Technológia PVD depozície sa používa už mnoho rokov ako nová technológia povrchovej úpravy, najmä technológia vákuového iónového pokovovania, ktorá v posledných rokoch zaznamenala veľký rozvoj a teraz je široko používaná pri spracovaní nástrojov, foriem, piestnych krúžkov, ozubených kolies a iných komponentov. .Potiahnuté ozubené kolesá pripravené technológiou vákuového iónového poťahovania môžu výrazne znížiť koeficient trenia, zlepšiť odolnosť proti opotrebeniu a určitú antikoróznu ochranu a stali sa stredobodom a horúcim miestom výskumu v oblasti technológie spevnenia povrchu ozubených kolies.
Bežné materiály používané na ozubenie sú najmä kovaná oceľ, oceľoliatina, liatina, neželezné kovy (meď, hliník) a plasty.Oceľ je hlavne oceľ 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Nízkouhlíková oceľ používaná hlavne v 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Kovaná oceľ sa častejšie používa v ozubených kolesách kvôli jej lepšiemu výkonu, zatiaľ čo liata oceľ sa zvyčajne používa na výrobu ozubených kolies s priemerom > 400 mm a zložitou štruktúrou.Liatinové ozubené kolesá sú odolné voči lepeniu a jamkovej korózii, ale nedostatočná odolnosť proti nárazu a opotrebovaniu, hlavne pre stabilnú prácu, výkon nie je nízka rýchlosť alebo veľká veľkosť a zložitý tvar, môžu pracovať pod podmienkou nedostatku mazania, vhodné na otvorené prenos.Bežne používanými neželeznými kovmi je cínový bronz, hliník-železný bronz a zliatina hliníka na odlievanie, bežne používané pri výrobe turbín alebo ozubených kolies, ale klzné a antifrikčné vlastnosti sú zlé, len pre ľahké, stredné zaťaženie a nízke otáčky ozubené kolesá.Ozubené kolesá z nekovových materiálov sa používajú hlavne v niektorých oblastiach so špeciálnymi požiadavkami, ako je bezolejové mazanie a vysoká spoľahlivosť.Oblasť podmienok, ako je nízke znečistenie, ako sú domáce spotrebiče, lekárske vybavenie, potravinárske stroje a textilné stroje.
Materiály na poťahovanie ozubených kolies
Inžinierske keramické materiály sú mimoriadne perspektívne materiály s vysokou pevnosťou a tvrdosťou, predovšetkým vynikajúcou tepelnou odolnosťou, nízkou tepelnou vodivosťou a tepelnou rozťažnosťou, vysokou odolnosťou proti opotrebeniu a odolnosťou proti oxidácii.Veľký počet štúdií ukázal, že keramické materiály sú prirodzene odolné voči teplu a majú nízke opotrebovanie kovov.Preto použitie keramických materiálov namiesto kovových materiálov pre diely odolné voči opotrebeniu môže zlepšiť životnosť trecej podložky, môže spĺňať niektoré z materiálov odolných voči vysokej teplote a opotrebeniu, multifunkčné a iné náročné požiadavky.V súčasnosti sa inžinierske keramické materiály používajú pri výrobe žiaruvzdorných častí motora, mechanického prenosu v opotrebiteľných častiach, chemických zariadení v častiach odolných voči korózii a tesniacich častiach, čoraz viac ukazujú vyhliadky na široké uplatnenie keramických materiálov.
Vyspelé krajiny ako Nemecko, Japonsko, Spojené štáty americké, Spojené kráľovstvo a ďalšie krajiny pripisujú veľký význam vývoju a aplikácii technických keramických materiálov, investujúc veľa peňazí a pracovnej sily do rozvoja teórie a technológie spracovania technickej keramiky.Nemecko spustilo program s názvom „SFB442“, ktorého účelom je použiť technológiu PVD na syntézu vhodného filmu na povrchu dielov, ktorý nahradí potenciálne škodlivé mazacie médium pre životné prostredie a ľudské telo.PW Gold a iní v Nemecku použili financie z SFB442 na aplikáciu technológie PVD na nanášanie tenkých vrstiev na povrch valivých ložísk a zistili, že odolnosť valivých ložísk proti opotrebeniu sa výrazne zlepšila a filmy nanesené na povrchu by mohli úplne nahradiť funkcia extrémne tlakových prísad proti opotrebeniu.Joachim, Franz a kol.v Nemecku použili technológiu PVD na prípravu fólií WC/C, ktoré vykazujú vynikajúce protiúnavové vlastnosti, vyššie ako vlastnosti mazív obsahujúcich EP prísady, výsledkom čoho je podobne možnosť nahradiť škodlivé prísady nátermi.E. Lugscheider a kol.z Inštitútu materiálových vied, Technická univerzita v Aachene, Nemecko, s financovaním DFG (Nemecká komisia pre výskum), preukázala významné zvýšenie odolnosti proti únave po nanesení vhodných vrstiev na oceľ 100Cr6 pomocou technológie PVD.Okrem toho spoločnosť United States General Motors začala s nanášaním filmu na povrch prevodovky typu VolvoS80Turbo na zlepšenie odolnosti proti únave;slávna spoločnosť Timken uviedla na trh názov ES200 prevodový povrchový film;registrovaná ochranná známka MAXIT gear coating sa objavila v Nemecku;registrovaná ochranná známka Graphit-iC a Dymon-iC, respektíve Povlaky ozubených kolies s registrovanými ochrannými známkami Graphit-iC a Dymon-iC sú dostupné aj vo Veľkej Británii.
Ozubené kolesá ako dôležité náhradné diely mechanickej prevodovky zohrávajú v priemysle dôležitú úlohu, preto má veľmi dôležitý praktický význam študovať aplikáciu keramických materiálov na ozubené kolesá.V súčasnosti sa na ozubené kolesá používa najmä technická keramika.
1, TiN povlaková vrstva
1, TiN
Iónový povlak TiN keramická vrstva je jedným z najpoužívanejších povrchovo modifikovaných povlakov s vysokou tvrdosťou, vysokou adhéznou pevnosťou, nízkym koeficientom trenia, dobrou odolnosťou proti korózii atď. Široko sa používa v rôznych oblastiach, najmä v priemysle nástrojov a foriem.Hlavným dôvodom, ktorý ovplyvňuje aplikáciu keramického povlaku na ozubené kolesá, je problém spojenia medzi keramickým povlakom a substrátom.Pretože pracovné podmienky a ovplyvňujúce faktory ozubených kolies sú oveľa komplikovanejšie ako pri nástrojoch a formách, je aplikácia jediného povlaku TiN na povrchovú úpravu ozubených kolies značne obmedzená.Hoci keramický povlak má výhody vysokej tvrdosti, nízkeho koeficientu trenia a odolnosti proti korózii, je krehký a ťažko sa získava hrubší povlak, takže na podporu povlaku potrebuje substrát s vysokou tvrdosťou a vysokou pevnosťou, aby mohol hrať svoje vlastnosti.Keramický povlak sa preto väčšinou používa na povrchy z karbidu a rýchloreznej ocele.Materiál ozubeného kolesa je mäkký v porovnaní s keramickým materiálom a rozdiel medzi povahou substrátu a povlaku je veľký, takže kombinácia povlaku a substrátu je zlá a povlak nestačí na to, aby podporil povlak, takže povlak ľahko odpadáva v procese používania, nielenže nemôže hrať výhody keramického povlaku, ale častice keramického povlaku, ktoré odpadávajú, spôsobia abrazívne opotrebovanie ozubeného kolesa, čím urýchlia stratu opotrebovania ozubeného kolesa.Súčasným riešením je použitie technológie povrchovej úpravy kompozitov na zlepšenie väzby medzi keramikou a substrátom.Technológia kompozitnej povrchovej úpravy sa vzťahuje na kombináciu fyzikálneho naparovania povlaku a iných procesov alebo povlakov povrchovej úpravy, pričom sa používajú dva samostatné povrchy/podpovrchy na úpravu povrchu podkladového materiálu, aby sa získali kompozitné mechanické vlastnosti, ktoré nemožno dosiahnuť jediným procesom povrchovej úpravy .Kompozitný povlak TiN nanesený iónovou nitridáciou a PVD je jedným z najviac skúmaných kompozitných povlakov.Plazmový nitridačný substrát a keramický kompozitný povlak TiN majú silnú väzbu a výrazne sa zlepšila odolnosť proti opotrebeniu.
Optimálna hrúbka vrstvy filmu TiN s vynikajúcou odolnosťou proti opotrebovaniu a lepením základne filmu je asi 3 ~ 4 μm.Ak je hrúbka vrstvy filmu menšia ako 2 μm, odolnosť proti opotrebeniu sa výrazne nezlepší.Ak je hrúbka vrstvy filmu väčšia ako 5 μm, spojenie so základom filmu sa zníži.
2、Viacvrstvový, viaczložkový povlak TiN
S postupnou a rozšírenou aplikáciou povlakov TiN sa objavuje stále viac výskumov, ako povlaky TiN vylepšiť a zdokonaliť.V posledných rokoch boli vyvinuté viaczložkové povlaky a viacvrstvové povlaky na báze binárnych povlakov TiN, ako sú Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3 atď. Pridaním prvkov, ako sú Al a Si do povlakov TiN, je možné zlepšiť odolnosť proti oxidácii pri vysokej teplote a tvrdosť povlakov, zatiaľ čo pridaním prvkov ako B možno zlepšiť tvrdosť a priľnavosť povlakov.
Vzhľadom na zložitosť viaczložkového zloženia je v tejto štúdii veľa kontroverzií.Pri štúdiu viaczložkových povlakov (Tix,Cr1-x)N je vo výsledkoch výskumu veľká kontroverzia.Niektorí ľudia veria, že povlaky (Tix,Cr1-x)N sú založené na TiN a Cr môže existovať iba vo forme náhradného tuhého roztoku v bodovej matrici TiN, ale nie ako samostatná fáza CrN.Iné štúdie ukazujú, že počet atómov Cr priamo nahradzujúcich atómy Ti v povlakoch (Tix,Cr1-x)N je obmedzený a zostávajúci Cr existuje v singletovom stave alebo tvorí zlúčeniny s N. Experimentálne výsledky ukazujú, že pridanie Cr k povlaku znižuje veľkosť povrchových častíc a zvyšuje tvrdosť a tvrdosť povlaku dosahuje najvyššiu hodnotu, keď hmotnostné percento Cr dosiahne 3 l%, ale aj vnútorné napätie povlaku dosahuje svoju maximálnu hodnotu.
3、 Ďalšia vrstva náteru
Okrem bežne používaných povlakov TiN sa na spevnenie povrchu ozubených kolies používa mnoho rôznych technických keramických materiálov.
(1)Y.Terauchi a kol.of Japan študovali odolnosť voči opotrebovaniu trením keramických ozubených kolies z karbidu titánu alebo nitridu titánu nanesených metódou naparovania.Ozubené kolesá boli nauhličované a leštené, aby sa dosiahla povrchová tvrdosť približne HV720 a drsnosť povrchu 2,4 μm pred nanesením povlaku, a keramické povlaky boli pripravené chemickým nanášaním pár (CVD) pre karbid titánu a fyzikálnym nanášaním pár (PVD) pre nitrid titánu, s hrúbkou keramického filmu asi 2 μm.Vlastnosti trecieho opotrebenia sa skúmali v prítomnosti oleja a suchého trenia.Zistilo sa, že odolnosť proti zadretiu a poškriabaniu zveráka ozubeného kolesa sa podstatne zvýšila po potiahnutí keramikou.
(2) Kompozitný povlak chemicky potiahnutých Ni-P a TiN sa pripravil predbežným potiahnutím Ni-P ako prechodovej vrstvy a následným nanesením TiN.Štúdia ukazuje, že povrchová tvrdosť tohto kompozitného povlaku sa do určitej miery zlepšila a povlak je lepšie spojený so substrátom a má lepšiu odolnosť proti opotrebeniu.
(3) WC/C, B4C tenký film
M. Murakawa et al., Department of Mechanical Engineering, Japan Institute of Technology, použili technológiu PVD na nanesenie tenkého filmu WC/C na povrch ozubených kolies a jeho životnosť bola trojnásobná v porovnaní s bežnými kalenými a brúsenými ozubenými kolesami pod olejom. podmienky voľného mazania.Franz J a kol.použila technológiu PVD na nanesenie tenkého filmu WC/C a B4C na povrch ozubených kolies FEZ-A a FEZ-C a experiment ukázal, že PVD povlak výrazne znížil trenie ozubeného kolesa, ozubenie bolo menej náchylné na lepenie alebo lepenie za tepla, a zlepšila nosnosť ozubeného kolesa.
(4) CrN filmy
CrN filmy sú podobné TiN filmom v tom, že majú vyššiu tvrdosť a CrN filmy sú odolnejšie voči oxidácii pri vysokej teplote ako TiN, majú lepšiu odolnosť proti korózii, nižšie vnútorné napätie ako TiN filmy a relatívne lepšiu húževnatosť.Chen Ling et pripravili kompozitný film TiAlCrN/CrN odolný voči opotrebovaniu s vynikajúcou väzbou na báze filmu na povrchu HSS a tiež navrhli teóriu vrstvenia dislokácií viacvrstvového filmu, ak je rozdiel dislokačnej energie medzi dvoma vrstvami veľký, dochádza k dislokácii. v jednej vrstve bude ťažké prejsť jej rozhraním do druhej vrstvy, čím sa vytvorí dislokácia naskladaním na rozhraní a bude hrať úlohu spevnenia materiálu.Zhong Bin et študovali vplyv obsahu dusíka na fázovú štruktúru a vlastnosti trecieho opotrebenia CrNx filmov a štúdia ukázala, že difrakčný pík Cr2N (211) vo filmoch postupne zoslaboval a pík CrN (220) sa postupne zvyšoval so zvyšovaním. obsahu N2, veľké častice na povrchu filmu postupne klesali a povrch mal tendenciu byť plochý.Keď bolo prevzdušňovanie N2 25 ml/min (prúd cieľového zdroja oblúka bol 75 A, nanesený CrN film má dobrú kvalitu povrchu, dobrú tvrdosť a vynikajúcu odolnosť proti opotrebeniu, keď je prevzdušňovanie N2 25 ml/min (cieľový zdrojový oblúkový prúd je 75 A, záporný tlak je 100V).
(5) Supertvrdý film
Supertvrdá fólia je pevná fólia s tvrdosťou vyššou ako 40 GPa, vynikajúcou odolnosťou proti opotrebovaniu, vysokou teplotnou odolnosťou a nízkym koeficientom trenia a nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti, hlavne amorfný diamantový film a CN film.Filmy amorfného diamantu majú amorfné vlastnosti, nemajú usporiadanú štruktúru na veľké vzdialenosti a obsahujú veľké množstvo CC tetraedrických väzieb, preto sa nazývajú aj tetraedrické amorfné uhlíkové filmy.Ako druh amorfného uhlíkového filmu má povlak podobný diamantu (DLC) mnoho vynikajúcich vlastností podobných diamantu, ako je vysoká tepelná vodivosť, vysoká tvrdosť, vysoký modul pružnosti, nízky koeficient tepelnej rozťažnosti, dobrá chemická stabilita, dobrá odolnosť proti opotrebovaniu a nízky koeficient trenia.Ukázalo sa, že nanášanie diamantových filmov na povrchy ozubených kolies môže predĺžiť životnosť o faktor 6 a výrazne zlepšiť odolnosť proti únave.CN filmy, tiež známe ako amorfné uhlíkovo-dusíkové filmy, majú kryštálovú štruktúru podobnú štruktúre kovalentných zlúčenín β-Si3N4 a sú tiež známe ako β-C3N4.Liu a Cohen a kol.vykonali rigorózne teoretické výpočty pomocou výpočtov pseudopotenciálneho pásma z princípu prvej povahy, potvrdili, že β-C3N4 má veľkú väzbovú energiu, stabilnú mechanickú štruktúru, môže existovať aspoň jeden substabilný stav a jeho modul pružnosti je porovnateľný s diamantom, s dobrými vlastnosťami, ktoré môžu účinne zlepšiť povrchovú tvrdosť a odolnosť materiálu proti opotrebovaniu a znížiť koeficient trenia.
(6) Poťahová vrstva z inej zliatiny odolná voči opotrebovaniu
Niektoré zliatinové povlaky odolné voči opotrebeniu sa tiež pokúšali aplikovať na ozubené kolesá, napríklad nanesenie vrstvy zliatiny Ni-P-Co na povrch zubov 45# oceľových ozubených kolies je vrstva zliatiny na získanie ultrajemnej organizácie zŕn, čo môže predĺžiť životnosť až 1,144~1,533 krát.Tiež sa skúmalo, že kovová vrstva Cu a povlak zliatiny Ni-W sa nanášajú na povrch zubov ozubeného kolesa z liatiny zo zliatiny Cu-Cr-P, aby sa zlepšila jeho pevnosť;Povlak zo zliatiny Ni-W a Ni-Co sa aplikuje na povrch zubov liatinového ozubeného kolesa HT250, aby sa zlepšila odolnosť proti opotrebovaniu 4 až 6-krát v porovnaní s nepotiahnutým ozubeným kolesom.
Čas uverejnenia: 7. novembra 2022