Термична обработка с карбуризация за зъбни колела: Повишаване на здравината, издръжливостта и производителността

В съвременните системи за предаване на мощност се очаква зъбните колела да работят при екстремни условия - висок въртящ момент, непрекъснато въртене, големи натоварвания, променливи скорости и дълги работни цикли. Традиционните легирани стомани, дори с добра вътрешна твърдост, често не могат да издържат на такива взискателни приложения без повърхностни повреди, точково натрупване на зъби, ожулвания, износване и пукнатини от умора. За да се преодолеят тези предизвикателства, термичната обработка се превръща в съществена стъпка в производството на зъбни колела и сред всички методи,карбуризациясе откроява като един от най-ефективните процеси за повърхностно втвърдяване.

Карбуризацията (наричана още закаляване на повърхността) е металургична техника, която въвежда въглерод в повърхностния слой на стоманените зъбни колела при висока температура. След закаляване повърхността се трансформира в твърда мартензитна обвивка, докато сърцевината запазва жилавост и устойчивост на удар. Тази комбинация е твърда отвън, жилава отвътре. Ето защо карбуризираните зъбни колела се използват широко в автомобилни трансмисии, промишлени скоростни кутии, тежки машини, минно оборудване, аерокосмически задвижвания и роботика.

Какво е карбуризация?

Карбуризацията е термична обработка, базирана на дифузия, извършвана при температури обикновено между 880°C и 950°C. По време на процеса зъбните колела се нагряват в богата на въглерод атмосфера. Въглеродните атоми дифундират в повърхностния слой на стоманата, увеличавайки съдържанието на въглерод в нея. След накисване за необходимото време, зъбните колела се закаляват бързо, за да образуват закалена мартензитна обвивка.

Дълбочината на проникване на въглерод се нарича дълбочина на корпуса и може да се контролира чрез промяна на температурата, времето на задържане и въглеродния потенциал. Обикновено целевата дълбочина на корпуса варира от 0,8 мм до 2,5 мм, в зависимост от приложението, размера на зъбното колело и необходимата товароносимост.

Защо зъбните колела се нуждаят от карбуризация?

Карбуризацията не е само за повишаване на твърдостта; тя значително подобрява производителността в реални работни условия. Ключовите предимства включват:

1. Висока износоустойчивост
   Закалената повърхност предотвратява абразивно износване, точково надраскване, микроотчупване и повреди от умора на повърхността.

2. По-висока товароносимост
   Карбуризираните зъбни колела могат да носят по-тежки товари и да предават по-висок въртящ момент без деформация.

3. Подобрена якост на огъване на зъбите
   Меката пластична сърцевина абсорбира удари и сътресения, намалявайки риска от счупване на зъбите.

4. Превъзходен живот при умора
   Карбуризираните зъбни колела могат да работят десетки хиляди часове при условия на висок цикъл.

5. Намалено триене и генериране на топлина
   По-плавното зацепване на зъбите осигурява по-тиха и по-енергийно ефективна трансмисия.

Поради тези предимства, карбуризацията се е превърнала в стандартна термична обработка заавтомобилназъбни колела, особено законусни зъбни колела, спирални зъбни колела, зъбни венци, диференциални зъбни колела и трансмисионни валове.

Процесът на карбуризация стъпка по стъпка

Пълният процес на карбуризация включва няколко етапа, всеки от които влияе върху крайните характеристики:

1. Предварително нагряване и аустенитизация

Зъбните колела се нагряват до температура на карбуризация, при която стоманата се превръща в аустенит. Тази структура позволява на въглерода лесно да дифундира.

2. Дифузия на въглерод и образуване на корпуси

Зъбните колела се държат в богата на въглерод среда (газ, вакуум или твърдо карбуризиращо вещество). Въглеродните атоми дифундират навътре, образувайки закален корпус след закаляване.

3. Закаляване

Бързото охлаждане трансформира високовъглеродния повърхностен слой в мартензит - изключително твърд и износоустойчив.

4. Закаляване

След закаляване е необходимо отпускане, за да се намали крехкостта, да се подобри жилавостта и да се стабилизира микроструктурата.

5. Финална обработка / шлайфане

Термично обработените зъбни колела често се подлагат на шлифоване или притриване, за да се постигне точна геометрия на зъбите, гладък контактен модел и оптимален контрол на шума.

Видове карбуризация на зъбни колела

Разработени са няколко технологии за карбуризация, всяка от които има уникални предимства.

Сред тях,вакуумно карбуризиранее все по-предпочитан за прецизни зъбни колела поради равномерното разпределение на корпуса, екологичността и ниските деформации.

Избор на материал за карбуризация

Не всички стомани са подходящи за цементация. Идеалните материали са нисковъглеродни легирани стомани с добра закаляемост и жилавост на сърцевината.

Често срещани цементиращи стомани:

• 16MnCr5

• 20CrMnTi

• 8620 / 4320 Стомана

• 18CrNiMo7-6

• SCM415 / SCM420

Тези стомани позволяват дълбоко закаляване, като същевременно поддържат здрава, пластична сърцевина – идеална за тежкотоварни зъбни колела.

Фактори за качество в карбуризираните зъбни колела

За да се постигне стабилна производителност, е необходимо да се контролират няколко критични фактора:

1. Повърхностна въглеродна концентрация

2. Ефективна дълбочина на делата (ECD)

3. Задържано ниво на аустенит

4. Изкривяване и размерна стабилност

5. Равномерност на твърдостта (58–62 HRC на повърхността)

Добре контролираният процес на карбуризация гарантира надеждна работа на зъбните колела в продължение на години с минимална поддръжка.

Приложения на карбуризирани зъбни колела

Карбуризацията се използва широко в индустрии, където надеждността, прецизността и високата издръжливост на натоварване са от съществено значение:

• Автомобилни скоростни кутии и диференциални системи

• Тракторна, минна и тежкотоварна техника

• Роботика и автоматизирани съоръжения

• Скоростни кутии за вятърни турбини

• Аерокосмически задвижвания и турбинни трансмисии

• Морски задвижващи системи

Навсякъде, където зъбните колела трябва да издържат на удар, налягане и дългосрочно ротационно напрежение, цементацията е най-надеждното решение.

Цементационната термична обработка превръща обикновените стоманени зъбни колела във високопроизводителни компоненти, способни да издържат на тежки условия. Процесът укрепва повърхността срещу износване и умора, като същевременно запазва здрава вътрешна сърцевина за устойчивост на удар. С развитието на машините към по-висока плътност на мощността и ефективност, цементираните зъбни колела ще останат ключова технология в съвременното инженерство и системите за предаване на енергия.