Technologia powlekania przekładni

Technologia osadzania PVD jest praktykowana od wielu lat jako nowa technologia modyfikacji powierzchni, zwłaszcza technologia próżniowego powlekania jonowego, która w ostatnich latach zyskała duży rozwój i jest obecnie szeroko stosowana w obróbce narzędzi, form, pierścieni tłokowych, kół zębatych i innych elementów .Powlekane koła zębate przygotowane za pomocą próżniowej technologii powlekania jonowego mogą znacznie zmniejszyć współczynnik tarcia, poprawić odporność na zużycie i niektóre właściwości antykorozyjne, a także stały się przedmiotem i gorącym punktem badań w dziedzinie technologii wzmacniania powierzchni kół zębatych.

Powszechnie stosowanymi materiałami na przekładnie są głównie stal kuta, staliwo, żeliwo, metale nieżelazne (miedź, aluminium) oraz tworzywa sztuczne.Stal to głównie stal 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Stal niskowęglowa stosowana głównie w 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Stal kuta jest szerzej stosowana w kołach zębatych ze względu na jej lepsze parametry, podczas gdy staliwo jest zwykle używane do produkcji kół zębatych o średnicy > 400 mm i złożonej konstrukcji.Przekładnie żeliwne odporne na klej i wżery, ale brak odporności na uderzenia i zużycie, głównie do stabilnej pracy, moc nie jest niska prędkość ani duży rozmiar i złożony kształt, mogą pracować pod warunkiem braku smarowania, nadaje się do otwartych przenoszenie.Powszechnie stosowane metale nieżelazne to brąz cynowy, brąz aluminiowo-żelazny i odlewany stop aluminium, powszechnie stosowany w produkcji turbin lub przekładni, ale właściwości ślizgowe i przeciwcierne są słabe, tylko przy lekkim, średnim obciążeniu i niskiej prędkości koła zębate.Przekładnie z materiałów niemetalicznych są stosowane głównie w niektórych dziedzinach o specjalnych wymaganiach, takich jak bezolejowe smarowanie i wysoka niezawodność.Dziedzina warunków, takich jak niskie zanieczyszczenie, takie jak sprzęt gospodarstwa domowego, sprzęt medyczny, maszyny spożywcze i maszyny tekstylne.

Materiały do ​​powlekania przekładni

Inżynierskie materiały ceramiczne są niezwykle obiecującymi materiałami o wysokiej wytrzymałości i twardości, szczególnie doskonałej odporności na ciepło, niskiej przewodności cieplnej i rozszerzalności cieplnej, wysokiej odporności na zużycie i odporność na utlenianie.Wiele badań wykazało, że materiały ceramiczne są z natury odporne na ciepło i charakteryzują się niskim zużyciem metali.Dlatego zastosowanie materiałów ceramicznych zamiast materiałów metalowych do części odpornych na zużycie może poprawić żywotność łożyska ciernego, może spełnić niektóre wysokie temperatury i materiały odporne na zużycie, wielofunkcyjne i inne trudne wymagania.Obecnie inżynierskie materiały ceramiczne są wykorzystywane do produkcji żaroodpornych części silnika, przekładni mechanicznych w częściach zużywających się, wyposażenia chemicznego w częściach odpornych na korozję i częściach uszczelniających, coraz częściej wykazują szerokie zastosowanie perspektyw materiałów ceramicznych.

Kraje rozwinięte, takie jak Niemcy, Japonia, Stany Zjednoczone, Wielka Brytania i inne kraje, przywiązują dużą wagę do rozwoju i zastosowania inżynierskich materiałów ceramicznych, inwestując dużo pieniędzy i siły roboczej w rozwój teorii przetwarzania i technologii ceramiki inżynierskiej.Niemcy uruchomiły program o nazwie „SFB442″, którego celem jest wykorzystanie technologii PVD do syntezy odpowiedniej warstwy na powierzchni części w celu zastąpienia potencjalnie szkodliwego środka smarującego dla środowiska i organizmu człowieka.PW Gold i inni w Niemczech wykorzystali fundusze z SFB442 do zastosowania technologii PVD do osadzania cienkich warstw na powierzchni łożysk tocznych i stwierdzili, że właściwości przeciwzużyciowe łożysk tocznych zostały znacznie ulepszone, a warstwy osadzone na powierzchni mogą całkowicie zastąpić działanie dodatków przeciwzużyciowych pod wysokim ciśnieniem.Joachim, Franz i in.w Niemczech zastosowali technologię PVD do przygotowania folii WC/C wykazujących doskonałe właściwości przeciwzmęczeniowe, lepsze niż smary zawierające dodatki EP, co podobnie daje możliwość zastąpienia szkodliwych dodatków powłokami.E.Lugscheider i in.Instytutu Nauki o Materiałach Politechniki w Akwizgranie, Niemcy, finansowany z DFG (Niemieckiej Komisji Badawczej), wykazał znaczny wzrost odporności na zmęczenie po osadzeniu odpowiednich warstw na stali 100Cr6 przy użyciu technologii PVD.Ponadto firma General Motors w Stanach Zjednoczonych rozpoczęła nakładanie folii na powierzchnię przekładni samochodowej typu VolvoS80Turbo w celu poprawy odporności na wżery zmęczeniowe;słynna firma Timken wprowadziła na rynek nazwę folii do powierzchni przekładni ES200;w Niemczech pojawił się zarejestrowany znak towarowy MAXIT pokrycia przekładni;zastrzeżony znak towarowy odpowiednio Graphit-iC i Dymon-iC Powłoki przekładni z zastrzeżonymi znakami towarowymi Graphit-iC i Dymon-iC są również dostępne w Wielkiej Brytanii.

Jako ważna część zamienna przekładni mechanicznej, koła zębate pełnią ważną rolę w przemyśle, dlatego bardzo ważne znaczenie praktyczne ma badanie zastosowania materiałów ceramicznych na kołach zębatych.Obecnie ceramika inżynieryjna stosowana do kół zębatych jest głównie następująca.

1, warstwa powłoki TiN
1、TiN

Powłoka jonowa Warstwa ceramiczna TiN jest jedną z najczęściej stosowanych powłok modyfikowanych powierzchniowo o wysokiej twardości, wysokiej przyczepności, niskim współczynniku tarcia, dobrej odporności na korozję itp. Jest szeroko stosowana w różnych dziedzinach, zwłaszcza w przemyśle narzędziowym i formowym.Głównym powodem wpływającym na zastosowanie powłoki ceramicznej na kołach zębatych jest problem z przyczepnością powłoki ceramicznej do podłoża.Ponieważ warunki pracy i czynniki wpływające na przekładnie są znacznie bardziej skomplikowane niż w przypadku narzędzi i form, zastosowanie pojedynczej powłoki TiN na powierzchni przekładni jest znacznie ograniczone.Chociaż powłoka ceramiczna ma zalety wysokiej twardości, niskiego współczynnika tarcia i odporności na korozję, jest krucha i trudna do uzyskania grubszej powłoki, dlatego potrzebuje podłoża o wysokiej twardości i wysokiej wytrzymałości, aby podtrzymać powłokę, aby mogła odgrywać swoje właściwości.Dlatego powłoka ceramiczna jest najczęściej stosowana do powierzchni z węglika spiekanego i stali szybkotnącej.Materiał przekładni jest miękki w porównaniu z materiałem ceramicznym, a różnica między charakterem podłoża a powłoką jest duża, więc połączenie powłoki i podłoża jest słabe, a powłoka nie wystarcza do podparcia powłoki, dzięki czemu powłoka łatwa do odpadnięcia w trakcie użytkowania, nie tylko nie może odgrywać zalet powłoki ceramicznej, ale odpadające cząstki powłoki ceramicznej spowodują zużycie ścierne przekładni, przyspieszając utratę zużycia przekładni.Obecnym rozwiązaniem jest zastosowanie technologii obróbki powierzchni kompozytów w celu poprawy wiązania między ceramiką a podłożem.Technologia kompozytowej obróbki powierzchni odnosi się do połączenia powlekania przez fizyczne osadzanie z fazy gazowej i innych procesów lub powlekania powierzchni, przy użyciu dwóch oddzielnych powierzchni/podpowierzchni w celu zmodyfikowania powierzchni materiału podłoża w celu uzyskania właściwości mechanicznych kompozytu, których nie można osiągnąć za pomocą jednego procesu obróbki powierzchni .Powłoka kompozytowa TiN nanoszona metodą azotowania jonowego i PVD jest jedną z najlepiej przebadanych powłok kompozytowych.Podłoże do azotowania plazmowego i ceramiczna powłoka kompozytowa TiN mają silne wiązanie, a odporność na zużycie jest znacznie lepsza.

Optymalna grubość warstwy folii TiN o doskonałej odporności na zużycie i wiązaniu podstawy folii wynosi około 3 ~ 4 μm.Jeśli grubość warstwy folii jest mniejsza niż 2 μm, odporność na zużycie nie ulegnie znacznej poprawie.Jeśli grubość warstwy folii jest większa niż 5 μm, wiązanie podstawy folii zostanie zmniejszone.

2, wielowarstwowa, wieloskładnikowa powłoka TiN

Wraz ze stopniowym i powszechnym stosowaniem powłok TiN, pojawia się coraz więcej badań nad sposobami ulepszania i ulepszania powłok TiN.W ostatnich latach opracowano powłoki wieloskładnikowe oraz powłoki wielowarstwowe na bazie dwuskładnikowych powłok TiN, takich jak Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3 itp. Poprzez dodanie pierwiastków takich jak Al i Si do powłok TiN można poprawić odporność powłok na utlenianie w wysokiej temperaturze i twardość powłok, natomiast dodanie pierwiastków takich jak B może poprawić twardość i przyczepność powłok.

Ze względu na złożoność wieloskładnikowego składu w tym badaniu pojawia się wiele kontrowersji.W badaniach nad wieloskładnikowymi powłokami (Tix,Cr1-x)N, wyniki badań budzą duże kontrowersje.Niektórzy uważają, że powłoki (Tix,Cr1-x)N są oparte na TiN, a Cr może istnieć tylko w postaci zastępczego roztworu stałego w matrycy punktowej TiN, ale nie jako oddzielna faza CrN.Inne badania pokazują, że liczba atomów Cr bezpośrednio zastępujących atomy Ti w powłokach (Tix,Cr1-x)N jest ograniczona, a pozostały Cr istnieje w stanie singletowym lub tworzy związki z N. Wyniki eksperymentów pokazują, że dodatek Cr do powłoki zmniejsza wielkość cząstek powierzchniowych i zwiększa twardość, przy czym twardość powłoki osiąga największą wartość, gdy procent masowy Cr osiąga 3l%, ale również naprężenia wewnętrzne powłoki osiągają maksymalną wartość.

3, inna warstwa powłoki

Oprócz powszechnie stosowanych powłok TiN, do wzmacniania powierzchni przekładni stosuje się wiele różnych materiałów konstrukcyjnych.

(1)Y.Terauchi i in.z Japonii badali odporność na zużycie tarciowe ceramicznych kół zębatych z węglika tytanu lub azotku tytanu osadzonych metodą osadzania z fazy gazowej.Koła zębate zostały nawęglone i wypolerowane, aby uzyskać twardość powierzchni około HV720 i chropowatość powierzchni 2,4 μm przed nałożeniem powłoki, a powłoki ceramiczne przygotowano przez chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) dla węglika tytanu i przez fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD) dla azotek tytanu, o grubości warstwy ceramicznej około 2 μm.Właściwości zużycia ciernego badano odpowiednio w obecności oleju i suchego tarcia.Stwierdzono, że odporność na zatarcie i zarysowanie imadła przekładniowego uległa znacznej poprawie po pokryciu ceramiką.

(2) Powłoka kompozytowa z chemicznie powlekanego Ni-P i TiN została przygotowana przez wstępne powlekanie Ni-P jako warstwy przejściowej, a następnie osadzanie TiN.Z przeprowadzonych badań wynika, że ​​twardość powierzchni tej powłoki kompozytowej uległa pewnej poprawie, a powłoka jest lepiej związana z podłożem i ma lepszą odporność na zużycie.

(3) Cienka warstwa WC/C, B4C
M. Murakawa i wsp. z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Japońskiego Instytutu Technologicznego zastosowali technologię PVD do osadzania cienkiej warstwy WC/C na powierzchni kół zębatych, a jej żywotność była trzykrotnie większa niż w przypadku zwykłych hartowanych i szlifowanych kół zębatych w warunkach olejowych swobodne warunki smarowania.Franz J i in.wykorzystali technologię PVD do osadzania cienkich warstw WC/C i B4C na powierzchni kół zębatych FEZ-A i FEZ-C, a eksperyment wykazał, że powłoka PVD znacznie zmniejszyła tarcie przekładni, uczyniła przekładnię mniej podatną na klejenie na gorąco lub klejenie, i poprawiło nośność przekładni.

(4) filmy CrN
Folie CrN są podobne do folii TiN, ponieważ mają wyższą twardość, a folie CrN są bardziej odporne na utlenianie w wysokiej temperaturze niż TiN, mają lepszą odporność na korozję, mniejsze naprężenia wewnętrzne niż folie TiN i stosunkowo lepszą wytrzymałość.Chen Ling i przygotowali odporną na zużycie folię kompozytową TiAlCrN/CrN z doskonałym wiązaniem na bazie folii na powierzchni HSS, a także zaproponowali teorię układania w stos folii wielowarstwowej, jeśli różnica energii dyslokacji między dwiema warstwami jest duża, dyslokacja występująca w jednej warstwie trudno będzie przejść jej interfejs do drugiej warstwy, tworząc w ten sposób ułożenie dyslokacji na styku i odgrywając rolę wzmocnienia materiału.Zhong Bin i in. badali wpływ zawartości azotu na strukturę fazową i właściwości zużycia ciernego warstw CrNx i wykazali, że pik dyfrakcyjny Cr2N (211) w warstwach stopniowo słabł, a pik CrN (220) stopniowo wzmacniał się wraz ze wzrostem zawartości N2, duże cząstki na powierzchni folii stopniowo zmniejszały się, a powierzchnia stawała się płaska.Gdy napowietrzanie N2 wynosiło 25 ml/min (prąd łuku w źródle docelowym wynosił 75 A, osadzona warstwa CrN ma dobrą jakość powierzchni, dobrą twardość i doskonałą odporność na zużycie, gdy napowietrzanie N2 wynosi 25 ml/min (prąd łuku w źródle docelowym wynosi 75 A, ujemny ciśnienie wynosi 100 V).

(5) Supertwarda folia
Folia supertwarda to folia stała o twardości większej niż 40 GPa, doskonałej odporności na zużycie, odporności na wysoką temperaturę i niskim współczynniku tarcia oraz niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej, głównie folii z amorficznego diamentu i folii CN.Warstwy amorficznego diamentu mają właściwości amorficzne, nie mają uporządkowanej struktury dalekiego zasięgu i zawierają dużą liczbę wiązań tetraedrycznych CC, dlatego nazywane są również tetraedrycznymi amorficznymi filmami węglowymi.Jako rodzaj amorficznej warstwy węglowej, diamentopodobna powłoka (DLC) ma wiele doskonałych właściwości podobnych do diamentu, takich jak wysoka przewodność cieplna, wysoka twardość, wysoki moduł sprężystości, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, dobra stabilność chemiczna, dobra odporność na zużycie i niski współczynnik tarcia.Wykazano, że powlekanie diamentopodobnych warstw na powierzchniach kół zębatych może sześciokrotnie wydłużyć ich żywotność i znacznie poprawić odporność zmęczeniową.Folie CN, znane również jako amorficzne warstwy węgiel-azot, mają strukturę krystaliczną podobną do związków kowalencyjnych β-Si3N4 i są również znane jako β-C3N4.Liu i Cohen i in.przeprowadził rygorystyczne obliczenia teoretyczne z wykorzystaniem obliczeń pasm pseudopotencjalnych z zasady pierwszej natury, potwierdził, że β-C3N4 ma dużą energię wiązania, stabilną strukturę mechaniczną, może istnieć co najmniej jeden stan substabilny, a jego moduł sprężystości jest porównywalny z diamentem, o dobrych właściwościach, które mogą skutecznie poprawić twardość powierzchni i odporność na zużycie materiału oraz zmniejszyć współczynnik tarcia.

(6) Inna warstwa powłoki odpornej na zużycie ze stopu
Próbowano również nakładać na koła zębate niektóre powłoki odporne na zużycie ze stopów, na przykład osadzanie warstwy stopu Ni-P-Co na powierzchni zębów stalowych kół zębatych 45 # jest warstwą stopu w celu uzyskania bardzo drobnej organizacji ziarna, co może wydłużyć żywotność do 1,144 ~ 1,533 razy.Zbadano również, że warstwa metalu Cu i powłoka ze stopu Ni-W są nakładane na powierzchnię zębów przekładni żeliwnej ze stopu Cu-Cr-P w celu poprawy jej wytrzymałości;Powłoka ze stopu Ni-W i Ni-Co jest nakładana na powierzchnię zęba żeliwnej przekładni HT250, aby poprawić odporność na zużycie o 4–6 razy w porównaniu z przekładnią niepowlekaną.