ギヤコーティング技術

PVD蒸着技術は、新しい表面改質技術として長年実践されており、特に真空イオンコーティング技術は近年大きく発展し、工具、金型、ピストンリング、ギアなどの部品の処理に広く使用されています。 。真空イオンコーティング技術によりコーティングされた歯車は、摩擦係数を大幅に低減し、耐摩耗性と一定の耐食性を向上させることができ、歯車表面強化技術の分野における研究の焦点およびホットスポットとなっています。

歯車に使用される一般的な材質は、主に鍛造鋼、鋳鋼、鋳鉄、非鉄金属（銅、アルミニウム）、プラスチックです。鋼は主に45鋼、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB、38CrMoAlです。主に20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnToに使用される低炭素鋼。鍛造鋼はその優れた性能により歯車に広く使用されていますが、鋳鋼は通常、直径が 400 mm を超える複雑な構造の歯車の製造に使用されます。鋳鉄歯車は耐膠性と耐孔食性がありますが、耐衝撃性と耐摩耗性に欠けており、主に安定した作業に適しています。動力は低速または大型で複雑な形状ではなく、潤滑不足の条件下でも作業でき、オープンに適しています。伝染 ; 感染。一般的に使用される非鉄金属は、タービンや歯車の製造によく使用される錫青銅、アルミニウム鉄青銅、鋳造アルミニウム合金ですが、滑り特性や耐摩擦特性が悪く、軽、中荷重、低速のみに使用されます。歯車。非金属材料の歯車は、無給油潤滑や高い信頼性などの特殊な要求が求められる分野で主に使用されています。家電製品、医療機器、食品機械、繊維機械などの低公害条件の分野。

ギヤコーティング材

エンジニアリングセラミックス材料は、高強度、高硬度、特に優れた耐熱性、低熱伝導率と低熱膨張、高い耐摩耗性と耐酸化性を備えた非常に有望な材料です。セラミック材料は本質的に耐熱性があり、金属の摩耗が少ないことが多くの研究で示されています。したがって、耐摩耗部品に金属材料の代わりにセラミック材料を使用することで、フリクションサブの寿命を向上させることができ、一部の高温および高耐摩耗材料、多機能などの厳しい要件を満たすことができます。現在、エンジニアリングセラミック材料は、エンジンの耐熱部品、機械伝達の摩耗部品、化学機器の耐食部品およびシール部品の製造に使用されており、セラミック材料の幅広い用途の見通しがますます高まっています。

ドイツ、日本、米国、英国などの先進国は、エンジニアリングセラミックス材料の開発と応用を重視しており、エンジニアリングセラミックスの加工理論と技術の開発に多大な資金と人材を投資しています。ドイツは「SFB442」と呼ばれるプログラムを開始した。その目的は、PVD技術を使用して部品の表面に適切な膜を合成し、環境や人体に有害な可能性のある潤滑媒体を置き換えることである。ドイツのPW Goldおよびその他の企業は、SFB442からの資金を利用して、PVD技術を適用して転がり軸受の表面に薄膜を堆積させたところ、転がり軸受の耐摩耗性能が大幅に向上し、表面に堆積された膜が転がり軸受の表面に完全に置き換わることを発見しました。極圧耐摩耗添加剤の働き。ヨアヒム、フランツら。ドイツでは、PVD 技術を使用して、EP 添加剤を含む潤滑剤よりも優れた優れた抗疲労特性を示す WC/C フィルムを調製しました。その結果、同様に、有害な添加剤をコーティングで置き換える可能性が得られました。E. Lugscheider et al.ドイツのアーヘン工科大学材料科学研究所の研究者らは、DFG (ドイツ研究委員会) の資金提供を受けて、PVD 技術を使用して 100Cr6 鋼上に適切な膜を堆積した後、疲労耐性が大幅に向上することを実証しました。さらに、米国ゼネラルモーターズ社は、耐疲労孔食性を向上させるために、VolvoS80Turbo タイプの自動車ギア表面に蒸着膜を適用し始めました。有名なティムケン社は、ES200 ギア表面フィルムという名前を発売しました。登録商標 MAXIT ギア コーティングがドイツで登場しました。それぞれ登録商標 Graphit-iC および Dymon-iC 登録商標 Graphit-iC および Dymon-iC のギア コーティングは英国でも入手可能です。

機械式トランスミッションの重要なスペアパーツとして、歯車は産業において重要な役割を果たしているため、歯車へのセラミック材料の適用を研究することは非常に重要な実用的意義があります。現在、歯車に適用されているエンジニアリングセラミックスは主に以下のとおりです。

1、TiNコーティング層
1、錫

イオンコーティングTiNセラミック層は、高硬度、高密着強度、低摩擦係数、良好な耐食性などを備え、最も広く使用されている表面改質コーティングの1つであり、特に工具および金型業界を中心にさまざまな分野で広く使用されています。歯車へのセラミックコーティングの適用に影響を与える主な理由は、セラミックコーティングと基材の間の接着の問題です。歯車の加工条件と影響要因は工具や金型の条件よりもはるかに複雑であるため、歯車の表面処理に単一の TiN コーティングを適用することは大幅に制限されます。セラミック皮膜は高硬度、低摩擦係数、耐食性などの利点を持っていますが、脆く皮膜を厚くすることが難しいため、その特性を発揮するには皮膜を支える高硬度、高強度の下地が必要です。そのため、超硬やハイス鋼の表面にはセラミックコーティングが多く使用されています。ギア材質はセラミック材に比べて柔らかく、基材とコーティングの性質の差が大きいため、コーティングと基材の相性が悪く、コーティングを支えるのに十分なコーティングができず、使用過程でコーティングが剥がれやすく、セラミックコーティングの利点を発揮できないだけでなく、剥がれ落ちたセラミックコーティング粒子がギアに摩耗を引き起こし、ギアの摩耗損失を早めます。現在の解決策は、複合表面処理技術を使用してセラミックと基板の間の結合を改善することです。複合表面処理技術とは、物理蒸着コーティングと他の表面処理プロセスまたはコーティングの組み合わせを指し、2 つの別個の表面/サブ表面を使用して基材材料の表面を改質し、単一の表面処理プロセスでは達成できない複合的な機械的特性を取得します。 。イオン窒化および PVD ​​によって堆積された TiN 複合コーティングは、最も研究されている複合コーティングの 1 つです。プラズマ窒化処理基材とTiNセラミック複合コーティングの結合力が強く、耐摩耗性が大幅に向上します。

耐摩耗性とフィルムベースの密着性に優れたTiNフィルム層の最適な厚さは3～4μm程度です。皮膜層の厚みが２μｍ未満であると耐摩耗性の大幅な向上が期待できない。フィルム層の厚みが５μｍを超えると、フィルム基材の密着性が低下する。

2、多層多成分TiNコーティング

TiN コーティングが段階的に広く適用されるようになったことで、TiN コーティングを改善および強化する方法に関する研究がますます増えています。近年、Ti-CN、Ti-CNB、Ti-Al-N、Ti-BN、(Tix,Cr1-x)N、TiNなどの二元TiNコーティングをベースにした多成分コーティングや多層コーティングが開発されています。 TiN皮膜にAl、Siなどの元素を添加することで耐高温酸化性や皮膜の硬度が向上し、Bなどの元素を添加することで皮膜の硬度や密着強度が向上します。

多成分組成の複雑さのため、この研究には多くの論争があります。(Tix,Cr1-x)N 多成分コーティングの研究では、研究結果について大きな論争があります。(Tix,Cr1-x)N コーティングは TiN をベースにしており、Cr は TiN ドット マトリックス内の置換固溶体の形でのみ存在でき、別個の CrN 相としては存在できないと信じている人もいます。他の研究では、(Tix,Cr1-x)N コーティング内の Ti 原子を直接置換する Cr 原子の数は限られており、残りの Cr は一重項状態で存在するか、N と化合物を形成していることが示されています。実験結果は、Cr の添加が効果的であることを示しています。皮膜の表面粒子径が小さくなり硬度が増加し、Crの質量割合が3l%に達すると皮膜の硬度は最高値に達しますが、皮膜の内部応力も最大値に達します。

3、その他のコーティング層

一般的に使用される TiN コーティングに加えて、ギアの表面強化にはさまざまなエンジニアリング セラミックが使用されます。

(1)Y.寺内ら。日本の研究者らは、蒸着法によって蒸着された炭化チタンまたは窒化チタンセラミックギアの摩擦摩耗に対する耐性を研究しました。歯車は、コーティング前に約 HV720 の表面硬度と 2.4 μm の表面粗さを達成するために浸炭および研磨され、セラミック コーティングは、炭化チタンの場合は化学蒸着 (CVD) によって、炭化チタンの場合は物理蒸着 (PVD) によって調製されました。窒化チタン、セラミック膜厚約2μm。摩擦摩耗特性は、油の存在下と乾燥摩擦のそれぞれで調査されました。セラミックでコーティングした後、ギアバイスの耐かじり性と耐引っかき性が大幅に向上することがわかりました。

(2)化学的にコーティングされたNi-PとTiNの複合コーティングは、遷移層としてNi-Pをプレコーティングし、次にTiNを堆積することによって調製されました。この研究では、この複合コーティングの表面硬度がある程度向上し、コーティングが基材とよりよく接着し、耐摩耗性が向上していることが示されました。

(3) WC/C、B4C 薄膜
日本工業大学機械工学科の村川正氏らは、PVD 技術を使用して歯車の表面に WC/C 薄膜を堆積させ、その寿命は油中で焼き入れして研削した通常の歯車の 3 倍に達しました。自由潤滑条件。フランツ J et al.PVD 技術を使用して、FEZ-A および FEZ-C ギアの表面に WC/C および B4C 薄膜を堆積しました。実験では、PVD コーティングがギアの摩擦を大幅に低減し、ギアが熱間接着や接着の影響を受けにくくなることを示しました。ギアの耐荷重性も向上しました。

(4) CrN膜
CrN 膜は、硬度が高いという点で TiN 膜と似ており、CrN 膜は TiN よりも高温酸化に強く、耐食性が優れ、TiN 膜よりも内部応力が低く、靭性が比較的優れています。Chen Lingらは、HSSの表面に優れた膜ベースの結合を備えた耐摩耗性TiAlCrN/CrN複合膜を作成し、2層間の転位エネルギー差が大きい場合、転位が発生する多層膜の転位積層理論も提案しました。一方の層では、その界面を横切ってもう一方の層に入るのが難しく、界面に転位の積み重ねが形成され、材料を強化する役割を果たします。Zhong Binらは、CrNx膜の相構造と摩擦摩耗特性に対する窒素含有量の影響を研究し、その研究では、膜中のCr2N（211）回折ピークが徐々に弱まり、CrN（220）ピークが増加とともに徐々に強化されることを示しました。 N2 含有量が増加すると、フィルム表面の大きな粒子が徐々に減少し、表面が平坦になる傾向があります。N2 曝気量が 25 ml/min (ターゲット ソース アーク電流が 75 A) の場合、堆積した CrN 膜は、N2 エアレーションが 25 ml/min (ターゲット ソース アーク電流が 75 A、マイナス) の場合、良好な表面品質、良好な硬度、優れた耐摩耗性を示します圧力は100Vです）。

(5)超硬質フィルム
超硬皮膜とは、硬度40GPa以上で耐摩耗性、耐高温性に優れ、低摩擦係数、低熱膨張係数を有する固体皮膜で、主にアモルファスダイヤモンド皮膜やCN皮膜を指します。アモルファスダイヤモンド膜は、非晶質の性質を持ち、長距離秩序構造を持たず、CC四面体結合を多く含むため、四面体アモルファスカーボン膜とも呼ばれます。ダイヤモンドライクコーティング（DLC）は、非晶質炭素膜の一種であり、高熱伝導率、高硬度、高弾性率、低熱膨張係数、良好な化学的安定性、良好な耐摩耗性、耐磨耗性など、ダイヤモンドに似た多くの優れた特性を持っています。摩擦係数が低い。歯車の表面にダイヤモンド状の被膜をコーティングすると、耐用年数が 6 倍に延長され、耐疲労性が大幅に向上することが示されています。アモルファス炭素窒素膜としても知られる CN 膜は、β-Si3N4 共有結合化合物の結晶構造に似た結晶構造を持ち、β-C3N4 としても知られています。リューとコーエンら。第一性質原理による擬ポテンシャルバンド計算を使用して厳密な理論計算を実行し、β-C3N4 が大きな結合エネルギー、安定した機械構造を持ち、少なくとも 1 つの準安定状態が存在し、その弾性率がダイヤモンドに匹敵することを確認しました。優れた特性を備えており、材料の表面硬度と耐摩耗性を効果的に向上させ、摩擦係数を低減します。

(6) 他の合金の耐摩耗性コーティング層
いくつかの合金耐摩耗性コーティングも歯車に適用することが試みられています。たとえば、45#鋼歯車の歯面にNi-P-Co合金層を堆積させることは、超微細粒子組織を得る合金層です。寿命を最大1.144～1.533倍に延長できます。また、Cu-Cr-P合金鋳鉄歯車の歯面にCu金属層とNi-W合金コーティングを施し、強度を向上させることも研究されています。HT250鋳鉄ギヤの歯面にNi-W、Ni-Co合金コーティングを施し、ノンコートギヤに比べ耐摩耗性が4～6倍向上します。