Технология за покритие на зъбни колела

Технологията за PVD отлагане се практикува от много години като нова технология за модифициране на повърхността, особено технологията за вакуумно йонно покритие, която получи голямо развитие през последните години и сега се използва широко при обработката на инструменти, форми, бутални пръстени, зъбни колела и други компоненти .Покритите зъбни колела, приготвени чрез технология за вакуумно йонно покритие, могат значително да намалят коефициента на триене, да подобрят защитата срещу износване и някои антикорозионни свойства и са се превърнали във фокус и гореща точка на изследвания в областта на технологията за укрепване на повърхността на зъбните колела.

Общите материали, използвани за зъбни колела, са главно кована стомана, лята стомана, чугун, цветни метали (мед, алуминий) и пластмаси.Стоманата е основно стомана 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Нисковъглеродна стомана, използвана главно в 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Кованата стомана се използва по-широко в зъбните колела поради по-добрата си производителност, докато лятата стомана обикновено се използва за производство на зъбни колела с диаметър > 400 mm и сложна структура.Чугунените зъбни колела са устойчиви на лепило и питинг, но липсата на устойчивост на удар и износване, главно за стабилна работа, мощността не е ниска скорост или голям размер и сложна форма, може да работи при условие на липса на смазване, подходящ за отворен предаване.Често използваните цветни метали са калаен бронз, алуминиево-железен бронз и леярска алуминиева сплав, обикновено използвани в производството на турбини или зъбни колела, но плъзгащите се и антифрикционните свойства са лоши, само за леко, средно натоварване и ниска скорост предавки.Зъбните колела от неметални материали се използват главно в някои области със специални изисквания, като смазване без масло и висока надеждност.Полето на условия като ниско замърсяване, като домакински уреди, медицинско оборудване, хранителни машини и текстилни машини.

Материали за покритие на зъбни колела

Инженерните керамични материали са изключително обещаващи материали с висока якост и твърдост, особено отлична устойчивост на топлина, ниска топлопроводимост и термично разширение, висока устойчивост на износване и устойчивост на окисление.Голям брой изследвания показват, че керамичните материали по своята същност са устойчиви на топлина и имат ниско износване на металите.Следователно използването на керамични материали вместо метални материали за устойчиви на износване части може да подобри живота на фрикционния модул, може да отговори на някои от материалите с висока температура и висока устойчивост на износване, многофункционални и други трудни изисквания.Понастоящем инженерните керамични материали се използват в производството на топлоустойчиви части на двигателя, механична трансмисия в износващите се части, химическо оборудване в устойчиви на корозия части и уплътнителни части, все повече показват широкото приложение на перспективите за керамични материали.

Развитите страни като Германия, Япония, Съединените щати, Обединеното кралство и други страни отдават голямо значение на разработването и прилагането на инженерни керамични материали, инвестирайки много пари и работна ръка за разработване на теорията за обработка и технологията на инженерната керамика.Германия стартира програма, наречена „SFB442″, чиято цел е да се използва PVD технология за синтезиране на подходящ филм върху повърхността на частите, който да замени потенциално вредната смазочна среда за околната среда и човешкото тяло.PW Gold и други в Германия използваха финансирането от SFB442, за да приложат PVD технология за отлагане на тънки филми върху повърхността на търкалящите лагери и установиха, че показателите против износване на търкалящите лагери са значително подобрени и филмите, отложени върху повърхността, могат напълно да заменят функция на добавките против износване при екстремно налягане.Йоахим, Франц и др.в Германия използва PVD технология за приготвяне на WC/C филми, демонстриращи отлични свойства против умора, по-високи от тези на смазочни материали, съдържащи EP добавки, резултат, който по подобен начин дава възможност за замяна на вредни добавки с покрития.E. Lugscheider и др.от Института по наука за материалите, Технически университет в Аахен, Германия, с финансиране от DFG (Германска изследователска комисия), демонстрира значително увеличение на устойчивостта на умора след отлагане на подходящи филми върху стомана 100Cr6 с помощта на PVD технология.В допълнение, General Motors на Съединените щати започна да използва своя филм за повърхностно отлагане на автомобилни зъбни колела VolvoS80Turbo, за да подобри устойчивостта на питинг при умора;известната компания Timken пусна името ES200 повърхностно фолио за зъбни колела;регистрирана търговска марка MAXIT gear coating се появи в Германия;регистрирана търговска марка Graphit-iC и Dymon-iC съответно. Покритията на предавки с регистрираните търговски марки Graphit-iC и Dymon-iC също се предлагат в Обединеното кралство.

Като важна резервна част на механичната трансмисия, зъбните колела играят важна роля в индустрията, така че е от много важно практическо значение да се проучи приложението на керамични материали върху зъбни колела.Понастоящем инженерната керамика, прилагана към зъбните колела, е основно следната.

1、TiN покривен слой
1、TiN

Керамичният слой с йонно покритие TiN е едно от най-широко използваните повърхностно модифицирани покрития с висока твърдост, висока якост на сцепление, нисък коефициент на триене, добра устойчивост на корозия и т.н. Той се използва широко в различни области, особено в индустрията за инструменти и плесени.Основната причина, засягаща прилагането на керамично покритие върху зъбни колела, е проблемът със свързването между керамичното покритие и субстрата.Тъй като условията на работа и факторите на влияние на зъбните колела са много по-сложни от тези на инструментите и формите, прилагането на едно покритие от TiN върху повърхностната обработка на зъбните колела е силно ограничено.Въпреки че керамичното покритие има предимствата на висока твърдост, нисък коефициент на триене и устойчивост на корозия, то е крехко и трудно се получава по-дебело покритие, така че се нуждае от субстрат с висока твърдост и висока якост, който да поддържа покритието, за да играе своите характеристики.Поради това керамичното покритие се използва най-вече за повърхности от карбид и високоскоростна стомана.Материалът на зъбното колело е мек в сравнение с керамичния материал и разликата между естеството на субстрата и покритието е голяма, така че комбинацията от покритието и субстрата е лоша и покритието не е достатъчно, за да поддържа покритието, което прави покритието, което лесно пада в процеса на употреба, не само не може да изиграе предимствата на керамичното покритие, но частиците на керамичното покритие, които падат, ще причинят абразивно износване на предавката, ускорявайки загубата на износване на предавката.Настоящото решение е да се използва композитна технология за повърхностна обработка за подобряване на връзката между керамиката и субстрата.Технологията за обработка на композитна повърхност се отнася до комбинацията от покритие с физическо отлагане на пара и други процеси или покрития за повърхностна обработка, като се използват две отделни повърхности/подповърхности за модифициране на повърхността на материала на субстрата, за да се получат композитни механични свойства, които не могат да бъдат постигнати чрез един процес на повърхностна обработка .Композитното покритие TiN, нанесено чрез йонно азотиране и PVD, е едно от най-изследваните композитни покрития.Субстратът за плазмено азотиране и TiN керамичното композитно покритие имат силна връзка и устойчивостта на износване е значително подобрена.

Оптималната дебелина на слоя TiN филм с отлична устойчивост на износване и свързване на основата на филма е около 3 ~ 4 μm.Ако дебелината на слоя филм е по-малка от 2 μm, устойчивостта на износване няма да се подобри значително.Ако дебелината на слоя филм е повече от 5 μm, свързването на основата на филма ще бъде намалено.

2、Многослойно, многокомпонентно TiN покритие

С постепенното и широко разпространено приложение на TiN покрития, има все повече изследвания за това как да се подобрят и подобрят TiN покритията.През последните години бяха разработени многокомпонентни покрития и многослойни покрития на базата на бинарни TiN покрития, като Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3 и т.н. Чрез добавяне на елементи като Al и Si към TiN покрития може да се подобри устойчивостта на високотемпературно окисление и твърдостта на покритията, докато добавянето на елементи като B може да подобри твърдостта и якостта на адхезия на покритията.

Поради сложността на многокомпонентния състав, в това изследване има много противоречия.При изследването на (Tix,Cr1-x)N многокомпонентни покрития има голямо противоречие в резултатите от изследванията.Някои хора смятат, че (Tix,Cr1-x)N покритията са базирани на TiN и Cr може да съществува само под формата на заместващ твърд разтвор в TiN точковата матрица, но не и като отделна CrN фаза.Други изследвания показват, че броят на атомите Cr, директно заместващи атомите Ti в (Tix,Cr1-x)N покрития, е ограничен, а останалият Cr съществува в синглетно състояние или образува съединения с N. Експерименталните резултати показват, че добавянето на Cr към покритието намалява размера на повърхностните частици и увеличава твърдостта, а твърдостта на покритието достига най-високата си стойност, когато масовият процент на Cr достигне 3l%, но вътрешното напрежение на покритието също достига максималната си стойност.

3、Друг покривен слой

В допълнение към често използваните TiN покрития, много различни инженерни керамики се използват за укрепване на повърхността на зъбните колела.

(1)Y.Terauchi и др.от Япония изследва устойчивостта на износване при триене на керамични зъбни колела от титанов карбид или титанов нитрид, нанесени чрез метода на парно отлагане.Зъбните колела бяха карбуризирани и полирани, за да се постигне твърдост на повърхността от около HV720 и грапавост на повърхността от 2,4 μm преди нанасяне на покритие, а керамичните покрития бяха приготвени чрез химическо отлагане на пари (CVD) за титанов карбид и чрез физическо отлагане на пари (PVD) за титанов нитрид, с дебелина на керамичния филм около 2 μm.Свойствата на износване при триене са изследвани съответно в присъствието на маслено и сухо триене.Беше установено, че устойчивостта на протриване и устойчивостта на надраскване на менгемето на зъбното колело са значително подобрени след покритие с керамика.

(2) Композитно покритие от химически покрити Ni-P и TiN беше получено чрез предварително покритие на Ni-P като преходен слой и след това отлагане на TiN.Проучването показва, че повърхностната твърдост на това композитно покритие е подобрена до известна степен и покритието е по-добре свързано със субстрата и има по-добра устойчивост на износване.

(3) WC/C, B4C тънък филм
M. Murakawa и др., Катедра по машиностроене, Японски технологичен институт, използваха PVD технология за нанасяне на WC/C тънък филм върху повърхността на зъбни колела и експлоатационният му живот беше три пъти по-дълъг от този на обикновените закалени и шлифовани зъбни колела под масло- условия на свободно смазване.Franz J и др.използва PVD технология за отлагане на WC/C и B4C тънък филм върху повърхността на FEZ-A и FEZ-C зъбни колела и експериментът показа, че PVD покритието значително намалява триенето на зъбното колело, прави зъбното колело по-малко податливо на горещо залепване или залепване, и подобрена носещата способност на предавката.

(4) CrN филми
CrN филмите са подобни на TiN филмите по това, че имат по-висока твърдост, а CrN филмите са по-устойчиви на високотемпературно окисление от TiN, имат по-добра устойчивост на корозия, по-ниско вътрешно напрежение от TiN филмите и относително по-добра издръжливост.Chen Ling et подготви устойчив на износване TiAlCrN/CrN композитен филм с отлично свързване на базата на филм върху повърхността на HSS и също предложи теорията за подреждане на дислокации на многослоен филм, ако разликата в енергията на дислокация между два слоя е голяма, възниква дислокация в един слой ще бъде трудно да премине интерфейса си в другия слой, като по този начин се формира дислокацията, подредена на интерфейса и играе ролята на укрепване на материала.Zhong Bin et изследва ефекта на съдържанието на азот върху фазовата структура и свойствата на износване при триене на CrNx филми и изследването показа, че дифракционният пик на Cr2N (211) във филмите постепенно отслабва и пикът на CrN (220) постепенно се засилва с увеличаването на съдържанието на N2, големите частици върху повърхността на филма постепенно намаляват и повърхността има тенденция да бъде плоска.Когато аерацията на N2 е 25 ml/min (токът на дъгата на целевия източник е 75 A, отложеният CrN филм има добро качество на повърхността, добра твърдост и отлична устойчивост на износване, когато аерацията на N2 е 25 ml/min (токът на дъгата на целевия източник е 75 A, отрицателен налягането е 100V).

(5) Свръхтвърд филм
Свръхтвърдото фолио е твърдо фолио с твърдост над 40GPa, отлична устойчивост на износване, устойчивост на висока температура и нисък коефициент на триене и нисък коефициент на топлинно разширение, главно аморфен диамантен филм и CN филм.Аморфните диамантени филми имат аморфни свойства, нямат подредена структура на далечни разстояния и съдържат голям брой CC тетраедрични връзки, така че те се наричат ​​също тетраедрични аморфни въглеродни филми.Като вид аморфен въглероден филм, диамантено-подобното покритие (DLC) има много отлични свойства, подобни на диаманта, като висока топлопроводимост, висока твърдост, висок модул на еластичност, нисък коефициент на термично разширение, добра химическа стабилност, добра устойчивост на износване и нисък коефициент на триене.Доказано е, че покритието на диамантени филми върху повърхностите на зъбните колела може да удължи експлоатационния живот с фактор 6 и значително да подобри устойчивостта на умора.CN филмите, известни също като аморфни въглеродно-азотни филми, имат кристална структура, подобна на тази на ковалентните съединения β-Si3N4 и са известни също като β-C3N4.Лиу и Коен и др.извърши строги теоретични изчисления, използвайки изчисления на псевдопотенциална лента от принципа на първата природа, потвърди, че β-C3N4 има голяма енергия на свързване, стабилна механична структура, може да съществува поне едно подстабилно състояние и модулът му на еластичност е сравним с диамант, с добри свойства, които могат ефективно да подобрят повърхностната твърдост и устойчивост на износване на материала и да намалят коефициента на триене.

(6) Друг слой устойчив на износване сплав
Някои устойчиви на износване покрития от сплави също са били опитвани да бъдат приложени към зъбни колела, например отлагането на слой от сплав Ni-P-Co върху зъбната повърхност на стоманени зъбни колела 45# е слой от сплав за получаване на ултра фина организация на зърната, което може да удължи живота до 1,144~1,533 пъти.Също така е проучено, че метален слой Cu и покритие от Ni-W сплав се нанасят върху зъбната повърхност на чугунено зъбно колело от Cu-Cr-P сплав, за да се подобри неговата здравина;Покритието от сплав Ni-W и Ni-Co се нанася върху зъбната повърхност на чугуненото зъбно колело HT250, за да подобри устойчивостта на износване 4~6 пъти в сравнение с непокритото зъбно колело.