Контроль эффективной глубины цементированного слоя при цементации и закалке зубчатых колёс

Ключевой вывод: При цементации стали 20CrMnTi для зубчатых колёс эффективная глубина цементированного слоя (DS) в диапазоне 0.8-1.5 мм обеспечивает стабильность микроструктуры. Поддержание углеродного потенциала на уровне 1.0%C-1.2%C создаёт желаемый игольчатый или мелкоигольчатый мартенсит, а твёрдость поверхности достигает 58-62 HRC. Как только глубина слоя превышает 2.0 мм, остаточный аустенит обычно превышает критический предел 15%, и усталостная долговечность падает.

1. Основы процесса

Цементация с последующей закалкой — это комбинированная термическая обработка. Зубчатое колесо из низкоуглеродистой стали выдерживают в углеродсодержащей атмосфере, чтобы углерод диффундировал в поверхностный слой, а затем быстро охлаждают для создания твёрдого мартенситного слоя. Цель — сочетать износостойкую твёрдую поверхность с вязкой сердцевиной, поглощающей удары, — два наиболее противоречивых требования, предъявляемых к зубчатым передачам.

1.1 Три стадии

• Стадия нагрева / выравнивания: 850–930°C
  • Доля цикла: 15–20%
  • Основные параметры: скорость нагрева ≤100°C/ч
• Стадия насыщения (цементация): 920–950°C
  • Доля цикла: 50–60%
  • Основные параметры: CP 1.05-1.20%C, продолжительность по формуле глубины слоя
• Стадия диффузии: 880–920°C
  • Доля цикла: 20–30%
  • Основные параметры: CP снижен до 0.80-0.95%C, гомогенизация градиента

1.2 Оценка глубины слоя

Практическое правило, используемое в цехе:

Эффективная глубина цементированного слоя ( DS = k \times \sqrt{t} )

Из производственных записей PinyiGear:

• Насыщение при 920°C: DS(мм) ≈ 0.65 × √t(ч)
• Насыщение при 940°C: DS(мм) ≈ 0.78 × √t(ч)

Для DS=1.2 мм маршрут при 920°C требует примерно 3.4 ч насыщения, тогда как 940°C сокращает это до примерно 2.4 ч. Однако каждый шаг повышения на 20°C заметно увеличивает риск роста зерна.

2. Параметры, определяющие результат

2.1 Углеродный потенциал

Из всех переменных газовой цементации углеродный потенциал имеет наибольшее значение. Он описывает равновесное содержание углерода на поверхности стали в контакте с атмосферой печи. Подход к контролю:

• Насыщение: 1.05-1.20%C, чтобы крутой градиент продвигал углерод вглубь
• Диффузия: 0.80-0.95%C, что подавляет сетки карбидов по границам зёрен
• Слишком высокий CP оставляет остаточный аустенит выше 20% и сетчатые карбиды по границам зёрен
• Слишком низкий CP замедляет цементацию, оставляет слой мелким, а поверхность недостаточно закалённой

2.2 Закалочная среда и охлаждение

2.3 Целевые микроструктуры (ISO 6336 / GB/T 3480)

3. Дефекты, причины и устранение

• Дефект: Мелкий слой: DS ниже спецификации
  • Первопричина: Короткое время или низкий CP
  • Мера: Увеличить время насыщения, перекалибровать O₂-зонд
• Дефект: Низкая твёрдость поверхности: <58 HRC
  • Первопричина: Слишком много остаточного аустенита
  • Мера: Криогенная обработка (-80°C) или более длительная диффузия
• Дефект: Деформация сверх допуска: Отклонение профиля или линии зуба
  • Первопричина: Неравномерные закалочные напряжения
  • Мера: Скорректировать ориентацию погружения в масло, добавить предокисление
• Дефект: Сетчатые карбиды: Непрерывные карбиды по границам зёрен
  • Первопричина: Слишком короткое время диффузии
  • Мера: Удлинить диффузию, снизить CP диффузии

4. Практика в цехе

1. Проверяйте углеродный потенциал ежедневно — это в первую очередь. Кислородные зонды нуждаются в ежемесячной калибровке, и углеродный тест на стальной фольге (±0.05%C) должен подтверждать показания каждую смену. Без этого ни одному параметру процесса нельзя доверять.
2. Высокоточные зубчатые колёса требуют криогенной обработки. Для колёс с DS≥1.5 мм криогенная стадия -80°C×2 ч после закалки снижает остаточный аустенит с 15–20% до 5–8%, что значительно улучшает размерную стабильность.
3. Не пропускайте предокисление. Стадия предокисления 380–420°C×30 мин создаёт на поверхности центры нуклеации Fe₃O₄ и улучшает равномерность цементации более чем на 30%.
4. Контроль деформации начинается с заготовки. Равномерность твёрдости после нормализации поковки (разброс ≤10 HB) влияет на конечную деформацию больше, чем сам процесс цементации.

5. Стандарты и источники

• GB/T 3480-2019 Расчёт несущей способности зубчатых передач
• ISO 6336-5:2016 Расчёт прочности зубчатых передач (материалы и термическая обработка)
• JB/T 6141.2-2018 Спецификация процесса цементации и закалки зубчатых колёс
• Заводское технологическое руководство PinyiGear

Связанное чтение: Требования к механической обработке перед цементацией описаны в Подготовка заготовок зубчатых колёс и нормализация. Технологические карты термической обработки для конкретных материалов зубчатых колёс доступны в разделе Возможности механической обработки зубчатых колёс.

Номер документа: GL-TN-20260713 | Категория: Термическая обработка | Предварительный просмотр: Обнаружение и контроль прижогов при шлифовании зубчатых колёс