Endurecido por indução, carburado ou nitretado? Escolhendo tratamento térmico para cremalheiras

Tratamento térmico e retificação de precisão na produção

Palavra-chave alvo:tratamento térmico de cremalheira

Secundário:cremalheira endurecida por indução, engrenagens de profundidade de endurecimento, dureza de cremalheira HRC

Meta descrição:Valores reais de dureza e profundidades de revestimento para racks endurecidos por indução, carburados e nitretados -, além de por que o endurecimento prejudica a precisão e o que a pesquisa diz sobre a profundidade ideal do revestimento.

Há um número de dureza no desenho do seu rack. De onde veio isso?

Na nossa experiência, cerca de metade das vezes foi copiado de um desenho anterior e ninguém se lembra porquê. A outra metade foi escolhida porque mais alto parecia mais seguro. Nenhum dos dois é um bom motivo e ambos podem custar dinheiro ou um rack com defeito.

O tratamento térmico em uma cremalheira é um conjunto{0}}de compensações entre dureza da superfície, resistência do núcleo, profundidade da caixa, distorção e preço. Se o equilíbrio for errado, você desgastará os flancos ou quebrará os dentes. Aqui está o que os dados publicados realmente suportam.

Endurecimento por indução - o carro-chefe

O endurecimento por indução conduz uma corrente de alta-frequência através de uma bobina ao redor da área do dente, aquecendo apenas a camada superficial e, em seguida, extinguindo-a. O núcleo nunca atinge a temperatura de austenitização, por isso permanece resistente.

Figura 1. Faixas de dureza superficial e profundidades de camada por método de tratamento.

Dureza alcançável, de fontes publicadas:

Duas restrições rígidas determinam se um material pode ser endurecido por indução. O processo requer aço comteor de carbono de 0,30% ou mais- abaixo disso simplesmente não há carbono suficiente para formar martensita. Na extremidade superior, o carbono deve ficar abaixo de cerca de 0,55%, com baixo teor de enxofre e fósforo, para reduzir a chance de rachaduras por têmpera.

Essa janela, de 0,30% a 0,55% de carbono, é precisamente a razão pela qual o S45C e o 42CrMo4 (SCM440) dominam a produção de racks. Não é tradição; é metalurgia.

Uma limitação é mais importante do que as pessoas esperam: mesmo quando o flanco e a ponta do dente endurecem adequadamente, a raiz do dente muitas vezes não o faz.

A raiz do dente é onde começam as fissuras por fadiga por flexão. Se o seu modo de falha for fadiga de raiz em vez de desgaste de flanco, o endurecimento por indução pode não estar resolvendo o problema que você tem. O estudo da FZG confirma a geometria disso diretamente - para todas as engrenagens temperadas por indução- testadas, "o contorno de endurecimento é mais espesso nos flancos dos dentes e mais baixo na área da tangente de 30 graus ao filete da raiz do dente."

A penalidade de precisão que ninguém menciona na citação

O endurecimento distorce a peça. Em um rack longo e fino, essa distorção vai direto para um erro de afinação.

Quando o endurecimento por indução é usado, a precisão da engrenagem é reduzida pela deformação após o aquecimento. Posteriormente, é necessário ranger os dentes se for desejada alta precisão.

O tamanho do efeito é visível na forma como os racks são classificados por processo:

O mesmo rack que mede DIN 10 (< 0.200 mm/m) straight out of induction hardening reaches DIN 5–7 (< 0.026 to 0.052 mm/m) once the teeth are ground.

Isso representa um fator de quatro a oito na precisão, recuperado por uma operação de acabamento. Forma de fazer: “Sobre material extra durante a fresagem dos dentes para que possam ser retificados após o endurecimento”.

Portanto, a especificação real não é "endurecida por indução". É "endurecido por induçãoe retificado após o endurecimento." Se o seu desenho indicar a primeira opção e a sua aplicação precisar da segunda, você ficará desapontado com um rack que seja tecnicamente compatível.

Uma consequência prática que vale a pena conhecer antes de planejar a usinagem: operações secundárias normalmente são possíveis em racks em qualquer condição, exceto dentes endurecidos por indução-. Faça os furos de montagem antes de endurecer, não depois.

Carburação - quando você precisa de um case rígido e um núcleo resistente

A cementação difunde o carbono na superfície de um aço de baixo-carbono e depois endurece. Você acaba com um case rígido com alto-carbono em vez de um núcleo resistente com baixo-carbono.

Prática padrão de cementação para produção de engrenagens e cremalheiras.

Para 16MnCr5 (EN 10084, 1.7131), um dos graus de endurecimento-padrão europeu, foram publicados valores após cementação e têmpera adequadas (Aço Otai):

Dureza superficial:58–62 HRC

Profundidade efetiva do caso:0,6–1,2 mm típico

Dureza do núcleo:28–35 HRC

Resistência à tração do núcleo (condição de endurecimento): 850–1000 MPa, rendimento ~550 MPa

O valor da dureza central é o objetivo de todo o exercício. Em 28–35 HRC, o núcleo ainda absorve choques e resiste à propagação de trincas, enquanto o invólucro de 58–62 HRC resiste à corrosão e ao desgaste. Um rack totalmente-endurecido a 55 HRC não tem essa reserva -, é totalmente duro e correspondentemente frágil.

A cementação custa mais, leva mais tempo e distorce mais do que o endurecimento por indução. Especifique-o quando a tensão de contato for realmente alta e a carga de choque estiver presente.

Qual deve ser a profundidade do caso? A pesquisa tem um número

É aqui que a maioria das especificações são suposições, por isso vale a pena citar pesquisas reais.

Figura 2. A resistência à flexão da raiz cai quando a profundidade do caso excede 0,25 x módulo (dados de pesquisa FZG / TU Munchen).

Um estudo realizado pela FZG na TU München (FVA 660 II, publicado via AGMA 22FTM14) testou engrenagens 42CrMo4 em módulos normais de 14 mm e 20 mm com endurecimento por indução de folga-por{8}}gap, medindo a resistência à flexão da raiz do dente em relação à profundidade de endurecimento da superfície (SHD400, a profundidade até o limite de 400 HV1).

Resultados, citados diretamente:

"parece haver um SHD400 ideal na faixa de 0,15 a 0,25 × m_n."

"A resistência à flexão da raiz do dente da variante com um SHD de 0,35 × m_n atinge apenas 80 por cento da resistência à flexão da raiz do dente das variantes com menor SHD."

Mais profundo é pior. Uma caixa com 0,35 × módulo perde um quinto de sua resistência à flexão de raiz em comparação com 0,15–0,25 × módulo.

O mecanismo é o estresse residual. Um revestimento endurecido raso deixa a superfície em compressão, o que suprime o início da trinca. Empurre a caixa muito profundamente e a camada compressiva enfraquece e a zona de transição se move para uma região de alta tensão de flexão.

Praticamente, para um rack de módulo 4, essa faixa é de 0,6 a 1,0 mm. Para módulo 8, 1,2 a 2,0 mm. As condições recomendadas pelo estudo, para tamanhos de engrenagem m_n=14 a 20 mm: SHD400 em 0,15–0,25 × m_n, aproximadamente iguais nos flancos esquerdo e direito, dureza superficial 650–750 HV, sem trincas de endurecimento.

Vale a pena conhecer um número relacionado do mesmo estudo se você tiver uma aplicação-crítica de fadiga: a variante com jateamento-atingiu um número de tensão de flexão nominal de quase 600 N/mm², cerca de 30% maior do que a referência sem detonação e maior do que a comparação-endurecida. Shot peening induz tensão residual compressiva e funciona.

Em comparação com isso, a ISO 6336-5 classifica as engrenagens-endurecidas de superfície cerca de 20% abaixo das engrenagens endurecidas-para a tensão máxima permitida. A cementação ainda ganha em capacidade bruta - o endurecimento por indução mais o shot peening apenas preenchem a lacuna com um custo mais baixo.

Nitretação - dura, fina e pouco distorcida

A nitretação difunde o nitrogênio na superfície em baixa temperatura, normalmente520 graus (Bodycote). Sem extinção, sem transformação de fase, distorção mínima.

A camada tem duas zonas: uma camada composta "branca" que proporciona "alta resistência ao desgaste, abrasão, escoriações e gripagem" e uma camada de difusão abaixo, proporcionando "melhor resistência à fadiga" e apoiando a camada composta.

Duas restrições decidem se a nitretação está disponível para você:

Material.É "mais eficaz quando aplicado à gama de aços que contêm elementos formadores de nitretos, como cromo, molibdênio, vanádio e alumínio". Todos os materiais ferrosos podem ser nitretados a gás até 5% de cromo; acima disso, nitretação a plasma. Criticamente, para o aço carbono simples: "Devido à falta de elementos de liga, o aço AISI 1045 não responde ao processo de nitretação" (AZoM). Se o seu rack for C45, a nitretação não é uma opção.

Profundidade do caso.As caixas nitretadas são finas. Para 38CrMoAl, um grau específico-de nitretação, os valores publicados são 900–1100 HV (~65–70 HRC) com um caso de apenas0,3–0,6 mm.

Esse caso fino é a limitação. Sob forte tensão de contato hertziana, uma fina camada dura sobre um substrato mais macio pode sofrer esmagamento - a camada colapsa no núcleo abaixo dela. A nitretação é adequada para racks onde o desgaste e a escoriação dominam e a tensão de contato é moderada, e onde a distorção deve ser mínima porque o rack já está acabado-afiado.

O material deve ser endurecido e revenido antes da nitretação para obter melhores resultados.

Escolhendo

Perguntas frequentes

60 HRC é melhor que 50 HRC em um rack?

Não automaticamente. Maior dureza significa melhor resistência ao desgaste e pior tenacidade. Um rack de 60 HRC em uma aplicação{3}com carga de choque irá lascar dentes que um rack de 50 HRC sobreviveria. Combine a dureza com o modo de falha contra o qual você está projetando.

Posso endurecer por indução um rack C45 depois de usinar os furos de montagem?

Você pode, mas a distorção afeta a posição e o nivelamento do furo, bem como o passo do dente. A prática padrão é evitar operações secundárias em racks reforçados-por indução. Usine primeiro, endureça depois.

Por que meu rack endurecido tem pior consistência de folga do que o rack macio que ele substituiu?

Quase certamente distorções de endurecimento, se os dentes não fossem retificados posteriormente. O erro de inclinação publicado para racks não aterrados-endurecidos por indução é de cerca de ±0,200 mm/m contra ±0,150 mm/m para um rack flexível - o rack reforçado é genuinamente menos preciso.

Qual deve ser a dureza do pinhão em relação à cremalheira?

Igual ou mais difícil. Como o pinhão é o que sofre mais ciclos, sua dureza e classe de qualidade devem sempre ser iguais ou superiores às da cremalheira. O pinhão faz muitas rotações por metro de deslocamento da cremalheira, acumulando ciclos de contato muito mais rapidamente.

A maior profundidade do caso sempre significa vida mais longa?

Não, e os dados do FZG são explícitos: em 0,35 × módulo, a resistência à flexão da raiz cai para 80% do valor em 0,15–0,25 × módulo. A-especificação excessiva da profundidade do caso custa dinheiro e reduz a força.

A Tianjin OuNaiDa Transmissions Technology opera equipamentos de endurecimento e retificação de dentes-internamente e fornece racks em S45C, 42CrMo4 e graus de endurecimento-. Informe-nos a carga, as características de choque e o alvo de precisão, e recomendaremos o tratamento em vez de apenas citar a dureza que você solicitou.

Racks endurecidos por indução, módulos M5 a M8