Dişli kaplama teknolojisi

PVD kaplama teknolojisi, özellikle vakum iyon kaplama teknolojisi, uzun yıllardır yeni bir yüzey modifikasyon teknolojisi olarak uygulanmaktadır ve son yıllarda büyük gelişme göstermiş olup günümüzde takım, kalıp, piston halkası, dişli ve diğer bileşenlerin işlenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Vakum iyon kaplama teknolojisi ile hazırlanan kaplanmış dişliler, sürtünme katsayısını önemli ölçüde azaltabilir, aşınmaya ve belirli korozyon direncine karşı dayanıklılığı artırabilir ve dişli yüzey güçlendirme teknolojisi alanında araştırmaların odak noktası ve en çok ilgi gören konularından biri haline gelmiştir.

Dişlilerde kullanılan yaygın malzemeler başlıca dövme çelik, dökme çelik, dökme demir, demir dışı metaller (bakır, alüminyum) ve plastiklerdir. Çelik olarak başlıca 45 çelik, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl kullanılır. Düşük karbonlu çelik ise ağırlıklı olarak 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo'da kullanılır. Dövme çelik, daha iyi performansı nedeniyle dişlilerde daha yaygın olarak kullanılırken, dökme çelik genellikle çapı > 400 mm olan ve karmaşık yapıya sahip dişlilerin üretiminde kullanılır. Dökme demir dişliler yapışmaya ve korozyona karşı dayanıklıdır, ancak darbe ve aşınma direnci düşüktür; esas olarak istikrarlı çalışma, düşük güç gerektirmeyen hız veya büyük boyutlu ve karmaşık şekilli uygulamalar için uygundur, yağlama gerektirmeyen koşullarda çalışabilir ve açık transmisyon için idealdir. Demir dışı metaller arasında yaygın olarak kullanılanlar kalay bronz, alüminyum-demir bronz ve dökme alüminyum alaşımıdır; bunlar genellikle türbin veya dişli imalatında kullanılır, ancak kayma ve sürtünme önleyici özellikleri zayıftır ve yalnızca hafif, orta yük ve düşük hızlı dişliler için uygundur. Metal dışı malzemeden üretilen dişliler ise esas olarak yağsız yağlama ve yüksek güvenilirlik gibi özel gereksinimlerin olduğu bazı alanlarda kullanılır. Ev aletleri, tıbbi ekipman, gıda makineleri ve tekstil makineleri gibi düşük kirlilik koşullarının olduğu alanlarda da tercih edilirler.

Dişli kaplama malzemeleri

Mühendislik seramik malzemeleri, özellikle mükemmel ısı direnci, düşük ısı iletkenliği ve termal genleşme, yüksek aşınma direnci ve oksidasyon direnci gibi özellikleriyle son derece umut vadeden malzemelerdir. Çok sayıda çalışma, seramik malzemelerin doğal olarak ısıya dayanıklı olduğunu ve metallere göre düşük aşınma gösterdiğini ortaya koymuştur. Bu nedenle, aşınmaya dayanıklı parçalar için metal malzemeler yerine seramik malzemelerin kullanılması, sürtünme alt parçasının ömrünü uzatabilir, yüksek sıcaklık ve yüksek aşınma direnci, çok fonksiyonluluk ve diğer zorlu gereksinimleri karşılayabilir. Şu anda, mühendislik seramik malzemeleri motor ısıya dayanıklı parçalarının, mekanik iletimdeki aşınma parçalarının, kimyasal ekipmanlardaki korozyona dayanıklı parçaların ve sızdırmazlık parçalarının üretiminde kullanılmakta olup, seramik malzemelerin geniş uygulama potansiyelini giderek daha fazla göstermektedir.

Almanya, Japonya, Amerika Birleşik Devletleri, Birleşik Krallık ve diğer gelişmiş ülkeler, mühendislik seramik malzemelerinin geliştirilmesine ve uygulanmasına büyük önem vermekte, mühendislik seramiklerinin işleme teorisi ve teknolojisinin geliştirilmesine büyük miktarda para ve insan gücü yatırmaktadır. Almanya, potansiyel olarak çevreye ve insan vücuduna zararlı olan yağlayıcı ortamın yerine geçecek uygun bir filmi parçaların yüzeyinde sentezlemek için PVD teknolojisini kullanmayı amaçlayan “SFB442” adlı bir program başlattı. Almanya'daki PW Gold ve diğerleri, SFB442 fonunu kullanarak PVD teknolojisini rulmanların yüzeyine ince filmler uygulamak için kullandılar ve rulmanların aşınma önleyici performansının önemli ölçüde iyileştirildiğini ve yüzeye uygulanan filmlerin aşırı basınçlı aşınma önleyici katkı maddelerinin işlevini tamamen yerine getirebileceğini buldular. Almanya'dan Joachim, Franz ve diğerleri, EP katkı maddeleri içeren yağlayıcılardan daha yüksek, mükemmel yorulma önleyici özellikler gösteren WC/C filmleri hazırlamak için PVD teknolojisini kullandılar; bu sonuç, zararlı katkı maddelerinin kaplamalarla değiştirilmesi olasılığını da ortaya koymaktadır. Almanya'daki Aachen Teknik Üniversitesi Malzeme Bilimi Enstitüsü'nden E. Lugscheider ve diğerleri, DFG'den (Alman Araştırma Komisyonu) aldıkları fonla, uygun filmlerin yüzeye uygulanmasından sonra yorulma direncinde önemli bir artış gösterdiler. 100Cr6 çelik, PVD teknolojisi kullanılarak üretilmektedir. Ayrıca, ABD'li General Motors, Volvo S80 Turbo tipi otomobilinde yorulma çukurlarına karşı direnci artırmak için dişli yüzeyine kaplama filmi uygulamaya başlamıştır; ünlü Timken şirketi ES200 dişli yüzey filmi adını piyasaya sürmüştür; Almanya'da MAXIT dişli kaplama markası tescil edilmiştir; İngiltere'de ise Graphit-iC ve Dymon-iC markalı dişli kaplamaları da mevcuttur.

Mekanik iletimin önemli yedek parçalarından olan dişliler, endüstride önemli bir rol oynamaktadır; bu nedenle seramik malzemelerin dişlilere uygulanmasının incelenmesi son derece önemli pratik bir öneme sahiptir. Şu anda, dişlilere uygulanan mühendislik seramikleri başlıca şunlardır:

1、TiN kaplama tabakası
1、TiN

İyon kaplama TiN seramik tabakası, yüksek sertlik, yüksek yapışma mukavemeti, düşük sürtünme katsayısı, iyi korozyon direnci vb. özellikleriyle en yaygın kullanılan yüzey modifiye kaplamalarından biridir. Özellikle takım ve kalıp endüstrisinde olmak üzere çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Dişlilerde seramik kaplamanın uygulanmasını etkileyen temel neden, seramik kaplama ile alt tabaka arasındaki yapışma problemidir. Dişlilerin çalışma koşulları ve etkileyen faktörler, takım ve kalıplara göre çok daha karmaşık olduğundan, dişli yüzey işleminde tek bir TiN kaplamanın uygulanması büyük ölçüde kısıtlanmaktadır. Seramik kaplama yüksek sertlik, düşük sürtünme katsayısı ve korozyon direnci avantajlarına sahip olsa da, 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 hız çeliği yüzeylerinde kullanılır. Dişli malzemesi seramik malzemeye kıyasla yumuşaktır ve alt tabaka ile kaplamanın doğası arasındaki fark büyüktür, bu nedenle kaplama ve alt tabakanın birleşimi zayıftır ve kaplama, kaplamayı desteklemek için yeterli değildir, bu da kullanım sürecinde kaplamanın kolayca dökülmesine neden olur; bu durum sadece seramik kaplamanın avantajlarından yararlanamamasına değil, aynı zamanda dökülen seramik kaplama parçacıklarının dişlide aşındırıcı aşınmaya neden olarak dişlinin aşınma kaybını hızlandırmasına da yol açar. Mevcut çözüm, seramik ile alt tabaka arasındaki bağı iyileştirmek için kompozit yüzey işleme teknolojisini kullanmaktır. Kompozit yüzey işleme teknolojisi, tek bir yüzey işleme işlemiyle elde edilemeyen kompozit mekanik özellikler elde etmek için alt tabaka malzemesinin yüzeyini değiştirmek üzere iki ayrı yüzey/yüzey altı kullanılarak fiziksel buhar biriktirme kaplaması ve diğer yüzey işleme süreçlerinin veya kaplamalarının birleştirilmesini 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 arasında güçlü bir bağ vardır ve aşınma direnci önemli ölçüde iyileştirilmiştir.

Mükemmel aşınma direnci ve film-taban yapışması sağlayan TiN film tabakasının optimum kalınlığı yaklaşık 3~4 μm'dir. Film tabakasının kalınlığı 2 μm'den az olursa, aşınma direnci önemli ölçüde iyileşmez. Film tabakasının kalınlığı 5 μm'den fazla olursa, film-taban yapışması azalır.

2. Çok katmanlı, çok bileşenli TiN kaplama

TiN kaplamaların giderek yaygınlaşmasıyla birlikte, TiN kaplamaların nasıl geliştirileceğine dair araştırmalar da artmaktadır. Son yıllarda, Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 gibi ikili TiN kaplamalara dayalı çok bileşenli kaplamalar ve çok katmanlı kaplamalar geliştirilmiştir. TiN kaplamalara Al ve Si gibi elementler eklenerek, kaplamaların yüksek sıcaklık oksidasyonuna karşı direnci ve sertliği artırılabilirken, B gibi elementlerin eklenmesiyle de kaplamaların sertliği ve yapışma mukavemeti artırılabilir.

Çok bileşenli kompozisyonun karmaşıklığı nedeniyle, bu çalışmada birçok tartışma konusu bulunmaktadır. (Tix,Cr1-x)N çok bileşenli kaplamaların incelenmesinde, araştırma sonuçlarında büyük bir tartışma mevcuttur. Bazıları (Tix,Cr1-x)N kaplamaların TiN bazlı olduğuna ve Cr'nin yalnızca TiN nokta matrisinde yer değiştirme katı çözeltisi şeklinde bulunabileceğine, ayrı bir CrN fazı olarak bulunamayacağına inanmaktadır. Diğer çalışmalar, (Tix,Cr1-x)N kaplamalarda Ti atomlarının yerini doğrudan alan Cr atomlarının sayısının sınırlı olduğunu ve kalan Cr'nin tekli halde bulunduğunu veya N ile bileşikler oluşturduğunu göstermektedir. Deneysel sonuçlar, kaplamaya Cr ilavesinin yüzey parçacık boyutunu azalttığını ve sertliği artırdığını, Cr kütle yüzdesi %31'e ulaştığında kaplamanın sertliğinin en yüksek değerine ulaştığını, ancak kaplamanın iç geriliminin de maksimum değerine ulaştığını göstermektedir.

3. Diğer kaplama katmanı

Yaygın olarak kullanılan TiN kaplamalara ek olarak, dişli yüzeylerinin güçlendirilmesi için birçok farklı mühendislik seramiği kullanılmaktadır.

(1) Japonya'dan Y. Terauchi ve arkadaşları, buhar biriktirme yöntemiyle kaplanmış titanyum karbür veya titanyum nitrür seramik dişlilerin sürtünme aşınmasına karşı direncini incelemiştir. Dişliler, kaplamadan önce yaklaşık HV720 yüzey sertliğine ve 2,4 μm yüzey pürüzlülüğüne ulaşmak için karbürlenmiş ve parlatılmıştır ve seramik kaplamalar, titanyum karbür için kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve titanyum nitrür için fiziksel buhar biriktirme (PVD) ile yaklaşık 2 μm seramik film kalınlığıyla hazırlanmıştır. Sürtünme aşınma özellikleri sırasıyla yağ ve kuru sürtünme varlığında incelenmiştir. Seramik kaplamadan sonra dişli mengenesinin aşınma direnci ve çizilme direncinin önemli ölçüde arttığı bulunmuştur.

(2) Kimyasal olarak kaplanmış Ni-P ve TiN kompozit kaplama, geçiş katmanı olarak Ni-P'nin önceden kaplanması ve ardından TiN'nin biriktirilmesiyle 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 PVD teknolojisi kullanarak WC/C ince film tabakası kaplamış ve yağsız yağlama koşullarında sıradan sertleştirilmiş ve taşlanmış dişlilere göre üç kat daha uzun hizmet ömrü elde etmişlerdir. Franz J ve arkadaşları ise FEZ-A ve FEZ-C dişlilerinin yüzeyine PVD teknolojisi kullanarak WC/C ve B4C ince film tabakası kaplamış ve yapılan deneylerde PVD kaplamanın dişli sürtünmesini önemli ölçüde azalttığı, dişlinin sıcak yapışmaya veya yapışmaya karşı daha az hassas hale geldiği ve dişlinin yük taşıma kapasitesini artırdığı gösterilmiştir.

(4) CrN filmleri
CrN filmleri, daha yüksek sertliğe sahip olmaları bakımından TiN filmlerine benzer; ayrıca CrN filmleri, TiN filmlerine göre yüksek sıcaklık oksidasyonuna daha dirençlidir, daha iyi korozyon direncine, TiN filmlerine göre daha düşük iç gerilime ve nispeten daha iyi tokluğa sahiptir. Chen Ling ve arkadaşları, HSS yüzeyinde mükemmel film bazlı bağlama özelliğine sahip aşınmaya dayanıklı bir TiAlCrN/CrN kompozit film hazırlamış ve çok katmanlı filmin dislokasyon istifleme teorisini de ortaya koymuştur; iki katman arasındaki dislokasyon enerji farkı büyükse, bir katmanda oluşan dislokasyonun arayüzünü diğer katmana geçmesi zorlaşır, böylece arayüzde dislokasyon istiflenmesi oluşur ve malzemenin güçlendirilmesinde rol oynar. Zhong Bin ve arkadaşları, azot içeriğinin CrNx filmlerinin faz yapısı ve sürtünme aşınma özellikleri üzerindeki etkisini incelemiş ve çalışma, filmlerdeki Cr2N (211) kırınım tepesinin N2 içeriğinin artmasıyla kademeli olarak zayıfladığını ve CrN (220) tepesinin kademeli olarak güçlendiğini, film yüzeyindeki büyük parçacıkların kademeli olarak azaldığını ve yüzeyin düzleşme eğiliminde olduğunu göstermiştir. N2 havalandırması 25 ml/dk olduğunda (hedef kaynak ark akımı 75 A, negatif basınç 100 V), biriktirilen CrN filmi iyi yüzey kalitesine, iyi sertliğe ve mükemmel aşınma direncine sahiptir.

(5) Süper zor film
Süper sert film, 40 GPa'dan daha yüksek sertliğe, mükemmel aşınma direncine, yüksek sıcaklık direncine, 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 olan 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 iyileştirebileceği gösterilmiştir. Amorf karbon-azot filmler 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 prensibinden yola çıkarak psödo-potansiyel bant hesaplamaları kullanılarak yapılan titiz teorik hesaplamalar, β-C3N4'ün büyük bir bağlanma enerjisine, kararlı bir mekanik yapıya, en az bir alt kararlı durumun var olabileceğine ve elastik modülünün elmasla karşılaştırılabilir olduğuna, iyi özelliklere sahip olduğuna, malzemenin yüzey sertliğini ve aşınma direncini etkili bir şekilde artırabileceğine ve sürtünme katsayısını azaltabileceğine dair bulgular ortaya koymuştur.

(6) Diğer alaşım aşınmaya dayanıklı kaplama tabakası
Dişlilere bazı alaşımlı aşınmaya dayanıklı kaplamalar da uygulanmaya çalışılmıştır; örneğin, 45# çelik dişlilerin diş yüzeyine Ni-P-Co alaşım tabakası kaplanması, ultra ince taneli bir yapı elde etmek için kullanılan bir alaşım tabakasıdır ve bu da ömrü 1,144 ila 1,533 kat uzatabilir. Ayrıca, Cu-Cr-P alaşımlı dökme demir dişlinin diş yüzeyine Cu metal tabakası ve Ni-W alaşım kaplaması uygulanarak mukavemetin artırıldığı; HT250 dökme demir dişlinin diş yüzeyine Ni-W ve Ni-Co alaşım kaplaması uygulanarak kaplamasız dişliye kıyasla aşınma direncinin 4 ila 6 kat artırıldığı da incelenmiştir.