Технологія покриття зубчастих коліс

Технологія нанесення PVD практикується протягом багатьох років як нова технологія модифікації поверхні, особливо технологія вакуумного іонного покриття, яка набула значного розвитку в останні роки і зараз широко використовується для обробки інструментів, форм, поршневих кілець, шестерень та інших компонентів .Шестерні з покриттям, виготовлені за технологією вакуумного іонного покриття, можуть значно знизити коефіцієнт тертя, покращити захист від зносу та певну корозію, і стали центром і гарячою точкою досліджень у галузі технології зміцнення поверхні шестерень.

Звичайними матеріалами, що використовуються для зубчастих передач, є кована сталь, лита сталь, чавун, кольорові метали (мідь, алюміній) і пластмаси.Сталь - це переважно сталь 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Низьковуглецева сталь в основному використовується в 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Кована сталь ширше використовується в передачах через її кращі характеристики, тоді як лита сталь зазвичай використовується для виготовлення передач діаметром > 400 мм і складною конструкцією.Чавунні шестерні стійкі до клею та точкової стійкості, але відсутність удару та зносостійкості, головним чином для стабільної роботи, потужність не низька швидкість або великий розмір та складна форма, може працювати за умови відсутності змащення, підходить для відкритих спосіб передавання.Кольорові метали, які зазвичай використовуються, це олов’яна бронза, алюмінієво-залізна бронза та лиття алюмінієвих сплавів, які зазвичай використовуються у виробництві турбін або передач, але властивості ковзання та антифрикційні властивості погані, лише для легких, середніх навантажень і низьких швидкостей шестерні.Шестерні з неметалічних матеріалів в основному використовуються в деяких галузях із особливими вимогами, такими як безмасляне змащення та висока надійність.Сфера таких умов, як низький рівень забруднення, як-от побутова техніка, медичне обладнання, харчові та текстильні машини.

Матеріали для покриття зубчастих передач

Інженерні керамічні матеріали є надзвичайно перспективними матеріалами з високою міцністю та твердістю, особливо чудовою термостійкістю, низькою теплопровідністю та тепловим розширенням, високою зносостійкістю та стійкістю до окислення.Велика кількість досліджень показала, що керамічні матеріали за своєю суттю є термостійкими та мають низький рівень зносу металів.Таким чином, використання керамічних матеріалів замість металевих матеріалів для зносостійких деталей може збільшити термін служби фрикційного переходника, може відповідати деяким високотемпературним і високим зносостійким матеріалам, багатофункціональним та іншим жорстким вимогам.В даний час інженерні керамічні матеріали використовуються у виробництві жаростійких деталей двигуна, механічної трансмісії в зношуваних частинах, хімічного обладнання в корозійно-стійких частинах і ущільнювальних частинах, дедалі більше показують широкі перспективи застосування керамічних матеріалів.

Розвинені країни, такі як Німеччина, Японія, Сполучені Штати, Великобританія та інші країни, надають великого значення розробці та застосуванню інженерних керамічних матеріалів, інвестуючи багато грошей і робочої сили для розробки теорії обробки та технології інженерної кераміки.Німеччина запустила програму під назвою «SFB442», метою якої є використання технології PVD для синтезу відповідної плівки на поверхні деталей для заміни потенційно шкідливого мастильного середовища для навколишнього середовища та організму людини.PW Gold та інші в Німеччині використали фінансування від SFB442 для застосування технології PVD для нанесення тонких плівок на поверхню підшипників кочення та виявили, що протизносні характеристики підшипників кочення були значно покращені, а плівки, нанесені на поверхню, могли повністю замінити функція протизадирних присадок проти зношування.Йоахім, Франц та ін.у Німеччині використовували технологію PVD для виготовлення плівок WC/C, які демонструють відмінні властивості проти втоми, вищі, ніж у мастильних матеріалів, що містять добавки проти протизапального захисту, результат, який так само дає можливість заміни шкідливих добавок покриттями.E. Lugscheider та ін.Інституту матеріалознавства Технічного університету Аахена, Німеччина, за фінансування DFG (Німецька дослідницька комісія) продемонструвала значне підвищення опору втоми після нанесення відповідних плівок на сталь 100Cr6 за допомогою технології PVD.Крім того, компанія General Motors Сполучених Штатів почала виробництво плівки для поверхневого осадження зубчастих передач автомобіля типу VolvoS80Turbo для покращення стійкості до втомної точкової корки;відома компанія Timken запустила плівку для поверхні шестерні під назвою ES200;в Німеччині з'явилася зареєстрована торгова марка MAXIT gear coating;зареєстрована торгова марка Graphit-iC і Dymon-iC відповідно. Покриття передач із зареєстрованими торговими марками Graphit-iC і Dymon-iC також доступні у Великобританії.

Як важлива запасна частина механічної трансмісії, шестерні відіграють важливу роль у промисловості, тому дуже важливе практичне значення має вивчення застосування керамічних матеріалів на зубчастих передачах.В даний час інженерна кераміка, що застосовується до передач, в основному наступна.

1、Шар покриття TiN
1、TiN

Керамічний шар TiN з іонним покриттям є одним із найбільш широко використовуваних поверхнево-модифікованих покриттів із високою твердістю, високою міцністю зчеплення, низьким коефіцієнтом тертя, хорошою корозійною стійкістю тощо. Він широко використовується в різних галузях, особливо в індустрії інструментів і форм.Основною причиною, яка впливає на нанесення керамічного покриття на зубчасті колеса, є проблема зв’язку між керамічним покриттям і підкладкою.Оскільки робочі умови та фактори впливу на зубчасті колеса набагато складніші, ніж на інструменти та прес-форми, нанесення одного покриття TiN на обробку поверхні зубчастих коліс значно обмежене.Хоча керамічне покриття має такі переваги, як висока твердість, низький коефіцієнт тертя та стійкість до корозії, воно є крихким і важко отримати більш товсте покриття, тому воно потребує високої твердості та високої міцності підкладки для підтримки покриття, щоб відтворити свої характеристики.Тому керамічне покриття в основному використовується для поверхонь з карбіду та швидкорізальної сталі.Матеріал шестерні м’який порівняно з керамічним матеріалом, і різниця між природою підкладки та покриття велика, тому поєднання покриття та підкладки погане, а покриття недостатньо для підтримки покриття, що робить покриття, яке легко відпадає в процесі використання, не тільки не може використовувати переваги керамічного покриття, але частинки керамічного покриття, які відпадають, спричинять абразивний знос шестерні, прискорюючи втрату зносу шестерні.Сучасне рішення полягає у використанні композитної технології обробки поверхні для покращення зв’язку між керамікою та підкладкою.Композитна технологія обробки поверхні відноситься до поєднання фізичного нанесення покриття з парової фази та інших процесів або покриттів обробки поверхні з використанням двох окремих поверхонь/підповерхень для модифікації поверхні матеріалу підкладки для отримання композитних механічних властивостей, яких неможливо досягти одним процесом обробки поверхні .Композитне покриття TiN, нанесене методом іонного азотування та PVD, є одним із найбільш досліджених композитних покриттів.Підкладка плазмового азотування та керамічне композитне покриття TiN мають міцний зв’язок і зносостійкість значно покращена.

Оптимальна товщина шару плівки TiN з відмінною зносостійкістю та склеюванням основи плівки становить близько 3~4 мкм.Якщо товщина шару плівки менше 2 мкм, зносостійкість значно не покращиться.Якщо товщина шару плівки більше 5 мкм, склеювання основи плівки буде зменшено.

2、Багатошарове, багатокомпонентне покриття TiN

З поступовим і широким застосуванням покриттів TiN з’являється все більше досліджень щодо того, як покращити та покращити покриття TiN.В останні роки на основі бінарних покриттів TiN розроблено багатокомпонентні та багатошарові покриття, такі як Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3 тощо. Додаючи такі елементи, як Al і Si, до покриттів TiN можна покращити стійкість до високотемпературного окислення та твердість покриттів, тоді як додавання таких елементів, як B, може покращити твердість та міцність зчеплення покриттів.

Через складність багатокомпонентного складу в цьому дослідженні виникає багато суперечок.При вивченні (Tix,Cr1-x)N багатокомпонентних покриттів існує велика суперечність у результатах досліджень.Деякі люди вважають, що покриття (Tix,Cr1-x)N створені на основі TiN, а Cr може існувати лише у формі замінного твердого розчину в точковій матриці TiN, але не як окрема фаза CrN.Інші дослідження показують, що кількість атомів Cr, які безпосередньо заміщують атоми Ti в (Tix,Cr1-x)N покриттях, обмежена, а решта Cr існує в синглетному стані або утворює сполуки з N. Експериментальні результати показують, що додавання Cr до покриття зменшує розмір частинок поверхні та збільшує твердість, і твердість покриття досягає найвищого значення, коли масовий відсоток Cr досягає 3 л%, але внутрішня напруга покриття також досягає свого максимального значення.

3、Інший шар покриття

На додаток до широко використовуваних покриттів TiN, для зміцнення поверхні зубчастих коліс використовується багато різноманітної інженерної кераміки.

(1) Y.Terauchi та ін.з Японії досліджували стійкість до тертя керамічних зубчастих коліс із карбіду титану або нітриду титану, наплавлених методом осадження з парової фази.Зубчасті колеса були науглерожені та відполіровані для досягнення твердості поверхні приблизно HV720 та шорсткості поверхні 2,4 мкм перед нанесенням покриття, а керамічні покриття були підготовлені методом хімічного осадження з парової фази (CVD) для карбіду титану та шляхом фізичного осадження з парової фази (PVD) для карбіду титану. нітрид титану, з товщиною керамічної плівки близько 2 мкм.Властивості фрикційного зношування досліджували за наявності масляного та сухого тертя відповідно.Було виявлено, що стійкість до задирання та подряпин зубчастих лещат значно підвищилась після покриття керамікою.

(2) Композитне покриття з хімічно покритих Ni-P і TiN було отримано шляхом попереднього покриття Ni-P як перехідного шару, а потім осадження TiN.Дослідження показує, що поверхнева твердість цього композитного покриття була певною мірою покращена, а покриття краще з’єднується з підкладкою та має кращу зносостійкість.

(3) Тонка плівка WC/C, B4C
М. Муракава та ін., Департамент машинобудування Японського технологічного інституту, використовували технологію PVD для нанесення тонкої плівки WC/C на поверхню шестерень, і її термін служби був у три рази більший, ніж у звичайних загартованих і відшліфованих шестерень під маслом. умови вільного змащення.Franz J та ін.використовували технологію PVD для нанесення тонкої плівки WC/C і B4C на поверхню шестерень FEZ-A та FEZ-C, і експеримент показав, що покриття PVD значно зменшило тертя шестерні, зробило шестерню менш чутливою до гарячого склеювання або склеювання, і покращили несучу здатність передачі.

(4) Плівки CrN
Плівки CrN подібні до плівок TiN тим, що вони мають вищу твердість, а плівки CrN є більш стійкими до високотемпературного окислення, ніж TiN, мають кращу стійкість до корозії, нижчу внутрішню напругу, ніж плівки TiN, і відносно кращу міцність.Chen Ling et підготував зносостійку композитну плівку TiAlCrN/CrN з відмінним зв’язком на основі плівки на поверхні HSS, а також запропонував теорію накопичення дислокацій багатошарової плівки, якщо різниця енергії дислокації між двома шарами велика, дислокація, що відбувається в одному шарі буде важко перетнути межу розділу в інший шар, таким чином утворюючи накопичення дислокацій на межі розділу та відіграючи роль зміцнення матеріалу.Zhong Bin та досліджували вплив вмісту азоту на фазову структуру та властивості фрикційного зношування плівок CrNx, і дослідження показали, що дифракційний пік Cr2N (211) у плівках поступово слабшає, а пік CrN (220) поступово посилюється зі збільшенням вмісту N2 великі частинки на поверхні плівки поступово зменшувалися, і поверхня мала тенденцію бути плоскою.Коли аерація N2 становила 25 мл/хв (цільовий струм джерела дуги становив 75 А, нанесена плівка CrN має гарну якість поверхні, добру твердість і чудову зносостійкість, коли аерація N2 становила 25 мл/хв (цільовий струм джерела дуги становив 75 А, негативний). тиск 100 В).

(5) Надтверда плівка
Надтверда плівка - це тверда плівка з твердістю понад 40 ГПа, чудовою зносостійкістю, високотемпературною стійкістю та низьким коефіцієнтом тертя та низьким коефіцієнтом теплового розширення, переважно аморфна алмазна плівка та плівка CN.Аморфні алмазні плівки мають аморфні властивості, не мають далекобійної впорядкованої структури та містять велику кількість тетраедричних зв’язків СС, тому їх також називають тетраедричними аморфними вуглецевими плівками.Будучи різновидом аморфної вуглецевої плівки, алмазоподібне покриття (DLC) має багато чудових властивостей, подібних до алмазу, таких як висока теплопровідність, висока твердість, високий модуль пружності, низький коефіцієнт теплового розширення, хороша хімічна стабільність, хороша зносостійкість і низький коефіцієнт тертя.Було показано, що нанесення алмазоподібних плівок на поверхні зубчастих коліс може збільшити термін служби в 6 разів і значно підвищити опір втомі.Плівки CN, також відомі як аморфні вуглецево-азотні плівки, мають кристалічну структуру, подібну до ковалентних сполук β-Si3N4, і також відомі як β-C3N4.Лю та Коен та ін.провели ретельні теоретичні розрахунки з використанням розрахунків зони псевдопотенціалу за принципом першої природи, підтвердили, що β-C3N4 має велику енергію зв’язку, стабільну механічну структуру, може існувати принаймні один субстабільний стан, а його модуль пружності можна порівняти з алмазом, з хорошими властивостями, які можуть ефективно покращити твердість поверхні та зносостійкість матеріалу та зменшити коефіцієнт тертя.

(6) Зносостійкий шар покриття з іншого сплаву
Деякі сплавні зносостійкі покриття також намагалися нанести на зубчасті колеса, наприклад, осадження шару сплаву Ni-P-Co на поверхню зубів шестерень зі сталі 45# є шаром сплаву для отримання наддрібної організації зерен, що може продовжити термін служби до 1,144~1,533 рази.Було також вивчено, що металевий шар Cu та покриття зі сплаву Ni-W наносять на поверхню зубів чавунної шестерні зі сплаву Cu-Cr-P для підвищення її міцності;Покриття зі сплаву Ni-W і Ni-Co наноситься на поверхню зуба чавунної шестерні HT250 для підвищення зносостійкості в 4-6 разів порівняно з шестернею без покриття.