Tepelné zpracování ozubených kol cementací: Zvýšení pevnosti, trvanlivosti a výkonu

V moderních systémech přenosu výkonu se od ozubených kol očekává, že budou pracovat za extrémních podmínek – vysoký točivý moment, nepřetržité otáčení, vysoké zatížení, kolísavé rychlosti a dlouhé pracovní cykly. Tradiční legované oceli, i s dobrou vnitřní tvrdostí, často neodolají takovým náročným aplikacím bez poškození povrchu, důlkové koroze zubů, oděru, opotřebení a únavových trhlin. Pro překonání těchto problémů se tepelné zpracování stává nezbytným krokem při výrobě ozubených kol a mezi všemi metodami...cementacevyniká jako jeden z nejúčinnějších procesů povrchového kalení.

Cementace (také nazývaná cementace) je metalurgická technika, která zavádí uhlík do povrchové vrstvy ocelových ozubených kol za vysoké teploty. Po kalení se povrch transformuje na tvrdý martenzitický plášť, zatímco jádro si zachovává houževnatost a odolnost proti nárazům. Tato kombinace tvrdosti zvenku, houževnatosti zevnitř. Proto se cementovaná ozubená kola široce používají v automobilových převodovkách, průmyslových převodovkách, těžkých strojích, těžebních zařízeních, pohonech leteckého průmyslu a robotice.

Co je cementace?

Cementace je tepelné zpracování založené na difúzi, které se obvykle provádí při teplotách mezi 880 °C a 950 °C. Během procesu se ozubená kola zahřívají v atmosféře bohaté na uhlík. Atomy uhlíku difundují do povrchové vrstvy oceli a zvyšují její obsah uhlíku. Po namáčení po požadovanou dobu se ozubená kola rychle kalí a vytvářejí zpevněnou martenzitickou vrstvu.

Hloubka průniku uhlíku se nazývá hloubka pouzdra a lze ji řídit změnou teploty, doby výdrže a uhlíkového potenciálu. Cílová hloubka pouzdra se obecně pohybuje od 0,8 mm do 2,5 mm v závislosti na aplikaci, velikosti ozubeného kola a požadované nosnosti.

Proč je potřeba cementování ozubených kol?

Cementace neznamená jen zvýšení tvrdosti, ale také výrazně zlepšuje výkon v reálných pracovních podmínkách. Mezi klíčové výhody patří:

1. Vysoká odolnost proti opotřebení
   Kalený povrch zabraňuje abrazivnímu opotřebení, důlkovému korozi, mikroodlupování a poškození povrchu únavou materiálu.

2. Vyšší nosnost
   Cementovaná ozubená kola mohou nést větší zatížení a přenášet vyšší točivý moment bez deformace.

3. Zvýšená pevnost zubů v ohybu
   Měkké tvárné jádro absorbuje nárazy a nárazy, čímž snižuje riziko zlomeniny zubu.

4. Vynikající únavový život
   Cementovaná ozubená kola mohou pracovat desítky tisíc hodin ve vysokocyklových podmínkách.

5. Snížené tření a tvorba tepla
   Plynulejší záběr zubů zajišťuje tišší a energeticky úspornější převod.

Díky těmto výhodám se cementace stala standardním tepelným zpracováním proautomobilový průmyslozubená kola, zejména prokuželová ozubená kola, šikmá ozubená kola, korunová ozubená kola, diferenciály a hnací hřídele.

Proces cementace krok za krokem

Kompletní proces cementace zahrnuje několik fází, z nichž každá ovlivňuje konečný výkon:

1. Předehřev a austenitizace

Ozubená kola se zahřívají na teplotu cementace, při které se ocel přeměňuje na austenit. Tato struktura umožňuje snadnou difuzi uhlíku.

2. Difúze uhlíku a tvorba obalů

Ozubená kola jsou držena v prostředí bohatém na uhlík (plyn, vakuum nebo pevné cementační činidlo). Atomy uhlíku difundují dovnitř a po kalení vytvářejí kalený plášť.

3. Kalení

Rychlé ochlazení transformuje povrchovou vrstvu s vysokým obsahem uhlíku na martenzit – extrémně tvrdý a odolný proti opotřebení.

4. Popouštění

Po kalení je nutné popouštění, aby se snížila křehkost, zlepšila houževnatost a stabilizovala mikrostruktura.

5. Konečné obrábění / broušení

Tepelně zpracovaná ozubená kola se často jemně brousí nebo lapují, aby se dosáhlo přesné geometrie zubů, hladkého kontaktního vzoru a optimální regulace hluku.

Typy cementace ozubených kol

Bylo vyvinuto několik technologií cementace, z nichž každá má jedinečné výhody.

Mezi nimi,vakuové cementováníje stále více preferován pro přesná ozubená kola díky rovnoměrnému rozložení materiálu v pouzdře, šetrnosti k životnímu prostředí a nízkému zkreslení.

Výběr materiálu pro cementaci

Ne všechny oceli jsou vhodné pro cementaci. Ideálními materiály jsou nízkouhlíkové legované oceli s dobrou prokalitelností a houževnatostí jádra.

Běžné cementační oceli:

• 16MnCr5

• 20CrMnTi

• Ocel 8620 / 4320

• 18CrNiMo7-6

• SCM415 / SCM420

Tyto oceli umožňují hluboké cementování a zároveň si zachovávají pevné a tvárné jádro – ideální pro těžká ozubená kola.

Faktory kvality u cementovaných ozubených kol

Pro dosažení stabilního výkonu je nutné kontrolovat několik kritických faktorů:

1. Povrchová koncentrace uhlíku

2. Efektivní hloubka případu (ECD)

3. Zachovaná úroveň austenitu

4. Deformace a rozměrová stabilita

5. Rovnoměrnost tvrdosti (58–62 HRC na povrchu)

Dobře řízený proces cementace zajišťuje, že převodovky spolehlivě fungují po mnoho let s minimální údržbou.

Aplikace cementovaných ozubených kol

Cementace se široce používá v odvětvích, kde je nezbytná spolehlivost, přesnost a vysoká odolnost vůči zatížení:

• Automobilové převodovky a diferenciály

• Traktor, těžební a těžká technika

• Robotika a automatizační zařízení

• Převodovky větrných turbín

• Pohony a převodovky turbín pro letecký průmysl

• Lodní pohonné systémy

Všude tam, kde musí ozubená kola odolávat rázům, tlaku a dlouhodobému rotačnímu namáhání, je cementace nejspolehlivějším řešením.

Tepelné zpracování nauhličováním transformuje běžná ocelová ozubená kola na vysoce výkonné součásti schopné odolávat náročným podmínkám. Tento proces zpevňuje povrch proti opotřebení a únavě materiálu a zároveň zachovává houževnaté vnitřní jádro pro odolnost proti nárazu. S vývojem strojů směrem k vyšší hustotě výkonu a účinnosti zůstanou nauhličovaná ozubená kola klíčovou technologií v moderním strojírenství a systémech přenosu energie.