Kugghjulsbeläggningsteknik

PVD-avsättningsteknik har praktiserats i många år som en ny ytmodifieringsteknik, särskilt vakuumjonbeläggningsteknik, som har vunnit stor utveckling under de senaste åren och som nu används i stor utsträckning vid behandling av verktyg, formar, kolvringar, kugghjul och andra komponenter .De belagda kugghjulen som framställts av vakuumjonbeläggningsteknik kan avsevärt minska friktionskoefficienten, förbättra slitageskydd och viss anti-korrosion och har blivit fokus och hot spot för forskning inom området för växelytförstärkningsteknik.

De vanliga materialen som används för kugghjul är främst smidesstål, gjutstål, gjutjärn, icke-järnmetaller (koppar, aluminium) och plast.Stål är huvudsakligen 45 stål, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Lågkolstål används huvudsakligen i 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Smidet stål används mer allmänt i kugghjul på grund av dess bättre prestanda, medan gjutstål vanligtvis används för att tillverka kugghjul med diameter > 400 mm och komplex struktur.Gjutjärnsväxlar antilim och gropfrätningsmotstånd, men bristen på slag- och slitstyrka, främst för stabilt arbete, kraften är inte låg hastighet eller stor storlek och komplex form, kan fungera under villkoret av bristen på smörjning, lämplig för öppen överföring.Icke-järnmetaller som vanligtvis används är tennbrons, aluminium-järnbrons och gjutna aluminiumlegeringar, som vanligtvis används vid tillverkning av turbiner eller växlar, men glid- och antifriktionsegenskaperna är dåliga, endast för lätt, medelbelastning och låg hastighet växlar.Kugghjul av icke-metalliskt material används huvudsakligen inom vissa områden med speciella krav, såsom oljefri smörjning och hög tillförlitlighet.Området för förhållanden som låg förorening, som hushållsapparater, medicinsk utrustning, livsmedelsmaskiner och textilmaskiner.

Kugghjulsbeläggningsmaterial

Tekniska keramiska material är extremt lovande material med hög hållfasthet och hårdhet, särskilt utmärkt värmebeständighet, låg värmeledningsförmåga och termisk expansion, hög slitstyrka och oxidationsbeständighet.Ett stort antal studier har visat att keramiska material till sin natur är värmebeständiga och har lågt slitage på metaller.Därför kan användningen av keramiska material i stället för metallmaterial för slitstarka delar förbättra livslängden på friktionsunderlaget, kan uppfylla några av de höga temperaturer och höga slitstarka materialen, multifunktionella och andra tuffa krav.För närvarande har tekniska keramiska material använts vid tillverkning av motorvärmebeständiga delar, mekanisk transmission i slitdelar, kemisk utrustning i korrosionsbeständiga delar och tätningsdelar, visar alltmer den breda tillämpningen av keramiska materialutsikter.

Utvecklade länder som Tyskland, Japan, USA, Storbritannien och andra länder lägger stor vikt vid utveckling och tillämpning av tekniska keramiska material, investerar mycket pengar och arbetskraft för att utveckla bearbetningsteori och teknik för teknisk keramik.Tyskland har lanserat ett program kallat "SFB442", vars syfte är att använda PVD-teknik för att syntetisera en lämplig film på ytan av delarna för att ersätta det potentiellt skadliga smörjmedlet för miljön och människokroppen.PW Gold och andra i Tyskland använde finansieringen från SFB442 för att applicera PVD-teknik för att deponera tunna filmer på ytan av rullager och fann att antinötningsprestandan hos rullningslager förbättrades avsevärt och att filmerna som deponerades på ytan helt kunde ersätta funktion av slitageskyddande tillsatser vid extremt tryck.Joachim, Franz et al.i Tyskland använde PVD-teknik för att framställa WC/C-filmer som uppvisar utmärkta anti-utmattningsegenskaper, högre än smörjmedel som innehåller EP-tillsatser, ett resultat som på samma sätt ger möjligheten att ersätta skadliga tillsatser med beläggningar.E. Lugscheider et al.från Institutet för materialvetenskap, tekniska universitetet i Aachen, Tyskland, med finansiering från DFG (GermanResearch Commission), visade en signifikant ökning av utmattningsmotstånd efter att ha deponerat lämpliga filmer på 100Cr6 stål med PVD-teknik.Dessutom har United States General Motors börjat med sin VolvoS80Turbo-typ av växelytbeläggningsfilm för bilar för att förbättra utmattningsmotståndet;det berömda företaget Timken har lanserat namnet ES200 växelytfilm;registrerat varumärke MAXIT gear coating har dykt upp i Tyskland;registrerat varumärke Graphit-iC respektive Dymon-iC Kugghjulsbeläggningar med de registrerade varumärkena Graphit-iC och Dymon-iC finns också tillgängliga i Storbritannien.

Som en viktig reservdel för mekanisk transmission spelar växlar en viktig roll i industrin, så det är av mycket viktig praktisk betydelse att studera användningen av keramiska material på växlar.För närvarande är den tekniska keramik som appliceras på kugghjulen huvudsakligen följande.

1, TiN beläggningsskikt
1, TiN

Jonbeläggning TiN keramiskt skikt är en av de mest använda ytmodifierade beläggningarna med hög hårdhet, hög vidhäftningsstyrka, låg friktionskoefficient, bra korrosionsbeständighet, etc. Det har använts flitigt inom olika områden, särskilt inom verktygs- och formindustrin.Den främsta orsaken till att appliceringen av keramisk beläggning på kugghjul är bindningsproblemet mellan keramisk beläggning och substrat.Eftersom arbetsförhållandena och påverkande faktorer för kugghjul är mycket mer komplicerade än för verktyg och formar, är appliceringen av en enda TiN-beläggning på växelns ytbehandling avsevärt begränsad.Även om keramisk beläggning har fördelarna med hög hårdhet, låg friktionskoefficient och korrosionsbeständighet, är den skör och svår att få en tjockare beläggning, så den behöver ett substrat med hög hårdhet och hög hållfasthet för att stödja beläggningen för att spela dess egenskaper.Därför används keramisk beläggning mest för hårdmetall och höghastighetstålyta.Växelmaterialet är mjukt jämfört med det keramiska materialet, och skillnaden mellan substratets och beläggningens natur är stor, så kombinationen av beläggningen och substratet är dålig, och beläggningen räcker inte för att stödja beläggningen, vilket gör beläggningen lätt att falla av under användningsprocessen, inte bara kan inte spela fördelarna med den keramiska beläggningen, men de keramiska beläggningspartiklarna som faller av kommer att orsaka nötande slitage på redskapet, vilket påskyndar slitageförlusten av redskapet.Den nuvarande lösningen är att använda kompositytbehandlingsteknik för att förbättra bindningen mellan keramen och substratet.Kompositytbehandlingsteknologi hänvisar till kombinationen av fysisk ångavsättningsbeläggning och andra ytbehandlingsprocesser eller beläggningar, med användning av två separata ytor/underytor för att modifiera ytan på substratmaterialet för att erhålla sammansatta mekaniska egenskaper som inte kan uppnås med en enda ytbehandlingsprocess .TiN kompositbeläggning avsatt genom jonnitrering och PVD är en av de mest efterforskade kompositbeläggningarna.Plasmanitreringssubstratet och TiN keramisk kompositbeläggning har en stark bindning och slitstyrkan förbättras avsevärt.

Den optimala tjockleken på TiN-filmskiktet med utmärkt slitstyrka och filmbasbindning är cirka 3 ~ 4μm.Om tjockleken på filmskiktet är mindre än 2μm kommer slitstyrkan inte att förbättras nämnvärt.Om tjockleken på filmskiktet är mer än 5μm, kommer filmbasbindningen att minska.

2、Flerlagers, flerkomponents TiN-beläggning

Med den gradvisa och utbredda tillämpningen av TiN-beläggningar finns det mer och mer forskning om hur man kan förbättra och förbättra TiN-beläggningar.På senare år har flerkomponentbeläggningar och flerskiktsbeläggningar utvecklats baserat på binära TiN-beläggningar, såsom Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3 etc. Genom att lägga till element som Al och Si till TiN-beläggningar kan beläggningarnas motståndskraft mot högtemperaturoxidation och hårdhet förbättras, medan tillsats av element som B kan förbättra beläggningarnas hårdhet och vidhäftningshållfasthet.

På grund av komplexiteten hos flerkomponentsammansättningen finns det många kontroverser i denna studie.I studien av (Tix,Cr1-x)N flerkomponentbeläggningar finns det en stor kontrovers i forskningsresultaten.Vissa människor tror att (Tix,Cr1-x)N-beläggningar är baserade på TiN, och Cr kan endast existera i form av ersättningslösning i TiN-punktmatrisen, men inte som en separat CrN-fas.Andra studier visar att antalet Cr-atomer som direkt ersätter Ti-atomer i (Tix,Cr1-x)N-beläggningar är begränsat, och resterande Cr finns i singletttillstånd eller bildar föreningar med N. De experimentella resultaten visar att tillsatsen av Cr till beläggningen minskar ytpartikelstorleken och ökar hårdheten, och beläggningens hårdhet når sitt högsta värde när massprocenten Cr når 3l%, men beläggningens inre spänning når också sitt maximala värde.

3, Annat beläggningsskikt

Utöver de vanliga TiN-beläggningarna används många olika tekniska keramer för att förstärka växelytan.

(1) Y.Terauchi et al.Japan studerade motståndet mot friktionsnötning hos keramiska kugghjul av titankarbid eller titannitrid avsatt med ångavsättningsmetoden.Kugghjulen uppkolades och polerades för att uppnå en ythårdhet på cirka HV720 och en ytråhet på 2,4 μm före beläggning, och de keramiska beläggningarna preparerades genom kemisk ångdeponering (CVD) för titankarbid och genom fysisk ångdeposition (PVD) för titannitrid, med en keramisk filmtjocklek på cirka 2 μm.Friktionsnötningsegenskaperna undersöktes i närvaro av olja respektive torrfriktion.Det visade sig att kugghjulsskruvens nötningsmotstånd och repningsmotstånd var väsentligt förbättrat efter beläggning med keramik.

(2)Kompositbeläggning av kemiskt belagd Ni-P och TiN framställdes genom att förbelägga Ni-P som ett övergångsskikt och sedan avsätta TiN.Studien visar att ythårdheten hos denna kompositbeläggning har förbättrats i viss utsträckning, och beläggningen är bättre bunden till underlaget och har bättre slitstyrka.

(3) WC/C, B4C tunnfilm
M. Murakawa et al., Department of Mechanical Engineering, Japan Institute of Technology, använde PVD-teknik för att avsätta WC/C tunn film på ytan av kugghjul, och dess livslängd var tre gånger så lång som för vanliga kylda och slipade kugghjul under olje-. fria smörjförhållanden.Franz J et al.använde PVD-teknik för att avsätta WC/C och B4C tunn film på ytan av FEZ-A och FEZ-C växlar, och experimentet visade att PVD-beläggningen avsevärt minskade växelfriktionen, gjorde växeln mindre mottaglig för varmlimning eller limning, och förbättrade växelns bärförmåga.

(4) CrN-filmer
CrN-filmer liknar TiN-filmer genom att de har högre hårdhet och CrN-filmer är mer motståndskraftiga mot högtemperaturoxidation än TiN, har bättre korrosionsbeständighet, lägre inre spänning än TiN-filmer och relativt bättre seghet.Chen Ling et förberedde en slitstark TiAlCrN/CrN-kompositfilm med utmärkt filmbaserad bindning på ytan av HSS och föreslog också dislokationsstaplingsteorin för flerskiktsfilm, om dislokationsenergiskillnaden mellan två skikt är stor, uppstår dislokationen i ett skikt kommer det att vara svårt att korsa dess gränssnitt till det andra skiktet, vilket bildar dislokationsstaplingen vid gränsytan och spelar rollen som att stärka materialet.Zhong Bin et studerade effekten av kväveinnehåll på fasstrukturen och friktionsnötningsegenskaperna hos CrNx-filmer, och studien visade att Cr2N (211) diffraktionstoppen i filmerna gradvis försvagades och CrN (220)-toppen gradvis ökade med ökningen av N2-halt minskade de stora partiklarna på filmytan gradvis och ytan tenderade att vara plan.När N2-luftningen var 25 ml/min (målkällans ljusbågsström var 75 A, har den avsatta CrN-filmen god ytkvalitet, god hårdhet och utmärkt slitstyrka när N2-luftningen är 25ml/min (målkällans ljusbågsström är 75A, negativ trycket är 100V).

(5) Superhård film
Superhård film är den solida filmen med hårdhet större än 40GPa, utmärkt slitstyrka, hög temperaturbeständighet och låg friktionskoefficient och låg termisk expansionskoefficient, huvudsakligen amorf diamantfilm och CN-film.Amorfa diamantfilmer har amorfa egenskaper, ingen ordnad struktur på lång räckvidd och innehåller ett stort antal CC-tetraedriska bindningar, så de kallas också tetraedriska amorfa kolfilmer.Som en sorts amorf kolfilm har diamantliknande beläggning (DLC) många utmärkta egenskaper som liknar diamant, såsom hög värmeledningsförmåga, hög hårdhet, hög elasticitetsmodul, låg värmeutvidgningskoefficient, god kemisk stabilitet, bra slitstyrka och låg friktionskoefficient.Det har visat sig att beläggning av diamantliknande filmer på kuggytor kan förlänga livslängden med en faktor 6 och avsevärt förbättra utmattningsmotståndet.CN-filmer, även kända som amorfa kol-kvävefilmer, har en kristallstruktur som liknar den för β-Si3N4 kovalenta föreningar och är också kända som β-C3N4.Liu och Cohen et al.utförde rigorösa teoretiska beräkningar med pseudopotentialbandsberäkningar från den första naturens princip, bekräftade att β-C3N4 har en stor bindningsenergi, en stabil mekanisk struktur, minst ett understabilt tillstånd kan existera och dess elasticitetsmodul är jämförbar med diamant, med goda egenskaper, vilket effektivt kan förbättra materialets ythårdhet och slitstyrka och minska friktionskoefficienten.

(6) Slitstarkt beläggningsskikt av annan legering
Vissa slitstarka beläggningar av legeringar har också försökt appliceras på kugghjul, till exempel är avsättningen av Ni-P-Co-legeringsskikt på tandytan på 45# stålkugghjul ett legeringsskikt för att erhålla ultrafin kornorganisation, vilket kan förlänga livslängden upp till 1.144~1.533 gånger.Det har också studerats att Cu-metallskikt och Ni-W-legeringsbeläggning appliceras på tandytan av Cu-Cr-P-legerade gjutjärnsredskap för att förbättra dess styrka;Ni-W och Ni-Co legeringsbeläggning appliceras på tandytan på HT250 gjutjärnsväxel för att förbättra slitstyrkan med 4 ~ 6 gånger jämfört med den obelagda växeln.