Fogaskerék bevonat technológia

A PVD leválasztási technológiát évek óta alkalmazzák új felületmódosítási technológiaként, különösen a vákuumionos bevonat technológiájaként, amely az elmúlt években nagy fejlődésen ment keresztül, és mára széles körben használatos szerszámok, formák, dugattyúgyűrűk, fogaskerekek és egyéb alkatrészek kezelésében. .A vákuumion bevonat technológiával előállított bevonatos fogaskerekek jelentősen csökkenthetik a súrlódási együtthatót, javíthatják a kopás- és bizonyos korrózióvédelmet, és a fogaskerekek felületerősítő technológiája terén a kutatás fókuszává és forró pontjává váltak.

A fogaskerekek elterjedt anyagai elsősorban a kovácsolt acél, az öntött acél, az öntöttvas, a színesfémek (réz, alumínium) és a műanyagok.Az acél főleg 45 acél, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Alacsony széntartalmú acél, főleg 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.A kovácsolt acélt jobb teljesítménye miatt szélesebb körben használják fogaskerekekben, míg az öntött acélt általában 400 mm-nél nagyobb átmérőjű és összetett szerkezetű fogaskerekek gyártására használják.Az öntöttvas fogaskerekek ragasztás- és lyukállóság, de az ütés- és kopásállóság hiánya, főleg a stabil munkához, a teljesítmény nem alacsony sebesség vagy nagy méret és összetett forma, kenés hiánya esetén is használható, nyitott terjedés.A leggyakrabban használt színesfémek az ónbronz, az alumínium-vas-bronz és az öntvényalumíniumötvözet, amelyeket általában turbinák vagy hajtóművek gyártásához használnak, de a csúszási és súrlódásgátló tulajdonságai rosszak, csak kis, közepes terhelésnél és alacsony sebességnél. fogaskerekek.A nem fémből készült fogaskerekeket főként bizonyos területeken használják, amelyek speciális követelményeket támasztanak, mint például az olajmentes kenés és a nagy megbízhatóság.Az olyan feltételek területe, mint az alacsony szennyezés, mint a háztartási gépek, orvosi berendezések, élelmiszeripari gépek és textilipari gépek.

Fogaskerék-bevonat anyagok

A műszaki kerámia anyagok rendkívül ígéretes anyagok, nagy szilárdsággal és keménységgel, különösen kiváló hőállósággal, alacsony hővezető képességgel és hőtágulási képességgel, magas kopásállósággal és oxidációállósággal.Számos tanulmány kimutatta, hogy a kerámia anyagok természetüknél fogva hőállóak, és alacsony a fémkopásuk.Ezért a kerámia anyagok használata fém anyagok helyett a kopásálló alkatrészekhez javíthatja a súrlódó aljzat élettartamát, megfelel a magas hőmérsékletnek és a kopásálló anyagoknak, a többfunkciós és egyéb szigorú követelményeknek.Jelenleg mérnöki kerámia anyagokat használnak a motor hőálló alkatrészeinek, a kopó alkatrészekben a mechanikus hajtóműnek, a korrózióálló alkatrészeknek és a tömítőalkatrészeknek a gyártásában vegyi berendezések, amelyek egyre inkább a kerámiaanyagok széles körű alkalmazását mutatják.

A fejlett országok, mint Németország, Japán, az Egyesült Államok, az Egyesült Királyság és más országok nagy jelentőséget tulajdonítanak a mérnöki kerámia anyagok fejlesztésének és alkalmazásának, rengeteg pénzt és munkaerőt fektetnek be a mérnöki kerámia feldolgozási elméletének és technológiájának fejlesztésébe.Németország elindította az „SFB442” nevű programot, amelynek célja, hogy PVD technológiával megfelelő filmet szintetizáljon az alkatrészek felületén, hogy helyettesítse a környezetre és az emberi szervezetre potenciálisan káros kenőanyagot.A PW Gold és mások Németországban az SFB442 támogatását arra használták fel, hogy PVD technológiát alkalmazzanak vékony filmrétegek felhordására a gördülőcsapágyak felületére, és megállapították, hogy a gördülőcsapágyak kopásgátló tulajdonságai jelentősen javultak, és a felületen lerakódott filmek teljesen helyettesíthetik a gördülőcsapágyak felületét. extrém nyomású kopásgátló adalékok funkciója.Joachim, Franz et al.Németországban PVD technológiát alkalmaztak olyan WC/C fóliák elkészítésére, amelyek kiváló kifáradásgátló tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek magasabbak, mint az EP-adalékokat tartalmazó kenőanyagoké, ami hasonlóképpen lehetőséget ad a káros adalékanyagok bevonatokkal való helyettesítésére.E. Lugscheider et al.A németországi Aacheni Műszaki Egyetem Anyagtudományi Intézetének vizsgálata a DFG (Német Kutatási Bizottság) finanszírozásával a fáradtságállóság jelentős növekedését mutatta ki, miután PVD-technológiával 100Cr6-os acélra megfelelő filmeket helyeztek fel.Ezen túlmenően az Egyesült Államok General Motors megkezdte VolvoS80Turbo típusú gépkocsi-hajtóműveinek felületi bevonófóliáját, hogy javítsa a kifáradási pontozással szembeni ellenállást;a híres Timken cég piacra dobta az ES200 hajtóműfelületi fóliát;a MAXIT gear coating bejegyzett védjegye megjelent Németországban;bejegyzett védjegyek: Graphit-iC és Dymon-iC A Graphit-iC és Dymon-iC bejegyzett védjegyekkel ellátott Gear bevonatok az Egyesült Királyságban is kaphatók.

A mechanikus erőátvitel fontos alkatrészeiként a fogaskerekek fontos szerepet töltenek be az iparban, ezért nagyon fontos gyakorlati jelentőséggel bír a kerámia anyagok fogaskerekeken történő alkalmazásának vizsgálata.Jelenleg a hajtóművekre alkalmazott gépészeti kerámiák főként a következők.

1、TiN bevonatréteg
1, TiN

Ionbevonat A TiN kerámiaréteg az egyik legszélesebb körben használt felületmódosított bevonat, nagy keménységgel, nagy tapadási szilárdsággal, alacsony súrlódási együtthatóval, jó korrózióállósággal stb. Széles körben használják különféle területeken, különösen a szerszám- és formaiparban.A fogaskerekek kerámia bevonatának felvitelét befolyásoló fő ok a kerámia bevonat és a hordozó közötti kötési probléma.Mivel a fogaskerekek munkakörülményei és befolyásoló tényezői sokkal bonyolultabbak, mint a szerszámoké és a formáké, ezért a fogaskerekek felületkezelésén egyetlen TiN bevonat alkalmazása erősen korlátozott.Bár a kerámia bevonat előnyei a nagy keménység, az alacsony súrlódási együttható és a korrózióállóság, törékeny, és nehéz vastagabb bevonatot előállítani, ezért nagy keménységű és nagy szilárdságú hordozóra van szüksége a bevonat alátámasztásához ahhoz, hogy a jellemzőit kijátssza.Ezért a kerámia bevonatot leginkább keményfém és gyorsacél felületekhez használják.A fogaskerék anyaga a kerámia anyaghoz képest puha, és nagy a különbség az aljzat és a bevonat jellege között, ezért a bevonat és az aljzat kombinációja rossz, és a bevonat nem elegendő a bevonat alátámasztásához, így a bevonat a használat során könnyen leesik, nemcsak hogy nem tudja kijátszani a kerámia bevonat előnyeit, de a lehulló kerámia bevonat részecskék kopásos kopást okoznak a fogaskeréken, felgyorsítva a fogaskerék kopási veszteségét.A jelenlegi megoldás a kompozit felületkezelési technológia alkalmazása a kerámia és az aljzat közötti kötés javítására.A kompozit felületkezelési technológia a fizikai gőzleválasztásos bevonat és más felületkezelési eljárások vagy bevonatok kombinációját jelenti, amely során két külön felületet/aljzatot használnak az aljzat anyagának felületének módosítására, hogy olyan összetett mechanikai tulajdonságokat érjenek el, amelyeket egyetlen felületkezelési eljárással nem lehet elérni. .Az ionnitridálással és PVD-vel leválasztott TiN kompozit bevonat az egyik legtöbbet kutatott kompozit bevonat.A plazmanitridáló szubsztrátum és a TiN kerámia kompozit bevonat erős kötést mutat, és a kopásállósága jelentősen javul.

A kiváló kopásállósággal és filmalap-kötéssel rendelkező TiN filmréteg optimális vastagsága körülbelül 3-4 μm.Ha a filmréteg vastagsága kisebb, mint 2 μm, a kopásállóság nem javul jelentősen.Ha a filmréteg vastagsága meghaladja az 5 μm-t, a filmalap kötése csökken.

2、 Többrétegű, többkomponensű TiN bevonat

A TiN bevonatok fokozatos és elterjedt alkalmazásával egyre több kutatás folyik a TiN bevonatok tökéletesítéséről és javításáról.Az elmúlt években többkomponensű bevonatokat és többrétegű bevonatokat fejlesztettek ki bináris TiN bevonatok alapján, mint például a Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN. /Al2O3 stb. Ha a TiN bevonatokhoz olyan elemeket adunk, mint az Al és Si, a bevonatok magas hőmérsékletű oxidációval szembeni ellenállása és keménysége javítható, míg az olyan elemek hozzáadásával, mint a B, javítható a bevonatok keménysége és tapadási szilárdsága.

A többkomponensű összetétel összetettsége miatt sok ellentmondás merül fel ebben a tanulmányban.A (Tix,Cr1-x)N többkomponensű bevonatok vizsgálatában nagy vita alakult ki a kutatási eredményekben.Vannak, akik úgy vélik, hogy a (Tix,Cr1-x)N bevonatok TiN alapúak, és a Cr csak helyettesítő szilárd oldat formájában létezhet a TiN pontmátrixban, de nem különálló CrN fázisként.Más tanulmányok azt mutatják, hogy a (Tix,Cr1-x)N bevonatokban a Ti atomokat közvetlenül helyettesítő Cr atomok száma korlátozott, és a maradék Cr szingulett állapotban létezik, vagy N-vel vegyületeket képez. A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a Cr hozzáadása A bevonat felületi részecskeméretének csökkentése és a keménység növelése, a bevonat keménysége pedig akkor éri el legnagyobb értékét, amikor a Cr tömegszázaléka eléri a 3l%-ot, de a bevonat belső feszültsége is eléri a maximális értékét.

3. Egyéb bevonóréteg

A gyakran használt TiN bevonatok mellett számos különféle műszaki kerámiát használnak a fogaskerekek felületének megerősítésére.

(1)Y.Terauchi et al.Japánban a gőzleválasztásos módszerrel leválasztott titán-karbid vagy titán-nitrid kerámia fogaskerekek súrlódási kopással szembeni ellenállását tanulmányozták.A fogaskerekeket karburizáltuk és políroztuk, hogy a felületi keménység körülbelül HV720, a felületi érdesség pedig 2,4 μm legyen a bevonat előtt, és a kerámia bevonatokat kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) készítették el a titán-karbid esetében és fizikai gőzleválasztással (PVD) titán-nitrid, körülbelül 2 μm kerámia filmvastagsággal.A súrlódási kopási tulajdonságokat olaj, illetve száraz súrlódás jelenlétében vizsgáltuk.Azt találtuk, hogy a hajtómű satu kopásállósága és karcállósága lényegesen megnövekedett kerámiával való bevonást követően.

(2) A kémiailag bevont Ni-P és TiN kompozit bevonatát úgy állítottuk elő, hogy átmeneti rétegként Ni-P-t előzetesen bevontak, majd TiN-t leválasztottak.A tanulmány azt mutatja, hogy ennek a kompozit bevonatnak a felületi keménysége bizonyos mértékig javult, és a bevonat jobban tapad az aljzathoz, és jobb a kopásállósága.

(3) WC/C, B4C vékony film
M. Murakawa és munkatársai, a Japán Műszaki Intézet Gépészmérnöki Tanszéke PVD technológiát használt a WC/C vékonyréteg felhordására a fogaskerekek felületére, és élettartama háromszorosa volt a hagyományos oltott és köszörült fogaskerekeknek olaj alatt. ingyenes kenési feltételek.Franz J et al.PVD technológiát használt a WC/C és B4C vékonyréteg felhordására a FEZ-A és FEZ-C fogaskerekek felületére, és a kísérlet kimutatta, hogy a PVD bevonat jelentősen csökkentette a fogaskerekek súrlódását, kevésbé érzékeny a hajtóműre a melegragasztásra vagy ragasztásra, és javította a hajtómű teherbíró képességét.

(4) CrN filmek
A CrN fóliák abban hasonlítanak a TiN fóliákhoz, hogy nagyobb a keménységük, és a CrN fóliák jobban ellenállnak a magas hőmérsékletű oxidációnak, mint a TiN, jobb a korrózióállóságuk, kisebb a belső feszültségük, mint a TiN filmeknek, és viszonylag jobb a szívósságuk.Chen Ling et készített egy kopásálló TiAlCrN/CrN kompozit fóliát, amely kiváló film alapú kötéssel rendelkezik a HSS felületén, és javasolta a többrétegű film diszlokációs halmozási elméletét is, ha a két réteg közötti diszlokációs energia különbség nagy, akkor a diszlokáció fellép. Az egyik rétegben nehéz lesz átlépni a határfelületét a másik rétegbe, így kialakul a diszlokáció halmozódása a határfelületen, és az anyag megerősítésének szerepét tölti be.Zhong Bin és a nitrogéntartalom hatását tanulmányozták a CrNx filmek fázisszerkezetére és súrlódási kopási tulajdonságaira, és a tanulmány kimutatta, hogy a filmekben a Cr2N (211) diffrakciós csúcs fokozatosan gyengült, a CrN (220) csúcs pedig fokozatosan nőtt a növekedéssel. A nitrogéntartalom mellett a nagy részecskék a film felületén fokozatosan csökkentek, és a felület lapossá vált.Amikor az N2 levegőztetés 25 ml/perc volt (a célforrás íváram 75 A volt, a felvitt CrN film jó felületi minőséggel, jó keménységgel és kiváló kopásállósággal rendelkezik, ha az N2 levegőztetés 25 ml/perc (a célforrás íváram 75 A, negatív). nyomás 100V).

(5) Szuperkemény film
A szuperkemény fólia olyan szilárd film, amelynek keménysége meghaladja a 40 GPa-t, kiváló kopásállósággal, magas hőmérséklettel szembeni ellenállással és alacsony súrlódási együtthatóval és alacsony hőtágulási együtthatóval, elsősorban amorf gyémánt fólia és CN film.Az amorf gyémántfilmek amorf tulajdonságokkal rendelkeznek, nincs hosszú hatótávolságú rendezett szerkezetük, és nagyszámú CC tetraéder kötést tartalmaznak, ezért tetraéderes amorf szénfilmeknek is nevezik.Egyfajta amorf szénfilmként a gyémántszerű bevonat (DLC) a gyémánthoz hasonló számos kiváló tulajdonsággal rendelkezik, például magas hővezető képességgel, nagy keménységgel, nagy rugalmassági modulussal, alacsony hőtágulási együtthatóval, jó kémiai stabilitással, jó kopásállósággal és alacsony súrlódási együttható.Kimutatták, hogy a gyémántszerű fóliák bevonása a fogaskerekek felületére 6-szorosára meghosszabbíthatja az élettartamot, és jelentősen javíthatja a fáradásállóságot.A CN filmek, más néven amorf szén-nitrogén filmek, kristályszerkezetük hasonló a β-Si3N4 kovalens vegyületekéhez, és β-C3N4 néven is ismertek.Liu és Cohen és mtsai.szigorú elméleti számításokat végzett pszeudopotenciálsáv számításokkal az első természet elve alapján, megerősítette, hogy a β-C3N4 nagy kötési energiával, stabil mechanikai szerkezettel rendelkezik, legalább egy szubstabil állapot létezhet, és rugalmassági modulusa a gyémánthoz hasonlítható, jó tulajdonságokkal, amelyek hatékonyan javíthatják az anyag felületi keménységét és kopásállóságát, valamint csökkenthetik a súrlódási együtthatót.

(6) Egyéb ötvözetből készült kopásálló bevonatréteg
Néhány ötvözetből készült kopásálló bevonatot is megpróbáltak felvinni a fogaskerekekre, például a Ni-P-Co ötvözetréteg 45#-os acél fogaskerekek fogfelületére történő felhordása egy ötvözetréteg az ultrafinom szemcse-szervezés érdekében, amely akár 1,144-1,533-szorosára is meghosszabbíthatja az élettartamot.Azt is tanulmányozták, hogy Cu-Cr-P ötvözetből készült öntöttvas fogaskerekek fogfelületére Cu-fémréteget és Ni-W ötvözet bevonatot alkalmaznak annak szilárdságának javítása érdekében;A HT250 öntöttvas fogaskerekek fogfelületére Ni-W és Ni-Co ötvözet bevonatot visznek fel, hogy a kopásállóságot 4-6-szorosára javítsák a bevonat nélküli fogaskerékhez képest.