表面硬化材料广泛应用于齿轮制造,渗碳,有时渗氮,通常是作为一种硬化处理,这导致减少宏观点-硬化材料的主要失效机制。这与由于齿侧的粗糙度而产生的极高的局部应力有关。

对于特殊应用,PVD涂层现在只能小规模应用。目前主要应用的涂层有:B4C、WC-C:H(或W-DLC)和CrN。Bodycote的美国业务,以前被称为Diamond Black Technologies,在证明PVD涂层,特别是B4C涂层的能力方面发挥了先锋作用。

主体欧洲业务与Hauzer合作,具有WC-C:H涂层和CRN涂料的广泛工业经验。本文将讨论PVD涂层对齿轮的影响,以及PVD涂层的一些实例。

失败机制

点蚀或滚动接触疲劳是主要的失效模式之一。疲劳裂纹在接触面形成,然后被小颗粒碎片填充。这种故障模式与接触压力有关:如果接触压力保持在阈值以下,则可以避免这种类型的故障。这可以通过适当的齿轮尺寸实现;例如,通过使用更宽的齿轮,接触压力应该保持在相对较低的水平。

牙根弯曲失效,导致牙齿完全脱落,是另一种失效模式,主要是由牙根疲劳开裂引起的。它也主要与齿轮设计有关,包括基材。

微点蚀和磨损会导致另一种失效机制。磨损导致胶粘剂磨损,导致牙齿变形,最终形成大块的碎屑。微观点蚀导致疲劳裂纹的形成,引起宏观点蚀。微点蚀和磨损主要与表面结构有关。表面粗糙度、两种计数器材料的表面和次表面的硬度、摩擦系数以及因此产生的润滑膜厚度等参数都起作用。由表面粗糙度引起的局部应力,往往比赫兹应力大得多,即使齿轮被接地(图1).

图1:不同载荷下的循环次数:A)磨齿;B)磨齿与WC-C:H涂层;C)微喷丸齿轮;D)微喷丸和WC-C:H涂层齿轮。

特别是对于目前正在使用的渗碳齿轮,表面效应起主导作用。

PVD涂层的影响

沉积的物理气相(PVD)涂层可用于影响近表面性质,例如:

  • 表面硬度
  • 表面粗糙度
  • 摩擦系数
  • 润湿性

表面硬度:PVD涂层的硬度可以匹配,例如,从1100维氏到4000维氏。高硬度降低了涂层表面的磨料磨损。通常,磨粒磨损与表面硬度成反比,因此,当PVD涂层时,涂层部件的磨损有望减少。

表面粗糙度:PVD涂层没有电镀涂层的平整或平滑效果。通常PVD磁控涂层将“峰值峰值韧性”,每μm膜厚度为0.1-0.3μm。当将纯金属液滴引入涂层时,对于PVD弧涂层而言,甚至更糟糕的是,导致峰值粗糙度Rz的峰值升高为每μm膜厚度为100μm。尽管如此,涂层可用于减少表面粗糙度的影响。具有高硬度的表面将影响未涂覆对应物的磨损行为。通常人们会期望未涂层对应的磨损增加。然而,当正确完成时,涂层可以具有抛光效果,最初导致对应物的高磨损,然后由于良好抛光的表面而导致低磨损。

摩擦系数:PVD涂层的摩擦系数可以为0.1至0.8。W-DLC(含有金刚石碳,或WC-C:H)的典型值在0.1和0.2之间。

降低摩擦系数也会降低微点蚀。当润滑条件出现问题时,这一点尤为重要。Murakawa等人(2)已经证明,当正常润滑一段时间后出现润滑失效状态时,表面改善可能会延长发生灾难性故障之前的运行时间。他们研究的两种表面改善方法是:

微射击喷丸(MSP),这涉及金属和陶瓷粉末的混合物,粒度为40-100μm被射击到接地齿轮表面上,导致齿轮表面而不研磨迹线。单独的MSP治疗几乎没有增加干燥条件下的寿命,并且;

PVD涂层:WC-C:H涂层用于涂覆未处理的齿轮和MSP处理齿轮。PVD涂层在润滑剂条件下延长了运行时间,相对于未涂覆的齿轮倍数是两到三个。MSP和PVD涂层的组合显着延长了运行时间。

图1显示了Murakawa等人得到的结果。劳埃德系数K (MPa)是齿轮表面接触压力的量度。

K = 10t / 2r2b(i + 1)/ i,用
传递扭矩(N.m)
r =齿轮驱动侧的参考圆的半径(mm)
B =齿轮面宽度
传动比

石油润湿性:虽然添加剂通常与齿轮润滑油混合,但环境驱动的趋势是减少这些添加剂。Weck等人(3-5)已经证明,添加剂的作用可以部分地被WC-C:H涂层或W-DLC所取代。生物可降解合成esther油,结合WC-C:H PVD涂层齿轮,具有类似或改进的性能,与普通油与添加剂和未涂层齿轮。

PVD涂料的实例

目前应用于工业齿轮涂层和相关特性的PVD涂层如下表所示:

表1:各种负载下的循环次数。

典型的生产单位显示在图2.在下一页。给出了本机的横截面图3..沉积氢化DLC的步骤是重要的,因为在这一步骤中,碳主要来自乙炔等含碳气体。

图2:生产W-DLC或CrN的HTC-1500和HTC-1200单位。
图3:HTC-1200单元的横截面,具有耦合的不平衡磁控管。

为了创造合适的涂层性能,重要的是要有合适的等离子体密度。在豪泽装置中,这通常是通过从一个阴极到下一个阴极有闭合的磁场线来实现的。电子沿着这些电场线旋转并反射到阴极附近。因此,等离子体密度增加。高等离子体密度是形成足够的碳原子和自由基所必需的。涂层可以根据不同的应用进行优化。通常,W-DLC涂层可以优化疲劳性能或磨料磨损性能。Strondl等人(6)已经描述了一个标准的W-DLC工艺可以通过简单地改变多层结构来修改。在低转速下,形成明显的多层结构,提高了疲劳性能。在高速旋转下,形成均匀的组织,非晶DLC基体中含有纳米WC微晶,其耐磨性(图4)。

旋转的速度
图4:三个旋转速度的氢化W-DLC的硬度和E-模量。

如下图所示,其中硬度等性能显示在三种转速下。

齿轮涂层的未来前景

到目前为止,在PVD涂层的额外成本小于重新设计齿轮箱的情况下,齿轮的涂层仅应用,或者在润滑条件下的PVD涂层的额外性能是有价值的情况下的额外性能。迄今为止的申请仅限于较小的齿轮箱。成本效益对于这种解决方案的更广泛应用至关重要。这里,PVD作为发展技术仍在改善。使用PVD涂层的原因有多种原因可能在齿轮行业中变得更加广泛:爱游戏中心官网

在现代大规模生产装置中,PVD的平均成本比近年来要低得多。从历史上看,PVD的价格每5年下降2倍(图5)。

图5三种转速下氢化W-DLC的磨粒磨损

该行业正致力于减少所有主要部件的不同设计数量。主要行业正在有限数量的平台上工作,以及有限数量的齿轮箱。这意味着扭矩在给定尺寸的齿轮箱可能达到极限的无涂层齿轮(图6)。

图6:氢化W-DLC的疲劳性阻力三个旋转速度。

长期,环境法规将迫使该行业使用较少的毒品产品,这将迫使制造商通过添加剂解决润湿行为,而是通过用于最重载齿轮的表面结构。

参考文献

  1. C.M.R.威尔金森,A.V.奥利弗。摩擦学交易。42: (1999) 503 - 510
  2. 村川、小森、竹内、三吉。表面和涂料技术,120-121:(1999)646-652。
  3. O. Hurasky-Sch-nwerth, M. Weck。“齿轮接触摩擦系统中的ppd涂层和合成酯”(德文),tagungband 41, Arbeitstagung:‘Zahnrad und getribeuntersuchungen’,WZL,亚臣工业大学2000年。
  4. O. Hurasky-Sch-nwerth, M. Weck。“PVD涂料在滚动联络处的行为”(德语),塔伦斯队40,ArbeitStagung:'Zahnrad und Getriebeuntersuchungen,'WZL,Rwth Aachen 1999。
  5. M. Weck, O. Hurasky-Sch-nwerth。“齿轮传动中的环境兼容摩擦系统”,第四届齿轮传动与动力传动世界大会,巴黎,1999,第2159-2172页。
  6. C. Strondl, G.J. van der Kolk, T. Hurkmans, N.M. Carvalho, J.Th.M。de Hosson。冲浪。和外套。技术。707:(2001)142-144。
  7. C. Strondl,N.M.Carvalho,J.M.M.de hosson,g.j.van der Kolk。冲浪。和外套。技术。162:(2003)288-293。