Công nghệ phủ bánh răng

Công nghệ lắng đọng PVD đã được ứng dụng trong nhiều năm như một công nghệ cải tiến bề mặt mới, đặc biệt là công nghệ phủ ion chân không, đã đạt được sự phát triển vượt bậc 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 bộ phận khác. 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 ở một mức độ nhất định, và đã trở thành trọng tâm và điểm nóng trong nghiên cứu lĩnh vực công nghệ tăng cường bề mặt bánh răng.

Các vật liệu thường được sử dụng cho 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 được sử dụng trong 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. Thép rèn được sử dụng rộng rãi hơn trong bánh răng vì hiệu suất tốt hơn, trong khi thép đúc thường được sử dụng để chế tạo bánh răng có đường kính > 400mm và cấu trúc phức tạp. Bánh răng gang có khả năng chống dính và chống rỗ, nhưng thiếu khả năng chống va đập và mài mòn, chủ yếu dùng cho hoạt động ổn định, công suất không phù hợp với tốc độ thấp hoặc kích thước lớn và hình dạng phức tạp, có thể hoạt động trong điều kiện thiếu chất bôi trơn, thích hợp cho truyền động hở. Các kim loại màu thường được sử dụng là đồng thiếc, đồng nhôm-sắt và hợp kim nhôm đúc, thường được dùng trong sản xuất tuabin hoặc bánh răng, nhưng tính chất trượt và chống ma sát kém, chỉ thích hợp cho bánh răng tải nhẹ, trung bình và tốc độ thấp. Bánh răng làm từ vật liệu phi kim loại chủ yếu được sử dụng trong một số lĩnh vực có yêu cầu đặc biệt, chẳng hạn như bôi trơn không dầu và độ tin cậy cao. Các lĩnh vực có điều kiện ít ô nhiễm, như thiết bị gia dụng, thiết bị y tế, máy móc thực phẩm và máy móc dệt may.

Vật liệu phủ bánh răng

Vật liệu gốm kỹ thuật là những vật liệu đầy triển vọng 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. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu gốm có khả năng chịu nhiệt và độ mài mòn thấp so với kim loại. Do đó, việc sử dụng vật liệu gốm thay thế vật liệu kim loại cho các bộ phận chịu mài mòn có thể cải thiện tuổi thọ của bộ phận ma sát, đáp ứng được một số yêu cầu khắt khe về vật liệu chịu nhiệt độ cao và chịu mài mòn cao, đa chức năng và các yêu cầu khác. Hiện nay, vật liệu gốm kỹ thuật đã được sử dụng trong sản xuất các bộ phận chịu nhiệt của động cơ, các bộ phận chịu mài mòn trong truyền động cơ khí, các bộ phận chống ăn mòn và các bộ phận làm kín trong thiết bị hóa học, 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 khởi động một chương trình có tên gọi “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 chất bôi trơn có khả năng gây hại cho môi trường và sức khỏe con người. PW Gold và các công ty khác ở Đức đã sử dụng nguồn tài trợ từ SFB442 để áp dụng công nghệ PVD vào việc phủ các lớp màng mỏng lên bề mặt vòng bi và nhận thấy rằng hiệu suất chống mài mòn của vòng bi được cải thiện đáng kể, và các lớp màng phủ trên bề mặt có thể hoàn toàn thay thế chức năng của các chất 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 các lớp màng WC/C thể hiện đặc tính chống mỏi tuyệt vời, cao hơn so với chất bôi trơn chứa phụ gia EP, một kết quả tương tự cho thấy khả năng thay thế các chất 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 sự gia tăng đáng kể khả năng chống mỏi sau khi phủ các lớp màng thích hợp lên thép 100Cr6 bằng công nghệ PVD. Ngoài ra, General Motors của Hoa Kỳ cũng đã bắt đầu… Sản phẩm này sử dụng màng phủ bề mặt bánh răng xe Volvo S80 Turbo để cải thiện khả năng chống rỗ mỏi; công ty Timken nổi tiếng đã cho ra mắt màng phủ bề mặt bánh răng mang tên ES200; lớp phủ bánh răng mang nhãn hiệu đã đăng ký MAXIT đã xuất hiện tại Đức; các lớp phủ bánh răng mang nhãn hiệu đã đăng ký Graphit-iC và Dymon-iC cũng có mặt tại Anh.

Là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền động cơ khí, bánh răng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu gốm vào bánh răng có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng. Hiện nay, các loại gốm kỹ thuật được ứng dụng trong bánh răng chủ yếu bao gồm:

1. Lớp phủ TiN
1. Thiếc

Lớp phủ gốm TiN bằng phương pháp ion hóa là một trong những lớp phủ biến tính bề mặt được sử dụng rộng rãi nhất với độ cứng cao, 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 công cụ và khuôn mẫu, nên việc ứng dụng một lớp phủ TiN đơn lẻ trên 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 tạo được lớp phủ dày hơn, vì vậy nó cần một chất nền có độ cứng và độ bền cao để hỗ trợ lớp phủ nhằm 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 về bản chất giữa chất nền và lớp phủ là lớn, do đó sự kết hợp giữa lớp phủ và chất nền kém, và lớp phủ không đủ độ bền để nâng đỡ lớp phủ khác, khiến lớp phủ dễ bị bong tróc trong quá trình sử dụng. Điều này không chỉ không phát huy được ưu điểm của lớp phủ gốm, mà các hạt gốm bong ra còn gây mài mòn trên bánh răng, làm tăng tốc độ hao 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 giữa lớp phủ lắng đọng hơi vật lý (PVD) và các quy trình xử lý bề mặt hoặc lớp phủ khác, sử dụng hai bề mặt/lớp phụ riêng biệt để biến đổi bề mặt của vật liệu nền nhằm đạt được các tính chất cơ học composite mà một quy trình xử lý bề mặt đơn lẻ không thể đạt được. Lớp phủ composite TiN được lắng đọng bằng phương pháp nitriding ion và PVD là một trong những lớp phủ composite được nghiên cứu nhiều nhất. Chất nền được nitriding plasma và lớp phủ composite gốm TiN có liên kết mạnh và khả năng chống mài mòn được cải thiện đáng kể.

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

2. Lớp phủ TiN đa lớp, đa thành phần

Với việc ứng dụng dần dần và rộng rãi lớp phủ TiN, ngày càng có nhiều nghiên cứu về cách cải thiện và nâng cao chất lượng lớp phủ TiN. Trong những năm gần đây, các 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 độ bám dính của lớp phủ.

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

3. Lớp phủ khác

Ngoài các lớp phủ TiN thường được sử dụng, nhiều loại gốm kỹ thuật khác nhau cũng được dùng để tăng cường độ bền bề mặt bánh răng.

(1)Y. Terauchi và cộng sự của Nhật Bản đã nghiên cứu khả năng chống mài mòn ma sát của bánh răng gốm titan cacbua hoặc titan nitrua được lắng đọng bằng phương pháp lắng đọng hơi. Các bánh răng được cacbon hóa và đánh bóng để đạt được độ cứng bề mặt khoảng HV720 và độ nhám bề mặt 2,4 μm trước khi phủ, và lớp phủ gốm được điều chế bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) đối với titan cacbua và bằng phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD) đối với titan nitrua, với độ dày màng gốm khoảng 2 μm. Các đặc tính mài mòn ma sát được nghiên cứu trong điều kiện có dầu và ma sát khô. Kết quả cho thấy khả năng chống mài mòn và chống trầy xước của bánh răng kẹp được cải thiện đáng kể sau khi phủ gốm.

(2) Lớp phủ hỗn hợp Ni-P và TiN được phủ hóa học được chuẩn bị bằng cách phủ trước Ni-P làm lớp chuyển tiếp rồi phủ TiN. Nghiên cứu cho thấy độ cứng bề mặt của lớp phủ hỗn hợp 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 Cơ khí, Viện Công nghệ Nhật Bản, đã sử dụng công nghệ PVD để phủ màng mỏng WC/C lên bề mặt bánh răng, và tuổi thọ sử dụng của chúng 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 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 bánh răng, giúp bánh răng ít bị dính keo nóng hoặc keo dán, và cải thiện khả năng chịu tải của bánh răng.

(4) Phim CrN
Màng CrN tương tự như màng TiN ở chỗ chúng có độ cứng cao hơn, và màng 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 màng TiN và độ dẻo dai tương đối tốt hơn. Chen Ling và cộng sự 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 của màng đa lớp, nếu sự khác biệt năng lượng lệch giữa hai lớp lớn, lệch xảy ra trong một lớp sẽ khó vượt qua giao diện của nó sang lớp khác, do đó hình thành sự xếp chồng lệch tại giao diện và đóng vai trò tăng cường vật liệu. Zhong Bin và cộng sự 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 rằng đỉnh nhiễu xạ Cr2N (211) trong màng dần dần yếu đi và đỉnh CrN (220) dần dần tăng lên khi hàm lượng N2 tăng, các hạt lớn trên bề mặt màng dần dần giảm đi và bề mặt có xu hướng phẳng hơn. Khi sục khí N2 ở mức 25 ml/phút (dòng điện hồ quang nguồn mục tiêu là 75 A), lớp màng CrN được lắng đọng có chất lượng bề mặt tốt, độ cứng tốt và khả năng chống mài mòn tuyệt vời khi sục khí N2 ở mức 25 ml/phút (dòng điện hồ quang nguồn mục tiêu là 75 A, áp suất âm là 100 V).

(5) Phim siêu cứng
Màng siêu cứng là màng rắn có độ cứng lớn hơn 40GPa, khả năng chống mài mòn tuyệt vời, chịu nhiệt độ cao, 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 trật tự tầm xa và chứa một lượng lớn 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 đặc tính 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 màng giống kim cương lên 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 hợp chất cộng hóa trị β-Si3N4 và cũng được gọi là β-C3N4. Liu và Cohen et al. Các phép tính lý thuyết nghiêm ngặt được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp tính toán dải thế giả từ nguyên lý tự nhiên đầu tiên, đã xác nhận rằng β-C3N4 có năng lượng liên kết lớn, cấu trúc cơ học ổn định, ít nhất một trạng thái bán ổn định có thể tồn tại, và mô đun đàn hồi của nó tương đương với kim cương, với các đặc tính tốt, có thể cải thiện hiệu quả độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn của vật liệu, đồng thời giảm hệ số ma sát.

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