Technologie povlakování ozubených kol

Technologie PVD depozice je již řadu let praktikována jako nová technologie povrchové úpravy, zejména technologie vakuového iontového povlaku, která v posledních letech zaznamenala velký rozvoj a nyní je široce používána při úpravě nástrojů, forem, pístních kroužků, ozubených kol a dalších součástí. .Potažená ozubená kola připravená technologií vakuového iontového potahování mohou výrazně snížit koeficient tření, zlepšit odolnost proti opotřebení a určitou antikorozi a stala se středem zájmu a horkým bodem výzkumu v oblasti technologie zpevnění povrchu ozubených kol.

Běžnými materiály pro ozubení jsou především kovaná ocel, ocelolitina, litina, neželezné kovy (měď, hliník) a plasty.Ocel je převážně ocel 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Nízkouhlíková ocel používaná hlavně v 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Kovaná ocel se více používá v ozubených kolech kvůli jejímu lepšímu výkonu, zatímco litá ocel se obvykle používá k výrobě ozubených kol s průměrem > 400 mm a složitou strukturou.Litinová ozubená kola odolná proti lepení a důlkové korozi, ale nedostatečná odolnost proti nárazu a opotřebení, hlavně pro stabilní práci, výkon není nízká rychlost nebo velká velikost a složitý tvar, mohou pracovat pod podmínkou nedostatku mazání, vhodné pro otevřené přenos.Běžně používanými neželeznými kovy je cínový bronz, hliník-železný bronz a litá hliníková slitina, běžně používané při výrobě turbín nebo ozubených kol, ale kluzné a kluzné vlastnosti jsou špatné, pouze pro lehké, střední zatížení a nízké otáčky ozubená kola.Převody z nekovových materiálů se používají hlavně v některých oblastech se speciálními požadavky, jako je bezolejové mazání a vysoká spolehlivost.Oblast podmínek, jako je nízké znečištění, jako jsou domácí spotřebiče, lékařské vybavení, potravinářské stroje a textilní stroje.

Nátěrové hmoty ozubených kol

Strojírenské keramické materiály jsou mimořádně perspektivní materiály s vysokou pevností a tvrdostí, zejména vynikající tepelnou odolností, nízkou tepelnou vodivostí a tepelnou roztažností, vysokou odolností proti opotřebení a odolností proti oxidaci.Velké množství studií prokázalo, že keramické materiály jsou ze své podstaty odolné vůči teplu a mají nízké opotřebení kovů.Proto použití keramických materiálů místo kovových materiálů pro díly odolné proti opotřebení může zlepšit životnost třecí podložky, může splnit některé z materiálů odolných vůči vysokým teplotám a opotřebení, multifunkční a další náročné požadavky.V současné době se technické keramické materiály používají při výrobě tepelně odolných dílů motoru, mechanického přenosu v opotřebitelných dílech, chemických zařízení v korozi odolných dílech a těsnících dílech, stále více vykazují široké možnosti uplatnění keramických materiálů.

Vyspělé země jako Německo, Japonsko, Spojené státy, Spojené království a další země přikládají velký význam vývoji a aplikaci technických keramických materiálů, investují spoustu peněz a pracovních sil do rozvoje teorie zpracování a technologie technické keramiky.Německo spustilo program nazvaný „SFB442“, jehož účelem je využít technologii PVD k syntéze vhodného filmu na povrchu dílů, který nahradí potenciálně škodlivé mazací médium pro životní prostředí a lidské tělo.Společnost PW Gold a další v Německu využili finanční prostředky z SFB442 k aplikaci technologie PVD k nanášení tenkých filmů na povrch valivých ložisek a zjistili, že odolnost valivých ložisek proti opotřebení se výrazně zlepšila a filmy nanesené na povrchu by mohly zcela nahradit funkce extrémně tlakových přísad proti opotřebení.Joachim, Franz a kol.v Německu využívali technologii PVD k přípravě fólií WC/C s vynikajícími protiúnavovými vlastnostmi, vyššími než u maziv obsahujících EP aditiva, výsledkem čehož je podobně možnost nahrazení škodlivých aditiv povlaky.E. Lugscheider a kol.z Institute of Materials Science, Technical University of Aachen, Germany, s financováním od DFG (GermanResearch Commission), prokázal významné zvýšení odolnosti proti únavě po nanesení vhodných filmů na ocel 100Cr6 pomocí technologie PVD.Kromě toho společnost United States General Motors začala s nanášením filmu na povrch převodovky typu VolvoS80Turbo, aby zlepšila odolnost proti únavě.slavná společnost Timken uvedla na trh název ES200 gear surface film;registrovaná ochranná známka MAXIT gear coating se objevila v Německu;registrovaná ochranná známka Graphit-iC a Dymon-iC, respektive povlaky ozubených kol s registrovanými ochrannými známkami Graphit-iC a Dymon-iC jsou také dostupné ve Spojeném království.

Jako důležité náhradní díly mechanických převodů hrají ozubená kola důležitou roli v průmyslu, proto má velmi důležitý praktický význam studium aplikace keramických materiálů na ozubená kola.V současné době se na ozubená kola aplikovaná technická keramika používá zejména následující.

1, povlaková vrstva TiN
1, TiN

Iontové povlakování Keramická vrstva TiN je jedním z nejpoužívanějších povrchově modifikovaných povlaků s vysokou tvrdostí, vysokou adhezní pevností, nízkým koeficientem tření, dobrou odolností proti korozi atd. Je široce používán v různých oblastech, zejména v nástrojářském a formovém průmyslu.Hlavním důvodem, který ovlivňuje aplikaci keramického povlaku na ozubená kola, je problém spojení mezi keramickým povlakem a substrátem.Protože pracovní podmínky a ovlivňující faktory ozubených kol jsou mnohem komplikovanější než u nástrojů a forem, je aplikace jediného povlaku TiN na povrchovou úpravu ozubených kol značně omezena.Přestože keramický povlak má výhody vysoké tvrdosti, nízkého koeficientu tření a odolnosti proti korozi, je křehký a je obtížné získat silnější povlak, takže potřebuje substrát s vysokou tvrdostí a vysokou pevností pro podporu povlaku, aby mohl hrát své vlastnosti.Keramický povlak se proto většinou používá pro povrch z tvrdokovu a rychlořezné oceli.Materiál ozubeného kola je měkký ve srovnání s keramickým materiálem a rozdíl mezi povahou substrátu a povlaku je velký, takže kombinace povlaku a substrátu je špatná a povlak nestačí k podpoře povlaku, takže povlak snadno spadne v procesu použití, nejenže nemůže hrát výhody keramického povlaku, ale částice keramického povlaku, které spadnou, způsobí abrazivní opotřebení ozubeného kola a urychlí ztrátu opotřebení ozubeného kola.Současným řešením je použití technologie povrchové úpravy kompozitů pro zlepšení vazby mezi keramikou a substrátem.Technologie kompozitní povrchové úpravy se týká kombinace fyzikálního nanášení povlaků napařováním a jiných procesů nebo povlaků povrchové úpravy, přičemž se používají dva samostatné povrchy/podpovrchy k úpravě povrchu podkladového materiálu za účelem získání kompozitních mechanických vlastností, kterých nelze dosáhnout jediným procesem povrchové úpravy .Kompozitní povlak TiN nanesený iontovou nitridací a PVD je jedním z nejvíce prozkoumaných kompozitních povlaků.Substrát pro plazmovou nitridaci a keramický kompozitní povlak TiN mají silnou vazbu a výrazně se zlepšila odolnost proti opotřebení.

Optimální tloušťka vrstvy filmu TiN s vynikající odolností proti opotřebení a lepením základu filmu je asi 3~4μm.Pokud je tloušťka vrstvy filmu menší než 2 μm, odolnost proti opotřebení se výrazně nezlepší.Pokud je tloušťka vrstvy fólie větší než 5 μm, sníží se přilnavost fólie k podkladu.

2、Vícevrstvý, vícesložkový povlak TiN

S postupnou a rozšířenou aplikací povlaků TiN existuje stále více výzkumů, jak povlaky TiN vylepšit a zdokonalit.V posledních letech byly vyvinuty vícesložkové povlaky a vícevrstvé povlaky na bázi binárních povlaků TiN, jako jsou Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3 atd. Přidáním prvků jako Al a Si do povlaků TiN lze zlepšit odolnost proti vysokoteplotní oxidaci a tvrdost povlaků, zatímco přidání prvků jako B může zlepšit tvrdost a adhezní pevnost povlaků.

Vzhledem ke složitosti vícesložkového složení je v této studii mnoho kontroverzí.Při studiu vícesložkových povlaků (Tix,Cr1-x)N je ve výsledcích výzkumu velká kontroverze.Někteří lidé věří, že povlaky (Tix,Cr1-x)N jsou založeny na TiN a Cr může existovat pouze ve formě náhradního tuhého roztoku v bodové matrici TiN, ale ne jako samostatná fáze CrN.Jiné studie ukazují, že počet atomů Cr přímo nahrazujících atomy Ti v povlacích (Tix,Cr1-x)N je omezený a zbývající Cr existuje v singletovém stavu nebo tvoří sloučeniny s N. Experimentální výsledky ukazují, že přídavek Cr k povlaku snižuje velikost povrchových částic a zvyšuje tvrdost a tvrdost povlaku dosahuje nejvyšší hodnoty, když hmotnostní procento Cr dosáhne 3 l%, ale také vnitřní pnutí povlaku dosahuje své maximální hodnoty.

3、Další vrstva povlaku

Kromě běžně používaných povlaků TiN se pro zpevnění povrchu ozubených kol používá mnoho různých technických keramik.

(1)Y.Terauchi a kol.of Japan studovali odolnost vůči opotřebení třením keramických ozubených kol z karbidu titanu nebo nitridu titanu nanesených metodou napařování.Ozubená kola byla nauhličována a leštěna, aby se dosáhlo povrchové tvrdosti přibližně HV720 a drsnosti povrchu 2,4 μm před nanesením povlaku, a keramické povlaky byly připraveny chemickým napařováním (CVD) pro karbid titanu a fyzikálním napařováním (PVD) pro nitrid titanu, s tloušťkou keramického filmu asi 2 μm.Vlastnosti třecího opotřebení byly zkoumány v přítomnosti oleje a suchého tření.Bylo zjištěno, že odolnost proti zadření a odolnost proti poškrábání ozubeného svěráku byly podstatně zvýšeny po potažení keramikou.

(2) Kompozitní povlak chemicky potaženého Ni-P a TiN byl připraven předběžným potažením Ni-P jako přechodové vrstvy a následným nanesením TiN.Studie ukazuje, že povrchová tvrdost tohoto kompozitního povlaku byla do určité míry zlepšena a povlak je lépe spojen se substrátem a má lepší odolnost proti opotřebení.

(3) WC/C, B4C tenký film
M. Murakawa et al., Department of Mechanical Engineering, Japan Institute of Technology, použili technologii PVD k nanášení tenkého filmu WC/C na povrch ozubených kol a jeho životnost byla třikrát delší než u běžných kalených a broušených ozubených kol pod olejem. podmínky volného mazání.Franz J a kol.použila technologii PVD k nanesení tenkého filmu WC/C a B4C na povrch ozubených kol FEZ-A a FEZ-C a experiment ukázal, že PVD povlak výrazně snížil tření ozubených kol, způsobil, že ozubení bylo méně náchylné k lepení nebo lepení za tepla, a zlepšila nosnost ozubeného kola.

(4) CrN filmy
CrN filmy jsou podobné TiN filmům v tom, že mají vyšší tvrdost a CrN filmy jsou odolnější vůči oxidaci za vysokých teplot než TiN, mají lepší odolnost proti korozi, nižší vnitřní pnutí než TiN filmy a relativně lepší houževnatost.Chen Ling et připravili kompozitní fólii TiAlCrN/CrN odolnou proti opotřebení s vynikající vazbou na bázi fólie na povrchu HSS a také navrhli teorii vrstvení dislokací vícevrstvé fólie, pokud je rozdíl dislokační energie mezi dvěma vrstvami velký, dojde k dislokaci v jedné vrstvě bude obtížné překročit její rozhraní do druhé vrstvy, čímž se vytvoří dislokační vrstvení na rozhraní a bude hrát roli zpevnění materiálu.Zhong Bin et studovali vliv obsahu dusíku na fázovou strukturu a vlastnosti třecího opotřebení CrNx filmů a studie ukázala, že difrakční pík Cr2N (211) ve filmech postupně slábnul a pík CrN (220) se postupně zvětšoval. obsahu N2, velké částice na povrchu filmu postupně ubývaly a povrch měl tendenci být plochý.Když bylo provzdušňování N2 25 ml/min (proud cílového zdroje oblouku byl 75 A, nanesený CrN film má dobrou kvalitu povrchu, dobrou tvrdost a vynikající odolnost proti opotřebení, když je provzdušňování N2 25 ml/min (cílový zdrojový obloukový proud je 75 A, záporný tlak je 100V).

(5) Supertvrdý film
Supertvrdý film je pevný film s tvrdostí vyšší než 40 GPa, vynikající odolností proti opotřebení, vysokou teplotní odolností a nízkým koeficientem tření a nízkým koeficientem tepelné roztažnosti, zejména amorfní diamantový film a film CN.Amorfní diamantové filmy mají amorfní vlastnosti, nemají uspořádanou strukturu na dlouhé vzdálenosti a obsahují velké množství CC tetraedrických vazeb, proto se jim také říká tetraedrické amorfní uhlíkové filmy.Jako druh amorfního uhlíkového filmu má povlak podobný diamantu (DLC) mnoho vynikajících vlastností podobných diamantu, jako je vysoká tepelná vodivost, vysoká tvrdost, vysoký modul pružnosti, nízký koeficient tepelné roztažnosti, dobrá chemická stabilita, dobrá odolnost proti opotřebení a nízký koeficient tření.Bylo prokázáno, že povlakování diamantových filmů na povrchu ozubených kol může prodloužit životnost o faktor 6 a výrazně zlepšit odolnost proti únavě.CN filmy, také známé jako amorfní uhlík-dusík filmy, mají krystalickou strukturu podobnou kovalentním sloučeninám β-Si3N4 a jsou také známé jako β-C3N4.Liu a Cohen a kol.provedl rigorózní teoretické výpočty pomocí výpočtů pseudopotenciálního pásma z principu první přírody, potvrdil, že β-C3N4 má velkou vazebnou energii, stabilní mechanickou strukturu, může existovat alespoň jeden substabilní stav a jeho modul pružnosti je srovnatelný s diamantem, s dobrými vlastnostmi, které mohou účinně zlepšit povrchovou tvrdost a odolnost materiálu proti opotřebení a snížit koeficient tření.

(6) Potahová vrstva z jiné slitiny odolná proti opotřebení
Některé slitinové povlaky odolné proti opotřebení byly také vyzkoušeny, aby byly aplikovány na ozubená kola, například nanesení vrstvy slitiny Ni-P-Co na povrch zubu ozubených kol z oceli 45# je slitinová vrstva pro získání ultrajemné organizace zrn, což může prodloužit životnost až 1,144~1,533krát.Bylo také studováno, že kovová vrstva Cu a povlak slitiny Ni-W se nanášejí na povrch zubu litinového ozubeného kola ze slitiny Cu-Cr-P, aby se zlepšila jeho pevnost;Povlak ze slitiny Ni-W a Ni-Co je aplikován na povrch zubů litinového ozubeného kola HT250, aby se zlepšila odolnost proti opotřebení 4~6krát ve srovnání s nepovlakovaným ozubeným kolem.