تكنولوجيا طلاء التروس

تم استخدام تقنية ترسيب PVD لسنوات عديدة كتقنية جديدة لتعديل السطح ، وخاصة تقنية الطلاء الأيوني الفراغي ، والتي اكتسبت تطورًا كبيرًا في السنوات الأخيرة وتستخدم الآن على نطاق واسع في معالجة الأدوات والقوالب وحلقات المكبس والتروس والمكونات الأخرى .يمكن للتروس المطلية التي أعدتها تقنية طلاء الأيونات الفراغية أن تقلل بشكل كبير من معامل الاحتكاك ، وتحسن مقاومة التآكل وبعض أنواع مقاومة التآكل ، وأصبحت محورًا ونقطة ساخنة للبحث في مجال تكنولوجيا تقوية سطح التروس.

المواد الشائعة المستخدمة في التروس هي الصلب المطروق والفولاذ المصبوب والحديد الزهر والمعادن غير الحديدية (النحاس والألمنيوم) والبلاستيك.يتكون الفولاذ بشكل أساسي من 45 فولاذ ، 35SiMn ، 40Cr ، 40CrNi ، 40MnB ، 38CrMoAl.الفولاذ منخفض الكربون يستخدم بشكل رئيسي في 20Cr ، 20CrMnTi ، 20MnB ، 20CrMnTo.يستخدم الفولاذ المطروق على نطاق واسع في التروس نظرًا لأدائه الأفضل ، بينما يستخدم الفولاذ المصبوب عادةً لتصنيع التروس بقطر أكبر من 400 مم وهيكل معقد.التروس المصنوعة من الحديد الزهر ومقاومة الصمغ ومقاومة التنقر ، ولكن قلة التأثير ومقاومة التآكل ، بشكل أساسي للعمل المستقر ، والقوة ليست منخفضة السرعة أو كبيرة الحجم وشكل معقد ، يمكن أن تعمل في حالة عدم وجود تزييت ، ومناسبة للفتح الانتقال.المعادن غير الحديدية المستخدمة بشكل شائع هي برونز القصدير والبرونز والحديد والألومنيوم وسبائك الألومنيوم المصبوبة ، وهي شائعة الاستخدام في صناعة التوربينات أو التروس ، ولكن خصائص الانزلاق ومقاومة الاحتكاك ضعيفة ، فقط للضوء ، متوسط ​​الحمل وسرعة منخفضة التروس.تستخدم تروس المواد غير المعدنية بشكل أساسي في بعض المجالات ذات المتطلبات الخاصة ، مثل التشحيم الخالي من الزيت والموثوقية العالية.مجال الظروف مثل التلوث المنخفض ، مثل الأجهزة المنزلية ، والمعدات الطبية ، والآلات الغذائية وآلات النسيج.

مواد طلاء التروس

تعتبر مواد السيراميك الهندسية مواد واعدة للغاية ذات قوة وصلابة عالية ، خاصة مقاومة الحرارة الممتازة ، والتوصيل الحراري المنخفض والتمدد الحراري ، ومقاومة التآكل العالية ومقاومة الأكسدة.أظهر عدد كبير من الدراسات أن المواد الخزفية بطبيعتها مقاومة للحرارة ولها تآكل منخفض على المعادن.لذلك ، فإن استخدام مواد السيراميك بدلاً من المواد المعدنية للأجزاء المقاومة للاهتراء يمكن أن يحسن من عمر فرع الاحتكاك ، ويمكن أن يلبي بعض درجات الحرارة العالية والمواد المقاومة للتآكل ، ومتطلبات متعددة الوظائف وغيرها من المتطلبات الصعبة.في الوقت الحاضر ، تم استخدام مواد السيراميك الهندسية في تصنيع الأجزاء المقاومة للحرارة للمحرك ، وناقل الحركة الميكانيكي في أجزاء التآكل ، والمعدات الكيميائية في الأجزاء المقاومة للتآكل وأجزاء الختم ، مما يُظهر التطبيق الواسع لآفاق مواد السيراميك.

الدول المتقدمة مثل ألمانيا واليابان والولايات المتحدة والمملكة المتحدة ودول أخرى تعلق أهمية كبيرة على تطوير وتطبيق مواد السيراميك الهندسية ، وتستثمر الكثير من المال والقوى العاملة لتطوير نظرية المعالجة والتكنولوجيا للسيراميك الهندسي.أطلقت ألمانيا برنامجًا يسمى "SFB442" ، والغرض منه استخدام تقنية PVD لتجميع فيلم مناسب على سطح الأجزاء لاستبدال وسيط التشحيم الذي قد يكون ضارًا بالبيئة وجسم الإنسان.استخدمت PW Gold وآخرون في ألمانيا التمويل المقدم من SFB442 لتطبيق تقنية PVD لإيداع أغشية رقيقة على سطح المحامل المتدحرجة ووجدوا أن أداء مقاومة التآكل للمحامل الدوارة قد تحسن بشكل كبير وأن الأغشية المودعة على السطح يمكن أن تحل محل وظيفة من المواد المضافة المضادة للاهتراء الضغط الشديد.يواكيم وفرانز وآخرون.في ألمانيا ، استخدمت تقنية PVD لتحضير أغشية WC / C تظهر خصائص ممتازة مضادة للإرهاق ، أعلى من تلك الموجودة في مواد التشحيم التي تحتوي على إضافات EP ، وهي نتيجة تؤدي بالمثل إلى إمكانية استبدال المضافات الضارة بالطلاء.إي لوغشايدر وآخرون.من معهد علوم المواد ، الجامعة التقنية في آخن ، ألمانيا ، بتمويل من DFG (لجنة الأبحاث الألمانية) ، أظهر زيادة كبيرة في مقاومة التعب بعد إيداع الأفلام المناسبة على فولاذ 100Cr6 باستخدام تقنية PVD.بالإضافة إلى ذلك ، بدأت شركة جنرال موتورز في الولايات المتحدة في فيلم ترسيب سطح تروس السيارة من نوع VolvoS80Turbo لتحسين مقاومة التنقر بالإجهاد ؛أطلقت شركة Timken الشهيرة اسم ES200 والعتاد السطحي ؛ظهر طلاء التروس MAXIT للعلامة التجارية المسجلة في ألمانيا ؛العلامات التجارية المسجلة Graphit-iC و Dymon-iC على التوالي طلاء الجير مع العلامات التجارية المسجلة Graphit-iC و Dymon-iC متاح أيضًا في المملكة المتحدة.

تلعب التروس دورًا مهمًا في الصناعة ، باعتبارها قطع غيار مهمة في ناقل الحركة الميكانيكي ، لذلك من المهم للغاية دراسة تطبيق مواد السيراميك على التروس.في الوقت الحاضر ، السيراميك الهندسي المطبق على التروس هو بشكل أساسي ما يلي.

1 ، طبقة طلاء TiN
1 ، TiN

طلاء الأيونات بطبقة سيراميك TiN هي واحدة من أكثر الطلاءات المعدلة للسطح استخدامًا مع صلابة عالية ، قوة التصاق عالية ، معامل احتكاك منخفض ، مقاومة جيدة للتآكل ، إلخ. لقد تم استخدامها على نطاق واسع في مختلف المجالات ، خاصة في صناعة الأدوات والقوالب.السبب الرئيسي الذي يؤثر على تطبيق طلاء السيراميك على التروس هو مشكلة الترابط بين طلاء السيراميك والركيزة.نظرًا لأن ظروف العمل والعوامل المؤثرة في التروس أكثر تعقيدًا بكثير من تلك الخاصة بالأدوات والقوالب ، فإن تطبيق طلاء TiN الفردي على معالجة سطح التروس مقيد إلى حد كبير.على الرغم من أن طلاء السيراميك يتميز بالصلابة العالية ومعامل الاحتكاك المنخفض ومقاومة التآكل ، إلا أنه هش ويصعب الحصول على طلاء أكثر سمكًا ، لذلك يحتاج إلى صلابة عالية وركيزة عالية القوة لدعم الطلاء من أجل لعب خصائصه.لذلك ، يتم استخدام طلاء السيراميك في الغالب للكربيد وسطح الفولاذ عالي السرعة.مادة الترس ناعمة مقارنة بمادة السيراميك ، والفرق بين طبيعة الركيزة والطلاء كبير ، وبالتالي فإن مزيج الطلاء والركيزة ضعيف ، والطلاء لا يكفي لدعم الطلاء ، مما يجعل من السهل سقوط الطلاء في عملية الاستخدام ، ليس فقط لا يمكن أن تلعب مزايا طلاء السيراميك ، ولكن جزيئات طلاء السيراميك التي تتساقط ستسبب تآكلًا كاشطًا على الترس ، مما يؤدي إلى تسريع فقدان الترس.الحل الحالي هو استخدام تقنية معالجة الأسطح المركبة لتحسين الترابط بين السيراميك والركيزة.تشير تقنية معالجة الأسطح المركبة إلى الجمع بين طلاء ترسيب البخار الفيزيائي وعمليات معالجة السطح الأخرى أو الطلاءات ، باستخدام سطحين منفصلين / أسطح تحتية لتعديل سطح مادة الركيزة للحصول على خصائص ميكانيكية مركبة لا يمكن تحقيقها من خلال عملية معالجة سطح واحدة .يعتبر الطلاء المركب TiN المترسب بواسطة نيترة الأيونات و PVD أحد أكثر الطلاءات المركبة بحثًا.الركيزة النيتروجينية البلازمية والطلاء المركب الخزفي TiN لهما رابطة قوية وقد تم تحسين مقاومة التآكل بشكل كبير.

السماكة المثلى لطبقة فيلم TiN ذات مقاومة التآكل الممتازة والترابط الأساسي للفيلم هي حوالي 3 ~ 4 ميكرومتر.إذا كان سمك طبقة الفيلم أقل من 2 ميكرومتر ، فلن تتحسن مقاومة التآكل بشكل كبير.إذا كان سمك طبقة الفيلم أكثر من 5 ميكرومتر ، فسيتم تقليل الترابط الأساسي للفيلم.

2 ، طلاء TiN متعدد الطبقات ، متعدد المكونات

مع التطبيق التدريجي والواسع النطاق لطلاءات TiN ، هناك المزيد والمزيد من الأبحاث حول كيفية تحسين وتعزيز طلاء TiN.في السنوات الأخيرة ، تم تطوير الطلاءات متعددة المكونات والطبقات متعددة الطبقات بناءً على طلاءات TiN الثنائية ، مثل Ti-CN ، Ti-CNB ، Ti-Al-N ، Ti-BN ، (Tix ، Cr1-x) N ، TiN / Al2O3 ، إلخ. بإضافة عناصر مثل Al و Si إلى طبقات TiN ، يمكن تحسين مقاومة الأكسدة في درجات الحرارة العالية وصلابة الطلاء ، بينما يمكن أن تؤدي إضافة عناصر مثل B إلى تحسين الصلابة وقوة الالتصاق للطلاءات.

نظرًا لتعقيد التركيب متعدد المكونات ، هناك العديد من الخلافات في هذه الدراسة.في دراسة الطلاءات متعددة المكونات (Tix، Cr1-x) N ، كان هناك جدل كبير في نتائج البحث.يعتقد بعض الناس أن طلاءات (Tix ، Cr1-x) N تعتمد على TiN ، ويمكن أن يوجد Cr فقط في شكل محلول صلب بديل في مصفوفة نقطية TiN ، ولكن ليس كمرحلة CrN منفصلة.تظهر دراسات أخرى أن عدد ذرات الكروم التي تحل محل ذرات Ti مباشرة في طبقات (Tix ، Cr1-x) N محدود ، والكروم المتبقي موجود في الحالة المفردة أو يشكل مركبات مع N. تظهر النتائج التجريبية أن إضافة Cr يقلل الطلاء من حجم جزيئات السطح ويزيد من الصلابة ، وتصل صلابة الطلاء إلى أعلى قيمته عندما تصل نسبة كتلة Cr إلى 3l٪ ، لكن الضغط الداخلي للطلاء يصل أيضًا إلى قيمته القصوى.

3 ، طبقة طلاء أخرى

بالإضافة إلى طلاء TiN المستخدم بشكل شائع ، يتم استخدام العديد من السيراميك الهندسي لتقوية سطح التروس.

(1) ص.تيراوتشي وآخرون.درس من اليابان مقاومة التآكل الاحتكاكي لكربيد التيتانيوم أو التروس الخزفية لنتريد التيتانيوم المترسبة بطريقة ترسيب البخار.تم كربنة التروس وصقلها لتحقيق صلابة سطحية تبلغ حوالي HV720 وخشونة سطحية تبلغ 2.4 ميكرومتر قبل الطلاء ، وتم تحضير طبقات السيراميك بواسطة ترسيب البخار الكيميائي (CVD) لكربيد التيتانيوم وترسب البخار الفيزيائي (PVD) من أجل نيتريد التيتانيوم ، بسماكة فيلم السيراميك حوالي 2 ميكرومتر.تم فحص خصائص التآكل الاحتكاكي في وجود الزيت والاحتكاك الجاف على التوالي.لقد وجد أن مقاومة الاحتكاك ومقاومة الخدش لعنصر التروس تم تعزيزهما بشكل كبير بعد الطلاء بالسيراميك.

(2) تم تحضير الطلاء المركب من Ni-P و TiN المطلي كيميائياً بواسطة طلاء مسبق Ni-P كطبقة انتقالية ثم ترسيب TiN.أظهرت الدراسة أن صلابة سطح هذا الطلاء المركب قد تم تحسينها إلى حد ما ، وأن الطلاء مرتبط بشكل أفضل مع الركيزة ولديه مقاومة تآكل أفضل.

(3) WC / C ، طبقة رقيقة B4C
موراكاوا وآخرون ، قسم الهندسة الميكانيكية ، المعهد الياباني للتكنولوجيا ، استخدموا تقنية PVD لإيداع طبقة رقيقة من WC / C على سطح التروس ، وكانت مدة خدمتها ثلاثة أضعاف تلك المستخدمة في التبريد العادي والتروس الأرضية تحت الزيت- شروط التشحيم الحرة.فرانز جيه وآخرون.تستخدم تقنية PVD لإيداع طبقة رقيقة من WC / C و B4C على سطح التروس FEZ-A و FEZ-C ، وأظهرت التجربة أن طلاء PVD قلل بشكل كبير من احتكاك التروس ، وجعل الترس أقل عرضة للالتصاق الساخن أو اللصق ، وتحسين قدرة الترس على التحمل.

(4) أفلام CrN
تتشابه أفلام CrN مع أفلام TiN في أنها تتمتع بصلابة أعلى ، وأغشية CrN أكثر مقاومة لأكسدة درجات الحرارة العالية من TiN ، ولها مقاومة تآكل أفضل ، وضغط داخلي أقل من أفلام TiN ، ومتانة أفضل نسبيًا.أعد Chen Ling et فيلمًا مركب TiAlCrN / CrN مقاومًا للاهتراء مع ارتباط ممتاز قائم على الفيلم على سطح HSS ، واقترح أيضًا نظرية تكديس الخلع للفيلم متعدد الطبقات ، إذا كان فرق طاقة الخلع بين طبقتين كبيرًا ، فإن الخلع يحدث في طبقة واحدة سيكون من الصعب عبور واجهتها إلى الطبقة الأخرى ، وبالتالي تشكيل خلع التراص في الواجهة ولعب دور تقوية المادة.درس Zhong Bin et تأثير محتوى النيتروجين على بنية الطور وخصائص التآكل الاحتكاك لأغشية CrNx ، وأظهرت الدراسة أن ذروة حيود Cr2N (211) في الأغشية تضعف تدريجياً وأن ذروة CrN (220) تتعزز تدريجياً مع الزيادة. من محتوى N2 ، تنخفض الجزيئات الكبيرة على سطح الفيلم تدريجياً ويميل السطح إلى أن يكون مسطحًا.عندما كانت تهوية N2 25 مل / دقيقة (كان مصدر القوس الحالي 75 أمبير ، فإن فيلم CrN المترسب يتمتع بجودة سطح جيدة وصلابة جيدة ومقاومة تآكل ممتازة عندما تكون تهوية N2 25 مل / دقيقة (مصدر القوس الحالي هو 75A ، سالب الضغط 100 فولت).

(5) فيلم Superhard
فيلم Superhard هو الفيلم الصلب بصلابة أكبر من 40GPa ، ومقاومة التآكل الممتازة ، ومقاومة درجات الحرارة العالية ومعامل الاحتكاك المنخفض ومعامل التمدد الحراري المنخفض ، وخاصة فيلم الماس غير المتبلور وفيلم CN.تتميز أفلام الألماس غير المتبلورة بخصائص غير متبلورة ، ولا تحتوي على هيكل مرتب بعيد المدى ، وتحتوي على عدد كبير من روابط CC رباعية السطوح ، لذلك تسمى أيضًا أفلام الكربون غير المتبلورة رباعية السطوح.كنوع من فيلم الكربون غير المتبلور ، يتميز الطلاء الشبيه بالماس (DLC) بالعديد من الخصائص الممتازة المشابهة للماس ، مثل الموصلية الحرارية العالية ، والصلابة العالية ، ومعامل المرونة العالي ، والمعامل المنخفض للتمدد الحراري ، والاستقرار الكيميائي الجيد ، ومقاومة التآكل الجيدة و معامل احتكاك منخفض.لقد ثبت أن طلاء الأفلام الشبيهة بالماس على أسطح التروس يمكن أن يطيل عمر الخدمة بمعامل 6 ويحسن بشكل كبير مقاومة التعب.تحتوي أفلام CN ، المعروفة أيضًا باسم أغشية الكربون النيتروجينية غير المتبلورة ، على بنية بلورية مماثلة لتلك الموجودة في المركبات التساهمية β-Si3N4 وتُعرف أيضًا باسم β-C3N4.ليو وكوهين وآخرون.أجريت حسابات نظرية صارمة باستخدام حسابات النطاق الكاذبة من مبدأ الطبيعة الأولى ، وأكدت أن β-C3N4 لديها طاقة ربط كبيرة ، وهيكل ميكانيكي مستقر ، ويمكن أن توجد حالة شبه مستقرة واحدة على الأقل ، ومعامل المرونة الخاص بها قابل للمقارنة مع الماس ، بخصائص جيدة ، والتي يمكن أن تحسن بشكل فعال صلابة السطح ومقاومة التآكل للمواد وتقليل معامل الاحتكاك.

(6) طبقة طلاء مقاومة للاهتراء أخرى
كما تمت تجربة بعض الطلاءات المقاومة للاهتراء على التروس ، على سبيل المثال ، ترسب طبقة سبيكة Ni-P-Co على سطح السن من التروس الفولاذية 45 # عبارة عن طبقة من السبائك للحصول على تنظيم دقيق للغاية للحبوب ، والتي يمكن أن تطيل الحياة حتى 1.144 ~ 1.533 مرة.كما تم دراسة أن الطبقة المعدنية النحاسية وطلاء سبيكة Ni-W مطبقان على سطح الأسنان لمعدات الحديد الزهر المصنوعة من سبيكة Cu-Cr-P لتحسين قوتها ؛يتم تطبيق طلاء سبيكة Ni-W و Ni-Co على سطح الأسنان لمعدات الحديد الزهر HT250 لتحسين مقاومة التآكل بمقدار 4 ~ 6 مرات مقارنة بالعتاد غير المطلي.