טכנולוגיית ציפוי ציוד

טכנולוגיית שיקוע PVD נהוגה כבר שנים רבות כטכנולוגיה חדשה לשינוי פני השטח, במיוחד טכנולוגיית ציפוי יונים בוואקום, שזכתה להתפתחות רבה בשנים האחרונות ונמצאת כיום בשימוש נרחב בטיפול בכלים, תבניות, טבעות בוכנה, גלגלי שיניים ורכיבים נוספים. .גלגלי השיניים המצופים שהוכנו על ידי טכנולוגיית ציפוי יוני ואקום יכולים להפחית משמעותית את מקדם החיכוך, לשפר אנטי-בלאי ואנטי-קורוזיה מסויימת, והפכו למוקד ולנקודה החמה של מחקר בתחום טכנולוגיית חיזוק משטחי הילוכים.

החומרים הנפוצים המשמשים לגלגלי שיניים הם בעיקר פלדה מזויפת, פלדה יצוקה, ברזל יצוק, מתכות לא ברזליות (נחושת, אלומיניום) ופלסטיק.פלדה היא בעיקר פלדה 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.פלדת פחמן נמוכה משמשת בעיקר ב-20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.פלדה מחושלת נמצאת בשימוש נרחב יותר בגלגלי שיניים בגלל הביצועים הטובים יותר שלה, בעוד שפלדה יצוקה משמשת בדרך כלל לייצור גלגלי שיניים בקוטר מעל 400 מ"מ ומבנה מורכב.גלגלי שיניים מברזל יצוק נגד דבק והתנגדות בורות, אך היעדר עמידות בפני השפעה ובלאי, בעיקר לעבודה יציבה, הכוח אינו מהירות נמוכה או גודל גדול וצורה מורכבת, יכול לעבוד בתנאי היעדר שימון, מתאים לפתיחה הפצה.מתכות לא-ברזליות הנפוצות בשימוש הן ברונזה פח, ברונזה אלומיניום-ברזל וסגסוגת אלומיניום יציקת, המשמשות בדרך כלל בייצור של טורבינות או גלגלי שיניים, אך תכונות ההזזה והאנטי-חיכוך גרועות, רק לעומס קל, בינוני ומהירות נמוכה. הילוכים.גלגלי שיניים חומרים שאינם מתכתיים משמשים בעיקר בתחומים מסוימים עם דרישות מיוחדות, כגון שימון ללא שמן ואמינות גבוהה.תחום התנאים כגון זיהום נמוך, כמו מכשירי חשמל ביתיים, ציוד רפואי, מכונות מזון ומכונות טקסטיל.

חומרי ציפוי ציוד

חומרים קרמיים הנדסיים הם חומרים מבטיחים ביותר בעלי חוזק וקשיות גבוהים, במיוחד עמידות בחום מעולה, מוליכות תרמית והתפשטות תרמית נמוכה, עמידות בפני שחיקה ועמידות חמצון גבוהה.מספר רב של מחקרים הראו כי חומרים קרמיים הם מטבעם עמידים בחום ובעלי בלאי נמוך על מתכות.לכן, השימוש בחומרים קרמיים במקום בחומרי מתכת עבור חלקים עמידים בפני שחיקה יכול לשפר את חיי תת החיכוך, יכול לעמוד בחלק מהחומרים הגבוהים והעמידים בפני שחיקה, רב תפקודי ודרישות קשות אחרות.נכון לעכשיו, נעשה שימוש בחומרים קרמיים הנדסיים בייצור חלקים עמידים בחום של מנוע, הילוכים מכניים בחלקי הבלאי, ציוד כימי בחלקים העמידים בפני קורוזיה וחלקי איטום, מראים יותר ויותר את היישום הרחב של חומרים קרמיים.

מדינות מפותחות כמו גרמניה, יפן, ארצות הברית, בריטניה ומדינות נוספות מייחסות חשיבות רבה לפיתוח ויישום של חומרים קרמיים הנדסיים, ומשקיעות כסף רב וכוח אדם לפיתוח תורת העיבוד והטכנולוגיה של קרמיקה הנדסית.גרמניה השיקה תוכנית בשם "SFB442", שמטרתה להשתמש בטכנולוגיית PVD כדי לסנתז סרט מתאים על פני החלקים כדי להחליף את מדיום הסיכה שעלול להזיק לסביבה ולגוף האדם.PW Gold ואחרים בגרמניה השתמשו במימון מ-SFB442 כדי ליישם את טכנולוגיית PVD להנחת סרטים דקים על פני השטח של מיסבים מתגלגלים ומצאו כי הביצועים נגד שחיקה של מיסבים מתגלגלים השתפרו משמעותית והסרטים שהופקדו על פני השטח יכולים להחליף לחלוטין את פונקציה של תוספים נגד שחיקה בלחץ קיצוני.יואכים, פרנץ ועוד.בגרמניה השתמשו בטכנולוגיית PVD להכנת סרטי WC/C המדגימים תכונות אנטי-עייפות מצוינות, גבוהות מאלה של חומרי סיכה המכילים תוספים EP, תוצאה שמביאה באופן דומה את האפשרות של החלפת תוספים מזיקים בציפויים.E. Lugscheider et al.מהמכון למדעי החומרים, האוניברסיטה הטכנית של אאכן, גרמניה, במימון DFG (ועדת המחקר הגרמנית), הוכיחה עלייה משמעותית בעמידות העייפות לאחר הפקדת סרטים מתאימים על פלדה 100Cr6 באמצעות טכנולוגיית PVD.בנוסף, ג'נרל מוטורס של ארצות הברית החלה בסרט השקע משטח ציוד לרכב מסוג VolvoS80Turbo כדי לשפר את ההתנגדות להתפרצות עייפות;חברת Timken המפורסמת השיקה את השם ES200 גיר משטח משטח;סימן מסחרי רשום ציפוי ציוד MAXIT הופיע בגרמניה;סימן מסחרי רשום Graphit-iC ו-Dymon-iC בהתאמה ציפוי Gear עם הסימנים המסחריים הרשומים Graphit-iC ו-Dymon-iC זמינים גם בבריטניה.

כחלקי חילוף חשובים של תיבת הילוכים מכנית, לגלגלי שיניים יש תפקיד חשוב בתעשייה, ולכן ישנה משמעות מעשית חשובה מאוד ללמוד את היישום של חומרים קרמיים על גלגלי שיניים.נכון לעכשיו, הקרמיקה ההנדסית המיושמת על גלגלי השיניים היא בעיקר הבאה.

שכבת ציפוי 1、TiN
1、TiN

ציפוי יונים שכבת קרמיקה TiN היא אחד הציפויים המותאמים ביותר על פני השטח בשימוש נרחב עם קשיות גבוהה, חוזק הידבקות גבוה, מקדם חיכוך נמוך, עמידות טובה בפני קורוזיה וכו'. נעשה בו שימוש נרחב בתחומים שונים, במיוחד בתעשיית הכלים והתבניות.הסיבה העיקרית המשפיעה על היישום של ציפוי קרמי על גלגלי שיניים היא בעיית ההדבקה בין ציפוי קרמי למצע.מכיוון שתנאי העבודה וגורמי ההשפעה של גלגלי שיניים הם הרבה יותר מסובכים מאלה של כלים ותבניות, היישום של ציפוי TiN יחיד על טיפול פני הגלגלים מוגבל מאוד.למרות שלציפוי קרמי יש יתרונות של קשיות גבוהה, מקדם חיכוך נמוך ועמידות בפני קורוזיה, הוא שביר וקשה להשיג ציפוי עבה יותר, ולכן הוא זקוק לקשיות גבוהה וחוזק גבוה כדי לתמוך בציפוי כדי לשחק את מאפייניו.לכן, ציפוי קרמי משמש בעיקר עבור קרביד ומשטח פלדה במהירות גבוהה.חומר הציוד רך בהשוואה לחומר הקרמי, וההבדל בין אופי המצע לציפוי גדול, כך שהשילוב בין הציפוי למצע גרוע, והציפוי אינו מספיק לתמוך בציפוי, מה שהופך הציפוי קל ליפול בתהליך השימוש, לא רק שאינו יכול לשחק את היתרונות של הציפוי הקרמי, אלא שחלקיקי הציפוי הקרמי הנושרים יגרמו לבלאי שוחק על הציוד, לזרז את אובדן הבלאי של הציוד.הפתרון הנוכחי הוא שימוש בטכנולוגיית טיפול משטח מורכב כדי לשפר את הקשר בין הקרמיקה למצע.טכנולוגיית טיפול משטח מרוכב מתייחסת לשילוב של ציפוי משקעי אדים פיזי ותהליכי טיפול או ציפויים אחרים של פני השטח, תוך שימוש בשני משטחים/תת-משטחים נפרדים כדי לשנות את פני השטח של חומר התשתית לקבלת תכונות מכניות מרוכבות שלא ניתן להשיג על ידי תהליך טיפול משטח יחיד. .ציפוי מרוכב TiN שהופקד על ידי ניטרידינג יונים ו-PVD הוא אחד הציפויים המרוכבים הנחקרים ביותר.למצע הניטריד הפלזמה ולציפוי המורכב הקרמי TiN יש קשר חזק ועמידות הבלאי משופרת משמעותית.

העובי האופטימלי של שכבת הסרט TiN עם עמידות בפני שחיקה מצוינת והדבקת בסיס הסרט הוא כ-3 ~ 4 מיקרומטר.אם עובי שכבת הסרט הוא פחות מ-2μm, עמידות הבלאי לא תשתפר משמעותית.אם עובי שכבת הסרט הוא יותר מ-5 מיקרומטר, חיבור בסיס הסרט יקטן.

2、ציפוי TiN רב שכבתי, רב רכיבים

עם היישום ההדרגתי והנפוץ של ציפוי TiN, יש יותר ויותר מחקרים כיצד לשפר ולשפר את ציפוי TiN.בשנים האחרונות פותחו ציפויים מרובי רכיבים וציפויים רב שכבתיים המבוססים על ציפוי TiN בינארי, כגון Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3 וכו' על ידי הוספת אלמנטים כגון Al ו-Si לציפויי TiN, ניתן לשפר את העמידות בפני חמצון בטמפרטורה גבוהה וקשיות הציפויים, בעוד שהוספת אלמנטים כגון B יכולה לשפר את הקשיות וחוזק ההידבקות של הציפויים.

בשל המורכבות של הרכב מרובה הרכיבים, ישנן מחלוקות רבות במחקר זה.במחקר של (Tix,Cr1-x)N ציפויים מרובי רכיבים, יש מחלוקת גדולה בתוצאות המחקר.יש אנשים המאמינים שציפויים (Tix,Cr1-x)N מבוססים על TiN, ו-Cr יכול להתקיים רק בצורה של תמיסה מוצקה חלופית במטריצת הנקודות TiN, אך לא כשלב CrN נפרד.מחקרים אחרים מראים שמספר אטומי Cr המחליפים ישירות את אטומי Ti בציפויים (Tix,Cr1-x)N מוגבל, וה-Cr הנותר קיים במצב סינגלט או יוצר תרכובות עם N. תוצאות הניסוי מראות שהוספת Cr לציפוי מקטין את גודל החלקיקים של פני השטח ומגדיל את הקשיות, וקשיות הציפוי מגיעה לערך הגבוה ביותר כאשר אחוז המסה של Cr מגיע ל-3l%, אך גם הלחץ הפנימי של הציפוי מגיע לערכו המקסימלי.

3, שכבת ציפוי אחרת

בנוסף לציפויי TiN הנפוצים, נעשה שימוש בקרמיקה הנדסית רבים ושונים לחיזוק משטח הציוד.

(1) י.Terauchi et al.מיפן חקרה את ההתנגדות לבלאי חיכוך של גלגלי שיניים קרמיים טיטניום קרביד או טיטניום ניטריד שהופקדו בשיטת השקעת אדים.גלגלי השיניים עברו קרבורים וליטוש להשגת קשיות פני השטח של כ-HV720 וחספוס פני השטח של 2.4 מיקרומטר לפני הציפוי, והציפויים הקרמיים הוכנו על ידי שקיעת אדים כימית (CVD) עבור טיטניום קרביד ועל ידי שקיעת אדים פיזית (PVD) עבור טיטניום ניטריד, עם עובי סרט קרמי של כ-2 מיקרומטר.תכונות הבלאי החיכוך נחקרו בנוכחות שמן וחיכוך יבש, בהתאמה.נמצא כי עמידות החריכה ועמידות השריטות של סגן ההילוכים הוגברו באופן משמעותי לאחר ציפוי בקרמיקה.

(2) ציפוי מרוכב של Ni-P ו-TiN מצופים כימית הוכן על ידי ציפוי מראש של Ni-P כשכבת מעבר ולאחר מכן הפקדת TiN.המחקר מראה כי קשיות פני השטח של ציפוי מרוכב זה שופרה במידה מסוימת, והציפוי נקשר טוב יותר עם המצע ועמידות בפני שחיקה טובה יותר.

(3) WC/C, סרט דק B4C
M. Murakawa וחב', המחלקה להנדסת מכונות, המכון הטכנולוגי של יפן, השתמשו בטכנולוגיית PVD להנחת סרט דק של WC/C על פני גלגלי השיניים, וחיי השירות שלו היו פי שלושה מזה של גלגלי שיניים רגילים מרוווים וטחונים תחת שמן- תנאי שימון חינם.פרנץ J וחב'.השתמש בטכנולוגיית PVD להנחת סרט דק של WC/C ו-B4C על פני השטח של גלגלי שיניים FEZ-A ו-FEZ-C, והניסוי הראה שציפוי ה-PVD הפחית משמעותית את חיכוך ההילוכים, הפך את הציוד לפחות רגיש להדבקה או הדבקה חמה, ושיפר את יכולת הנשיאה של הציוד.

(4) סרטי CrN
סרטי CrN דומים לסרטי TiN בכך שהם בעלי קשיות גבוהה יותר, וסרטי CrN עמידים יותר בפני חמצון בטמפרטורה גבוהה מאשר TiN, בעלי עמידות טובה יותר בפני קורוזיה, מתח פנימי נמוך יותר מסרטי TiN וקשיחות טובה יותר יחסית.Chen Ling et הכינה סרט מרוכב TiAlCrN/CrN עמיד בפני שחיקה עם מליטה מצוינת על בסיס סרט על פני השטח של HSS, וגם הציע את תיאוריית הערמת הנקע של סרט רב שכבתי, אם הפרש אנרגיית הנקע בין שתי שכבות גדול, הנקע מתרחש בשכבה אחת יהיה קשה לחצות את הממשק שלה לתוך השכבה השנייה, ובכך ליצור את הנקע הנערם בממשק ולמלא תפקיד של חיזוק החומר.Zhong Bin et. חקר את השפעת תכולת החנקן על מבנה הפאזה ותכונות הבלאי החיכוך של סרטי CrNx, והמחקר הראה כי שיא הדיפרקציה של Cr2N (211) בסרטים נחלש בהדרגה ושיא ה-CrN (220) התגבר בהדרגה עם העלייה מתוכן N2, החלקיקים הגדולים על פני הסרט ירדו בהדרגה והמשטח נטה להיות שטוח.כאשר האוורור N2 היה 25 מ"ל/דקה (זרם קשת מקור היעד היה 75 A, לסרט ה-CrN המושקע איכות פני השטח טובה, קשיות טובה ועמידות בפני שחיקה מצוינת כאשר אוורור ה-N2 הוא 25 מ"ל/דקה (זרם קשת מקור היעד הוא 75A, שלילי הלחץ הוא 100V).

(5) סרט סופר קשה
סרט Superhard הוא הסרט המוצק עם קשיות גדולה מ-40GPa, עמידות בפני שחיקה מעולה, עמידות בטמפרטורה גבוהה ומקדם חיכוך נמוך ומקדם התפשטות תרמית נמוך, בעיקר סרט יהלום אמורפי וסרט CN.לסרטי יהלומים אמורפיים יש תכונות אמורפיות, ללא מבנה מסודר לטווח ארוך, והם מכילים מספר רב של קשרים טטרהדרליים CC, ולכן הם נקראים גם סרטי פחמן אמורפיים טטרהדרליים.כמעין סרט פחמן אמורפי, לציפוי דמוי יהלום (DLC) יש תכונות מצוינות רבות הדומות ליהלום, כגון מוליכות תרמית גבוהה, קשיות גבוהה, מודול אלסטי גבוה, מקדם התפשטות תרמית נמוך, יציבות כימית טובה, עמידות בפני שחיקה טובה. מקדם חיכוך נמוך.הוכח שציפוי סרטים דמוי יהלום על משטחי ציוד יכול להאריך את חיי השירות בפקטור של 6 ולשפר משמעותית את עמידות העייפות.סרטי CN, הידועים גם כסרטי פחמן-חנקן אמורפיים, בעלי מבנה גבישי דומה לזה של תרכובות קוולנטיות β-Si3N4 והם ידועים גם כ-β-C3N4.ליו וכהן ואחרים.ביצע חישובים תיאורטיים קפדניים באמצעות חישובי פס פסאודופוטנציאלים מעיקרון הטבע הראשון, אישר כי ל-β-C3N4 יש אנרגיית קישור גדולה, מבנה מכני יציב, יכול להתקיים לפחות מצב תת-יציב אחד, ומודול האלסטי שלו דומה ליהלום, עם תכונות טובות, שיכולות לשפר ביעילות את קשיות פני השטח ועמידות הבלאי של החומר ולהפחית את מקדם החיכוך.

(6) שכבת ציפוי עמידה לבלאי מסגסוגת אחרת
כמה ציפויים עמידים לבלאי של סגסוגת נוסו גם ליישום על גלגלי שיניים, לדוגמה, השקעת שכבת סגסוגת Ni-P-Co על פני השן של גלגלי שיניים מפלדה 45# היא שכבת סגסוגת להשגת ארגון גרגר עדין במיוחד, מה שיכול להאריך את החיים עד פי 1.144~1.533.זה גם נחקר ששכבת מתכת Cu וציפוי סגסוגת Ni-W מיושמים על משטח השן של ציוד ברזל יצוק מסגסוגת Cu-Cr-P כדי לשפר את חוזקו;ציפוי סגסוגת Ni-W ו-Ni-Co מיושמים על משטח השיניים של ציוד ברזל יצוק HT250 כדי לשפר את עמידות הבלאי פי 4 ~ 6 בהשוואה לציוד הלא מצופה.