Štyri procesy tepelného spracovania pre špirálové ozubené kolesá – porovnanie vedľa seba
| Proces | Tvrdosť povrchu | Tvrdosť jadra | Hĺbka prípadu | σ_H limit (MPa) | Skreslenie | Brúsenie po HT | Relatívne náklady |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| QT (kalenie a popúšťanie) | HB 220–350 | Rovnaký prierez | Žiadny prípad – cez kalené | 490 – 680 | Minimálne | Voliteľné (vhodné pre odvaľovanie) | 1,0× |
| Indukčné kalenie | HRC 50–58 | HRC 28–38 (jadro QT) | 0,5–5 mm (frekvenčne riadené) | 820 – 1050 | Mierne – lokálne tepelné namáhanie | Požadované pre DIN triedu 5–6 | 1,4–1,8× |
| Plynová cementácia + Q + T | HRC 58 – 62 | HRC 30–38 | 0,5–3,0 mm (časovo riadené) | 1500 – 1800 | Vysoká — plný cyklus pece | Povinné pre triedy DIN 5–7 | 2,0–2,8× |
| Plynová nitridácia | HV 700–1050 (HRC 62+) | HRC 28–38 (QT pred HT) | 0,1–0,6 mm (plytké) | 1100 – 1450 | Veľmi nízka (max. 520 °C) | Zvyčajne sa nevyžaduje | 2,2–2,8× |
Proces 1: Kalenie a popúšťanie (QT) – základná línia mäkkého boku zuba
QT (kalenie a popúšťanie) je najjednoduchšie tepelné spracovanie pre špirálové ozubené koleso triedy ocele: kovaný alebo tyčový polotovar sa austenitizuje pri teplote 820 – 880 °C, kalí sa v oleji alebo vode a potom sa popúšťa pri teplote 550 – 680 °C na cieľovú tvrdosť. Výsledkom je rovnomerne kalený, húževnatý prierez bez povrchového obalu. Povrchová tvrdosť je obmedzená teplotou popúšťania – HB 220 zodpovedá teplote približne 630 °C; HB 320 teplote približne 560 °C.
QT špirálové ozubené kolesá sa režú po cykle QT – zuby ozubeného kolesa sa odvaľujú alebo tvarujú v konečnom kalenom stave (HB 220–350 je ľahko kompatibilná s ázijským trhom). Po rezaní zubov sa neaplikuje žiadne tepelné spracovanie, takže nie je potrebná žiadna náprava deformácie a priamym odvaľovaním je možné dosiahnuť presnosť triedy DIN 7–9. QT je správna špecifikácia, keď: aplikované zaťaženie je v rozsahu σ_H lim 490–680 MPa; brúsenie sa neplánuje; a ozubené koleso je v nekritickom všeobecnom priemyselnom pohone s rýchlosťou na čiare stúpania pod 15 m/s.
Proces 2: Cementácia v plyne – štandard pre prémiové špirálové ozubené kolesá
Nauhličené špirálové ozubené koleso — povrch s tvrdosťou HRC 58–62, typicky s efektívnou hĺbkou puzdra 0,8–2,0 mm (do HV 550), poskytuje σ_H lim 1500–1800 MPa a je zodpovedný za väčšinu presných obrábaní v automobilovom priemysle, elektromobiloch, CNC, námornom priemysle a ťažkom priemysle špirálové ozubené koleso celosvetová produkcia
Cyklus cementácie – parametre procesu
Plynová cementácia obohacuje povrch zuba špirálové ozubené koleso nízkouhlíkovej legovanej ocele (typicky 20CrMnTi alebo 17CrNiMo6) s uhlíkom vystavením atmosfére endotermického plynu + obohacovacieho plynu (propánu alebo zemného plynu) pri teplote 880 – 940 °C. Uhlík difunduje dovnútra od povrchu, čím vytvára gradient koncentrácie uhlíka, ktorý po kalení a popúšťaní vytvára tvrdý martenzitický povrch nad húževnatým jadrom s nižším obsahom uhlíka:
Austenitizačná teplota
880 – 940 °C. Vyššia teplota zvyšuje rýchlosť difúzie uhlíka, ale v niektorých oceliach predstavuje riziko rastu zŕn. 17CrNiMo6 toleruje 940 °C bez rastu zŕn; 20CrMnTi je obmedzený na maximálne 920 °C.
Kontrola uhlíkového potenciálu
Atmosférický uhlíkový potenciál C_P = 0,75 – 0,851 TP3T počas cementácie; znížený na 0,65 – 0,701 TP3T počas difúznej fázy pre sploštenie profilu náteru. Monitorované sondou CO₂ alebo O₂ v peci.
Kontrola hĺbky puzdra
Efektívna hĺbka puzdra (do HV 550) ≈ 0,18 × √čas pri teplote [hodiny]. Cieľ 0,8 mm: celkový cyklus približne 20 hodín. Cieľ 1,5 mm: približne 70 hodín. Čas predstavujú náklady na proces.
Uhasiť a zmierniť
Kalenie v oleji z 820 – 840 °C na okolitú teplotu. Popúšťanie pri 150 – 200 °C počas 2 hodín – znižuje zvyškové napätie a krehkosť pri zachovaní HRC 58 – 62. Vyššie teploty popúšťania znižujú tvrdosť povrchu pod špecifikáciu.
Proces 3: Indukčné kalenie – Selektívne povrchové kalenie veľkých ozubených kolies
Indukčné kalenie využíva elektromagnetickú indukciu na ohrev špirálové ozubené koleso povrch zuba rýchlo (zvyčajne v priebehu 1 – 10 sekúnd na zub alebo na jeden skenovací prechod) na austenitizačnú teplotu, po ktorej nasleduje okamžité kalenie. Zahrieva sa a kalí sa iba povrch v hĺbke elektromagnetického prieniku – jadro zostáva na svojej predindukčnej tvrdosti (zvyčajne QT HB 280 – 320 pre 42CrMo). Výsledok: tvrdý povrch, húževnaté jadro s hranicou medzi plášťom a jadrom umiestnenou v kontrolovanej hĺbke určenej frekvenciou induktora:
| Frekvencia induktora | Hĺbka prieniku | Vhodný prevodový modul | Vzor kalenia |
|---|---|---|---|
| 450 kHz (VF) | 0,3–0,8 mm | M2–M5 | Len povrch; sledovanie kontúry profilu zuba |
| 10–30 kHz (skrátene) | 1,0–2,5 mm | M5–M16 | Čiastočný prípad kopírujúci obrys zuba; priechodný zub pre menšie moduly |
| 1–3 kHz (nízky frekvencia) | 3–6 mm | M16–M40+ | Kalenie cez zub pre veľké moduly; hranica medzi plášťom a jadrom pod koreňom |
Indukčné kalenie je vhodné najmä pre veľkomodulové špirálové ozubené kolesá (M16–M50) pre baníctvo, cementárne a valcovne, kde by plynová cementácia vyžadovala neprakticky dlhé cykly pece (70–200 hodín pre hĺbku 2–5 mm) a spôsobovala by nezvládnuteľnú deformáciu polotovarov s veľkým prierezom. Indukčné kalenie lokálne zahrieva a kalí, čím vytvára menšiu celkovú deformáciu ako plný cyklus pece – hoci komplexný tepelný gradient stále vyžaduje dodatočné brúsenie pre triedu DIN 5–7.
Proces 4: Nitridácia plynom – rozmerová stabilita ozubených kolies obrábacích strojov
Plynová nitridácia difunduje dusík do povrchu pre-QT špirálové ozubené koleso oceľ (zvyčajne 38CrMoAl, ale aj 42CrMo a 40Cr pre priemyselné ozubené kolesá) pri teplote 490 – 530 °C – čo je výrazne pod teplotou transformácie. Dusík sa spája s legujúcimi prvkami (Cr, Mo, Al) a vytvára extrémne tvrdé nitridové zrazeniny, čím sa dosahuje povrchová tvrdosť HV 700 – 1050 bez akejkoľvek fázovej transformácie. Absencia transformácie znamená:
- Minimálne skreslenie: Rozmerová zmena počas nitridácie je typicky 0,010 – 0,030 mm – v porovnaní s 0,05 – 0,25 mm pri cementácii. A špirálové ozubené koleso presne odvalené podľa triedy DIN 6 pred nitridáciou zvyčajne zostávajú po nitridácii v triede DIN 6–7 bez ďalšieho brúsenia.
- Žiadne zhášanie: Ozubené koleso sa v atmosfére pece pomaly ochladzuje, čím sa úplne eliminuje deformácia spôsobená kalením.
- Tvorba bielej vrstvy: Vonkajších 5–20 µm tvorí zloženú vrstvu (biela vrstva, ε-Fe₂₋₃N + γ'-Fe₄N), ktorá je tvrdá, ale krehká. Pri aplikáciách s ozubenými kolesami musí byť táto vrstva kontrolovaná na menej ako 15 µm, aby sa zabránilo krehkému odlupovaniu povrchu. Biela vrstva sa zvyčajne odstraňuje lapovaním alebo zadaním kontrolovaných parametrov nitridácie, ktoré minimalizujú jej hrúbku.
Ako špecifikovať tepelné spracovanie na výkrese špirálového ozubeného kolesa
| Proces | Príklad popisu výkresu | Metóda overenia |
|---|---|---|
| QT | 42CrMo4 podľa DIN EN 10083 — Q + T — HB 280–320 | Brinellova skúška na čele ozubeného kolesa (3 body); úryvok zo skúšky ťahom z rovnakého tavenia |
| Indukcia | 42CrMo4 QT HB 280 pred tepelnou úpravou — indukčne kalené — HRC 50–55; efektívna hĺbka návaru min. 1,0 mm pri HRC 45 | Rockwellov test na boku zuba; metalografický rez potvrdzujúci hĺbku hranice medzi puzdrom a jadrom zuba |
| Cementácia | 20CrMnTi — cementácia v plyne, kalenie v oleji, popúšťanie pri 180 °C — bok zuba HRC 58–62; efektívna hĺbka deformácie 0,8–1,2 mm (do HV 550); jadro HRC ≥ 30 | Rockwellova skúška na povrchu boku zuba; meranie tvrdosti podľa Vickersa 5 kg z povrchu do jadra; metalografický rez |
| Plynová nitridácia | 38CrMoAl QT HRC 32–36 pred tepelnou ochranou — nitridované plynom 520 °C 50 h — povrchová HV min. 750 (hĺbka testu ±25 µm); hrúbka vrstvy zmesi max. 15 µm | Mikrotvrdosť podľa Vickersa pri 25 – 50 µm; hrúbka bielej vrstvy stanovená metalografickým rezom metódou leptania Nital |
Korea Ever-Power – všetky štyri procesy interne
Tvrdý bok zuba špirálové ozubené koleso — cementované, kalené v oleji, popúšťané a následne brúsené metódou HÖFLER podľa DIN triedy 5: kombinácia dvoch procesov, ktorá poskytuje kontaktnú únavovú pevnosť 1500 – 1800 MPa pri hustote Ra boku zuba ≤0,4 µm a potvrdenej hĺbke povrchu meraním tvrdosti
Spoločnosť Korea Ever-Power vykonáva interne kvantifikáciu (QT), indukčné kalenie, cementáciu plynom a nitridáciu plynom, pričom záznamy z pecí, prieskumy tvrdosti a metalografické protokoly o rezoch sú dodávané ako štandardná kontrolná dokumentácia ku každej objednávke. ozubené koleso so špirálovým rezom objednávky vyžadujúce potvrdenie o tepelnom spracovaní od klasifikačnej spoločnosti (DNV, LR, ABS, KR), spoločnosť Korea Ever-Power zabezpečí účasť inšpektora a poskytne požadovaný záznam o tepelnom spracovaní s pečiatkou triedy. Ako priamy výrobca špirálových ozubených kolies Vďaka všetkým procesom pod jednou strechou je sledovateľnosť tepelného spracovania neprerušená od kovaného polotovaru až po hotové ozubené koleso – čím sa eliminujú medzery v dokumentácii, ktoré vznikajú pri zadávaní tepelného spracovania subdodávateľom.
Často kladené otázky
Pri rovnakej nominálnej tvrdosti povrchu (napr. HRC 58), plynom cementovaná špirálové ozubené koleso má vyššiu kontaktnú únavovú pevnosť ako indukčne kalené ozubené koleso z dôvodu troch faktorov zloženia. Po prvé, nauhličené puzdro má postupný gradient uhlíka, ktorý vytvára tlakové zvyškové napätia v podpovrchovej zóne – priamo proti šíreniu jamkových trhlín. Po druhé, zliatiny 20CrMnTi alebo 17CrNiMo6 používané na nauhličovanie majú po nauhličovacom cykle jemnejšiu zrnitú štruktúru, čo poskytuje vyššiu odolnosť proti únave na jednotku tvrdosti. Po tretie, hĺbka nauhličovaného puzdra (0,8 – 2,5 mm) je väčšia ako v prípade indukčne kalených puzdier pri vyšších frekvenciách, čím sa vrchol Hertzovho napätia udržiava hlboko vo vnútri puzdra pre aplikácie s vysokým kontaktným napätím.
Iba ak je základná oceľ cementačnej triedy (nízkouhlíková, napr. 20CrMnTi). A špirálové ozubené koleso Už narezaný 42CrMo (stredný uhlík, 0,38–0,45% C) sa nedá nauhličovať – základný obsah uhlíka je už vyšší ako cieľový uhlík, takže regulácia uhlíkového potenciálu v peci by v skutočnosti povrch skôr oduhličovala, než obohacovala. Správny proces pre 42CrMo je indukčné kalenie alebo nitridácia, nie nauhličovanie. Pokus o nauhličovanie 42CrMo špirálové ozubené koleso vedie k zlému formovaniu písmen a ide o bežnú chybu v špecifikácii zistenú vo fáze kontroly výkresov spoločnosťou Korea Ever-Power.
Brúsenie horí v špirálové ozubené koleso nastáva, keď teplo generované počas brúsenia prekročí lokálnu rýchlosť odvádzania tepla, čím sa krátkodobo zahreje povrch boku zuba nad teplotu popúšťania a vytvorí sa tenká zóna popúšťania so zníženou tvrdosťou – viditeľná ako žltý až modrý tepelný odtieň pri správnom osvetlení alebo ako anomálny Barkhausenov šumový podpis. V extrémnych prípadoch sa povrch opätovne kalí (biela vrstva nepopusteného martenzitu viditeľná v metalografickej reze získanej nitalovým leptaním). Brúsne spálenie znižuje kontaktnú únavovú životnosť o 30 – 701 TP3T a predstavuje hlavné riziko pre kvalitu pri brúsení po cementácii. Detekcia: nitalové leptanie vzorky z každej dávky (štandardná prax spoločnosti Korea Ever-Power) alebo 1001 TP3T Barkhausenov šumový podpis pre presný automobilový priemysel. špirálové ozubené kolesá.
Efektívna hĺbka prípadu (ECD) pre špirálové ozubené koleso je hĺbka, v ktorej tvrdosť klesne na HV 550 (HRC 52) – hranica, pod ktorou tvrdosť už nie je dostatočná na to, aby odolala vzniku jamkovej trhliny. Celková hĺbka náteru (TCD) je hĺbka, v ktorej sa tvrdosť rovná tvrdosti jadra + 50 HV – vonkajšej hranici obohatenia uhlíkom. ECD je vždy plytšia ako TCD o 20 – 501 TP3T, v závislosti od zliatiny a podmienok kalenia. Pre špirálové ozubené koleso špecifikácia: vždy špecifikujte ECD (podľa HV 550 alebo podľa požiadaviek pre kontaktné napätie), pretože ECD priamo určuje hĺbku únavovej odolnosti v špirálové ozubené koleso hĺbka zóny odolnej voči únave. Ak je špecifikovaná iba TCD, ozubené koleso sa môže zdať v laboratóriu dostatočne hlboké, ale v prevádzke nedostatočne odolné voči únave.
Potvrďte tepelné spracovanie pre vašu aplikáciu so špirálovým ozubeným kolesom
Inžiniersky tím spoločnosti Korea Ever-Power potvrdzuje správny proces tepelného spracovania, cieľovú tvrdosť, hĺbku návaru a špecifikáciu výkresu pre vašu aplikáciu – na základe prenášaného zaťaženia, triedy materiálu, veľkosti ozubeného kolesa a požiadaviek na následné brúsenie. Všetky štyri procesy vykonávame interne s kompletnou dokumentáciou.
QT · Indukcia · Cementácia v plyne · Nitridácia v plyne · Prieskum tvrdosti · Prechod hĺbky náboja · K dispozícii je svedok triednej spoločnosti
Redaktor: Cxm
