Zobratu pārklājuma tehnoloģija

PVD uzklāšanas tehnoloģija jau daudzus gadus tiek praktizēta kā jauna virsmas modifikācijas tehnoloģija, īpaši vakuuma jonu pārklājuma tehnoloģija, kas pēdējos gados ir guvusi lielu attīstību un tagad tiek plaši izmantota instrumentu, veidņu, virzuļu gredzenu, zobratu un citu komponentu apstrādē. .Pārklātie zobrati, kas sagatavoti ar vakuuma jonu pārklājuma tehnoloģiju, var ievērojami samazināt berzes koeficientu, uzlabot pretnodiluma un noteiktu pretkorozijas novēršanu, un tie ir kļuvuši par galveno un karsto punktu zobratu virsmas stiprināšanas tehnoloģiju jomā.

Zobratiem izmantotie materiāli galvenokārt ir kalts tērauds, čuguns, krāsainie metāli (varš, alumīnijs) un plastmasa.Tērauds galvenokārt ir 45 tērauds, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Tērauds ar zemu oglekļa saturu, ko galvenokārt izmanto 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Kaltais tērauds tiek plašāk izmantots zobratos, jo tas ir labāks, savukārt tēraudu parasti izmanto zobratu ražošanai ar diametru > 400 mm un sarežģītu struktūru.Čuguna zobrati pret līmi un pret iedobēm, bet triecienizturības un nodilumizturības trūkums, galvenokārt stabilam darbam, jauda nav maza ātruma vai liela izmēra un sarežģītas formas, var darboties ar nosacījumu, ka trūkst eļļošanas, piemērots atvērtam. pārnešana.Krāsainie metāli, ko parasti izmanto, ir alvas bronza, alumīnija-dzelzs bronza un alumīnija sakausējums, ko parasti izmanto turbīnu vai zobratu ražošanā, taču slīdēšanas un pretberzes īpašības ir sliktas, tikai vieglai, vidējai slodzei un mazam ātrumam. zobrati.Nemetāla materiāla zobratus galvenokārt izmanto dažās jomās ar īpašām prasībām, piemēram, eļļošanu bez eļļas un augstu uzticamību.Tādu apstākļu joma kā zems piesārņojums, piemēram, sadzīves tehnika, medicīnas iekārtas, pārtikas mašīnas un tekstilrūpniecības iekārtas.

Zobratu pārklājuma materiāli

Inženierkeramikas materiāli ir ārkārtīgi daudzsološi materiāli ar augstu izturību un cietību, īpaši izcilu karstumizturību, zemu siltumvadītspēju un siltuma izplešanos, augstu nodilumizturību un oksidācijas izturību.Liels skaits pētījumu ir parādījuši, ka keramikas materiāli pēc būtības ir karstumizturīgi un tiem ir mazs metālu nodilums.Tāpēc keramikas materiālu izmantošana metāla materiālu vietā nodilumizturīgām daļām var uzlabot berzes apakšdaļas kalpošanas laiku, var atbilst dažiem augstas temperatūras un augstas nodilumizturības materiāliem, daudzfunkcionālām un citām stingrām prasībām.Šobrīd inženierkeramikas materiāli ir izmantoti dzinēju karstumizturīgo detaļu ražošanā, mehāniskā transmisija dilstošajās daļās, ķīmiskās iekārtas korozijizturīgajās daļās un blīvējošās daļās, kas arvien vairāk liecina par keramikas materiālu plašo pielietojumu perspektīvām.

Tādas attīstītās valstis kā Vācija, Japāna, ASV, Lielbritānija un citas valstis lielu nozīmi piešķir inženierkeramikas materiālu izstrādei un pielietojumam, ieguldot daudz naudas un darbaspēka, lai izstrādātu inženierkeramikas apstrādes teoriju un tehnoloģiju.Vācija ir uzsākusi programmu “SFB442”, kuras mērķis ir izmantot PVD tehnoloģiju, lai sintezētu piemērotu plēvi uz detaļu virsmas, lai aizstātu videi un cilvēka ķermenim potenciāli kaitīgo smērvielu.PW Gold un citi Vācijā izmantoja finansējumu no SFB442, lai izmantotu PVD tehnoloģiju, lai uz rites gultņu virsmas uzklātu plānas kārtiņas, un konstatēja, ka rites gultņu pretnodiluma veiktspēja ir ievērojami uzlabojusies un uz virsmas uzklātās plēves var pilnībā aizstāt rites gultņu virsmu. ekstrēma spiediena pretnodiluma piedevu funkcija.Joahims, Francs u.c.Vācijā izmantoja PVD tehnoloģiju, lai sagatavotu WC/C plēves, kurām piemīt izcilas pretnoguruma īpašības, kas ir augstākas nekā smērvielām, kas satur EP piedevas, kā rezultātā ir iespējams aizstāt kaitīgās piedevas ar pārklājumiem.E. Lugscheider et al.Materiālzinātņu institūta Āhenes Tehniskajā universitātē, Vācijā, ar DFG (Vācijas pētniecības komisijas) finansējumu, tika uzrādīta ievērojama noguruma izturības palielināšanās pēc atbilstošu plēvju uzklāšanas uz 100Cr6 tērauda, ​​izmantojot PVD tehnoloģiju.Turklāt ASV uzņēmums General Motors ir sācis VolvoS80Turbo tipa automašīnu pārnesumu virsmas nogulsnēšanas plēvi, lai uzlabotu noguruma pretestību bedrēm;slavenā Timken kompānija ir laidusi klajā nosaukumu ES200 zobratu virsmas plēve;Vācijā ir parādījies reģistrētā preču zīme MAXIT zobratu pārklājums;reģistrētas preču zīmes Graphit-iC un Dymon-iC attiecīgi Gear pārklājumi ar reģistrētajām preču zīmēm Graphit-iC un Dymon-iC ir pieejami arī Apvienotajā Karalistē.

Zobpārvadi kā svarīgas mehāniskās transmisijas rezerves daļas ieņem nozīmīgu lomu rūpniecībā, tāpēc ir ļoti svarīga praktiska nozīme pētīt keramikas materiālu pielietojumu zobratiem.Pašlaik zobratiem izmantotā inženierkeramika galvenokārt ir šāda.

1、TiN pārklājuma slānis
1 、TiN

Jonu pārklājums TiN keramikas slānis ir viens no visplašāk izmantotajiem virsmas modificētajiem pārklājumiem ar augstu cietību, augstu adhēzijas izturību, zemu berzes koeficientu, labu izturību pret koroziju utt. Tas ir plaši izmantots dažādās jomās, īpaši instrumentu un veidņu rūpniecībā.Galvenais iemesls, kas ietekmē keramikas pārklājuma uzklāšanu zobratiem, ir keramikas pārklājuma un pamatnes savienojuma problēma.Tā kā zobratu darba apstākļi un ietekmējošie faktori ir daudz sarežģītāki nekā instrumentiem un veidnēm, viena TiN pārklājuma uzklāšana zobratu virsmas apstrādei ir ļoti ierobežota.Lai gan keramikas pārklājuma priekšrocības ir augsta cietība, zems berzes koeficients un izturība pret koroziju, tas ir trausls un grūti iegūt biezāku pārklājumu, tāpēc tam ir nepieciešams augstas cietības un augstas stiprības substrāts, lai atbalstītu pārklājumu, lai tas atbilstu tā īpašībām.Tāpēc keramiskais pārklājums galvenokārt tiek izmantots karbīda un ātrgaitas tērauda virsmām.Pārnesuma materiāls ir mīksts salīdzinājumā ar keramikas materiālu, un atšķirība starp pamatnes un pārklājuma raksturu ir liela, tāpēc pārklājuma un pamatnes kombinācija ir slikta, un pārklājums nav pietiekams, lai atbalstītu pārklājumu, padarot. pārklājums lietošanas procesā viegli nokrīt, ne tikai nevar izmantot keramikas pārklājuma priekšrocības, bet arī keramikas pārklājuma daļiņas, kas nokrīt, izraisīs zobrata abrazīvu nodilumu, paātrinot zobrata nodiluma zudumu.Pašreizējais risinājums ir izmantot kompozītmateriālu virsmas apstrādes tehnoloģiju, lai uzlabotu saikni starp keramiku un pamatni.Kompozītmateriālu virsmas apstrādes tehnoloģija attiecas uz fizikālu tvaiku pārklājuma pārklājumu un citu virsmas apstrādes procesu vai pārklājumu kombināciju, izmantojot divas atsevišķas virsmas/apakšvirsmas, lai modificētu substrāta materiāla virsmu, lai iegūtu kompozītmateriāla mehāniskās īpašības, kuras nevar sasniegt ar vienu virsmas apstrādes procesu. .TiN kompozītmateriālu pārklājums, kas uzklāts ar jonu nitrīdēšanu un PVD, ir viens no visvairāk izpētītajiem kompozītmateriālu pārklājumiem.Plazmas nitrīdēšanas substrātam un TiN keramikas kompozītmateriāla pārklājumam ir spēcīga saite, un nodilumizturība ir ievērojami uzlabota.

Optimālais TiN plēves slāņa biezums ar izcilu nodilumizturību un plēves pamatnes savienojumu ir aptuveni 3 ~ 4 μm.Ja plēves slāņa biezums ir mazāks par 2μm, nodilumizturība būtiski neuzlabosies.Ja plēves slāņa biezums ir lielāks par 5 μm, plēves pamatnes savienojums tiks samazināts.

2、Daudzslāņu, daudzkomponentu TiN pārklājums

Pakāpeniski un plaši pielietojot TiN pārklājumus, arvien vairāk tiek pētīts, kā uzlabot un uzlabot TiN pārklājumus.Pēdējos gados ir izstrādāti daudzkomponentu pārklājumi un daudzslāņu pārklājumi, kuru pamatā ir bināri TiN pārklājumi, piemēram, Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN. /Al2O3 utt., TiN pārklājumiem pievienojot tādus elementus kā Al un Si, var uzlabot pārklājumu izturību pret oksidēšanu augstā temperatūrā un cietību, savukārt, pievienojot tādus elementus kā B, var uzlabot pārklājumu cietību un adhēzijas izturību.

Daudzkomponentu kompozīcijas sarežģītības dēļ šajā pētījumā ir daudz strīdu.(Tix,Cr1-x)N daudzkomponentu pārklājumu izpētē ir liela pretruna pētījuma rezultātos.Daži cilvēki uzskata, ka (Tix,Cr1-x)N pārklājumi ir balstīti uz TiN, un Cr var pastāvēt tikai kā aizstājējs cietais šķīdums TiN punktmatricā, bet ne kā atsevišķa CrN fāze.Citi pētījumi liecina, ka Cr atomu skaits, kas tieši aizstāj Ti atomus (Tix,Cr1-x)N pārklājumos, ir ierobežots, un atlikušais Cr eksistē singleta stāvoklī vai veido savienojumus ar N. Eksperimenta rezultāti liecina, ka Cr pievienošana pārklājumam samazina virsmas daļiņu izmēru un palielina cietību, un pārklājuma cietība sasniedz augstāko vērtību, kad Cr masas procents sasniedz 3l%, bet arī pārklājuma iekšējais spriegums sasniedz maksimālo vērtību.

3. Cits pārklājuma slānis

Papildus parasti izmantotajiem TiN pārklājumiem zobratu virsmas stiprināšanai tiek izmantota daudz dažādu inženierkeramikas izstrādājumu.

(1)Y.Terauchi et al.Japāna pētīja titāna karbīda vai titāna nitrīda keramikas zobratu izturību pret berzes nodilumu, kas nogulsnēts ar tvaiku pārklāšanas metodi.Zobrati tika karburēti un pulēti, lai sasniegtu virsmas cietību aptuveni HV720 un virsmas raupjumu 2,4 μm pirms pārklāšanas, un keramikas pārklājumi tika sagatavoti ar ķīmisko tvaiku pārklāšanu (CVD) titāna karbīdam un ar fizikālo tvaiku pārklāšanu (PVD) titāna nitrīds, kura keramikas plēves biezums ir aptuveni 2 μm.Berzes nodiluma īpašības tika pētītas attiecīgi eļļas un sausas berzes klātbūtnē.Tika konstatēts, ka zobrata skrūvspīļu izturība pret skrāpējumiem un skrāpējumiem pēc pārklāšanas ar keramiku tika ievērojami uzlabota.

(2) Ķīmiski pārklāta Ni-P un TiN kompozīta pārklājums tika sagatavots, iepriekš pārklājot Ni-P kā pārejas slāni un pēc tam uzklājot TiN.Pētījums liecina, ka šī kompozītmateriāla pārklājuma virsmas cietība ir zināmā mērā uzlabota, un pārklājums ir labāk savienots ar pamatni un tam ir labāka nodilumizturība.

(3) WC/C, B4C plānā plēve
M. Murakawa et al., Japānas Tehnoloģiju institūta Mašīnbūves nodaļa, izmantoja PVD tehnoloģiju, lai uz zobratu virsmas uzklātu WC/C plānu kārtiņu, un tā kalpošanas laiks trīs reizes pārsniedza parasto dzesināto un slīpēto zobratu kalpošanas laiku zem eļļas. bezmaksas eļļošanas nosacījumi.Francs J et al.izmantoja PVD tehnoloģiju, lai uz FEZ-A un FEZ-C zobratu virsmas uzklātu WC/C un B4C plānu kārtiņu, un eksperiments parādīja, ka PVD pārklājums ievērojami samazina zobratu berzi, padarīja zobratu mazāk jutīgu pret karsto līmēšanu vai līmēšanu, un uzlaboja zobrata nestspēju.

(4) CrN plēves
CrN plēves ir līdzīgas TiN plēvēm, jo ​​tām ir augstāka cietība, un CrN plēves ir izturīgākas pret oksidēšanu augstā temperatūrā nekā TiN, tām ir labāka izturība pret koroziju, zemāks iekšējais spriegums nekā TiN plēvēm un salīdzinoši labāka stingrība.Chen Ling et sagatavoja nodilumizturīgu TiAlCrN/CrN kompozītmateriālu plēvi ar izcilu uz plēvi balstītu savienojumu uz HSS virsmas, kā arī ierosināja daudzslāņu plēves dislokācijas sakraušanas teoriju, ja dislokācijas enerģijas starpība starp diviem slāņiem ir liela un notiek dislokācija. vienā slānī būs grūti šķērsot tā saskarni otrā slānī, tādējādi veidojot dislokācijas sakraušanu saskarnē un spēlējot materiāla nostiprināšanas lomu.Zhong Bin et pētīja slāpekļa satura ietekmi uz CrNx plēvju fāzes struktūru un berzes nodiluma īpašībām, un pētījums parādīja, ka Cr2N (211) difrakcijas maksimums plēvēs pakāpeniski vājinājās un CrN (220) maksimums pakāpeniski palielinājās, palielinoties. No N2 satura, lielās daļiņas uz plēves virsmas pakāpeniski samazinājās un virsmai bija tendence būt plakanai.Kad N2 aerācija bija 25 ml/min (mērķa avota loka strāva bija 75 A, uzklātajai CrN plēvei ir laba virsmas kvalitāte, laba cietība un lieliska nodilumizturība, kad N2 aerācija ir 25 ml/min (mērķa avota loka strāva ir 75 A, negatīva). Spiediens ir 100 V).

(5) Superhard plēve
Superhard plēve ir cieta plēve, kuras cietība pārsniedz 40 GPa, lieliska nodilumizturība, augsta temperatūras izturība un zems berzes koeficients un zems termiskās izplešanās koeficients, galvenokārt amorfā dimanta plēve un CN plēve.Amorfajām dimantu plēvēm ir amorfas īpašības, tām nav liela attāluma sakārtotas struktūras, un tās satur lielu skaitu CC tetraedrisku saišu, tāpēc tās sauc arī par tetraedriskām amorfām oglekļa plēvēm.Kā sava veida amorfai oglekļa plēvei dimantam līdzīgajam pārklājumam (DLC) ir daudzas lieliskas īpašības, kas līdzīgas dimantam, piemēram, augsta siltumvadītspēja, augsta cietība, augsts elastības modulis, zems termiskās izplešanās koeficients, laba ķīmiskā stabilitāte, laba nodilumizturība un zems berzes koeficients.Ir pierādīts, ka dimantiem līdzīgu plēvju pārklāšana uz zobratu virsmām var pagarināt kalpošanas laiku 6 reizes un ievērojami uzlabot noguruma izturību.CN plēvēm, kas pazīstamas arī kā amorfās oglekļa-slāpekļa plēves, ir kristāliskā struktūra, kas līdzīga β-Si3N4 kovalento savienojumu kristālu struktūrai, un tās sauc arī par β-C3N4.Liu un Koens u.c.veica stingrus teorētiskus aprēķinus, izmantojot pseidopotenciāla joslas aprēķinus pēc pirmās dabas principa, apstiprināja, ka β-C3N4 ir liela saistīšanās enerģija, stabila mehāniskā struktūra, var pastāvēt vismaz viens substabils stāvoklis un tā elastības modulis ir salīdzināms ar dimantu, ar labām īpašībām, kas var efektīvi uzlabot materiāla virsmas cietību un nodilumizturību un samazināt berzes koeficientu.

(6) Cits sakausējuma nodilumizturīgs pārklājuma slānis
Dažus sakausējumu nodilumizturīgus pārklājumus ir mēģināts uzklāt arī zobratiem, piemēram, Ni-P-Co sakausējuma slāņa nogulsnēšanās uz 45# tērauda zobratu zoba virsmas ir sakausējuma slānis, lai iegūtu īpaši smalku graudu organizāciju, kas var pagarināt kalpošanas laiku līdz 1,144 ~ 1,533 reizēm.Ir arī izpētīts, ka Cu-Cr-P sakausējuma čuguna zobratu zoba virsmai tiek uzklāts Cu metāla slānis un Ni-W sakausējuma pārklājums, lai uzlabotu tā izturību;Ni-W un Ni-Co sakausējuma pārklājums tiek uzklāts uz HT250 čuguna zobrata zoba virsmas, lai uzlabotu nodilumizturību 4–6 reizes salīdzinājumā ar nepārklāto zobratu.