Материалы шестеренок и их термообработка

Механизмы играют важную роль в производительности многих продуктов, на которые мы опираемся в повседневной жизни. Когда мы думаем о передачах, мы обычно разделяем их на две категории – движение и передача мощности.

Передаточные механизмы, как правило, изготавливаются из цветных или пластмассовых материалов, а несущие приводные механизмы обычно изготавливаются из черных сплавов и предназначены для работы в тяжелых условиях.

Материалы редуктора

Механизмы передачи энергии вовлекают большое разнообразие сталей и чугунов. На всех зубчатых передачах выбор материала должен быть сделан только после тщательного рассмотрения характеристик, требуемых конечным применением и общей производственной себестоимости, с учетом таких вопросов, как экономика до и после обработки.

Основные конструктивные соображения требуют анализа типа прикладываемой нагрузки – постепенной или мгновенной – и требуемых механических свойств, таких как усталостная прочность на изгиб или износостойкость, которые будут определять прочность сердечника и требования к термообработке.

Для дизайнера важно понимать, что каждая область в профиле зубчатого колеса видит различные требования к обслуживанию. Необходимо учитывать силы, которые будут действовать на зубья зубчатого колеса, причем изгиб зубьев и контактное напряжение, устойчивость к царапинам и износу, а также проблемы усталости имеют первостепенное значение. В корневой зоне, например, хорошая твердость поверхности и высокое остаточное сжимающее напряжение желательны для повышения выносливости или усталостной долговечности при изгибе. При диаметре шага сочетание высокой твердости и достаточной подповерхностной прочности необходимо для того, чтобы выдерживать контактное напряжение и износ, а также предотвращать откалывание. Например, некоторые факторы, которые влияют на усталостную прочность:

Распределение твердости, функция:

• Твердость корпуса.

• Глубина корпуса.

• Твердость сердечника.

Микроструктура, функция:

• Процент остаточного аустенита.

• Размер зерна.

• Размер, тип и распределение карбида.

• Немартенситные фазы.

Контроль дефектов, функция:

• Остаточное сжимающее напряжение.

• Поверхностная обработка и геометрия.

• Межзерновая прочность.

Таким образом, в общей схеме производства должна существовать синергетическая связь между процессом выбора материала, инженерным проектированием и производством (включая термообработку). Баланс приоритетов в каждой дисциплине должен быть достигнут, чтобы достичь оптимизации, необходимой для максимальной производительности конструкции редуктора.

Это часто не простая задача.

Методы термообработки в атмосфере

Карбюризация

Атмосферная цементация является наиболее распространенным из применяемых сегодня методов упрочнения корпуса и может работать с разнообразным диапазоном размеров деталей и конфигураций нагрузки. В общем, правильно науглероженный редуктор сможет выдерживать нагрузку на 30–50% больше, чем закаленный. Примеры обычно науглероженных зубчатых сталей включают в себя марки SAE 1018, 4320, 5120, 8620 и 9310, а также международные марки, такие как 20MnCr5, 17CrNiMo6, 18CrNiMo7-6 и 20MoCr4.

Атмосферная цементация обычно выполняется в диапазоне температур 870–955 °C (1600–1750 °F), хотя для глубокой работы используются температуры, приближающиеся к 1010 °C (1800 °F). Глубина науглероживания корпуса варьируется в широком диапазоне, обычно 0,13–8,25 мм (0,005–0,325 дюйма).

Нитроцементации

Карбонитрирование является модификацией процесса науглероживания, а не формой азотирования. Эта модификация состоит из введения аммиака в атмосферу науглероживания, чтобы добавить азот в науглероженный корпус по мере его производства. Примеры зубчатых сталей, которые обычно являются карбонитрированными, включают AISI 1018, 1117 и 12L14.

Как правило, карбонитрирование проводится при более низкой температуре, чем науглероживание – между 700–900 °C (1300–1650 °F) – и в течение более короткого времени. Объедините это с тем фактом, что азот ингибирует диффузию углерода и, как правило, это более мелкий случай, чем это характерно для науглероженных деталей. Углеродный корпус обычно имеет глубину 0,075–0,75 мм (0,003–0,030 дюйма).

Азотирование

Азотирование – это еще один процесс обработки поверхности, целью которого является повышение твердости поверхности. Одна из привлекательных сторон этого процесса заключается в том, что быстрое гашение не требуется. Следовательно, размерные изменения сведены к минимуму. Он не подходит для всех передач. Одним из его ограничений является то, что изготовленный корпус с чрезвычайно высокой твердостью поверхности имеет более хрупкую природу, чем полученный в процессе науглероживания. Несмотря на этот факт, азотирование оказалось жизнеспособной альтернативой в ряде применений. Примеры обычно азотированных зубчатых сталей включают SAE 4140, 4150, 4340 и Nitralloy 135M.

Азотирование обычно проводится в температурном диапазоне 495–565 °C (925–1050 °F). Свойства глубины корпуса и твердости корпуса зависят не только от продолжительности и типа азотирования, но также от состава стали, предшествующей структуры и твердости сердечника. Как правило, глубина корпуса составляет от 0,20 до 0,65 мм (0,008–0,025 дюйма), и на изготовление уходит от 10 до 80 часов.

Нитроцементации

Нитрокарбюризация – это модификация азотирования, а не форма науглероживания. В процессе азот и углерод одновременно вводятся в сталь, когда она находится в ферритном состоянии (то есть при температуре ниже той, при которой аустенит начинает образовываться во время нагрева). Во время процесса образуется очень тонкий «белый» или «составной» слой, а также нижележащая «диффузионная» зона. Как и азотирование, быстрое охлаждение не требуется. Примеры зубчатых сталей, которые обычно являются нитроуглеродистыми, включают марки SAE 4140, 5160, 8620 и некоторые инструментальные стали.

Нитрокарбонизация обычно выполняется при 550–600 °C (1025–1110 °F) и может использоваться для получения минимальной твердости 58 HRC, причем это значение увеличивается в зависимости от основного материала. Глубина белого слоя варьируется от 0,0013 до 0,056 мм (0,00005–0,0022 дюйма), причем типичными являются зоны диффузии от 0,03 до 0,80 мм (0,0013–0,032 дюйма).

Вакуумные методы термообработки

Вакуумная обработка может использоваться для большинства упомянутых выше обработок в атмосфере, включая цементацию. Продолжается прогресс в области цементации под низким давлением (LPC) передовых применений на аэрокосмическом, автомобильном, внедорожном и автомобильном рынках, особенно в разработке циклов науглероживания высокопроизводительных материалов

Эффективная глубина корпуса для большинства сортов варьируется от 2,0–3,0 мм (0,080–0,120 дюймов) без значительного ущерба для микроструктуры. Переменные в печи, такие как однородность температуры (±3 °C или ±5 °F), параметры контроля цикла для контроля карбида (расход, давление, тип углеводорода) и выбор поверхностного углерода (0,42–1,05% C) могут привести к однородности корпуса ±0,05 мм (±0,002 дюйма). Там, где это разрешено, диапазон температур науглероживания теперь включает использование высокотемпературных методов. Все эти передовые материалы требовали всесторонних испытаний для разработки специально разработанных рецептов для оптимизации параметров цикла. Кроме того, методы закалки улучшились, что позволило нам достичь желаемых свойств сердечника с помощью выбора параметров закалки (газ или масло под высоким давлением) для чувствительных к искажению и склонных к искажению геометрических характеристик деталей.

Методы индукционной закалки

При изготовлении зубчатых колес используются различные методы упрочнения с использованием приложенной энергии, включая пламя, лазерное упрочнение поверхности и индукцию.

Из различных видов обработки с применением энергии наиболее распространенной является индукционная закалка. Индукционный нагрев – это процесс, в котором используется переменный электрический ток для индукции магнитного поля, вызывающего нагрев поверхности зубчатого колеса. Затем область гасят, что приводит к увеличению твердости в отапливаемой области. Этот процесс обычно выполняется за относительно короткое время. Конечные требуемые характеристики зубчатой передачи определяются не только профилем твердости и напряжениями, но также составом стали и предшествующей микроструктурой. Внешние цилиндрические и цилиндрические зубчатые колеса, конические и червячные передачи, стойки и звездочки обычно закаливаются индукционно. Типичные зубчатые стали включают марки SAE 1050, 1060, 1144, 4140, 4150, 4350, 5150 и 8650 и многие другие.

Диаграмма твердости, полученная индукционным нагревом, зависит от типа и формы используемого индуктора, а также от метода нагрева. Закалка или быстрое охлаждение заготовки может быть осуществлено путем распыления или погружения в закалку. Среда, обычно используемая для закалки, представляет собой полимер на водной основе. Серьезность этого эффекта может контролироваться концентрацией полимера. Скорость охлаждения обычно находится где-то посередине между тем, что получается из чистой воды и масла. В некоторых необычных ситуациях сжатый воздух используется для закалки заготовки.

Наиболее распространенными методами закалки зубчатых колес и звездочек являются одиночный выстрел или зуб за зубом. Один выстрел часто требует больших киловаттных источников питания, но приводит к короткому времени нагрева / закалки и более высокой производительности. В этой технике используется медный индуктор (катушка), окружающий заготовку. Индуктор, который является окружным, укрепит зубы от кончиков вниз.

В то время как метод одиночного выстрела приемлем для шлицев и некоторых зубчатых передач, более тяжелые зубчатые колеса (где возникают точечная корка, отколы, усталость зубов и выносливость) нуждаются в более твердом профиле твердости, чем те, которые производятся с цементацией. Этот тип индукционной закалки называется зуб закалка. Этот метод ограничен для размеров зубьев шестерни до 5 или 6 DP с использованием частот от 2 до 10 кГц и около 10 DP с использованием диапазона от 25 до 50 кГц. Чем ниже частота, тем глубже глубина корпуса. Это медленный процесс из-за количества зубьев и времени индекса, и он обычно зарезервирован для передач и звездочек, которые слишком велики для одиночного выстрела из-за ограничений мощности. Процесс включает в себя одновременное нагревание области корня и боковых сторон при одновременном охлаждении каждой стороны соседнего зуба, чтобы предотвратить закалку на задней стороне каждого зуба. Индукционная система перемещает катушку с предварительно запрограммированной скоростью по длине редуктора. Катушка постепенно нагревает всю длину зубчатого сегмента, в то время как следящий закал сразу же охлаждает ранее нагретую область. Расстояние от катушки до зуба называется муфтой или воздушным зазором. Любое изменение этого расстояния может привести к изменению глубины, твердости и деформации зуба.

Механизм индексируется после закаливания каждого зуба, часто пропуская зуб. Это требует как минимум двух полных оборотов в процессе, чтобы завершить затвердение всех зубов. С помощью этого метода были обработаны прямые, цилиндрические и цилиндрические зубчатые колеса до 210 дюймов и 15 000 фунтов. Весь процесс дает повторяющийся мягкий кончик зуба с твердым корнем и боком. В других случаях наконечник и оба бока могут быть закалены одновременно и дают мягкий корень.

В заключение

Сегодня у инженера-проектировщика есть возможность выбирать из множества технологий термообработки для любого типа материала и конструкции зубчатой передачи. Секрет успеха в том, чтобы понять преимущества и недостатки каждой технологии и учесть их при определении общей стоимости изготовления зубчатых колес.