagyan ng carburization at pinakintab upang makamit ang surface hardness na humigit-kumulang HV720 at surface roughness na 2.4 μm bago ang coating, at ang mga ceramic coatings ay inihanda sa pamamagitan ng chemical vapor deposition (CVD) para sa titanium carbide at sa pamamagitan ng physical vapor deposition (PVD) para sa titanium nitride, na may kapal na ceramic film na humigit-kumulang 2 μm. Sinuri ang mga katangian ng frictional wear sa presensya ng oil at dry friction, ayon sa pagkakabanggit. Natuklasan na ang galling resistance at scratch resistance ng gear vice ay lubos na pinahusay pagkatapos ng coating ng ceramic.

(2) Ang composite coating ng kemikal na pinahiran na Ni-P at TiN ay inihanda sa pamamagitan ng paunang pagpapahid ng Ni-P bilang isang transition layer at pagkatapos ay paglalagay ng TiN. Ipinapakita ng pag-aaral na ang katigasan ng ibabaw ng composite coating na ito ay napabuti sa isang tiyak na lawak, at ang coating ay mas mahusay na nakakabit sa substrate at may mas mahusay na resistensya sa pagkasira.

(3) WC/C, manipis na pelikulang B4C
Ginamit nina M. Murakawa et al., Department of Mechanical Engineering, Japan Institute of Technology, ang teknolohiyang PVD upang magdeposito ng WC/C thin film sa ibabaw ng mga gear, at ang buhay ng serbisyo nito ay tatlong beses kaysa sa mga ordinaryong quenched at grounded gears sa ilalim ng mga kondisyon ng oil-free lubrication. Ginamit nina Franz J et al. ang teknolohiyang PVD upang magdeposito ng WC/C at B4C thin film sa ibabaw ng FEZ-A at FEZ-C gears, at ipinakita ng eksperimento na ang PVD coating ay makabuluhang nagbawas sa friction ng gear, ginawa ang gear na hindi gaanong madaling kapitan ng hot gluing o gluing, at pinahusay ang kapasidad ng gear sa pagdadala ng karga.

(4) Mga pelikulang CrN
Ang mga pelikulang CrN ay katulad ng mga pelikulang TiN dahil mas mataas ang kanilang katigasan, at ang mga pelikulang CrN ay mas lumalaban sa oksihenasyon sa mataas na temperatura kaysa sa TiN, may mas mahusay na resistensya sa kalawang, mas mababang internal stress kaysa sa mga pelikulang TiN, at medyo mas mahusay na tibay. Naghanda sina Chen Ling at iba pa ng isang wear-resistant na TiAlCrN/CrN composite film na may mahusay na film-based bonding sa ibabaw ng HSS, at iminungkahi rin ang teorya ng dislocation stacking ng multilayer film. Kung malaki ang pagkakaiba ng enerhiya ng dislocation sa pagitan ng dalawang layer, ang dislocation na nagaganap sa isang layer ay magiging mahirap na i-cross ang interface nito papunta sa kabilang layer, kaya nabubuo ang dislocation stacking sa interface at ginagampanan ang papel ng pagpapalakas ng materyal. Pinag-aralan ni Zhong Bin at iba pa ang epekto ng nilalaman ng nitrogen sa istruktura ng phase at mga katangian ng frictional wear ng mga pelikulang CrNx, at ipinakita ng pag-aaral na ang Cr2N (211) diffraction peak sa mga pelikula ay unti-unting humina at ang CrN (220) peak ay unti-unting tumataas kasabay ng pagtaas ng nilalaman ng N2, ang malalaking particle sa ibabaw ng pelikula ay unti-unting bumababa at ang ibabaw ay may posibilidad na maging patag. Kapag ang N2 aeration ay 25 ml/min (ang target source arc current ay 75 A, ang idinepositong CrN film ay may mahusay na kalidad ng ibabaw, mahusay na katigasan at mahusay na resistensya sa pagkasira kapag ang N2 aeration ay 25ml/min (ang target source arc current ay 75A, ang negatibong presyon ay 100V).

(5) Superhard na pelikula
Ang superhard film ay ang solidong film na may katigasan na higit sa 40GPa, mahusay na resistensya sa pagkasira, mataas na temperaturang resistensya at mababang koepisyent ng friction at mababang thermal expansion coefficient, pangunahin na ang amorphous diamond film at CN film. Ang amorphous diamond film ay may mga katangiang amorphous, walang long-range ordered structure, at naglalaman ng malaking bilang ng CC tetrahedral bond, kaya tinatawag din itong tetrahedral amorphous carbon films. Bilang isang uri ng amorphous carbon film, ang diamond-like coating (DLC) ay may maraming mahusay na katangian na katulad ng diamond, tulad ng mataas na thermal conductivity, mataas na katigasan, mataas na elastic modulus, mababang koepisyent ng thermal expansion, mahusay na chemical stability, mahusay na resistensya sa pagkasira at mababang friction coefficient. Ipinakita na ang paglalagay ng diamond-like films sa mga ibabaw ng gear ay maaaring magpahaba ng buhay ng serbisyo nang anim na beses at makabuluhang mapabuti ang fatigue resistance. Ang CN films, na kilala rin bilang amorphous carbon-nitrogen films, ay may crystal structure na katulad ng sa β-Si3N4 covalent compounds at kilala rin bilang β-C3N4. Liu at Cohen et al. Nagsagawa ng mahigpit na teoretikal na kalkulasyon gamit ang mga kalkulasyon ng pseudopotential band mula sa prinsipyo ng first-nature, nakumpirma na ang β-C3N4 ay may malaking binding energy, isang matatag na mekanikal na istraktura, maaaring umiral ang kahit isang sub-stable na estado, at ang elastic modulus nito ay maihahambing sa diyamante, na may magagandang katangian, na maaaring epektibong mapabuti ang katigasan ng ibabaw at resistensya sa pagkasira ng materyal at mabawasan ang friction coefficient.

(6) Iba pang patong na lumalaban sa pagsusuot ng haluang metal
Sinubukan din na ilapat sa mga gear ang ilang alloy-resistant wear coatings, halimbawa, ang paglalagay ng Ni-P-Co alloy layer sa ibabaw ng ngipin ng 45# steel gears ay isang alloy layer upang makakuha ng ultra-fine grain organization, na maaaring magpahaba ng buhay hanggang 1.144~1.533 beses. Napag-aralan din na ang Cu metal layer at Ni-W alloy coating ay inilalapat sa ibabaw ng ngipin ng Cu-Cr-P alloy cast iron gear upang mapabuti ang lakas nito; ang Ni-W at Ni-Co alloy coating ay inilalapat sa ibabaw ng ngipin ng HT250 cast iron gear upang mapabuti ang wear resistance nang 4~6 beses kumpara sa uncoated gear.