Podstawowe procesy obróbki cieplnej po nacięciu uzębienia
Nawęglanie
Podstawowym procesem obróbki cieplnochemicznej powierzchni zębów kół stożkowych i hipoidalnych przeznaczonych dla przekładni mocy wykonywanych ze stali stopowych o niskiej zawartości węgla jest nawęglanie. Głębokość warstwy nawęglanej na powierzchniach zębów zależna jest od modułu. Zależność głębokości warstwy nawęglanej w funkcji modułu przedstawia rysunek. Głębokość warstwy uzyskiwanej w procesie nawęglania zależna jest zarówno od materiału koła, jak też sposobu obróbki cieplno-chemicznej, tzn. temperatury i czasu oraz czynnika nawęglającego. Bardzo ważny jest skład chemiczny materiału koła. Pierwiastkami, które sprzyjają przenikaniu węgla do materiału koła są chrom i molibden — tworzące węgliki. Zbyt duży procent węgla w warstwie zewnętrznej materiału jest niekorzystny ze względu na trudności w usunięciu ze struktury szczątkowego austenitu. Stwierdzono doświadczalnie, iż najkorzystniejszy z punktu widzenia dalszej obróbki cieplnej procent węgla w warstwie nawęglonej powinien zawierać się w przedziale 0,7-0,9%. Zmiana zawartości węgla w warstwie wierzchniej powinna przebiegać liniowo, od maksimum na powierzchni zęba, do minimum równego zawartości stopowej na końcu warstwy nawęglonej. Ze względu na kształt zęba grubość warstwy nawęglanej jest różna w różnych punktach przekroju zęba. Wraz z różną zawartością węgla — po zahartowaniu uzyskuje się różne twardości. Rozkład twardości HRC nawęglanego i zahartowanego zęba pokazany jest na rysunku.
Koło przygotowane do nawęglania powinno być oczyszczone, zaś powierzchnie, które mają nie podlegać nawęglaniu pokryte elektrolitycznie miedzią o grubości warstwy min. 30 um lub zabezpieczane w inny sposób. Przedmioty nawęglane umieszczane są w skrzynkach z czynnikiem nawęglającym lub w przypadku nawęglania przy użyciu gazu w pojemnikach zapewniających stałe położenie i dostęp do powierzchni poddawanych nawęglaniu. Obecnie najczęściej stosowane jest nawęglanie gazowe. Odbywa się ono przy temperaturze 900-930°C. Z reguły występuje na początku procesu intensywne przenikanie węgla do materiału koła, osiągając na powierzchni zawartość rzędu 1,1-1,2% węgla. Po pewnym czasie proces przenikania węgla słabnie i ustala się równowaga na poziomie 0,8-0,9%.
Przy tym sposobie można w krótkim czasie osiągnąć duże głębokości warstwy nawęglanej. Dla zmniejszenia zawartości w strukturze szczątkowego austenitu stosuje się po nawęglaniu powtórne podgrzewanie (przy stalach chromowo-niklowych) do temperatury ok. 650°C. Jeżeli to nie daje dobrych rezultatów, można po nawęglaniu ochładzać części w pośredniej kąpieli do temp. ok. 550°C i przetrzymywać w tej temperaturze, aż austenit przejdzie w perlit drobnopłytowy, a następnie dalej ochładzać w powietrzu.
Hartowanie
wymaga podgrzania do temperatury powyżej AC3 (na wykresie żelazo-węgiel) lub ACj dla stali o zawartości węgla powyżej 0,8% i szybkiego ostudzenia, tak aby powstała struktura martenzytyczna. Szybkość chłodzenia zapewniająca powstawanie martenzytu uzyskiwana jest przy zastosowaniu kąpieli olejowej. Sterowanie temperaturą kąpieli olejowej ma na celu uniknięcie austenitu szczątkowego.
Temperatura procesu nawęglania jest wyższa od temperatury hartowania i w związku z tym koła nawęglane muszą być ostudzone do temperatury hartowania. W produkcji wielkoseryjnej i masowej stosowane są do tego celu piece tunelowe z przepływem nawę-glanych części przez strefy różnych regulowanych temperatur. Przetrzymanie w temperaturze hartowania nawęglanych części wpłynie na zmniejszenie ewentualnego przewęglenia powierzchni. W obniżonej temperaturze warstwy zewnętrznej węgiel dyfunduje z zimniej-szej warstwy do gorącego rdzenia. Okres obniżania temperatury dla uzyskania temperatury hartowania nazywany jest okresem dyfuzji. W strefie dyfuzji koncentracja czynnika (gazu nawęglającego) powinna być znacznie obniżona. Rozróżnia się pięć sposobów hartowania stosowanych w odniesieniu do kół stożkowych wykonanych ze stali do nawęglania.
1. Hartowanie bezpośrednie przeprowadzane jest dla kół nawęglanych w atmosferze gazowej. Bezpośrednio po nawęglaniu obniża się temperaturę do przewidzianej dla procesu hartowania, a następnie szybko chłodzi się części w oleju. Ten sposób hartowania zabezpiecza powierzchnie nawęglane przed odwęgleniem.
2. Hartowanie proste. Przy tym rodzaju hartowania części po nawęglaniu są wyjmowane z pojemników i studzone (gdy nawęglanie odbywa się w proszku) lub ochładzane z pojemnikami. Po wyjęciu z pojemników i ostudzeniu podgrzewa się je do temperatury hartowania a następnie szybko studzi w oleju. Tego typu hartowanie daje dobrą drobnoziarnistą strukturę na powierzchni kół, ale może powodować pozostanie gruboziarnistej struktury rdzenia w wyniku podgrzewania do wysokich temperatur w trakcie nawęglania. Sposób ten stosowany jest wyłącznie do stali dających strukturę drobnoziarnistą.
3. Hartowanie proste z pośrednim podgrzewaniem. Hartowanie z pośrednim podgrzewaniem stosowane jest do stali chromowo-niklowych, jak również stali chromowo-manganowych. Nagrzewanie kół po ostudzeniu w powietrzu prowadzone jest do temperatury niższej od właściwej temperatury hartowania (630-650°C), po czym następuje przetrzymanie w tej temperaturze 1-2 h i ostudzenie w powietrzu. Ponowne ogrzewanie prowadzone jest do temperatury hartowania, a następnie przeprowadza się chłodzenie w oleju. Tego rodzaju proces hartowania daje dobrą twardość i strukturę powierzchni zębów. Rdzeń uzyskuje również wyższą twardość i wytrzymałość.
4. Hartowanie izotermiczne. Proces ten polega na obniżeniu temperatury po nawęglaniu w kąpieli solnej do niższej od temperatury hartowania i przetrzymanie w tej temperaturze ok. 2 h, a następnie podgrzanie do temperatury hartowania i ostudzenie w oleju. Jakkolwiek hartowanie izotermiczne daje dobre wyniki z punktu widzenia twardości i zawartości szczątkowego austenitu. Jest ono kłopotliwe w praktyce. Przenoszenie hartowanych kół z kąpieli solnych do maszyny hartowniczej powoduje zwiększenie kosztów eksploatacji przyrządów i maszyn hartowniczych (częste wymiany filtrów). Mogą również występować uszkodzenia mechaniczne ziarnami soli. W produkcji masowej hartowanie izotermiczne przeprowadzone jest w specjalnych piecach przepływowych.
5. Hartowanie podwójne. Przy hartowaniu podwójnym pierwsze hartowanie dotyczy rdzenia. Odbywa się ono bezpośrednio po procesie nawęglania, jeżeli czynnikiem nawęglającym jest gaz. Powtórne hartowanie polega na podgrzaniu warstwy wierzchniej do temperatury hartowania i szybkim ostudzeniu w oleju. Proces drugiego hartowania dotyczy powierzchni zewnętrznej, ale powoduje odpuszczanie rdzenia. W związku z tym podgrzewanie do drugiego hartowania powinno odbywać się w krótkim czasie. Wadą tego procesu jest duża energochłonność ze względu na konieczność podwójnego podgrzewania.
Podstawowym procesem obróbki cieplnochemicznej powierzchni zębów kół stożkowych i hipoidalnych przeznaczonych dla przekładni mocy wykonywanych ze stali stopowych o niskiej zawartości węgla jest nawęglanie. Głębokość warstwy nawęglanej na powierzchniach zębów zależna jest od modułu. Zależność głębokości warstwy nawęglanej w funkcji modułu przedstawia rysunek. Głębokość warstwy uzyskiwanej w procesie nawęglania zależna jest zarówno od materiału koła, jak też sposobu obróbki cieplno-chemicznej, tzn. temperatury i czasu oraz czynnika nawęglającego. Bardzo ważny jest skład chemiczny materiału koła. Pierwiastkami, które sprzyjają przenikaniu węgla do materiału koła są chrom i molibden — tworzące węgliki. Zbyt duży procent węgla w warstwie zewnętrznej materiału jest niekorzystny ze względu na trudności w usunięciu ze struktury szczątkowego austenitu. Stwierdzono doświadczalnie, iż najkorzystniejszy z punktu widzenia dalszej obróbki cieplnej procent węgla w warstwie nawęglonej powinien zawierać się w przedziale 0,7-0,9%. Zmiana zawartości węgla w warstwie wierzchniej powinna przebiegać liniowo, od maksimum na powierzchni zęba, do minimum równego zawartości stopowej na końcu warstwy nawęglonej. Ze względu na kształt zęba grubość warstwy nawęglanej jest różna w różnych punktach przekroju zęba. Wraz z różną zawartością węgla — po zahartowaniu uzyskuje się różne twardości. Rozkład twardości HRC nawęglanego i zahartowanego zęba pokazany jest na rysunku.
Koło przygotowane do nawęglania powinno być oczyszczone, zaś powierzchnie, które mają nie podlegać nawęglaniu pokryte elektrolitycznie miedzią o grubości warstwy min. 30 um lub zabezpieczane w inny sposób. Przedmioty nawęglane umieszczane są w skrzynkach z czynnikiem nawęglającym lub w przypadku nawęglania przy użyciu gazu w pojemnikach zapewniających stałe położenie i dostęp do powierzchni poddawanych nawęglaniu. Obecnie najczęściej stosowane jest nawęglanie gazowe. Odbywa się ono przy temperaturze 900-930°C. Z reguły występuje na początku procesu intensywne przenikanie węgla do materiału koła, osiągając na powierzchni zawartość rzędu 1,1-1,2% węgla. Po pewnym czasie proces przenikania węgla słabnie i ustala się równowaga na poziomie 0,8-0,9%.
Przy tym sposobie można w krótkim czasie osiągnąć duże głębokości warstwy nawęglanej. Dla zmniejszenia zawartości w strukturze szczątkowego austenitu stosuje się po nawęglaniu powtórne podgrzewanie (przy stalach chromowo-niklowych) do temperatury ok. 650°C. Jeżeli to nie daje dobrych rezultatów, można po nawęglaniu ochładzać części w pośredniej kąpieli do temp. ok. 550°C i przetrzymywać w tej temperaturze, aż austenit przejdzie w perlit drobnopłytowy, a następnie dalej ochładzać w powietrzu.
Hartowanie
wymaga podgrzania do temperatury powyżej AC3 (na wykresie żelazo-węgiel) lub ACj dla stali o zawartości węgla powyżej 0,8% i szybkiego ostudzenia, tak aby powstała struktura martenzytyczna. Szybkość chłodzenia zapewniająca powstawanie martenzytu uzyskiwana jest przy zastosowaniu kąpieli olejowej. Sterowanie temperaturą kąpieli olejowej ma na celu uniknięcie austenitu szczątkowego.
Temperatura procesu nawęglania jest wyższa od temperatury hartowania i w związku z tym koła nawęglane muszą być ostudzone do temperatury hartowania. W produkcji wielkoseryjnej i masowej stosowane są do tego celu piece tunelowe z przepływem nawę-glanych części przez strefy różnych regulowanych temperatur. Przetrzymanie w temperaturze hartowania nawęglanych części wpłynie na zmniejszenie ewentualnego przewęglenia powierzchni. W obniżonej temperaturze warstwy zewnętrznej węgiel dyfunduje z zimniej-szej warstwy do gorącego rdzenia. Okres obniżania temperatury dla uzyskania temperatury hartowania nazywany jest okresem dyfuzji. W strefie dyfuzji koncentracja czynnika (gazu nawęglającego) powinna być znacznie obniżona. Rozróżnia się pięć sposobów hartowania stosowanych w odniesieniu do kół stożkowych wykonanych ze stali do nawęglania.
1. Hartowanie bezpośrednie przeprowadzane jest dla kół nawęglanych w atmosferze gazowej. Bezpośrednio po nawęglaniu obniża się temperaturę do przewidzianej dla procesu hartowania, a następnie szybko chłodzi się części w oleju. Ten sposób hartowania zabezpiecza powierzchnie nawęglane przed odwęgleniem.
2. Hartowanie proste. Przy tym rodzaju hartowania części po nawęglaniu są wyjmowane z pojemników i studzone (gdy nawęglanie odbywa się w proszku) lub ochładzane z pojemnikami. Po wyjęciu z pojemników i ostudzeniu podgrzewa się je do temperatury hartowania a następnie szybko studzi w oleju. Tego typu hartowanie daje dobrą drobnoziarnistą strukturę na powierzchni kół, ale może powodować pozostanie gruboziarnistej struktury rdzenia w wyniku podgrzewania do wysokich temperatur w trakcie nawęglania. Sposób ten stosowany jest wyłącznie do stali dających strukturę drobnoziarnistą.
3. Hartowanie proste z pośrednim podgrzewaniem. Hartowanie z pośrednim podgrzewaniem stosowane jest do stali chromowo-niklowych, jak również stali chromowo-manganowych. Nagrzewanie kół po ostudzeniu w powietrzu prowadzone jest do temperatury niższej od właściwej temperatury hartowania (630-650°C), po czym następuje przetrzymanie w tej temperaturze 1-2 h i ostudzenie w powietrzu. Ponowne ogrzewanie prowadzone jest do temperatury hartowania, a następnie przeprowadza się chłodzenie w oleju. Tego rodzaju proces hartowania daje dobrą twardość i strukturę powierzchni zębów. Rdzeń uzyskuje również wyższą twardość i wytrzymałość.
4. Hartowanie izotermiczne. Proces ten polega na obniżeniu temperatury po nawęglaniu w kąpieli solnej do niższej od temperatury hartowania i przetrzymanie w tej temperaturze ok. 2 h, a następnie podgrzanie do temperatury hartowania i ostudzenie w oleju. Jakkolwiek hartowanie izotermiczne daje dobre wyniki z punktu widzenia twardości i zawartości szczątkowego austenitu. Jest ono kłopotliwe w praktyce. Przenoszenie hartowanych kół z kąpieli solnych do maszyny hartowniczej powoduje zwiększenie kosztów eksploatacji przyrządów i maszyn hartowniczych (częste wymiany filtrów). Mogą również występować uszkodzenia mechaniczne ziarnami soli. W produkcji masowej hartowanie izotermiczne przeprowadzone jest w specjalnych piecach przepływowych.
5. Hartowanie podwójne. Przy hartowaniu podwójnym pierwsze hartowanie dotyczy rdzenia. Odbywa się ono bezpośrednio po procesie nawęglania, jeżeli czynnikiem nawęglającym jest gaz. Powtórne hartowanie polega na podgrzaniu warstwy wierzchniej do temperatury hartowania i szybkim ostudzeniu w oleju. Proces drugiego hartowania dotyczy powierzchni zewnętrznej, ale powoduje odpuszczanie rdzenia. W związku z tym podgrzewanie do drugiego hartowania powinno odbywać się w krótkim czasie. Wadą tego procesu jest duża energochłonność ze względu na konieczność podwójnego podgrzewania.