Tecnologia di rivestimento degli ingranaggi

La tecnologia di deposizione PVD è stata praticata per molti anni come una nuova tecnologia di modifica della superficie, in particolare la tecnologia di rivestimento ionico sottovuoto, che ha ottenuto un grande sviluppo negli ultimi anni ed è ora ampiamente utilizzata nel trattamento di utensili, stampi, fasce elastiche, ingranaggi e altri componenti .Gli ingranaggi rivestiti preparati dalla tecnologia di rivestimento ionico sottovuoto possono ridurre significativamente il coefficiente di attrito, migliorare l'antiusura e un certo anticorrosione e sono diventati il ​​​​fulcro e il punto caldo della ricerca nel campo della tecnologia di rafforzamento della superficie degli ingranaggi.

I materiali comunemente utilizzati per gli ingranaggi sono principalmente acciaio forgiato, acciaio fuso, ghisa, metalli non ferrosi (rame, alluminio) e plastica.L'acciaio è principalmente acciaio 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Acciaio a basso tenore di carbonio utilizzato principalmente in 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.L'acciaio forgiato è più ampiamente utilizzato negli ingranaggi a causa delle sue migliori prestazioni, mentre l'acciaio fuso viene solitamente utilizzato per produrre ingranaggi con diametro > 400 mm e struttura complessa.Ingranaggi in ghisa anti-colla e resistenza alla vaiolatura, ma la mancanza di resistenza agli urti e all'usura, principalmente per lavori stabili, la potenza non è a bassa velocità o di grandi dimensioni e forma complessa, può funzionare in condizioni di mancanza di lubrificazione, adatto per aprire trasmissione.I metalli non ferrosi comunemente usati sono il bronzo allo stagno, il bronzo alluminio-ferro e la lega di alluminio fuso, comunemente usati nella fabbricazione di turbine o ingranaggi, ma le proprietà di scorrimento e antifrizione sono scarse, solo per carichi leggeri, medi e a bassa velocità ingranaggi.Gli ingranaggi in materiale non metallico sono utilizzati principalmente in alcuni campi con requisiti speciali, come la lubrificazione senza olio e l'elevata affidabilità.Il campo di condizioni come basso inquinamento, come elettrodomestici, attrezzature mediche, macchine alimentari e macchine tessili.

Materiali di rivestimento per ingranaggi

I materiali ceramici tecnici sono materiali estremamente promettenti con elevata resistenza e durezza, in particolare eccellente resistenza al calore, bassa conduttività termica ed espansione termica, elevata resistenza all'usura e resistenza all'ossidazione.Numerosi studi hanno dimostrato che i materiali ceramici sono intrinsecamente resistenti al calore e hanno una bassa usura sui metalli.Pertanto, l'uso di materiali ceramici invece di materiali metallici per parti resistenti all'usura può migliorare la durata del sub di attrito, può soddisfare alcuni dei materiali ad alta temperatura e ad alta resistenza all'usura, requisiti multifunzionali e altri severi.Allo stato attuale, i materiali ceramici tecnici sono stati utilizzati nella produzione di parti resistenti al calore del motore, trasmissione meccanica nelle parti soggette ad usura, apparecchiature chimiche nelle parti resistenti alla corrosione e parti di tenuta, mostrano sempre più l'ampia applicazione delle prospettive dei materiali ceramici.

Paesi sviluppati come Germania, Giappone, Stati Uniti, Regno Unito e altri paesi attribuiscono grande importanza allo sviluppo e all'applicazione di materiali ceramici tecnici, investendo molto denaro e manodopera per sviluppare la teoria e la tecnologia di lavorazione della ceramica tecnica.La Germania ha lanciato un programma chiamato "SFB442", il cui scopo è quello di utilizzare la tecnologia PVD per sintetizzare un film adatto sulla superficie delle parti per sostituire il mezzo lubrificante potenzialmente dannoso per l'ambiente e il corpo umano.PW Gold e altri in Germania hanno utilizzato il finanziamento di SFB442 per applicare la tecnologia PVD per depositare film sottili sulla superficie dei cuscinetti volventi e hanno scoperto che le prestazioni antiusura dei cuscinetti volventi erano notevolmente migliorate e i film depositati sulla superficie potevano sostituire completamente il funzione di additivi antiusura per pressioni estreme.Gioacchino, Franz et al.in Germania ha utilizzato la tecnologia PVD per preparare film WC/C che dimostrano eccellenti proprietà anti-fatica, superiori a quelle dei lubrificanti contenenti additivi EP, un risultato che offre allo stesso modo la possibilità di sostituire gli additivi nocivi con i rivestimenti.E.Lugscheider et al.dell'Institute of Materials Science, Technical University of Aachen, Germany, con il finanziamento della DFG (GermanResearch Commission), ha dimostrato un aumento significativo della resistenza alla fatica dopo aver depositato pellicole appropriate su acciaio 100Cr6 utilizzando la tecnologia PVD.Inoltre, la General Motors degli Stati Uniti ha iniziato nel suo film di deposizione della superficie dell'ingranaggio di tipo VolvoS80Turbo per migliorare la resistenza alla vaiolatura a fatica;la famosa azienda Timken ha lanciato il nome ES200 gear surface film;il marchio registrato MAXIT gear coating è apparso in Germania;marchio registrato rispettivamente Graphit-iC e Dymon-iC I rivestimenti per ingranaggi con i marchi registrati Graphit-iC e Dymon-iC sono disponibili anche nel Regno Unito.

In quanto importanti pezzi di ricambio della trasmissione meccanica, gli ingranaggi svolgono un ruolo importante nell'industria, quindi è di importanza pratica molto importante studiare l'applicazione di materiali ceramici sugli ingranaggi.Attualmente i tecnoceramici applicati agli ingranaggi sono principalmente i seguenti.

1, strato di rivestimento TiN
1、TiN

Lo strato ceramico TiN con rivestimento ionico è uno dei rivestimenti modificati superficiali più utilizzati con elevata durezza, elevata forza di adesione, basso coefficiente di attrito, buona resistenza alla corrosione, ecc. È stato ampiamente utilizzato in vari campi, in particolare nell'industria degli utensili e degli stampi.Il motivo principale che influenza l'applicazione del rivestimento ceramico sugli ingranaggi è il problema dell'incollaggio tra rivestimento ceramico e substrato.Poiché le condizioni di lavoro e i fattori di influenza degli ingranaggi sono molto più complicati di quelli degli utensili e degli stampi, l'applicazione di un singolo rivestimento TiN sul trattamento superficiale degli ingranaggi è fortemente limitata.Sebbene il rivestimento ceramico presenti i vantaggi di elevata durezza, basso coefficiente di attrito e resistenza alla corrosione, è fragile e difficile da ottenere un rivestimento più spesso, quindi necessita di un substrato ad alta durezza e ad alta resistenza per supportare il rivestimento per riprodurne le caratteristiche.Pertanto, il rivestimento ceramico viene utilizzato principalmente per la superficie in metallo duro e acciaio ad alta velocità.Il materiale dell'ingranaggio è morbido rispetto al materiale ceramico e la differenza tra la natura del substrato e il rivestimento è grande, quindi la combinazione del rivestimento e del substrato è scarsa e il rivestimento non è sufficiente per supportare il rivestimento, rendendo il rivestimento facile da staccare durante il processo di utilizzo, non solo non può riprodurre i vantaggi del rivestimento ceramico, ma le particelle di rivestimento ceramico che cadono causeranno usura abrasiva sull'ingranaggio, accelerando la perdita di usura dell'ingranaggio.La soluzione attuale consiste nell'utilizzare la tecnologia di trattamento delle superfici composite per migliorare il legame tra la ceramica e il substrato.La tecnologia di trattamento della superficie composita si riferisce alla combinazione di rivestimento per deposizione fisica da vapore e altri processi o rivestimenti di trattamento della superficie, utilizzando due superfici/sottosuperfici separate per modificare la superficie del materiale del substrato per ottenere proprietà meccaniche composite che non possono essere raggiunte da un singolo processo di trattamento della superficie .Il rivestimento composito TiN depositato mediante nitrurazione ionica e PVD è uno dei rivestimenti compositi più studiati.Il substrato di nitrurazione al plasma e il rivestimento composito ceramico TiN hanno un forte legame e la resistenza all'usura è notevolmente migliorata.

Lo spessore ottimale dello strato di pellicola di TiN con un'eccellente resistenza all'usura e l'incollaggio della base della pellicola è di circa 3~4μm.Se lo spessore dello strato di pellicola è inferiore a 2μm, la resistenza all'usura non migliorerà in modo significativo.Se lo spessore dello strato di pellicola è superiore a 5 μm, l'adesione della base della pellicola sarà ridotta.

2、Rivestimento TiN multistrato e multicomponente

Con l'applicazione graduale e diffusa dei rivestimenti TiN, ci sono sempre più ricerche su come migliorare e potenziare i rivestimenti TiN.Negli ultimi anni sono stati sviluppati rivestimenti multicomponente e rivestimenti multistrato basati su rivestimenti TiN binari, come Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3, ecc. Aggiungendo elementi come Al e Si ai rivestimenti TiN, è possibile migliorare la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura e la durezza dei rivestimenti, mentre l'aggiunta di elementi come B può migliorare la durezza e la forza di adesione dei rivestimenti.

A causa della complessità della composizione multicomponente, ci sono molte controversie in questo studio.Nello studio dei rivestimenti multicomponente (Tix,Cr1-x)N, c'è una grande controversia nei risultati della ricerca.Alcune persone credono che i rivestimenti (Tix, Cr1-x) N siano basati su TiN e che Cr possa esistere solo sotto forma di soluzione solida sostitutiva nella matrice di punti TiN, ma non come fase CrN separata.Altri studi mostrano che il numero di atomi di Cr che sostituiscono direttamente gli atomi di Ti nei rivestimenti (Tix,Cr1-x)N è limitato e il restante Cr esiste nello stato di singoletto o forma composti con N. I risultati sperimentali mostrano che l'aggiunta di Cr al rivestimento riduce la granulometria superficiale e aumenta la durezza, e la durezza del rivestimento raggiunge il suo valore massimo quando la percentuale in massa di Cr raggiunge il 3l%, ma anche la sollecitazione interna del rivestimento raggiunge il suo valore massimo.

3、Altro strato di rivestimento

Oltre ai rivestimenti TiN comunemente usati, per il rafforzamento della superficie degli ingranaggi vengono utilizzate molte ceramiche tecniche diverse.

(1)Y.Terauchi et al.del Giappone ha studiato la resistenza all'usura per attrito di ingranaggi ceramici in carburo di titanio o nitruro di titanio depositati con il metodo di deposizione da vapore.Gli ingranaggi sono stati cementati e lucidati per ottenere una durezza superficiale di circa HV720 e una rugosità superficiale di 2,4 μm prima del rivestimento, e i rivestimenti ceramici sono stati preparati mediante deposizione chimica da vapore (CVD) per il carburo di titanio e mediante deposizione fisica da vapore (PVD) per nitruro di titanio, con uno spessore del film ceramico di circa 2 μm.Le proprietà di usura per attrito sono state studiate rispettivamente in presenza di olio e attrito secco.Si è riscontrato che la resistenza all'usura e la resistenza ai graffi della morsa per ingranaggi erano sostanzialmente migliorate dopo il rivestimento con ceramica.

(2) Il rivestimento composito di Ni-P e TiN rivestiti chimicamente è stato preparato pre-rivestindo Ni-P come strato di transizione e quindi depositando TiN.Lo studio mostra che la durezza superficiale di questo rivestimento composito è stata migliorata in una certa misura e il rivestimento è meglio legato al substrato e ha una migliore resistenza all'usura.

(3) WC/C, film sottile B4C
M. Murakawa et al., Dipartimento di ingegneria meccanica, Japan Institute of Technology, hanno utilizzato la tecnologia PVD per depositare un film sottile WC/C sulla superficie degli ingranaggi e la sua durata è stata tre volte quella dei normali ingranaggi temprati e rettificati sotto olio- condizioni di lubrificazione libera.FranzJ et al.ha utilizzato la tecnologia PVD per depositare il film sottile WC/C e B4C sulla superficie degli ingranaggi FEZ-A e FEZ-C e l'esperimento ha dimostrato che il rivestimento PVD ha ridotto significativamente l'attrito dell'ingranaggio, rendendo l'ingranaggio meno suscettibile all'incollaggio a caldo o all'incollaggio, e migliorato la capacità portante dell'ingranaggio.

(4) Film di CrN
I film CrN sono simili ai film TiN in quanto hanno una maggiore durezza e i film CrN sono più resistenti all'ossidazione ad alta temperatura rispetto al TiN, hanno una migliore resistenza alla corrosione, uno stress interno inferiore rispetto ai film TiN e una tenacità relativamente migliore.Chen Ling et hanno preparato un film composito TiAlCrN/CrN resistente all'usura con un eccellente legame basato su film sulla superficie dell'HSS e hanno anche proposto la teoria dell'impilamento della dislocazione del film multistrato, se la differenza di energia di dislocazione tra due strati è grande, si verifica la dislocazione in uno strato sarà difficile attraversare la sua interfaccia nell'altro strato, formando così l'impilamento di dislocazione all'interfaccia e svolgendo il ruolo di rafforzare il materiale.Zhong Bin et hanno studiato l'effetto del contenuto di azoto sulla struttura di fase e le proprietà di usura per attrito dei film CrNx, e lo studio ha mostrato che il picco di diffrazione Cr2N (211) nei film si è gradualmente indebolito e il picco CrN (220) è gradualmente migliorato con l'aumento di contenuto di N2, le particelle grandi sulla superficie del film diminuivano gradualmente e la superficie tendeva ad essere piatta.Quando l'aerazione di N2 era di 25 ml/min (la corrente dell'arco della sorgente di destinazione era di 75 A, il film di CrN depositato ha una buona qualità superficiale, una buona durezza e un'eccellente resistenza all'usura quando l'aerazione di N2 è di 25 ml/min (la corrente dell'arco della sorgente di destinazione è di 75 A, negativa la pressione è 100V).

(5) Pellicola superdura
Il film Superhard è il film solido con durezza superiore a 40 GPa, eccellente resistenza all'usura, resistenza alle alte temperature e basso coefficiente di attrito e basso coefficiente di dilatazione termica, principalmente film diamantato amorfo e film CN.I film diamantati amorfi hanno proprietà amorfe, nessuna struttura ordinata a lungo raggio e contengono un gran numero di legami tetraedrici CC, quindi sono anche chiamati film di carbonio amorfo tetraedrico.Come una sorta di pellicola di carbonio amorfo, il rivestimento simile al diamante (DLC) ha molte proprietà eccellenti simili al diamante, come elevata conduttività termica, elevata durezza, alto modulo elastico, basso coefficiente di dilatazione termica, buona stabilità chimica, buona resistenza all'usura e basso coefficiente di attrito.È stato dimostrato che il rivestimento di film simili al diamante sulle superfici degli ingranaggi può prolungare la durata di un fattore 6 e migliorare significativamente la resistenza alla fatica.I film CN, noti anche come film amorfi carbonio-azoto, hanno una struttura cristallina simile a quella dei composti covalenti β-Si3N4 e sono noti anche come β-C3N4.Liu e Cohen et al.ha eseguito rigorosi calcoli teorici utilizzando i calcoli della banda pseudopotenziale dal principio di prima natura, ha confermato che β-C3N4 ha una grande energia di legame, una struttura meccanica stabile, può esistere almeno uno stato sub-stabile e il suo modulo elastico è paragonabile al diamante, con buone proprietà, che possono migliorare efficacemente la durezza superficiale e la resistenza all'usura del materiale e ridurre il coefficiente di attrito.

(6) Altro strato di rivestimento resistente all'usura in lega
Alcuni rivestimenti resistenti all'usura in lega sono stati anche provati per essere applicati agli ingranaggi, ad esempio, la deposizione dello strato di lega Ni-P-Co sulla superficie del dente degli ingranaggi in acciaio 45 # è uno strato di lega per ottenere un'organizzazione a grana ultra fine, che può prolungare la vita fino a 1.144~1.533 volte.È stato anche studiato che lo strato di metallo Cu e il rivestimento in lega Ni-W sono applicati sulla superficie del dente dell'ingranaggio in ghisa in lega Cu-Cr-P per migliorarne la resistenza;Il rivestimento in lega Ni-W e Ni-Co viene applicato sulla superficie del dente dell'ingranaggio in ghisa HT250 per migliorare la resistenza all'usura di 4~6 volte rispetto all'ingranaggio non rivestito.