Induktionshärdad, uppkolad eller nitrerad? Att välja värmebehandling för växellådor

Värmebehandling och precisionsslipning i produktionen

Inrikta sökord:värmebehandling av kuggstången

Sekundär:induktionshärdad kuggstång, kugghjul för härdningsdjup, kuggstångshårdhet HRC

Metabeskrivning:Verkliga hårdhetssiffror och höljesdjup för induktionshärdade, uppkolade och nitrerade rack - plus varför härdning förstör noggrannheten och vad forskningen säger om optimalt höljedjup.

Det finns ett hårdhetsnummer på din stativritning. Var kom det ifrån?

Vår erfarenhet är att ungefär hälften av tiden kopierades från en tidigare teckning, och ingen minns varför. Den andra halvan valdes den eftersom högre lät säkrare. Ingendera är en bra anledning, och båda kan kosta dig antingen pengar eller ett misslyckat rack.

Värmebehandling på en kuggstång är en uppsättning avvägningar-mellan ythårdhet, kärnseghet, höljesdjup, distorsion och pris. Får balansen fel och antingen sliter du ut flankerna eller knäcker tänderna. Här är vad de publicerade uppgifterna faktiskt stöder.

Induktionshärdning - arbetshästen

Induktionshärdning leder en-högfrekvent ström genom en spole runt tandområdet, uppvärmer endast ytskiktet och släcker det sedan. Kärnan når aldrig austenitiserande temperatur, så den förblir seg.

Figur 1. Ythårdhetsintervall och höljesdjup efter behandlingsmetod.

Uppnåelig hårdhet, från publicerade källor:

Två hårda begränsningar styr om ett material överhuvudtaget kan induktionshärdas. Processen kräver stål medkolhalt på 0,30 % eller mer- nedan att det helt enkelt inte finns tillräckligt med kol för att bilda martensit. I den övre änden bör kol hålla sig under cirka 0,55 %, med lågt svavel- och fosforhalt, för att minska risken för släckningssprickning.

Det fönstret, 0,30 % till 0,55 % kol, är just därför S45C och 42CrMo4 (SCM440) dominerar rackproduktion. Det är inte tradition; det är metallurgi.

En begränsning är viktigare än vad folk förväntar sig: även när tandflanken och spetsen härdar ordentligt, gör tandroten ofta inte det.

Tandroten är där böjningsutmattningssprickor börjar. Om ditt felläge är rotutmattning snarare än flankslitage, kanske induktionshärdning inte löser problemet du har. FZG-studien bekräftar geometrin för detta direkt - för alla testade induktions-härdade kugghjul, "härdningskonturen är tjockast vid tandflankerna och lägst i området för 30 graders tangenten till tandrotfilén."

Noggrannhetsstraffet ingen nämner i citatet

Härdning förvränger delen. På en lång smal rack går den distorsionen rakt in i tonhöjdsfel.

När induktionshärdning används, reduceras växelnoggrannheten av påkänning efter uppvärmning. Slipning av tänderna efteråt krävs om hög noggrannhet önskas.

Storleken på effekten är synlig i hur rack graderas efter process:

Samma ställ som mäter DIN 10 (< 0.200 mm/m) straight out of induction hardening reaches DIN 5–7 (< 0.026 to 0.052 mm/m) once the teeth are ground.

Det är en faktor på fyra till åtta i noggrannhet, som återvinns genom en avslutande operation. Så här görs det: "Extra material lämnas kvar vid fräsningen av tänderna så att de kan slipas efter härdning."

Så den verkliga specifikationen är inte "induktionshärdad". Den är "induktionshärdadoch mald efter härdning." Om din ritning säger det förra och din applikation behöver det senare, kommer du att bli besviken över ett rack som är tekniskt kompatibelt.

En praktisk konsekvens som är värd att känna till innan du planerar bearbetning: sekundära operationer är normalt möjliga på rack i alla tillstånd utom induktions-härdade tänder. Borra dina monteringshål före härdning, inte efter.

Förkolning - när du behöver ett hårt fodral och en tuff kärna

Uppkolning diffunderar in kol i ytan på ett stål med låg- kolhalt och släcks sedan. Du slutar med en hög-hård väska över en tuff kärna med låg-kolhalt.

Standard uppkolningspraxis för växel- och kuggstångsproduktion.

För 16MnCr5 (EN 10084, 1.7131), en av de europeiska standardhärdningskvaliteterna-, publicerade siffror efter korrekt uppkolning och härdning (Otai stål):

Ythårdhet:58–62 HRC

Effektivt falldjup:0,6–1,2 mm typiskt

Kärnhårdhet:28–35 HRC

Kärnans draghållfasthet (höljehärdat tillstånd): 850–1000 MPa, utbyte ~550 MPa

Kärnhårdhetssiffran är poängen med hela övningen. Vid 28–35 HRC absorberar kärnan fortfarande stötar och motstår sprickutbredning, medan 58–62 HRC-höljet motstår gropbildning och slitage. Ett genom-härdat ställ vid 55 HRC har ingen sådan reserv - det är hårt hela vägen igenom och på motsvarande sätt sprött.

Förkolning kostar mer, tar längre tid och förvränger mer än induktionshärdning. Ange det när kontaktspänningen är verkligt hög och stötbelastning är närvarande.

Hur djupt ska fallet vara? Forskningen har ett antal

Det är här de flesta specifikationer är gissningar, så det är värt att citera faktisk forskning.

Figur 2. Rotböjhållfastheten minskar när höljets djup överstiger 0,25 x modul (FZG / TU Munchen forskningsdata).

En studie av FZG vid TU München (FVA 660 II, publicerad via AGMA 22FTM14) testade 42CrMo4 växlar vid normala moduler på 14 mm och 20 mm med gap-by-gap induktionshärdning, mätning av tandrots böjhållfasthet mot ythärdningsdjupet 1, 404HV gränsen (SHD0000).

Resultat, direkt citerade:

"det verkar finnas en optimal SHD400 i intervallet 0,15 till 0,25 × m_n."

"Tandrotsböjhållfastheten för varianten med en SHD på 0,35 × m_n når endast 80 procent av tandrotsböjhållfastheten för varianterna med lägre SHD."

Djupare är värre. Ett fall på 0,35 × modul förlorar en femtedel av sin rotböjhållfasthet jämfört med 0,15–0,25 × modul.

Mekanismen är kvarvarande stress. Ett grunt härdat hölje lämnar ytan i kompression, vilket undertrycker sprickinitiering. Tryck höljet för djupt och det tryckande lagret försvagas och övergångszonen flyttas in i ett område med hög böjspänning.

Praktiskt taget, för ett modul 4-ställ, är det intervallet 0,6 till 1,0 mm. För modul 8, 1,2 till 2,0 mm. Studiens rekommenderade förhållanden, för kugghjulsstorlekar m_n=14 till 20 mm: SHD400 vid 0,15–0,25 × m_n, ungefär lika på vänster och höger flanker, ythårdhet 650–750 HV, inga härdningssprickor.

En relaterad siffra från samma studie är värd att veta om du har en-kritisk utmattningsapplikation: den kul-blästrade varianten nådde ett nominellt böjspänningstal på nästan 600 N/mm², cirka 30 procent högre än den oblästrade referensen och högre än jämförelsen med fall-härdad. Shot peening inducerar kvarvarande tryckspänning och det fungerar.

Mot detta, ISO 6336-5 graderar yt-härdade kugghjul cirka 20 procent under växel-härdade kugghjul för maximal tillåten spänning. Förkolning vinner fortfarande på rå kapacitet - induktionshärdning plus kulblästring stänger bara gapet till lägre kostnad.

Nitrerar - hårt, tunt och knappt förvrängt

Nitrering diffunderar typiskt kväve in i ytan vid låg temperatur520 grader (Bodycote). Ingen släckning, ingen fastransformation, minimal distorsion.

Skiktet har två zoner: ett sammansatt "vitt" lager som ger "högt motstånd mot nötning, nötning, skavning och kärvning" och ett diffusionslager under som ger "förbättrad utmattningshållfasthet" och stödjer sammansättningsskiktet.

Två begränsningar avgör om nitrering är tillgänglig för dig:

Material.Det är "mest effektivt när det appliceras på de olika stålsorterna som innehåller nitrid-bildande element som krom, molybden, vanadin och aluminium." Alla järnhaltiga material kan gasnitreras upp till 5 % krom; därutöver plasmanitrering. Kritiskt, för vanligt kolstål: "På grund av sin brist på legeringselement svarar AISI 1045 stål inte på nitreringsprocessen" (AZoM). Om ditt rack är C45 är nitrering inte ett alternativ.

Falldjup.Nitrerade höljen är tunna. För 38CrMoAl, en nitreringsspecifik-kvalitet, är publicerade siffror 900–1100 HV (~65–70 HRC) med ett fall av endast0,3–0,6 mm.

Det tunna fallet är begränsningen. Under kraftig Hertzian-kontaktpåfrestning kan ett tunt hårt lager över ett mjukare underlag drabbas av fallkrossning - lagret kollapsar in i kärnan under det. Nitrering passar ställ där slitage och nötning dominerar och kontaktspänningen är måttlig och där distorsionen måste vara minimal eftersom ställningen redan är färdigslipad.

Materialet måste härdas och härdas innan nitrering för optimala resultat.

Att välja

FAQ

Är 60 HRC bättre än 50 HRC på ett ställ?

Inte automatiskt. Högre hårdhet betyder bättre slitstyrka och sämre seghet. Ett 60 HRC-ställ i en chockladdad applikation- kommer att flisa tänder som ett 50 HRC-ställ skulle överleva. Matcha hårdheten till felläget du designar mot.

Kan jag induktionshärda ett C45-ställ efter att ha bearbetat monteringshålen?

Du kan, men förvrängning påverkar hålposition och planhet samt tandstigning. Standardpraxis är att undvika sekundära operationer på induktions-härdade ställ. Maskin först, härda sedan.

Varför har mitt härdade ställ sämre spelkonsistens än det mjuka som det ersatte?

Nästan säkert härdande distorsion, om tänderna inte slipades efteråt. Det publicerade stigningsfelet för induktions-härdade icke-slipade stativ är cirka ±0,200 mm/m mot ±0,150 mm/m för ett mjukt stativ - det härdade stativet är verkligen mindre exakt.

Vilken hårdhet ska drevet vara i förhållande till kuggstången?

Lika eller svårare. Eftersom kugghjulet ser flest cykler bör dess hårdhet och kvalitetsklass alltid vara lika med eller överstiga kuggstångens. Kugghjulet gör många varv per meter kuggstångsrörelse, så det ackumulerar kontaktcykler mycket snabbare.

Betyder djupare falldjup alltid längre livslängd?

Nej, och FZG-data är explicita: vid 0,35 × modul sjunker rotböjhållfastheten till 80 % av värdet vid 0,15–0,25 × modul. Att över-specificera falldjup kostar pengar och minskar styrkan.

Tianjin OuNaiDa Transmissions Technology driver tandhärdnings- och sliputrustning i-hus och levererar ställ i S45C, 42CrMo4 och hölje-härdningskvaliteter. Berätta för oss belastningen, stötegenskaperna och noggrannhetsmålet, så kommer vi att rekommendera behandlingen istället för att bara citera hårdheten du bad om.

Induktionshärdade ställ, moduler M5 till M8