Tehnologija PVD taloženja prakticira se dugi niz godina kao nova tehnologija modifikacije površine, posebno tehnologija vakuumskog jonskog premaza, koja je dobila veliki razvoj posljednjih godina i sada se široko koristi u tretmanu alata, kalupa, klipnih prstenova, zupčanika i drugih komponenti. .Obloženi zupčanici pripremljeni tehnologijom vakuumskog jonskog premaza mogu značajno smanjiti koeficijent trenja, poboljšati zaštitu od habanja i određenu antikorozivnu zaštitu, te su postali fokus i žarište istraživanja u području tehnologije površinskog ojačanja zupčanika.
Uobičajeni materijali koji se koriste za zupčanike su uglavnom kovani čelik, liveni čelik, liveno gvožđe, obojeni metali (bakar, aluminijum) i plastika.Čelik je uglavnom čelik 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Niskougljični čelik se uglavnom koristi u 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Kovani čelik se više koristi u zupčanicima zbog svojih boljih performansi, dok se liveni čelik obično koristi za izradu zupčanika prečnika > 400 mm i složene strukture.Zupčanici od livenog gvožđa protiv lepljenja i otpornosti na točenje, ali nedostatak otpornosti na udarce i habanje, uglavnom za stabilan rad, snaga nije mala brzina ili velika veličina i složen oblik, može raditi pod uslovom nedostatka podmazivanja, pogodan za otvorene prijenos.Obojeni metali koji se obično koriste je kalajna bronza, aluminijum-gvozdena bronza i legura aluminijuma za livenje, koji se obično koriste u proizvodnji turbina ili zupčanika, ali svojstva klizanja i protiv trenja su loša, samo za mala, srednja opterećenja i niske brzine zupčanici.Zupčanici od nemetalnog materijala se uglavnom koriste u nekim poljima sa posebnim zahtjevima, kao što su podmazivanje bez ulja i visoka pouzdanost.Oblast uslova kao što je nisko zagađenje, kao što su kućni aparati, medicinska oprema, mašine za hranu i tekstilne mašine.
Materijali za premazivanje zupčanika
Inženjerski keramički materijali su izuzetno obećavajući materijali visoke čvrstoće i tvrdoće, posebno odlične otpornosti na toplotu, niske toplotne provodljivosti i toplotnog širenja, visoke otpornosti na habanje i otpornost na oksidaciju.Veliki broj studija je pokazao da su keramički materijali inherentno otporni na toplinu i da imaju nisko trošenje metala.Stoga, upotreba keramičkih materijala umjesto metalnih materijala za dijelove otporne na habanje može poboljšati vijek trajanja frikcione podloge, može zadovoljiti neke od materijala visoke temperature i visoke otpornosti na habanje, multifunkcionalne i druge teške zahtjeve.Trenutno, inženjerski keramički materijali se koriste u proizvodnji dijelova motora otpornih na toplinu, mehaničkog prijenosa u dijelovima koji se troše, kemijske opreme u dijelovima otpornim na koroziju i dijelovima za brtvljenje, sve više pokazuju izglede za široku primjenu keramičkih materijala.
Razvijene zemlje poput Njemačke, Japana, Sjedinjenih Američkih Država, Ujedinjenog Kraljevstva i drugih zemalja pridaju veliki značaj razvoju i primjeni inženjerskih keramičkih materijala, ulažući mnogo novca i radne snage u razvoj teorije obrade i tehnologije inženjerske keramike.Njemačka je pokrenula program pod nazivom “SFB442″, čija je svrha korištenje PVD tehnologije za sintetizaciju odgovarajućeg filma na površini dijelova koji bi zamijenio potencijalno štetni medij za podmazivanje okoliša i ljudskog tijela.PW Gold i drugi u Njemačkoj koristili su sredstva iz SFB442 za primjenu PVD tehnologije za taloženje tankih filmova na površinu kotrljajućih ležajeva i otkrili da je učinak protiv habanja kotrljajućih ležajeva značajno poboljšan i da filmovi naneseni na površinu mogu u potpunosti zamijeniti funkcija aditiva protiv habanja pri ekstremnom pritisku.Joachim, Franz et al.u Njemačkoj je koristila PVD tehnologiju za pripremu WC/C filmova koji pokazuju izvrsna svojstva protiv zamora, veća od onih kod maziva koji sadrže EP aditive, rezultat koji na sličan način daje mogućnost zamjene štetnih aditiva premazima.E. Lugscheider et al.Instituta za nauku o materijalima, Tehnički univerzitet u Aachenu, Njemačka, uz financiranje DFG (Njemačke istraživačke komisije), pokazao je značajno povećanje otpornosti na zamor nakon nanošenja odgovarajućih filmova na čelik 100Cr6 korištenjem PVD tehnologije.Osim toga, Sjedinjene Države General Motors je počeo sa nanošenjem filma za površinsko taloženje zupčanika tipa VolvoS80Turbo za poboljšanje otpornosti na zamor;poznata kompanija Timken lansirala je naziv ES200 film površine za zupčanike;registrovani zaštitni znak MAXIT gear coating pojavio se u Njemačkoj;registrovani zaštitni znakovi Graphit-iC i Dymon-iC Premazi zupčanika sa registrovanim zaštitnim znakovima Graphit-iC i Dymon-iC takođe su dostupni u UK.
Kao važan rezervni dio mehaničkog prijenosa, zupčanici imaju važnu ulogu u industriji, pa je od izuzetnog praktičnog značaja proučavanje primjene keramičkih materijala na zupčanicima.Trenutno je inženjerska keramika koja se primjenjuje na zupčanicima uglavnom sljedeća.
1、TiN sloj premaza
1、TiN
Ionski premaz TiN keramički sloj je jedan od najčešće korištenih površinski modificiranih premaza visoke tvrdoće, visoke čvrstoće prianjanja, niskog koeficijenta trenja, dobre otpornosti na koroziju, itd. Široko se koristi u raznim oblastima, posebno u industriji alata i kalupa.Glavni razlog koji utiče na nanošenje keramičkog premaza na zupčanike je problem vezivanja između keramičkog premaza i podloge.Budući da su radni uvjeti i faktori utjecaja zupčanika daleko složeniji od onih kod alata i kalupa, primjena jednog TiN premaza na površinsku obradu zupčanika je u velikoj mjeri ograničena.Iako keramički premaz ima prednosti visoke tvrdoće, niskog koeficijenta trenja i otpornosti na koroziju, on je krhak i teško dobiti deblji premaz, tako da mu je potrebna visoka tvrdoća i visoka čvrstoća podloge da podrži premaz kako bi igrao svoje karakteristike.Stoga se keramički premaz najčešće koristi za površine od karbida i brzoreznog čelika.Materijal zupčanika je mekan u odnosu na keramički materijal, a razlika između prirode podloge i premaza je velika, tako da je kombinacija premaza i podloge loša, a premaz nije dovoljan da podrži premaz, čineći premaz lako pada u procesu upotrebe, ne samo da ne može igrati prednosti keramičkog premaza, već će čestice keramičkog premaza koje otpadaju uzrokovati abrazivno habanje zupčanika, ubrzavajući gubitak zupčanika od habanja.Trenutno rješenje je korištenje tehnologije kompozitne površinske obrade kako bi se poboljšala veza između keramike i podloge.Tehnologija obrade kompozitne površine odnosi se na kombinaciju premaza fizičkog taloženja parom i drugih procesa površinske obrade ili premaza, korištenjem dvije odvojene površine/podpovršine za modificiranje površine materijala supstrata kako bi se dobila kompozitna mehanička svojstva koja se ne mogu postići jednim procesom površinske obrade .TiN kompozitni premaz taložen ionskim nitriranjem i PVD je jedan od najistraženijih kompozitnih premaza.Podloga za nitriranje plazmom i TiN keramički kompozitni premaz imaju jaku vezu i otpornost na habanje je značajno poboljšana.
Optimalna debljina sloja TiN filma sa odličnom otpornošću na habanje i vezom na bazi filma je oko 3~4μm.Ako je debljina sloja filma manja od 2 μm, otpornost na habanje neće biti značajno poboljšana.Ako je debljina sloja filma veća od 5 μm, veza na bazi filma će se smanjiti.
2、Višeslojni, višekomponentni TiN premaz
Uz postupnu i široku primjenu TiN premaza, sve je više istraživanja o tome kako poboljšati i poboljšati TiN premaze.Poslednjih godina razvijeni su višekomponentni i višeslojni premazi na bazi binarnih TiN premaza, kao što su Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3, itd. Dodavanjem elemenata kao što su Al i Si u TiN prevlake, može se poboljšati otpornost na visokotemperaturnu oksidaciju i tvrdoća premaza, dok se dodavanjem elemenata kao što je B može poboljšati tvrdoća i čvrstoća prianjanja premaza.
Zbog složenosti višekomponentnog sastava, u ovoj studiji postoje mnoge kontroverze.U istraživanju (Tix,Cr1-x)N višekomponentnih premaza postoji velika kontroverza u rezultatima istraživanja.Neki ljudi vjeruju da su (Tix,Cr1-x)N prevlake bazirane na TiN, a Cr može postojati samo u obliku zamjenske čvrste otopine u TiN tačkastom matrici, ali ne i kao posebna CrN faza.Druge studije pokazuju da je broj atoma Cr koji direktno zamjenjuju atome Ti u (Tix,Cr1-x)N prevlakama ograničen, a preostali Cr postoji u singletnom stanju ili formira spojeve sa N. Eksperimentalni rezultati pokazuju da dodavanje Cr prema premazu smanjuje veličinu površinskih čestica i povećava tvrdoću, a tvrdoća premaza dostiže najveću vrijednost kada maseni postotak Cr dostigne 3l%, ali i unutrašnji napon premaza dostiže svoju maksimalnu vrijednost.
3、Drugi sloj premaza
Pored uobičajenih TiN premaza, za ojačavanje površine zupčanika koristi se mnogo različitih inženjerskih keramika.
(1)Y.Terauchi et al.Japana proučavao je otpornost na trenje keramičkih zupčanika od titanijum karbida ili titan nitrida nanesenih metodom taloženja parom.Zupčanici su ugljičeni i polirani kako bi se postigla površinska tvrdoća od oko HV720 i hrapavost površine od 2,4 μm prije nanošenja premaza, a keramičke prevlake su pripremljene hemijskim taloženjem pare (CVD) za titanijum karbid i fizičkim taloženjem pare (PVD) za titanijum nitrida, sa debljinom keramičkog filma od oko 2 μm.Istražena su svojstva habanja zbog trenja u prisustvu ulja, odnosno suhog trenja.Utvrđeno je da su otpornost na habanje i grebanje zupčastog stega znatno poboljšane nakon premazivanja keramikom.
(2) Kompozitni premaz od kemijski obloženih Ni-P i TiN pripremljen je prethodnim premazivanjem Ni-P kao prijelaznog sloja, a zatim nanošenjem TiN.Studija pokazuje da je površinska tvrdoća ovog kompozitnog premaza u određenoj mjeri poboljšana, a premaz se bolje vezuje za podlogu i ima bolju otpornost na habanje.
(3) WC/C, B4C tanki film
M. Murakawa i dr., Odsjek za mašinstvo, Japanski institut za tehnologiju, koristili su PVD tehnologiju za nanošenje WC/C tankog filma na površinu zupčanika, a njegov vijek trajanja je bio tri puta veći od uobičajenih kaljenih i brušenih zupčanika pod uljem. uslovi besplatnog podmazivanja.Franz J et al.koristio PVD tehnologiju za nanošenje WC/C i B4C tankog filma na površinu FEZ-A i FEZ-C zupčanika, a eksperiment je pokazao da PVD premaz značajno smanjuje trenje zupčanika, čini zupčanik manje osjetljivim na vruće lijepljenje ili lijepljenje, i poboljšana nosivost zupčanika.
(4) CrN filmovi
CrN filmovi su slični TiN filmovima po tome što imaju veću tvrdoću, a CrN filmovi su otporniji na oksidaciju pri visokim temperaturama od TiN, imaju bolju otpornost na koroziju, manje unutrašnje naprezanje od TiN filmova i relativno bolju žilavost.Chen Ling et je pripremio TiAlCrN/CrN kompozitni film otporan na habanje sa odličnim vezivanjem na bazi filma na površini HSS-a, a također je predložio teoriju slaganja dislokacija višeslojnog filma, ako je razlika energije dislokacije između dva sloja velika, dolazi do dislokacije. u jednom sloju će biti teško preći njegovo sučelje u drugi sloj, formirajući tako slaganje dislokacija na granici i igrajući ulogu ojačavanja materijala.Zhong Bin i dr. proučavali su učinak sadržaja dušika na faznu strukturu i svojstva trošenja CrNx filmova na trenje, a studija je pokazala da je Cr2N (211) difrakcijski vrh u filmovima postupno oslabio, a CrN (220) vrh postepeno povećavao s povećanjem sadržaja N2, velike čestice na površini filma postepeno su se smanjivale i površina je imala tendenciju da bude ravna.Kada je aeracija N2 bila 25 ml/min (struja ciljanog izvora luka je 75 A, naneseni CrN film ima dobar kvalitet površine, dobru tvrdoću i odličnu otpornost na habanje kada je aeracija N2 25 ml/min (ciljana struja luka izvora je 75 A, negativna pritisak je 100V).
(5) Supertvrdi film
Supertvrdi film je čvrsti film tvrdoće veće od 40 GPa, odlične otpornosti na habanje, otpornosti na visoke temperature i niskog koeficijenta trenja i niskog koeficijenta termičke ekspanzije, uglavnom amorfni dijamantski film i CN film.Amorfni dijamantski filmovi imaju amorfna svojstva, nemaju uređenu strukturu dugog dometa i sadrže veliki broj CC tetraedarskih veza, pa se nazivaju i tetraedarski amorfni ugljični filmovi.Kao vrsta amorfnog ugljičnog filma, premaz nalik dijamantu (DLC) ima mnoga izvrsna svojstva slična dijamantu, kao što su visoka toplinska provodljivost, visoka tvrdoća, visoki modul elastičnosti, nizak koeficijent toplinske ekspanzije, dobra kemijska stabilnost, dobra otpornost na habanje i nizak koeficijent trenja.Pokazalo se da premazivanje dijamantskih filmova na površinama zupčanika može produžiti vijek trajanja za faktor 6 i značajno poboljšati otpornost na zamor.CN filmovi, poznati i kao amorfni filmovi ugljik-azot, imaju kristalnu strukturu sličnu onoj kovalentnih jedinjenja β-Si3N4 i također su poznati kao β-C3N4.Liu i Cohen et al.izvršio rigorozne teorijske proračune koristeći proračune pseudopotencijalnog pojasa iz principa prve prirode, potvrdio da β-C3N4 ima veliku energiju veze, stabilnu mehaničku strukturu, može postojati barem jedno podstabilno stanje, a njegov modul elastičnosti je uporediv sa dijamantom, sa dobrim svojstvima, što može efikasno poboljšati površinsku tvrdoću i otpornost na habanje materijala i smanjiti koeficijent trenja.
(6) Drugi sloj premaza otporan na habanje
Neki premazi otporni na habanje od legura su također pokušani da se nanesu na zupčanike, na primjer, nanošenje sloja legure Ni-P-Co na površinu zuba zupčanika čelika 45# je sloj legure za postizanje ultra-fine organizacije zrna, koji može produžiti vijek trajanja do 1.144~1.533 puta.Također je ispitano da se sloj metala Cu i premaz od legure Ni-W nanose na površinu zuba zupčanika od livenog gvožđa od legure Cu-Cr-P radi poboljšanja njegove čvrstoće;Ni-W i Ni-Co prevlaka se nanosi na površinu zuba zupčanika od livenog gvožđa HT250 kako bi se poboljšala otpornost na habanje za 4~6 puta u poređenju sa zupčanikom bez premaza.
Vrijeme objave: Nov-07-2022