Công nghệ sơn bánh răng

Công nghệ lắng đọng PVD đã được sử dụng trong nhiều năm như một công nghệ sửa đổi bề mặt mới, đặc biệt là công nghệ phủ ion chân không, đã đạt được sự phát triển vượt bậc trong những năm gần đây và hiện được sử dụng rộng rãi trong xử lý các dụng cụ, khuôn mẫu, vòng piston, bánh răng và các bộ phận khác .Các bánh răng được phủ bằng công nghệ phủ ion chân không có thể làm giảm đáng kể hệ số ma sát, cải thiện khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn nhất định, đồng thời trở thành tâm điểm và điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ tăng cường bề mặt bánh răng.

Các vật liệu phổ biến được sử dụng cho bánh răng chủ yếu là thép rèn, thép đúc, gang, kim loại màu (đồng, nhôm) và nhựa.Thép chủ yếu là thép 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl.Thép carbon thấp chủ yếu được sử dụng trong 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo.Thép rèn được sử dụng rộng rãi hơn trong chế tạo bánh răng vì tính năng tốt hơn, trong khi thép đúc thường được dùng để chế tạo các bánh răng có đường kính > 400mm và kết cấu phức tạp.Bánh răng gang chống keo và chống rỗ, nhưng thiếu khả năng chống va đập và mài mòn, chủ yếu để làm việc ổn định, công suất không ở tốc độ thấp hoặc kích thước lớn và hình dạng phức tạp, có thể hoạt động trong điều kiện thiếu dầu bôi trơn, thích hợp để mở quá trình lây truyền.Kim loại màu thường dùng là đồng thiếc, đồng nhôm-sắt và hợp kim nhôm đúc, thường được dùng trong chế tạo tua-bin hoặc bánh răng, nhưng tính trượt và chống ma sát kém, chỉ dùng cho tải nhẹ, tải trung bình và tốc độ thấp bánh răng.Bánh răng vật liệu phi kim loại chủ yếu được sử dụng trong một số lĩnh vực có yêu cầu đặc biệt, chẳng hạn như bôi trơn không dầu và độ tin cậy cao.Lĩnh vực có điều kiện như ô nhiễm thấp, như đồ gia dụng, thiết bị y tế, máy móc thực phẩm và máy dệt.

Vật liệu phủ bánh răng

Vật liệu gốm kỹ thuật là vật liệu cực kỳ hứa hẹn với độ bền và độ cứng cao, đặc biệt là khả năng chịu nhiệt tuyệt vời, độ dẫn nhiệt và giãn nở nhiệt thấp, khả năng chống mài mòn và chống oxy hóa cao.Một số lượng lớn các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu gốm vốn có khả năng chịu nhiệt và ít bị mài mòn so với kim loại.Do đó, việc sử dụng vật liệu gốm thay vì vật liệu kim loại cho các bộ phận chịu mài mòn có thể cải thiện tuổi thọ của bộ phận ma sát, có thể đáp ứng một số vật liệu chịu mài mòn và nhiệt độ cao, đa chức năng và các yêu cầu khó khăn khác.Hiện nay, vật liệu gốm kỹ thuật đã được sử dụng trong sản xuất các bộ phận chịu nhiệt của động cơ, truyền động cơ học trong các bộ phận mài mòn, thiết bị hóa học trong các bộ phận chống ăn mòn và các bộ phận bịt kín, ngày càng cho thấy triển vọng ứng dụng rộng rãi của vật liệu gốm.

Các nước phát triển như Đức, Nhật Bản, Hoa Kỳ, Vương quốc Anh và các quốc gia khác rất coi trọng việc phát triển và ứng dụng vật liệu gốm kỹ thuật, đầu tư rất nhiều tiền và nhân lực để phát triển lý thuyết xử lý và công nghệ gốm kỹ thuật.Đức đã đưa ra một chương trình có tên “SFB442″, mục đích là sử dụng công nghệ PVD để tổng hợp một lớp màng phù hợp trên bề mặt các bộ phận nhằm thay thế môi trường bôi trơn có khả năng gây hại cho môi trường và cơ thể con người.PW Gold và các công ty khác ở Đức đã sử dụng nguồn tài trợ từ SFB442 để áp dụng công nghệ PVD để lắng đọng màng mỏng trên bề mặt của ổ lăn và nhận thấy rằng hiệu suất chống mài mòn của ổ lăn được cải thiện đáng kể và lớp màng lắng đọng trên bề mặt có thể thay thế hoàn toàn chức năng của phụ gia chống mài mòn cực áp.Joachim, Franz và cộng sự.ở Đức đã sử dụng công nghệ PVD để điều chế màng WC/C thể hiện đặc tính chống mỏi tuyệt vời, cao hơn so với các chất bôi trơn có chứa phụ gia EP, kết quả là mang lại khả năng thay thế các chất phụ gia có hại bằng lớp phủ tương tự.E. Lugscheider và cộng sự.của Viện Khoa học Vật liệu, Đại học Kỹ thuật Aachen, Đức, với sự tài trợ của DFG (Ủy ban Nghiên cứu Đức), đã chứng minh khả năng chống mỏi tăng lên đáng kể sau khi phủ các màng thích hợp lên thép 100Cr6 bằng công nghệ PVD.Ngoài ra, General Motors của Hoa Kỳ đã bắt đầu sử dụng màng lắng đọng bề mặt bánh răng loại VolvoS80Turbo để cải thiện khả năng chống rỗ do mỏi;hãng Timken nổi tiếng đã cho ra đời loại film bề mặt bánh răng mang tên ES200;lớp phủ bánh răng MAXIT đã đăng ký thương hiệu đã xuất hiện ở Đức;Nhãn hiệu đã đăng ký tương ứng là Graphit-iC và Dymon-iC Lớp phủ bánh răng với các nhãn hiệu đã đăng ký là Graphit-iC và Dymon-iC cũng có sẵn ở Vương quốc Anh.

Là một phụ tùng quan trọng của truyền động cơ khí, bánh răng đóng một vai trò quan trọng trong công nghiệp, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu gốm trên bánh răng có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng.Hiện nay, gốm kỹ thuật áp dụng cho các bánh răng chủ yếu là như sau.

1、Lớp phủ TiN
1、TiN

Lớp phủ ion Lớp gốm TiN là một trong những lớp phủ biến tính bề mặt được sử dụng rộng rãi nhất với độ cứng cao, độ bền bám dính cao, hệ số ma sát thấp, khả năng chống ăn mòn tốt, v.v. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong ngành công cụ và khuôn mẫu.Lý do chính ảnh hưởng đến việc áp dụng lớp phủ gốm trên bánh răng là vấn đề liên kết giữa lớp phủ gốm và chất nền.Do các điều kiện làm việc và các yếu tố ảnh hưởng của bánh răng phức tạp hơn nhiều so với các công cụ và khuôn mẫu, nên việc áp dụng một lớp phủ TiN duy nhất trên xử lý bề mặt bánh răng bị hạn chế rất nhiều.Mặc dù lớp phủ gốm có ưu điểm là độ cứng cao, hệ số ma sát thấp và khả năng chống ăn mòn, nhưng lớp phủ này giòn và khó có được lớp phủ dày hơn, do đó, lớp phủ này cần có độ cứng cao và độ bền cao để hỗ trợ lớp phủ phát huy các đặc tính của nó.Do đó, lớp phủ gốm chủ yếu được sử dụng cho bề mặt thép cacbua và thép tốc độ cao.Vật liệu bánh răng mềm so với vật liệu gốm, và sự khác biệt giữa tính chất của chất nền và lớp phủ lớn, do đó, sự kết hợp giữa lớp phủ và chất nền kém, và lớp phủ không đủ để hỗ trợ lớp phủ, làm cho lớp phủ dễ rơi ra trong quá trình sử dụng, không những không phát huy được ưu điểm của lớp phủ gốm mà các hạt lớp phủ gốm rơi ra sẽ gây ra hiện tượng mài mòn bánh răng, làm tăng tốc độ hao mòn của bánh răng.Giải pháp hiện nay là sử dụng công nghệ xử lý bề mặt composite để cải thiện độ bám dính giữa sứ và nền.Công nghệ xử lý bề mặt hỗn hợp đề cập đến sự kết hợp của lớp phủ lắng đọng hơi vật lý và các quy trình hoặc lớp phủ xử lý bề mặt khác, sử dụng hai bề mặt/lớp dưới bề mặt riêng biệt để thay đổi bề mặt của vật liệu nền nhằm đạt được các tính chất cơ học tổng hợp mà quy trình xử lý bề mặt đơn lẻ không thể đạt được. .Lớp phủ composite TiN lắng đọng bằng thấm nitơ ion và PVD là một trong những lớp phủ composite được nghiên cứu nhiều nhất.Chất nền thấm nitơ plasma và lớp phủ composite gốm TiN có liên kết bền và khả năng chống mài mòn được cải thiện đáng kể.

Độ dày tối ưu của lớp màng TiN với khả năng chống mài mòn và liên kết nền màng tuyệt vời là khoảng 3~4μm.Nếu độ dày của lớp phim nhỏ hơn 2μm, khả năng chống mài mòn sẽ không được cải thiện đáng kể.Nếu độ dày của lớp phim lớn hơn 5μm, liên kết nền phim sẽ bị giảm.

2、Lớp phủ TiN nhiều lớp, nhiều thành phần

Với việc ứng dụng dần dần và rộng rãi của lớp phủ TiN, ngày càng có nhiều nghiên cứu về cách cải thiện và nâng cao lớp phủ TiN.Trong những năm gần đây, các lớp phủ đa thành phần và lớp phủ đa lớp đã được phát triển dựa trên các lớp phủ TiN nhị phân, chẳng hạn như Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN /Al2O3, v.v. Bằng cách thêm các nguyên tố như Al và Si vào lớp phủ TiN, khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao và độ cứng của lớp phủ có thể được cải thiện, trong khi việc thêm các nguyên tố như B có thể cải thiện độ cứng và độ bền bám dính của lớp phủ.

Do sự phức tạp của thành phần đa thành phần, có nhiều tranh cãi trong nghiên cứu này.Trong nghiên cứu về màng phủ đa thành phần (Tix,Cr1-x)N, kết quả nghiên cứu còn gây tranh cãi lớn.Một số người tin rằng các lớp phủ (Tix,Cr1-x)N dựa trên TiN và Cr chỉ có thể tồn tại ở dạng dung dịch rắn thay thế trong ma trận điểm TiN chứ không thể tồn tại ở dạng pha CrN riêng biệt.Các nghiên cứu khác cho thấy số lượng nguyên tử Cr trực tiếp thay thế nguyên tử Ti trong lớp phủ (Tix,Cr1-x)N là có hạn, và phần còn lại Cr tồn tại ở trạng thái nhóm đơn hoặc tạo thành hợp chất với N. Kết quả thực nghiệm cho thấy việc bổ sung Cr đến lớp phủ làm giảm kích thước hạt bề mặt và tăng độ cứng, đồng thời độ cứng của lớp phủ đạt giá trị cao nhất khi phần trăm khối lượng của Cr đạt 3l%, nhưng ứng suất bên trong của lớp phủ cũng đạt giá trị cực đại.

3、Lớp phủ khác

Ngoài các lớp phủ TiN thường được sử dụng, nhiều gốm kỹ thuật khác nhau được sử dụng để tăng cường bề mặt bánh răng.

(1)Y.Terauchi và cộng sự.của Nhật Bản đã nghiên cứu khả năng chống mài mòn do ma sát của các bánh răng gốm titan cacbua hoặc titan nitrit lắng đọng bằng phương pháp lắng đọng hơi.Các bánh răng được thấm cacbon và đánh bóng để đạt được độ cứng bề mặt khoảng HV720 và độ nhám bề mặt 2,4 μm trước khi phủ, và lớp phủ gốm được chuẩn bị bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) cho cacbua titan và bằng phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD) cho titan nitride, với độ dày màng gốm khoảng 2 μm.Các đặc tính mài mòn do ma sát đã được nghiên cứu tương ứng với sự có mặt của dầu và ma sát khô.Người ta nhận thấy rằng khả năng chống mài mòn và chống trầy xước của bánh răng đã được tăng cường đáng kể sau khi phủ một lớp gốm.

(2) Lớp phủ hỗn hợp của Ni-P và TiN được phủ hóa học được chuẩn bị bằng cách phủ trước Ni-P làm lớp chuyển tiếp và sau đó lắng đọng TiN.Nghiên cứu cho thấy độ cứng bề mặt của lớp phủ composite này đã được cải thiện ở một mức độ nhất định và lớp phủ được liên kết tốt hơn với chất nền và có khả năng chống mài mòn tốt hơn.

(3) WC/C, màng mỏng B4C
M. Murakawa và cộng sự, Khoa Cơ khí, Viện Công nghệ Nhật Bản, đã sử dụng công nghệ PVD để lắng đọng màng mỏng WC/C trên bề mặt bánh răng, và tuổi thọ của nó gấp ba lần so với bánh răng tôi và mài thông thường dưới dầu- điều kiện bôi trơn tự do.Franz J và cộng sự.đã sử dụng công nghệ PVD để phủ màng mỏng WC/C và B4C lên bề mặt bánh răng FEZ-A và FEZ-C, và thử nghiệm cho thấy rằng lớp phủ PVD làm giảm đáng kể ma sát của bánh răng, làm cho bánh răng ít bị dính hoặc dán nóng hơn, và cải thiện khả năng chịu tải của bánh răng.

(4) phim CrN
Màng CrN tương tự như màng TiN ở chỗ chúng có độ cứng cao hơn và màng CrN có khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao hơn TiN, chống ăn mòn tốt hơn, ứng suất bên trong thấp hơn màng TiN và độ dẻo dai tương đối tốt hơn.Chen Ling et đã chuẩn bị một màng composite TiAlCrN / CrN chống mài mòn với khả năng liên kết dựa trên màng tuyệt vời trên bề mặt HSS, đồng thời đề xuất lý thuyết xếp chồng lệch vị trí của màng nhiều lớp, nếu chênh lệch năng lượng lệch vị trí giữa hai lớp lớn, thì lệch vị trí xảy ra trong một lớp sẽ khó vượt qua giao diện của nó sang lớp khác, do đó hình thành sự sắp xếp lệch vị trí tại giao diện và đóng vai trò tăng cường vật liệu.Zhong Bin et đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nitơ đến cấu trúc pha và tính chất mài mòn do ma sát của màng CrNx, và nghiên cứu cho thấy đỉnh nhiễu xạ Cr2N (211) trong màng yếu dần và đỉnh CrN (220) tăng dần khi tăng hàm lượng N2 thì các hạt lớn trên bề mặt màng giảm dần và bề mặt có xu hướng phẳng.Khi sục khí N2 là 25 ml/phút (dòng hồ quang nguồn mục tiêu là 75 A, màng CrN lắng đọng có chất lượng bề mặt tốt, độ cứng tốt và khả năng chống mài mòn tuyệt vời khi sục khí N2 là 25 ml/phút (dòng hồ quang nguồn mục tiêu là 75 A, âm áp là 100V).

(5) Phim siêu cứng
Màng siêu cứng là màng rắn có độ cứng lớn hơn 40GPa, khả năng chống mài mòn tuyệt vời, khả năng chịu nhiệt độ cao và hệ số ma sát thấp và hệ số giãn nở nhiệt thấp, chủ yếu là màng kim cương vô định hình và màng CN.Màng kim cương vô định hình có đặc tính vô định hình, không có cấu trúc trật tự tầm xa và chứa một số lượng lớn liên kết tứ diện CC, vì vậy chúng còn được gọi là màng carbon vô định hình tứ diện.Là một loại màng carbon vô định hình, lớp phủ giống kim cương (DLC) có nhiều đặc tính tuyệt vời tương tự như kim cương, chẳng hạn như tính dẫn nhiệt cao, độ cứng cao, mô đun đàn hồi cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, ổn định hóa học tốt, chống mài mòn tốt và hệ số ma sát thấp.Người ta đã chứng minh rằng việc phủ các màng giống kim cương lên bề mặt bánh răng có thể kéo dài tuổi thọ lên gấp 6 lần và cải thiện đáng kể khả năng chống mỏi.Màng CN, còn được gọi là màng carbon-nitơ vô định hình, có cấu trúc tinh thể tương tự cấu trúc tinh thể của hợp chất cộng hóa trị β-Si3N4 và còn được gọi là β-C3N4.Liu và Cohen et al.đã thực hiện các tính toán lý thuyết nghiêm ngặt bằng cách sử dụng các phép tính dải giả thế từ nguyên lý tự nhiên thứ nhất , xác nhận rằng β-C3N4 có năng lượng liên kết lớn, cấu trúc cơ học ổn định, có thể tồn tại ít nhất một trạng thái phụ ổn định và mô đun đàn hồi của nó có thể so sánh với kim cương, với các đặc tính tốt, có thể cải thiện hiệu quả độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn của vật liệu và giảm hệ số ma sát.

(6) Lớp phủ chống mài mòn hợp kim khác
Một số lớp phủ chống mài mòn hợp kim cũng đã được thử áp dụng cho bánh răng, ví dụ, lớp hợp kim Ni-P-Co lắng đọng trên bề mặt răng của bánh răng thép 45# là lớp hợp kim để thu được tổ chức hạt siêu mịn, có thể kéo dài tuổi thọ lên tới 1,144 ~ 1,533 lần.Người ta cũng đã nghiên cứu rằng lớp kim loại Cu và lớp phủ hợp kim Ni-W được áp dụng trên bề mặt răng của bánh răng gang hợp kim Cu-Cr-P để cải thiện độ bền của nó;Lớp phủ hợp kim Ni-W và Ni-Co được áp dụng trên bề mặt răng của bánh răng gang HT250 để cải thiện khả năng chống mài mòn gấp 4 ~ 6 lần so với bánh răng không phủ.