Tecnología de recubrimiento de engranajes

La tecnología de deposición PVD se ha practicado durante muchos años como una nueva tecnología de modificación de superficies, especialmente la tecnología de recubrimiento de iones al vacío, que ha tenido un gran desarrollo en los últimos años y ahora se usa ampliamente en el tratamiento de herramientas, moldes, anillos de pistón, engranajes y otros componentes. .Los engranajes revestidos preparados por la tecnología de revestimiento de iones al vacío pueden reducir significativamente el coeficiente de fricción, mejorar el antidesgaste y cierta anticorrosión, y se han convertido en el foco y el punto caliente de la investigación en el campo de la tecnología de fortalecimiento de superficies de engranajes.

Los materiales comunes utilizados para engranajes son principalmente acero forjado, acero fundido, hierro fundido, metales no ferrosos (cobre, aluminio) y plásticos.El acero es principalmente acero 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Acero con bajo contenido de carbono utilizado principalmente en 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.El acero forjado se usa más ampliamente en engranajes debido a su mejor rendimiento, mientras que el acero fundido se usa generalmente para fabricar engranajes con un diámetro > 400 mm y una estructura compleja.Engranajes de hierro fundido anti-pegamento y resistencia a las picaduras, pero la falta de resistencia al impacto y al desgaste, principalmente para un trabajo estable, la potencia no es de baja velocidad o de gran tamaño y forma compleja, puede funcionar bajo la condición de falta de lubricación, adecuado para abierto transmisión.Los metales no ferrosos comúnmente utilizados son el bronce al estaño, el bronce al aluminio y al hierro y la fundición de aleación de aluminio, comúnmente utilizados en la fabricación de turbinas o engranajes, pero las propiedades de deslizamiento y antifricción son pobres, solo para cargas ligeras, medias y de baja velocidad. engranajesLos engranajes de materiales no metálicos se utilizan principalmente en algunos campos con requisitos especiales, como la lubricación sin aceite y la alta confiabilidad.El campo de condiciones tales como baja contaminación, como electrodomésticos, equipos médicos, maquinaria alimentaria y maquinaria textil.

Materiales de recubrimiento de engranajes

Los materiales cerámicos de ingeniería son materiales extremadamente prometedores con alta resistencia y dureza, especialmente excelente resistencia al calor, baja conductividad térmica y expansión térmica, alta resistencia al desgaste y resistencia a la oxidación.Una gran cantidad de estudios han demostrado que los materiales cerámicos son inherentemente resistentes al calor y tienen poco desgaste en los metales.Por lo tanto, el uso de materiales cerámicos en lugar de materiales metálicos para piezas resistentes al desgaste puede mejorar la vida útil del subsuelo de fricción, puede cumplir con algunos de los materiales de alta temperatura y alta resistencia al desgaste, multifuncional y otros requisitos difíciles.En la actualidad, los materiales cerámicos de ingeniería se han utilizado en la fabricación de piezas resistentes al calor del motor, transmisión mecánica en las piezas de desgaste, equipos químicos en las piezas resistentes a la corrosión y piezas de sellado, muestran cada vez más la amplia aplicación de las perspectivas de los materiales cerámicos.

Los países desarrollados como Alemania, Japón, los Estados Unidos, el Reino Unido y otros países otorgan gran importancia al desarrollo y la aplicación de materiales cerámicos de ingeniería, invirtiendo mucho dinero y mano de obra para desarrollar la teoría y la tecnología de procesamiento de la cerámica de ingeniería.Alemania ha lanzado un programa llamado “SFB442″, cuyo propósito es utilizar la tecnología PVD para sintetizar una película adecuada en la superficie de las piezas para reemplazar el medio lubricante potencialmente dañino para el medio ambiente y el cuerpo humano.PW Gold y otros en Alemania utilizaron la financiación de SFB442 para aplicar la tecnología PVD para depositar películas delgadas en la superficie de los rodamientos y descubrieron que el rendimiento antidesgaste de los rodamientos mejoraba significativamente y que las películas depositadas en la superficie podían reemplazar completamente el función de los aditivos antidesgaste de extrema presión.Joachim, Franz et al.en Alemania utilizó la tecnología PVD para preparar películas de WC/C que demostraron excelentes propiedades antifatiga, superiores a las de los lubricantes que contienen aditivos EP, resultado que brinda igualmente la posibilidad de reemplazar los aditivos nocivos con recubrimientos.E. Lugscheider et al.del Instituto de Ciencias de los Materiales de la Universidad Técnica de Aquisgrán, Alemania, con financiación de la DFG (Comisión Alemana de Investigación), demostró un aumento significativo en la resistencia a la fatiga después de depositar películas apropiadas sobre acero 100Cr6 usando tecnología PVD.Además, los Estados Unidos General Motors ha comenzado en su VolvoS80Turbo tipo película de deposición de la superficie del engranaje del coche para mejorar la resistencia a las picaduras por fatiga;la famosa compañía Timken ha lanzado el nombre de película de superficie de engranajes ES200;la marca registrada MAXIT Gear Coating ha aparecido en Alemania;marca registrada Graphit-iC y Dymon-iC respectivamente Los recubrimientos de engranajes con las marcas registradas Graphit-iC y Dymon-iC también están disponibles en el Reino Unido.

Como piezas de repuesto importantes de la transmisión mecánica, los engranajes juegan un papel importante en la industria, por lo que es de gran importancia práctica estudiar la aplicación de materiales cerámicos en los engranajes.En la actualidad, las cerámicas de ingeniería aplicadas a los engranajes son principalmente las siguientes.

1, capa de revestimiento de TiN
1, estaño

Recubrimiento de iones La capa de cerámica TiN es uno de los recubrimientos de superficie modificada más utilizados con alta dureza, alta fuerza de adhesión, bajo coeficiente de fricción, buena resistencia a la corrosión, etc. Ha sido ampliamente utilizado en varios campos, especialmente en la industria de herramientas y moldes.La razón principal que afecta la aplicación del revestimiento cerámico en los engranajes es el problema de unión entre el revestimiento cerámico y el sustrato.Dado que las condiciones de trabajo y los factores de influencia de los engranajes son mucho más complicados que los de las herramientas y los moldes, la aplicación de un solo recubrimiento de TiN en el tratamiento de la superficie de los engranajes está muy restringida.Aunque el revestimiento cerámico tiene las ventajas de alta dureza, bajo coeficiente de fricción y resistencia a la corrosión, es frágil y difícil de obtener un revestimiento más grueso, por lo que necesita un sustrato de alta dureza y alta resistencia para soportar el revestimiento con el fin de reproducir sus características.Por lo tanto, el recubrimiento cerámico se usa principalmente para superficies de carburo y acero de alta velocidad.El material del engranaje es suave en comparación con el material cerámico, y la diferencia entre la naturaleza del sustrato y el revestimiento es grande, por lo que la combinación del revestimiento y el sustrato es mala, y el revestimiento no es suficiente para soportar el revestimiento, por lo que el revestimiento se cae fácilmente en el proceso de uso, no solo no puede aprovechar las ventajas del revestimiento cerámico, sino que las partículas del revestimiento cerámico que se caen causarán un desgaste abrasivo en el engranaje, acelerando la pérdida por desgaste del engranaje.La solución actual es utilizar la tecnología de tratamiento de superficies compuestas para mejorar la unión entre la cerámica y el sustrato.La tecnología de tratamiento de superficies compuestas se refiere a la combinación de revestimiento de deposición de vapor físico y otros procesos o revestimientos de tratamiento de superficies, utilizando dos superficies/subsuperficies separadas para modificar la superficie del material del sustrato para obtener propiedades mecánicas compuestas que no se pueden lograr mediante un solo proceso de tratamiento de superficie. .El recubrimiento compuesto de TiN depositado por nitruración iónica y PVD es uno de los recubrimientos compuestos más investigados.El sustrato de nitruración por plasma y el revestimiento compuesto de cerámica TiN tienen una unión fuerte y la resistencia al desgaste mejora significativamente.

El grosor óptimo de la capa de película de TiN con excelente resistencia al desgaste y unión de la base de la película es de aproximadamente 3~4 μm.Si el grosor de la capa de película es inferior a 2 μm, la resistencia al desgaste no mejorará significativamente.Si el grosor de la capa de la película es superior a 5 μm, la unión de la base de la película disminuirá.

2 、 Recubrimiento TiN multicapa y multicomponente

Con la aplicación gradual y generalizada de los recubrimientos de TiN, cada vez hay más investigaciones sobre cómo mejorar y mejorar los recubrimientos de TiN.En los últimos años, se han desarrollado recubrimientos multicomponente y recubrimientos multicapa basados ​​en recubrimientos binarios de TiN, como Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3, etc. Al agregar elementos como Al y Si a los recubrimientos de TiN, se puede mejorar la resistencia a la oxidación a alta temperatura y la dureza de los recubrimientos, mientras que al agregar elementos como B se puede mejorar la dureza y la fuerza de adhesión de los recubrimientos.

Debido a la complejidad de la composición multicomponente, existen muchas controversias en este estudio.En el estudio de los recubrimientos multicomponente (Tix,Cr1-x)N, existe una gran controversia en los resultados de la investigación.Algunas personas creen que los recubrimientos de (Tix,Cr1-x)N se basan en TiN, y que el Cr solo puede existir en forma de solución sólida de reemplazo en la matriz de puntos de TiN, pero no como una fase separada de CrN.Otros estudios muestran que el número de átomos de Cr que reemplazan directamente a los átomos de Ti en los recubrimientos de (Tix,Cr1-x)N es limitado, y el Cr restante existe en estado singulete o forma compuestos con N. Los resultados experimentales muestran que la adición de Cr al recubrimiento reduce el tamaño de partícula de la superficie y aumenta la dureza, y la dureza del recubrimiento alcanza su valor más alto cuando el porcentaje de masa de Cr alcanza el 3l%, pero la tensión interna del recubrimiento también alcanza su valor máximo.

3, otra capa de recubrimiento

Además de los recubrimientos de TiN comúnmente utilizados, se utilizan muchas cerámicas de ingeniería diferentes para fortalecer la superficie de los engranajes.

(1)Y.Terauchi et al.de Japón estudió la resistencia al desgaste por fricción de engranajes cerámicos de carburo de titanio o nitruro de titanio depositados por el método de deposición de vapor.Los engranajes se cementaron y pulieron para lograr una dureza superficial de aproximadamente HV720 y una rugosidad superficial de 2,4 μm antes del recubrimiento, y los recubrimientos cerámicos se prepararon mediante deposición química de vapor (CVD) para carburo de titanio y mediante deposición física de vapor (PVD) para nitruro de titanio, con un espesor de película cerámica de aproximadamente 2 μm.Las propiedades de desgaste por fricción se investigaron en presencia de aceite y fricción seca, respectivamente.Se encontró que la resistencia al desgaste y la resistencia al rayado del tornillo de banco mejoraron sustancialmente después de recubrir con cerámica.

(2) Se preparó un revestimiento compuesto de Ni-P y TiN revestidos químicamente mediante un revestimiento previo de Ni-P como capa de transición y luego depositando TiN.El estudio muestra que la dureza de la superficie de este revestimiento compuesto ha mejorado hasta cierto punto, y el revestimiento está mejor adherido al sustrato y tiene una mejor resistencia al desgaste.

(3) WC/C, película delgada B4C
M. Murakawa et al., Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto de Tecnología de Japón, utilizó la tecnología PVD para depositar una película delgada de WC/C en la superficie de los engranajes, y su vida útil fue tres veces mayor que la de los engranajes templados y rectificados ordinarios bajo aceite. condiciones de lubricación libre.Franz J et al.usó tecnología PVD para depositar una película delgada de WC/C y B4C en la superficie de los engranajes FEZ-A y FEZ-C, y el experimento mostró que el recubrimiento PVD redujo significativamente la fricción del engranaje, hizo que el engranaje fuera menos susceptible al encolado en caliente o al encolado, y mejoró la capacidad de carga del engranaje.

(4) películas CrN
Las películas de CrN son similares a las películas de TiN en que tienen mayor dureza, y las películas de CrN son más resistentes a la oxidación a alta temperatura que las de TiN, tienen mejor resistencia a la corrosión, menor tensión interna que las películas de TiN y una tenacidad relativamente mejor.Chen Ling et al. prepararon una película compuesta de TiAlCrN/CrN resistente al desgaste con una excelente unión basada en película en la superficie de HSS, y también propusieron la teoría de apilamiento de dislocación de la película multicapa, si la diferencia de energía de dislocación entre dos capas es grande, la dislocación ocurre en una capa será difícil cruzar su interfaz con la otra capa, formando así el apilamiento de la dislocación en la interfaz y desempeñando el papel de fortalecer el material.Zhong Bin et al estudiaron el efecto del contenido de nitrógeno en la estructura de fase y las propiedades de desgaste por fricción de las películas de CrNx, y el estudio mostró que el pico de difracción de Cr2N (211) en las películas se debilitó gradualmente y el pico de CrN (220) mejoró gradualmente con el aumento del contenido de N2, las partículas grandes en la superficie de la película disminuyeron gradualmente y la superficie tendió a ser plana.Cuando la aireación de N2 fue de 25 ml/min (la corriente de arco de la fuente objetivo fue de 75 A, la película de CrN depositada tiene una buena calidad superficial, buena dureza y excelente resistencia al desgaste cuando la aireación de N2 fue de 25 ml/min (la corriente de arco de la fuente objetivo fue de 75 A, negativo la presión es de 100V).

(5) película superdura
La película superdura es la película sólida con una dureza superior a 40GPa, excelente resistencia al desgaste, resistencia a altas temperaturas y bajo coeficiente de fricción y bajo coeficiente de expansión térmica, principalmente película de diamante amorfo y película CN.Las películas de diamante amorfo tienen propiedades amorfas, no tienen una estructura ordenada de largo alcance y contienen una gran cantidad de enlaces tetraédricos CC, por lo que también se denominan películas de carbono amorfas tetraédricas.Como una especie de película de carbono amorfo, el revestimiento similar al diamante (DLC) tiene muchas propiedades excelentes similares al diamante, como alta conductividad térmica, alta dureza, alto módulo elástico, bajo coeficiente de expansión térmica, buena estabilidad química, buena resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción.Se ha demostrado que recubrir las superficies de los engranajes con películas similares al diamante puede prolongar la vida útil en un factor de 6 y mejorar significativamente la resistencia a la fatiga.Las películas de CN, también conocidas como películas amorfas de carbono-nitrógeno, tienen una estructura cristalina similar a la de los compuestos covalentes β-Si3N4 y también se conocen como β-C3N4.Liu y Cohen et al.realizó cálculos teóricos rigurosos utilizando cálculos de banda de pseudopotencial del principio de la primera naturaleza, confirmó que β-C3N4 tiene una gran energía de enlace, una estructura mecánica estable, puede existir al menos un estado subestable y su módulo elástico es comparable al diamante, con buenas propiedades, que pueden mejorar efectivamente la dureza de la superficie y la resistencia al desgaste del material y reducir el coeficiente de fricción.

(6) Otra capa de recubrimiento resistente al desgaste de aleación
También se ha intentado aplicar algunos recubrimientos de aleación resistentes al desgaste a los engranajes, por ejemplo, la deposición de una capa de aleación de Ni-P-Co en la superficie del diente de los engranajes de acero n.° 45 es una capa de aleación para obtener una organización de grano ultrafino. que puede extender la vida hasta 1.144~1.533 veces.También se ha estudiado que la capa de metal de Cu y el revestimiento de aleación de Ni-W se aplican en la superficie del diente del engranaje de hierro fundido de aleación de Cu-Cr-P para mejorar su resistencia;El recubrimiento de aleación Ni-W y Ni-Co se aplica en la superficie del diente del engranaje de hierro fundido HT250 para mejorar la resistencia al desgaste entre 4 y 6 veces en comparación con el engranaje sin recubrimiento.