기어 코팅 기술

PVD 증착 기술은 새로운 표면 개질 기술, 특히 진공 이온 코팅 기술로 수년 동안 실행되어 왔으며 최근 몇 년 동안 크게 발전하여 현재 도구, 금형, 피스톤 링, 기어 및 기타 구성 요소의 처리에 널리 사용됩니다. .진공 이온 코팅 기술로 준비된 코팅 기어는 마찰 계수를 크게 줄이고 내마모 및 특정 부식 방지를 향상시킬 수 있으며 기어 표면 강화 기술 분야에서 연구의 초점과 핫스팟이되었습니다.

기어에 사용되는 일반적인 재료는 주로 단조강, 주강, 주철, 비철금속(구리, 알루미늄) 및 플라스틱입니다.철강은 주로 45강, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl입니다.주로 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo에 사용되는 저탄소강.단조강은 더 나은 성능 때문에 기어에 더 널리 사용되는 반면, 주강은 일반적으로 직경 > 400mm 및 복잡한 구조의 기어를 제조하는 데 사용됩니다.주철 기어는 내접착성 및 피팅 저항성이 있지만 주로 안정적인 작업을 위한 충격 및 내마모성 부족, 전력은 저속 또는 대형 및 복잡한 형상이 아니며 윤활 부족 조건에서 작동할 수 있습니다. 개방에 적합 전염.일반적으로 사용되는 비철금속은 주석 청동, 알루미늄-철 청동 및 주조 알루미늄 합금으로 터빈 또는 기어 제조에 일반적으로 사용되지만 슬라이딩 및 마찰 방지 특성이 열악하며 경하 중, 저속 기어.비금속 재료 기어는 오일 프리 윤활 및 높은 신뢰성과 같은 특별한 요구 사항이 있는 일부 분야에서 주로 사용됩니다.가전 ​​제품, 의료 장비, 식품 기계 및 섬유 기계와 같은 저공해와 같은 조건 분야.

기어 코팅 재료

엔지니어링 세라믹 재료는 고강도 및 경도, 특히 우수한 내열성, 낮은 열전도율 및 열팽창, 높은 내마모성 및 내산화성을 지닌 매우 유망한 재료입니다.많은 연구에서 세라믹 재료는 본질적으로 내열성이 있고 금속에 대한 마모가 적다는 사실이 밝혀졌습니다.따라서 내마모성 부품에 금속 재료 대신 세라믹 재료를 사용하면 마찰 서브의 수명을 향상시킬 수 있으며 일부 고온 및 고 내마모성 재료, 다기능 및 기타 까다로운 요구 사항을 충족할 수 있습니다.현재 엔지니어링 세라믹 재료는 엔진 내열 부품, 마모 부품의 기계식 변속기, 부식 방지 부품의 화학 장비 및 밀봉 부품의 제조에 사용되어 점점 더 광범위한 세라믹 재료 전망을 보여줍니다.

독일, 일본, 미국, 영국 및 기타 국가와 같은 선진국은 엔지니어링 세라믹 재료의 개발 및 응용에 큰 중요성을 부여하고 엔지니어링 세라믹의 가공 이론 및 기술을 개발하기 위해 많은 돈과 인력을 투자합니다.독일은 PVD 기술을 사용하여 부품 표면에 적합한 필름을 합성하여 잠재적으로 환경과 인체에 유해한 윤활 매체를 대체하는 "SFB442"라는 프로그램을 시작했습니다.독일의 PW Gold와 다른 사람들은 SFB442의 자금을 사용하여 PVD 기술을 적용하여 롤링 베어링의 표면에 박막을 증착했으며 구름 베어링의 내마모 성능이 크게 향상되고 표면에 증착된 필름이 극압 내마모 첨가제의 기능.요아킴, 프란츠 외.독일에서는 PVD 기술을 사용하여 EP 첨가제를 함유한 윤활유보다 우수한 내피로 특성을 나타내는 WC/C 필름을 제조했으며, 그 결과 유사하게 유해한 첨가제를 코팅으로 대체할 가능성이 생겼습니다.E. Lugscheider et al.DFG(독일 연구 위원회)의 자금 지원을 받은 독일 아헨 기술 대학 재료 과학 연구소의 연구팀은 PVD 기술을 사용하여 100Cr6 강철에 적절한 필름을 증착한 후 피로 저항이 크게 증가했음을 보여주었습니다.또한 미국 General Motors는 VolvoS80Turbo 유형 자동차 기어 표면 증착 필름에서 피로공식 저항을 개선하기 시작했습니다.유명한 팀켄 회사는 ES200 기어 표면 필름이라는 이름을 출시했습니다.등록 상표 MAXIT 기어 코팅이 독일에 등장했습니다.등록 상표 Graphit-iC 및 Dymon-iC 각각 등록 상표 Graphit-iC 및 Dymon-iC가 있는 기어 코팅은 영국에서도 사용할 수 있습니다.

기계 변속기의 중요한 부품으로서 기어는 산업에서 중요한 역할을 하므로 기어에 대한 세라믹 재료의 응용을 연구하는 것은 매우 중요한 실제적 의의가 있습니다.현재 기어에 적용되는 엔지니어링 세라믹은 주로 다음과 같다.

1, TiN 코팅층
1. 틴

이온 코팅 TiN 세라믹 층은 고경도, 고접착 강도, 낮은 마찰 계수, 우수한 내식성 등으로 가장 널리 사용되는 표면 개질 코팅 중 하나입니다. 특히 공구 및 금형 산업에서 다양한 분야에서 널리 사용되었습니다.기어에 세라믹 코팅을 적용하는 데 영향을 미치는 주된 이유는 세라믹 코팅과 기판 사이의 결합 문제입니다.기어의 작업 조건과 영향 요인은 공구 및 금형보다 훨씬 복잡하기 때문에 기어 표면 처리에 단일 TiN 코팅을 적용하는 것은 크게 제한됩니다.세라믹 코팅은 고경도, 저마찰계수, 내식성 등의 장점이 있으나 깨지기 쉽고 두꺼운 코팅을 얻기 어려우므로 코팅의 특성을 발휘하기 위해서는 코팅을 지지할 수 있는 고경도, 고강도 기판이 필요합니다.따라서 세라믹 코팅은 초경합금 및 고속도강 표면에 주로 사용됩니다.기어 소재는 세라믹 소재에 비해 부드러우며 기질과 코팅의 성질 차이가 커서 코팅과 기질의 결합이 불량하고 코팅이 코팅을 지지하기에 부족하여 사용 과정에서 떨어지기 쉬운 코팅은 세라믹 코팅의 장점을 발휘할 수 없을 뿐만 아니라 떨어지는 세라믹 코팅 입자는 기어에 마모를 일으켜 기어의 마모 손실을 가속화합니다.현재 해결책은 복합 표면 처리 기술을 사용하여 세라믹과 기판 사이의 결합을 개선하는 것입니다.복합 표면 처리 기술은 단일 표면 처리 공정으로는 달성할 수 없는 복합 기계적 특성을 얻기 위해 기판 재료의 표면을 수정하기 위해 두 개의 별도 표면/하부 표면을 사용하는 물리적 기상 증착 코팅 및 기타 표면 처리 공정 또는 코팅의 조합을 말합니다. .이온 질화 및 PVD에 의해 증착된 TiN 복합 코팅은 가장 많이 연구된 복합 코팅 중 하나입니다.플라즈마 질화 기판과 TiN 세라믹 복합 코팅은 강한 결합력을 가지며 내마모성이 크게 향상됩니다.

내마모성과 필름 베이스 본딩이 우수한 TiN 필름층의 최적 두께는 약 3~4μm입니다.필름층의 두께가 2μm 미만이면 내마모성이 크게 향상되지 않습니다.필름층의 두께가 5μm 이상이면 필름 베이스 접착력이 떨어집니다.

2、다층 다성분 TiN 코팅

TiN 코팅의 점진적이고 광범위한 적용으로 TiN 코팅을 개선하고 향상시키는 방법에 대한 연구가 점점 더 많아지고 있습니다.최근 몇 년 동안 Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN과 같은 이원 TiN 코팅을 기반으로 한 다성분 코팅 및 다층 코팅이 개발되었습니다. /Al2O3 등 TiN 코팅에 Al, Si 등의 원소를 첨가함으로써 코팅의 고온 내산화성 및 경도를 향상시킬 수 있고, B 등의 원소를 첨가함으로써 코팅의 경도 및 접착력을 향상시킬 수 있다.

다성분 구성의 복잡성으로 인해 본 연구에서 많은 논란이 있다.(Tix,Cr1-x)N 다성분 코팅 연구에서 연구 결과에 큰 논란이 있다.일부 사람들은 (Tix,Cr1-x)N 코팅이 TiN을 기반으로 하며 Cr은 TiN 도트 매트릭스에서 대체 고용체 형태로만 존재할 수 있지만 별도의 CrN 상으로는 존재할 수 없다고 생각합니다.다른 연구에 따르면 (Tix,Cr1-x)N 코팅에서 Ti 원자를 직접 대체하는 Cr 원자의 수는 제한적이며 나머지 Cr은 단일항 상태로 존재하거나 N과 화합물을 형성합니다. 실험 결과는 Cr의 첨가가 피막의 표면 입자 크기는 감소하고 경도는 증가하며, Cr의 질량 비율이 3l%에 도달할 때 피막의 경도가 최고에 도달하지만 피막의 내부 응력도 최대 값에 도달합니다.

3, 기타 코팅층

일반적으로 사용되는 TiN 코팅 외에도 다양한 엔지니어링 세라믹이 기어 표면 강화에 사용됩니다.

(1)Y.Terauchiet al.일본의 등은 기상 증착 방법으로 증착된 티타늄 카바이드 또는 티타늄 질화물 세라믹 기어의 마찰 마모에 대한 저항성을 연구했습니다.기어는 코팅 전에 약 HV720의 표면 경도와 2.4μm의 표면 거칠기를 달성하기 위해 침탄 및 연마되었으며 세라믹 코팅은 티타늄 카바이드의 경우 화학 기상 증착(CVD) 및 물리적 기상 증착(PVD)에 의해 준비되었습니다. 약 2μm의 세라믹 필름 두께를 갖는 질화 티타늄.마찰 마모 특성은 오일 마찰과 건조 마찰이 있는 상태에서 각각 조사되었습니다.세라믹으로 코팅한 후 기어 바이스의 내마모성과 내스크래치성이 크게 향상된 것으로 나타났습니다.

(2) 화학적으로 코팅된 Ni-P와 TiN의 복합 코팅은 Ni-P를 전이층으로 사전 코팅한 다음 TiN을 증착하여 준비했습니다.연구에 따르면 이 복합 코팅의 표면 경도가 어느 정도 개선되었으며 코팅이 기판과 더 잘 접착되고 내마모성이 더 우수합니다.

(3) WC/C, B4C 박막
M. Murakawa et al., Japan Institute of Technology 기계공학부, PVD 기술을 사용하여 기어 표면에 WC/C 박막을 증착했으며, 그 수명은 오일 하에서 일반 담금질 및 접지 기어의 3배였습니다. 자유 윤활 조건.프란츠 J 외.PVD 기술을 사용하여 FEZ-A 및 FEZ-C 기어의 표면에 WC/C 및 B4C 박막을 증착했으며, 실험 결과 PVD 코팅이 기어 마찰을 크게 감소시켜 기어가 열간 접착 또는 접착에 덜 민감하다는 것을 보여주었습니다. 기어의 내하중을 향상시켰습니다.

(4) CrN 필름
CrN막은 경도가 높다는 점에서 TiN막과 유사하며, CrN막은 TiN보다 고온 산화에 강하고 내식성이 우수하며 내부 응력이 TiN보다 낮고 인성이 비교적 우수합니다.Chen Ling 등은 HSS 표면에 필름 기반 결합이 우수한 내마모성 TiAlCrN/CrN 복합 필름을 준비했으며, 두 층 간의 전위 에너지 차이가 ​​크면 전위가 발생하는 다층 필름의 전위 적층 이론도 제안했습니다. 한 층에서 다른 층으로의 경계면을 가로지르기 어려워 경계면에서 전위 적층을 형성하고 재료를 강화하는 역할을 합니다.Zhong Bin 등은 CrNx 필름의 상 구조 및 마찰 마모 특성에 대한 질소 함량의 영향을 연구했으며, 연구 결과 필름의 Cr2N(211) 회절 피크가 점차 약해지고 CrN(220) 피크가 증가함에 따라 점차 향상됨을 보여주었습니다. N2 함량이 증가함에 따라 필름 표면의 큰 입자가 점차 감소하고 표면이 평평한 경향이 있습니다.N2 폭기가 25ml/min일 때(목표 소스 아크 전류는 75A, 증착된 CrN 필름은 N2 폭기가 25ml/min일 때(목표 소스 아크 전류는 75A, 네거티브 압력은 100V입니다).

(5) 초경질 필름
초경질 필름은 40GPa 이상의 경도, 우수한 내마모성, 고온 저항, 낮은 마찰 계수 및 낮은 열팽창 계수를 가진 견고한 필름으로 주로 비정질 다이아몬드 필름과 CN 필름입니다.비정질 다이아몬드 필름은 비정질 특성을 가지며 장거리 정렬 구조가 없으며 많은 수의 CC 사면체 결합을 포함하므로 사면체 비정질 탄소 필름이라고도합니다.다이아몬드 라이크 코팅(DLC)은 비정질 탄소막의 일종으로 높은 열전도율, 높은 경도, 높은 탄성률, 낮은 열팽창 계수, 우수한 화학적 안정성, 우수한 내마모성과 같은 다이아몬드와 유사한 많은 우수한 특성을 가지고 있습니다. 낮은 마찰 계수.기어 표면에 다이아몬드와 같은 필름을 코팅하면 사용 수명이 6배 연장되고 내피로성이 크게 향상되는 것으로 나타났습니다.비정질 탄소-질소 막으로도 알려진 CN 막은 β-Si3N4 공유 화합물과 유사한 결정 구조를 가지며 β-C3N4라고도 합니다.리우와 코헨 외.1차 자연 원리의 슈도포텐셜 밴드 계산을 사용하여 엄격한 이론 계산을 수행하여 β-C3N4가 큰 결합 에너지, 안정적인 기계적 구조, 적어도 하나의 준안정 상태가 존재할 수 있고 탄성 계수가 다이아몬드와 유사함을 확인했습니다. 재료의 표면 경도와 내마모성을 효과적으로 향상시키고 마찰 계수를 줄일 수 있는 좋은 특성을 가지고 있습니다.

(6) 기타 합금 내마모성 코팅층
일부 합금 내마모성 코팅도 기어에 적용하려고 시도되었습니다. 예를 들어, 45# 스틸 기어의 치면에 Ni-P-Co 합금층을 증착하는 것은 초미립자 조직을 얻기 위한 합금층입니다. 수명을 최대 1.144~1.533배 연장할 수 있습니다.또한 Cu 금속층과 Ni-W 합금 코팅이 Cu-Cr-P 합금 주철 기어의 치면에 적용되어 강도를 향상시키는 것으로 연구되었습니다.HT250 주철 기어의 치면에 Ni-W 및 Ni-Co 합금 코팅을 적용하여 무코팅 기어에 비해 내마모성을 4~6배 향상시켰습니다.