Согласование глубины цементации с модулем зубчатого колеса и твёрдостью сердцевины

Почему упрочнённый слой нужно рассчитывать, а не угадывать

Тяжелонагруженные зубчатые передачи по-прежнему полагаются на цементацию с последующей закалкой как на стандартный термический маршрут. Определяющим размером является эффективная глубина цементации, или CHD: расстояние, измеряемое перпендикулярно от поверхности зуба до момента, когда твёрдость падает до 550 HV. На практике эту величину привязывают к нормальному модулю, используя диапазон 0,15–0,25 × модуль. Это даёт 0,6–0,9 мм для модулей до 2,5 и 1,2–1,8 мм для модулей 5–10. Слишком тонкий слой — и контактные напряжения по Герцу разрушают поверхность зуба; слишком толстый — и ножка зуба становится хрупкой. Обычное сочетание с 20CrMnTi обеспечивает 58–62 HRC на поверхности и 30–42 HRC под ней.

Что делает цикл цементации и закалки

Зубчатое колесо из низкоуглеродистой легированной стали выдерживают в углеродсодержащей атмосфере в аустенитной области, 920–950°C, чтобы углерод проник в поверхностный слой. Затем закалка превращает этот обогащённый поверхностный слой в высокоуглеродистый мартенсит, тогда как сердцевина остаётся низкоуглеродистой и вязкой. Износу, выкрашиванию и задирам противостоит твёрдый поверхностный слой; изгибающие нагрузки у ножки воспринимает пластичная сердцевина.

Цементация, затем закалка, затем отпуск при 160–200°C в течение 2–3 ч — таков стандартный порядок. Напряжения закалки снимаются во время отпуска, вязкость ножки восстанавливается, а твёрдость поверхности теряет лишь немного.

Среди обычно выбираемых сталей — 20CrMnTi, 20CrMo, 17CrNiMo6 и SAE 8620. Для малых и средних модулей в Китае широко используется 20CrMnTi: его прокаливаемость умеренная, и одной закалки в масле достаточно.

Выбор эффективной глубины цементации

CHD — это не то же самое, что общая глубина цементации. Только зона, достаточно твёрдая, чтобы удерживать 550 HV, фактически несёт контактную нагрузку, поэтому граница 550 HV является значимой.

Практическое правило: CHD ≈ 0,15–0,25 × нормального модуля.

Когда слой недостаточен, контактное напряжение превышает то, что может выдержать цементованный слой, и поверхность зуба разрушается в результате скалывания. Когда он чрезмерен, остаточные напряжения перераспределяются, и ножка становится более склонной к хрупкому разрушению. Более толстый слой по умолчанию не безопаснее.

Твёрдость поверхности и сердцевины нужно задавать вместе

Твёрдость сердцевины — это значение, которое чаще всего упускают из виду. Как только она превышает примерно 45 HRC, у ножки почти не остаётся пластического запаса, и любая трещина распространяется быстро. Если она падает ниже примерно 28 HRC, прочность ножки снижается, сокращая долговечность при изгибной усталости. С 20CrMnTi в нормализованном или улучшенном состоянии сердцевина обычно находится в диапазоне от 30 до 38 HRC.

Методы измерения и практические предостережения

Существуют два пути определения глубины цементации. Травление для выявления границы мартенсита или карбидов — металлографический подход: быстрый, но его точность зависит от качества травления. Измерение градиента твёрдости — решающий метод: твёрдость строится от поверхности вглубь, и глубина при 550 HV считывается. Измерения следует проводить на середине зуба и у ножки, поскольку эти два места могут требовать разных значений.

Предостережение 1: Надпись на чертеже «глубина цементации 1,0 мм» неоднозначна — установите, имеется ли в виду CHD или общая глубина цементации. Разница между ними составляет 0,2–0,4 мм, и неверное предположение направит поставщика к неправильной спецификации.

Предостережение 2: Припуск на шлифование должен быть добавлен к целевой глубине цементации. Там, где с каждой стороны зуба будет снято 0,2–0,3 мм, цементуйте до CHD плюс этот припуск; иначе упрочнённая зона исчезнет во время шлифования. Множество забракованных шлифованных зубчатых колёс были отшлифованы правильно — слой просто был слишком тонким с самого начала.

Предостережение 3: Резьбовые отверстия, масляные отверстия и шлицы требуют защиты от цементации, например меднения или защитной краски толщиной 0,03–0,05 мм. Без неё резьба закаливается и становится хрупкой, а затем скалывается при сборке.

Технологическое окно и типичные дефекты

Углеродный потенциал 0,75–1,05% C и температура 930 ± 10°C определяют атмосферу цементации. Продолжительность задаётся целевой глубиной и загрузкой печи; в камерной печи закладывайте примерно 1–1,5 ч на каждые 0,1 мм. Закалка может следовать одним из двух путей. Прямая закалка: охлаждение от температуры цементации до 830–850°C перед закалкой в масле. Закалка с повторным нагревом: сначала медленное охлаждение, затем повторная аустенитизация и закалка — коробление контролируется лучше, но цикл длится дольше.

Заключительные положения

Модуль определяет глубину цементации; прокаливаемость материала определяет твёрдость сердцевины; последующий этап прецизионной обработки зубчатых колёс определяет припуск на шлифование. Закрепите все три параметра при утверждении чертежа, и последующая переделка в значительной степени будет исключена. Вопросы по материалам и процессам можно направлять через страницы ассортимента зубчатых колёс и наших возможностей.

PinyiGear — решения для прецизионной зубчатой передачи и обработки | Наши возможности | Ассортимент зубчатых колёс