Gearbelægningsteknologi

PVD-aflejringsteknologi er blevet praktiseret i mange år som en ny overflademodifikationsteknologi, især vakuumionbelægningsteknologi, som har vundet stor udvikling i de senere år og nu er meget udbredt til behandling af værktøj, forme, stempelringe, gear og andre komponenter .De belagte gear, der er fremstillet af vakuumionbelægningsteknologi, kan reducere friktionskoefficienten betydeligt, forbedre anti-slid og visse anti-korrosion og er blevet fokus og hot spot for forskning inden for gear overfladeforstærkningsteknologi.

De almindelige materialer, der anvendes til tandhjul, er hovedsageligt smedet stål, støbestål, støbejern, ikke-jernholdige metaller (kobber, aluminium) og plast.Stål er hovedsageligt 45 stål, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Lavt kulstofstål bruges hovedsageligt i 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Smedet stål er mere udbredt i tandhjul på grund af dets bedre ydeevne, mens støbt stål normalt bruges til at fremstille gear med diameter > 400 mm og kompleks struktur.Støbejernsgear anti-lim og pitting modstand, men manglen på slag- og slidstyrke, hovedsageligt til stabilt arbejde, kraften er ikke lav hastighed eller stor størrelse og kompleks form, kan fungere under betingelse af mangel på smøring, egnet til åben smitte.Ikke-jernholdige metaller, der almindeligvis anvendes, er tinbronze, aluminium-jernbronze og støbte aluminiumslegeringer, der almindeligvis anvendes til fremstilling af turbiner eller gear, men glide- og antifriktionsegenskaberne er dårlige, kun til let, middel belastning og lav hastighed gear.Gear af ikke-metallisk materiale bruges hovedsageligt i nogle områder med særlige krav, såsom oliefri smøring og høj pålidelighed.Området med forhold som lav forurening, som husholdningsapparater, medicinsk udstyr, fødevaremaskiner og tekstilmaskiner.

Gearbelægningsmaterialer

Engineering keramiske materialer er ekstremt lovende materialer med høj styrke og hårdhed, især fremragende varmebestandighed, lav termisk ledningsevne og termisk ekspansion, høj slidstyrke og oxidationsbestandighed.En lang række undersøgelser har vist, at keramiske materialer i sagens natur er varmebestandige og har lavt slid på metaller.Derfor kan brugen af ​​keramiske materialer i stedet for metalmaterialer til slidbestandige dele forbedre friktionsunderlagets levetid, kan opfylde nogle af de høje temperaturer og høje slidbestandige materialer, multifunktionelle og andre hårde krav.På nuværende tidspunkt er tekniske keramiske materialer blevet brugt til fremstilling af motorens varmebestandige dele, mekanisk transmission i sliddele, kemisk udstyr i de korrosionsbestandige dele og tætningsdele, viser i stigende grad den brede anvendelse af keramiske materialer udsigter.

Udviklede lande som Tyskland, Japan, USA, Det Forenede Kongerige og andre lande lægger stor vægt på udvikling og anvendelse af tekniske keramiske materialer og investerer en masse penge og arbejdskraft til at udvikle forarbejdningsteori og teknologi inden for ingeniørkeramik.Tyskland har lanceret et program kaldet "SFB442", hvis formål er at bruge PVD-teknologi til at syntetisere en passende film på overfladen af ​​delene for at erstatte det potentielt skadelige smøremedium for miljøet og menneskekroppen.PW Gold og andre i Tyskland brugte midlerne fra SFB442 til at anvende PVD-teknologi til at afsætte tynde film på overfladen af ​​rullelejer og fandt ud af, at rullelejers anti-slid-ydeevne var væsentligt forbedret, og at filmene aflejret på overfladen fuldstændigt kunne erstatte funktion af ekstremt tryk anti-slid additiver.Joachim, Franz et al.i Tyskland brugte PVD-teknologi til at fremstille WC/C-film, der viser fremragende anti-træthedsegenskaber, højere end smøremidler indeholdende EP-additiver, et resultat, der på samme måde giver mulighed for at erstatte skadelige additiver med belægninger.E. Lugscheider et al.fra Institute of Materials Science, Technical University of Aachen, Tyskland, med finansiering fra DFG (GermanResearch Commission), påviste en signifikant stigning i træthedsmodstand efter afsætning af passende film på 100Cr6 stål ved hjælp af PVD-teknologi.Derudover er USA's General Motors begyndt i sin VolvoS80Turbo-type bilgearoverfladeaflejringsfilm for at forbedre modstandsdygtigheden over for træthed.det berømte Timken-firma har lanceret navnet ES200 gear overfladefilm;registreret varemærke MAXIT gear coating er dukket op i Tyskland;registreret varemærke henholdsvis Graphit-iC og Dymon-iC Gearbelægninger med de registrerede varemærker Graphit-iC og Dymon-iC er også tilgængelige i Storbritannien.

Som en vigtig reservedel af mekanisk transmission spiller gear en vigtig rolle i industrien, så det er af meget vigtig praktisk betydning at studere anvendelsen af ​​keramiske materialer på gear.På nuværende tidspunkt er den tekniske keramik, der anvendes på gearene, hovedsagelig følgende.

1, TiN belægningslag
1, TiN

Ionbelægning TiN keramisk lag er en af ​​de mest udbredte overflademodificerede belægninger med høj hårdhed, høj vedhæftningsstyrke, lav friktionskoefficient, god korrosionsbestandighed osv. Det har været meget udbredt inden for forskellige områder, især i værktøjs- og formindustrien.Hovedårsagen til påføring af keramisk belægning på gear er bindingsproblemet mellem keramisk belægning og underlag.Da arbejdsforholdene og påvirkningsfaktorerne for gear er langt mere komplicerede end for værktøjer og forme, er anvendelsen af ​​en enkelt TiN-belægning på tandhjulets overfladebehandling stærkt begrænset.Selvom keramisk belægning har fordelene ved høj hårdhed, lav friktionskoefficient og korrosionsbestandighed, er den skør og vanskelig at opnå en tykkere belægning, så den har brug for en høj hårdhed og høj styrke substrat til at understøtte belægningen for at spille dens egenskaber.Derfor bruges keramisk belægning mest til hårdmetal og højhastighedsståloverflader.Gearmaterialet er blødt sammenlignet med det keramiske materiale, og forskellen mellem substratets og belægningens beskaffenhed er stor, så kombinationen af ​​belægningen og substratet er dårlig, og belægningen er ikke nok til at understøtte belægningen, hvilket gør belægningen let at falde af i brugsprocessen, ikke kun kan ikke spille fordelene ved den keramiske belægning, men de keramiske belægningspartikler, der falder af, vil forårsage slibende slid på gearet, hvilket fremskynder slidtabet af gearet.Den nuværende løsning er at bruge komposit overfladebehandlingsteknologi til at forbedre bindingen mellem keramikken og underlaget.Kompositoverfladebehandlingsteknologi refererer til kombinationen af ​​fysisk dampaflejringsbelægning og andre overfladebehandlingsprocesser eller belægninger, der anvender to separate overflader/underflader til at modificere overfladen af ​​substratmaterialet for at opnå kompositmekaniske egenskaber, som ikke kan opnås ved en enkelt overfladebehandlingsproces .TiN kompositbelægning aflejret ved ionnitrering og PVD er en af ​​de mest undersøgte kompositbelægninger.Plasmanitreringssubstratet og TiN keramisk kompositbelægning har en stærk binding, og slidstyrken er væsentligt forbedret.

Den optimale tykkelse af TiN-filmlag med fremragende slidstyrke og filmbasebinding er omkring 3 ~ 4μm.Hvis tykkelsen af ​​filmlaget er mindre end 2μm, vil slidstyrken ikke blive væsentligt forbedret.Hvis tykkelsen af ​​filmlaget er mere end 5μm, vil filmbasisbindingen blive reduceret.

2、Multi-lag, multi-komponent TiN belægning

Med den gradvise og udbredte anvendelse af TiN-belægninger er der flere og flere undersøgelser af, hvordan man kan forbedre og forbedre TiN-belægninger.I de senere år er flerkomponentbelægninger og flerlagsbelægninger blevet udviklet baseret på binære TiN-belægninger, såsom Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3 osv. Ved at tilføje elementer som Al og Si til TiN-belægninger kan belægningernes modstandsdygtighed over for højtemperaturoxidation og hårdhed af belægningerne forbedres, mens tilsætning af elementer som B kan forbedre belægningernes hårdhed og vedhæftningsstyrke.

På grund af kompleksiteten af ​​multikomponentsammensætningen er der mange kontroverser i denne undersøgelse.I undersøgelsen af ​​(Tix,Cr1-x)N multikomponent belægninger er der en stor kontrovers i forskningsresultaterne.Nogle mennesker tror, ​​at (Tix,Cr1-x)N-belægninger er baseret på TiN, og Cr kan kun eksistere i form af erstatningsfast opløsning i TiN-punktmatrixen, men ikke som en separat CrN-fase.Andre undersøgelser viser, at antallet af Cr-atomer, der direkte erstatter Ti-atomer i (Tix,Cr1-x)N-belægninger, er begrænset, og den resterende Cr eksisterer i singlet-tilstand eller danner forbindelser med N. Forsøgsresultaterne viser, at tilsætning af Cr til belægningen reducerer overfladepartikelstørrelsen og øger hårdheden, og belægningens hårdhed når sin højeste værdi, når masseprocenten af ​​Cr når 3l%, men belægningens indre spænding når også sin maksimale værdi.

3, Andet belægningslag

Ud over de almindeligt anvendte TiN-belægninger, anvendes mange forskellige ingeniørkeramik til forstærkning af gearoverfladen.

(1) Y.Terauchi et al.fra Japan undersøgte modstanden mod friktionsslid af titaniumcarbid eller titaniumnitrid keramiske gear aflejret ved dampaflejringsmetoden.Tandhjulene blev karbureret og poleret for at opnå en overfladehårdhed på ca. HV720 og en overfladeruhed på 2,4 μm før belægning, og de keramiske belægninger blev fremstillet ved kemisk dampaflejring (CVD) for titaniumcarbid og ved fysisk dampaflejring (PVD) for titaniumnitrid, med en keramisk filmtykkelse på ca. 2 μm.Friktionsslidegenskaberne blev undersøgt ved tilstedeværelse af henholdsvis olie og tørfriktion.Det viste sig, at skruestikkets modstandsdygtighed over for stød og ridser blev væsentligt forbedret efter belægning med keramik.

(2) Kompositbelægning af kemisk belagt Ni-P og TiN blev fremstillet ved at præbelægge Ni-P som et overgangslag og derefter afsætte TiN.Undersøgelsen viser, at overfladehårdheden af ​​denne kompositbelægning er blevet forbedret til en vis grad, og belægningen er bedre bundet til underlaget og har bedre slidstyrke.

(3) WC/C, B4C tynd film
M. Murakawa et al., Department of Mechanical Engineering, Japan Institute of Technology, brugte PVD-teknologi til at afsætte WC/C tynd film på overfladen af ​​gear, og dens levetid var tre gange så lang som almindelige bratkølede og slebne gear under olie- frie smørebetingelser.Franz J et al.brugte PVD-teknologi til at afsætte WC/C og B4C tynd film på overfladen af ​​FEZ-A og FEZ-C gear, og eksperimentet viste, at PVD-belægningen reducerede gearfriktionen betydeligt, gjorde gearet mindre modtageligt for varmlimning eller limning, og forbedrede gearets bæreevne.

(4) CrN-film
CrN-film ligner TiN-film, idet de har højere hårdhed, og CrN-film er mere modstandsdygtige over for højtemperaturoxidation end TiN, har bedre korrosionsbestandighed, lavere indre stress end TiN-film og relativt bedre sejhed.Chen Ling et fremstillede en slidbestandig TiAlCrN/CrN-kompositfilm med fremragende filmbaseret binding på overfladen af ​​HSS og foreslog også dislokationsstablingsteorien for flerlagsfilm, hvis dislokationsenergiforskellen mellem to lag er stor, opstår dislokationen i det ene lag vil det være vanskeligt at krydse dets grænseflade ind i det andet lag, hvorved der dannes dislokationsstablingen ved grænsefladen og spiller rollen som at styrke materialet.Zhong Bin et undersøgte effekten af ​​nitrogenindhold på fasestrukturen og friktionsslidegenskaberne af CrNx-film, og undersøgelsen viste, at Cr2N (211) diffraktionstoppen i filmene gradvist blev svækket, og CrN (220)-toppen gradvist forstærkedes med stigningen af N2-indhold faldt de store partikler på filmoverfladen gradvist, og overfladen havde tendens til at være flad.Når N2-beluftningen var 25 ml/min (målkildens lysbuestrøm var 75 A, har den aflejrede CrN-film god overfladekvalitet, god hårdhed og fremragende slidstyrke, når N2-beluftningen er 25ml/min (målkildens lysbuestrøm er 75A, negativ trykket er 100V).

(5) Superhård film
Superhard film er den solide film med hårdhed større end 40GPa, fremragende slidstyrke, høj temperaturbestandighed og lav friktionskoefficient og lav termisk ekspansionskoefficient, hovedsageligt amorf diamantfilm og CN-film.Amorfe diamantfilm har amorfe egenskaber, ingen langrækkende ordnet struktur og indeholder et stort antal CC tetraedriske bindinger, så de kaldes også tetraedriske amorfe kulstoffilm.Som en slags amorf kulstoffilm har diamantlignende belægning (DLC) mange fremragende egenskaber, der ligner diamant, såsom høj varmeledningsevne, høj hårdhed, højt elasticitetsmodul, lav termisk udvidelseskoefficient, god kemisk stabilitet, god slidstyrke og lav friktionskoefficient.Det har vist sig, at belægning af diamantlignende film på gearoverflader kan forlænge levetiden med en faktor 6 og forbedre udmattelsesmodstanden markant.CN-film, også kendt som amorfe carbon-nitrogen-film, har en krystalstruktur svarende til den for β-Si3N4-kovalente forbindelser og er også kendt som β-C3N4.Liu og Cohen et al.udførte stringente teoretiske beregninger ved hjælp af pseudopotentiale båndberegninger fra first-nature-princippet, bekræftet, at β-C3N4 har en stor bindingsenergi, en stabil mekanisk struktur, mindst én sub-stabil tilstand kan eksistere, og dens elasticitetsmodul er sammenlignelig med diamant, med gode egenskaber, som effektivt kan forbedre materialets overfladehårdhed og slidstyrke og reducere friktionskoefficienten.

(6) Andet slidbestandigt belægningslag af legering
Nogle slidbestandige legeringsbelægninger er også blevet forsøgt påført gear, for eksempel er aflejringen af ​​Ni-P-Co legeringslag på tandoverfladen af ​​45# stålgear et legeringslag for at opnå ultrafin kornorganisation, som kan forlænge levetiden op til 1.144~1.533 gange.Det er også blevet undersøgt, at Cu-metallag og Ni-W-legeringsbelægning påføres på tandoverfladen af ​​Cu-Cr-P-legeret støbejernsgear for at forbedre dets styrke;Ni-W og Ni-Co legeringsbelægning påføres på tandoverfladen af ​​HT250 støbejernsgear for at forbedre slidstyrken med 4 ~ 6 gange sammenlignet med det ubelagte gear.