Dişli kaplama teknolojisi

PVD biriktirme teknolojisi, özellikle son yıllarda büyük gelişme gösteren ve artık takımların, kalıpların, piston segmanlarının, dişlilerin ve diğer bileşenlerin işlenmesinde yaygın olarak kullanılan vakum iyon kaplama teknolojisi olmak üzere, yeni bir yüzey modifikasyon teknolojisi olarak uzun yıllardır uygulanmaktadır. Vakum iyon kaplama teknolojisiyle hazırlanan kaplanmış dişliler, sürtünme katsayısını önemli ölçüde azaltabilir, aşınmaya karşı korumayı ve belirli korozyona karşı korumayı iyileştirebilir ve dişli yüzey güçlendirme teknolojisi alanında araştırmanın odak noktası ve sıcak noktası haline gelmiştir.

Dişliler için kullanılan yaygın malzemeler esas olarak dövme çelik, döküm çelik, döküm demir, demir dışı metaller (bakır, alüminyum) ve plastiklerdir. Çelik esas olarak 45 çelik, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl'dir. Düşük karbonlu çelik esas olarak 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo'da kullanılır. Dövme çelik, daha iyi performansı nedeniyle dişlilerde daha yaygın olarak kullanılırken, döküm çelik genellikle çapı > 400mm ve karmaşık yapıya sahip dişlilerin üretiminde kullanılır. Dökme demir dişliler yapışmaz ve çukurlaşma direncine sahiptir, ancak darbe ve aşınma direncinin olmaması, esas olarak kararlı çalışma için, güç düşük hız veya büyük boyut ve karmaşık şekil değildir, yağlama eksikliği koşulunda çalışabilir, açık şanzıman için uygundur. Yaygın olarak kullanılan demir dışı metaller, genellikle türbin veya dişli imalatında kullanılan kalay bronz, alüminyum-demir bronz ve döküm alüminyum alaşımıdır, ancak kayma ve sürtünme önleyici özellikleri zayıftır, yalnızca hafif, orta yük ve düşük hızlı dişliler için. Metal dışı malzeme dişlileri, yağsız yağlama ve yüksek güvenilirlik gibi özel gereksinimleri olan bazı alanlarda kullanılır. Ev aletleri, tıbbi ekipman, gıda makineleri ve tekstil makineleri gibi düşük kirlilik gibi koşullar alanı.

Dişli kaplama malzemeleri

Mühendislik seramik malzemeleri, özellikle mükemmel ısı direnci, düşük ısı iletkenliği ve termal genleşme, yüksek aşınma direnci ve oksidasyon direnci olmak üzere yüksek mukavemet ve sertliğe sahip son derece umut verici malzemelerdir. Çok sayıda çalışma, seramik malzemelerin doğası gereği ısıya dayanıklı olduğunu ve metallerde düşük aşınmaya sahip olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, aşınmaya dayanıklı parçalar için metal malzemeler yerine seramik malzemelerin kullanılması, sürtünme alt kısmının ömrünü uzatabilir, yüksek sıcaklık ve yüksek aşınmaya dayanıklı malzemelerin bazılarını karşılayabilir, çok işlevli ve diğer zorlu gereksinimler karşılanabilir. Şu anda, mühendislik seramik malzemeleri motor ısıya dayanıklı parçaların, aşınma parçalarında mekanik şanzımanın, korozyona dayanıklı parçalarda kimyasal ekipmanın ve sızdırmazlık parçalarının üretiminde kullanılmış olup, seramik malzemelerin geniş uygulama beklentilerini giderek daha fazla göstermektedir.

Almanya, Japonya, ABD, İngiltere ve diğer gelişmiş ülkeler, mühendislik seramik malzemelerinin geliştirilmesi ve uygulanmasına büyük önem vermekte, mühendislik seramiklerinin işleme teorisini ve teknolojisini geliştirmek için çok miktarda para ve insan gücü yatırmaktadırlar. Almanya, çevreye ve insan vücuduna potansiyel olarak zararlı yağlama ortamını değiştirmek için parçaların yüzeyinde uygun bir film sentezlemek amacıyla PVD teknolojisini kullanmayı amaçlayan “SFB442″ adlı bir program başlattı. Almanya'daki PW Gold ve diğerleri, SFB442'den aldıkları fonu, yuvarlanan yatakların yüzeyine ince filmler biriktirmek için PVD teknolojisini uygulamak üzere kullandılar ve yuvarlanan yatakların aşınma önleme performansının önemli ölçüde iyileştirildiğini ve yüzeye biriktirilen filmlerin aşırı basınç aşınma önleyici katkı maddelerinin işlevini tamamen değiştirebileceğini buldular. Almanya'daki Joachim, Franz ve diğerleri, EP katkı maddeleri içeren yağlayıcılardan daha yüksek mükemmel yorulma önleme özellikleri gösteren WC/C filmleri hazırlamak için PVD teknolojisini kullandılar; bu sonuç, benzer şekilde zararlı katkı maddelerinin kaplamalarla değiştirilme olasılığını da ortaya koyuyor. Almanya, Aachen Teknik Üniversitesi Malzeme Bilimi Enstitüsü'nden E. Lugscheider ve diğerleri, DFG'den (Alman Araştırma Komisyonu) aldıkları fonla, uygun filmleri yuvarlanan yatakların yüzeyine biriktirdikten sonra yorulma direncinde önemli bir artış olduğunu gösterdiler. PVD teknolojisi kullanan 100Cr6 çelik. Ayrıca, Amerika Birleşik Devletleri General Motors, yorulma çukurlaşma direncini iyileştirmek için VolvoS80Turbo tipi araç dişli yüzey biriktirme filmine başladı; ünlü Timken şirketi ES200 dişli yüzey filmi adını piyasaya sürdü; tescilli marka MAXIT dişli kaplaması Almanya'da ortaya çıktı; tescilli marka Graphit-iC ve Dymon-iC sırasıyla tescilli marka Graphit-iC ve Dymon-iC tescilli markalarıyla dişli kaplamaları İngiltere'de de mevcuttur.

Mekanik transmisyonun önemli bir yedek parçası olarak dişliler endüstride önemli bir rol oynar, bu nedenle seramik malzemelerin dişliler üzerindeki uygulamasını incelemek çok önemli bir pratik öneme sahiptir. Şu anda dişlilere uygulanan mühendislik seramikleri esas olarak şunlardır.

1、TiN kaplama tabakası
1、TiN

İyon kaplama TiN seramik tabakası, yüksek sertlik, yüksek yapışma mukavemeti, düşük sürtünme katsayısı, iyi korozyon direnci vb. ile en yaygın kullanılan yüzey modifiye kaplamalardan biridir. Özellikle takım ve kalıp endüstrisinde olmak üzere çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılmıştır. Dişlilerde seramik kaplamanın uygulanmasını etkileyen ana neden, seramik kaplama ile alt tabaka arasındaki bağlanma sorunudur. Dişlilerin çalışma koşulları ve etkileyen faktörler, takım ve kalıplarınkinden çok daha karmaşık olduğundan, dişli yüzey işleminde tek bir TiN kaplamanın uygulanması büyük ölçüde sınırlıdır. Seramik kaplamanın yüksek sertlik, düşük sürtünme katsayısı ve korozyon direnci avantajları olmasına rağmen, kırılgandır ve daha kalın bir kaplama elde etmek zordur, bu nedenle özelliklerini gösterebilmesi için kaplamayı destekleyecek yüksek sertlik ve yüksek mukavemetli bir alt tabakaya ihtiyaç duyar. Bu nedenle, seramik kaplama çoğunlukla karbür ve yüksek hızlı çelik yüzeyleri için kullanılır. Dişli malzemesi seramik malzemeye kıyasla yumuşaktır ve alt tabaka ile kaplamanın doğası arasındaki fark büyüktür, bu nedenle kaplama ve alt tabaka kombinasyonu zayıftır ve kaplama kaplamayı desteklemek için yeterli değildir, bu da kaplamanın kullanım sürecinde düşmesini kolaylaştırır, sadece seramik kaplamanın avantajlarını oynayamaz, aynı zamanda düşen seramik kaplama parçacıkları dişli üzerinde aşındırıcı aşınmaya neden olur ve dişlinin aşınma kaybını hızlandırır. Mevcut çözüm, seramik ile alt tabaka arasındaki bağı iyileştirmek için kompozit yüzey işleme teknolojisini kullanmaktır. Kompozit yüzey işleme teknolojisi, tek bir yüzey işleme işlemi ile elde edilemeyen kompozit mekanik özellikler elde etmek için alt tabaka malzemesinin yüzeyini değiştirmek için iki ayrı yüzey/alt yüzey kullanan fiziksel buhar biriktirme kaplaması ve diğer yüzey işleme süreçlerinin veya kaplamalarının birleşimini ifade eder. İyon nitrürleme ve PVD ile biriktirilen TiN kompozit kaplama, en çok araştırılan kompozit kaplamalardan biridir. Plazma nitrürleme alt tabakası ve TiN seramik kompozit kaplama güçlü bir bağa sahiptir ve aşınma direnci önemli ölçüde iyileştirilmiştir.

Mükemmel aşınma direnci ve film taban bağına sahip TiN film tabakasının optimum kalınlığı yaklaşık 3~4μm'dir. Film tabakasının kalınlığı 2μm'den azsa, aşınma direnci önemli ölçüde iyileştirilmeyecektir. Film tabakasının kalınlığı 5μm'den fazlaysa, film taban bağı azalacaktır.

2、Çok katmanlı, çok bileşenli TiN kaplama

TiN kaplamaların kademeli ve yaygın bir şekilde uygulanmasıyla, TiN kaplamaların nasıl iyileştirileceği ve geliştirileceği konusunda giderek daha fazla araştırma yapılmaktadır. Son yıllarda, ikili TiN kaplamalara dayalı olarak çok bileşenli kaplamalar ve çok katmanlı kaplamalar geliştirilmiştir, örneğin Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, vb. Al ve Si gibi elementler TiN kaplamalara eklenerek, kaplamaların yüksek sıcaklıkta oksidasyona karşı direnci ve sertliği iyileştirilebilirken, B gibi elementler eklenerek kaplamaların sertliği ve yapışma mukavemeti iyileştirilebilir.

Çok bileşenli bileşimin karmaşıklığı nedeniyle, bu çalışmada birçok tartışma vardır. (Tix, Cr1-x)N çok bileşenli kaplamaların çalışmasında, araştırma sonuçlarında büyük bir tartışma vardır. Bazıları (Tix, Cr1-x)N kaplamalarının TiN'ye dayandığına ve Cr'nin yalnızca TiN nokta matrisinde ikame katı çözeltisi formunda var olabileceğine, ancak ayrı bir CrN fazı olarak var olamayacağına inanmaktadır. Diğer çalışmalar, (Tix, Cr1-x)N kaplamalarında Ti atomlarının doğrudan yerini alan Cr atomlarının sayısının sınırlı olduğunu ve kalan Cr'nin singlet durumda var olduğunu veya N ile bileşikler oluşturduğunu göstermektedir. Deneysel sonuçlar, kaplamaya Cr eklenmesinin yüzey parçacık boyutunu azalttığını ve sertliği artırdığını ve kaplamanın sertliğinin, Cr'nin kütle yüzdesi %3l'e ulaştığında en yüksek değere ulaştığını, ancak kaplamanın iç geriliminin de maksimum değerine ulaştığını göstermektedir.

3、Diğer kaplama tabakası

Dişli yüzeylerinin güçlendirilmesinde yaygın olarak kullanılan TiN kaplamaların yanı sıra birçok farklı mühendislik seramiği kullanılmaktadır.

(1) Japonya'dan Y. Terauchi ve diğerleri, buhar biriktirme yöntemi ile biriktirilen titanyum karbür veya titanyum nitrür seramik dişlilerin sürtünme aşınmasına karşı direncini inceledi. Dişliler, kaplama öncesinde yaklaşık HV720 yüzey sertliği ve 2,4 μm yüzey pürüzlülüğü elde etmek için karbürleştirildi ve parlatıldı ve seramik kaplamalar, titanyum karbür için kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve titanyum nitrür için fiziksel buhar biriktirme (PVD) ile yaklaşık 2 μm seramik film kalınlığı ile hazırlandı. Sürtünme aşınma özellikleri sırasıyla yağ ve kuru sürtünmenin varlığında araştırıldı. Dişli mengenesinin aşınma direncinin ve çizilme direncinin seramikle kaplandıktan sonra önemli ölçüde arttığı bulundu.

(2)Kimyasal olarak kaplanmış Ni-P ve TiN'den oluşan kompozit kaplama, Ni-P'yi geçiş tabakası olarak önceden kaplayarak ve ardından TiN biriktirerek hazırlandı. Çalışma, bu kompozit kaplamanın yüzey sertliğinin belirli bir ölçüde iyileştirildiğini ve kaplamanın alt tabaka ile daha iyi bağlandığını ve daha iyi aşınma direncine sahip olduğunu göstermektedir.

(3) WC/C, B4C ince film
Japonya Teknoloji Enstitüsü Makine Mühendisliği Bölümü'nden M. Murakawa ve arkadaşları, dişlilerin yüzeyine WC/C ince filmi biriktirmek için PVD teknolojisini kullandılar ve hizmet ömrü, yağsız yağlama koşulları altında sıradan söndürülmüş ve taşlanmış dişlilerin üç katı oldu. Franz J ve arkadaşları, FEZ-A ve FEZ-C dişlilerin yüzeyine WC/C ve B4C ince filmi biriktirmek için PVD teknolojisini kullandılar ve deney, PVD kaplamanın dişli sürtünmesini önemli ölçüde azalttığını, dişliyi sıcak yapıştırma veya yapıştırmaya daha az duyarlı hale getirdiğini ve dişlinin yük taşıma kapasitesini iyileştirdiğini gösterdi.

(4) CrN filmleri
CrN filmleri, daha yüksek sertliğe sahip olmaları bakımından TiN filmlerine benzerdir ve CrN filmleri, TiN'den daha yüksek sıcaklık oksidasyonuna karşı daha dirençlidir, daha iyi korozyon direncine, TiN filmlerinden daha düşük iç gerilime ve nispeten daha iyi tokluğa sahiptir. Chen Ling ve arkadaşları, HSS yüzeyinde mükemmel film bazlı bağlanmaya sahip aşınmaya dayanıklı bir TiAlCrN/CrN kompozit filmi hazırladılar ve ayrıca çok katmanlı filmin dislokasyon istifleme teorisini önerdiler, eğer iki katman arasındaki dislokasyon enerjisi farkı büyükse, bir katmanda oluşan dislokasyonun diğer katmana arayüzünü geçmesi zor olacak, böylece arayüzde dislokasyon istiflemesi oluşacak ve malzemeyi güçlendirme rolü oynayacaktır. Zhong Bin ve arkadaşları, azot içeriğinin CrNx filmlerinin faz yapısı ve sürtünme aşınma özellikleri üzerindeki etkisini incelediler ve çalışma, filmlerdeki Cr2N (211) kırınım tepe noktasının giderek zayıfladığını ve CrN (220) tepe noktasının N2 içeriğinin artmasıyla giderek arttığını, film yüzeyindeki büyük parçacıkların giderek azaldığını ve yüzeyin düz olma eğiliminde olduğunu gösterdi. N2 havalandırması 25 ml/dak olduğunda (hedef kaynak ark akımı 75 A olduğunda), biriktirilen CrN filmi iyi yüzey kalitesine, iyi sertliğe ve mükemmel aşınma direncine sahip olur; N2 havalandırması 25 ml/dak olduğunda (hedef kaynak ark akımı 75 A olduğunda, negatif basınç 100 V olduğunda).

(5) Süper sert film
Süper sert film, 40 GPa'dan büyük sertliğe, mükemmel aşınma direncine, yüksek sıcaklık direncine ve düşük sürtünme katsayısına ve düşük termal genleşme katsayısına sahip katı filmdir, esas olarak amorf elmas film ve CN filmdir. Amorf elmas filmler amorf özelliklere sahiptir, uzun menzilli düzenli bir yapıya sahip değildir ve çok sayıda CC tetrahedral bağ içerir, bu nedenle tetrahedral amorf karbon filmler olarak da adlandırılırlar. Bir tür amorf karbon film olarak, elmas benzeri kaplama (DLC), yüksek termal iletkenlik, yüksek sertlik, yüksek elastik modül, düşük termal genleşme katsayısı, iyi kimyasal kararlılık, iyi aşınma direnci ve düşük sürtünme katsayısı gibi elmasa benzer birçok mükemmel özelliğe sahiptir. Dişli yüzeylerine elmas benzeri filmlerin kaplanmasının, hizmet ömrünü 6 kat uzatabileceği ve yorulma direncini önemli ölçüde artırabileceği gösterilmiştir. Amorf karbon-azot filmleri olarak da bilinen CN filmler, β-Si3N4 kovalent bileşiklerine benzer bir kristal yapıya sahiptir ve β-C3N4 olarak da bilinir. Liu ve Cohen vd. Birinci doğa ilkesinden psödopotansiyel bant hesaplamaları kullanılarak yapılan titiz teorik hesaplamalar, β-C3N4'ün büyük bir bağlanma enerjisine, kararlı bir mekanik yapıya sahip olduğunu, en azından bir yarı kararlı durumun var olabileceğini ve elastik modülünün elmasa benzer olduğunu, iyi özelliklere sahip olduğunu, bu özelliklerin malzemenin yüzey sertliğini ve aşınma direncini etkili bir şekilde iyileştirebileceğini ve sürtünme katsayısını azaltabileceğini doğruladı.

(6) Diğer alaşımlı aşınmaya dayanıklı kaplama tabakası
Bazı alaşımlı aşınmaya dayanıklı kaplamalar da dişlilere uygulanmaya çalışılmıştır, örneğin 45# çelik dişlilerin diş yüzeyine Ni-P-Co alaşım tabakasının biriktirilmesi, ultra ince taneli organizasyon elde etmek için bir alaşım tabakasıdır ve bu da ömrü 1.144~1.533 kata kadar uzatabilir. Ayrıca, Cu-Cr-P alaşımlı dökme demir dişlinin diş yüzeyine Cu metal tabakası ve Ni-W alaşım kaplamanın uygulanarak mukavemetinin artırılması; Ni-W ve Ni-Co alaşım kaplamanın HT250 dökme demir dişlinin diş yüzeyine uygulanarak aşınma direncinin kaplanmamış dişliye göre 4~6 kat artırılması da incelenmiştir.