Cementna termička obrada zupčanika: Povećanje čvrstoće, izdržljivosti i performansi

U modernim sistemima za prijenos snage, očekuje se da zupčanici rade u ekstremnim uvjetima visokog obrtnog momenta, kontinuirane rotacije, velikih opterećenja, promjenjivih brzina i dugih radnih ciklusa. Tradicionalni legirani čelici, čak i s dobrom intrinzičnom tvrdoćom, često ne mogu izdržati tako zahtjevne primjene bez oštećenja površine, korozije zuba, habanja, habanja i pukotina usljed zamora. Da bi se prevazišli ovi izazovi, termička obrada postaje bitan korak u proizvodnji zupčanika, a među svim metodama,cementiranjeističe se kao jedan od najefikasnijih procesa površinskog kaljenja.

Cementacija (također se naziva kaljenje) je metalurška tehnika koja uvodi ugljik u površinski sloj čeličnih zupčanika na visokoj temperaturi. Nakon kaljenja, površina se transformira u tvrdi martenzitni sloj, dok jezgro zadržava žilavost i otpornost na udarce. Ova kombinacija tvrdo izvana, žilavo iznutra. Zato se cementirani zupčanici široko koriste u automobilskim mjenjačima, industrijskim mjenjačima, teškim mašinama, rudarskoj opremi, vazduhoplovnim pogonima i robotici.

Šta je cementiranje?

Cementacija je termička obrada zasnovana na difuziji koja se obično izvodi na temperaturama između 880°C i 950°C. Tokom procesa, zupčanici se zagrijavaju u atmosferi bogatoj ugljikom. Atomi ugljika difundiraju u površinski sloj čelika, povećavajući njegov sadržaj ugljika. Nakon namakanja tokom potrebnog vremena, zupčanici se brzo kale kako bi formirali očvrsli martenzitni sloj.

Dubina prodiranja ugljika naziva se dubina kućišta i može se kontrolirati promjenom temperature, vremena zadržavanja i potencijala ugljika. Općenito, ciljana dubina kućišta kreće se od 0,8 mm do 2,5 mm, ovisno o primjeni, veličini zupčanika i potrebnom nosivosti.

Zašto je potrebno cementiranje zupčanika?

Cementacija ne znači samo povećanje tvrdoće; ona značajno poboljšava performanse u stvarnim radnim uslovima. Ključne prednosti uključuju:

1. Visoka otpornost na habanje
   Okaljena površina sprječava abrazivno trošenje, koroziju, mikroljuštenje i oštećenja od zamora površine.

2. Veća nosivost
   Karburizirani zupčanici mogu podnijeti veća opterećenja i prenijeti veći obrtni moment bez deformacije.

3. Poboljšana čvrstoća zuba na savijanje
   Meka duktilna jezgra apsorbira udarce i udarce, smanjujući rizik od loma zuba.

4. Vrhunski životni vijek otporan na umor
   Karburizirani zupčanici mogu raditi desetine hiljada sati u uslovima visokog ciklusa.

5. Smanjeno trenje i stvaranje toplote
   Glatkiji zahvat zuba osigurava tiši i energetski efikasniji prijenos.

Zbog ovih prednosti, cementacija je postala standardna termička obrada zaautomobilskizupčanici, posebno zakonusni zupčanici, spiralni zupčanici, prstenasti zupčanici, diferencijalni zupčanici i transmisiona vratila.

Proces cementiranja korak po korak

Kompletan proces cementacije uključuje nekoliko faza, od kojih svaka utiče na konačne performanse:

1. Predgrijavanje i austenitizacija

Zupčanici se zagrijavaju do temperature cementacije gdje se čelik pretvara u austenit. Ova struktura omogućava ugljiku da lako difundira.

2. Difuzija ugljika i formiranje kućišta

Zupčanici se drže u okruženju bogatom ugljikom (plin, vakuum ili čvrsto sredstvo za naugljičenje). Atomi ugljika difundiraju prema unutra, formirajući otvrdnutu površinu nakon kaljenja.

3. Kaljenje

Brzo hlađenje transformira površinski sloj s visokim udjelom ugljika u martenzit - izuzetno tvrd i otporan na habanje.

4. Kaljenje

Nakon kaljenja, popuštanje je potrebno kako bi se smanjila krhkost, poboljšala žilavost i stabilizirala mikrostruktura.

5. Završna obrada / brušenje

Termički obrađeni zupčanici često se podvrgavaju završnom brušenju ili lepanju kako bi se postigla precizna geometrija zuba, gladak kontaktni uzorak i optimalna kontrola buke.

Vrste cementiranja zupčanika

Razvijeno je nekoliko tehnologija cementacije, svaka sa jedinstvenim prednostima.

Među njima,vakuumsko cementiranjeSve se više preferira za precizne zupčanike zbog svoje ujednačene raspodjele kućišta, ekološke prihvatljivosti i niske distorzije.

Izbor materijala za cementaciju

Nisu svi čelici pogodni za cementaciju. Idealni materijali su legirani čelici s niskim udjelom ugljika, s dobrom prokaljivošću i žilavošću jezgra.

Uobičajeni cementirajući čelici:

• 16MnCr5

• 20CrMnTi

• Čelik 8620 / 4320

• 18CrNiMo7-6

• SCM415 / SCM420

Ovi čelici omogućavaju duboko kaljenje, a istovremeno održavaju jaku, duktilnu jezgru - idealno za teške zupčanike.

Faktori kvalitete kod cementiranih zupčanika

Da bi se postigle stabilne performanse, potrebno je kontrolisati nekoliko ključnih faktora:

1. Površinska koncentracija ugljika

2. Efektivna dubina slučaja (ECD)

3. Zadržani nivo austenita

4. Distorzija i dimenzijska stabilnost

5. Ujednačenost tvrdoće (58–62 HRC na površini)

Dobro kontroliran proces cementiranja osigurava pouzdan rad zupčanika godinama uz minimalno održavanje.

Primjena cementiranih zupčanika

Cementacija se široko koristi u industrijama gdje su pouzdanost, preciznost i visoka izdržljivost opterećenja bitni:

• Automobilski mjenjači i diferencijali

• Traktor, rudarska i teška oprema

• Robotika i oprema za automatizaciju

• Mjenjači vjetroturbina

• Zrakoplovni pogoni i prijenosnici turbina

• Brodski pogonski sistemi

Svugdje gdje zupčanici moraju izdržati udarce, pritisak i dugotrajno rotacijsko naprezanje, cementacija je najpouzdanije rješenje.

Termička obrada cementiranjem transformira obične čelične zupčanike u visokoperformansne komponente sposobne za izdržavanje zahtjevnih okruženja. Proces jača površinu protiv habanja i zamora, a istovremeno čuva čvrstu unutrašnju jezgru za otpornost na udarce. Kako se mašine razvijaju prema većoj gustoći snage i efikasnosti, cementirani zupčanici će ostati ključna tehnologija u modernom inženjerstvu i sistemima prijenosa snage.