Tehnologii de aplicare a depunerilor superficiale pe roţile dinţate

Tehnologii de aplicare a depunerilor superficiale pe roţile dinţate

Diferitele funcții ale depunerilor superficiale pot fi îndeplinite prin utilizarea unei varietăţi de materiale de depunere și a numeroase tehnologii. Pentru a obține rezultate optime, aceste tehnologii trebuie să fie privite ca un sistem format din următoarele trei componente: materialul pe care se aplică depunerea (numit şi substrat), materialul de depunere și procedeul de depunere utilizat (figura 1). Acest sistem, care există în cazul oricărei aplicații industriale ce impune utilizarea unor depuneri de straturi superficiale, trebuie să fie definit și optimizat.

• FIGURA 1. Sistemul tehnologiilor de depunere

1. Tehnologii de depunere

Diversitatea mare a tehnologiilor de depunere, a substraturilor și a funcțiilor pe care trebuie să le îndeplinească depunerea, conduc la număr relative mare de tehnici de depunere, variantele dezvoltate fiind rezultatul îmbinării dintre nevoile specifice și anumite motive economice. Prin urmare, tehnologiile de depunere sunt într-o gamă foarte largă, acest subcapitol având scopul de a exemplifica unele dintre cele mai des folosite tehnici de depunere a starturilor superficiale pe flancurile roților dințate.

1.1 Pulverizarea termică

Pulverizarea termică este procesul de acoperire cu metale sau aliaje metalice realizat cu dispositive speciale, cu ajutorul cărora materialul topit este pulverizat la viteză ridicată pe o suprafață curățată și pregătită în prealabil. (Figura 2 ilustrează principiul general de realizare a procesului.)

• FIGURA 2. Principiul pulverizarii termice

Materialul de adaos (de acoperire) este initial încălzit prin metode chimice (flacără) sau electrice (arc electric sau jet de plasmă), după care este antrenat de gazele de lucru, în final fiind pulverizată pe substrat, unde se cristalizează formând un strat solid. Pe măsură ce particulele lichide sau topite din materialul de adaos lovesc cu o viteză ridicată suprafața de lucru, particulele de metal sunt deformate și răspândite sub formă aplatizată pe substrat. După impact, căldura din particulele fierbinți este transmisă la materialul de bază, care este mai rece. Astfel, particulele depuse se contract și se solidifică, creând porozităti. Evident că, în stratul de acoperire pot, de asemenea, apărea particule de oxid și particule incomplet topite. (figura 3).

• FIGURA 3. Structura stratului depus prin pulverizare termica (1- particule de oxid, 2 - porozitate, 3 - substrat, 4 - particula incomplete topita)

Deoarece adeziunea materialului pulverizat se realizează în principal prin lipire mecanică, o atenție deosebită trebuie acordată curățării și pregătirii substratului. După îndepărtarea impurităților superficiale prin procedee mecanice sau  chimice, substratul se sablează, de obicei, cu corindon uscat.

Ca și material de adaos se poate utiliza orice material care nu se descompune în timpul topirii, de obicei fiind utilizat sub formă pulberi, sârmă sau bară. Materialele tipice utilizate sunt: metalele pure (Zn, Al, Cu, Ni), oxizi (Al2O3, Cr2O3), aliaje autofondante (FeNiBSi), carburi (Cr2C2, WC12Co), materiale ceramice sau plastic.

 FIGURA 4. Fluxul procesului PVD

Există diverse tehnologii de pulverizare ter­mică, dintre care pot fi amintite următoarele:

• pulverizare termică cu gaze combustibile;
• pulverizare termică cu arc electric;
• pulverizare termică cu plasmă;
• pulverizare termică cu depunerea metalelor la viteză supersonică (HVOF - High Velocity Oxy-Fuel).

 1.2 Depunerea de vapori

Depunerea de vapori (în engleză - vapor deposition -VD) se referă la orice proces la care materialele sunt transformate din stare gazoasă în stare lichidă prin condensare sau o reacție chimică. Aceste procese sunt utilizate pentru a obține acoperiri care să asigure o bună rezistență la coroziune, dar și îmbunătățirea proprietăților optice, termice, electrice, mecanice și de uzură ale substraturilor.

Procesele de depunere de vapori au loc, de obicei, într-o incintă vidată, unde materialul de acoperire este încălzit electric și evaporat, vaporii formați fiind depuși pe suprafața ce trebuie aco­perită. Cele mai des întâlnite tehnologii de depu­nere de vapori sunt:

• depunerea fizică de vapori (Physical apor deposition - PVD);
• depunerea chimică de vapori (Chemical vapor deposition - CVD)

a) Depunerea fizică de vapori (PVD) descrie procesul în care, în primă fază, materialul sursă trece prin evaporare, din faza solidă sau lichidă, în faza de vapori și, după transport și depunere, condensează formând un strat subțire (figura 4), care acoperă suprafața unei piese. Principalele tehnici PVD sunt: pulverizarea, implantarea ionică și evaporarea în arc.

PVD este folosită pentru a depune straturi subțiri în scopul îmbunătățirii unor proprietăți mecanice, chimice, optice sau electronice, cum ar fi pen­tru dispozitive semiconductoare, panouri solare, ambalarea produselor alimentare, roți dințate, elemente de ștanțe/matrițe sau scule așchietoare. Cele mai frecvente materiale de acoperire aplicate de PVD sunt: nitrura de titan (TiN), nitrura de crom (CrN), nitrura de zirconiu (ZrN) și nitrura de titan și aluminiu (AlTiN).

 În comparație cu alte tehnologii de depunere, PVD are următoarele avantaje:

• este mai ecologică decât tehnologiile de acoperire tradiționale, cum ar fi galvanizarea sau vopsirea;
• posibilitatea de a utiliza o gamă variată de acoperiri organice și anorganice pe diverse sub­straturi, folosind diferite clase de finisare;
• acoperirea este mai rezistentă la coroziune și mai dură decât acoperirile realizate prin galva­nizare;
• majoritatea acoperirilor PDV își mențin rezistența la solicitări de impact și la temperaturi ridicate;
• excelentă rezistență la abraziune și dura­bilitate.

Dintre dezavantajele metodei, pot fi enu­merate următoarele:

• rată de depozitare relativ scăzută;
• necesită un sistem de răcire care să disipe o cantitate ridicată de căldură;
• tehnologiile PVD operează în condiții de vacuum (vid) și temperaturi foarte înalte, ceea ce impune personal calificat;
• tehnologia implică costuri de capital (inves­tiții) ridicate

b) Depunerea chimică de vapori (CVD) a fost inițial considerată o subramură a PVD, dar odată cu trecerea timpului și dezvoltarea de noi procedee, distincția dintre CVD și PVD a devenit evidentă.

În procedeele tipice de acoperire CVD, gaze reactive, adesea diluate în așa-numitele gaze purtătoare, sunt aduse la temperatura ambiantă, într-o cameră de reacție. Acest amestec gazos se încălzește pe măsură ce se apropie de suprafața piesei de prelucrat care este plasată pe un substrat încălzit. În funcție de condițiile de funcționare, gazele reactive pot fi supuse unor reacții chimice omogene în fază de vapori înainte de impactul cu suprafața de lucru.

Etapele implicate în procesul de depunere chi­mică de vapori și schema unui reactor CVD sunt prezentate în figura 5.

•  FIGURA 5. Depunerea chimică de vapori(a - diagrama procesului; b - reactor CVD)

CVD este folosit pentru a depozita diverse materiale, inclusiv: carburi, nitruri, oxinitruri, nitrură de titan, carbon sau wolfram, atunci când tehnologiile tradiționale de acoperire nu pot realiza acest lucru.

CVD are următoarele avantaje:

• puritate înaltă a stratului și rată de depunere ridicată;
• procesul este avantajos economic, deoarece pot fi tratate simultan mai multe piese;
• tehnologia CVD poate fi aplicată în cazul depunerii de materiale greu evaporabile;
• poate depune orice element sau amestec. Dintre dezavantajele procedeului pot fi enumerate următoarele:
• procesul este toxic și coroziv;
• la fel ca și PVD, necesită temperaturi ridicate;
• fiind un proces complex, necesită operatori calificați;
• costuri investiționale ridicate.

1.3 Fluoropolimerizarea cu Xylan 1052

Așa cum s-a amintit și în capitolul anterior, dispersia Xylan 1052 a fost dezvoltată special pentru ameliorarea uzurii în condiții de lucru cu frecare și în lipsa unei lubrefieri corespunzătoare.

În mod uzual, fiecare depunere în strat subțire conține pori. Toate depunerile organice sunt în mod inevitabil însoțite de formarea unor pori mici, dar vizibili. Porii sunt perforații care apar pe suprafața depunerii, datorită curgerii incomplete a bulelor care explodează în timpul aplicării. Familia de fluoropolimeri Xylan a fost dezvoltată pentru a maximiza curgerea și a minimiza formarea de bule. Un singur strat de aplicație fluoropolimerică nu garantează lipsa completă a porilor. De aceea, pentru depunerile de pe flancurile dinților roților  dințate se aplică două straturi de dispersie Xylan 1052.

Tehnologia de teflonare constă, în principal, din următoarele operații:

• degresarea reperelor;
• sablarea danturilor, cu protejarea celorlalte suprafețe;
• degresare;
• pulverizarea primului strat de teflon pe flancurile dinților;
• uscare;
• inspecția vizuală a primului strat aplicat;
• pulverizarea celui de-al doilea strat de Teflon pe flancurile dinților;
• uscare;
• inspecția vizuală a celui de-al doilea strat aplicat;
• tratamentul termic de reticulare a straturilor fluoropolimerice aplicate;
• controlul final.

Bibliografie

1. Korka Z., Cercetări privind reducerea vibrațiilor la transmisiile cu roți dințate cilindrice, Teză de doctorat, Universitatea „Eftimie Murgu” din Reșița, 2009.

2. Korka Z., Analiza câmpului sonor generat de surse multipunct de contact, Teză de abilitare, Universitatea din Pitești, 2016.