Vaihteiden hiiletyslämpökäsittely: Lujuuden, kestävyyden ja suorituskyvyn parantaminen

Nykyaikaisissa voimansiirtojärjestelmissä vaihteiden odotetaan toimivan äärimmäisissä olosuhteissa, joissa tarvitaan suurta vääntömomenttia, jatkuvaa pyörimistä, raskaita kuormia, vaihtelevia nopeuksia ja pitkiä työsyklejä. Perinteiset seosteräkset, jopa hyvällä kovuudella, eivät usein kestä tällaisia ​​vaativia sovelluksia ilman pinnan rikkoutumista, hampaiden syöpymistä, naarmuuntumista, kulumista ja väsymishalkeamia. Näiden haasteiden voittamiseksi lämpökäsittelystä tulee olennainen vaihe vaihteiden valmistuksessa, ja kaikkien menetelmien joukossahiiletyserottuu yhtenä tehokkaimmista pinnankarkaisuprosesseista.

Hiiletys (tunnetaan myös nimellä pintakarkaisu) on metallurginen tekniikka, jossa teräsvaihteiden pintakerrokseen lisätään hiiltä korkeassa lämpötilassa. Sammutuksen jälkeen pinta muuttuu kovaksi martensiittiseksi kuoreksi, kun taas ydin säilyttää sitkeyden ja iskunkestävyyden. Tämä yhdistelmä on kova ulkoa, sitkeä sisältä. Siksi hiiletettyjä vaihteita käytetään laajalti autojen vaihteistoissa, teollisuusvaihteistoissa, raskaissa koneissa, kaivoslaitteissa, ilmailu- ja avaruuskäytöissä ja robotiikassa.

Mitä on hiiletys?

Hiiletys on diffuusioon perustuva lämpökäsittely, joka suoritetaan tyypillisesti 880–950 °C:n lämpötiloissa. Prosessin aikana hammasrattaat kuumennetaan hiilipitoisessa ilmakehässä. Hiiliatomit diffundoituvat teräksen pintakerrokseen, mikä lisää sen hiilipitoisuutta. Vaaditun liotusajan jälkeen hammasrattaat sammutetaan nopeasti karkaistun martensiittisen kotelon muodostamiseksi.

Hiilen tunkeutumissyvyyttä kutsutaan kotelon syvyydeksi, ja sitä voidaan säätää muuttamalla lämpötilaa, pitoaikaa ja hiilipotentiaalia. Yleensä tavoiteltu kotelon syvyys vaihtelee 0,8 mm:stä 2,5 mm:iin sovelluksesta, vaihteen koosta ja vaaditusta kuormituskapasiteetista riippuen.

Miksi vaihteet tarvitsevat hiiletystä?

Hiiletys ei ainoastaan ​​lisää kovuutta, vaan se parantaa merkittävästi suorituskykyä todellisissa työolosuhteissa. Keskeisiä etuja ovat:

1. Korkea kulutuskestävyys
   Karkaistu pinta estää hankauskulumista, kuoppautumista, mikrokuormitusta ja pinnan väsymisvaurioita.

2. Suurempi kuormankantokyky
   Hiiletyt hammaspyörät voivat kantaa raskaampia kuormia ja siirtää suurempaa vääntömomenttia ilman muodonmuutoksia.

3. Parannettu hampaan taivutuslujuus
   Pehmeä, sitkeä ydin vaimentaa iskuja ja iskuja, mikä vähentää hampaan murtumisriskiä.

4. Erinomainen väsymysikä
   Hiiletetyt vaihteet voivat toimia kymmeniä tuhansia tunteja korkean syklin olosuhteissa.

5. Vähentynyt kitka ja lämmöntuotanto
   Tasaisempi hampaiden kytkentä varmistaa hiljaisemman ja energiatehokkaamman voimansiirron.

Näiden etujen ansiosta hiiletyksestä on tullut standardi lämpökäsittelyautoteollisuusvaihteet, erityisestikartiohammaspyörät, kierrepyörät, hammaskehäpyörät, tasauspyörästöt ja voimansiirtoakselit.

Hiiletysprosessi vaihe vaiheelta

Täydellinen hiiletysprosessi sisältää useita vaiheita, joista jokainen vaikuttaa lopulliseen suorituskykyyn:

1. Esilämmitys ja austenisointi

Vaihteet kuumennetaan hiiletyslämpötilaan, jossa teräs muuttuu austeniitiksi. Tämä rakenne mahdollistaa hiilen helpon diffundoitumisen.

2. Hiilen diffuusio ja kotelon muodostuminen

Hammasrattaat pidetään hiilipitoisessa ympäristössä (kaasu, tyhjiö tai kiinteä hiiletysaine). Hiiliatomit diffundoituvat sisäänpäin muodostaen kovetetun kotelon sammutuksen jälkeen.

3. Sammutus

Nopea jäähdytys muuttaa runsashiilisen pintakerroksen martensiitiksi – erittäin kovaksi ja kulutusta kestäväksi.

4. Karkaisu

Sammutuksen jälkeen päästö on tarpeen haurauden vähentämiseksi, sitkeyden parantamiseksi ja mikrorakenteen vakauttamiseksi.

5. Lopputyöstö / Hionta

Lämpökäsitellyt hammaspyörät viimeistelyhiotaan tai lippataan usein tarkan hammasgeometrian, tasaisen kosketuskuvion ja optimaalisen melunvaimennuksen saavuttamiseksi.

Vaihteiden hiiletystyypit

Useita hiiletystekniikoita on kehitetty, joilla jokaisella on ainutlaatuisia etuja.

Heidän joukossaantyhjiöhiiletyson yhä suositumpi tarkkuusvaihteissa sen tasaisen kotelojakauman, ympäristöystävällisyyden ja vähäisen vääristymän vuoksi.

Materiaalivalinta hiiletykseen

Kaikki teräkset eivät sovellu hiiletykseen. Ihanteellisia materiaaleja ovat vähähiiliset seosteräkset, joilla on hyvä karkenevuus ja sitkeys.

Yleisiä hiiletysteräksiä:

• 16MnCr5

• 20CrMnTi

• 8620 / 4320 Teräs

• 18CrNiMo7-6

• SCM415 / SCM420

Nämä teräkset mahdollistavat syvän pintakarkaisun säilyttäen samalla vahvan ja sitkeän ytimen – täydellinen raskaisiin vaihteisiin.

Hiilihapotettujen vaihteiden laatutekijät

Vakaan suorituskyvyn saavuttamiseksi on hallittava useita kriittisiä tekijöitä:

1. Pinnan hiilipitoisuus

2. Efektiivinen tapaussyvyys (ECD)

3. Säilytetty austeniittipitoisuus

4. Vääristymä ja mittapysyvyys

5. Kovuuden tasaisuus (58–62 HRC pinnalla)

Hyvin hallittu hiiletysprosessi varmistaa, että vaihteet toimivat luotettavasti vuosia minimaalisella huollolla.

Hiilivetyjen vaihteiden sovellukset

Hiiletystä käytetään laajalti teollisuudenaloilla, joilla luotettavuus, tarkkuus ja korkea kuormituksen kestävyys ovat olennaisia:

• Autojen vaihteistot ja tasauspyörästöt

• Traktori, kaivos- ja raskaskalusto

• Robotiikka- ja automaatiovaihteet

• Tuuliturbiinien vaihteistot

• Ilmailu- ja avaruustekniikan käyttölaitteet ja turbiinivaihteistot

• Meripropulsiojärjestelmät

Aina kun vaihteiden on kestettävä iskuja, painetta ja pitkäaikaista pyörimisrasitusta, hiiletys on luotettavin ratkaisu.

Hiiletyslämpökäsittely muuttaa tavalliset teräsvaihteet tehokkaiksi komponenteiksi, jotka kestävät vaativia ympäristöjä. Prosessi vahvistaa pintaa kulumista ja väsymistä vastaan ​​säilyttäen samalla kovan sisäytimen iskunkestävyyden takaamiseksi. Koneiden kehittyessä kohti suurempaa tehotiheyttä ja hyötysuhdetta, hiiletetyt vaihteet pysyvät keskeisenä teknologiana nykyaikaisissa konepaja- ja voimansiirtojärjestelmissä.