Technologie de revêtement des engrenages

La technologie de dépôt PVD est pratiquée depuis de nombreuses années comme une nouvelle technologie de modification de surface, en particulier la technologie de revêtement ionique sous vide, qui a connu un grand développement ces dernières années et est maintenant largement utilisée dans le traitement des outils, moules, segments de piston, engrenages et autres composants .Les engrenages revêtus préparés par la technologie de revêtement ionique sous vide peuvent réduire considérablement le coefficient de frottement, améliorer l'anti-usure et certains anti-corrosion, et sont devenus le centre et le point chaud de la recherche dans le domaine de la technologie de renforcement de la surface des engrenages.

Les matériaux couramment utilisés pour les engrenages sont principalement l'acier forgé, l'acier moulé, la fonte, les métaux non ferreux (cuivre, aluminium) et les plastiques.L'acier est principalement de l'acier 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Acier à faible teneur en carbone principalement utilisé dans 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.L'acier forgé est plus largement utilisé dans les engrenages en raison de ses meilleures performances, tandis que l'acier moulé est généralement utilisé pour fabriquer des engrenages d'un diamètre > 400 mm et d'une structure complexe.Engrenages en fonte anti-colle et résistance aux piqûres, mais le manque de résistance aux chocs et à l'usure, principalement pour un travail stable, la puissance n'est pas à basse vitesse ou de grande taille et de forme complexe, peut fonctionner dans des conditions de manque de lubrification, adapté pour ouvert transmission.Les métaux non ferreux couramment utilisés sont le bronze à l'étain, le bronze aluminium-fer et l'alliage d'aluminium coulé, couramment utilisés dans la fabrication de turbines ou d'engrenages, mais les propriétés de glissement et d'anti-friction sont médiocres, uniquement pour les charges légères, moyennes et à faible vitesse. engrenages.Les engrenages en matériaux non métalliques sont principalement utilisés dans certains domaines avec des exigences particulières, telles qu'une lubrification sans huile et une grande fiabilité.Le domaine des conditions telles que la faible pollution, comme les appareils électroménagers, les équipements médicaux, les machines alimentaires et les machines textiles.

Matériaux de revêtement des engrenages

Les matériaux céramiques techniques sont des matériaux extrêmement prometteurs avec une résistance et une dureté élevées, en particulier une excellente résistance à la chaleur, une faible conductivité thermique et une faible dilatation thermique, une résistance élevée à l'usure et à l'oxydation.Un grand nombre d'études ont montré que les matériaux céramiques sont intrinsèquement résistants à la chaleur et ont une faible usure des métaux.Par conséquent, l'utilisation de matériaux céramiques au lieu de matériaux métalliques pour les pièces résistantes à l'usure peut améliorer la durée de vie du sous-marin de friction, peut répondre à certains des matériaux à haute température et à haute résistance à l'usure, multifonctionnels et autres exigences difficiles.À l'heure actuelle, les matériaux céramiques techniques ont été utilisés dans la fabrication de pièces de moteur résistantes à la chaleur, la transmission mécanique dans les pièces d'usure, l'équipement chimique dans les pièces résistantes à la corrosion et les pièces d'étanchéité, montrent de plus en plus la large application des perspectives des matériaux céramiques.

Les pays développés tels que l'Allemagne, le Japon, les États-Unis, le Royaume-Uni et d'autres pays attachent une grande importance au développement et à l'application de matériaux céramiques techniques, investissant beaucoup d'argent et de main-d'œuvre pour développer la théorie et la technologie de traitement des céramiques techniques.L'Allemagne a lancé un programme appelé "SFB442", dont le but est d'utiliser la technologie PVD pour synthétiser un film approprié sur la surface des pièces pour remplacer le milieu lubrifiant potentiellement nocif pour l'environnement et le corps humain.PW Gold et d'autres en Allemagne ont utilisé le financement de SFB442 pour appliquer la technologie PVD afin de déposer des films minces sur la surface des roulements et ont constaté que les performances anti-usure des roulements étaient considérablement améliorées et que les films déposés sur la surface pouvaient complètement remplacer le fonction des additifs anti-usure extrême pression.Joachim, Franz et al.en Allemagne a utilisé la technologie PVD pour préparer des films WC/C présentant d'excellentes propriétés anti-fatigue, supérieures à celles des lubrifiants contenant des additifs EP, un résultat qui offre également la possibilité de remplacer les additifs nocifs par des revêtements.E. Lugscheider et al.de l'Institut des sciences des matériaux de l'Université technique d'Aix-la-Chapelle, en Allemagne, avec un financement de la DFG (German Research Commission), a démontré une augmentation significative de la résistance à la fatigue après le dépôt de films appropriés sur de l'acier 100Cr6 à l'aide de la technologie PVD.En outre, les États-Unis General Motors ont commencé dans son film de dépôt de surface d'engrenage de voiture de type VolvoS80Turbo pour améliorer la résistance à la fatigue par piqûres;la célèbre société Timken a lancé le nom de film de surface pour engrenages ES200 ;la marque déposée MAXIT Gear Coating est apparue en Allemagne ;marques déposées Graphit-iC et Dymon-iC, respectivement. Les revêtements Gear portant les marques déposées Graphit-iC et Dymon-iC sont également disponibles au Royaume-Uni.

En tant que pièces de rechange importantes de la transmission mécanique, les engrenages jouent un rôle important dans l'industrie, il est donc d'une importance pratique très importante d'étudier l'application de matériaux céramiques sur les engrenages.À l'heure actuelle, les céramiques techniques appliquées aux engrenages sont principalement les suivantes.

1、Couche de revêtement TiN
1、Étain

La couche de céramique TiN à revêtement ionique est l'un des revêtements modifiés en surface les plus largement utilisés avec une dureté élevée, une force d'adhérence élevée, un faible coefficient de frottement, une bonne résistance à la corrosion, etc. Elle a été largement utilisée dans divers domaines, en particulier dans l'industrie des outils et des moules.La principale raison affectant l'application du revêtement céramique sur les engrenages est le problème de liaison entre le revêtement céramique et le substrat.Étant donné que les conditions de travail et les facteurs d'influence des engrenages sont beaucoup plus compliqués que ceux des outils et des moules, l'application d'un seul revêtement TiN sur le traitement de surface des engrenages est fortement limitée.Bien que le revêtement céramique présente les avantages d'une dureté élevée, d'un faible coefficient de frottement et d'une résistance à la corrosion, il est fragile et difficile d'obtenir un revêtement plus épais, il a donc besoin d'un substrat de haute dureté et de haute résistance pour supporter le revêtement afin de jouer ses caractéristiques.Par conséquent, le revêtement céramique est principalement utilisé pour les surfaces en carbure et en acier rapide.Le matériau de l'engrenage est doux par rapport au matériau céramique, et la différence entre la nature du substrat et le revêtement est grande, de sorte que la combinaison du revêtement et du substrat est médiocre, et le revêtement n'est pas suffisant pour supporter le revêtement, ce qui rend le revêtement facile à tomber en cours d'utilisation, non seulement ne peut pas jouer les avantages du revêtement en céramique, mais les particules de revêtement en céramique qui tombent provoqueront une usure abrasive sur l'engrenage, accélérant la perte d'usure de l'engrenage.La solution actuelle est d'utiliser la technologie de traitement de surface composite pour améliorer la liaison entre la céramique et le substrat.La technologie de traitement de surface composite fait référence à la combinaison d'un revêtement par dépôt physique en phase vapeur et d'autres processus ou revêtements de traitement de surface, en utilisant deux surfaces/sous-surfaces distinctes pour modifier la surface du matériau du substrat afin d'obtenir des propriétés mécaniques composites qui ne peuvent pas être obtenues par un seul processus de traitement de surface. .Le revêtement composite TiN déposé par nitruration ionique et PVD est l'un des revêtements composites les plus étudiés.Le substrat de nitruration au plasma et le revêtement composite céramique TiN ont une liaison solide et la résistance à l'usure est considérablement améliorée.

L'épaisseur optimale de la couche de film TiN avec une excellente résistance à l'usure et une liaison de base de film est d'environ 3 ~ 4 μm.Si l'épaisseur de la couche de film est inférieure à 2 μm, la résistance à l'usure ne sera pas améliorée de manière significative.Si l'épaisseur de la couche de film est supérieure à 5 μm, la liaison de la base du film sera réduite.

2、Revêtement TiN multicouche et multicomposant

Avec l'application progressive et généralisée des revêtements TiN, il y a de plus en plus de recherches sur la façon d'améliorer et d'améliorer les revêtements TiN.Ces dernières années, des revêtements multi-composants et des revêtements multicouches ont été développés sur la base de revêtements TiN binaires, tels que Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3, etc. En ajoutant des éléments tels que Al et Si aux revêtements TiN, la résistance à l'oxydation à haute température et la dureté des revêtements peuvent être améliorées, tandis que l'ajout d'éléments tels que B peut améliorer la dureté et la force d'adhérence des revêtements.

En raison de la complexité de la composition multicomposant, il existe de nombreuses controverses dans cette étude.Dans l'étude des revêtements multicomposants (Tix,Cr1-x)N, il existe une grande controverse dans les résultats de la recherche.Certaines personnes pensent que les revêtements (Tix,Cr1-x)N sont à base de TiN et que Cr ne peut exister que sous la forme d'une solution solide de remplacement dans la matrice de points TiN, mais pas sous forme de phase CrN séparée.D'autres études montrent que le nombre d'atomes de Cr remplaçant directement les atomes de Ti dans les revêtements (Tix,Cr1-x)N est limité et que le Cr restant existe à l'état singulet ou forme des composés avec N. Les résultats expérimentaux montrent que l'ajout de Cr au revêtement réduit la granulométrie de surface et augmente la dureté, et la dureté du revêtement atteint sa valeur maximale lorsque le pourcentage massique de Cr atteint 31 %, mais la contrainte interne du revêtement atteint également sa valeur maximale.

3、Autre couche de revêtement

En plus des revêtements TiN couramment utilisés, de nombreuses céramiques techniques différentes sont utilisées pour renforcer la surface des engrenages.

(1)O.Terauchi et al.du Japon a étudié la résistance à l'usure par frottement d'engrenages en céramique de carbure de titane ou de nitrure de titane déposés par la méthode de dépôt en phase vapeur.Les engrenages ont été cémentés et polis pour obtenir une dureté de surface d'environ HV720 et une rugosité de surface de 2,4 μm avant le revêtement, et les revêtements céramiques ont été préparés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour le carbure de titane et par dépôt physique en phase vapeur (PVD) pour nitrure de titane, avec une épaisseur de film céramique d'environ 2 μm.Les propriétés d'usure par frottement ont été étudiées en présence d'huile et de frottement sec, respectivement.Il a été constaté que la résistance au grippage et la résistance aux rayures de l'étau à engrenages étaient sensiblement améliorées après revêtement avec de la céramique.

(2) Un revêtement composite de Ni-P et TiN revêtus chimiquement a été préparé en enduisant préalablement Ni-P comme couche de transition, puis en déposant TiN.L'étude montre que la dureté de surface de ce revêtement composite a été améliorée dans une certaine mesure, et que le revêtement est mieux lié au substrat et a une meilleure résistance à l'usure.

(3) WC/C, couche mince B4C
M. Murakawa et al., Département de génie mécanique, Japan Institute of Technology, ont utilisé la technologie PVD pour déposer un film mince WC/C sur la surface des engrenages, et sa durée de vie était trois fois supérieure à celle des engrenages ordinaires trempés et rectifiés sous huile. conditions de lubrification libre.Franz J et al.utilisé la technologie PVD pour déposer un film mince WC/C et B4C sur la surface des engrenages FEZ-A et FEZ-C, et l'expérience a montré que le revêtement PVD réduisait considérablement le frottement de l'engrenage, rendait l'engrenage moins sensible au collage à chaud ou au collage, et amélioré la capacité de charge de l'engrenage.

(4) Films CrN
Les films CrN sont similaires aux films TiN en ce sens qu'ils ont une dureté plus élevée et que les films CrN sont plus résistants à l'oxydation à haute température que TiN, ont une meilleure résistance à la corrosion, une contrainte interne plus faible que les films TiN et une ténacité relativement meilleure.Chen Ling et a préparé un film composite TiAlCrN/CrN résistant à l'usure avec une excellente liaison à base de film sur la surface du HSS, et a également proposé la théorie de l'empilement des dislocations du film multicouche, si la différence d'énergie de dislocation entre deux couches est grande, la dislocation se produisant dans une couche aura du mal à traverser son interface dans l'autre couche, formant ainsi l'empilement des dislocations à l'interface et jouant le rôle de renforcement du matériau.Zhong Bin et ont étudié l'effet de la teneur en azote sur la structure de phase et les propriétés d'usure par frottement des films CrNx, et l'étude a montré que le pic de diffraction Cr2N (211) dans les films s'affaiblit progressivement et le pic CrN (220) s'améliore progressivement avec l'augmentation de la teneur en N2, les grosses particules à la surface du film ont progressivement diminué et la surface a eu tendance à être plate.Lorsque l'aération N2 était de 25 ml/min (le courant d'arc source cible était de 75 A, le film CrN déposé a une bonne qualité de surface, une bonne dureté et une excellente résistance à l'usure lorsque l'aération N2 est de 25 ml/min (le courant d'arc source cible est de 75 A, négatif la pression est de 100V).

(5) Film extra-dur
Le film Superhard est le film solide avec une dureté supérieure à 40GPa, une excellente résistance à l'usure, une résistance à haute température et un faible coefficient de frottement et un faible coefficient de dilatation thermique, principalement un film de diamant amorphe et un film CN.Les films de diamant amorphe ont des propriétés amorphes, pas de structure ordonnée à longue portée et contiennent un grand nombre de liaisons tétraédriques CC, ils sont donc également appelés films de carbone amorphe tétraédrique.En tant que sorte de film de carbone amorphe, le revêtement de type diamant (DLC) possède de nombreuses excellentes propriétés similaires au diamant, telles qu'une conductivité thermique élevée, une dureté élevée, un module élastique élevé, un faible coefficient de dilatation thermique, une bonne stabilité chimique, une bonne résistance à l'usure et faible coefficient de frottement.Il a été démontré que le revêtement de films de type diamant sur les surfaces des engrenages peut prolonger la durée de vie d'un facteur 6 et améliorer considérablement la résistance à la fatigue.Les films CN, également connus sous le nom de films carbone-azote amorphes, ont une structure cristalline similaire à celle des composés covalents β-Si3N4 et sont également connus sous le nom de β-C3N4.Liu et Cohen et al.effectué des calculs théoriques rigoureux à l'aide de calculs de bandes pseudopotentielles à partir du principe de première nature, confirmé que β-C3N4 a une grande énergie de liaison, une structure mécanique stable, au moins un état sous-stable peut exister et son module d'élasticité est comparable au diamant, avec de bonnes propriétés, ce qui peut améliorer efficacement la dureté de surface et la résistance à l'usure du matériau et réduire le coefficient de frottement.

(6) Autre couche de revêtement en alliage résistant à l'usure
Certains revêtements en alliage résistant à l'usure ont également été essayés pour être appliqués aux engrenages, par exemple, le dépôt d'une couche d'alliage Ni-P-Co sur la surface de la dent des engrenages en acier 45 # est une couche d'alliage pour obtenir une organisation de grain ultra-fine, ce qui peut prolonger la durée de vie jusqu'à 1,144 ~ 1,533 fois.Il a également été étudié qu'une couche de métal Cu et un revêtement d'alliage Ni-W sont appliqués sur la surface de la dent d'un engrenage en fonte en alliage Cu-Cr-P pour améliorer sa résistance ;Un revêtement en alliage Ni-W et Ni-Co est appliqué sur la surface de la dent de l'engrenage en fonte HT250 pour améliorer la résistance à l'usure de 4 à 6 fois par rapport à l'engrenage non revêtu.