Термичка обрада наугљеничавањем за зупчанике: Побољшање чврстоће, издржљивости и перформанси

У модерним системима за пренос снаге, очекује се да зупчаници раде у екстремним условима - висок обртни момент, континуирана ротација, велика оптерећења, променљиве брзине и дуги радни циклуси. Традиционални легирани челици, чак и са добром унутрашњом тврдоћом, често не могу да издрже тако захтевне примене без површинског оштећења, тачкастог оштећења зуба, огреботина, хабања и пукотина услед замора. Да би се превазишли ови изазови, термичка обрада постаје суштински корак у производњи зупчаника, а међу свим методама,наугљеничењеистиче се као један од најефикаснијих процеса површинског очвршћавања.

Карбуризација (такође названа каљење цемента) је металуршка техника којом се уноси угљеник у површински слој челичних зупчаника на високој температури. Након каљења, површина се трансформише у тврди мартензитни кућиште, док језгро задржава жилавост и отпорност на ударце. Ова комбинација је тврда споља, жилава изнутра. Зато се карбуризовани зупчаници широко користе у аутомобилским мењачима, индустријским мењачима, тешким машинама, рударској опреми, ваздухопловним погонима и роботици.

Шта је карбуризација?

Карбуризација је термичка обрада заснована на дифузији која се обично изводи на температурама између 880°C и 950°C. Током процеса, зупчаници се загревају у атмосфери богатој угљеником. Атоми угљеника дифундују у површински слој челика, повећавајући његов садржај угљеника. Након намакања током потребног времена, зупчаници се брзо кале да би се формирао очврсли мартензитни слој.

Дубина продирања угљеника назива се дубина кућишта и може се контролисати променом температуре, времена задржавања и потенцијала угљеника. Генерално, циљана дубина кућишта креће се од 0,8 мм до 2,5 мм, у зависности од примене, величине зупчаника и потребног капацитета оптерећења.

Зашто је зупчаницима потребно наугљеничавање?

Карбуризација није само повећање тврдоће; она значајно побољшава перформансе у стварним радним условима. Кључне предности укључују:

1. Висока отпорност на хабање
   Ојачана површина спречава абразивно хабање, тачкасто крзање, микрољуштење и оштећења од замора површине.

2. Већа носивост
   Карбуризовани зупчаници могу носити већа оптерећења и преносити већи обртни момент без деформације.

3. Побољшана чврстоћа зуба на савијање
   Меко дуктилно језгро апсорбује ударце и ударце, смањујући ризик од прелома зуба.

4. Супериорни живот умора
   Карбуризовани зупчаници могу радити десетине хиљада сати у условима високог циклуса.

5. Смањено трење и стварање топлоте
   Глаткији захват зубаца обезбеђује тиши и енергетски ефикаснији пренос.

Због ових предности, наугљеничавање је постало стандардна термичка обрада зааутомобилскизупчаници, посебно законусни зупчаници, спирални зупчаници, прстенасти зупчаници, диференцијални зупчаници и мењачка вратила.

Процес карбуризације корак по корак

Комплетан процес карбуризације укључује неколико фаза, од којих свака утиче на коначне перформансе:

1. Претходно загревање и аустенитизација

Зупчаници се загревају до температуре наугљеничавања где се челик претвара у аустенит. Ова структура омогућава угљенику да лако дифузује.

2. Дифузија угљеника и формирање кућишта

Зупчаници се држе у окружењу богатом угљеником (гас, вакуум или чврсто средство за наугљеничавање). Атоми угљеника дифундују ка унутра, формирајући очврснуто кућиште након каљења.

3. Кашење

Брзо хлађење трансформише површински слој са високим садржајем угљеника у мартензит - изузетно тврд и отпоран на хабање.

4. Каљење

Након каљења, потребно је отпуштање како би се смањила кртост, побољшала жилавост и стабилизовала микроструктура.

5. Завршна обрада / брушење

Термички обрађени зупчаници често се подвргавају завршном брушењу или лепљењу како би се постигла тачна геометрија зуба, глатки контактни образац и оптимална контрола буке.

Врсте карбуризације зупчаника

Развијено је неколико технологија наугљеничавања, свака са јединственим предностима.

Међу њима,вакуумска карбуризацијасве је префериранији за прецизне зупчанике због своје равномерне расподеле кућишта, еколошке прихватљивости и ниског изобличења.

Избор материјала за наугљеничавање

Нису сви челици погодни за наугљеничавање. Идеални материјали су легирани челици са ниским садржајем угљеника са добром каљивошћу и жилавошћу језгра.

Уобичајени челици за наугљеничавање:

• 16MnCr5

• 20CrMnTi

• Челик 8620 / 4320

• 18CrNiMo7-6

• SCM415 / SCM420

Ови челици омогућавају дубоко каљење цемента уз одржавање јаке, дуктилне језгре - савршено за тешке зупчанике.

Фактори квалитета код карбуризованих зупчаника

Да би се постигле стабилне перформансе, потребно је контролисати неколико кључних фактора:

1. Површинска концентрација угљеника

2. Ефективна дубина случаја (ECD)

3. Задржани ниво аустенита

4. Дисторзија и димензионална стабилност

5. Уједначеност тврдоће (58–62 HRC на површини)

Добро контролисан процес наугљеничавања осигурава да зупчаници поуздано раде годинама уз минимално одржавање.

Примене карбуризованих зупчаника

Карбуризација се широко користи у индустријама где су поузданост, прецизност и велика издржљивост оптерећења неопходни:

• Аутомобилски мењачи и диференцијални системи

• Трактор, рударска и тешка опрема

• Роботика и аутоматизација

• Мењачи ветротурбина

• Аерокосмички погони и преносници турбина

• Бродски погонски системи

Свуда где зупчаници морају да издрже ударце, притисак и дуготрајно ротационо напрезање, наугљеничавање је најпоузданије решење.

Термичка обрада наугљеничењем трансформише обичне челичне зупчанике у високоперформансне компоненте способне да издрже захтевна окружења. Процес јача површину од хабања и замора, а истовремено очува жилаво унутрашње језгро за отпорност на ударце. Како се машине развијају ка већој густини снаге и ефикасности, наугљеничени зупчаници ће остати кључна технологија у модерном инжењерству и системима за пренос снаге.