Технология покрытия зубчатых колес

Технология осаждения PVD практикуется в течение многих лет как новая технология модификации поверхности, особенно технология вакуумного ионного покрытия, которая получила большое развитие в последние годы и в настоящее время широко используется для обработки инструментов, пресс-форм, поршневых колец, шестерен и других компонентов. .Зубчатые колеса с покрытием, изготовленные с помощью технологии вакуумного ионного покрытия, могут значительно снизить коэффициент трения, улучшить противоизносные и определенные антикоррозионные свойства и стали центром исследований в области технологии упрочнения поверхности зубчатых колес.

Обычными материалами, используемыми для зубчатых колес, являются в основном кованая сталь, литая сталь, чугун, цветные металлы (медь, алюминий) и пластмассы.Сталь в основном 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Низкоуглеродистая сталь в основном используется в 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Кованая сталь более широко используется в зубчатых колесах из-за ее лучших характеристик, в то время как литая сталь обычно используется для изготовления шестерен диаметром> 400 мм и сложной конструкции.Чугунные шестерни устойчивы к клею и точечной коррозии, но отсутствие ударопрочности и износостойкости, в основном для стабильной работы, мощность не низкая скорость или большой размер и сложная форма, может работать в условиях отсутствия смазки, подходит для открытых передача инфекции.Обычно используемые цветные металлы - это оловянная бронза, алюминиево-железная бронза и литейный алюминиевый сплав, обычно используемые в производстве турбин или шестерен, но свойства скольжения и антифрикционные свойства плохие, только для легких, средних нагрузок и низких скоростей. шестерни.Шестерни из неметаллических материалов в основном используются в некоторых областях с особыми требованиями, такими как безмасляная смазка и высокая надежность.Поле условий, таких как низкий уровень загрязнения, таких как бытовая техника, медицинское оборудование, пищевое оборудование и текстильное оборудование.

Материалы для покрытия зубчатых колес

Конструкционные керамические материалы являются чрезвычайно перспективными материалами, обладающими высокой прочностью и твердостью, особенно отличной жаростойкостью, низкой теплопроводностью и тепловым расширением, высокой износостойкостью и стойкостью к окислению.Большое количество исследований показало, что керамические материалы по своей природе термостойки и имеют низкий износ металлов.Таким образом, использование керамических материалов вместо металлических для износостойких деталей может увеличить срок службы фрикционного переводника, может удовлетворить некоторые из высокотемпературных и износостойких материалов, многофункциональных и других жестких требований.В настоящее время конструкционные керамические материалы используются при изготовлении жаропрочных деталей двигателей, механической трансмиссии в изнашиваемых деталях, химического оборудования в коррозионно-стойких деталях и уплотнительных деталях, что все больше показывает перспективы широкого применения керамических материалов.

Развитые страны, такие как Германия, Япония, США, Великобритания и другие страны, придают большое значение разработке и применению инженерных керамических материалов, вкладывая много денег и рабочей силы в разработку теории обработки и технологии инженерной керамики.Германия запустила программу под названием «SFB442», целью которой является использование технологии PVD для синтеза подходящей пленки на поверхности деталей для замены потенциально вредной смазочной среды для окружающей среды и организма человека.PW Gold и другие компании в Германии использовали финансирование SFB442 для применения технологии PVD для нанесения тонких пленок на поверхность подшипников качения и обнаружили, что противоизносные характеристики подшипников качения значительно улучшились, а пленки, нанесенные на поверхность, могут полностью заменить функция противоизносных присадок экстремального давления.Иоахим, Франц и др.в Германии использовали технологию PVD для получения пленок WC/C, демонстрирующих превосходные свойства против усталости, более высокие, чем у смазочных материалов, содержащих противозадирные добавки, что также дает возможность заменить вредные добавки покрытиями.Э. Лугшайдер и соавт.Института материаловедения Технического университета Аахена, Германия, при финансовой поддержке DFG (Немецкая исследовательская комиссия) продемонстрировали значительное увеличение сопротивления усталости после нанесения соответствующих пленок на сталь 100Cr6 с использованием технологии PVD.Кроме того, General Motors Соединенных Штатов начал в своем VolvoS80Turbo тип пленки осаждения поверхности автомобиля передач для повышения сопротивления усталостной точечной коррозии;известная компания Timken выпустила пленку для поверхностей зубчатых колес под названием ES200;в Германии появилась зарегистрированная торговая марка MAXIT зубчатое покрытие;зарегистрированные товарные знаки Graphit-iC и Dymon-iC соответственно Покрытия для зубчатых передач с зарегистрированными товарными знаками Graphit-iC и Dymon-iC также доступны в Великобритании.

Как важная запасная часть механической трансмиссии, зубчатые колеса играют важную роль в промышленности, поэтому изучение применения керамических материалов в зубчатых колесах имеет очень важное практическое значение.В настоящее время техническая керамика, применяемая для зубчатых колес, в основном следующая.

1, слой покрытия TiN
1, олово

Ионное покрытие Керамический слой TiN является одним из наиболее широко используемых покрытий с модифицированной поверхностью, обладающих высокой твердостью, высокой прочностью сцепления, низким коэффициентом трения, хорошей коррозионной стойкостью и т. д. Он широко используется в различных областях, особенно в производстве инструментов и пресс-форм.Основной причиной, влияющей на нанесение керамического покрытия на зубчатые колеса, является проблема сцепления между керамическим покрытием и подложкой.Поскольку условия работы и влияющие факторы зубчатых колес намного сложнее, чем условия для инструментов и пресс-форм, применение одного покрытия TiN для обработки поверхности зубчатых колес сильно ограничено.Хотя керамическое покрытие обладает такими преимуществами, как высокая твердость, низкий коэффициент трения и коррозионная стойкость, оно является хрупким и трудно получить более толстое покрытие, поэтому ему требуется основа с высокой твердостью и высокой прочностью, чтобы поддерживать покрытие, чтобы воспроизводить его характеристики.Поэтому керамическое покрытие в основном используется для поверхностей из карбида и быстрорежущей стали.Материал шестерни мягкий по сравнению с керамическим материалом, а разница между природой подложки и покрытия велика, поэтому сочетание покрытия и подложки плохое, а покрытия недостаточно для поддержки покрытия, что делает покрытие легко отваливается в процессе использования, не только не может воспользоваться преимуществами керамического покрытия, но и частицы керамического покрытия, которые отпадают, вызывают абразивный износ шестерни, ускоряя износ шестерни.Текущее решение заключается в использовании композитной технологии обработки поверхности для улучшения связи между керамикой и подложкой.Технология обработки композитной поверхности представляет собой комбинацию физического осаждения из паровой фазы и других процессов обработки поверхности или покрытий с использованием двух отдельных поверхностей/подповерхностей для модификации поверхности материала подложки для получения механических свойств композита, которые не могут быть достигнуты с помощью одного процесса обработки поверхности. .Композитное покрытие TiN, нанесенное методом ионного азотирования и PVD, является одним из наиболее изученных композитных покрытий.Подложка с плазменным азотированием и керамическое композитное покрытие TiN имеют прочную связь, а износостойкость значительно повышается.

Оптимальная толщина слоя пленки TiN с превосходной износостойкостью и сцеплением с пленкой составляет около 3–4 мкм.Если толщина слоя пленки меньше 2 мкм, износостойкость значительно не улучшится.Если толщина слоя пленки превышает 5 мкм, сцепление пленки с основанием будет уменьшено.

2、Многослойное многокомпонентное покрытие TiN

С постепенным и широким распространением покрытий TiN появляется все больше и больше исследований по улучшению и усовершенствованию покрытий TiN.В последние годы разработаны многокомпонентные покрытия и многослойные покрытия на основе бинарных покрытий TiN, таких как Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3 и т. д. Путем добавления таких элементов, как Al и Si, в покрытия TiN можно улучшить стойкость к высокотемпературному окислению и твердость покрытий, а добавление таких элементов, как B, может улучшить твердость и адгезионную прочность покрытий.

В связи со сложностью многокомпонентного состава в данном исследовании имеется много противоречий.При изучении многокомпонентных покрытий (Tix,Cr1-x)N имеются большие разногласия в результатах исследований.Некоторые считают, что покрытия (Tix,Cr1-x)N основаны на TiN, а Cr может существовать только в виде замещающего твердого раствора в точечной матрице TiN, но не в виде отдельной фазы CrN.Другие исследования показывают, что количество атомов Cr, непосредственно замещающих атомы Ti в покрытиях (Tix,Cr1-x)N, ограничено, а оставшийся Cr находится в синглетном состоянии или образует соединения с N. Экспериментальные результаты показывают, что добавление Cr к покрытию уменьшает размер поверхностных частиц и увеличивает твердость, причем твердость покрытия достигает наибольшего значения, когда массовая доля Сг достигает 31%, но и внутреннее напряжение покрытия достигает своего максимального значения.

3, другой слой покрытия

В дополнение к обычно используемым покрытиям TiN для упрочнения поверхности зубчатых колес используется множество различных инженерных керамических материалов.

(1)Ю.Тераучи и др.Японии изучали стойкость к фрикционному износу керамических зубчатых колес из карбида титана или нитрида титана, наплавленных методом осаждения из газовой фазы.Зубчатые колеса были науглерожены и отполированы для достижения поверхностной твердости около HV720 и шероховатости поверхности 2,4 мкм перед нанесением покрытия, а керамические покрытия были подготовлены методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) для карбида титана и методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) для карбида титана. нитрид титана с толщиной керамической пленки около 2 мкм.Исследовались фрикционные свойства износа при масляном и сухом трении соответственно.Было обнаружено, что стойкость зубчатых тисков к истиранию и царапанью существенно повышается после покрытия керамикой.

(2) Композитное покрытие Ni-P и TiN с химическим покрытием было приготовлено путем предварительного покрытия Ni-P в качестве переходного слоя с последующим осаждением TiN.Исследование показывает, что поверхностная твердость этого композитного покрытия в определенной степени улучшилась, покрытие лучше сцепляется с подложкой и имеет лучшую износостойкость.

(3) WC/C, тонкая пленка B4C
М. Муракава и др., Департамент машиностроения Японского технологического института, использовали технологию PVD для нанесения тонкой пленки WC/C на поверхность зубчатых колес, и срок ее службы в три раза превышал срок службы обычных закаленных и отшлифованных зубчатых колес в масле. Условия свободной смазки.Франц Дж. и др.использовали технологию PVD для нанесения тонкой пленки WC / C и B4C на поверхность шестерен FEZ-A и FEZ-C, и эксперимент показал, что покрытие PVD значительно уменьшило трение шестерни, сделало шестерню менее восприимчивой к горячему склеиванию или склеиванию, и улучшили несущую способность шестерни.

(4) пленки CrN
Пленки CrN аналогичны пленкам TiN в том, что они имеют более высокую твердость, а пленки CrN более устойчивы к высокотемпературному окислению, чем TiN, имеют лучшую коррозионную стойкость, более низкое внутреннее напряжение, чем пленки TiN, и относительно лучшую ударную вязкость.Chen Ling et подготовили износостойкую композитную пленку TiAlCrN/CrN с превосходным сцеплением на основе пленки на поверхности быстрорежущей стали, а также предложили теорию укладки дислокаций многослойной пленки, если разница энергии дислокации между двумя слоями велика, дислокация происходит в одном слое будет трудно пересечь его границу раздела в другой слой, тем самым образуя стопку дислокаций на границе раздела и играющую роль упрочнения материала.Zhong Bin et al. изучили влияние содержания азота на фазовую структуру и свойства фрикционного износа пленок CrNx, и исследование показало, что дифракционный пик Cr2N (211) в пленках постепенно ослабевает, а пик CrN (220) постепенно усиливается с увеличением содержания N2 крупные частицы на поверхности пленки постепенно уменьшались, и поверхность становилась плоской.Когда аэрация N2 составляла 25 мл/мин (целевой ток дуги в источнике составлял 75 А, осажденная пленка CrN имела хорошее качество поверхности, хорошую твердость и отличную износостойкость, когда аэрация N2 составляла 25 мл/мин (целевой ток дуги в источнике составлял 75 А, отрицательный напряжение 100В).

(5) Сверхтвердая пленка
Сверхтвердая пленка - это твердая пленка с твердостью более 40 ГПа, отличной износостойкостью, высокой термостойкостью, низким коэффициентом трения и низким коэффициентом теплового расширения, в основном аморфная алмазная пленка и пленка CN.Пленки аморфного алмаза обладают аморфными свойствами, не имеют дальнеупорядоченной структуры и содержат большое количество тетраэдрических СС-связей, поэтому их также называют пленками тетраэдрического аморфного углерода.Будучи разновидностью аморфной углеродной пленки, алмазоподобное покрытие (DLC) обладает многими превосходными свойствами, подобными алмазу, такими как высокая теплопроводность, высокая твердость, высокий модуль упругости, низкий коэффициент теплового расширения, хорошая химическая стабильность, хорошая износостойкость и низкий коэффициент трения.Показано, что нанесение алмазоподобных пленок на поверхности зубчатых колес позволяет увеличить срок службы в 6 раз и значительно повысить сопротивление усталости.Пленки CN, также известные как аморфные углеродно-азотные пленки, имеют кристаллическую структуру, аналогичную кристаллической структуре ковалентных соединений β-Si3N4, и также известны как β-C3N4.Лю и Коэн и др.выполнил строгие теоретические расчеты с использованием псевдопотенциальных зонных расчетов из принципа первой природы, подтвердил, что β-C3N4 имеет большую энергию связи, стабильную механическую структуру, может существовать по крайней мере одно субстабильное состояние, а его модуль упругости сравним с алмазом, с хорошими свойствами, которые могут эффективно улучшить твердость поверхности и износостойкость материала и снизить коэффициент трения.

(6) Износостойкий слой покрытия из другого сплава
Некоторые износостойкие покрытия из сплава также пытались наносить на шестерни, например, нанесение слоя сплава Ni-P-Co на поверхность зубьев шестерен из стали 45 # представляет собой слой сплава для получения сверхмелкой организации зерна. что может продлить срок службы до 1,144 ~ 1,533 раза.Также было изучено, что слой металлического меди и покрытие из сплава Ni-W наносятся на поверхность зуба шестерни из чугуна из сплава Cu-Cr-P для повышения ее прочности;Покрытие из сплава Ni-W и Ni-Co наносится на поверхность зуба шестерни из чугуна HT250 для повышения износостойкости в 4-6 раз по сравнению с шестерней без покрытия.