Tishli qoplama texnologiyasi

PVD cho'ktirish texnologiyasi ko'p yillar davomida yangi sirt modifikatsiyasi texnologiyasi, ayniqsa vakuumli ion qoplama texnologiyasi sifatida qo'llanilib kelinmoqda, bu so'nggi yillarda katta rivojlanishga erishdi va hozirda asboblar, qoliplar, piston halqalari, tishli g'ildiraklar va boshqa komponentlarni qayta ishlashda keng qo'llaniladi. Vakuumli ion qoplama texnologiyasi bilan tayyorlangan qoplamali tishli g'ildiraklar ishqalanish koeffitsientini sezilarli darajada kamaytirishi, aşınmaya qarshi va ma'lum darajada korroziyaga qarshilikni yaxshilashi mumkin va tishli g'ildirak sirtini mustahkamlash texnologiyasi sohasidagi tadqiqotlarning diqqat markaziga va eng qizg'in nuqtasiga aylandi.

Tishli g'ildiraklar uchun ishlatiladigan keng tarqalgan materiallar asosan zarb qilingan po'lat, quyma po'lat, quyma temir, rangli bo'lmagan metallar (mis, alyuminiy) va plastmassalardir. Po'lat asosan 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl po'latlaridan iborat. Kam uglerodli po'lat asosan 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo po'latlarida ishlatiladi. Zarblangan po'lat yaxshi ishlashi tufayli tishli g'ildiraklarda kengroq qo'llaniladi, quyma po'lat esa odatda diametri 400 mm dan ortiq va murakkab tuzilishga ega tishli g'ildiraklarni ishlab chiqarishda ishlatiladi. Cho'yilgan temir tishli g'ildiraklar yelimga va chuqurchaga chidamli, ammo zarba va aşınma qarshiligining yo'qligi asosan barqaror ishlash uchun, quvvat past tezlikda yoki katta o'lchamda va murakkab shaklda emas, moylash yo'qligida ishlashi mumkin, ochiq uzatish uchun mos keladi. Rangli metallar orasida qalay bronza, alyuminiy-temir bronza va quyma alyuminiy qotishmasi keng qo'llaniladi, ular turbinalar yoki tishli g'ildiraklar ishlab chiqarishda keng qo'llaniladi, ammo toymasin va ishqalanishga qarshi xususiyatlar yomon, faqat yengil, o'rta yuk va past tezlikli tishli g'ildiraklar uchun. Metall bo'lmagan material tishli g'ildiraklar asosan yog'siz moylash va yuqori ishonchlilik kabi maxsus talablarga ega bo'lgan ba'zi sohalarda qo'llaniladi. Maishiy texnika, tibbiy asbob-uskunalar, oziq-ovqat mashinalari va to'qimachilik mashinalari kabi past ifloslanish kabi sharoitlar sohasi.

Tishli qoplama materiallari

Muhandislik keramika materiallari yuqori mustahkamlik va qattiqlikka, ayniqsa ajoyib issiqlikka chidamlilik, past issiqlik o'tkazuvchanligi va issiqlik kengayishi, yuqori aşınmaya bardoshlilik va oksidlanishga chidamlilikka ega bo'lgan juda istiqbolli materiallardir. Ko'pgina tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, keramika materiallari tabiiy ravishda issiqlikka chidamli va metallarga nisbatan past aşınmaya ega. Shuning uchun, aşınmaya bardoshli qismlar uchun metall materiallar o'rniga keramika materiallaridan foydalanish ishqalanish submaterialining ishlash muddatini yaxshilashi, yuqori harorat va yuqori aşınmaya bardoshli materiallarning ayrimlarini, ko'p funksiyali va boshqa qattiq talablarni qondirishi mumkin. Hozirgi vaqtda muhandislik keramika materiallari dvigatelning issiqqa chidamli qismlarini, aşınma qismlarida mexanik uzatishni, korroziyaga chidamli qismlarda kimyoviy uskunalarni va muhrlash qismlarini ishlab chiqarishda qo'llanilmoqda, bu esa keramika materiallarining keng qo'llanilishini tobora ko'proq ko'rsatmoqda.

Germaniya, Yaponiya, Amerika Qo'shma Shtatlari, Buyuk Britaniya va boshqa rivojlangan mamlakatlar muhandislik keramika materiallarini ishlab chiqish va qo'llashga katta ahamiyat berishadi, muhandislik keramikasini qayta ishlash nazariyasi va texnologiyasini rivojlantirish uchun ko'p pul va ishchi kuchini sarflaydilar. Germaniya "SFB442" deb nomlangan dasturni ishga tushirdi, uning maqsadi PVD texnologiyasidan foydalanib, qismlar yuzasida mos plyonka sintez qilish va atrof-muhit va inson tanasi uchun potentsial zararli moylash muhitini almashtirishdir. Germaniyadagi PW Gold va boshqalar SFB442 dan olingan mablag'lardan foydalanib, rulmanlar yuzasiga yupqa plyonkalarni qo'yish uchun PVD texnologiyasini qo'lladilar va rulmanlarning aşınmaya qarshi ishlashi sezilarli darajada yaxshilanganini va sirtga qo'yilgan plyonkalar haddan tashqari bosimli aşınmaya qarshi qo'shimchalarning funktsiyasini to'liq o'zgartirishi mumkinligini aniqladilar. Germaniyada Joachim, Franz va boshqalar PVD texnologiyasidan foydalanib, EP qo'shimchalarini o'z ichiga olgan moylash materiallariga qaraganda yuqori bo'lgan ajoyib charchoqqa qarshi xususiyatlarni namoyish etuvchi WC/C plyonkalarini tayyorlashdi, natijada zararli qo'shimchalarni qoplamalar bilan almashtirish imkoniyati ham shunga o'xshash tarzda yuzaga keladi. Germaniyaning Axen Texnik Universiteti Materialshunoslik Institutidan E. Lugscheider va boshqalar DFG (German Research Commission) mablag'lari bilan 100Cr6 po'latiga PVD texnologiyasidan foydalangan holda tegishli plyonkalarni qo'ygandan so'ng charchoqqa chidamlilikning sezilarli darajada oshganligini ko'rsatdilar. Bundan tashqari, Qo'shma Shtatlar General Motors o'zining VolvoS80Turbo rusumidagi avtomobil tishli g'ildiraklarining charchoq chuqurchalariga chidamliligini oshirish uchun sirt qatlamini qoplash plyonkasini ishlab chiqarishni boshladi; mashhur Timken kompaniyasi ES200 tishli g'ildirak sirt plyonkasini ishga tushirdi; Germaniyada MAXIT ro'yxatdan o'tgan savdo belgisi paydo bo'ldi; Buyuk Britaniyada ham Graphit-iC va Dymon-iC ro'yxatdan o'tgan savdo belgilari bilan Graphit-iC va Dymon-iC tishli g'ildirak qoplamalari mavjud.

Mexanik uzatishning muhim ehtiyot qismlari sifatida tishli g'ildiraklar sanoatda muhim rol o'ynaydi, shuning uchun tishli g'ildiraklarda keramik materiallarni qo'llashni o'rganish juda muhim amaliy ahamiyatga ega. Hozirgi vaqtda tishli g'ildiraklarga qo'llaniladigan muhandislik keramikasi asosan quyidagilardir.

1, TiN qoplama qatlami
1, TiN

Ion qoplamali TiN keramik qatlami yuqori qattiqlik, yuqori yopishish kuchi, past ishqalanish koeffitsienti, yaxshi korroziyaga chidamlilik va boshqalarga ega bo'lgan eng keng tarqalgan sirt modifikatsiyalangan qoplamalaridan biridir. U turli sohalarda, ayniqsa asboblar va qoliplar sanoatida keng qo'llanilgan. Redüktörlarga keramik qoplamani qo'llashga ta'sir qiluvchi asosiy sabab keramik qoplama va substrat o'rtasidagi bog'lanish muammosidir. Redüktörlarning ish sharoitlari va ta'sir qiluvchi omillari asboblar va qoliplarga qaraganda ancha murakkabroq bo'lgani uchun, tishli sirtni qayta ishlashga bitta TiN qoplamasini qo'llash juda cheklangan. Keramik qoplama yuqori qattiqlik, past ishqalanish koeffitsienti va korroziyaga chidamlilik kabi afzalliklarga ega bo'lsa-da, u mo'rt va qalinroq qoplama olish qiyin, shuning uchun uning xususiyatlarini o'ynash uchun qoplamani qo'llab-quvvatlash uchun yuqori qattiqlik va yuqori mustahkamlikdagi substrat kerak. Shuning uchun keramik qoplama asosan karbid va yuqori tezlikda po'latdan yasalgan sirt uchun ishlatiladi. Tishli g'ildirak materiali keramik materialga nisbatan yumshoq va substrat va qoplamaning tabiati o'rtasidagi farq katta, shuning uchun qoplama va substratning kombinatsiyasi yomon va qoplama qoplamani qo'llab-quvvatlash uchun yetarli emas, bu esa qoplamaning foydalanish jarayonida osongina tushib ketishiga olib keladi, nafaqat keramik qoplamaning afzalliklarini o'ynay olmaydi, balki tushib ketadigan keramik qoplama zarralari tishli g'ildirakda aşınmaya olib keladi va tishli g'ildirakning aşınmasını tezlashtiradi. Hozirgi yechim keramika va substrat o'rtasidagi bog'lanishni yaxshilash uchun kompozit sirtni qayta ishlash texnologiyasidan foydalanishdir. Kompozit sirtni qayta ishlash texnologiyasi fizik bug' cho'ktirish qoplamasi va boshqa sirtni qayta ishlash jarayonlari yoki qoplamalarining kombinatsiyasini anglatadi, bitta sirtni qayta ishlash jarayoni bilan erishib bo'lmaydigan kompozit mexanik xususiyatlarga erishish uchun substrat materialining yuzasini o'zgartirish uchun ikkita alohida sirt/pastki sirtlardan foydalanadi. Ion nitridlash va PVD orqali cho'ktirilgan TiN kompozit qoplamasi eng ko'p o'rganilgan kompozit qoplamalardan biridir. Plazma nitridlash substrati va TiN keramik kompozit qoplamasi kuchli bog'lanishga ega va aşınma qarshiligi sezilarli darajada yaxshilanadi.

Ajoyib aşınma qarshiligi va plyonka asosini bog'lash xususiyatiga ega TiN plyonka qatlamining optimal qalinligi taxminan 3 ~ 4 mkm ni tashkil qiladi. Agar plyonka qatlamining qalinligi 2 mkm dan kam bo'lsa, aşınma qarshiligi sezilarli darajada yaxshilanmaydi. Agar plyonka qatlamining qalinligi 5 mkm dan ortiq bo'lsa, plyonka asosini bog'lash kamayadi.

2, ko'p qatlamli, ko'p komponentli TiN qoplamasi

TiN qoplamalarining asta-sekin va keng qo'llanilishi bilan TiN qoplamalarini yaxshilash va takomillashtirish bo'yicha tobora ko'proq tadqiqotlar olib borilmoqda. So'nggi yillarda Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3 va boshqalar kabi ikkilik TiN qoplamalari asosida ko'p komponentli qoplamalar va ko'p qatlamli qoplamalar ishlab chiqildi. TiN qoplamalariga Al va Si kabi elementlarni qo'shish orqali qoplamalarning yuqori haroratli oksidlanishga chidamliligi va qattiqligini oshirish mumkin, B kabi elementlarni qo'shish esa qoplamalarning qattiqligi va yopishish kuchini oshirishi mumkin.

Ko'p komponentli tarkibning murakkabligi tufayli ushbu tadqiqotda ko'plab bahs-munozaralar mavjud. (Tix,Cr1-x)N ko'p komponentli qoplamalarini o'rganishda tadqiqot natijalarida katta bahs-munozaralar mavjud. Ba'zi odamlar (Tix,Cr1-x)N qoplamalari TiN ga asoslangan va Cr faqat TiN nuqta matritsasida o'rinbosar qattiq eritma shaklida mavjud bo'lishi mumkin, lekin alohida CrN fazasi sifatida mavjud emas, deb hisoblashadi. Boshqa tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, (Tix,Cr1-x)N qoplamalarida Ti atomlarini to'g'ridan-to'g'ri almashtiradigan Cr atomlari soni cheklangan va qolgan Cr singlet holatida mavjud yoki N bilan birikmalar hosil qiladi. Tajriba natijalari shuni ko'rsatadiki, qoplamaga Cr qo'shilishi sirt zarrachalari hajmini kamaytiradi va qattiqlikni oshiradi va Cr ning massa ulushi 3l% ga yetganda qoplamaning qattiqligi eng yuqori qiymatga etadi, lekin qoplamaning ichki kuchlanishi ham maksimal qiymatga etadi.

3, Boshqa qoplama qatlami

Keng tarqalgan TiN qoplamalaridan tashqari, tishli sirtni mustahkamlash uchun ko'plab turli xil muhandislik keramikalari qo'llaniladi.

(1)Yaponiyalik Y. Terauchi va boshqalar bugʻ choʻktirish usuli bilan choʻktirilgan titan karbid yoki titan nitridli keramik tishli gʻildiraklarning ishqalanish aşınmasına chidamliligini oʻrganishdi. Qoplashdan oldin tishli gʻildiraklar taxminan HV720 sirt qattiqligiga va 2,4 mkm sirt pürüzlülüğüne erishish uchun karburizatsiya qilindi va sayqallandi, keramik qoplamalar esa titan karbid uchun kimyoviy bugʻ choʻktirish (CVD) va titan nitrid uchun fizik bugʻ choʻktirish (PVD) orqali tayyorlandi, keramik plyonka qalinligi taxminan 2 mkm edi. Ishqalanish aşınma xususiyatlari mos ravishda moy va quruq ishqalanish ishtirokida oʻrganildi. Keramika bilan qoplangandan soʻng, tishli gʻildirak visesining tirnalishga chidamliligi va tirnalishga chidamliligi sezilarli darajada oshgani aniqlandi.

(2) Kimyoviy qoplangan Ni-P va TiN ning kompozit qoplamasi Ni-P ni o'tish qatlami sifatida oldindan qoplash va keyin TiN ni qo'yish orqali tayyorlangan. Tadqiqot shuni ko'rsatadiki, ushbu kompozit qoplamaning sirt qattiqligi ma'lum darajada yaxshilangan va qoplama substrat bilan yaxshiroq bog'langan va yaxshiroq aşınma qarshiligiga ega.

(3) WC/C, B4C yupqa plyonka
Yaponiya Texnologiya Institutining Mashinasozlik kafedrasi M. Murakawa va boshqalar tishli g'ildiraklar yuzasiga WC/C yupqa plyonkasini qo'yish uchun PVD texnologiyasidan foydalanganlar va uning xizmat muddati moysiz moylash sharoitida oddiy sovitilgan va yerga ulangan tishli g'ildiraklarnikidan uch baravar ko'p bo'lgan. Franz J va boshqalar FEZ-A va FEZ-C tishli g'ildiraklar yuzasiga WC/C va B4C yupqa plyonkasini qo'yish uchun PVD texnologiyasidan foydalanganlar va tajriba shuni ko'rsatdiki, PVD qoplamasi tishli g'ildirak ishqalanishini sezilarli darajada kamaytirdi, tishli g'ildirakni issiq yelimlash yoki yopishtirishga kamroq moyil qildi va tishli g'ildirakning yuk ko'tarish qobiliyatini yaxshiladi.

(4) CrN plyonkalari
CrN plyonkalari TiN plyonkalariga o'xshash, chunki ular yuqori qattiqlikka ega va CrN plyonkalari TiNga qaraganda yuqori haroratli oksidlanishga ko'proq chidamli, yaxshiroq korroziyaga chidamliligi, TiN plyonkalariga qaraganda past ichki kuchlanish va nisbatan yaxshiroq mustahkamlikka ega. Chen Ling va boshqalar HSS yuzasida ajoyib plyonka asosidagi bog'lanishga ega aşınmaya bardoshli TiAlCrN/CrN kompozit plyonkasini tayyorladilar va shuningdek, ko'p qatlamli plyonkaning dislokatsiya stacking nazariyasini taklif qilishdi, agar ikki qatlam orasidagi dislokatsiya energiyasi farqi katta bo'lsa, bir qatlamda sodir bo'ladigan dislokatsiya uning chegarasidan boshqa qatlamga o'tishi qiyin bo'ladi, shu bilan chegarada dislokatsiya stackingini hosil qiladi va materialni mustahkamlash rolini o'ynaydi. Zhong Bin va boshqalar azot miqdorining CrNx plyonkalarining fazaviy tuzilishi va ishqalanish aşınma xususiyatlariga ta'sirini o'rgandilar va tadqiqot shuni ko'rsatdiki, plyonkalardagi Cr2N (211) diffraktsiya cho'qqisi asta-sekin zaiflashadi va CrN (220) cho'qqisi N2 miqdorining oshishi bilan asta-sekin kuchayadi, plyonka yuzasidagi katta zarralar asta-sekin kamayadi va sirt tekis bo'lishga moyil bo'ladi. N2 aeratsiyasi 25 ml/min bo'lganda (maqsadli manba yoy oqimi 75 A bo'lgan), cho'ktirilgan CrN plyonkasi N2 aeratsiyasi 25 ml/min bo'lganda (maqsadli manba yoy oqimi 75A, salbiy bosim 100V) yaxshi sirt sifati, yaxshi qattiqlik va a'lo darajadagi aşınma qarshiligiga ega.

(5) Super qattiq plyonka
Superqattiq plyonka - bu 40GPa dan yuqori qattiqlikdagi, a'lo aşınma qarshiligi, yuqori haroratga chidamliligi va past ishqalanish koeffitsienti va past issiqlik kengayish koeffitsientiga ega qattiq plyonka, asosan amorf olmos plyonkasi va CN plyonkasi. Amorf olmos plyonkalari amorf xususiyatlarga ega, uzoq masofali tartiblangan tuzilishga ega emas va ko'p miqdordagi CC tetraedral bog'lanishlarni o'z ichiga oladi, shuning uchun ular tetraedral amorf uglerod plyonkalari deb ham ataladi. Amorf uglerod plyonkasining bir turi sifatida olmosga o'xshash qoplama (DLC) olmosga o'xshash ko'plab ajoyib xususiyatlarga ega, masalan, yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi, yuqori qattiqlik, yuqori elastiklik moduli, past issiqlik kengayish koeffitsienti, yaxshi kimyoviy barqarorlik, yaxshi aşınma qarshiligi va past ishqalanish koeffitsienti. Tishli yuzalarga olmosga o'xshash plyonkalarni qoplash xizmat muddatini 6 baravarga uzaytirishi va charchoq qarshiligini sezilarli darajada yaxshilashi ko'rsatilgan. Amorf uglerod-azot plyonkalari sifatida ham tanilgan CN plyonkalari β-Si3N4 kovalent birikmalariga o'xshash kristall tuzilishga ega va β-C3N4 sifatida ham tanilgan. Liu va Koen va boshqalar. birinchi tabiat printsipidan psevdopotensial tasma hisob-kitoblaridan foydalangan holda qat'iy nazariy hisob-kitoblarni amalga oshirdi, β-C3N4 ning katta bog'lanish energiyasiga, barqaror mexanik tuzilishga, kamida bitta sub-barqaror holatga ega bo'lishi mumkinligini va uning elastik moduli olmos bilan taqqoslanishi mumkinligini, yaxshi xususiyatlarga ega ekanligini tasdiqladi, bu materialning sirt qattiqligi va aşınma qarshiligini samarali ravishda yaxshilashi va ishqalanish koeffitsientini kamaytirishi mumkin.

(6) Boshqa qotishma aşınmaya bardoshli qoplama qatlami
Ba'zi qotishma aşınmaya bardoshli qoplamalar ham tishli g'ildiraklarga qo'llanilishi sinab ko'rildi, masalan, 45 # po'lat tishli g'ildiraklarning tish yuzasiga Ni-P-Co qotishma qatlamini qo'llash ultra mayda donali tashkil etishni olish uchun qotishma qatlami bo'lib, bu xizmat muddatini 1,144 ~ 1,533 martagacha uzaytirishi mumkin. Shuningdek, Cu-Cr-P qotishma quyma temir tishli g'ildirakning tish yuzasiga Cu metall qatlami va Ni-W qotishma qoplamasi qo'llanilishi uning mustahkamligini oshirish uchun o'rganilgan; HT250 quyma temir tishli g'ildirakning tish yuzasiga Ni-W va Ni-Co qotishma qoplamasi qo'llanilishi, qoplamagan tishli g'ildiraklarga nisbatan aşınmaya bardoshliligini 4 ~ 6 marta oshirish uchun qo'llanilgan.