Технологія PVD-нанесення вже багато років практикується як нова технологія модифікації поверхні, особливо технологія вакуумного іонного покриття, яка набула значного розвитку в останні роки та зараз широко використовується для обробки інструментів, прес-форм, поршневих кілець, шестерень та інших компонентів. Шестерні з покриттям, отримані за допомогою технології вакуумного іонного покриття, можуть значно знизити коефіцієнт тертя, покращити протизношувальні та певні антикорозійні властивості, і стали предметом досліджень у галузі технології зміцнення поверхні шестерень.
Поширеними матеріалами для зубчастих передач є переважно кована сталь, лита сталь, чавун, кольорові метали (мідь, алюміній) та пластмаси. Сталь переважно використовується у вигляді сталі 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Низьковуглецева сталь в основному використовується у вигляді 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Кована сталь ширше використовується в зубчастих передачах через її кращі експлуатаційні характеристики, тоді як лита сталь зазвичай використовується для виготовлення зубчастих передач діаметром > 400 мм та складною структурою. Чавунні зубчасті передачі стійкі до склеювання та точкової корозії, але не мають стійкості до ударів та зносу, головним чином для стабільної роботи, потужності, не потребують низької швидкості, великих розмірів та складної форми, можуть працювати за умови відсутності змащення, придатні для відкритих передач. З кольорових металів зазвичай використовуються олов'яна бронза, алюмінієво-залізна бронза та ливарний алюмінієвий сплав, які зазвичай використовуються у виробництві турбін або шестерень, але їх ковзні та антифрикційні властивості погані, і вони використовуються лише для легких, середніх навантажень та низькошвидкісних шестерень. Шестерні з неметалевих матеріалів в основному використовуються в деяких галузях з особливими вимогами, такими як безмасляне змащення та висока надійність. У галузях з низьким рівнем забруднення, таких як побутова техніка, медичне обладнання, харчове обладнання та текстильне обладнання.
Матеріали для покриття шестерень
Інженерні керамічні матеріали є надзвичайно перспективними матеріалами з високою міцністю та твердістю, особливо відмінною термостійкістю, низькою теплопровідністю та тепловим розширенням, високою зносостійкістю та стійкістю до окислення. Велика кількість досліджень показала, що керамічні матеріали за своєю суттю є термостійкими та мають низький знос металів. Тому використання керамічних матеріалів замість металевих для зносостійких деталей може покращити термін служби фрикційного вузла, задовольнити деякі вимоги до високотемпературних та зносостійких матеріалів, багатофункціональності та інших жорстких матеріалів. Наразі інженерні керамічні матеріали використовуються у виробництві термостійких деталей двигунів, зношуваних деталей механічних передач, корозійностійких деталей хімічного обладнання та ущільнювальних деталей, що все частіше демонструє широке застосування керамічних матеріалів.
Розвинені країни, такі як Німеччина, Японія, США, Велика Британія та інші, надають великого значення розробці та застосуванню інженерних керамічних матеріалів, інвестуючи багато коштів та робочої сили в розробку теорії та технології обробки інженерної кераміки. Німеччина запустила програму під назвою «SFB442», метою якої є використання технології PVD для синтезу відповідної плівки на поверхні деталей, яка замінить потенційно шкідливе мастильне середовище для навколишнього середовища та організму людини. PW Gold та інші в Німеччині використали фінансування від SFB442 для застосування технології PVD для нанесення тонких плівок на поверхню підшипників кочення та виявили, що протизношувальні властивості підшипників кочення значно покращилися, а плівки, нанесені на поверхню, можуть повністю замінити функцію протизношувальних присадок для екстремального тиску. Йоахім, Франц та ін. у Німеччині використовували технологію PVD для отримання плівок WC/C, що демонструють чудові противтомні властивості, вищі, ніж у мастил, що містять протизношувальні присадки, що аналогічно дає можливість замінити шкідливі добавки покриттями. Е. Лугшайдер та ін. з Інституту матеріалознавства Технічного університету Аахена, Німеччина, за фінансування DFG (Німецької дослідницької комісії), продемонстрували значне збільшення опору втомі після нанесення відповідних плівок на сталь 100Cr6 за допомогою технології PVD. Крім того, американська компанія General Motors розпочала свою... Плівка для нанесення на поверхню шестерень автомобіля типу VolvoS80Turbo для покращення стійкості до втомної точкової утворення; відома компанія Timken випустила на ринок плівку для поверхні шестерень під назвою ES200; у Німеччині з'явилася зареєстрована торгова марка MAXIT gear coating; у Великій Британії також доступні зареєстровані торгові марки Graphit-iC та Dymon-iC. Покриття для шестерень із зареєстрованими торговими марками Graphit-iC та Dymon-iC також доступні у Великій Британії.
Як важливі запасні частини механічної передачі, шестерні відіграють важливу роль у промисловості, тому вивчення застосування керамічних матеріалів у шестернях має дуже важливе практичне значення. Наразі інженерна кераміка, що застосовується для шестерень, в основному є наступною.
1. Шар покриття TiN
1, TiN
Іонне покриття Керамічний шар TiN є одним з найбільш широко використовуваних поверхнево модифікованих покриттів з високою твердістю, високою адгезійною міцністю, низьким коефіцієнтом тертя, хорошою корозійною стійкістю тощо. Він широко використовується в різних галузях, особливо в інструментальній та прес-формовій промисловості. Основною причиною, що впливає на нанесення керамічного покриття на шестерні, є проблема зв'язку між керамічним покриттям та основою. Оскільки умови роботи та фактори впливу шестерень набагато складніші, ніж у інструментів та прес-форм, нанесення одного покриття TiN на обробку поверхні шестерні значно обмежене. Хоча керамічне покриття має переваги високої твердості, низького коефіцієнта тертя та корозійної стійкості, воно крихке та важко отримати товстіше покриття, тому для його підтримки потрібна високотверда та високоміцна основа. Тому керамічне покриття здебільшого використовується для обробки поверхні карбіду та швидкорізальної сталі. Матеріал шестерні м'якший порівняно з керамічним матеріалом, а різниця між природою підкладки та покриття велика, тому поєднання покриття та підкладки погане, а покриття недостатньо для підтримки покриття, що робить покриття легким для відшаровування в процесі використання. Це не тільки не може реалізувати переваги керамічного покриття, але й частинки керамічного покриття, що відпадають, спричиняють абразивне зношування шестерні, прискорюючи її втрату від зносу. Сучасним рішенням є використання технології композитної обробки поверхні для покращення зв'язку між керамікою та підкладкою. Технологія композитної обробки поверхні стосується поєднання фізичного осадження з парової фази та інших процесів обробки поверхні або покриттів, використовуючи дві окремі поверхні/підповерхні для модифікації поверхні матеріалу підкладки, щоб отримати механічні властивості композиту, яких неможливо досягти одним процесом обробки поверхні. Композитне покриття TiN, нанесене іонним азотуванням та PVD, є одним з найбільш досліджених композитних покриттів. Плазмово-нітридна підкладка та керамічне композитне покриття TiN мають міцний зв'язок, а зносостійкість значно покращується.
Оптимальна товщина шару плівки TiN з відмінною зносостійкістю та зв'язком з основою плівки становить приблизно 3~4 мкм. Якщо товщина шару плівки менше 2 мкм, зносостійкість суттєво не покращиться. Якщо товщина шару плівки більше 5 мкм, зв'язок з основою плівки зменшиться.
2. Багатошарове, багатокомпонентне покриття TiN
З поступовим і широким застосуванням покриттів TiN, з'являється все більше досліджень щодо того, як покращити та підвищити якість покриттів TiN. В останні роки були розроблені багатокомпонентні та багатошарові покриття на основі бінарних покриттів TiN, такі як Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 тощо. Додаючи до покриттів TiN такі елементи, як Al та Si, можна покращити стійкість до високотемпературного окислення та твердість покриттів, тоді як додавання таких елементів, як B, може покращити твердість та адгезійну міцність покриттів.
Через складність багатокомпонентного складу, у цьому дослідженні існує багато суперечок. У дослідженні багатокомпонентних покриттів (Tix,Cr1-x)N спостерігаються великі суперечки в результатах дослідження. Деякі люди вважають, що покриття (Tix,Cr1-x)N базуються на TiN, і Cr може існувати лише у вигляді замісного твердого розчину в точковій матриці TiN, але не як окрема фаза CrN. Інші дослідження показують, що кількість атомів Cr, які безпосередньо заміщують атоми Ti в покриттях (Tix,Cr1-x)N, обмежена, а решта Cr існує в синглетному стані або утворює сполуки з N. Експериментальні результати показують, що додавання Cr до покриття зменшує розмір поверхневих частинок і збільшує твердість, причому твердість покриття досягає свого найвищого значення, коли масовий відсоток Cr досягає 31%, але внутрішня напруга покриття також досягає свого максимального значення.
3. Інший шар покриття
Окрім поширених покриттів TiN, для зміцнення поверхні шестерень використовується багато різних видів інженерної кераміки.
(1) Й. Тераучі та ін. з Японії вивчали стійкість до тертя зубчастих коліс з карбіду або нітриду титану, нанесених методом парового осадження. Зубчасті колісні ...
(2) Композитне покриття з хімічно нанесеного Ni-P та TiN було отримано шляхом попереднього нанесення Ni-P як перехідного шару, а потім нанесення TiN. Дослідження показує, що поверхнева твердість цього композитного покриття певною мірою покращилася, а покриття краще зчеплюється з підкладкою та має кращу зносостійкість.
(3) Тонка плівка WC/C, B4C
М. Муракава та ін., кафедра машинобудування Японського технологічного інституту, використали технологію PVD для нанесення тонкої плівки WC/C на поверхню шестерень, і термін служби її служби був утричі довшим, ніж у звичайних загартованих та шліфованих шестерень в умовах безмасляного змащування. Франц Й. та ін. використали технологію PVD для нанесення тонкої плівки WC/C та B4C на поверхню шестерень FEZ-A та FEZ-C, і експеримент показав, що покриття PVD значно зменшило тертя в шестерні, зробило шестерню менш схильною до гарячого склеювання або склеювання, а також покращило несучу здатність шестерні.
(4) Плівки CrN
Плівки CrN подібні до плівок TiN тим, що мають вищу твердість, а плівки CrN стійкіші до високотемпературного окислення, ніж TiN, мають кращу корозійну стійкість, нижчі внутрішні напруження, ніж плівки TiN, та відносно кращу в'язкість. Чен Лін та ін. створили зносостійку композитну плівку TiAlCrN/CrN з чудовим зв'язком на основі плівки на поверхні швидкорізальної сталі (HSS), а також запропонували теорію укладання дислокацій у багатошаровій плівці. Якщо різниця енергії дислокацій між двома шарами велика, дислокації, що виникає в одному шарі, буде важко перетнути її межу розділу в інший шар, таким чином утворюючи укладання дислокацій на межі розділу та відіграючи роль зміцнення матеріалу. Чжун Бін та ін. вивчали вплив вмісту азоту на фазову структуру та властивості фрикційного зносу плівок CrNx, і дослідження показало, що дифракційний пік Cr2N (211) у плівках поступово слабшає, а пік CrN (220) поступово посилюється зі збільшенням вмісту N2, великі частинки на поверхні плівки поступово зменшуються, а поверхня має тенденцію бути плоскою. Коли швидкість аерації N2 становила 25 мл/хв (сила струму дуги цільового джерела становила 75 А), нанесена плівка CrN мала добру якість поверхні, добру твердість та відмінну зносостійкість, коли швидкість аерації N2 становила 25 мл/хв (сила струму дуги цільового джерела становила 75 А, негативний тиск 100 В).
(5) Надтверда плівка
Надтверда плівка - це тверда плівка з твердістю понад 40 ГПа, відмінною зносостійкістю, високою термостійкістю, низьким коефіцієнтом тертя та низьким коефіцієнтом теплового розширення, головним чином аморфна алмазна плівка та плівка CN. Аморфні алмазні плівки мають аморфні властивості, не мають далекосяжної впорядкованої структури та містять велику кількість тетраедричних зв'язків CC, тому їх також називають тетраедричними аморфними вуглецевими плівками. Як різновид аморфної вуглецевої плівки, алмазоподібне покриття (DLC) має багато чудових властивостей, подібних до алмазу, таких як висока теплопровідність, висока твердість, високий модуль пружності, низький коефіцієнт теплового розширення, добра хімічна стабільність, хороша зносостійкість та низький коефіцієнт тертя. Було показано, що нанесення алмазоподібних плівок на поверхні шестерень може подовжити термін служби в 6 разів та значно покращити стійкість до втоми. Плівки CN, також відомі як аморфні вуглець-азотні плівки, мають кристалічну структуру, подібну до структури ковалентних сполук β-Si3N4, і також відомі як β-C3N4. Лю та Коен та ін. Проведені ретельні теоретичні розрахунки з використанням розрахунків псевдопотенціальної зони на основі принципу першої природи підтвердили, що β-C3N4 має велику енергію зв'язку, стабільну механічну структуру, може існувати принаймні один субстабільний стан, а його модуль пружності порівнянний з алмазом, з хорошими властивостями, що може ефективно покращити твердість поверхні та зносостійкість матеріалу, а також зменшити коефіцієнт тертя.
(6) Зносостійкий шар покриття з іншого сплаву
Деякі зносостійкі леговані покриття також були спробовані нанести на зубчасті колеса, наприклад, нанесення шару сплаву Ni-P-Co на поверхню зуба сталевих шестерень 45# - це шар сплаву для отримання наддрібнозернистої організації, що може подовжити термін служби до 1,144~1,533 раза. Також було досліджено, що шар металу Cu та покриття сплаву Ni-W наносяться на поверхню зуба чавунних шестерень зі сплаву Cu-Cr-P для підвищення їх міцності; покриття сплавів Ni-W та Ni-Co наносяться на поверхню зуба чавунних шестерень HT250 для покращення зносостійкості в 4~6 разів порівняно з шестернями без покриття.
Час публікації: 07 листопада 2022 р.