Getriebebeschichtungstechnologie

Die PVD-Abscheidungstechnologie wird seit vielen Jahren als neue Oberflächenmodifikationstechnologie praktiziert, insbesondere die Vakuum-Ionenbeschichtungstechnologie, die in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht hat und heute in großem Umfang bei der Behandlung von Werkzeugen, Formen, Kolbenringen, Zahnrädern und anderen Komponenten eingesetzt wird .Die durch Vakuum-Ionenbeschichtungstechnologie hergestellten beschichteten Zahnräder können den Reibungskoeffizienten erheblich reduzieren, den Verschleiß- und bestimmten Korrosionsschutz verbessern und sind zum Schwerpunkt und Hotspot der Forschung auf dem Gebiet der Technologie zur Verstärkung der Zahnradoberfläche geworden.

Als Werkstoffe für Zahnräder kommen vor allem Schmiedestahl, Stahlguss, Gusseisen, Buntmetalle (Kupfer, Aluminium) und Kunststoffe zum Einsatz.Stahl ist hauptsächlich 45er Stahl, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Kohlenstoffarmer Stahl, hauptsächlich verwendet in 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Geschmiedeter Stahl wird aufgrund seiner besseren Leistung häufiger in Zahnrädern verwendet, während Gussstahl normalerweise zur Herstellung von Zahnrädern mit einem Durchmesser von > 400 mm und komplexer Struktur verwendet wird.Gusseisenzahnräder sind beständig gegen Kleben und Lochfraß, weisen jedoch keine Schlag- und Verschleißfestigkeit auf, hauptsächlich für stabile Arbeiten, die Leistung ist nicht niedrig oder groß und hat eine komplexe Form Übertragung.Häufig verwendete Nichteisenmetalle sind Zinnbronze, Aluminium-Eisen-Bronze und Gussaluminiumlegierungen, die häufig bei der Herstellung von Turbinen oder Getrieben verwendet werden. Die Gleit- und Reibungseigenschaften sind jedoch schlecht, nur bei leichter, mittlerer Belastung und niedriger Geschwindigkeit Getriebe.Getriebe aus nichtmetallischem Material werden hauptsächlich in einigen Bereichen mit besonderen Anforderungen wie ölfreier Schmierung und hoher Zuverlässigkeit eingesetzt.Der Bereich der Bedingungen wie geringe Umweltverschmutzung, wie Haushaltsgeräte, medizinische Geräte, Lebensmittelmaschinen und Textilmaschinen.

Getriebebeschichtungsmaterialien

Technische Keramikwerkstoffe sind äußerst vielversprechende Materialien mit hoher Festigkeit und Härte, insbesondere ausgezeichneter Hitzebeständigkeit, geringer Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung, hoher Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit.Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass keramische Materialien von Natur aus hitzebeständig sind und einen geringen Verschleiß gegenüber Metallen aufweisen.Daher kann die Verwendung von Keramikmaterialien anstelle von Metallmaterialien für verschleißfeste Teile die Lebensdauer des Reibteils verbessern und einige der Hochtemperatur- und hochverschleißfesten Materialien sowie multifunktionale und andere anspruchsvolle Anforderungen erfüllen.Derzeit werden technische Keramikmaterialien bei der Herstellung von hitzebeständigen Motorteilen, mechanischen Getrieben in den Verschleißteilen, chemischen Geräten in den korrosionsbeständigen Teilen und Dichtungsteilen verwendet und zeigen zunehmend die breite Anwendung keramischer Materialien.

Industrieländer wie Deutschland, Japan, die Vereinigten Staaten, das Vereinigte Königreich und andere Länder legen großen Wert auf die Entwicklung und Anwendung technischer Keramikmaterialien und investieren viel Geld und Arbeitskräfte in die Entwicklung der Verarbeitungstheorie und -technologie technischer Keramik.Deutschland hat ein Programm namens „SFB442“ gestartet, dessen Ziel es ist, mithilfe der PVD-Technologie einen geeigneten Film auf der Oberfläche der Teile zu synthetisieren, um das potenziell schädliche Schmiermedium für die Umwelt und den menschlichen Körper zu ersetzen.PW Gold und andere in Deutschland nutzten die Finanzierung des SFB442, um die PVD-Technologie zur Abscheidung dünner Filme auf der Oberfläche von Wälzlagern anzuwenden, und stellten fest, dass die Verschleißschutzleistung von Wälzlagern erheblich verbessert wurde und die auf der Oberfläche abgeschiedenen Filme diese vollständig ersetzen konnten Funktion von Hochdruck-Verschleißschutzadditiven.Joachim, Franz et al.in Deutschland nutzte die PVD-Technologie zur Herstellung von WC/C-Filmen mit hervorragenden Anti-Ermüdungseigenschaften, die höher sind als die von Schmiermitteln mit EP-Additiven, ein Ergebnis, das ebenfalls die Möglichkeit eröffnet, schädliche Additive durch Beschichtungen zu ersetzen.E. Lugscheider et al.vom Institut für Materialwissenschaften der Technischen Universität Aachen, Deutschland, mit Förderung durch die DFG (Deutsche Forschungskommission), zeigte eine signifikante Steigerung der Ermüdungsbeständigkeit nach der Abscheidung geeigneter Filme auf 100Cr6-Stahl mittels PVD-Technologie.Darüber hinaus hat der US-amerikanische Automobilkonzern General Motors damit begonnen, bei seinem VolvoS80Turbo-Typ einen Film auf die Getriebeoberfläche abzuscheiden, um die Beständigkeit gegen Ermüdungslochfraß zu verbessern.Das berühmte Unternehmen Timken hat den Getriebeoberflächenfilm namens ES200 auf den Markt gebracht.eingetragene Marke MAXIT Gear Coating ist in Deutschland erschienen;eingetragene Warenzeichen Graphit-iC und Dymon-iC bzw. Getriebebeschichtungen mit den eingetragenen Warenzeichen Graphit-iC und Dymon-iC sind auch in Großbritannien erhältlich.

Da Zahnräder wichtige Ersatzteile mechanischer Getriebe sind, spielen sie in der Industrie eine wichtige Rolle. Daher ist es von großer praktischer Bedeutung, die Anwendung keramischer Materialien auf Zahnrädern zu untersuchen.Derzeit werden hauptsächlich folgende technische Keramiken für Zahnräder verwendet.

1、TiN-Überzugsschicht
1、TiN

Die ionenbeschichtete TiN-Keramikschicht ist eine der am häufigsten verwendeten oberflächenmodifizierten Beschichtungen mit hoher Härte, hoher Haftfestigkeit, niedrigem Reibungskoeffizienten, guter Korrosionsbeständigkeit usw. Sie wird in verschiedenen Bereichen, insbesondere in der Werkzeug- und Formenindustrie, häufig eingesetzt.Der Hauptgrund für die Anwendung einer Keramikbeschichtung auf Zahnrädern ist das Haftungsproblem zwischen Keramikbeschichtung und Substrat.Da die Arbeitsbedingungen und Einflussfaktoren von Zahnrädern weitaus komplizierter sind als die von Werkzeugen und Formen, ist die Anwendung einer einzigen TiN-Beschichtung bei der Oberflächenbehandlung von Zahnrädern stark eingeschränkt.Obwohl eine Keramikbeschichtung die Vorteile einer hohen Härte, eines niedrigen Reibungskoeffizienten und einer Korrosionsbeständigkeit aufweist, ist sie spröde und es ist schwierig, eine dickere Beschichtung zu erhalten. Daher ist ein Substrat mit hoher Härte und hoher Festigkeit erforderlich, um die Beschichtung zu tragen und ihre Eigenschaften zu entfalten.Daher wird eine Keramikbeschichtung hauptsächlich für Hartmetall- und Schnellarbeitsstahloberflächen verwendet.Das Zahnradmaterial ist im Vergleich zum Keramikmaterial weich und der Unterschied zwischen der Beschaffenheit des Substrats und der Beschichtung ist groß, sodass die Kombination von Beschichtung und Substrat schlecht ist und die Beschichtung nicht ausreicht, um die Beschichtung zu tragen Da die Beschichtung während des Gebrauchs leicht abfällt, können nicht nur die Vorteile der Keramikbeschichtung nicht genutzt werden, sondern die abfallenden Partikel der Keramikbeschichtung führen auch zu abrasivem Verschleiß am Zahnrad und beschleunigen den Verschleißverlust des Zahnrads.Die aktuelle Lösung besteht darin, die Verbundoberflächenbehandlungstechnologie zu verwenden, um die Bindung zwischen der Keramik und dem Substrat zu verbessern.Verbundoberflächenbehandlungstechnologie bezieht sich auf die Kombination von physikalischer Gasphasenabscheidungsbeschichtung und anderen Oberflächenbehandlungsprozessen oder Beschichtungen, wobei zwei separate Oberflächen/Unterflächen verwendet werden, um die Oberfläche des Substratmaterials zu modifizieren, um mechanische Verbundeigenschaften zu erhalten, die mit einem einzigen Oberflächenbehandlungsprozess nicht erreicht werden können .Die durch Ionennitrierung und PVD abgeschiedene TiN-Verbundbeschichtung ist eine der am besten erforschten Verbundbeschichtungen.Das Plasmanitrierungssubstrat und die TiN-Keramik-Verbundbeschichtung haben eine starke Verbindung und die Verschleißfestigkeit wird deutlich verbessert.

Die optimale Dicke der TiN-Filmschicht mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit und Filmbasisbindung beträgt etwa 3 bis 4 μm.Wenn die Dicke der Filmschicht weniger als 2 μm beträgt, wird die Verschleißfestigkeit nicht wesentlich verbessert.Wenn die Dicke der Folienschicht mehr als 5 μm beträgt, wird die Haftung der Folienbasis verringert.

2、Mehrschichtige, mehrkomponentige TiN-Beschichtung

Mit der schrittweisen und weit verbreiteten Anwendung von TiN-Beschichtungen gibt es immer mehr Forschungen zur Verbesserung und Verbesserung von TiN-Beschichtungen.In den letzten Jahren wurden Mehrkomponentenbeschichtungen und Mehrschichtbeschichtungen auf Basis binärer TiN-Beschichtungen wie Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN entwickelt /Al2O3 usw. Durch die Zugabe von Elementen wie Al und Si zu TiN-Beschichtungen können die Beständigkeit gegen Hochtemperaturoxidation und die Härte der Beschichtungen verbessert werden, während die Zugabe von Elementen wie B die Härte und Haftfestigkeit der Beschichtungen verbessern kann.

Aufgrund der Komplexität der Mehrkomponentenzusammensetzung gibt es in dieser Studie viele Kontroversen.Bei der Untersuchung von (Tix,Cr1-x)N-Mehrkomponentenbeschichtungen gibt es große Kontroversen in den Forschungsergebnissen.Einige Leute glauben, dass (Tix,Cr1-x)N-Beschichtungen auf TiN basieren und Cr nur in Form einer Ersatzfestlösung in der TiN-Punktmatrix, aber nicht als separate CrN-Phase vorliegen kann.Andere Studien zeigen, dass die Anzahl der Cr-Atome, die Ti-Atome in (Tix,Cr1-x)N-Beschichtungen direkt ersetzen, begrenzt ist und das verbleibende Cr im Singulettzustand vorliegt oder Verbindungen mit N bildet. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Cr Die Beschichtung verringert die Oberflächenpartikelgröße und erhöht die Härte. Die Härte der Beschichtung erreicht ihren höchsten Wert, wenn der Massenanteil von Cr 31 % erreicht, aber auch die innere Spannung der Beschichtung erreicht ihren Maximalwert.

3、Andere Beschichtungsschicht

Zusätzlich zu den üblicherweise verwendeten TiN-Beschichtungen werden viele verschiedene technische Keramiken zur Oberflächenverstärkung von Zahnrädern verwendet.

(1)J.Terauchi et al.of Japan untersuchte den Widerstand gegen Reibungsverschleiß von Zahnrädern aus Titancarbid- oder Titannitrid-Keramik, die durch die Dampfabscheidungsmethode abgeschieden wurden.Die Zahnräder wurden aufgekohlt und poliert, um vor dem Beschichten eine Oberflächenhärte von etwa HV720 und eine Oberflächenrauheit von 2,4 μm zu erreichen, und die Keramikbeschichtungen wurden für Titankarbid durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und für Titankarbid durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) hergestellt Titannitrid, mit einer Keramikfilmdicke von etwa 2 µm.Die Reibungsverschleißeigenschaften wurden in Gegenwart von Öl bzw. Trockenreibung untersucht.Es wurde festgestellt, dass die Abriebfestigkeit und die Kratzfestigkeit des Zahnradschraubstocks nach der Beschichtung mit Keramik wesentlich verbessert wurden.

(2) Eine Verbundbeschichtung aus chemisch beschichtetem Ni-P und TiN wurde durch Vorbeschichten von Ni-P als Übergangsschicht und anschließendes Abscheiden von TiN hergestellt.Die Studie zeigt, dass die Oberflächenhärte dieser Verbundbeschichtung bis zu einem gewissen Grad verbessert wurde, die Beschichtung besser mit dem Untergrund verbunden ist und eine bessere Verschleißfestigkeit aufweist.

(3) WC/C, B4C-Dünnfilm
M. Murakawa et al., Abteilung für Maschinenbau, Japan Institute of Technology, nutzten die PVD-Technologie, um einen dünnen WC/C-Film auf der Oberfläche von Zahnrädern abzuscheiden, und seine Lebensdauer war dreimal so hoch wie bei gewöhnlichen abgeschreckten und geschliffenen Zahnrädern unter Öl- freie Schmierbedingungen.Franz J et al.nutzte die PVD-Technologie, um WC/C- und B4C-Dünnfilme auf der Oberfläche von FEZ-A- und FEZ-C-Zahnrädern abzuscheiden, und das Experiment zeigte, dass die PVD-Beschichtung die Zahnradreibung deutlich reduzierte und das Zahnrad weniger anfällig für Heißkleben oder Kleben machte. und verbesserte die Tragfähigkeit des Getriebes.

(4) CrN-Filme
CrN-Filme ähneln TiN-Filmen insofern, als sie eine höhere Härte aufweisen, und CrN-Filme sind widerstandsfähiger gegen Hochtemperaturoxidation als TiN, weisen eine bessere Korrosionsbeständigkeit, geringere innere Spannungen als TiN-Filme und eine relativ bessere Zähigkeit auf.Chen Ling et al. stellten einen verschleißfesten TiAlCrN/CrN-Verbundfilm mit hervorragender filmbasierter Bindung auf der HSS-Oberfläche her und schlugen außerdem die Theorie der Versetzungsstapelung von Mehrschichtfilmen vor: Wenn der Versetzungsenergieunterschied zwischen zwei Schichten groß ist, tritt die Versetzung auf In einer Schicht wird es schwierig sein, ihre Grenzfläche in die andere Schicht zu überqueren, wodurch sich an der Grenzfläche eine Versetzungsstapelung bildet und die Rolle der Verstärkung des Materials spielt.Zhong Bin et untersuchten die Auswirkung des Stickstoffgehalts auf die Phasenstruktur und die Reibungsverschleißeigenschaften von CrNx-Filmen und die Studie zeigte, dass der Cr2N (211)-Beugungspeak in den Filmen allmählich schwächer wurde und der CrN (220)-Peak mit der Zunahme allmählich zunahm Aufgrund des N2-Gehalts nahmen die großen Partikel auf der Filmoberfläche allmählich ab und die Oberfläche neigte dazu, flach zu sein.Bei einer N2-Belüftung von 25 ml/min (Ziellichtbogenstrom 75 A) weist der abgeschiedene CrN-Film eine gute Oberflächenqualität, gute Härte und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit auf, wenn die N2-Belüftung 25 ml/min beträgt (Ziellichtbogenstrom 75 A, negativ). Der Druck beträgt 100 V).

(5) Superharter Film
Superharter Film ist ein fester Film mit einer Härte von mehr als 40 GPa, ausgezeichneter Verschleißfestigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit und niedrigem Reibungskoeffizienten und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, hauptsächlich amorpher Diamantfilm und CN-Film.Amorphe Diamantfilme haben amorphe Eigenschaften, keine weitreichend geordnete Struktur und enthalten eine große Anzahl CC-Tetraederbindungen, weshalb sie auch als tetraedrische amorphe Kohlenstofffilme bezeichnet werden.Als eine Art amorpher Kohlenstofffilm weist die diamantähnliche Beschichtung (DLC) viele hervorragende Eigenschaften auf, die Diamant ähneln, wie z. B. hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Härte, hoher Elastizitätsmodul, niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, gute chemische Stabilität, gute Verschleißfestigkeit usw niedriger Reibungskoeffizient.Es hat sich gezeigt, dass die Beschichtung diamantähnlicher Filme auf Zahnradoberflächen die Lebensdauer um den Faktor 6 verlängern und die Ermüdungsbeständigkeit deutlich verbessern kann.CN-Filme, auch als amorphe Kohlenstoff-Stickstoff-Filme bekannt, haben eine Kristallstruktur, die der von kovalenten β-Si3N4-Verbindungen ähnelt, und werden auch als β-C3N4 bezeichnet.Liu und Cohen et al.führte strenge theoretische Berechnungen unter Verwendung von Pseudopotentialbandberechnungen nach dem First-Nature-Prinzip durch und bestätigte, dass β-C3N4 eine große Bindungsenergie, eine stabile mechanische Struktur, mindestens einen substabilen Zustand aufweist und sein Elastizitätsmodul mit dem von Diamant vergleichbar ist. mit guten Eigenschaften, die die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit des Materials wirksam verbessern und den Reibungskoeffizienten verringern können.

(6) Andere verschleißfeste Beschichtungsschicht aus Legierung
Es wurde auch versucht, einige verschleißfeste Legierungsbeschichtungen auf Zahnräder aufzutragen. Beispielsweise ist die Ablagerung einer Ni-P-Co-Legierungsschicht auf der Zahnoberfläche von 45#-Stahlzahnrädern eine Legierungsschicht, um eine ultrafeine Kornorganisation zu erreichen. Dadurch kann die Lebensdauer um das 1,144- bis 1,533-fache verlängert werden.Es wurde auch untersucht, dass eine Cu-Metallschicht und eine Ni-W-Legierungsbeschichtung auf die Zahnoberfläche von Gusseisenzahnrädern mit Cu-Cr-P-Legierung aufgebracht werden, um deren Festigkeit zu verbessern.Auf die Zahnoberfläche von HT250-Gusseisenzahnrädern wird eine Ni-W- und Ni-Co-Legierungsbeschichtung aufgetragen, um die Verschleißfestigkeit im Vergleich zu unbeschichteten Zahnrädern um das 4- bis 6-fache zu verbessern.