Čtyři procesy tepelného zpracování pro šikmá ozubená kola – srovnání
| Proces | Tvrdost povrchu | Tvrdost jádra | Hloubka pouzdra | σ_H limit (MPa) | Zkreslení | Broušení po HT | Relativní náklady |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| QT (kalení a popouštění) | HB 220–350 | Stejný průřez | Žádný případ – skrz kalené | 490–680 | Minimální | Volitelné (vhodné pro odvalování) | 1,0× |
| Indukční kalení | HRC 50–58 | HRC 28–38 (jádro QT) | 0,5–5 mm (frekvenčně řízené) | 820–1050 | Mírné – lokální tepelné namáhání | Požadováno pro DIN třídu 5–6 | 1,4–1,8× |
| Cementace plynem + Q + T | HRC 58–62 | HRC 30–38 | 0,5–3,0 mm (časově řízené) | 1500–1800 | Vysoká — plný cyklus pece | Povinné pro třídu DIN 5–7 | 2,0–2,8× |
| Plynová nitridace | HV 700–1050 (HRC 62+) | HRC 28–38 (QT před HT) | 0,1–0,6 mm (mělké) | 1100–1450 | Velmi nízká (max. 520 °C) | Obvykle není vyžadováno | 2,2–2,8× |
Proces 1: Kalení a popouštění (QT) – základní linie pro měkký bok zubu
QT (kalení a popouštění) je nejjednodušší tepelné zpracování pro spirálové ozubené kolo Jakosti oceli: kovaný nebo tyčový polotovar se austenitizuje při 820–880 °C, kalí v oleji nebo vodě a poté popouštějí při 550–680 °C na cílovou tvrdost. Výsledkem je rovnoměrně kalený, houževnatý průřez bez povrchového obalení. Povrchová tvrdost je omezena teplotou popouštění – HB 220 odpovídá stavu přibližně 630 °C; HB 320 stavu přibližně 560 °C.
QT šikmá ozubená kola se řežou po cyklu QT – zuby ozubeného kola se odvalují nebo tvarují v konečném kaleném stavu (HB 220–350 je snadno kompatibilní s asijským trhem). Po obrábění zubů se nepoužívá žádné tepelné zpracování, takže není nutná žádná náprava deformace a je možné dosáhnout přesnosti třídy DIN 7–9 přímým odvalováním. QT je správná specifikace, když: aplikované zatížení je v rozsahu σ_H lim 490–680 MPa; broušení se neplánuje; a ozubené kolo je v nekritickém obecném průmyslovém pohonu pod rychlostí na ose stoupání 15 m/s.
Proces 2: Cementace v plynu – standard pro prémiová šikmá ozubená kola
Nauhličené spirálové ozubené kolo — povrch HRC 58–62, typicky s efektivní hloubkou pouzdra 0,8–2,0 mm (do HV 550), poskytuje σ_H lim 1500–1800 MPa a je určen pro většinu přesných obrobků v automobilovém průmyslu, elektromobilech, CNC, námořních a těžkém průmyslu spirálové ozubené kolo celosvětová produkce
Cyklus cementace – parametry procesu
Cementace plynem obohacuje povrch zubu spirálové ozubené kolo nízkouhlíkovou legovanou ocel (obvykle 20CrMnTi nebo 17CrNiMo6) s uhlíkem vystavením atmosféře endotermického plynu + obohacovacího plynu (propanu nebo zemního plynu) při teplotě 880–940 °C. Uhlík difunduje dovnitř od povrchu a vytváří koncentrační gradient uhlíku, který po kalení a popouštění vytváří tvrdý martenzitický povrch nad houževnatým jádrem s nižším obsahem uhlíku:
Austenitizační teplota
880–940 °C. Vyšší teplota zvyšuje rychlost difúze uhlíku, ale u některých ocelí riskuje růst zrn. 17CrNiMo6 snáší 940 °C bez růstu zrn; 20CrMnTi je omezen maximálně na 920 °C.
Řízení uhlíkového potenciálu
Atmosférický uhlíkový potenciál C_P = 0,75–0,851 TP3T během cementace; během difuzní fáze snížen na 0,65–0,701 TP3T pro zploštění profilu nátěru. Monitorováno sondou CO₂ nebo O₂ v peci.
Řízení hloubky pouzdra
Efektivní hloubka pouzdra (do HV 550) ≈ 0,18 × √čas při teplotě [hodiny]. Cíl 0,8 mm: celkový cyklus přibližně 20 hodin. Cíl 1,5 mm: přibližně 70 hodin. Čas jsou náklady na proces.
Uhasit a zmírnit
Kalení v oleji z 820–840 °C na okolní teplotu. Popouštění při 150–200 °C po dobu 2 hodin – snižuje zbytkové napětí a křehkost při zachování tvrdosti HRC 58–62. Vyšší teploty popouštění snižují tvrdost povrchu pod specifikaci.
Proces 3: Indukční kalení – Selektivní povrchové kalení velkých ozubených kol
Indukční kalení využívá elektromagnetickou indukci k ohřevu spirálové ozubené kolo povrch zubu se rychle (obvykle během 1–10 sekund na zub nebo na průchod skenováním) ohřeje na austenitizační teplotu, následované okamžitým kalením. Zahřívá se a kalí se pouze povrch v hloubce elektromagnetického pronikání – jádro si zachovává svou tvrdost před indukcí (obvykle QT HB 280–320 pro 42CrMo). Výsledek: tvrdý povrch, houževnaté jádro s hranicí mezi pouzdrem a jádrem v řízené hloubce určené frekvencí induktoru:
| Frekvence induktoru | Hloubka průniku | Vhodný převodový modul | Kalení vzoru |
|---|---|---|---|
| 450 kHz (vzduchový tok) | 0,3–0,8 mm | M2–M5 | Pouze povrch; kopírování kontury profilu zubu |
| 10–30 kHz (střední frekvence) | 1,0–2,5 mm | M5–M16 | Částečné pouzdro kopírující obrys zubu; průchozí zub pro menší moduly |
| 1–3 kHz (nízký kmitočtový rozsah) | 3–6 mm | M16–M40+ | Kalení skrz zub u velkých modulů; hranice mezi pouzdrem a jádrem pod kořenem |
Indukční kalení je obzvláště vhodné pro velkomodulové šikmá ozubená kola (M16–M50) pro těžební provozy, cementárny a válcovny, kde by plynová cementace vyžadovala neprakticky dlouhé cykly pece (70–200 hodin pro hloubku pouzdra 2–5 mm) a způsobovala by nezvladatelné deformace u polotovarů s velkým průřezem. Indukční kalení lokálně zahřívá a kalí, čímž vytváří menší celkovou deformaci než plný cyklus pece – ačkoli složitý teplotní gradient stále vyžaduje dodatečné broušení pro třídu DIN 5–7.
Proces 4: Nitridace v plynu – rozměrová stabilita ozubených kol obráběcích strojů
Plynová nitridace difunduje dusík do povrchu pre-QT spirálové ozubené kolo ocel (obvykle 38CrMoAl, ale také 42CrMo a 40Cr pro průmyslová ozubená kola) při 490–530 °C – hluboko pod transformační teplotou. Dusík se slučuje s legujícími prvky (Cr, Mo, Al) za vzniku extrémně tvrdých nitridových sraženin, které produkují povrchovou tvrdost HV 700–1050 bez jakékoli fázové transformace. Absence transformace znamená:
- Minimální zkreslení: Rozměrová změna během nitridace je typicky 0,010–0,030 mm – ve srovnání s 0,05–0,25 mm při cementaci. A spirálové ozubené kolo Přesně odvalované podle DIN třídy 6 před nitridací obvykle zůstává po nitridaci podle DIN třídy 6–7 bez dalšího broušení.
- Žádné zhášení: Ozubené kolo se v atmosféře pece pomalu ochlazuje, čímž se zcela eliminuje deformace způsobená kalením.
- Tvorba bílé vrstvy: Vnější vrstva o tloušťce 5–20 µm tvoří složenou vrstvu (bílá vrstva, ε-Fe₂₋₃N + γ'-Fe₄N), která je tvrdá, ale křehká. U aplikací s ozubenými koly musí být tato vrstva omezována na méně než 15 µm, aby se zabránilo křehkému odlupování povrchu. Bílá vrstva se obvykle odstraňuje lapováním nebo zadáním kontrolovaných parametrů nitridace, které minimalizují její tloušťku.
Jak specifikovat tepelné zpracování na výkresu šikmého ozubeného kola
| Proces | Příklad popisu výkresu | Metoda ověření |
|---|---|---|
| QT | 42CrMo4 dle DIN EN 10083 — Q + T — HB 280–320 | Brinellova zkouška na čelní ploše ozubeného kola (3 body); vzorek zkoušky tahem ze stejné tavky |
| Indukce | 42CrMo4 QT HB 280 před tepelnou úpravou (HT) — indukčně kalené — HRC 50–55; efektivní hloubka pouzdra min. 1,0 mm při HRC 45 | Rockwellův test na boku zubu; metalografický řez potvrzující hloubku rozhraní mezi jádrem a pouzdrem zubu |
| Cementace | 20CrMnTi — cementace v plynu, kalení v oleji, popouštění 180 °C — bok zubu HRC 58–62; efektivní hloubka pouzdra 0,8–1,2 mm (do HV 550); jádro HRC ≥ 30 | Rockwellova zkouška na povrchu boku zubu; tvrdostní traverza (Vickers 5 kg) od povrchu k jádru; metalografický řez |
| Plynová nitridace | 38CrMoAl QT HRC 32–36 před tepelnou úpravou (HT) — nitridováno plynem 520 °C 50 h — povrchová HV min. 750 (±25 µm hloubka testu); vrstva směsi max. 15 µm | Mikrotvrdost dle Vickerse 25–50 µm; tloušťka bílé vrstvy měřená metalografickým řezem metodou Nital etch |
Korea Ever-Power – Všechny čtyři procesy interně
Tvrdý bok zubu spirálové ozubené kolo — cementace, kalení v oleji, popouštění a následné broušení metodou HÖFLER dle DIN třídy 5: kombinace dvou procesů, která poskytuje kontaktní únavovou pevnost 1500–1800 MPa při odolnosti proti opotřebení boku zubu ≤0,4 µm a potvrzené hloubce pouzdra pomocí traverzy tvrdosti
Společnost Korea Ever-Power provádí interně kvantitativní měření (QT), indukční kalení, cementaci v plynu a nitridaci v plynu. Standardní kontrolní dokumentace ke každé objednávce zahrnuje záznamy z pecí, měření tvrdosti a metalografické protokoly o řezech. ozubené kolo se spirálovým řezem V případě objednávek vyžadujících osvědčení klasifikační společnosti o tepelném zpracování (DNV, LR, ABS, KR) zajišťuje Korea Ever-Power účast inspektora a poskytuje požadovaný protokol o tepelném zpracování s razítkem třídy. Jako přímý výrobce šikmých ozubených kol Díky všem procesům pod jednou střechou je sledovatelnost tepelného zpracování nepřerušená od kovaného polotovaru až po hotové ozubené kolo – eliminují se tak mezery v dokumentaci, které vznikají při zadávání tepelného zpracování subdodávkami.
Často kladené otázky
Při stejné jmenovité tvrdosti povrchu (např. HRC 58), plynem cementovaná spirálové ozubené kolo má vyšší kontaktní únavovou pevnost než indukčně kalené ozubené kolo kvůli třem faktorům. Zaprvé, cementovaná pouzdra má postupný gradient uhlíku, který vytváří tlaková zbytková napětí v podpovrchové zóně – přímo proti šíření důlkových trhlin. Zadruhé, slitiny 20CrMnTi nebo 17CrNiMo6 používané pro cementaci mají po cementačním cyklu jemnější zrnitou strukturu, což jim poskytuje vyšší odolnost proti únavě na jednotku tvrdosti. Zatřetí, hloubka cementované pouzdry (0,8–2,5 mm) je větší než u indukčně kalených pouzder při vyšších frekvencích, což udržuje vrchol Hertzova napětí hluboko uvnitř pouzdra pro aplikace s vysokým kontaktním napětím.
Pouze pokud je základní ocel cementační třídy (nízkouhlíková, např. 20CrMnTi). A spirálové ozubené kolo Již nařezaný 42CrMo (střední obsah uhlíku, 0,38–0,45% C) nelze nauhličovat – základní obsah uhlíku je již vyšší než cílový obsah uhlíku, takže regulace uhlíkového potenciálu v peci by ve skutečnosti povrch spíše oduhličovala, než obohacovala. Správným postupem pro 42CrMo je indukční kalení nebo nitridace, nikoli nauhličování. Pokus o nauhličování 42CrMo spirálové ozubené kolo Výsledkem je špatné formování písmen a je to běžná chyba ve specifikaci odhalená ve fázi kontroly výkresů společností Korea Ever-Power.
Broušení a hoření v spirálové ozubené kolo nastává, když teplo generované během broušení překročí lokální rychlost odvodu tepla, krátce zahřeje povrch boku zubu nad teplotu popouštění a vytvoří tenkou znovu popouštěnou zónu se sníženou tvrdostí – viditelnou jako žlutý až modrý tepelný odstín při správném osvětlení nebo jako anomální Barkhausenova šumová signatura. V extrémních případech je povrch znovu kalen (bílá vrstva nepopuštěného martenzitu viditelná na metalografickém řezu nital leptáním). Broušení spalováním snižuje kontaktní únavovou životnost o 30–70% a představuje hlavní riziko pro kvalitu při broušení po cementaci. Detekce: nital leptání vzorku z každé šarže (standardní postup Korea Ever-Power) nebo skenování Barkhausenova šumu 100% pro přesný automobilový průmysl. šikmá ozubená kola.
Efektivní hloubka případu (ECD) pro spirálové ozubené kolo je hloubka, ve které tvrdost klesá na HV 550 (HRC 52) – hranice, pod kterou tvrdost již není dostatečná k odolání iniciaci důlkových trhlin. Celková hloubka povrchu (TCD) je hloubka, ve které tvrdost se rovná tvrdosti jádra + 50 HV – vnější hranici obohacení uhlíkem. ECD je vždy mělčí než TCD o 20–50%, v závislosti na slitině a podmínkách kalení. Pro spirálové ozubené kolo Specifikace: vždy specifikujte ECD (podle HV 550 nebo dle požadavků na kontaktní napětí), protože ECD přímo určuje hloubku únavové odolnosti v spirálové ozubené kolo hloubka zóny odolné únavě. Pokud je specifikována pouze TCD, může se ozubené kolo v laboratoři jevit jako ozubené kolo s dostatečnou hloubkou pouzdra, ale v provozu s nedostatečnou hloubkou odolnou únavě.
Potvrďte tepelné zpracování pro vaši aplikaci se šikmým ozubeným kolem
Inženýrský tým společnosti Korea Ever-Power potvrzuje správný proces tepelného zpracování, cílovou tvrdost, hloubku pouzdra a specifikaci výkresu pro vaši aplikaci – na základě přenášeného zatížení, jakosti materiálu, velikosti ozubeného kola a požadavků na následné broušení. Všechny čtyři procesy provádíme interně s kompletní dokumentací.
QT · Indukce · Cementace v plynu · Nitridace v plynu · Průzkum tvrdosti · Průřez hloubky pouzdra · Svědek třídní společnosti k dispozici
Střihač: Cxm
