Tehnologia de acoperire a angrenajului

Tehnologia de depunere PVD a fost practicată de mulți ani ca o nouă tehnologie de modificare a suprafeței, în special tehnologia de acoperire cu ioni de vid, care a câștigat o mare dezvoltare în ultimii ani și este acum utilizată pe scară largă în tratarea uneltelor, matrițelor, segmentelor pistonului, angrenajelor și altor componente. .Roțile dințate acoperite pregătite prin tehnologia de acoperire cu ioni de vid pot reduce semnificativ coeficientul de frecare, pot îmbunătăți anti-uzura și anumite anti-coroziune și au devenit punctul central și punctul fierbinte al cercetării în domeniul tehnologiei de întărire a suprafeței angrenajului.

Materialele comune utilizate pentru angrenaje sunt în principal oțel forjat, oțel turnat, fontă, metale neferoase (cupru, aluminiu) și materiale plastice.Oțelul este în principal oțel 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Oțel cu conținut scăzut de carbon folosit în principal în 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Oțelul forjat este utilizat mai pe scară largă în angrenaje datorită performanței sale mai bune, în timp ce oțelul turnat este de obicei utilizat pentru fabricarea angrenajelor cu diametru > 400 mm și cu structură complexă.Angrenaje din fontă anti-lipici și rezistență la pitting, dar lipsa rezistenței la impact și la uzură, în principal pentru lucru stabil, puterea nu este de viteză mică sau dimensiune mare și formă complexă, poate funcționa în condițiile lipsei de lubrifiere, potrivite pentru deschidere transmitere.Metalele neferoase utilizate în mod obișnuit sunt bronzul de staniu, bronzul aluminiu-fier și aliajul de aluminiu turnat, utilizate în mod obișnuit la fabricarea turbinelor sau angrenajelor, dar proprietățile de alunecare și anti-fricțiune sunt slabe, numai pentru încărcare ușoară, medie și viteză mică. angrenaje.Angrenajele din materiale nemetalice sunt utilizate în principal în unele domenii cu cerințe speciale, cum ar fi lubrifierea fără ulei și fiabilitatea ridicată.Domeniul de condiții precum poluarea scăzută, cum ar fi aparatele de uz casnic, echipamentele medicale, mașinile alimentare și mașinile textile.

Materiale de acoperire a angrenajului

Materialele ceramice de inginerie sunt materiale extrem de promițătoare, cu rezistență și duritate ridicate, în special rezistență la căldură excelentă, conductivitate termică scăzută și dilatare termică, rezistență ridicată la uzură și rezistență la oxidare.Un număr mare de studii au arătat că materialele ceramice sunt în mod inerent rezistente la căldură și au o uzură redusă a metalelor.Prin urmare, utilizarea materialelor ceramice în loc de materiale metalice pentru piesele rezistente la uzură poate îmbunătăți durata de viață a subfricțiunii, poate îndeplini unele dintre materialele la temperaturi ridicate și rezistente la uzură, multifuncționale și alte cerințe severe.În prezent, materialele ceramice de inginerie au fost utilizate la fabricarea pieselor rezistente la căldură ale motorului, transmisia mecanică în piesele de uzură, echipamentele chimice în părțile rezistente la coroziune și piesele de etanșare, arată din ce în ce mai mult aplicarea largă a perspectivelor materialelor ceramice.

Țările dezvoltate precum Germania, Japonia, Statele Unite ale Americii, Regatul Unit și alte țări acordă o mare importanță dezvoltării și aplicării materialelor ceramice de inginerie, investind o mulțime de bani și forță de muncă pentru a dezvolta teoria și tehnologia de prelucrare a ceramicii de inginerie.Germania a lansat un program numit „SFB442”, al cărui scop este de a utiliza tehnologia PVD pentru a sintetiza o peliculă adecvată pe suprafața pieselor pentru a înlocui mediul lubrifiant potențial dăunător pentru mediu și corpul uman.PW Gold și alții din Germania au folosit finanțarea de la SFB442 pentru a aplica tehnologia PVD pentru a depune pelicule subțiri pe suprafața rulmenților și au descoperit că performanța anti-uzură a rulmenților a fost îmbunătățită semnificativ, iar filmele depuse pe suprafață ar putea înlocui complet funcția aditivilor anti-uzură la presiune extremă.Joachim, Franz şi colab.în Germania a folosit tehnologia PVD pentru a prepara pelicule WC/C care demonstrează proprietăți anti-oboseală excelente, mai mari decât cele ale lubrifianților care conțin aditivi EP, rezultat care dă în mod similar posibilitatea de a înlocui aditivii nocivi cu acoperiri.E. Lugscheider şi colab.de la Institutul de Știința Materialelor, Universitatea Tehnică din Aachen, Germania, cu finanțare de la DFG (Comisia Germană de Cercetare), a demonstrat o creștere semnificativă a rezistenței la oboseală după depunerea foliilor adecvate pe oțel 100Cr6 folosind tehnologia PVD.În plus, General Motors din Statele Unite ale Americii a început în filmul său de depunere a suprafeței angrenajului auto de tip VolvoS80Turbo pentru a îmbunătăți rezistența la oboseală;celebra companie Timken a lansat denumirea de film pentru suprafața angrenajului ES200;marca înregistrată MAXIT acoperirea angrenajului a apărut în Germania;marcă înregistrată Graphit-iC și Dymon-iC, respectiv, acoperirile Gear cu mărcile înregistrate Graphit-iC și Dymon-iC sunt de asemenea disponibile în Marea Britanie.

Ca piese de schimb importante ale transmisiei mecanice, angrenajele joacă un rol important în industrie, de aceea este de o importanță practică foarte importantă studierea aplicării materialelor ceramice pe roți dințate.În prezent, ceramica inginerească aplicată angrenajelor sunt în principal următoarele.

1, strat de acoperire TiN
1, TiN

Stratul ceramic TiN de acoperire cu ioni este unul dintre cele mai utilizate acoperiri modificate de suprafață, cu duritate ridicată, rezistență mare de aderență, coeficient de frecare scăzut, rezistență bună la coroziune etc. A fost utilizat pe scară largă în diverse domenii, în special în industria sculelor și matriței.Principalul motiv care afectează aplicarea acoperirii ceramice pe roți dințate este problema de legătură dintre acoperirea ceramică și substrat.Deoarece condițiile de lucru și factorii de influență ai angrenajelor sunt mult mai complicate decât cele ale sculelor și matrițelor, aplicarea unui singur strat de TiN pe tratarea suprafeței angrenajului este foarte limitată.Deși acoperirea ceramică are avantajele durității ridicate, coeficientului scăzut de frecare și rezistenței la coroziune, este fragilă și dificil de obținut o acoperire mai groasă, așa că are nevoie de un substrat de duritate mare și rezistență ridicată pentru a susține acoperirea pentru a-și juca caracteristicile.Prin urmare, acoperirea ceramică este utilizată mai ales pentru suprafața din carbură și oțel de mare viteză.Materialul angrenajului este moale în comparație cu materialul ceramic, iar diferența dintre natura substratului și stratul este mare, astfel încât combinația dintre acoperire și substrat este slabă, iar acoperirea nu este suficientă pentru a susține acoperirea, făcând Acoperirea ușor de desprins în procesul de utilizare, nu numai că nu poate juca avantajele acoperirii ceramice, dar particulele de acoperire ceramică care se desprind vor cauza uzură abrazivă a angrenajului, accelerând pierderea prin uzură a angrenajului.Soluția actuală este utilizarea tehnologiei de tratare a suprafețelor compozite pentru a îmbunătăți legătura dintre ceramică și substrat.Tehnologia de tratare a suprafețelor compozite se referă la combinația de acoperire fizică prin depunere de vapori și alte procese de tratare a suprafeței sau acoperiri, folosind două suprafețe/subsuprafețe separate pentru a modifica suprafața materialului substratului pentru a obține proprietăți mecanice compozite care nu pot fi atinse printr-un singur proces de tratare a suprafeței. .Acoperirea compozită TiN depusă prin nitrurare ionică și PVD este una dintre cele mai cercetate acoperiri compozite.Substratul de nitrurare cu plasmă și stratul compozit ceramic TiN au o legătură puternică și rezistența la uzură este îmbunătățită semnificativ.

Grosimea optimă a stratului de film TiN cu rezistență excelentă la uzură și lipire pe bază de film este de aproximativ 3 ~ 4μm.Dacă grosimea stratului de film este mai mică de 2μm, rezistența la uzură nu va fi îmbunătățită semnificativ.Dacă grosimea stratului de film este mai mare de 5μm, lipirea bazei filmului va fi scăzută.

2, acoperire TiN cu mai multe straturi, mai multe componente

Odată cu aplicarea treptată și pe scară largă a acoperirilor de TiN, există din ce în ce mai multe cercetări cu privire la modul de îmbunătățire și îmbunătățire a acoperirilor de TiN.În ultimii ani, acoperirile multicomponente și acoperirile multistrat au fost dezvoltate pe baza acoperirilor binare TiN, cum ar fi Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3, etc. Prin adăugarea de elemente precum Al și Si la acoperirile TiN, rezistența la oxidarea la temperatură înaltă și duritatea acoperirilor pot fi îmbunătățite, în timp ce adăugarea de elemente precum B poate îmbunătăți duritatea și rezistența de aderență a acoperirilor.

Datorită complexității compoziției multicomponente, există multe controverse în acest studiu.În studiul acoperirilor multicomponente (Tix,Cr1-x)N, există o mare controversă în rezultatele cercetării.Unii oameni cred că acoperirile (Tix,Cr1-x)N se bazează pe TiN, iar Cr poate exista doar sub formă de soluție solidă de înlocuire în matricea de puncte TiN, dar nu ca o fază separată de CrN.Alte studii arată că numărul de atomi de Cr care înlocuiesc direct atomii de Ti în acoperirile (Tix,Cr1-x)N este limitat, iar restul de Cr există în stare singlet sau formează compuși cu N. Rezultatele experimentale arată că adăugarea de Cr la acoperire reduce dimensiunea particulelor de suprafață și crește duritatea, iar duritatea acoperirii atinge cea mai mare valoare atunci când procentul de masă al Cr ajunge la 3l%, dar tensiunea internă a acoperirii atinge și valoarea maximă.

3, alt strat de acoperire

În plus față de acoperirile TiN utilizate în mod obișnuit, pentru întărirea suprafeței angrenajului sunt folosite multe ceramice de inginerie diferite.

(1)Y.Terauchi și colab.din Japonia a studiat rezistența la uzura prin frecare a angrenajelor ceramice cu carbură de titan sau nitrură de titan depuse prin metoda depunerii la vapori.Angrenajele au fost carburate și lustruite pentru a obține o duritate a suprafeței de aproximativ HV720 și o rugozitate a suprafeței de 2,4 μm înainte de acoperire, iar acoperirile ceramice au fost preparate prin depunere chimică în vapori (CVD) pentru carbură de titan și prin depunere fizică în vapori (PVD) pentru nitrură de titan, cu o grosime a peliculei ceramice de aproximativ 2 μm.Proprietățile de uzură prin frecare au fost investigate în prezența uleiului și, respectiv, a frecării uscate.Sa constatat că rezistența la uzură și rezistența la zgârieturi a menghinei angrenajului au fost substanțial îmbunătățite după acoperirea cu ceramică.

(2) Acoperirea compozită de Ni-P și TiN acoperite chimic a fost preparată prin pre-acoperire cu Ni-P ca strat de tranziție și apoi prin depunerea TiN.Studiul arată că duritatea suprafeței acestei acoperiri compozite a fost îmbunătățită într-o anumită măsură, iar stratul este mai bine lipit de substrat și are o rezistență mai bună la uzură.

(3) WC/C, peliculă subțire B4C
M. Murakawa și colab., Departamentul de Inginerie Mecanică, Institutul de Tehnologie din Japonia, au folosit tehnologia PVD pentru a depune peliculă subțire WC/C pe suprafața angrenajelor, iar durata sa de viață a fost de trei ori mai mare decât a angrenajelor obișnuite stinse și șlefuite sub ulei. condiţii de lubrifiere liberă.Franz J şi colab.a folosit tehnologia PVD pentru a depune peliculă subțire WC/C și B4C pe suprafața angrenajelor FEZ-A și FEZ-C, iar experimentul a arătat că acoperirea PVD a redus semnificativ frecarea angrenajului, a făcut ca angrenajul să fie mai puțin susceptibil la lipire sau lipire la cald, și a îmbunătățit capacitatea portantă a angrenajului.

(4) Filme CrN
Filmele CrN sunt similare cu filmele TiN prin faptul că au o duritate mai mare, iar filmele CrN sunt mai rezistente la oxidarea la temperaturi înalte decât TiN, au o rezistență mai bună la coroziune, un stres intern mai mic decât filmele TiN și o tenacitate relativ mai bună.Chen Ling și a pregătit un film compozit TiAlCrN/CrN rezistent la uzură, cu o lipire excelentă pe bază de film pe suprafața HSS și, de asemenea, a propus teoria stivuirii prin dislocare a filmului multistrat, dacă diferența de energie de dislocare dintre două straturi este mare, dislocarea apare. într-un strat va fi dificil să traverseze interfața sa în celălalt strat, formând astfel dislocarea stivuire la interfață și jucând rolul de întărire a materialului.Zhong Bin et au studiat efectul conținutului de azot asupra structurii fazei și proprietăților de uzură prin frecare ale filmelor CrNx, iar studiul a arătat că vârful de difracție Cr2N (211) din filme a slăbit treptat, iar vârful CrN (220) a crescut treptat odată cu creșterea. de conținut de N2, particulele mari de pe suprafața filmului au scăzut treptat, iar suprafața tinde să fie plană.Când aerarea N2 a fost de 25 ml/min (curentul arcului sursă țintă a fost de 75 A, filmul de CrN depus are o calitate bună a suprafeței, duritate bună și rezistență excelentă la uzură atunci când aerarea N2 este de 25 ml/min (curent arcul sursă țintă este de 75 A, negativ). presiunea este de 100 V).

(5) Film superhard
Filmul superhard este filmul solid cu duritate mai mare de 40GPa, rezistență excelentă la uzură, rezistență la temperatură ridicată și coeficient scăzut de frecare și coeficient scăzut de dilatare termică, în principal film de diamant amorf și film CN.Filmele de diamant amorf au proprietăți amorfe, nu au o structură ordonată pe distanță lungă și conțin un număr mare de legături tetraedrice CC, așa că sunt numite și filme de carbon amorf tetraedrice.Ca un fel de film de carbon amorf, acoperirea asemănătoare diamantului (DLC) are multe proprietăți excelente similare cu diamantul, cum ar fi conductivitate termică ridicată, duritate ridicată, modul elastic ridicat, coeficient scăzut de dilatare termică, stabilitate chimică bună, rezistență bună la uzură și coeficient de frecare scăzut.S-a demonstrat că acoperirea foliilor de tip diamant pe suprafețele angrenajului poate prelungi durata de viață cu un factor de 6 și poate îmbunătăți semnificativ rezistența la oboseală.Filmele CN, cunoscute și ca filme amorfe de carbon-azot, au o structură cristalină similară cu cea a compușilor covalenti β-Si3N4 și sunt cunoscute și ca β-C3N4.Liu și Cohen și colab.a efectuat calcule teoretice riguroase folosind calcule de bandă pseudopotențială din principiul primei naturi, a confirmat că β-C3N4 are o energie de legare mare, o structură mecanică stabilă, poate exista cel puțin o stare substabilă și modulul său elastic este comparabil cu diamantul, cu proprietăți bune, care pot îmbunătăți în mod eficient duritatea suprafeței și rezistența la uzură a materialului și pot reduce coeficientul de frecare.

(6) Alt strat de acoperire din aliaj rezistent la uzură
Unele acoperiri rezistente la uzură din aliaj au fost, de asemenea, încercate să fie aplicate angrenajelor, de exemplu, depunerea stratului de aliaj Ni-P-Co pe suprafața dintelui a angrenajelor din oțel 45# este un strat de aliaj pentru a obține o organizare a granulației ultrafine, care poate prelungi durata de viață de până la 1.144~1.533 ori.De asemenea, sa studiat că stratul metalic de Cu și stratul de aliaj de Ni-W sunt aplicate pe suprafața dinților angrenajului din fontă din aliaj Cu-Cr-P pentru a-și îmbunătăți rezistența;Acoperirea din aliaj Ni-W și Ni-Co sunt aplicate pe suprafața dinților angrenajului din fontă HT250 pentru a îmbunătăți rezistența la uzură de 4-6 ori în comparație cu angrenajul neacoperit.