Tehnologija premazivanja zupčanika

Tehnologija PVD taloženja prakticira se već dugi niz godina kao nova tehnologija modifikacije površine, posebno tehnologija vakuumskog ionskog premazivanja, koja je stekla veliki razvoj posljednjih godina i sada se naširoko koristi u obradi alata, kalupa, klipnih prstenova, zupčanika i drugih komponenti .Obloženi zupčanici pripremljeni tehnologijom vakuumskog ionskog premazivanja mogu značajno smanjiti koeficijent trenja, poboljšati zaštitu od trošenja i određenu zaštitu od korozije, te su postali žarište i žarište istraživanja u području tehnologije ojačavanja površine zupčanika.

Uobičajeni materijali koji se koriste za zupčanike uglavnom su kovani čelik, lijevani čelik, lijevano željezo, obojeni metali (bakar, aluminij) i plastika.Čelik je uglavnom čelik 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Niskougljični čelik uglavnom se koristi u 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Kovani čelik se više koristi u zupčanicima zbog svojih boljih performansi, dok se lijevani čelik obično koristi za proizvodnju zupčanika promjera > 400 mm i složene strukture.Zupčanici od lijevanog željeza otporni su na ljepilo i jamice, ali nedostatak otpornosti na udarce i habanje, uglavnom za stabilan rad, snaga nije mala brzina ili velika veličina i složen oblik, može raditi pod uvjetom nedostatka podmazivanja, pogodan za otvorene prijenos.Obojeni metali koji se obično koriste su kositrena bronca, aluminij-željezna bronca i legura aluminija za lijevanje, koja se obično koristi u proizvodnji turbina ili zupčanika, ali svojstva klizanja i otpornosti na trenje su loša, samo za lagano, srednje opterećenje i male brzine zupčanici.Zupčanici od nemetalnih materijala uglavnom se koriste u nekim područjima s posebnim zahtjevima, kao što su podmazivanje bez ulja i visoka pouzdanost.Područje uvjeta kao što je nisko zagađenje, poput kućanskih aparata, medicinske opreme, strojeva za hranu i tekstilnih strojeva.

Materijali za oblaganje zupčanika

Inženjerski keramički materijali iznimno su obećavajući materijali visoke čvrstoće i tvrdoće, posebno izvrsne otpornosti na toplinu, niske toplinske vodljivosti i toplinskog širenja, visoke otpornosti na trošenje i otpornosti na oksidaciju.Velik broj studija pokazao je da su keramički materijali sami po sebi otporni na toplinu i da se metali malo troše.Stoga, upotreba keramičkih materijala umjesto metalnih materijala za dijelove otporne na habanje može produžiti životni vijek tarne podloge, može zadovoljiti neke od materijala visoke temperature i visoke otpornosti na habanje, višenamjenske i druge teške zahtjeve.Trenutačno se inženjerski keramički materijali koriste u proizvodnji dijelova motora otpornih na toplinu, mehaničkog prijenosa u dijelovima koji se troše, kemijske opreme u dijelovima otpornim na koroziju i dijelovima za brtvljenje, što sve više pokazuje perspektivu široke primjene keramičkih materijala.

Razvijene zemlje poput Njemačke, Japana, Sjedinjenih Država, Ujedinjenog Kraljevstva i drugih zemalja pridaju veliku važnost razvoju i primjeni inženjerskih keramičkih materijala, ulažući mnogo novca i radne snage u razvoj teorije obrade i tehnologije inženjerske keramike.Njemačka je pokrenula program pod nazivom “SFB442″, čija je svrha korištenje PVD tehnologije za sintetiziranje prikladnog filma na površini dijelova koji bi zamijenio potencijalno štetan medij za podmazivanje za okoliš i ljudsko tijelo.PW Gold i drugi u Njemačkoj koristili su sredstva iz SFB442 za primjenu PVD tehnologije za nanošenje tankih filmova na površinu kotrljajućih ležajeva i otkrili da je učinak protiv habanja kotrljajućih ležajeva značajno poboljšan i da bi filmovi naneseni na površinu mogli u potpunosti zamijeniti funkcija aditiva protiv trošenja pri ekstremnom tlaku.Joachim, Franz et al.u Njemačkoj koristi PVD tehnologiju za pripremu WC/C filmova koji pokazuju izvrsna svojstva protiv zamora, veća od onih maziva koja sadrže EP aditive, rezultat koji na sličan način daje mogućnost zamjene štetnih aditiva premazima.E. Lugscheider i sur.s Instituta za znanost o materijalima Tehničkog sveučilišta u Aachenu, Njemačka, uz financiranje DFG-a (Njemačko istraživačko povjerenstvo), pokazalo je značajno povećanje otpornosti na zamor nakon nanošenja odgovarajućih filmova na čelik 100Cr6 korištenjem PVD tehnologije.Osim toga, General Motors Sjedinjenih Američkih Država započeo je s površinskim taloženjem filma za automobilski zupčanik tipa VolvoS80Turbo kako bi se poboljšala otpornost na zamor;poznata tvrtka Timken lansirala je naziv ES200 površinska folija za zupčanike;registrirani zaštitni znak MAXIT gear coating pojavio se u Njemačkoj;registrirani zaštitni znak Graphit-iC odnosno Dymon-iC Premazi zupčanika s registriranim zaštitnim znakovima Graphit-iC i Dymon-iC također su dostupni u Ujedinjenom Kraljevstvu.

Kao važan rezervni dio mehaničkog prijenosa, zupčanici imaju važnu ulogu u industriji, pa je od vrlo važnog praktičnog značaja proučavanje primjene keramičkih materijala na zupčanicima.Trenutno, inženjerska keramika koja se primjenjuje na zupčanike je uglavnom sljedeća.

1、TiN sloj premaza
1、TiN

Ionski premaz TiN keramički sloj jedan je od najčešće korištenih površinski modificiranih premaza s visokom tvrdoćom, visokom čvrstoćom prianjanja, niskim koeficijentom trenja, dobrom otpornošću na koroziju itd. Naširoko se koristi u raznim područjima, posebno u industriji alata i kalupa.Glavni razlog koji utječe na primjenu keramičke prevlake na zupčanike je problem vezivanja između keramičke prevlake i podloge.Budući da su radni uvjeti i čimbenici utjecaja zupčanika daleko složeniji od onih kod alata i kalupa, primjena jednog sloja TiN na površinsku obradu zupčanika uvelike je ograničena.Iako keramički premaz ima prednosti visoke tvrdoće, niskog koeficijenta trenja i otpornosti na koroziju, krt je i teško ga je dobiti deblji premaz, pa mu je potrebna podloga visoke tvrdoće i velike čvrstoće koja će poduprijeti premaz kako bi mogao igrati svoje karakteristike.Stoga se keramička prevlaka najviše koristi za površine karbida i brzoreznog čelika.Materijal zupčanika je mekan u usporedbi s keramičkim materijalom, a razlika između prirode podloge i premaza je velika, tako da je kombinacija premaza i podloge loša, a premaz nije dovoljan da podupre premaz, čineći premaz koji lako otpada u procesu uporabe, ne samo da ne može iskoristiti prednosti keramičkog premaza, već čestice keramičkog premaza koje otpadaju uzrokovat će abrazivno trošenje zupčanika, ubrzavajući gubitak trošenja zupčanika.Trenutačno rješenje je korištenje kompozitne tehnologije obrade površine za poboljšanje veze između keramike i podloge.Tehnologija kompozitne površinske obrade odnosi se na kombinaciju nanošenja fizičkog naparivanja i drugih procesa ili premaza površinske obrade, koristeći dvije odvojene površine/podpovršine za modificiranje površine materijala supstrata kako bi se dobila kompozitna mehanička svojstva koja se ne mogu postići jednim postupkom površinske obrade .TiN kompozitna prevlaka nanesena ionskim nitriranjem i PVD-om jedna je od najistraživanijih kompozitnih prevlaka.Supstrat plazma nitriranja i TiN keramički kompozitni premaz imaju jaku vezu i otpornost na trošenje je značajno poboljšana.

Optimalna debljina sloja TiN filma s izvrsnom otpornošću na trošenje i lijepljenjem temeljnog filma je oko 3~4 μm.Ako je debljina sloja filma manja od 2 μm, otpornost na habanje se neće značajno poboljšati.Ako je debljina sloja filma veća od 5 μm, bit će smanjeno lijepljenje baze filma.

2、Višeslojni, višekomponentni TiN premaz

S postupnom i širokom primjenom TiN prevlaka, sve je više istraživanja o tome kako poboljšati i poboljšati TiN prevlake.Posljednjih godina razvijene su višekomponentne prevlake i višeslojne prevlake temeljene na binarnim prevlakama TiN, kao što su Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3, itd. Dodavanjem elemenata kao što su Al i Si TiN prevlakama, otpornost na visokotemperaturnu oksidaciju i tvrdoća prevlaka mogu se poboljšati, dok se dodavanjem elemenata kao što je B može poboljšati tvrdoća i čvrstoća prianjanja prevlaka.

Zbog složenosti višekomponentnog sastava, postoje mnoge kontroverze u ovoj studiji.U proučavanju (Tix,Cr1-x)N višekomponentnih premaza postoji velika kontroverza u rezultatima istraživanja.Neki ljudi vjeruju da se (Tix,Cr1-x)N prevlake temelje na TiN, a Cr može postojati samo u obliku zamjenske čvrste otopine u TiN točkastoj matrici, ali ne kao zasebna CrN faza.Druge studije pokazuju da je broj atoma Cr koji izravno zamjenjuju atome Ti u (Tix,Cr1-x)N prevlakama ograničen, a preostali Cr postoji u singletnom stanju ili tvori spojeve s N. Eksperimentalni rezultati pokazuju da dodatak Cr premazu smanjuje površinsku veličinu čestica i povećava tvrdoću, a tvrdoća premaza postiže najveću vrijednost kada maseni postotak Cr dostigne 3l%, ali i unutarnje naprezanje premaza doseže najveću vrijednost.

3、Drugi sloj premaza

Uz uobičajeno korištene TiN premaze, mnogo različitih inženjerskih keramika se koristi za ojačavanje površine zupčanika.

(1) Y.Terauchi i sur.iz Japana proučavali su otpornost na trenje keramičkih zupčanika od titanijevog karbida ili titanijevog nitrida nanesenih metodom taloženja parom.Zupčanici su naugljičeni i polirani kako bi se postigla površinska tvrdoća od oko HV720 i površinska hrapavost od 2,4 μm prije presvlačenja, a keramičke prevlake pripremljene su kemijskim taloženjem iz pare (CVD) za titan karbid i fizičkim taloženjem iz pare (PVD) za titanijev nitrid, s debljinom keramičkog filma od oko 2 μm.Svojstva trenja ispitivana su u prisutnosti uljnog i suhog trenja.Utvrđeno je da su otpornost na habanje i otpornost na ogrebotine stege zupčanika znatno povećane nakon premazivanja keramikom.

(2) Kompozitna prevlaka od kemijski obloženih Ni-P i TiN pripremljena je prethodnim oblaganjem Ni-P kao prijelaznog sloja i zatim taloženjem TiN.Studija pokazuje da je površinska tvrdoća ovog kompozitnog premaza u određenoj mjeri poboljšana, a premaz je bolje povezan s podlogom i ima bolju otpornost na trošenje.

(3) WC/C, B4C tanki film
M. Murakawa i dr., Odsjek za strojarstvo, Japanski institut za tehnologiju, upotrijebili su PVD tehnologiju za nanošenje WC/C tankog filma na površinu zupčanika, a njegov radni vijek bio je tri puta duži od običnih kaljenih i brušenih zupčanika pod uljem. uvjeti slobodnog podmazivanja.Franz J i sur.koristio je PVD tehnologiju za nanošenje WC/C i B4C tankog filma na površinu FEZ-A i FEZ-C zupčanika, a eksperiment je pokazao da je PVD premaz značajno smanjio trenje zupčanika, učinio zupčanik manje osjetljivim na vruće lijepljenje ili lijepljenje, i poboljšana nosivost zupčanika.

(4) CrN filmovi
CrN filmovi slični su TiN filmovima po tome što imaju veću tvrdoću, a CrN filmovi su otporniji na oksidaciju na visokim temperaturama od TiN, imaju bolju otpornost na koroziju, manji unutarnji stres od TiN filmova i relativno bolju žilavost.Chen Ling i dr. pripremili su kompozitni film TiAlCrN/CrN otporan na habanje s izvrsnim lijepljenjem temeljenim na filmu na površini HSS-a, a također su predložili teoriju slaganja dislokacija višeslojnog filma, ako je razlika u energiji dislokacije između dva sloja velika, dolazi do dislokacije u jednom sloju bit će teško prijeći svoje sučelje u drugi sloj, stvarajući tako slaganje dislokacija na sučelju i igrajući ulogu jačanja materijala.Zhong Bin i dr. proučavali su učinak sadržaja dušika na faznu strukturu i svojstva trošenja uslijed trenja CrNx filmova, a studija je pokazala da difrakcijski vrh Cr2N (211) u filmovima postupno slabi, a vrh CrN (220) postupno pojačava s povećanjem sadržaja N2, velike čestice na površini filma postupno su se smanjivale i površina je bila ravna.Kada je prozračivanje N2 bilo 25 ml/min (struja ciljanog izvora luka bila je 75 A, naneseni CrN film ima dobru kvalitetu površine, dobru tvrdoću i izvrsnu otpornost na habanje kada je prozračivanje N2 25 ml/min (struja ciljanog izvora luka je 75 A, negativno) pritisak je 100V).

(5) Supertvrdi film
Supertvrdi film je čvrsti film s tvrdoćom većom od 40 GPa, izvrsnom otpornošću na trošenje, otpornošću na visoke temperature i niskim koeficijentom trenja i niskim koeficijentom toplinske ekspanzije, uglavnom amorfni dijamantni film i CN film.Amorfni dijamantni filmovi imaju amorfna svojstva, nemaju uređenu strukturu velikog dometa i sadrže veliki broj CC tetraedarskih veza, pa se nazivaju i tetraedarski amorfni ugljikovi filmovi.Kao vrsta amorfnog ugljičnog filma, premaz sličan dijamantu (DLC) ima mnoga izvrsna svojstva slična dijamantu, kao što su visoka toplinska vodljivost, visoka tvrdoća, visoki modul elastičnosti, nizak koeficijent toplinske ekspanzije, dobra kemijska stabilnost, dobra otpornost na trošenje i nizak koeficijent trenja.Pokazalo se da premazivanje dijamantnim filmovima na površinama zupčanika može produžiti životni vijek za faktor 6 i značajno poboljšati otpornost na zamor.CN filmovi, također poznati kao amorfni ugljik-dušik filmovi, imaju kristalnu strukturu sličnu onoj kovalentnih spojeva β-Si3N4 i također su poznati kao β-C3N4.Liu i Cohen et al.izvršio je rigorozne teorijske izračune koristeći izračune pojasa pseudopotencijala iz načela prve prirode, potvrdio da β-C3N4 ima veliku energiju vezanja, stabilnu mehaničku strukturu, da može postojati najmanje jedno substabilno stanje i da mu je modul elastičnosti usporediv s dijamantom, s dobrim svojstvima, koja mogu učinkovito poboljšati površinsku tvrdoću i otpornost na habanje materijala i smanjiti koeficijent trenja.

(6) Sloj premaza od druge legure otporan na habanje
Neke legirane prevlake otporne na habanje također su se pokušale primijeniti na zupčanike, na primjer, taloženje sloja legure Ni-P-Co na površinu zuba zupčanika od čelika 45# je sloj legure za dobivanje ultra-fine organizacije zrna, što može produžiti život do 1.144~1.533 puta.Također je proučavano da se metalni sloj Cu i prevlaka od legure Ni-W nanose na površinu zuba zupčanika od lijevanog željeza od legure Cu-Cr-P kako bi se poboljšala njegova čvrstoća;Presvlake od Ni-W i Ni-Co legure nanose se na površinu zuba zupčanika od lijevanog željeza HT250 kako bi se poboljšala otpornost na habanje za 4 do 6 puta u usporedbi s nepremazanim zupčanicima.