Tecnologia de revestimento de engrenagens

A tecnologia de deposição PVD tem sido praticada por muitos anos como uma nova tecnologia de modificação de superfície, especialmente a tecnologia de revestimento iônico a vácuo, que ganhou grande desenvolvimento nos últimos anos e agora é amplamente utilizada no tratamento de ferramentas, moldes, anéis de pistão, engrenagens e outros componentes .As engrenagens revestidas preparadas pela tecnologia de revestimento de íons a vácuo podem reduzir significativamente o coeficiente de fricção, melhorar o antidesgaste e certa anticorrosão e se tornaram o foco e o ponto quente da pesquisa no campo da tecnologia de fortalecimento da superfície da engrenagem.

Os materiais comuns usados ​​para engrenagens são principalmente aço forjado, aço fundido, ferro fundido, metais não ferrosos (cobre, alumínio) e plásticos.O aço é principalmente aço 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Aço de baixo carbono usado principalmente em 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.O aço forjado é mais utilizado em engrenagens devido ao seu melhor desempenho, enquanto o aço fundido é normalmente utilizado para fabricar engrenagens com diâmetro > 400mm e estrutura complexa.Engrenagens de ferro fundido resistência anti-cola e corrosão, mas a falta de impacto e resistência ao desgaste, principalmente para trabalho estável, a potência não é baixa velocidade ou tamanho grande e forma complexa, pode funcionar sob a condição de falta de lubrificação, adequado para abrir transmissão.Os metais não ferrosos comumente usados ​​são bronze de estanho, bronze de ferro-alumínio e liga de alumínio fundido, comumente usados ​​na fabricação de turbinas ou engrenagens, mas as propriedades de deslizamento e antifricção são ruins, apenas para carga leve, média e baixa velocidade engrenagens.Engrenagens de materiais não metálicos são usadas principalmente em alguns campos com requisitos especiais, como lubrificação sem óleo e alta confiabilidade.O campo de condições como baixa poluição, como eletrodomésticos, equipamentos médicos, máquinas de alimentos e máquinas têxteis.

Materiais de revestimento de engrenagens

Materiais cerâmicos de engenharia são materiais extremamente promissores com alta resistência e dureza, especialmente excelente resistência ao calor, baixa condutividade térmica e expansão térmica, alta resistência ao desgaste e resistência à oxidação.Um grande número de estudos mostrou que os materiais cerâmicos são inerentemente resistentes ao calor e têm baixo desgaste em metais.Portanto, o uso de materiais cerâmicos em vez de materiais metálicos para peças resistentes ao desgaste pode melhorar a vida útil do sub de fricção, pode atender a alguns dos materiais resistentes a altas temperaturas e ao desgaste, multifuncionais e outros requisitos difíceis.Atualmente, os materiais cerâmicos de engenharia têm sido usados ​​na fabricação de peças resistentes ao calor do motor, transmissão mecânica nas peças de desgaste, equipamentos químicos nas peças resistentes à corrosão e peças de vedação, mostrando cada vez mais a ampla aplicação de perspectivas de materiais cerâmicos.

Países desenvolvidos como Alemanha, Japão, Estados Unidos, Reino Unido e outros países atribuem grande importância ao desenvolvimento e aplicação de materiais cerâmicos de engenharia, investindo muito dinheiro e mão de obra para desenvolver a teoria de processamento e tecnologia de cerâmica de engenharia.A Alemanha lançou um programa chamado “SFB442″, cujo objetivo é usar a tecnologia PVD para sintetizar um filme adequado na superfície das peças para substituir o meio lubrificante potencialmente nocivo ao meio ambiente e ao corpo humano.PW Gold e outros na Alemanha usaram o financiamento do SFB442 para aplicar a tecnologia PVD para depositar filmes finos na superfície dos rolamentos e descobriram que o desempenho antidesgaste dos rolamentos foi significativamente melhorado e os filmes depositados na superfície podem substituir completamente o função dos aditivos antidesgaste de extrema pressão.Joaquim, Franz et al.na Alemanha usaram a tecnologia PVD para preparar filmes WC/C demonstrando excelentes propriedades antifadiga, superiores às dos lubrificantes contendo aditivos EP, um resultado que também oferece a possibilidade de substituir aditivos nocivos por revestimentos.E. Lugscheider et ai.do Institute of Materials Science, Technical University of Aachen, Germany, com financiamento do DFG (German Research Commission), demonstrou um aumento significativo na resistência à fadiga após depositar filmes apropriados em aço 100Cr6 usando a tecnologia PVD.Além disso, a General Motors dos Estados Unidos começou em seu filme de deposição da superfície da engrenagem do carro tipo VolvoS80Turbo para melhorar a resistência à corrosão por fadiga;a famosa empresa Timken lançou o nome ES200 filme de superfície de engrenagem;a marca registrada MAXIT gear coating apareceu na Alemanha;marca registrada Graphit-iC e Dymon-iC, respectivamente Revestimentos de engrenagem com as marcas registradas Graphit-iC e Dymon-iC também estão disponíveis no Reino Unido.

Como peças sobressalentes importantes da transmissão mecânica, as engrenagens desempenham um papel importante na indústria, por isso é de importância prática muito importante estudar a aplicação de materiais cerâmicos nas engrenagens.Atualmente, as cerâmicas de engenharia aplicadas às engrenagens são principalmente as seguintes.

1、Camada de revestimento de TiN
1、TiN

A camada cerâmica TiN de revestimento iônico é um dos revestimentos modificados de superfície mais amplamente utilizados com alta dureza, alta resistência de adesão, baixo coeficiente de fricção, boa resistência à corrosão, etc. Tem sido amplamente utilizado em vários campos, especialmente na indústria de ferramentas e moldes.A principal razão que afeta a aplicação do revestimento cerâmico nas engrenagens é o problema de ligação entre o revestimento cerâmico e o substrato.Como as condições de trabalho e os fatores de influência das engrenagens são muito mais complicados do que os das ferramentas e moldes, a aplicação de um único revestimento de TiN no tratamento da superfície da engrenagem é bastante restrita.Embora o revestimento cerâmico tenha as vantagens de alta dureza, baixo coeficiente de atrito e resistência à corrosão, é frágil e difícil de obter um revestimento mais espesso, por isso precisa de um substrato de alta dureza e alta resistência para suportar o revestimento a fim de reproduzir suas características.Portanto, o revestimento cerâmico é usado principalmente para superfície de metal duro e aço rápido.O material da engrenagem é macio em comparação com o material cerâmico, e a diferença entre a natureza do substrato e o revestimento é grande; portanto, a combinação do revestimento e do substrato é ruim e o revestimento não é suficiente para suportar o revestimento, tornando o revestimento fácil de cair no processo de uso, não só não pode jogar as vantagens do revestimento cerâmico, mas as partículas de revestimento cerâmico que caem causarão desgaste abrasivo na engrenagem, acelerando a perda de desgaste da engrenagem.A solução atual é usar a tecnologia de tratamento de superfície composta para melhorar a ligação entre a cerâmica e o substrato.A tecnologia de tratamento de superfície composta refere-se à combinação de revestimento de deposição de vapor físico e outros processos ou revestimentos de tratamento de superfície, usando duas superfícies/subsuperfícies separadas para modificar a superfície do material do substrato para obter propriedades mecânicas compostas que não podem ser alcançadas por um único processo de tratamento de superfície .O revestimento composto de TiN depositado por nitretação iônica e PVD é um dos revestimentos compostos mais pesquisados.O substrato de nitretação a plasma e o revestimento composto de cerâmica TiN têm uma ligação forte e a resistência ao desgaste é significativamente melhorada.

A espessura ideal da camada de filme de TiN com excelente resistência ao desgaste e ligação à base do filme é de cerca de 3~4μm.Se a espessura da camada de filme for inferior a 2μm, a resistência ao desgaste não será melhorada significativamente.Se a espessura da camada de filme for superior a 5 μm, a ligação da base do filme será diminuída.

2、Revestimento TiN multicamadas e multicomponentes

Com a aplicação gradual e generalizada de revestimentos de TiN, há cada vez mais pesquisas sobre como melhorar e aprimorar os revestimentos de TiN.Nos últimos anos, revestimentos multicomponentes e revestimentos multicamadas foram desenvolvidos com base em revestimentos binários de TiN, como Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3, etc. Ao adicionar elementos como Al e Si a revestimentos de TiN, a resistência à oxidação em alta temperatura e dureza dos revestimentos pode ser melhorada, enquanto a adição de elementos como B pode melhorar a dureza e a força de adesão dos revestimentos.

Devido à complexidade da composição multicomponente, existem muitas controvérsias neste estudo.No estudo de revestimentos multicomponentes (Tix,Cr1-x)N, há uma grande controvérsia nos resultados da pesquisa.Algumas pessoas acreditam que os revestimentos (Tix,Cr1-x)N são baseados em TiN, e o Cr só pode existir na forma de solução sólida de substituição na matriz de pontos TiN, mas não como uma fase CrN separada.Outros estudos mostram que o número de átomos de Cr substituindo diretamente os átomos de Ti em revestimentos (Tix,Cr1-x)N é limitado, e o Cr restante existe no estado singleto ou forma compostos com N. Os resultados experimentais mostram que a adição de Cr ao revestimento reduz o tamanho de partícula da superfície e aumenta a dureza, sendo que a dureza do revestimento atinge seu valor mais alto quando a porcentagem em massa de Cr atinge 3l%, mas a tensão interna do revestimento também atinge seu valor máximo.

3、Outra camada de revestimento

Além dos revestimentos de TiN comumente usados, muitas cerâmicas de engenharia diferentes são usadas para fortalecer a superfície da engrenagem.

(1) Y.Terauchi et ai.do Japão estudou a resistência ao desgaste por atrito de engrenagens cerâmicas de carboneto de titânio ou nitreto de titânio depositadas pelo método de deposição de vapor.As engrenagens foram cementadas e polidas para atingir uma dureza superficial de cerca de HV720 e uma rugosidade superficial de 2,4 μm antes do revestimento, e os revestimentos cerâmicos foram preparados por deposição química de vapor (CVD) para carboneto de titânio e por deposição física de vapor (PVD) para nitreto de titânio, com uma espessura de filme cerâmico de cerca de 2 μm.As propriedades de desgaste por atrito foram investigadas na presença de óleo e atrito seco, respectivamente.Verificou-se que a resistência à abrasão e resistência a arranhões do torno de engrenagem foram substancialmente aumentadas após o revestimento com cerâmica.

(2) O revestimento composto de Ni-P revestido quimicamente e TiN foi preparado pré-revestindo Ni-P como uma camada de transição e depois depositando TiN.O estudo mostra que a dureza superficial deste revestimento composto foi melhorada até certo ponto, e o revestimento é melhor ligado ao substrato e tem melhor resistência ao desgaste.

(3) Filme fino WC/C, B4C
M. Murakawa et al., Departamento de Engenharia Mecânica, Instituto de Tecnologia do Japão, usou a tecnologia PVD para depositar filme fino de WC/C na superfície das engrenagens, e sua vida útil foi três vezes maior que a das engrenagens temperadas e retificadas comuns sob óleo- condições de lubrificação livre.Franz J et ai.usou a tecnologia PVD para depositar filmes finos WC/C e B4C na superfície das engrenagens FEZ-A e FEZ-C, e o experimento mostrou que o revestimento PVD reduziu significativamente o atrito da engrenagem, tornando a engrenagem menos suscetível à colagem ou colagem a quente, e melhorou a capacidade de carga da engrenagem.

(4) Filmes de CrN
Os filmes de CrN são semelhantes aos filmes de TiN, pois têm maior dureza e os filmes de CrN são mais resistentes à oxidação em alta temperatura do que o TiN, têm melhor resistência à corrosão, menor tensão interna do que os filmes de TiN e tenacidade relativamente melhor.Chen Ling et preparou um filme composto TiAlCrN/CrN resistente ao desgaste com excelente ligação baseada em filme na superfície de HSS, e também propôs a teoria de empilhamento de deslocamento de filme multicamada, se a diferença de energia de deslocamento entre duas camadas for grande, o deslocamento ocorre em uma camada será difícil atravessar sua interface para a outra camada, formando assim o empilhamento de discordâncias na interface e fazendo o papel de reforço do material.Zhong Bin et estudaram o efeito do teor de nitrogênio na estrutura de fase e nas propriedades de desgaste por atrito dos filmes de CrNx, e o estudo mostrou que o pico de difração de Cr2N (211) nos filmes enfraqueceu gradualmente e o pico de CrN (220) aumentou gradualmente com o aumento do teor de N2, as partículas grandes na superfície do filme diminuíram gradualmente e a superfície tendeu a ser plana.Quando a aeração de N2 foi de 25 ml/min (a corrente de arco da fonte alvo foi de 75 A, o filme de CrN depositado tem boa qualidade superficial, boa dureza e excelente resistência ao desgaste quando a aeração de N2 é de 25 ml/min (a corrente de arco da fonte alvo é de 75 A, negativo a pressão é 100V).

(5) filme Superhard
O filme Superhard é o filme sólido com dureza superior a 40GPa, excelente resistência ao desgaste, resistência a altas temperaturas e baixo coeficiente de atrito e baixo coeficiente de expansão térmica, principalmente filme de diamante amorfo e filme CN.Os filmes de diamante amorfo têm propriedades amorfas, sem estrutura ordenada de longo alcance e contêm um grande número de ligações tetraédricas CC, por isso também são chamados de filmes de carbono amorfo tetraédricos.Como um tipo de filme de carbono amorfo, o revestimento tipo diamante (DLC) tem muitas propriedades excelentes semelhantes ao diamante, como alta condutividade térmica, alta dureza, alto módulo de elasticidade, baixo coeficiente de expansão térmica, boa estabilidade química, boa resistência ao desgaste e baixo coeficiente de atrito.Foi demonstrado que o revestimento de filmes semelhantes a diamante nas superfícies da engrenagem pode prolongar a vida útil por um fator de 6 e melhorar significativamente a resistência à fadiga.Os filmes CN, também conhecidos como filmes amorfos de carbono-nitrogênio, têm uma estrutura cristalina semelhante à dos compostos covalentes β-Si3N4 e também são conhecidos como β-C3N4.Liu e Cohen et ai.realizou cálculos teóricos rigorosos usando cálculos de banda pseudopotencial a partir do princípio de primeira natureza, confirmou que β-C3N4 tem uma grande energia de ligação, uma estrutura mecânica estável, pelo menos um estado subestável pode existir e seu módulo de elasticidade é comparável ao diamante, com boas propriedades, o que pode efetivamente melhorar a dureza da superfície e resistência ao desgaste do material e reduzir o coeficiente de atrito.

(6) Camada de revestimento resistente ao desgaste de outra liga
Alguns revestimentos resistentes ao desgaste de liga também foram testados para serem aplicados a engrenagens, por exemplo, a deposição de camada de liga Ni-P-Co na superfície do dente de engrenagens de aço 45 # é uma camada de liga para obter organização de grão ultrafino, que pode estender a vida até 1.144 ~ 1.533 vezes.Também foi estudado que a camada de metal Cu e o revestimento de liga Ni-W são aplicados na superfície do dente da engrenagem de ferro fundido da liga Cu-Cr-P para melhorar sua resistência;O revestimento de liga Ni-W e Ni-Co é aplicado na superfície do dente da engrenagem de ferro fundido HT250 para melhorar a resistência ao desgaste em 4 a 6 vezes em comparação com a engrenagem não revestida.