Teknologi pelapisan roda gigi

Teknologi pengendapan PVD telah dipraktikkan selama bertahun-tahun sebagai teknologi modifikasi permukaan baru, terutama teknologi pelapisan ion vakum, yang telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir dan sekarang banyak digunakan dalam perawatan alat, cetakan, cincin piston, roda gigi, dan komponen lainnya. .Roda gigi berlapis yang disiapkan oleh teknologi pelapisan ion vakum dapat secara signifikan mengurangi koefisien gesekan, meningkatkan anti-aus dan anti-korosi tertentu, dan telah menjadi fokus dan hot spot penelitian di bidang teknologi penguatan permukaan roda gigi.

Bahan umum yang digunakan untuk roda gigi terutama baja tempa, baja tuang, besi tuang, logam non-besi (tembaga, aluminium) dan plastik.Baja terutama 45 baja, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Baja karbon rendah terutama digunakan dalam 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Baja tempa lebih banyak digunakan pada roda gigi karena kinerjanya yang lebih baik, sedangkan baja tuang biasanya digunakan untuk pembuatan roda gigi dengan diameter > 400mm dan struktur yang kompleks.Roda gigi besi tuang anti-lem dan tahan lubang, tetapi kurangnya benturan dan ketahanan aus, terutama untuk pekerjaan yang stabil, daya tidak rendah kecepatan atau ukuran besar dan bentuk kompleks, dapat bekerja di bawah kondisi kurangnya pelumasan, cocok untuk terbuka penularan.Logam non-ferro yang biasa digunakan adalah perunggu timah, perunggu aluminium-besi dan paduan aluminium tuang, yang biasa digunakan dalam pembuatan turbin atau roda gigi, tetapi sifat geser dan anti gesekannya buruk, hanya untuk beban ringan, sedang, dan kecepatan rendah. persneling.Roda gigi bahan non-logam terutama digunakan di beberapa bidang dengan persyaratan khusus, seperti pelumasan bebas oli dan keandalan tinggi.Bidang kondisi seperti polusi rendah, seperti peralatan rumah tangga, peralatan medis, mesin makanan dan mesin tekstil.

Bahan pelapis roda gigi

Bahan keramik teknik adalah bahan yang sangat menjanjikan dengan kekuatan dan kekerasan tinggi, terutama ketahanan panas yang sangat baik, konduktivitas termal rendah dan ekspansi termal, ketahanan aus yang tinggi, dan ketahanan oksidasi.Sejumlah besar penelitian telah menunjukkan bahwa bahan keramik secara inheren tahan panas dan memiliki keausan yang rendah pada logam.Oleh karena itu, penggunaan bahan keramik sebagai pengganti bahan logam untuk bagian tahan aus dapat meningkatkan umur sub gesekan, dapat memenuhi beberapa suhu tinggi dan bahan tahan aus yang tinggi, persyaratan multifungsi dan persyaratan sulit lainnya.Saat ini, bahan keramik teknik telah digunakan dalam pembuatan suku cadang tahan panas mesin, transmisi mekanis pada suku cadang aus, peralatan kimia pada suku cadang tahan korosi dan suku cadang penyegelan, semakin menunjukkan prospek aplikasi bahan keramik yang luas.

Negara-negara maju seperti Jerman, Jepang, Amerika Serikat, Inggris, dan negara-negara lain sangat mementingkan pengembangan dan penerapan bahan keramik teknik, menginvestasikan banyak uang dan tenaga untuk mengembangkan teori pemrosesan dan teknologi keramik teknik.Jerman telah meluncurkan program yang disebut “SFB442″, yang tujuannya adalah menggunakan teknologi PVD untuk mensintesis film yang sesuai pada permukaan komponen untuk menggantikan media pelumas yang berpotensi berbahaya bagi lingkungan dan tubuh manusia.PW Gold dan lainnya di Jerman menggunakan dana dari SFB442 untuk menerapkan teknologi PVD untuk menyimpan film tipis pada permukaan bantalan gelinding dan menemukan bahwa kinerja anti-aus bantalan gelinding meningkat secara signifikan dan lapisan film yang diendapkan di permukaan dapat sepenuhnya menggantikan fungsi aditif anti-aus tekanan ekstrim.Joachim, Franz dkk.di Jerman menggunakan teknologi PVD untuk menyiapkan film WC/C yang menunjukkan sifat anti-kelelahan yang sangat baik, lebih tinggi daripada pelumas yang mengandung aditif EP, hasil yang juga memungkinkan penggantian aditif berbahaya dengan pelapis.E. Lugscheider dkk.dari Institute of Materials Science, Technical University of Aachen, Jerman, dengan dana dari DFG (GermanResearch Commission), menunjukkan peningkatan ketahanan fatik yang signifikan setelah mendepositkan film yang sesuai pada baja 100Cr6 menggunakan teknologi PVD.Selain itu, General Motors Amerika Serikat telah memulai pembuatan film pengendapan permukaan roda gigi mobil tipe VolvoS80Turbo untuk meningkatkan ketahanan pitting terhadap keletihan;perusahaan Timken yang terkenal telah meluncurkan film permukaan roda gigi ES200;pelapis roda gigi MAXIT merek dagang terdaftar telah muncul di Jerman;merek dagang terdaftar Graphit-iC dan Dymon-iC masing-masing Pelapis Gear dengan merek dagang terdaftar Graphit-iC dan Dymon-iC juga tersedia di Inggris Raya.

Sebagai suku cadang penting dari transmisi mekanis, roda gigi memainkan peran penting dalam industri, sehingga sangat penting untuk mempelajari penerapan bahan keramik pada roda gigi.Saat ini, keramik teknik yang diterapkan pada roda gigi sebagian besar adalah sebagai berikut.

1, lapisan pelapis timah
1. Timah

Pelapisan ion Lapisan keramik TiN adalah salah satu pelapis modifikasi permukaan yang paling banyak digunakan dengan kekerasan tinggi, kekuatan rekat tinggi, koefisien gesekan rendah, ketahanan korosi yang baik, dll. Ini telah banyak digunakan di berbagai bidang, terutama dalam industri perkakas dan cetakan.Alasan utama yang mempengaruhi penerapan lapisan keramik pada roda gigi adalah masalah ikatan antara lapisan keramik dan substrat.Karena kondisi kerja dan faktor yang mempengaruhi roda gigi jauh lebih rumit daripada alat dan cetakan, penerapan lapisan TiN tunggal pada perawatan permukaan roda gigi sangat dibatasi.Meskipun lapisan keramik memiliki keunggulan kekerasan tinggi, koefisien gesekan rendah dan ketahanan korosi, rapuh dan sulit untuk mendapatkan lapisan yang lebih tebal, sehingga diperlukan substrat kekerasan tinggi dan kekuatan tinggi untuk mendukung lapisan agar dapat memainkan karakteristiknya.Oleh karena itu, lapisan keramik banyak digunakan untuk karbida dan permukaan baja berkecepatan tinggi.Bahan roda gigi lebih lunak dibandingkan dengan bahan keramik, dan perbedaan antara sifat substrat dan pelapisnya besar, sehingga kombinasi pelapis dan substratnya buruk, dan pelapisan tidak cukup untuk mendukung pelapisan, membuat lapisan mudah rontok dalam proses penggunaan, tidak hanya tidak dapat memainkan keunggulan lapisan keramik, tetapi partikel lapisan keramik yang terlepas akan menyebabkan keausan abrasif pada roda gigi, mempercepat hilangnya keausan pada roda gigi.Solusi saat ini adalah dengan menggunakan teknologi perawatan permukaan komposit untuk meningkatkan ikatan antara keramik dan substrat.Teknologi perawatan permukaan komposit mengacu pada kombinasi pelapisan deposisi uap fisik dan proses atau pelapisan perawatan permukaan lainnya, menggunakan dua permukaan / bawah permukaan yang terpisah untuk memodifikasi permukaan bahan substrat untuk mendapatkan sifat mekanik komposit yang tidak dapat dicapai dengan proses perawatan permukaan tunggal. .Pelapisan komposit TiN yang diendapkan oleh nitridasi ion dan PVD adalah salah satu pelapis komposit yang paling banyak diteliti.Substrat nitridasi plasma dan lapisan komposit keramik TiN memiliki ikatan yang kuat dan ketahanan aus meningkat secara signifikan.

Ketebalan optimal lapisan film TiN dengan ketahanan aus yang sangat baik dan pengikatan dasar film adalah sekitar 3~4μm.Jika ketebalan lapisan film kurang dari 2μm, ketahanan aus tidak akan meningkat secara signifikan.Jika ketebalan lapisan film lebih dari 5μm, ikatan dasar film akan berkurang.

2. Lapisan TiN multi-lapisan, multi-komponen

Dengan aplikasi lapisan TiN yang bertahap dan meluas, semakin banyak penelitian tentang cara memperbaiki dan meningkatkan lapisan TiN.Dalam beberapa tahun terakhir, pelapis multi-komponen dan pelapis multilapis telah dikembangkan berdasarkan pelapis TiN biner, seperti Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3, dll. Dengan menambahkan elemen seperti Al dan Si ke lapisan TiN, ketahanan terhadap oksidasi suhu tinggi dan kekerasan lapisan dapat ditingkatkan, sementara menambahkan elemen seperti B dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan adhesi lapisan.

Karena kompleksitas komposisi multikomponen, terdapat banyak kontroversi dalam penelitian ini.Dalam studi pelapisan multikomponen (Tix,Cr1-x)N, ada kontroversi besar dalam hasil penelitian.Beberapa orang percaya bahwa lapisan (Tix,Cr1-x)N didasarkan pada TiN, dan Cr hanya dapat ada dalam bentuk larutan padat pengganti dalam matriks dot TiN, tetapi tidak sebagai fase CrN yang terpisah.Studi lain menunjukkan bahwa jumlah atom Cr yang langsung menggantikan atom Ti pada lapisan (Tix,Cr1-x)N terbatas, dan Cr yang tersisa ada dalam keadaan singlet atau membentuk senyawa dengan N. Hasil percobaan menunjukkan bahwa penambahan Cr ke lapisan mengurangi ukuran partikel permukaan dan meningkatkan kekerasan, dan kekerasan lapisan mencapai nilai tertinggi ketika persentase massa Cr mencapai 31%, tetapi tegangan internal lapisan juga mencapai nilai maksimumnya.

3, Lapisan pelapis lainnya

Selain lapisan TiN yang biasa digunakan, banyak keramik teknik yang berbeda digunakan untuk penguatan permukaan roda gigi.

(1)Y.Terauchi dkk.dari Jepang mempelajari ketahanan terhadap keausan gesekan roda gigi titanium karbida atau keramik titanium nitrida yang diendapkan dengan metode deposisi uap.Roda gigi dikarburasi dan dipoles untuk mencapai kekerasan permukaan sekitar HV720 dan kekasaran permukaan 2,4 μm sebelum pelapisan, dan pelapis keramik disiapkan dengan pengendapan uap kimia (CVD) untuk titanium karbida dan dengan pengendapan uap fisik (PVD) untuk titanium nitrida, dengan ketebalan film keramik sekitar 2 μm.Sifat keausan gesek diselidiki masing-masing dengan adanya minyak dan gesekan kering.Ditemukan bahwa ketahanan gores dan ketahanan gores dari gear vice secara substansial ditingkatkan setelah dilapisi dengan keramik.

(2) Pelapisan komposit dari Ni-P dan TiN yang dilapisi secara kimiawi dibuat dengan pra-pelapisan Ni-P sebagai lapisan transisi dan kemudian diendapkan TiN.Studi tersebut menunjukkan bahwa kekerasan permukaan lapisan komposit ini telah ditingkatkan sampai batas tertentu, dan lapisan tersebut terikat lebih baik dengan substrat dan memiliki ketahanan aus yang lebih baik.

(3) WC/C, film tipis B4C
M. Murakawa et al., Departemen Teknik Mesin, Institut Teknologi Jepang, menggunakan teknologi PVD untuk mendepositkan film tipis WC/C pada permukaan roda gigi, dan masa pakainya tiga kali lipat dari roda gigi yang dipadamkan dan digiling biasa di bawah minyak- kondisi pelumasan bebas.Franz J dkk.menggunakan teknologi PVD untuk menyimpan film tipis WC/C dan B4C pada permukaan roda gigi FEZ-A dan FEZ-C, dan percobaan menunjukkan bahwa lapisan PVD secara signifikan mengurangi gesekan roda gigi, membuat roda gigi kurang rentan terhadap pengeleman atau pengeleman panas, dan meningkatkan kapasitas penahan beban roda gigi.

(4) film CRN
Film CrN mirip dengan film TiN karena memiliki kekerasan yang lebih tinggi, dan film CrN lebih tahan terhadap oksidasi suhu tinggi daripada TiN, memiliki ketahanan korosi yang lebih baik, tegangan internal yang lebih rendah daripada film TiN, dan ketangguhan yang relatif lebih baik.Chen Ling et menyiapkan film komposit TiAlCrN/CrN tahan aus dengan ikatan berbasis film yang sangat baik pada permukaan HSS, dan juga mengusulkan teori penumpukan dislokasi film multilapisan, jika perbedaan energi dislokasi antara dua lapisan besar, dislokasi terjadi dalam satu lapisan akan sulit untuk melintasi antarmukanya ke lapisan lain, sehingga membentuk dislokasi yang bertumpuk pada antarmuka dan berperan memperkuat material.Zhong Bin et mempelajari pengaruh kandungan nitrogen pada struktur fasa dan sifat keausan gesekan film CrNx, dan studi tersebut menunjukkan bahwa puncak difraksi Cr2N (211) dalam film secara bertahap melemah dan puncak CrN (220) secara bertahap ditingkatkan dengan peningkatan. kandungan N2, partikel besar pada permukaan film berangsur-angsur berkurang dan permukaan cenderung rata.Ketika aerasi N2 adalah 25 ml/menit (arus busur sumber target adalah 75 A, film CrN yang diendapkan memiliki kualitas permukaan yang baik, kekerasan yang baik, dan ketahanan aus yang sangat baik ketika aerasi N2 adalah 25ml/menit (arus busur sumber target adalah 75A, negatif tekanan 100V).

(5) Film super keras
Film Superhard adalah film padat dengan kekerasan lebih besar dari 40GPa, ketahanan aus yang sangat baik, tahan suhu tinggi dan koefisien gesekan rendah dan koefisien ekspansi termal rendah, terutama film berlian amorf dan film CN.Film berlian amorf memiliki sifat amorf, tidak memiliki struktur terurut jarak jauh, dan mengandung sejumlah besar ikatan CC tetrahedral, sehingga disebut juga film karbon amorf tetrahedral.Sebagai sejenis film karbon amorf, lapisan seperti berlian (DLC) memiliki banyak sifat bagus yang mirip dengan berlian, seperti konduktivitas termal yang tinggi, kekerasan tinggi, modulus elastisitas tinggi, koefisien ekspansi termal yang rendah, stabilitas kimia yang baik, ketahanan aus yang baik dan koefisien gesekan rendah.Telah ditunjukkan bahwa lapisan film seperti berlian pada permukaan roda gigi dapat memperpanjang masa pakai dengan faktor 6 dan secara signifikan meningkatkan ketahanan lelah.Film CN, juga dikenal sebagai film karbon-nitrogen amorf, memiliki struktur kristal yang mirip dengan senyawa kovalen β-Si3N4 dan juga dikenal sebagai β-C3N4.Liu dan Cohen dkk.melakukan perhitungan teoretis yang ketat menggunakan perhitungan pita pseudopotensial dari prinsip alam pertama , menegaskan bahwa β-C3N4 memiliki energi ikat yang besar, struktur mekanik yang stabil, setidaknya satu keadaan sub-stabil dapat ada, dan modulus elastisitasnya sebanding dengan intan, dengan sifat yang baik, yang secara efektif dapat meningkatkan kekerasan permukaan dan ketahanan aus material dan mengurangi koefisien gesekan.

(6) Lapisan pelapis tahan aus paduan lainnya
Beberapa pelapis tahan aus paduan juga telah dicoba untuk diterapkan pada roda gigi, misalnya, pengendapan lapisan paduan Ni-P-Co pada permukaan gigi roda gigi baja 45 # adalah lapisan paduan untuk mendapatkan organisasi butiran ultra-halus, yang dapat memperpanjang umur hingga 1,144 ~ 1,533 kali.Juga telah dipelajari bahwa lapisan logam Cu dan lapisan paduan Ni-W diterapkan pada permukaan gigi roda gigi besi tuang paduan Cu-Cr-P untuk meningkatkan kekuatannya;Lapisan paduan Ni-W dan Ni-Co diterapkan pada permukaan gigi roda gigi besi tuang HT250 untuk meningkatkan ketahanan aus sebanyak 4~6 kali dibandingkan dengan roda gigi yang tidak dilapisi.