Công nghệ phủ bánh răng

Công nghệ lắng đọng PVD đã được thực hành trong nhiều năm như một công nghệ sửa đổi bề mặt mới, đặc biệt là công nghệ phủ ion chân không, đã đạt được sự phát triển lớn trong những năm gần đây và hiện đang được sử dụng rộng rãi trong xử lý dụng cụ, khuôn mẫu, vòng piston, bánh răng và các thành phần khác. Các bánh răng được phủ bằng công nghệ phủ ion chân không có thể làm giảm đáng kể hệ số ma sát, cải thiện khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn nhất định, và đã trở thành trọng tâm và điểm nóng của nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ gia cố bề mặt bánh răng.

Vật liệu phổ biến dùng làm bánh răng chủ yếu là thép rèn, thép đúc, gang, kim loại màu (đồng, nhôm) và nhựa. Thép chủ yếu là thép 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. Thép cacbon thấp chủ yếu dùng 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Thép rèn được dùng rộng rãi hơn trong bánh răng vì hiệu suất tốt hơn, trong khi thép đúc thường dùng để chế tạo bánh răng có đường kính > 400mm và kết cấu phức tạp. Bánh răng gang chống dính và chống rỗ, nhưng thiếu khả năng chống va đập và mài mòn, chủ yếu dùng cho công việc ổn định, công suất không phải là tốc độ thấp hoặc kích thước lớn và hình dạng phức tạp, có thể làm việc trong điều kiện thiếu bôi trơn, thích hợp cho truyền động hở. Kim loại màu thường dùng là đồng thiếc, đồng nhôm-sắt và hợp kim nhôm đúc, thường dùng trong sản xuất tua bin hoặc bánh răng, nhưng tính chất trượt và chống ma sát kém, chỉ dùng cho bánh răng nhẹ, tải trọng trung bình và tốc độ thấp. Bánh răng vật liệu phi kim loại chủ yếu dùng trong một số lĩnh vực có yêu cầu đặc biệt, như bôi trơn không dầu và độ tin cậy cao. Lĩnh vực có điều kiện như ô nhiễm thấp, như đồ gia dụng, thiết bị y tế, máy móc thực phẩm và máy móc dệt.

Vật liệu phủ bánh răng

Vật liệu gốm kỹ thuật là vật liệu cực kỳ hứa hẹn với độ bền và độ cứng cao, đặc biệt là khả năng chịu nhiệt tuyệt vời, độ dẫn nhiệt và giãn nở nhiệt thấp, khả năng chống mài mòn và chống oxy hóa cao. Một số lượng lớn các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu gốm vốn có khả năng chịu nhiệt và ít mài mòn kim loại. Do đó, việc sử dụng vật liệu gốm thay cho vật liệu kim loại cho các bộ phận chống mài mòn có thể cải thiện tuổi thọ của lớp ma sát, có thể đáp ứng một số vật liệu chịu nhiệt độ cao và chống mài mòn cao, đa chức năng và các yêu cầu khó khăn khác. Hiện nay, vật liệu gốm kỹ thuật đã được sử dụng trong sản xuất các bộ phận chịu nhiệt của động cơ, truyền động cơ học trong các bộ phận chịu mài mòn, thiết bị hóa học trong các bộ phận chống ăn mòn và các bộ phận bịt kín, ngày càng cho thấy triển vọng ứng dụng rộng rãi của vật liệu gốm.

Các nước phát triển như Đức, Nhật Bản, Hoa Kỳ, Anh và các nước khác rất coi trọng việc phát triển và ứng dụng vật liệu gốm kỹ thuật, đầu tư rất nhiều tiền bạc và nhân lực để phát triển lý thuyết và công nghệ chế biến gốm kỹ thuật. Đức đã triển khai một chương trình mang tên “SFB442”, mục đích là sử dụng công nghệ PVD để tổng hợp một lớp màng phù hợp trên bề mặt các bộ phận nhằm thay thế môi trường bôi trơn có khả năng gây hại cho môi trường và cơ thể con người. PW Gold và những người khác ở Đức đã sử dụng nguồn tài trợ từ SFB442 để ứng dụng công nghệ PVD để lắng đọng lớp màng mỏng trên bề mặt ổ trục lăn và nhận thấy hiệu suất chống mài mòn của ổ trục lăn được cải thiện đáng kể và lớp màng lắng đọng trên bề mặt có thể thay thế hoàn toàn chức năng của phụ gia chống mài mòn chịu áp suất cực cao. Joachim, Franz và cộng sự ở Đức đã sử dụng công nghệ PVD để chế tạo lớp màng WC/C thể hiện đặc tính chống mỏi tuyệt vời, cao hơn so với chất bôi trơn có chứa phụ gia EP, kết quả này cũng mang lại khả năng thay thế phụ gia có hại bằng lớp phủ. E. Lugscheider và cộng sự thuộc Viện Khoa học Vật liệu, Đại học Kỹ thuật Aachen, Đức, với nguồn tài trợ từ DFG (Ủy ban Nghiên cứu Đức), đã chứng minh khả năng chống mỏi tăng đáng kể sau khi lắng đọng lớp màng thích hợp trên thép 100Cr6 bằng công nghệ PVD. Ngoài ra, General Motors của Hoa Kỳ đã bắt đầu sử dụng màng phủ bề mặt bánh răng cho xe ô tô loại VolvoS80Turbo để cải thiện khả năng chống rỗ do mỏi; công ty Timken nổi tiếng đã tung ra màng phủ bề mặt bánh răng có tên ES200; nhãn hiệu đã đăng ký MAXIT gear coating đã xuất hiện tại Đức; nhãn hiệu đã đăng ký Graphit-iC và Dymon-iC Lớp phủ bánh răng với nhãn hiệu đã đăng ký Graphit-iC và Dymon-iC cũng có sẵn tại Vương quốc Anh.

Là một bộ phận quan trọng của truyền động cơ khí, bánh răng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp, do đó việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu gốm vào bánh răng có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng. Hiện nay, gốm kỹ thuật ứng dụng vào bánh răng chủ yếu là các loại sau.

1、Lớp phủ TiN
1、TiN

Lớp phủ gốm TiN phủ ion là một trong những lớp phủ biến tính bề mặt được sử dụng rộng rãi nhất với độ cứng cao, cường độ bám dính cao, hệ số ma sát thấp, khả năng chống ăn mòn tốt, v.v. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong ngành công cụ và khuôn mẫu. Lý do chính ảnh hưởng đến việc ứng dụng lớp phủ gốm trên bánh răng là vấn đề liên kết giữa lớp phủ gốm và chất nền. Vì điều kiện làm việc và các yếu tố ảnh hưởng của bánh răng phức tạp hơn nhiều so với các công cụ và khuôn mẫu, nên việc ứng dụng một lớp phủ TiN duy nhất trên xử lý bề mặt bánh răng bị hạn chế rất nhiều. Mặc dù lớp phủ gốm có ưu điểm là độ cứng cao, hệ số ma sát thấp và khả năng chống ăn mòn, nhưng nó giòn và khó có được lớp phủ dày hơn, vì vậy cần có chất nền có độ cứng cao và cường độ cao để hỗ trợ lớp phủ để phát huy các đặc tính của nó. Do đó, lớp phủ gốm chủ yếu được sử dụng cho bề mặt cacbua và thép tốc độ cao. Vật liệu bánh răng mềm hơn so với vật liệu gốm, và sự khác biệt giữa bản chất của chất nền và lớp phủ là lớn, vì vậy sự kết hợp của lớp phủ và chất nền kém, và lớp phủ không đủ để hỗ trợ lớp phủ, khiến lớp phủ dễ rơi ra trong quá trình sử dụng, không những không phát huy được ưu điểm của lớp phủ gốm mà các hạt lớp phủ gốm rơi ra sẽ gây ra hiện tượng mài mòn trên bánh răng, đẩy nhanh quá trình mất độ mài mòn của bánh răng. Giải pháp hiện nay là sử dụng công nghệ xử lý bề mặt composite để cải thiện liên kết giữa gốm và chất nền. Công nghệ xử lý bề mặt composite đề cập đến sự kết hợp của lớp phủ lắng đọng hơi vật lý và các quy trình xử lý bề mặt hoặc lớp phủ khác, sử dụng hai bề mặt/bề mặt phụ riêng biệt để sửa đổi bề mặt của vật liệu nền để có được các tính chất cơ học tổng hợp không thể đạt được bằng một quy trình xử lý bề mặt duy nhất. Lớp phủ composite TiN được lắng đọng bằng phương pháp nitơ hóa ion và PVD là một trong những lớp phủ composite được nghiên cứu nhiều nhất. Chất nền nitơ hóa plasma và lớp phủ composite gốm TiN có liên kết chắc chắn và khả năng chống mài mòn được cải thiện đáng kể.

Độ dày tối ưu của lớp màng TiN có khả năng chống mài mòn và liên kết nền màng tuyệt vời là khoảng 3~4μm. Nếu độ dày của lớp màng nhỏ hơn 2μm, khả năng chống mài mòn sẽ không được cải thiện đáng kể. Nếu độ dày của lớp màng lớn hơn 5μm, liên kết nền màng sẽ giảm.

2、Lớp phủ TiN nhiều lớp, nhiều thành phần

Với việc ứng dụng dần dần và rộng rãi của lớp phủ TiN, ngày càng có nhiều nghiên cứu về cách cải thiện và nâng cao lớp phủ TiN. Trong những năm gần đây, lớp phủ đa thành phần và lớp phủ nhiều lớp đã được phát triển dựa trên lớp phủ TiN nhị phân, chẳng hạn như Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix, Cr1-x) N, TiN/Al2O3, v.v. Bằng cách thêm các nguyên tố như Al và Si vào lớp phủ TiN, khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao và độ cứng của lớp phủ có thể được cải thiện, trong khi việc thêm các nguyên tố như B có thể cải thiện độ cứng và cường độ bám dính của lớp phủ.

Do tính phức tạp của thành phần đa thành phần, có nhiều tranh cãi trong nghiên cứu này. Trong nghiên cứu về lớp phủ đa thành phần (Tix, Cr1-x) N, có một cuộc tranh cãi lớn trong kết quả nghiên cứu. Một số người cho rằng lớp phủ (Tix, Cr1-x) N dựa trên TiN và Cr chỉ có thể tồn tại dưới dạng dung dịch rắn thay thế trong ma trận chấm TiN, nhưng không phải là pha CrN riêng biệt. Các nghiên cứu khác cho thấy số lượng nguyên tử Cr thay thế trực tiếp các nguyên tử Ti trong lớp phủ (Tix, Cr1-x) N là có hạn và Cr còn lại tồn tại ở trạng thái đơn lẻ hoặc tạo thành hợp chất với N. Kết quả thực nghiệm cho thấy việc bổ sung Cr vào lớp phủ làm giảm kích thước hạt bề mặt và tăng độ cứng, độ cứng của lớp phủ đạt giá trị cao nhất khi phần trăm khối lượng của Cr đạt 31%, nhưng ứng suất bên trong của lớp phủ cũng đạt giá trị cực đại.

3、Lớp phủ khác

Ngoài lớp phủ TiN thường dùng, nhiều loại gốm kỹ thuật khác nhau cũng được sử dụng để gia cố bề mặt bánh răng.

(1)Y. Terauchi và cộng sự của Nhật Bản đã nghiên cứu khả năng chống mài mòn do ma sát của bánh răng gốm titan carbide hoặc titan nitride được phủ bằng phương pháp lắng đọng hơi. Các bánh răng được thấm cacbon và đánh bóng để đạt được độ cứng bề mặt khoảng HV720 và độ nhám bề mặt là 2,4 μm trước khi phủ, và lớp phủ gốm được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) đối với titan carbide và bằng phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD) đối với titan nitride, với độ dày màng gốm khoảng 2 μm. Các đặc tính chống mài mòn do ma sát đã được nghiên cứu khi có dầu và ma sát khô. Người ta thấy rằng khả năng chống mài mòn và chống trầy xước của ê tô bánh răng được tăng cường đáng kể sau khi phủ gốm.

(2)Lớp phủ composite Ni-P và TiN phủ hóa học được chế tạo bằng cách phủ Ni-P trước làm lớp chuyển tiếp rồi lắng đọng TiN. Nghiên cứu cho thấy độ cứng bề mặt của lớp phủ composite này đã được cải thiện ở một mức độ nhất định, lớp phủ liên kết tốt hơn với chất nền và có khả năng chống mài mòn tốt hơn.

(3) Màng mỏng WC/C, B4C
M. Murakawa và cộng sự, Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Viện Công nghệ Nhật Bản, đã sử dụng công nghệ PVD để phủ lớp màng mỏng WC/C lên bề mặt bánh răng và tuổi thọ của nó gấp ba lần so với bánh răng tôi và mài thông thường trong điều kiện bôi trơn không dầu. Franz J và cộng sự đã sử dụng công nghệ PVD để phủ lớp màng mỏng WC/C và B4C lên bề mặt bánh răng FEZ-A và FEZ-C, và thí nghiệm cho thấy lớp phủ PVD làm giảm đáng kể ma sát của bánh răng, làm cho bánh răng ít bị dính keo nóng hoặc dính keo, đồng thời cải thiện khả năng chịu tải của bánh răng.

(4) Phim CrN
Phim CrN tương tự như phim TiN ở chỗ chúng có độ cứng cao hơn và phim CrN có khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao tốt hơn TiN, có khả năng chống ăn mòn tốt hơn, ứng suất bên trong thấp hơn phim TiN và độ dẻo dai tương đối tốt hơn. Chen Ling et đã chế tạo một màng composite TiAlCrN/CrN chống mài mòn với liên kết dựa trên màng tuyệt vời trên bề mặt HSS và cũng đề xuất lý thuyết xếp chồng lệch vị trí của màng nhiều lớp, nếu chênh lệch năng lượng lệch vị trí giữa hai lớp lớn, lệch vị trí xảy ra ở một lớp sẽ khó vượt qua giao diện của nó vào lớp kia, do đó hình thành xếp chồng lệch vị trí tại giao diện và đóng vai trò tăng cường vật liệu. Zhong Bin et đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nitơ đến cấu trúc pha và tính chất mài mòn ma sát của màng CrNx và nghiên cứu cho thấy đỉnh nhiễu xạ Cr2N (211) trong màng dần yếu đi và đỉnh CrN (220) dần tăng lên khi hàm lượng N2 tăng, các hạt lớn trên bề mặt màng dần giảm đi và bề mặt có xu hướng phẳng. Khi luồng khí N2 là 25 ml/phút (dòng hồ quang nguồn mục tiêu là 75 A, màng CrN lắng đọng có chất lượng bề mặt tốt, độ cứng tốt và khả năng chống mài mòn tuyệt vời khi luồng khí N2 là 25 ml/phút (dòng hồ quang nguồn mục tiêu là 75 A, áp suất âm là 100 V).

(5) Phim siêu cứng
Phim siêu cứng là màng rắn có độ cứng lớn hơn 40GPa, khả năng chống mài mòn tuyệt vời, khả năng chịu nhiệt độ cao và hệ số ma sát thấp và hệ số giãn nở nhiệt thấp, chủ yếu là màng kim cương vô định hình và màng CN. Màng kim cương vô định hình có tính chất vô định hình, không có cấu trúc có trật tự tầm xa và chứa một số lượng lớn các liên kết tứ diện CC, vì vậy chúng còn được gọi là màng cacbon vô định hình tứ diện. Là một loại màng cacbon vô định hình, lớp phủ giống kim cương (DLC) có nhiều tính chất tuyệt vời tương tự như kim cương, chẳng hạn như độ dẫn nhiệt cao, độ cứng cao, mô đun đàn hồi cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ ổn định hóa học tốt, khả năng chống mài mòn tốt và hệ số ma sát thấp. Người ta đã chứng minh rằng việc phủ các màng giống kim cương trên bề mặt bánh răng có thể kéo dài tuổi thọ lên gấp 6 lần và cải thiện đáng kể khả năng chống mỏi. Màng CN, còn được gọi là màng cacbon-nitơ vô định hình, có cấu trúc tinh thể tương tự như cấu trúc của hợp chất cộng hóa trị β-Si3N4 và còn được gọi là β-C3N4. Liu và Cohen và cộng sự. thực hiện các tính toán lý thuyết nghiêm ngặt bằng cách sử dụng các phép tính dải giả thế từ nguyên lý tự nhiên đầu tiên, xác nhận rằng β-C3N4 có năng lượng liên kết lớn, cấu trúc cơ học ổn định, có thể tồn tại ít nhất một trạng thái dưới ổn định và mô đun đàn hồi của nó tương đương với kim cương, có các tính chất tốt, có thể cải thiện hiệu quả độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn của vật liệu và giảm hệ số ma sát.

(6) Lớp phủ chống mài mòn hợp kim khác
Một số lớp phủ chống mài mòn hợp kim cũng đã được thử nghiệm để áp dụng cho bánh răng, ví dụ, lớp hợp kim Ni-P-Co lắng đọng trên bề mặt răng của bánh răng thép 45# là lớp hợp kim để có được tổ chức hạt siêu mịn, có thể kéo dài tuổi thọ lên đến 1,144~1,533 lần. Người ta cũng đã nghiên cứu rằng lớp kim loại Cu và lớp phủ hợp kim Ni-W được áp dụng trên bề mặt răng của bánh răng gang hợp kim Cu-Cr-P để cải thiện độ bền của nó; lớp phủ hợp kim Ni-W và Ni-Co được áp dụng trên bề mặt răng của bánh răng gang HT250 để cải thiện khả năng chống mài mòn gấp 4~6 lần so với bánh răng không phủ.