Hammasrataste karastamine ja kuumtöötlus: tugevuse, vastupidavuse ja jõudluse suurendamine

Kaasaegsetes jõuülekandesüsteemides eeldatakse, et hammasrattad töötavad äärmuslikes tingimustes, nagu suur pöördemoment, pidev pöörlemine, rasked koormused, kõikuvad kiirused ja pikad töötsüklid. Traditsioonilised legeerterased, isegi hea sisemise kõvadusega, ei suuda sellistele nõudlikele rakendustele vastu pidada ilma pinna purunemise, hammaste süvendamise, kriimustuste, kulumise ja väsimuspragudeta. Nende probleemide lahendamiseks on hammasrataste tootmisel oluline samm kuumtöötlus ja kõigi meetodite hulgaskarboniseeriminepaistab silma kui üks tõhusamaid pinna kõvendamise protsesse.

Karastamine (nimetatakse ka pinnakarastamiseks) on metallurgiline tehnika, mille käigus terashammasrataste pinnakihti lisatakse kõrgel temperatuuril süsinikku. Pärast karastamist muutub pind kõvaks martensiitseks kestaks, samal ajal kui südamik säilitab sitkuse ja löögikindluse. See kombinatsioon on väljast kõva, seest sitke. Seetõttu kasutatakse karastatud hammasrattaid laialdaselt autokäigukastides, tööstuslikes käigukastides, rasketes masinates, kaevandusseadmetes, lennunduse ajamites ja robootikas.

Mis on karburiseerimine?

Karbureerimine on difusioonil põhinev kuumtöötlus, mida tavaliselt viiakse läbi temperatuuridel vahemikus 880–950 °C. Protsessi käigus kuumutatakse hammasrattaid süsinikurikkas atmosfääris. Süsiniku aatomid difundeeruvad terase pinnakihti, suurendades selle süsinikusisaldust. Pärast nõutud aja möödumist karastatakse hammasrattad kiiresti, et moodustada karastatud martensiitne kest.

Süsiniku läbitungimissügavust nimetatakse kesta paksuseks ja seda saab reguleerida temperatuuri, hoidmisaja ja süsiniku potentsiaali muutmise abil. Üldiselt on sihtkesta sügavus vahemikus 0,8 mm kuni 2,5 mm, olenevalt rakendusest, hammasratta suurusest ja vajalikust kandevõimest.

Miks vajavad hammasrattad karastamist?

Karboniseerimine ei tähenda ainult kõvaduse suurendamist, vaid parandab oluliselt jõudlust reaalsetes töötingimustes. Peamised eelised on järgmised:

1. Kõrge kulumiskindlus
   Karastatud pind hoiab ära abrasiivse kulumise, süvendite tekkimise, mikrokildude tekkimise ja pinnaväsimuskahjustuste tekkimise.

2. Suurem kandevõime
   Karbureeritud hammasrattad suudavad kanda raskemaid koormusi ja edastada suuremat pöördemomenti ilma deformatsioonita.

3. Parem hammaste painutustugevus
   Pehme ja painduv südamik neelab lööke ja lööke, vähendades hammaste murdumise riski.

4. Suurepärane väsimuse eluiga
   Karbureeritud hammasrattad võivad töötada kümneid tuhandeid tunde suure tsükliga tingimustes.

5. Vähendatud hõõrdumine ja soojuse teke
   Sujuvam hammaste haardumine tagab vaiksema ja energiasäästlikuma käigukasti.

Nende eeliste tõttu on karastamine muutunud standardseks kuumtöötluseksautotööstuskäigud, eritikaldhammasrattad, kaldhammasrattad, rõngashammasrattad, diferentsiaalhammasrattad ja ülekandevõllid.

Karburiseerimisprotsess samm-sammult

Täielik karastamisprotsess hõlmab mitut etappi, millest igaüks mõjutab lõpptulemust:

1. Eelsoojendus ja austenitiseerimine

Hammasrattad kuumutatakse karastamistemperatuurini, kus teras muutub austeniidiks. See struktuur võimaldab süsinikul kergesti difundeeruda.

2. Süsiniku difusioon ja juhtumite moodustumine

Hammasrattad hoitakse süsinikurikkas keskkonnas (gaas, vaakum või tahke karastusaine). Süsiniku aatomid difundeeruvad sissepoole, moodustades pärast karastamist kõvastunud kesta.

3. Kustutamine

Kiire jahutamine muudab kõrge süsinikusisaldusega pinnakihi martensiidiks – äärmiselt kõvaks ja kulumiskindlaks.

4. Karastamine

Pärast karastamist on rabeduse vähendamiseks, sitkuse parandamiseks ja mikrostruktuuri stabiliseerimiseks vaja karastamist.

5. Lõplik töötlemine / lihvimine

Kuumtöödeldud hammasrattad läbivad sageli viimistluslihvimise või -soppimise, et saavutada täpne hambageomeetria, sujuv kontaktmuster ja optimaalne mürasummutus.

Hammasrataste karburiseerimise tüübid

On välja töötatud mitu karburiseerimistehnoloogiat, millest igaühel on ainulaadsed eelised.

Nende hulgasvaakumkarbureerimineon täppishammasrataste puhul üha eelistatum oma ühtlase korpuse jaotuse, keskkonnasõbralikkuse ja madala moonutuse tõttu.

Materjali valik karastamise jaoks

Mitte kõik terased ei sobi karastamisele. Ideaalsed materjalid on madala süsinikusisaldusega legeerterased, millel on hea karastatavus ja südamiku sitkus.

Levinud karastusterased:

• 16MnCr5

• 20CrMnTi

• 8620 / 4320 teras

• 18CrNiMo7-6

• SCM415 / SCM420

Need terased võimaldavad sügavat karastamist, säilitades samal ajal tugeva ja painduva südamiku – ideaalne raskeveokite hammasrataste jaoks.

Karburiseeritud hammasrataste kvaliteeditegurid

Stabiilse jõudluse saavutamiseks tuleb kontrollida mitmeid olulisi tegureid:

1. Pinna süsiniku kontsentratsioon

2. Efektiivne juhtumi sügavus (ECD)

3. Säilinud austeniidi tase

4. Moonutus ja mõõtmete stabiilsus

5. Kõvaduse ühtlus (pinnal 58–62 HRC)

Hästi kontrollitud karastamisprotsess tagab hammasrataste usaldusväärse töö aastaid minimaalse hooldusega.

Karburiseeritud hammasrataste rakendused

Karbureerimist kasutatakse laialdaselt tööstusharudes, kus töökindlus, täpsus ja suur koormustaluvus on olulised:

• Autode käigukastid ja diferentsiaalsüsteemid

• Traktor, kaevandus- ja rasketehnika

• Robootika ja automaatika käigukastid

• Tuuleturbiinide käigukastid

• Lennundusajamid ja turbiiniülekanded

• Mereväe jõusüsteemid

Seal, kus hammasrattad peavad vastu pidama löökidele, rõhule ja pikaajalisele pöörlemispingele, on karastamine kõige usaldusväärsem lahendus.

Karburiseeriv kuumtöötlus muudab tavalised terasest hammasrattad suure jõudlusega komponentideks, mis on võimelised vastu pidama nõudlikele keskkondadele. Protsess tugevdab pinda kulumise ja väsimuse vastu, säilitades samal ajal tugeva sisemise südamiku löögikindluse tagamiseks. Masinate arenedes suurema võimsustiheduse ja efektiivsuse poole, jäävad karastatud hammasrattad tänapäevaste inseneri- ja jõuülekandesüsteemide võtmetehnoloogiaks.