Tecnologia de recobriment d'engranatges

La tecnologia de deposició PVD s'ha practicat durant molts anys com una nova tecnologia de modificació de superfícies, especialment la tecnologia de recobriment d'ions al buit, que ha guanyat un gran desenvolupament en els darrers anys i que ara s'utilitza àmpliament en el tractament d'eines, motlles, anells de pistons, engranatges i altres components. .Els engranatges recoberts preparats per la tecnologia de recobriment d'ions al buit poden reduir significativament el coeficient de fricció, millorar l'antidesgast i certa anticorrosió i s'han convertit en el focus i el punt calent de la investigació en el camp de la tecnologia d'enfortiment de la superfície d'engranatges.

Els materials habituals utilitzats per als engranatges són principalment acer forjat, acer fos, ferro colat, metalls no fèrrics (coure, alumini) i plàstics.L'acer és principalment d'acer 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Acer baix en carboni utilitzat principalment en 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.L'acer forjat s'utilitza més en engranatges a causa del seu millor rendiment, mentre que l'acer fos s'utilitza normalment per fabricar engranatges amb un diàmetre > 400 mm i una estructura complexa.Els engranatges de ferro colat resisteixen a la cola i a la picada, però la manca d'impacte i resistència al desgast, principalment per a treballs estables, la potència no és de baixa velocitat o de gran mida i forma complexa, pot funcionar sota la condició de la manca de lubricació, adequat per a obert transmissió.Els metalls no fèrrics que s'utilitzen habitualment són el bronze d'estany, el bronze d'alumini i ferro i l'aliatge d'alumini de fosa, que s'utilitzen habitualment en la fabricació de turbines o engranatges, però les propietats de lliscament i antifricció són pobres, només per a càrrega lleugera, mitjana i baixa velocitat. engranatges.Els engranatges de material no metàl·lic s'utilitzen principalment en alguns camps amb requisits especials, com ara la lubricació sense oli i una alta fiabilitat.El camp de condicions com la baixa contaminació, com ara electrodomèstics, equips mèdics, maquinària d'alimentació i maquinària tèxtil.

Materials de recobriment d'engranatges

Els materials ceràmics d'enginyeria són materials extremadament prometedors amb una gran resistència i duresa, especialment una excel·lent resistència a la calor, baixa conductivitat tèrmica i expansió tèrmica, alta resistència al desgast i resistència a l'oxidació.Un gran nombre d'estudis han demostrat que els materials ceràmics són inherentment resistents a la calor i tenen un baix desgast dels metalls.Per tant, l'ús de materials ceràmics en comptes de materials metàl·lics per a peces resistents al desgast pot millorar la vida útil del subconjunt de fricció, pot satisfer alguns dels materials d'alta temperatura i alta resistència al desgast, multifuncionals i altres requisits durs.Actualment, els materials ceràmics d'enginyeria s'han utilitzat en la fabricació de peces resistents a la calor del motor, transmissió mecànica a les peces de desgast, equips químics a les peces resistents a la corrosió i peces de segellat, mostren cada cop més l'àmplia aplicació de les perspectives de materials ceràmics.

Els països desenvolupats com Alemanya, el Japó, els Estats Units, el Regne Unit i altres països donen una gran importància al desenvolupament i aplicació de materials ceràmics d'enginyeria, invertint molts diners i mà d'obra per desenvolupar la teoria i tecnologia de processament de la ceràmica d'enginyeria.Alemanya ha llançat un programa anomenat "SFB442", el propòsit del qual és utilitzar la tecnologia PVD per sintetitzar una pel·lícula adequada a la superfície de les peces per substituir el medi lubricant potencialment nociu per al medi ambient i el cos humà.PW Gold i altres a Alemanya van utilitzar el finançament de SFB442 per aplicar la tecnologia PVD per dipositar pel·lícules primes a la superfície dels rodaments i van trobar que el rendiment antidesgast dels rodaments es va millorar significativament i les pel·lícules dipositades a la superfície podrien substituir completament el funció dels additius antidesgast a pressió extrema.Joachim, Franz et al.a Alemanya va utilitzar la tecnologia PVD per preparar pel·lícules WC/C que demostren excel·lents propietats antifatiga, superiors a les dels lubricants que contenen additius EP, un resultat que de manera similar ofereix la possibilitat de substituir additius nocius per recobriments.E. Lugscheider et al.de l'Institut de Ciència dels Materials de la Universitat Tècnica d'Aquisgrà, Alemanya, amb finançament de la DFG (GermanResearch Commission), va demostrar un augment significatiu de la resistència a la fatiga després de dipositar pel·lícules adequades sobre acer 100Cr6 mitjançant tecnologia PVD.A més, General Motors dels Estats Units ha començat la seva pel·lícula de deposició de superfície d'engranatges de cotxe tipus VolvoS80Turbo per millorar la resistència a la fatiga;la famosa empresa Timken ha llançat el nom de pel·lícula de superfície d'engranatges ES200;El recobriment d'engranatges de la marca registrada MAXIT ha aparegut a Alemanya;marques registrades Graphit-iC i Dymon-iC, respectivament, els recobriments Gear amb les marques registrades Graphit-iC i Dymon-iC també estan disponibles al Regne Unit.

Com a peces de recanvi importants de la transmissió mecànica, els engranatges tenen un paper important a la indústria, per la qual cosa té una importància pràctica molt important estudiar l'aplicació de materials ceràmics als engranatges.Actualment, les ceràmiques d'enginyeria aplicades als engranatges són principalment les següents.

1, capa de recobriment de TiN
1, TiN

La capa ceràmica de TiN de recobriment d'ions és un dels recobriments modificats de superfície més utilitzats amb alta duresa, alta força d'adhesió, baix coeficient de fricció, bona resistència a la corrosió, etc. S'ha utilitzat àmpliament en diversos camps, especialment en la indústria d'eines i motlles.El motiu principal que afecta l'aplicació del recobriment ceràmic als engranatges és el problema d'unió entre el recobriment ceràmic i el substrat.Atès que les condicions de treball i els factors d'influència dels engranatges són molt més complicats que els d'eines i motlles, l'aplicació d'un sol recobriment de TiN al tractament de la superfície de l'engranatge està molt restringida.Tot i que el recobriment ceràmic té els avantatges d'una alta duresa, un baix coeficient de fricció i una resistència a la corrosió, és fràgil i difícil d'obtenir un recobriment més gruixut, per la qual cosa necessita un substrat d'alta duresa i alta resistència per suportar el recobriment per tal de jugar les seves característiques.Per tant, el recobriment ceràmic s'utilitza principalment per a superfícies de carbur i acer d'alta velocitat.El material de l'engranatge és suau en comparació amb el material ceràmic, i la diferència entre la naturalesa del substrat i el recobriment és gran, de manera que la combinació del recobriment i el substrat és deficient i el recobriment no és suficient per suportar el recobriment, fent que El recobriment és fàcil de caure en el procés d'ús, no només no pot jugar els avantatges del recobriment ceràmic, sinó que les partícules de recobriment ceràmic que cauen provocaran un desgast abrasiu a l'engranatge, accelerant la pèrdua de desgast de l'engranatge.La solució actual és utilitzar la tecnologia de tractament de superfícies compostes per millorar l'enllaç entre la ceràmica i el substrat.La tecnologia de tractament de superfície composta es refereix a la combinació de recobriment físic de deposició de vapor i altres processos o recobriments de tractament de superfícies, utilitzant dues superfícies/subsuperfícies separades per modificar la superfície del material del substrat per obtenir propietats mecàniques compostes que no es poden aconseguir mitjançant un únic procés de tractament de superfícies. .El recobriment compost de TiN dipositat per nitruració iònica i PVD és un dels recobriments compostos més investigats.El substrat de nitruració de plasma i el recobriment compost de ceràmica TiN tenen un fort enllaç i la resistència al desgast millora significativament.

El gruix òptim de la capa de pel·lícula de TiN amb una excel·lent resistència al desgast i unió de la base de la pel·lícula és d'uns 3 ~ 4 μm.Si el gruix de la capa de pel·lícula és inferior a 2 μm, la resistència al desgast no es millorarà significativament.Si el gruix de la capa de pel·lícula és superior a 5 μm, la unió de la base de la pel·lícula es reduirà.

2 、 recobriment de TiN multicapa i multicomponent

Amb l'aplicació gradual i generalitzada dels recobriments de TiN, cada cop hi ha més investigacions sobre com millorar i millorar els recobriments de TiN.En els darrers anys, s'han desenvolupat recobriments multicomponent i recobriments multicapa basats en recobriments binaris de TiN, com ara Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3, etc. Afegint elements com Al i Si als recobriments de TiN, es pot millorar la resistència a l'oxidació a alta temperatura i la duresa dels recobriments, mentre que l'addició d'elements com B pot millorar la duresa i la força d'adhesió dels recobriments.

A causa de la complexitat de la composició multicomponent, hi ha moltes controvèrsies en aquest estudi.En l'estudi dels recobriments multicomponent (Tix,Cr1-x)N, hi ha una gran controvèrsia en els resultats de la investigació.Algunes persones creuen que els recobriments (Tix,Cr1-x)N es basen en TiN, i el Cr només pot existir en forma de solució sòlida de substitució a la matriu de punts TiN, però no com una fase CrN separada.Altres estudis mostren que el nombre d'àtoms de Cr que substitueixen directament els àtoms de Ti en els recobriments (Tix,Cr1-x)N és limitat, i el Cr restant existeix en estat singlet o forma compostos amb N. Els resultats experimentals mostren que l'addició de Cr al recobriment redueix la mida de la partícula superficial i augmenta la duresa, i la duresa del recobriment arriba al seu valor més alt quan el percentatge de massa de Cr arriba al 3l%, però la tensió interna del recobriment també arriba al seu valor màxim.

3, una altra capa de recobriment

A més dels recobriments de TiN d'ús habitual, s'utilitzen moltes ceràmiques d'enginyeria diferents per a l'enfortiment de la superfície de l'engranatge.

(1) Y.Terauchi et al.del Japó va estudiar la resistència al desgast per fricció dels engranatges ceràmics de carbur de titani o nitrur de titani dipositats pel mètode de deposició de vapor.Els engranatges es van cementar i polir per aconseguir una duresa superficial d'aproximadament HV720 i una rugositat superficial de 2,4 μm abans del recobriment, i els recobriments ceràmics es van preparar mitjançant deposició química de vapor (CVD) per al carbur de titani i per deposició física de vapor (PVD) per a nitrur de titani, amb un gruix de pel·lícula ceràmica d'uns 2 μm.Les propietats de desgast per fricció es van investigar en presència d'oli i fricció seca, respectivament.Es va trobar que la resistència a la abrasió i la resistència a les ratllades de la mordassa d'engranatge es van millorar substancialment després del recobriment amb ceràmica.

(2) Es va preparar un recobriment compost de Ni-P i TiN recoberts químicament recobrint prèviament Ni-P com a capa de transició i després dipositant TiN.L'estudi mostra que la duresa superficial d'aquest recobriment compost s'ha millorat fins a cert punt, i el recobriment s'uneix millor al substrat i té una millor resistència al desgast.

(3) WC/C, pel·lícula fina B4C
M. Murakawa et al., Departament d'Enginyeria Mecànica de l'Institut Tecnològic del Japó, van utilitzar la tecnologia PVD per dipositar una pel·lícula fina WC/C a la superfície dels engranatges, i la seva vida útil va ser tres vegades superior a la dels engranatges normals apagats i rectificats sota oli. condicions de lubricació lliure.Franz J et al.va utilitzar la tecnologia PVD per dipositar una pel·lícula fina WC/C i B4C a la superfície dels engranatges FEZ-A i FEZ-C, i l'experiment va demostrar que el recobriment PVD va reduir significativament la fricció de l'engranatge, va fer que l'engranatge fos menys susceptible a l'encollament o encolat en calent, i millora la capacitat de càrrega de l'engranatge.

(4) Pel·lícules CrN
Les pel·lícules de CrN són similars a les pel·lícules de TiN perquè tenen una duresa més alta i les pel·lícules de CrN són més resistents a l'oxidació a alta temperatura que el TiN, tenen una millor resistència a la corrosió, una tensió interna més baixa que les pel·lícules de TiN i una tenacitat relativament millor.Chen Ling et va preparar una pel·lícula composta TiAlCrN/CrN resistent al desgast amb una excel·lent unió basada en pel·lícula a la superfície de HSS, i també va proposar la teoria d'apilament de dislocacions de la pel·lícula multicapa, si la diferència d'energia de dislocació entre dues capes és gran, es produeix la dislocació. en una capa serà difícil creuar la seva interfície a l'altra capa, formant així la dislocació apilada a la interfície i jugant el paper d'enfortir el material.Zhong Bin et va estudiar l'efecte del contingut de nitrogen sobre l'estructura de fase i les propietats de desgast per fricció de les pel·lícules CrNx, i l'estudi va demostrar que el pic de difracció Cr2N (211) a les pel·lícules es va debilitar gradualment i el pic de CrN (220) es va millorar gradualment amb l'augment. del contingut de N2, les partícules grans a la superfície de la pel·lícula van disminuir gradualment i la superfície va tendir a ser plana.Quan l'aireació de N2 era de 25 ml/min (el corrent d'arc de la font objectiu era de 75 A, la pel·lícula CrN dipositada té una bona qualitat superficial, una bona duresa i una excel·lent resistència al desgast quan l'aireació de N2 és de 25 ml/min (el corrent d'arc de la font objectiu és de 75A, negatiu). pressió és de 100 V).

(5) Pel·lícula súper dura
La pel·lícula súper dura és la pel·lícula sòlida amb una duresa superior a 40 GPa, una excel·lent resistència al desgast, una resistència a alta temperatura i un baix coeficient de fricció i un baix coeficient d'expansió tèrmica, principalment pel·lícula de diamant amorf i pel·lícula CN.Les pel·lícules de diamant amorf tenen propietats amorfes, no tenen una estructura ordenada de llarg abast i contenen un gran nombre d'enllaços tetraèdrics CC, per la qual cosa també s'anomenen pel·lícules de carboni amorf tetraèdric.Com una mena de pel·lícula de carboni amorf, el recobriment semblant al diamant (DLC) té moltes propietats excel·lents similars al diamant, com ara alta conductivitat tèrmica, alta duresa, alt mòdul elàstic, baix coeficient d'expansió tèrmica, bona estabilitat química, bona resistència al desgast i baix coeficient de fricció.S'ha demostrat que el recobriment de pel·lícules semblants al diamant a les superfícies dels engranatges pot allargar la vida útil en un factor de 6 i millorar significativament la resistència a la fatiga.Les pel·lícules CN, també conegudes com a pel·lícules amorfes de carboni-nitrogen, tenen una estructura cristal·lina similar a la dels compostos covalents β-Si3N4 i també es coneixen com a β-C3N4.Liu i Cohen et al.va realitzar càlculs teòrics rigorosos mitjançant càlculs de bandes pseudopotencials del principi de la primera naturalesa, va confirmar que β-C3N4 té una gran energia d'unió, una estructura mecànica estable, almenys un estat subestable pot existir i el seu mòdul elàstic és comparable al diamant, amb bones propietats, que poden millorar eficaçment la duresa superficial i la resistència al desgast del material i reduir el coeficient de fricció.

(6) Una altra capa de recobriment resistent al desgast d'aliatge
També s'ha provat d'aplicar alguns recobriments resistents al desgast d'aliatge als engranatges, per exemple, la deposició de la capa d'aliatge Ni-P-Co a la superfície de la dent dels engranatges d'acer 45 # és una capa d'aliatge per obtenir una organització de gra ultra fi, que pot allargar la vida fins a 1.144 ~ 1.533 vegades.També s'ha estudiat que la capa de metall de Cu i el recobriment d'aliatge Ni-W s'apliquen a la superfície de la dent de l'engranatge de ferro colat d'aliatge Cu-Cr-P per millorar la seva resistència;El recobriment d'aliatge Ni-W i Ni-Co s'apliquen a la superfície de les dents de l'engranatge de ferro colat HT250 per millorar la resistència al desgast entre 4 i 6 vegades en comparació amb l'engranatge no recobert.