Công nghệ nhiệt luyện bánh răng

Các Phương Pháp Nhiệt Luyện Khác Nhau và Ảnh Hưởng Của Chúng Đối Với Bánh Răng

Nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất bánh răng, ảnh hưởng mạnh mẽ đến cách mà bánh răng hoạt động khi truyền động hoặc chuyển động trong các hệ thống máy móc. Quy trình nhiệt luyện giúp tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của bánh răng bằng cách thay đổi các tính chất hóa học, cấu trúc kim loại và vật lý của chúng. Các đặc tính này được xác định dựa trên hình dạng của bánh răng, yêu cầu về truyền động, căng thẳng tại các điểm khác nhau trong bánh răng khi chịu tải trọng, tần số tải, loại vật liệu, thiết kế các phần kết nối và các điều kiện làm việc.

Quy trình nhiệt luyện cải thiện các đặc tính vật lý như độ cứng bề mặt, tăng khả năng chống mòn để ngăn chặn việc mòn mặt răng và bề mặt tiếp xúc. Ngoài ra, nhiệt luyện còn tạo ra căng thẳng sâu bên trong để ngăn chặn việc hình thành lõi và biến dạng do căng thẳng tiếp xúc cao trên răng bánh răng. Những căng thẳng sâu bên trong này cũng ngăn chặn việc hỏng vì mệt mỏi ở gốc răng, ngăn chặn việc răng uốn theo chu kỳ làm việc. Các đặc tính vật lý như độ cứng bề mặt, độ cứng lõi, độ sâu vùng lõi, độ dẻo dai, sức mạnh, khả năng chống mòn và các căng thẳng ép có thể biến đổi rất nhiều tùy thuộc vào loại quá trình nhiệt luyện được áp dụng. Bằng cách điều chỉnh các thông số quy trình như nguồn nhiệt, nhiệt độ, thời gian, môi trường, chất lỏng làm mát và chu kỳ làm giảm nhiệt, quy trình nhiệt luyện có thể được tối ưu hóa để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Trong việc sản xuất bánh răng, việc chọn lựa phương pháp nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng. Không chỉ giúp tạo ra các tính chất vật lý mong muốn, mà còn giúp giảm thiểu sự biến dạng kích thước sau quá trình nhiệt luyện, đảm bảo việc lắp ráp cuối cùng vào hộp số diễn ra đúng cách.

Nhiều bánh răng được gia công lớn hơn trước khi nhiệt luyện để loại bỏ vật liệu thừa, giúp giảm chi phí sản xuất. Việc chọn lựa phương pháp nhiệt luyện hợp lý giúp giảm thiểu sự biến dạng, từ đó giảm việc gia công trên bề mặt đã được làm cứng, giúp tiết kiệm chi phí.

Các phương pháp nhiệt luyện như đèn cảm ứng hoặc gia nhiệt chọn lọc chỉ làm cứng các răng cụ thể của bánh răng, giúp giảm thiểu sự biến dạng. Đồng thời, việc che phủ các phần không cần làm cứng như đầu trục và rãnh chìa khóa giúp chúng duy trì sự mềm dẻo, thuận lợi cho việc loại bỏ vật liệu thừa.

Với việc thiết kế thông minh trong quá trình nhiệt luyện, kỹ sư có thể cải thiện hiệu suất và giảm chi phí tổng cộng của bánh răng. Điều này đặt ra nhận thức rằng nhiệt luyện không chỉ là một quy trình công nghệ, mà còn là một nghệ thuật đầy tính chất phức tạp, ảnh hưởng sâu sắc đến cả quá trình sản xuất và hiệu suất cuối cùng của sản phẩm. Bài viết này sẽ tập trung vào các phương pháp nhiệt luyện khác nhau và điểm mạnh, điểm yếu của từng phương pháp.

Cơ Bản về Xử Lý Nhiệt

Để hiểu về quá trình xử lý nhiệt, cần có kiến ​​thức cơ bản về kỹ thuật kim loại. Sắt, khi kết hợp với lượng nhỏ cacbon, tạo thành thép. Thép cacbon đơn thông thường chứa 1% hoặc ít hơn cacbon kết hợp với sắt. Độ cứng tối đa mà bất kỳ loại thép cacbon đơn nào có thể đạt được trong quá trình xử lý nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào nội dung cacbon của nó. Thép có nồng độ cacbon cao có thể được làm cứng thành độ cứng cao hơn so với thép có nồng độ cacbon thấp. Để tạo ra thép hợp kim, lượng nhỏ các nguyên tố khác như Cr, Ni, Mo, Si, B, V, Ti, Al, N, Nb, W và Cu (để kể ra những nguyên tố phổ biến nhất) được thêm vào thép. Các nguyên tố hợp kim này được thêm vào để tăng khả năng làm cứng hoặc cải thiện các tính chất cụ thể như độ dẻo dai hoặc kháng nhiệt độ tăng lên. Đối với người xử lý nhiệt, khả năng làm cứng cao hơn cho phép việc làm lạnh chậm hơn, điều này có nghĩa là méo móc có thể được giữ ở mức thấp hơn trong thép hợp kim có nồng độ cacbon cao hơn. Thép có thể được làm mềm bằng cách xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao và làm nguội chậm để làm cho nó trở nên mềm mại. Trong trạng thái mềm mại và dẻo dai này, nó có thể được gia công, định hình, gia công bằng máy hob, và mài dễ dàng thành hình dạng mong muốn.

Điều khiến thép trở nên quan trọng trong công nghiệp là nó có thể được làm cứng sau khi vật liệu đã được hình thành hoặc tạo hình trong trạng thái mềm mại thành hình học mong muốn. Bằng cách sử dụng một chu trình xử lý nhiệt trong đó thép được đốt cháy ở nhiệt độ austenit hóa và làm lạnh nhanh, các thành phần gần hoàn thiện có thể được làm cứng để tăng cường khả năng chống mòn, sức mạnh và độ cứng. Sau khi làm lạnh đến độ cứng tối đa có thể đạt được, được xác định bởi nội dung cacbon của thép, thép sau đó có thể được làm giảm độ cứng để cải thiện tính dẻo dai và độ bền mạnh tại chi phí giảm chút ít độ cứng, độ mạnh và các đặc điểm chống mòn của vật liệu.

Những gì thực sự xảy ra trong thép trong quá trình xử lý nhiệt là sự biến đổi pha khi các nguyên tử sắp xếp lại thành các cấu trúc tinh thể khác nhau. Điểm xuất phát của hầu hết các chi tiết được xử lý nhiệt là vật liệu được làm mềm. Thực tế, khi mua thép, nó thường ở trạng thái đã được làm mềm. Một cấu trúc được làm mềm là sự kết hợp chủ yếu giữa ferrite (Fe, sắt tinh khiết) và cacbon sắt (Fe3C, xỉ sắt). Chúng sẽ có dạng các lớp xen kẽ của ferrite và Fe3C (cấu trúc pearlitic), hoặc ferrite kết hợp với các hạt cầu hoặc ellipsoid phân tán của Fe3C (cấu trúc spherodized). Khi thép được đốt cháy ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ austenit hóa của nó, nó biến đổi thành cấu trúc austenit. Một nhiệt độ xấp xỉ cho hầu hết các loại thép cacbon đơn là khoảng 1330F và thay đổi theo từng loại thép chính xác. Khi sự biến đổi hoàn toàn từ thép sang cấu trúc austenit đã diễn ra, austenit có thể được làm lạnh nhanh (làm nguội nhanh), và cấu trúc austenit đó sẽ biến đổi thành cấu trúc martensit. Sự biến đổi từ cấu trúc austenit thành cấu trúc martensit chính là quá trình làm cứng. Cấu trúc martensit tạo ra các tính chất độ cứng và độ bền căng kéo cao nhất so với bất kỳ cấu trúc nào khác cho thép đó. Mục tiêu trong quá trình xử lý nhiệt làm cứng của thép là tạo ra một cấu trúc martensitic từ cấu trúc austenit. Một khía cạnh quan trọng của quá trình làm cứng này là tốc độ làm lạnh được sử dụng trong quá trình làm nguội. Mỗi loại thép yêu cầu một tốc độ làm lạnh tối thiểu nhất định được đạt được trong quá trình làm nguội hoặc biến đổi từ cấu trúc austenit thành cấu trúc martensit sẽ không xảy ra. Thép sau khi austenit hóa được giữ ở nhiệt độ cao và làm nguội quá chậm xuống nhiệt độ môi trường không sẽ không chuyển đổi từ cấu trúc austenit sang cấu trúc martensit. Thay vào đó, chúng sẽ chuyển về trạng thái mềm mại hơn với một hỗn hợp ferrite và xỉ sắt lại.

Bảng 1 tóm tắt các phương pháp xử lý nhiệt được sử dụng phổ biến ngày nay cho việc xử lý nhiệt của các bánh răng. Mỗi phương pháp có vị trí của riêng mình; một số phù hợp cho sản xuất hàng loạt, trong khi các phương pháp khác chỉ thực tế khi áp dụng từng chiếc một. Một số phương pháp cải thiện tất cả các tính chất về kim loại, trong khi các phương pháp khác chỉ cải thiện một hoặc hai tính chất.

Làm Cứng Trung Hòa

Có hai phân loại chính của các phương pháp xử lý nhiệt được sử dụng để làm cứng thép: làm cứng trung hòa và làm cứng vỏ. Làm cứng trung hòa đề cập đến việc duy trì tiềm năng cacbon của môi trường không khí ở tỷ lệ giống như trong thép trong suốt chu trình làm cứng. Điều này có nghĩa là cacbon xâm nhập và rời khỏi bề mặt thép với tốc độ như nhau, và không có sự tăng hoặc giảm net của các nguyên tử cacbon bên trong bề mặt của thép xảy ra. Nhiều bánh răng được làm cứng trung hòa, nhưng đối với các ứng dụng đòi hỏi cao nhất, các quy trình làm cứng vỏ như carburizing và nitriding, là các phương pháp ưa thích do các đặc tính chống mòn và cơ học được cải thiện của chúng.

Carburizing Bằng Khí Quyển

Một nguyên nhân khác gây ra sự biến dạng trong quá trình xử lý nhiệt là quenching (làm nguội nhanh). Để đạt hiệu quả tốt nhất, quenching cần được thực hiện một cách chậm rãi để rút nhiệt đều ra khỏi chi tiết, đồng thời biến đổi toàn bộ bề mặt thành martensite và đáp ứng các đặc tính vỏ và lõi mong muốn. Mặc dù nghe có vẻ đơn giản, nhưng thực tế, đối mặt với những thiết kế phức tạp của nhiều bánh răng, quá trình này có thể gặp khó khăn. Do biến đổi hình dạng của các chi tiết, hạn chế trong thiết kế của các thiết bị giữ, việc làm mát không đồng đều trong chất lỏng làm mát và tương tác giữa các chi tiết hoặc giữa chi tiết và thiết bị giữ, tất cả đều tạo ra cơ hội cho sự biến dạng mà khó lường trước nhất. Ngay cả trong một chi tiết đơn, có thể có các phần mỏng mỏng làm nguội nhanh hơn so với các phần dày hơn, dẫn đến việc các phản ứng biến dạng xảy ra ở thời điểm khác nhau trong quá trình làm nguội.

Khi biến dạng vượt quá mức chấp nhận được, chúng ta cần tìm giải pháp. Sau khi kiểm tra các biến thể của các tham số xử lý, các phương pháp giữ chi tiết, điều chỉnh quá trình làm mát và đảm bảo rằng các chi tiết không chịu căng trước khi xử lý nhiệt, chúng ta cần xem xét các giải pháp khác. Các phương pháp này có thể là các giải pháp đơn giản như việc thực hiện quy trình một cách chậm rãi hơn hoặc là các giải pháp phức tạp như việc thiết kế lại chi tiết. Ngoài ra, có các phương pháp xử lý nhiệt khác như làm nguội nhanh bằng máy ép, làm cứng từng răng bằng dòng điện từ răng này sang răng khác, sử dụng hỗn hợp khí trong quá trình carburizing và nitriding. Những phương pháp này được áp dụng khi biến dạng vượt quá mức chấp nhận được trong quá trình carburizing, đặc biệt là đối với các thiết kế bánh răng cụ thể.

Làm Nguội Nhanh Bằng Máy Ép Của Bánh Răng

Nghệ thuật làm nguội nhanh bằng máy ép vẫn là một điều bí ẩn đối với nhiều kỹ sư và người làm nhiệt động. Quá trình này cơ bản là khi các bánh răng được carburizing trong lô lớn, sau đó được làm nguội chậm và sau đó làm nóng từng chiếc riêng lẻ và làm nguội nhanh bằng máy ép để giảm thiểu sự biến dạng. Trong quá trình làm nguội nhanh bằng máy ép, việc giữ cho bề mặt phẳng và lỗ so với trục trung tâm là quan trọng.

Thiết bị được sử dụng trong quá trình này được gọi là máy ép, có thể là máy ép khí nén hoặc máy ép thủy lực, tùy thuộc vào loại máy cụ thể. Máy ép có một bộ khuôn dưới có thể di chuyển tự do và cố định trong quá trình làm nguội. Bộ khuôn trên sử dụng hệ thống áp suất trên và dưới có hai cấp độ kiểm soát thông qua xi lanh ngoại và lõi. Áp suất tối đa của khuôn phụ thuộc vào loại máy ép.

Khi bánh răng được đặt lên máy ép để làm nguội, nó được giữ chặt bằng các dụng cụ thiết kế đặc biệt cho bánh răng đó. Luồng dầu đóng vai trò quan trọng để giảm thiểu biến dạng. Dầu chảy từ bể chứa dầu qua các lỗ trong bộ khuôn dưới, sau đó trải qua các vòng dầu dựa trên bàn chữ “T” dưới đáy khuôn. Luồng dầu có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các vòng dầu dựa trên bàn chữ “T”. Dòng dầu có thể được điều chỉnh thông qua các van được kiểm soát bằng bộ hẹn giờ. Lực xi lanh nội bên ngoài được áp dụng lên mép của bánh răng để giữ cho bề mặt phẳng, trong khi xi lanh ngoại có thể được sử dụng để áp dụng áp lực lên mặt của trục hoặc mở rộng ra ngoài để kiểm soát kích thước của lỗ hoặc trục.

Việc sử dụng một cái cắm hoặc một chiều mở rộng trong lỗ tùy thuộc vào mục tiêu của quá trình. Chiều mở rộng được sử dụng khi cần mở rộng công cụ để đạt đến đường kính lỗ dự định trước khi thực sự làm nguội chi tiết. Mục tiêu là giảm thiểu các điều kiện “không đều tròn”. Các bánh răng với lỗ lớn và thành mỏng là ứng viên lý tưởng để sử dụng chiều mở rộng. Chiều cắm được sử dụng để giữ cho kích thước lỗ không thay đổi. Chiều cắm được mài thành kích thước gần với đường kính lỗ dự định. Mục tiêu là làm cho lỗ nguội hoặc co lại với một kích thước nhất định. Thông thường, quá trình mài lỗ hoàn thiện được thực hiện sau khi làm nguội bằng cách sử dụng chiều cắm.

Sự chú trọng vào quá trình nhiệt luyện của bánh răng không nên chỉ dừng lại ở việc sử dụng dụng cụ. Đã được giảng dạy rằng bánh răng tốt bắt đầu từ khuôn bánh răng. Việc giải quyết hoạt động rèn khuôn bánh răng rất quan trọng. Trong quá trình rèn khuôn, hướng của hạt tinh thể rất quan trọng để tránh có các căng thẳng dư dụng không đồng nhất. Cũng quan trọng là việc đảm bảo rằng kích thước chu kỳ ở nhiệt độ đủ thời gian đủ. Thời gian hoặc nhiệt độ không đủ trong quá trình chuẩn hóa hoặc làm mềm sẽ dẫn đến việc biến dạng lớn hơn trong các bước nhiệt luyện sau này. Thường khuyến khích thực hiện một bước giảm căng dòng nhỏ sau khi gia công thô của khuôn bánh răng để giúp giảm thiểu biến dạng trong quá trình nhiệt luyện cuối cùng. Mặc dù không được xem là hoàn toàn cần thiết, điều này giúp giảm biến dạng và cải thiện chất lượng cuối cùng của sản phẩm.

Một vấn đề khác xuất hiện trong quá trình làm cứng bánh răng là việc giảm đường kính lỗ thông qua chiều dài của lỗ. Điều này xuất hiện do các thay đổi cắt ngang có mặt trong một số bánh răng dọc theo trục của chúng. Việc sử dụng một bộ mở rộng và áp dụng áp lực khác nhau lên xi lanh bên trong sẽ giảm thiểu việc nghiêng. Trong một số thiết kế bánh răng, không thể loại bỏ việc nghiêng, nhưng nó có thể được giảm thiểu.

Khi thiết kế bánh răng nơi quá trình nhiệt luyện bằng cách sử dụng phương pháp ép nhiệt, khuyến khích việc có sự tham gia của người làm nhiệt luyện từ giai đoạn thiết kế để hiểu cách nó sẽ ảnh hưởng đến sản phẩm cuối cùng. Quá trình ép nhiệt không phải là quy trình làm cứng giá rẻ nhất hiện nay, nhưng đó là một quy trình cạnh tranh trong số các quy trình làm cứng bánh răng hiện nay. Trong nhiều trường hợp, quá trình ép nhiệt là lựa chọn duy nhất, do biến dạng từ quá trình carburizing và làm lạnh thông thường có thể quá lớn đối với một số hình dạng bánh răng nhạy cảm.

LCP/Gas Nén Áp Lực Cao Low Pressure Carburizing (LPC) với quá trình làm lạnh bằng khí áp lực cao là một công nghệ carburizing tương đối mới đã trở nên phổ biến hơn trong thập kỷ qua. Đây đã trở thành lựa chọn phổ biến cho quá trình xử lý carburizing cho bánh răng truyền động ô tô trong thập kỷ qua với General Motors, Ford, Chrysler và nhiều hãng ô tô nước ngoài hiện đã chấp nhận quy trình này. Nhiều bộ phận của hệ thống phun nhiên liệu hiện nay cũng được carburized bằng công nghệ này. Một số thành phần hàng không cũng được làm carburizing ở áp lực thấp, với các bánh răng truyền động trục rotorcraft là một trong những người đầu tiên sử dụng LPC.

Thiết bị LPC có nhiều dạng từ các nhà sản xuất lò nước ngoài có các khái niệm và thiết kế khác nhau. Nói chung, thiết bị bao gồm các buồng chân không có khả năng làm nóng các bộ phận đến nhiệt độ carburizing và có khả năng tiêm các lượng nhỏ khí hydrocarbon ở áp lực thấp hoạt động như nguồn carbon. Ngoài các buồng carburizing, còn có các buồng làm lạnh nơi các bộ phận nóng carburizing có thể được làm mát bằng áp lực cao của các loại khí trơ để nhanh chóng làm mát các bộ phận cho phép quá trình làm cứng diễn ra bằng cách biến dạng austenite thành martensite trong cấu trúc của vỏ và lõi. Các buồng làm lạnh bằng khí được trang bị quạt mạnh mẽ và có khả năng tiêm khí với áp lực dương cao thường lên đến 20 bar kết hợp với các trao đổi nhiệt sử dụng nước lạnh để nhanh chóng loại bỏ nhiệt độ từ các khí làm lạnh. Loại khí làm lạnh phổ biến nhất là khí nitơ áp lực cao, và các loại khí carburizing phổ biến hơn là propan và acetylen. Tuy nhiên, nhiều nhà sản xuất lò đang sử dụng các loại khí khác nhau và hỗn hợp của các loại khí như nguồn carbon và khí làm lạnh.

Yêu cầu hợp kim có khả năng làm cứng cao cho LPC và khí nén áp lực cao. Các lớp vật liệu thông thường được sử dụng là 8620, 5120, 4118, 17CrNiMo6, 9310, 3310, 8822H, 4822 và 8630. Cần xem xét một chút đến độ cứng của lõi, vì quá trình làm lạnh bằng khí sẽ tạo ra độ cứng lõi thấp hơn so với các bộ phận được làm lạnh bằng dầu.

Một ưu điểm lớn của LPC là các tỷ lệ làm lạnh chậm trong quá trình làm lạnh bằng khí dẫn đến việc giảm biến dạng từ quá trình làm lạnh. Nhiều chi tiết không thể được làm lạnh bằng dầu mà vẫn giữ được các dung sai kích thước cần thiết có thể được xử lý bằng phương pháp LPC với khí làm lạnh và cho kết quả kích thước chấp nhận được. Bằng cách loại bỏ việc làm lạnh không đồng nhất của các chi tiết liên quan đến việc làm lạnh bằng chất lỏng trong đó có sự bay hơi, sôi và làm lạnh theo dòng chảy xảy ra đồng thời và thay thế chúng bằng việc làm lạnh bằng khí có tốc độ làm lạnh chậm hơn và đồng nhất hơn, biến dạng có thể được giảm đáng kể khi các bề mặt của bánh răng được làm lạnh đồng đều với tốc độ làm lạnh chậm hơn. LPC với làm lạnh bằng khí đôi khi có thể loại bỏ các công đoạn chỉnh sửa sau khi làm nhiệt độ hoặc giảm dung sai của dàn máy và công cụ gia công cứng, hoặc thay thế các quy trình đắt đỏ hơn như làm lạnh bằng máy ép riêng lẻ của các bánh răng.

Một ưu điểm khác của LPC là sự sạch sẽ của các chi tiết sau quá trình xử lý. Các chi tiết đã hoàn thiện xuất hiện từ lò rất sạch sẽ. Đôi khi khó nhận biết giữa các chi tiết được làm nhiệt độ và không được làm nhiệt độ. Vì lý do này, các chi tiết được làm nhiệt độ có màu nhạt hơn, sử dụng quy trình biến màu để xác định các chi tiết được làm nhiệt độ. Ngược lại, việc carburizing thông thường sử dụng làm lạnh bằng dầu khiến dầu sẽ bám vào bề mặt và các chi tiết hoàn thiện thường có màu đậm, bị bám bẩn và để lại chất dầu trên bề mặt.

Ngoài ra quy trình LPC là khả năng sử dụng không khí với hàm lượng carbon cao hơn trong không khí bổ sung, từ đó đạt được giá trị độ cứng cao hơn ở sâu hơn trong vỏ so với quy trình carburizing thông thường. Độ cứng cao hơn ở sâu hơn bề mặt trước khi chuyển sang lõi tăng áp suất chất lỏi nén lớn hơn lên vỏ bề mặt và cải thiện các đặc tính mệt mỏi và khả năng chống biến dạng do căng điểm tiếp xúc lăn đơn lên răng bánh răng.

Hơn thế nữa quy trình LPC so với carburizing thông thường là sâu độ vỏ đạt được ở gốc răng bánh răng. Tỷ lệ từ pitch đến gốc răng bên trong sâu sau khi LPC được sử dụng rất đồng đều. Đôi khi trong quá trình carburizing thông thường của các bánh răng, độ sâu của vỏ ở gốc răng chỉ đạt khoảng một nửa so với độ sâu của vỏ ở vị trí răng bánh răng giữa đòn. Với việc xử lý LPC, độ sâu của vỏ ở gốc răng bánh răng gần như tương đương với độ sâu của vỏ ở vị trí răng bánh răng giữa đòn. Độ sâu của vỏ ở gốc răng bánh răng này giúp tăng tuổi thọ mệt mỏi dưới điều kiện uốn răng và sẽ vượt trội so với các chi tiết được carburized thông thường ở mặt độ này.

Một ưu điểm khác của LPC là sự vắng mặt của bất kỳ ô nhiễm nội tâm nào (IGO) trên bề mặt của chi tiết. Điều này giúp nhà sản xuất bánh răng không cần phải mài vỏ để loại bỏ IGO và tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất quý báu. Thông thường, IGO có độ sâu từ 0,0003 đến 0,0007 inch sẽ xuất hiện trên bất kỳ bánh răng nào được carburized trong lò không khí endothermic thông thường.

Quy trình LPC tạo ra kết quả về mặt hợp kim và kích thước xuất sắc cần thiết cho các bánh răng truyền tải hiệu suất cao. Có nhiều loại bánh răng và sản phẩm rất phù hợp với quy trình LPC và các ưu điểm của quy trình này đã được trình bày ở trên. Nhược điểm chính của quy trình này là thiết bị LPC đòi hỏi đầu tư vốn lớn và các vật tư tiêu hao đắt đỏ. Kỹ thuật tiến hành, vận hành và bảo dưỡng yêu cầu kỹ năng cao hơn so với việc carburizing truyền thống. Cũng có giới hạn về kích thước tải trọng có thể xử lý vì quá trình làm lạnh bằng khí yêu cầu việc xử lý các tải trọng nhẹ hơn để làm cho chúng lạnh nhanh hơn.

Khí Nitriding

Quy trình nitriding khí dùng để làm cứng bề mặt của thép hợp kim cho phép xử lý các hình dạng phức tạp mà không gây ra biến dạng đáng kể. Quy trình này được thực hiện ở nhiệt độ thấp, dưới nhiệt độ chuyển động, và hoàn toàn tránh được các vấn đề về biến đổi cấu trúc liên quan đến việc đưa thép lên nhiệt độ austenit và làm lạnh nhanh bằng quenching trong quá trình carburizing. Trước đó trong bài viết này, chúng ta đã mô tả ba nguyên nhân gây biến dạng trong quá trình carburizing, bao gồm giảm căng thẳng của căng thẳng dư thừa đã tồn tại, biến dạng do nhiệt độ cao và biến dạng do các quá trình biến đổi cấu trúc khi làm lạnh nhanh. Do không có các biến đổi cấu trúc xảy ra ở nhiệt độ nitriding thấp, nên không có biến dạng từ các thay đổi cấu trúc. Sự biến dạng do căng thẳng dư thừa ở nhiệt độ nitriding thấp cũng ít đáng quan tâm. Vì vậy, chỉ còn lại việc giảm căng thẳng dư thừa là nguyên nhân tiềm ẩn gây biến dạng trong quá trình nitriding. Để loại bỏ nguyên nhân biến dạng này, quy trình sản xuất tiêu chuẩn cho các bánh răng được nitrided thường bao gồm gia công bánh răng ra dạng thô, giảm căng thẳng ở nhiệt độ cao hơn 50 độ F so với nhiệt độ nitriding, tiến hành gia công cuối cùng mà gây ít căng thẳng nhất cho các bộ phận và sau đó thực hiện nitriding. Nitriding thường được thực hiện trên các bộ phận đã hoàn tất gia công cuối cùng mà không gây ra biến dạng lớn và thường không yêu cầu gia công sau quá trình xử lý nhiệt để điều chỉnh kích thước.

Quy trình nitriding cơ bản bao gồm việc đặt bề mặt thép ở nhiệt độ nitriding vào tiếp xúc với khí ammonia (NH3). Khí ammonia phân hủy tại bề mặt thép, cung cấp nitơ nguyên tử, nó có thể xâm nhập vào bánh răng, phản ứng với các nguyên tố hợp kim cụ thể trong thép và tạo thành hợp kim nitơ tạo ra lớp vỏ chịu mài mòn và cứng dẻo dưới bề mặt của bánh răng.

Có nhiều lợi ích của quy trình nitriding khí. Mục tiêu chính của quy trình này là tạo ra một lớp vỏ rất cứng, chịu mài mòn và có khả năng chịu tải trọng ở các hợp kim thép giá rẻ. Nhiệt độ thấp giữ cho biến dạng và tăng kích thước ở mức tối thiểu và thường được thực hiện trên các bộ phận đã gia công cuối cùng. Quy trình này đơn giản để vận hành và ít biến thiên hơn so với các phương pháp làm cứng bề mặt khác đã được thảo luận trước đây. Sự thiếu hụt của quenching, một nguồn biến thiên chính trong kết quả của quy trình carburizing, không xuất hiện trong nitriding và cho phép kiểm soát tốt hơn và lặp lại tốt hơn. Lớp vỏ nitrided cũng không bị mềm hoặc định hình như các bánh răng đã được carburized, chúng chỉ bắt đầu mất độ cứng ở nhi

Induction Hardening Gear Teeth

Quá trình xử lý nhiệt bằng tự hỏa cục bộ là quy trình xử lý nhiệt được sử dụng để tăng tuổi thọ mệt mỏi, sức mạnh và khả năng chống mài mòn của một thành phần. Quá trình làm cứng bằng tự hỏa được thực hiện bằng cách đặt chi tiết bên trong một trường từ lớn, khiến cho một dòng điện điều chỉnh hình thành ở bề mặt. Nhiệt độ tăng lên do mất mát I2R trong vật liệu và cho phép người xử lý nhiệt tạo ra pha austenit chỉ ở bề mặt của chi tiết mà không làm biến đổi chất liệu lõi. Không chỉ có bề mặt bị tăng nhiệt độ lên, mà tự hỏa còn cho phép chỉ có những bề mặt mong muốn được tăng nhiệt độ trong khi các bề mặt khác có thể được giữ lạnh. Trong trường hợp của các bánh răng, có thể chỉ tăng nhiệt độ phần bề mặt gần bề mặt của một răng duy nhất trong khi phần còn lại của chi tiết được giữ lạnh trong quá trình xử lý.

Làm cứng bánh răng:

Có nhiều yếu tố quyết định quá trình làm cứng bằng tự hỏa thích hợp để chọn. Những yếu tố như hình học, khả năng thấu xuyên của chất liệu và các thuộc tính cơ học mong muốn sẽ quyết định các biến số xử lý như tần số, mật độ công suất và thời gian nhiệt.

Khi làm cứng bánh răng, có nhiều lựa chọn về tần số. Mối quan hệ giữa tần số và độ sâu xâm nhập dòng điện là nghịch đảo. Điều này có nghĩa là tần số thấp sẽ khiến cho dòng điện hình thành ở độ sâu lớn trong khi tần số cao sẽ tạo nhiệt ngay gần bề mặt. Hình dạng của răng là một yếu tố quan trọng khi chọn tần số đúng, vì tần số cao sẽ tăng nhiệt răng trước, trong khi tần số thấp sẽ tăng nhiệt rễ trước.

Mật độ công suất và thời gian nhiệt là quan trọng để đạt được các thuộc tính cơ học mong muốn với ít biến động kích thước và nguy cơ nứt gãy. Khi tính toán mật độ công suất, giá trị mục tiêu nên sử dụng là 12 KW/in2 để giảm thiểu tổng sâu xâm nhập nhiệt vào lõi của chi tiết. Thời gian nhiệt luôn nên được tối ưu hóa để đạt được pha austenit đầy đủ ở độ sâu làm cứng mong muốn.

Làm Cứng Theo Hình Dạng:

Quá trình làm cứng theo hình dạng tạo ra một lõi bền vững với các căng căng đứt và một lớp bề mặt cứng có căng căng dương tại đỉnh, hai bên và gốc răng. Thông qua các thử nghiệm xác nhận sản phẩm mở rộng, đã xác định được rằng sự kết hợp giữa các căng căng đứt và lớp bề mặt cứng như vậy làm tăng tuổi thọ mệt mỏi và khả năng chống mài mòn của chi tiết hơn so với các loại làm cứng theo hình dạng khác trong khi giảm thiểu sự biến động kích thước.

Phương pháp thông thường nhất để có được mẫu làm cứng theo hình dạng là sử dụng “hỗn hợp” của các tần số để thực sự tăng nhiệt độ đỉnh, hai bên và rễ cùng một lúc. Điều này được thực hiện bằng cách tạo ra các tần số cao và thấp đồng thời và dẫn chúng qua bộ cảm ứng cùng một lúc. Loại nguồn cung cấp năng lượng này là một thiết bị mới trên thị trường và được gọi là máy tạo tần số kép đồng thời. Hầu hết các thiết bị này cho phép kỹ thuật viên điều chỉnh cường độ của các tần số khác nhau được truyền đến chi tiết. Điều này cung cấp cho họ linh hoạt để tùy chỉnh hoặc tạo hình hình dạng của mẫu cho hình học cụ thể của răng.

Làm Cứng Răng Riêng Lẻ: Quá trình làm cứng răng riêng lẻ chủ yếu được sử dụng để xử lý nhiệt bằng tự hỏa các răng bánh răng để tăng sức mạnh và khả năng chống mài mòn. Quá trình này được thực hiện bằng cách làm cứng rễ của từng răng một cách tuần tự. Sau khi từng rễ đã được làm cứng, hệ thống di chuyển chi tiết đến vị trí tiếp theo và quá trình bắt đầu lại. Quy trình này mất nhiều thời gian vì một bánh răng 55 răng sẽ mất 55 chu trình làm cứng để hoàn thành. Tuy nhiên, quy trình này chủ yếu được sử dụng để làm cứng các chi tiết lớn, thấp, không thể thực hiện bằng thiết bị truyền thống do yêu cầu công suất lớn quá lớn để làm nóng cả chi tiết cùng một lúc hoặc các bánh răng có đường kính rất lớn không thể vừa vào bất kỳ lò carburizing hiện tại nào.

Tổng Kết

Có nhiều kỹ thuật xử lý nhiệt độ cho việc làm cứng bề mặt của các bánh răng. Các quy trình xử lý nhiệt độ có thể được điều chỉnh để tối đa hóa tuổi thọ và tối ưu hóa hiệu suất của một bánh răng trong ứng dụng dịch vụ bằng cách điều chỉnh quy trình xử lý nhiệt độ để tạo ra các tính chất mong muốn cụ thể. Độ cong vẹo luôn luôn là một yếu tố trong các quy trình xử lý nhiệt độ, nhưng nó có thể được kiểm soát và giảm thiểu bằng cách chọn các tham số xử lý cụ thể, sử dụng các thiết bị kẹp chặt chẽ, sử dụng các loại quy trình làm cứng bề mặt khác nhau và thực hiện các bước bổ sung để đảm bảo rằng các bánh răng không chứa nhiều căng thẳng trước khi xử lý nhiệt độ có thể được giải phóng. Không có quy trình làm cứng nhiệt độ nào là tốt hơn quy trình nào khác, nhưng cuối cùng chúng đều bổ sung cho nhau. Việc hiểu biết về các quy trình có sẵn sẽ giúp bạn chọn lựa quy trình nào phù hợp với bánh răng của bạn.