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在条件苛刻的应用中延长精密部件的使用寿命

PVD涂层可减少磨损、粘着磨损、微动磨损和点蚀

专用的PVD涂层可提高精密零部件（如轴承、齿轮和滚子）的表面硬度和耐用性，从而显著延长高负载条件下的使用寿命。

尽管轴承、齿轮、滚子和其他精密零部件通常由硬化钢或金属合金制成，但在高负载应用中使用，仍可能因过度磨损、表面疲劳、点蚀、磨损和腐蚀而失效。


(图片：欧瑞康巴尔查斯)

在具有金属与金属相互作用、高速重复摩擦或几乎没有润滑的应用中，这种情况会更加严重。其他因素包括污染物的存在、主要的使用温度、施加的负载以及滑动、滚动、振荡和脉动等负载模式。

为了解决这个问题，产品工程师和组件制造商经常会选择可以涂层0.5到5微米 (µm) 厚度的专用 PVD（物理气相沉积）涂层，以进一步硬化这些零件的表面。

通过应用针对这些恶劣环境进行优化的涂层，组件可以受益于增加的表面硬度和更低的摩擦系数 (COF)。因此，无需频繁更换这些关键部件（如果需要的话），从而减少维护和计划外停机时间，同时提高机械性能。

如今，这些被涂层过的部件应用于从高性能汽车和赛车到风电机组主轴轴承和行星齿轮的各种应用，还应用于加工食品的不锈钢切割刀片和柱塞泵，以及灌装和装瓶机械的滑动部件。PVD涂层也是一种经过验证的技术，可用于升级液压马达、泵和阀门中的关键旋转部件。

(图片: Shutterstock)
 

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硬化部件和替代涂层技术
许多组件根本没有涂层。相反，这些零件通常由热处理、氮化或表面硬化钢以及耐用的高性能材料（如钛或镍基合金）制成。即使是那些用于高负载、高磨损应用的设备，在润滑不良的情况下也会出现磨损和过早失效。有些行业根本不允许润滑，例如低温和真空系统、洁净室、食品和制药设备。

在这种情况下，工程师经常会想到使用各种涂层、电镀或氮化选项来修改表面，以提高耐磨性和耐腐蚀性，比如用黑色氧化物涂覆零件。黑色氧化物是由黑色金属表面的铁与氧化盐之间的化学反应产生的涂层。涂油后，表面可提供防腐蚀保护、改善润滑性并防止金属与金属相互作用期间的磨损。

然而，黑色氧化物不是很耐用，在重复性高负载应用中会很快磨损。

PTFE（聚四氟乙烯）是另一种流行的涂层替代品，以其低摩擦系数而闻名，但也不建议用于会磨损的高负载应用。

硬铬和化学镀镍也经常被用于提供抗磨损和腐蚀保护。尽管硬铬适用于经历过磨料磨损的部件，但该工艺固有的微裂纹限制了其抗腐蚀的使用。 虽然这可以通过增加表面硬度的薄涂层来解决，但这些解决方案只能提供有限的耐磨性。化学镍可应用于一系列硬度，但是最大值仅为600 HV（维氏硬度）。 对污染化合物、排放物或残留物的担忧也与这些电镀技术有关。

专用 PVD 涂层
物理气相沉积 (PVD) 描述了多种可用于生产薄涂层的真空沉积方法。PVD涂层通常用于在 200-500 °C的相对较低的涂层温度下对组件进行涂层。这些温度是理想的，因为它们低于钢的回火温度，以避免改变基本的材料特性。

幸运的是，有几种碳基涂层可提供极端表面硬度、低摩擦系数和防腐蚀特性的独特组合，正如全球领先的涂层供应商欧瑞康巴尔查斯提供的那样。

据欧瑞康巴尔查斯通用工程部件市场部经理Florian Rovere 博士介绍，该公司的 BALINIT® C 涂层是一种 WC/C 韧性碳化物涂层，特别具有高度的抗粘着磨损（擦伤）性能。即使在润滑不足或干接触的情况下，它也具有很高的承载能力。由于其较低摩擦系数，它可以减少点蚀和微动腐蚀。

另一个例子是 BALINIT® DLC 涂层，这是一种更耐用的无金属碳基涂层。该涂层通过等离子辅助化学气相沉积 (PACVD) 应用，专为更严重的磨损条件和较高的相对滑动速度而设计，以防止磨损、划伤和冷焊。

BALINIT® 系列中针对特定要求定制的这些涂层和其他涂层可应用于各种表面硬化或回火钢、奥氏体不锈钢以及镍、钛、铜、镁和铝合金。

“这些材料提供了与PTFE 一样的低摩擦系数和陶瓷硬度的完美结合，”Rovere 解释道。

该涂层还具有薄的优点，通常为0.5-5 μm。这个特征与紧密公差相结合，意味着组件在涂层后可以保持其形状、配合和尺寸，无需重新加工。

潜在应用

轴承
轴承经常遭受严重且分布不均的磨粒磨损。BALINIT C 等涂层特别适用于表面硬化钢以及滚珠和滚柱轴承钢，因为它可以在 200 °C 以下的温度下施工。

PVD涂层不仅可以应用于内外圈和气缸，还可以应用于滚珠轴承中的滚珠，涂层厚度为0.5-1μm。 粗糙度的轻微增加被涂层良好的抛光质量所抵消，使内圈和外圈的滚道平滑，提供额外的保护，防止擦伤和点蚀。


使用BALINIT® C (WC/C) 涂层的环和滚筒可显着延长使用寿命、降低摩擦并且在此干运转轴承测试中几乎没有磨损。(图表：欧瑞康巴尔查斯）

造纸机的软压延辊中的轴承经常出现拖尾现象。 PVD涂层不仅减少了涂抹的可能性，而且通过涂层使轴承更硬，已经证明这些部件的寿命可以增加三到四倍。因此，造纸厂能够推迟轴承更换，直到压延辊需要重新研磨，从而显着减少代价高昂的生产停机时间。

同样，压缩机中的圆柱滚筒轴承经常承受低负载和振动，从而导致潜在的拖尾。在轴承上应用 PVD 涂层可消除此类可能性。

齿轮
齿轮也有经历类似的磨损情况，PVD涂层也显着减少了齿轮的磨损和点蚀。事实上，BALINIT C 已被证明可以将高速齿轮的使用寿命延长四倍。

FZG C 标准测试表明，与表面硬化但未涂层的齿轮相比，疲劳强度提高了 10-15%。 在测试中，齿轮使用寿命的失效标准被定义为由于点蚀造成的单齿磨损 4%。


BALINIT® C (WC/C) 将表面硬化齿轮的承载能力（疲劳耐力极限）提高 10-15%。原因是由于涂层的摩擦和磨合降低导致赫兹应力降低。（图表：欧瑞康巴尔查斯）

改进这些数据的主要因素是较低的局部表面压力（赫兹压力），这是由于滚动接触中摩擦的减少，以及 BALINIT C出色磨合性能。

涂层还可以使涡轮受益。涡轮其中的润滑并不总是能足以保护斜齿轮传动免受摩擦和磨损。涡杆和齿轮面之间的滑动运动和力使润滑油难以成膜。出于这个原因，涡轮通常由青铜制成，以避免磨损。

然而，在使用中，青铜齿轮的齿磨损很快，必须重新调整或更换涡轮。用碳基涂层涂覆钢涡杆可以通过减少涡杆和青铜齿轮的磨损来提高其可靠性和性能。

泵、压缩机
螺杆泵、叶片泵、齿轮泵、凸轮泵和离心泵通常在具有磨蚀性和润滑性差的介质中工作。这可能是磨床中的冷却介质，例如螺杆泵和内齿轮泵。使用BALINIT系列涂层的螺钉提供了较高的硬度和低摩擦力的理想组合，可防止在这种润滑不良的条件下发生磨损。


与氮化钢 DIN 1.7131 相比，用于丝杠主轴的 BALINIT® DLC 在磨削冷却介质中的使用寿命显着延长。（图表：欧瑞康巴尔查斯）

同样，当在无油运行、干燥气体、制冷剂、高温或低温限制润滑剂的使用的条件下，往复式活塞、螺杆或阀板等工业压缩机部件可能会遭受广泛磨损。

定制的涂层解决方案
除了设计和制造 PVD 涂层设备外，欧瑞康巴尔查斯还在全球110 多个涂层中心提供服务。

根据 Florian Rovere 的说，欧瑞康巴尔查斯拥有研发能力来定制涂层解决方案以满足独特的要求。除了涂层厚度和硬度外，还可以精确控制其结构、耐化学性和耐温性以及附着力等性能。

在大多数情况下，不需要改变涂层的配方，因为它已经针对高负载、高摩擦环境进行了优化。 “我发现工程师在了解这些专用 PVD 涂层时最惊讶的是两个因素，” Rovere 说，“首先，涂层的厚度可以低至 0.5 或 1 微米。另一个因素是，尽管操作条件很困难，但这些涂层可以维持机器或系统的使用寿命。”

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Petra Ammann

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欧瑞康巴尔查斯通讯部负责人
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