Gear coating technologie

PVD-afzettingstechnologie wordt al vele jaren toegepast als een nieuwe technologie voor oppervlaktemodificatie, met name vacuüm-ionencoatingtechnologie, die de afgelopen jaren een grote ontwikkeling heeft doorgemaakt en nu veel wordt gebruikt bij de behandeling van gereedschappen, matrijzen, zuigerveren, tandwielen en andere componenten .De gecoate tandwielen die zijn vervaardigd door middel van vacuüm-ionencoatingtechnologie kunnen de wrijvingscoëfficiënt aanzienlijk verminderen, de antislijtage en bepaalde anticorrosie verbeteren en zijn de focus en hotspot geworden van onderzoek op het gebied van technologie voor het versterken van tandwieloppervlakken.

De gebruikelijke materialen die voor tandwielen worden gebruikt, zijn voornamelijk gesmeed staal, gietstaal, gietijzer, non-ferrometalen (koper, aluminium) en kunststoffen.Staal is voornamelijk 45 staal, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Laag koolstofstaal voornamelijk gebruikt in 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Gesmeed staal wordt op grotere schaal gebruikt in tandwielen vanwege de betere prestaties, terwijl gietstaal meestal wordt gebruikt om tandwielen te vervaardigen met een diameter> 400 mm en een complexe structuur.Gietijzeren tandwielen zijn bestand tegen lijm en putjes, maar het gebrek aan impact en slijtvastheid, voornamelijk voor stabiel werk, kracht is geen lage snelheid of groot formaat en complexe vorm, kan werken onder de voorwaarde van gebrek aan smering, geschikt voor open overdragen.Non-ferrometalen die gewoonlijk worden gebruikt, zijn tinbrons, aluminium-ijzerbrons en gietaluminiumlegeringen, die vaak worden gebruikt bij de vervaardiging van turbines of tandwielen, maar de glij- en antiwrijvingseigenschappen zijn slecht, alleen voor lichte, gemiddelde belasting en lage snelheid versnellingen.Tandwielen van niet-metalen materiaal worden voornamelijk gebruikt in sommige gebieden met speciale vereisten, zoals olievrije smering en hoge betrouwbaarheid.Het gebied van omstandigheden zoals lage vervuiling, zoals huishoudelijke apparaten, medische apparatuur, voedselmachines en textielmachines.

Materialen voor tandwielcoating

Technische keramische materialen zijn uiterst veelbelovende materialen met een hoge sterkte en hardheid, met name uitstekende hittebestendigheid, lage thermische geleidbaarheid en thermische uitzetting, hoge slijtvastheid en oxidatieweerstand.Een groot aantal onderzoeken heeft aangetoond dat keramische materialen inherent hittebestendig zijn en weinig slijtage aan metalen hebben.Daarom kan het gebruik van keramische materialen in plaats van metalen materialen voor slijtvaste onderdelen de levensduur van de wrijvingssub verbeteren, kan het voldoen aan enkele van de hoge temperatuur en hoge slijtvaste materialen, multifunctionele en andere zware eisen.Op dit moment zijn technische keramische materialen gebruikt bij de vervaardiging van hittebestendige motoronderdelen, mechanische overbrenging in de slijtdelen, chemische apparatuur in de corrosiebestendige onderdelen en afdichtingsonderdelen, die steeds meer de brede toepassing van keramische materialen laten zien.

Ontwikkelde landen zoals Duitsland, Japan, de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk en andere landen hechten veel belang aan de ontwikkeling en toepassing van technische keramische materialen en investeren veel geld en mankracht om de verwerkingstheorie en technologie van technische keramiek te ontwikkelen.Duitsland heeft een programma gelanceerd met de naam "SFB442", met als doel PVD-technologie te gebruiken om een ​​geschikte film op het oppervlak van de onderdelen te synthetiseren om het mogelijk schadelijke smeermedium voor het milieu en het menselijk lichaam te vervangen.PW Gold en anderen in Duitsland gebruikten de financiering van SFB442 om PVD-technologie toe te passen om dunne films op het oppervlak van wentellagers af te zetten en ontdekten dat de antislijtageprestaties van wentellagers aanzienlijk waren verbeterd en dat de films op het oppervlak de functie van extreme druk anti-slijtage additieven.Joachim, Franz et al.in Duitsland gebruikte PVD-technologie om WC/C-films te maken die uitstekende antivermoeidheidseigenschappen vertoonden, beter dan die van smeermiddelen die EP-additieven bevatten, een resultaat dat op dezelfde manier de mogelijkheid biedt om schadelijke additieven te vervangen door coatings.E. Lugscheider et al.van het Institute of Materials Science, Technische Universiteit van Aken, Duitsland, met financiering van de DFG (German Research Commission), toonde een significante toename in weerstand tegen vermoeiing na het aanbrengen van geschikte films op 100Cr6-staal met behulp van PVD-technologie.Bovendien is General Motors in de Verenigde Staten begonnen met het aanbrengen van film op het oppervlak van het VolvoS80Turbo-type auto-tandwiel om de weerstand tegen vermoeidheidspitting te verbeteren;het beroemde bedrijf Timken heeft de naam ES200 gear surface film gelanceerd;geregistreerd handelsmerk MAXIT tandwielcoating is verschenen in Duitsland;gedeponeerde handelsmerken respectievelijk Graphit-iC en Dymon-iC Tandwielcoatings met de geregistreerde handelsmerken Graphit-iC en Dymon-iC zijn ook verkrijgbaar in het VK.

Als belangrijke reserveonderdelen van mechanische overbrenging spelen tandwielen een belangrijke rol in de industrie, dus het is van zeer belangrijke praktische betekenis om de toepassing van keramische materialen op tandwielen te bestuderen.Op dit moment zijn de technische keramieken die op de tandwielen worden toegepast voornamelijk de volgende.

1, TiN-coatinglaag
1、TiN

Ionencoating TiN-keramische laag is een van de meest gebruikte oppervlaktegemodificeerde coatings met hoge hardheid, hoge adhesiesterkte, lage wrijvingscoëfficiënt, goede corrosieweerstand, enz. Het wordt veel gebruikt op verschillende gebieden, vooral in de gereedschaps- en matrijzenindustrie.De belangrijkste reden voor het aanbrengen van keramische coating op tandwielen is het hechtingsprobleem tussen keramische coating en substraat.Aangezien de werkomstandigheden en beïnvloedende factoren van tandwielen veel gecompliceerder zijn dan die van gereedschappen en matrijzen, is het aanbrengen van een enkele TiN-coating op de oppervlaktebehandeling van tandwielen sterk beperkt.Hoewel keramische coating de voordelen heeft van hoge hardheid, lage wrijvingscoëfficiënt en corrosieweerstand, is het broos en moeilijk om een ​​dikkere coating te verkrijgen, dus heeft het een substraat met hoge hardheid en hoge sterkte nodig om de coating te ondersteunen om zijn eigenschappen te spelen.Daarom wordt keramische coating meestal gebruikt voor oppervlakken van hardmetaal en snelstaal.Het tandwielmateriaal is zacht in vergelijking met het keramische materiaal en het verschil tussen de aard van het substraat en de coating is groot, dus de combinatie van de coating en het substraat is slecht en de coating is niet voldoende om de coating te ondersteunen, waardoor de coating valt er gemakkelijk af tijdens het gebruik, kan niet alleen niet de voordelen van de keramische coating spelen, maar de keramische coatingdeeltjes die eraf vallen, veroorzaken schurende slijtage aan het tandwiel, waardoor het slijtageverlies van het tandwiel wordt versneld.De huidige oplossing is om technologie voor oppervlaktebehandeling van composieten te gebruiken om de hechting tussen het keramiek en het substraat te verbeteren.Composiet-oppervlaktebehandelingstechnologie verwijst naar de combinatie van fysieke dampafzettingscoating en andere oppervlaktebehandelingsprocessen of coatings, waarbij twee afzonderlijke oppervlakken/ondergronden worden gebruikt om het oppervlak van het substraatmateriaal te modificeren om composiet mechanische eigenschappen te verkrijgen die niet kunnen worden bereikt door een enkel oppervlaktebehandelingsproces .TiN-composietcoating afgezet door ionennitreren en PVD is een van de meest onderzochte composietcoatings.Het plasmanitreersubstraat en TiN-keramische composietcoating hebben een sterke hechting en de slijtvastheid is aanzienlijk verbeterd.

De optimale dikte van de TiN-filmlaag met uitstekende slijtvastheid en hechting op filmbasis is ongeveer 3 ~ 4 μm.Als de dikte van de filmlaag minder is dan 2 μm, wordt de slijtvastheid niet significant verbeterd.Als de dikte van de filmlaag meer dan 5 μm is, zal de hechting van de filmbasis afnemen.

2、Meerlaagse TiN-coating met meerdere componenten

Met de geleidelijke en wijdverbreide toepassing van TiN-coatings, zijn er steeds meer onderzoeken naar het verbeteren en versterken van TiN-coatings.De afgelopen jaren zijn meercomponentencoatings en meerlaagse coatings ontwikkeld op basis van binaire TiN-coatings, zoals Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3, enz. Door elementen zoals Al en Si aan TiN-coatings toe te voegen, kunnen de weerstand tegen oxidatie bij hoge temperatuur en de hardheid van de coatings worden verbeterd, terwijl toevoeging van elementen zoals B de hardheid en hechtingssterkte van de coatings kan verbeteren.

Vanwege de complexiteit van de samenstelling met meerdere componenten zijn er veel controverses in deze studie.In de studie van (Tix,Cr1-x)N multicomponent coatings is er een grote controverse in de onderzoeksresultaten.Sommige mensen geloven dat (Tix,Cr1-x)N-coatings zijn gebaseerd op TiN en dat Cr alleen kan bestaan ​​in de vorm van een vervangende vaste oplossing in de TiN-stipmatrix, maar niet als een afzonderlijke CrN-fase.Andere studies tonen aan dat het aantal Cr-atomen dat Ti-atomen direct vervangt in (Tix,Cr1-x)N-coatings beperkt is, en dat het resterende Cr bestaat in de singlet-toestand of verbindingen vormt met N. De experimentele resultaten tonen aan dat de toevoeging van Cr aan de coating vermindert de deeltjesgrootte van het oppervlak en verhoogt de hardheid, en de hardheid van de coating bereikt zijn hoogste waarde wanneer het massapercentage van Cr 3l% bereikt, maar de interne spanning van de coating bereikt ook zijn maximale waarde.

3、Andere coatinglaag

Naast de veelgebruikte TiN-coatings worden veel verschillende technische keramieken gebruikt voor het versterken van het tandwieloppervlak.

(1)J.Terauchi et al.uit Japan bestudeerde de weerstand tegen wrijvingsslijtage van keramische tandwielen van titaniumcarbide of titaniumnitride die zijn afgezet door middel van de opdampmethode.De tandwielen werden gecarboneerd en gepolijst om een ​​oppervlaktehardheid van ongeveer HV720 en een oppervlakteruwheid van 2,4 μm te bereiken voorafgaand aan het coaten, en de keramische coatings werden voorbereid door chemische dampafzetting (CVD) voor titaniumcarbide en door fysische dampafzetting (PVD) voor titaniumnitride, met een keramische filmdikte van ongeveer 2 μm.De eigenschappen van wrijvingsslijtage werden onderzocht in aanwezigheid van respectievelijk olie en droge wrijving.Het bleek dat de weerstand tegen vreten en krassen van de tandwielbankschroef aanzienlijk was verbeterd na het coaten met keramiek.

(2) Composietcoating van chemisch gecoat Ni-P en TiN werd bereid door Ni-P vooraf te coaten als een overgangslaag en vervolgens TiN af te zetten.Uit het onderzoek blijkt dat de oppervlaktehardheid van deze composietcoating tot op zekere hoogte is verbeterd, de coating beter hecht met de ondergrond en een betere slijtvastheid heeft.

(3) WC/C, B4C dunne film
M. Murakawa et al., Department of Mechanical Engineering, Japan Institute of Technology, gebruikten PVD-technologie om een ​​dunne WC/C-film af te zetten op het oppervlak van tandwielen, en de levensduur ervan was drie keer zo lang als die van gewone gedoofde en geslepen tandwielen onder olie- vrije smering voorwaarden.Franz J et al.gebruikte PVD-technologie om WC / C- en B4C-dunne film op het oppervlak van FEZ-A- en FEZ-C-tandwielen te deponeren, en het experiment toonde aan dat de PVD-coating de tandwielwrijving aanzienlijk verminderde, het tandwiel minder vatbaar maakte voor heet lijmen of lijmen, en verbeterde het draagvermogen van het tandwiel.

(4) CrN-films
CrN-films zijn vergelijkbaar met TiN-films doordat ze een hogere hardheid hebben, en CrN-films zijn beter bestand tegen oxidatie bij hoge temperatuur dan TiN, hebben een betere corrosieweerstand, lagere interne spanning dan TiN-films en relatief betere taaiheid.Chen Ling et bereidde een slijtvaste TiAlCrN / CrN-composietfilm voor met uitstekende filmgebaseerde hechting op het oppervlak van HSS, en stelde ook de dislocatie-stapeltheorie van meerlagige film voor, als het dislocatie-energieverschil tussen twee lagen groot is, treedt de dislocatie op in de ene laag zal het moeilijk zijn om de interface over te steken naar de andere laag, waardoor de dislocatiestapeling op de interface wordt gevormd en de rol wordt gespeeld van het versterken van het materiaal.Zhong Bin et bestudeerde het effect van stikstofgehalte op de fasestructuur en wrijvingsslijtage-eigenschappen van CrNx-films, en de studie toonde aan dat de Cr2N (211) diffractiepiek in de films geleidelijk verzwakte en de CrN (220)-piek geleidelijk verbeterde met de toename van het N2-gehalte namen de grote deeltjes op het filmoppervlak geleidelijk af en had het oppervlak de neiging vlak te zijn.Wanneer de N2-beluchting 25 ml/min was (doelbronboogstroom was 75 A, heeft de afgezette CrN-film een ​​goede oppervlaktekwaliteit, goede hardheid en uitstekende slijtvastheid wanneer de N2-beluchting 25ml/min is (doelbronboogstroom is 75A, negatief druk is 100V).

(5) Superharde folie
Superharde film is de vaste film met een hardheid van meer dan 40 GPa, uitstekende slijtvastheid, hoge temperatuurbestendigheid en lage wrijvingscoëfficiënt en lage thermische uitzettingscoëfficiënt, voornamelijk amorfe diamantfilm en CN-film.Amorfe diamantfilms hebben amorfe eigenschappen, geen geordende structuur over lange afstand en bevatten een groot aantal CC-tetraëdrische bindingen, daarom worden ze ook wel tetraëdrische amorfe koolstoffilms genoemd.Als een soort amorfe koolstoffilm heeft diamantachtige coating (DLC) veel uitstekende eigenschappen vergelijkbaar met diamant, zoals hoge thermische geleidbaarheid, hoge hardheid, hoge elasticiteitsmodulus, lage thermische uitzettingscoëfficiënt, goede chemische stabiliteit, goede slijtvastheid en lage wrijvingscoëfficiënt.Het is aangetoond dat het coaten van diamantachtige films op tandwieloppervlakken de levensduur met een factor 6 kan verlengen en de vermoeiingsweerstand aanzienlijk kan verbeteren.CN-films, ook bekend als amorfe koolstof-stikstoffilms, hebben een kristalstructuur vergelijkbaar met die van β-Si3N4 covalente verbindingen en zijn ook bekend als β-C3N4.Liu en Cohen et al.voerde rigoureuze theoretische berekeningen uit met behulp van pseudopotentiële bandberekeningen van het eerste-natuurprincipe, bevestigde dat β-C3N4 een grote bindingsenergie heeft, een stabiele mechanische structuur, er kan ten minste één substabiele toestand bestaan ​​en de elasticiteitsmodulus is vergelijkbaar met die van diamant, met goede eigenschappen, die de oppervlaktehardheid en slijtvastheid van het materiaal effectief kunnen verbeteren en de wrijvingscoëfficiënt kunnen verminderen.

(6) Andere legering slijtvaste coatinglaag
Er is ook geprobeerd om sommige slijtvaste coatings van legeringen aan te brengen op tandwielen, bijvoorbeeld de afzetting van een Ni-P-Co-legeringslaag op het tandoppervlak van 45 # stalen tandwielen is een legeringslaag om een ​​ultrafijne korrelorganisatie te verkrijgen, die de levensduur tot 1.144 ~ 1.533 keer kan verlengen.Er is ook onderzocht dat de Cu-metaallaag en de Ni-W-legeringscoating worden aangebracht op het tandoppervlak van een gietijzeren tandwiel van een Cu-Cr-P-legering om de sterkte ervan te verbeteren;Ni-W- en Ni-Co-legeringscoating wordt aangebracht op het tandoppervlak van het HT250 gietijzeren tandwiel om de slijtvastheid 4 tot 6 keer te verbeteren in vergelijking met het niet-gecoate tandwiel.