Lựa chọn vật liệu bánh răng và quản lý biến dạng trong xử lý nhiệt

A. Biến dạng phát sinh như thế nào và cách kiềm chế

Trong số các vấn đề gặp phải trong sản xuất bánh răng, biến dạng được xếp là khó thuần phục nhất. Sai kích thước có thể khắc phục bằng điều chỉnh; biến dạng thì không, vì nó không bao giờ lặp lại theo cùng một cách hai lần.

• Dạng biến dạng Độ ô van: Lỗ hoặc đường kính ngoài trở thành hình elip
  • Nguyên nhân: Ứng suất nung và tôi không đồng đều
• Dạng biến dạng Độ côn: Hai đầu đo được đường kính khác nhau
  • Nguyên nhân: Sự khác biệt trong trình tự làm nguội
• Dạng biến dạng Cong vênh: Trục bị uốn cong
  • Nguyên nhân: Giải phóng ứng suất dư kết hợp với ứng suất tôi
• Dạng biến dạng Thay đổi biên dạng răng: Giảm cấp chính xác
  • Nguyên nhân: Biến thiên chiều sâu lớp thấm cộng với ứng suất cấu trúc

Các biện pháp hiệu quả trong thực tế:

1. Oxy hóa sơ bộ ở 400~500°C — điều này làm đều lớp thấm, và không nên bỏ qua
2. Máy ép tôi — giải pháp thực tế cho độ ô van
3. Dầu giữ ở 60~80°C, với nồng độ PAG 5~15%
4. Làm lạnh sâu ở -60~-80°C — độ ổn định kích thước cải thiện rõ rệt
5. Ít nhất hai chu kỳ ram, mỗi chu kỳ ≥2h — đây là điều thực sự khóa ổn định biến dạng

Cách chúng tôi xác minh kết quả:

• Độ ô van lỗ kiểm tra bằng đồng hồ khí trên mẫu 5~10 chiếc, tiêu chuẩn ≤0.02mm
• Sai lệch biên dạng răng và đường xoắn đo trên trung tâm đo bánh răng theo GB/T 10095

B. Tam giác: Ứng suất, Biến dạng, Độ chính xác

Chọn vật liệu → Độ khó xử lý nhiệt → Độ lớn biến dạng → Độ chính xác cuối cùng

Mỗi mắt xích dẫn đến mắt xích tiếp theo. Vật liệu được chọn quyết định xử lý nhiệt sẽ khó đến mức nào; xử lý nhiệt quyết định biến dạng xuất hiện bao nhiêu; biến dạng quyết định liệu mục tiêu độ chính xác có thể đạt được hay không.

Lấy bánh răng chính xác bằng 20CrMo: biến dạng nhỏ, và lượng dư mài 0.15mm là đủ. Chạy cùng bánh răng đó bằng 20CrNi2Mo thì độ dai tăng, nhưng biến dạng khó kiểm soát hơn, nên cần ít nhất 0.25mm lượng dư.

Lợi nhuận trong sản xuất bánh răng quy về cân bằng giữa chi phí vật liệu với lượng dư gia công với tỷ lệ đạt.

PinyiGear — Sản xuất bánh răng chính xác & Linh kiện truyền động

C. Ghép mác thép với công việc

Ý tưởng dẫn đường: độ bền tự nó không quyết định gì cả — sự phù hợp giữa thép và ứng dụng mới quyết định.

• Ứng dụng Bánh răng hộp số tự động: 20CrMnTi
  • Lý do: Hiệu quả chi phí tốt nhất: độ dai lõi + bề mặt 60HRC+ sau thấm carbon
• Ứng dụng Trục bánh răng hạng nặng: 42CrMo
  • Lý do: Độ bền 1080MPa+, độ thấm tôi tốt cho tiết diện lớn
• Ứng dụng Bánh răng chính xác mô-đun nhỏ: 20CrMo
  • Lý do: Biến dạng thấm carbon tối thiểu, lượng dư mài kiểm soát được (Cấp 6+)
• Ứng dụng Bánh răng cầu xe tải hạng nặng: 20CrNi2Mo
  • Lý do: Thêm Ni mang lại năng lượng va đập 63J+, chịu tải sốc nặng

Các con số đằng sau lựa chọn:

• 20CrMnTi (thấm carbon): Rm≥1080MPa, lõi 30~42HRC, năng lượng va đập ≥55J
• 42CrMo (tôi + ram): Rm≥1080MPa, độ cứng 269~321HB
• 20CrNi2Mo (thấm carbon): Rm≥1180MPa, lõi 35~45HRC, năng lượng va đập ≥63J

Trước khi vật liệu vào sản xuất, chúng tôi kiểm tra đầu vào: máy quang phổ để kiểm tra thành phần, máy thử vạn năng để kiểm tra cơ tính, ăn mòn axit để kiểm tra tổ chức tế vi. Một mẫu được lấy mỗi mẻ. Giới hạn chấp nhận là độ xốp chung ≤Cấp 2, tạp chất A/B ≤Cấp 2.5, C/D ≤Cấp 2.0, cỡ hạt 5~8.

D. Phụ lục: Họ vật liệu, chiều sâu lớp thấm và điện thế carbon

D1. Tổng quan các họ vật liệu bánh răng

• Loại vật liệu Thép carbon chất lượng: 45#, 50#
  • Kịch bản ứng dụng: Bánh răng tốc độ thấp-trung bình, tải nhẹ
  • Dải độ cứng: Tôi + ram 220-280 HB
• Loại vật liệu Thép hợp kim tôi + ram: 40Cr, 42CrMo, 35CrMo
  • Kịch bản ứng dụng: Bánh răng tải trung bình, tốc độ trung bình
  • Dải độ cứng: Tôi + ram 250-320 HB
• Loại vật liệu Thép hợp kim thấm carbon: 20CrMnTi, 20CrNi2Mo, 20CrMo
  • Kịch bản ứng dụng: Bánh răng tốc độ cao hạng nặng (phổ biến nhất)
  • Dải độ cứng: Thấm carbon 58-62 HRC
• Loại vật liệu Thép nitơ hóa: 38CrMoAl, 40Cr (nitơ hóa)
  • Kịch bản ứng dụng: Bánh răng chính xác chống mài mòn
  • Dải độ cứng: Nitơ hóa 850-1100 HV
• Loại vật liệu Thép đúc: ZG310-570, ZG40Cr
  • Kịch bản ứng dụng: Bánh răng lớn
  • Dải độ cứng: Ủ/thường hóa/Tôi + ram
• Loại vật liệu Phi kim loại: MC Nylon, POM
  • Kịch bản ứng dụng: Bánh răng ồn thấp, tải nhẹ
  • Dải độ cứng: —

D2. Quy trình thấm carbon và chiều sâu lớp thấm nên bao nhiêu

Hơn 80% bánh răng hạng nặng được thấm carbon. Quy trình chạy:

Phôi → Rèn → Thường hóa → Tiện thô → Tiện bán tinh →
Phay lăn răng → Thấm carbon → Tôi + Ram nhiệt độ thấp → Phun bi → Mài tinh

Ba cách để đạt chiều sâu lớp thấm:

• Từ mô-đun: δ ≈ (0.15~0.25) × m
• Từ ứng suất chân răng: chiều sâu lớp thấm ≥ 1.2 × chiều sâu tiết diện tới hạn mỏi uốn
• Từ bảng tham chiếu dưới đây

D3. Khi chiều sâu lớp thấm sai

• Bong tróc mỏi tiếp xúc bề mặt răng: Thời gian thấm carbon dài, chi phí tăng gấp đôi
• Độ bền uốn chân răng không đủ: Tăng austenit dư
• Độ cứng lõi không đủ để nâng đỡ: Cacbit bề mặt thô, tăng giòn
• Hỏng ngắn hạn: Hạt thô, giảm độ dai va đập

D4. Độ cứng lõi

Độ cứng lõi trong bánh răng thấm carbon quan trọng không kém lớp thấm. Nhắm 30-45 HRC, với bánh răng nhỏ ở đầu trên và bánh răng lớn ở đầu dưới. Dưới 25 HRC nguy cơ gãy mỏi chân răng tăng lên. Trên 48 HRC độ dai giảm và dễ gãy do va đập. Nhiệt độ tôi, tốc độ làm nguội và vật liệu có độ thấm tôi phù hợp là các đòn bẩy để giữ dải này.

D5. 20CrMnTi và hiểu lầm về chiều sâu lớp thấm

Hơn 60% ngành bánh răng Trung Quốc làm việc với 20CrMnTi, và lý do rất rõ. Ti làm mịn hạt, nên sự phát triển hạt trong quá trình thấm carbon ở mức thấp — có thể tôi trực tiếp sau khi làm nguội, không cần nung lại. Độ thấm tôi vừa phải, giữ độ cứng lõi ở 30-42 HRC không khó. Giá hợp lý và chuỗi cung ứng trưởng thành.

Một lưu ý: 20CrMnTi có xu hướng thấm carbon ở nhiệt độ cao, nên điện thế carbon phải giữ ≤1.1%, nếu không cacbit có thể vượt giới hạn.

Một thói quen nên bỏ là chạy chiều sâu lớp thấm đến giới hạn trên hoặc hơn. Chiều sâu lớp thấm quá mức làm suy giảm phân bố ứng suất nén bề mặt, và tuổi thọ mỏi thực tế có thể giảm. Mỗi 1mm chiều sâu thấm carbon thêm tốn khoảng 6-8h ở 930°C, nên chi phí tăng mạnh. Cách đúng là suy ra chiều sâu lớp thấm an toàn tối thiểu từ mô phỏng trường ứng suất chân răng và chỉ để lượng dư 0.1-0.2mm.

D6. Phun bi sau thấm carbon

Áp dụng phun bi sau khi thấm carbon và tôi xong mang lại ứng suất nén dư 300-800 MPa cho bề mặt chân răng, và tuổi thọ mỏi uốn có thể tăng 2-5 lần. Các thông số quan trọng là cường độ Almen 0.3-0.5A và độ phủ ≥100%. Bánh răng mô-đun lớn cần hạt bi đường kính lớn hơn (S170-S230).

D7. Điện thế carbon trong ba giai đoạn

Thấm carbon lò đa dụng tại PinyiGear tuân theo biên dạng điện thế carbon ba giai đoạn:

1. Giai đoạn tăng cường (điện thế carbon 1.0~1.2%C): hấp thụ carbon nhanh, chiều sâu lớp được kiểm soát ở đây
2. Giai đoạn khuếch tán (điện thế carbon 0.8~1.0%C): carbon di chuyển vào trong, nồng độ bề mặt giảm
3. Giai đoạn làm nguội: nhiệt độ giảm xuống mức tôi, duy trì khí bảo vệ

D8. Bảng tra cứu nhanh chọn vật liệu

D9. Tại sao nền tảng này quan trọng

Chọn vật liệu và xác định chiều sâu lớp thấm tạo thành nền tảng chất lượng bánh răng. Sai một trong hai thì mọi bước mài chính xác sau đó đều vô ích. Dữ liệu ngành cho thấy hơn 80% hỏng hóc bánh răng sớm bắt nguồn từ xử lý nhiệt — lớp thấm quá nông, hoặc biến dạng quá lớn.