hartowanie indukcyjne powierzchni kół zębatych stosowanych w

hartowanie indukcyjne powierzchni kół zębatych stosowanych w

HARTOWANIE INDUKCYJNE POWIERZCHNI KÓŁ ZĘBATYCH
STOSOWANYCH W PRODUKCJI MASOWEJ
Jacek MICHALSKI
W artykule przedstawiono zastosowanie przekładni zębatych w środkach transportu.
Scharakteryzowano typowe uszkodzenia zębów i metody zwiększenia ich odporności na obciążenie.
Omówiono metody hartowania indukcyjnego uzębienia kół zębatych. Zamieszczono proces
technologiczny koła zębatego wytwarzanego w produkcji masowej z zastosowaniem hartowania
indukcyjnego. Przedstawiono również rozkład twardości wzdłuż głębokości boku zęba po hartowaniu
indukcyjnym, nawęglaniu i hartowaniu oraz po azotowaniu.
1. WSTĘP
Aby spełnić wymagania techniczne przekładni zębatych, zwłaszcza głównych ich
części, którymi są koła zębate, niezbędna jest duża elastyczność konstrukcyjnotechnologiczna przygotowania procesu produkcyjnego [2]. Od koła zębatego, oprócz
określonej dokładności geometrii kształtu, położenia i bicia powierzchni zębów, wymaga się
dużej twardości i ujemnego stanu naprężeń własnych warstwy wierzchniej oraz odpowiednio
wysokiej wytrzymałości rdzenia [3, 13]. Podatność materiału na kształtowanie w procesie
przygotowania półfabrykatu - tłoczność, prasowalność, kowalność, hartowność, obrabialność
wpływają na cenę półwyrobu, oraz koszty procesu wytwarzania i montażu przekładni.
Dokładność geometryczna koła decyduje o dokładności kinematycznej, obciążeniach
dynamicznych, niezawodności, wibracjach i hałasie przekładni zębatej. Odporność na zużycie
cierne i zmęczenie powierzchniowe zapewniają twardość i naprężenia warstwy wierzchniej
zębów kół zębatych. Wytrzymałość rdzenia zęba z kolei zapewnia odporność na wyłamanie,
pęknięcie u podstawy oraz jego odkształcenie plastyczne [8].
Zwykle przekładnie zębate w pojazdach mechanicznych występują w [7]: skrzynkach
pośrednich, bocznych i biegów, przekładni głównej, mechanizmach różnicowych mostowych
oraz między mostowych, jak również w kole zamachowym, pompie oleju, mechanizmie
rozrządu, zwolnicach i zwalniaczu (retarderze). Silniki turbinowe statków powietrznych,
okrętów, pojazdów mechanicznych napędzają przekładnie główne i przekładnie agregatów.
Układ biegowy pojazdów trakcyjnych - napędu koła zestawu, ma silnik trakcyjny
elektryczny, przekładnie zębatą i często sprzęgła podatne typu Alsthom.
2. PRZEGLĄD LITERATURY
Z pośród kół zębatych wycofanych z użytkowania: 40-50% jest z uszkodzeniem
zmęczeniowym powierzchni zębów poprzez łuszczenie, wykruszenie, pitting; 20% kół ma
wyłamane lub pęknięte u podstawy zęby; a 30-40% zatarte, odkształcone plastycznie, zużyte
ściernie czy zużyte wodorowo [8]. Wydzielenie się wodoru i jego dyfuzja w głąb warstwy
wierzchniej zachodzi głównie w wyniku rozkładu środków smarujących. Na zużycie
wodorowe są najbardziej narażone koła zębate pomp oleju. Warstwy azotowane oraz
wytworzone w procesach pokrewnych są praktycznie nieprzenikliwe dla dyfuzji wodoru [6].
Odporności na zużycie wodorowe nie mają warstwy utworzone w wyniku przemiany
martenzytycznej.
Jednym z podstawowych etapów projektowania przekładni zębatej jest dobór
odpowiedniego materiału tworzących ją kół [10]. Własności wytrzymałościowe i
technologiczne stali na koła zębate są związane z jej mikrostrukturą, zależną w zasadniczy
193
Hartowanie obrotowe
Wzbudnik indukcyjny
Wzbudnik indukcyjny
Wzbudnik indukcyjny
TYP A
TYP A
TYP B
Hartowanie boków (ząb po zębie)
Hartowanie boków i den
wrębów (wrąb po wrębie)
Wzbudnik indukcyjny
Wzbudnik indukcyjny
Wzbudnik indukcyjny
TYP B
TYP B
TYP A
Rys. 1. Metody hartowania indukcyjnego z zaznaczonymi rozkładami strefy utwardzonej. Typ A – hartowane są zęby
wraz z dnami wrębów, co zapewnia maksymalną wytrzymałość zębów na zginanie, lecz stwarza
niebezpieczeństwo utwardzenia na wskroś lub zbyt cienkiej warstwy. Typ B – hartowane są tylko boki zębów,
co uodparnia zęby jedynie na zmęczenie powierzchniowe [5]
sposób od obróbki cieplnej, zapewniającej wytworzenie w niej najbardziej pożądanych
składników strukturalnych w wyniku przemian alotropowych lub wyraźnej zmianie
rozpuszczalności pewnych jej składników [3, 6]. Największą nośność przekładni uzyskuje się
w przypadku kół kutych ze stali stopowej nawęglanej, hartowanej, wymrażanej, odpuszczanej
i stabilizowanej. Do średnich nośności przekładni wystarczy azotowanie lub hartowanie
powierzchniowe zębów. Zaleca się także szlifowanie ściernicą z azotku boru [3]. W
przypadku narażenia zębów kół na ścieranie czy zużycie wodorowe najlepszą odporność
zapewnia azotowanie [6]. Zwiększenie wartości naprężeń własnych jak i ich głębokości
uzyskujemy zwłaszcza w próżniowym (przy obniżonym ciśnieniu) nawęglaniu i następnym
hartowaniu [3], bez użycia pras hartowniczych, oraz próżniowym azotowaniu kół zębatych
[6]. Także dobrą jakość kół zębatych zapewnia niskotemperaturowe azotowanie jarzeniowe w
obszarze plazmy z wykorzystaniem tzw. aktywnego ekranu (element jest odizolowany od
katody i anody oraz występuje konwekcyjna wymiana ciepła).
Najwyższa nośność powierzchni pracujących powierzchni zębów przekładni zębatych
uzyskiwana jest przez utwardzania w procesach nawęglania i hartowania oraz azotowania. Są
to jednak procesy kosztowne wymagające użycia dużej ilości energii oraz drogich stali
wysokostopowych [12]. Inne obróbki cieplno-chemiczne stosowane są rzadko np.
cyjanowanie, długookresowe wymrażanie. Często wystarczającą niezawodność przekładni
uzyskuje się przez hartowanie powierzchniowe stali niskostopowych. Stale te dają po
zahartowaniu warstwę powierzchniową odpowiednio twardą jak i o pożądanej twardości w
strefie nadmiernego odpuszczenia rdzenia oraz szerokość tej strefy, bez pęknięć, jak i
wymaganą kombinację twardości powierzchni, głębokości warstwy utwardzonej i własności
wytrzymałościowych rdzenia (rys 2a). Kruchość, towarzysząca wysokiej twardości, przejawia
się w znacznie słabszym stopniu, jeżeli cienka twarda warstwa ma ciągliwe podłoże.
Skłonność do pękania przy hartowaniu cienkiej warstwy powierzchniowej jest o wiele
mniejsza niż przy hartowaniu całej masy przedmiotu, nawet, jeżeli stosujemy bardzo
energiczne chłodzenie. Hartowanie indukcyjne zapewnia także małe utlenienie zewnętrzne i
wewnętrzne warstwy wierzchniej, odwęglenie, rozrost ziaren i odkształcenie cieplne. Jednak
nie znajduje zastosowania dla kół stożkowych [13] i elementów o zmiennym polu przekroju
[4].
194
Efektywna grubość warstwy utwardzonej zębów kół hartowanych powierzchniowo jest
określona przez głębokość, na której jej twardość maleje o 10 jednostek HRC w stosunku do
stwierdzonej minimalnej twardości na powierzchni [2]. W przemyśle samochodowym
największe zastosowanie znalazło hartowanie indukcyjne powierzchni walcowych
i uzębienia. Inne metody hartowania powierzchniowego jak: płomieniowe, kąpielowe,
kontaktowe, elektrolityczne czy laserowe, stosowane jest sporadycznie. Trwałość
zmęczeniowa stali 55 laserowo hartowanej jest korzystna a przebieg pękania złożony,
uzależniony od mikrostruktury i twardości warstwy wierzchniej [1]. Występuje jednak
podczas nagrzewania kolejnej powierzchni wrębu koła znaczne odpuszczenie powierzchni
bocznej uprzednio zahartowanego zęba.
Hartowanie indukcyjne polegające na bardzo szybkim nagrzewaniu warstwy
powierzchniowej przedmiotu prądami wirowymi, wzbudzonymi przez prąd przemienny
o wielkiej częstotliwości płynący we wzbudniku w postaci uzwojenia, i następnie szybkim
oziębianiu natryskiem płynu. W przeciwnym wypadku ciepło przeniknie do dalszych warstw
materiału wskutek przewodnictwa. Temperatura nagrzewania warstwy powierzchniowej jest
wyższa od temperatury przemiany austenitycznej a szybkość chłodzenia większa od
krytycznej. Proces technologiczny wymaga uwzględnienia wielu czynników w tym
elektromagnetycznych, termicznych i mechanicznych [4]. Dlatego wszystkie metody
hartowania powierzchniowego wymagają bardzo dokładnego opracowania warunków
nagrzewania i ścisłego dostosowania ich do kształtu i żądanej charakterystyki hartowanej
powierzchni [12]. Parametrami procesu są: częstotliwości prądu, moc prądu we wzbudniku
nagrzewającym przedmiot, czasu grzania i rodzaj chłodzenia zastosowanego w procesie
hartowania. Ze względu na bardzo duży koszt urządzeń i opracowania procesu
technologicznego, hartowanie indukcyjne stosuje się w produkcji wielkoseryjnej i masowej.
Hartowanie indukcyjne pozwala na osiągnięcie mniejszych głębokości zahartowania niż
przy hartowaniu płomieniowym (ok. 0,2 - 5 mm). Głębokość warstwy d, w której indukują się
prądy wirowe można obliczyć za pomocą empirycznego wzoru (1). Przenikalność
magnetyczna stali węglowej gwałtownie maleje w temperaturze przemiany magnetycznej
(punkt Curie) i przy dalszym nagrzewaniu prawie nie ulega zmianie. Głębokość przenikania
dFe γ prądów wirowych dla austenitu można określić z zależności (2).
ρ
d=C
[mm]
(1)
μ⋅f
360000
f=
[Hz]
(2)
d Fe γ 2
gdzie: C - stała, ρ - rezystywność [Ω·m], μ - przenikalność magnetyczna [V·s\A·m], f częstotliwość prądu [Hz], dFe γ - głębokość zahartowanej warstwy [mm].
Ze względu na konieczność szybkiego nagrzewania powierzchni przedmiotu
w grzejnictwie indukcyjnym stosowane są częstotliwości prądu w granicach 1-5000 kHz.
Częstotliwość prądu f dla pożądanej głębokości utwardzonej warstwy dFe γ szacuje się
z zależności (2). Wielkość nagrzewanej powierzchni zależy od mocy generatora. Orientacyjne
zapotrzebowanie mocy niezbędnej do nagrzania l cm2 wynosi 0,3-3,0 kW. Rozrzut ten jest
spowodowany zróżnicowaną konstrukcją wzbudników. Dużą rolę odgrywa też szczelina
pomiędzy wzbudnikiem a powierzchnią nagrzewaną, wynosząca 1 - 3 mm. Czas grzania, dla
bardzo małych powierzchni i małych głębokości może teoretycznie wynosić ułamek sekundy,
w praktyce zawiera się w granicach 2 - 20 s. Dla każdego typu przedmiotu wykonuje się
specjalny wzbudnik, ściśle dostosowany do kształtu i wymiarów przedmiotu. Bardzo często
korzysta się z wykresów producentów urządzeń, umożliwiających dla danego modułu zębów
koła, wymaganej głębokości utwardzenia i wstępnie wyznaczonej częstotliwości prądu, z
195
zależności (2), dobranie mocy względnej na jednostkowe pole powierzchni nagrzewane.
Następnie po uwzględnieniu wielkości koła wyznacza się moc nagrzewania oraz jej czas.
Rozróżnia się trzy podstawowe metody hartowania indukcyjnego: hartowanie obrotowe
koła zębatego we wzbudniku indukcyjnym; kolejne przestawianie wzbudnika obejmującego
ząb i nagrzewanie obu powierzchni bocznych zęba równocześnie; kolejne przestawianie
(wrąb po wrębie) wzbudnika w przestrzeni pomiędzy sąsiednimi zębami i nagrzewanie
powierzchni roboczych obu zębów od strony wzbudnika wraz z dnem wrębu (rys. 1).
Zwiększenie odporności na: wytrzymałość zmęczeniową, wytrzymałość stykową, stan
naprężeń jak i zwiększenie twardości warstwy przypowierzchniowej, odporności na korozję
naprężeniową, polega na działaniu na zęby koła zębatego strumieniem kulek i jest nazywane
kulowaniem strumieniowym (kuleczkowaniem). Kulowanie powoduje odkształcenia
plastyczne martenzytu, może także prowadzić do przemiany fazowej austenitu szczątkowego
w martenzyt. Parametrami obróbki plastycznej kulowaniem strumieniowym są: intensywność,
stopień pokrycia, frakcja sitowa śrutu i mieszanki śrutowej [9]. Proces wymaga nastawienia
ciśnienia roboczego powietrza, kąta padania śrutu, doboru ilości dysz i ich średnicy, toru
poruszania dla zapewnienia równomierniej obróbki całej powierzchni części oraz nastawienia
ilości przejść ich prędkości, wydatku z jednej dyszy i jej odległości od kulowanej
powierzchni. W trakcie procesu kulowania elementu opracowywana jest krzywa nasycenia na
płytkach Almena. Proces jest akceptowalny, gdy nasycenie zostaje osiągnięte z chwilą, gdy
pomimo zwiększenia dwukrotnie czasu kulowania płytki Almena wysokość strzałki jej
ugięcia nie zwiększy się więcej niż 10% [11]. Koła zębate kulowane mają zwykle stopień
pokrycia powierzchni 200% lub więcej, uzyskany z odpowiednią prędkością (energią) i kątem
padania śrutu o segregowanym kształcie i wielkości. Pokrycie powierzchni 100% oznacza, iż
na całej pierwotnej powierzchni, zwykle w jednym cyklu procesu, występują równomierne
kuliste odkształcenia wywołane dynamicznymi uderzeniami śrutu. Brak skaz powierzchni
kulowanej, dla typowej stali na koła zębate AISI 4340 ulepszonej cieplnie o twardości 53
HRC, powoduje przesuniecie ogniska pękania zmęczeniowego z powierzchni na pewną
głębokość warstwy podpowierzchniowej [11]. Intensywność kulowania: zwiększa trwałość
zmęczeniową, zmniejsza relaksacje indukowanych naprężeń w procesie zmęczenia oraz
przesuwa obszar koncentracji pęknięcia głębiej pod powierzchnię. Kulowanie laserowe ma
ograniczone zastosowanie z uwagi na wymaganą intensywność 100-300 J/cm2 i czas trwania
około 30 ns z przerwami. Dotyczy to także hartowania kół zębatych ciepłem procesu
szlifowania oraz chemiczno-mechanicznego wygładzania ich powierzchni.
Do wad uzębienia kół zębatych powstałych w procesie produkcyjnym zalicza się
zwłaszcza, błędy geometryczne kształtu i falistości zarysu profilu oraz linii zębów, tolerancje
podziałki oraz ich tolerancje położenia, orientacji, kierunku i bicia oraz błędy zazębienia koła.
Te ostatnie mogą powodować wgniatanie wierzchołka zęba w zarys stopy zęba zębatki,
Uszkodzenia zębów to głównie rysy hartownicze, duża koncentracją naprężeń hartowniczych,
gwałtowna zmianą twardości i struktury na granicy warstwy utwardzonej i rdzenia,
nierównomierna głębokość utwardzenia, segregacja, zawalcowanie, wtrącenia niemetaliczne,
przegrzanie, miękkie i twarde plamy, pęknięcia powierzchniowe, odpryski, łuszczenie i
odwarstwienia.
3. METODYKA BADAŃ
Mikrotwardość boków zębów, na zgładach poprzecznych szlifowanych, mierzono
twardościomierzem CSM Instruments Micro-Combi Tester z wgłębnikiem Vickers
o obciążeniu 5 N. Kształt stereometryczny boków zębów kół zębatych wyznaczono
współrzędnościową maszyną pomiarową CNC, model PNC 40 firmy Klingelnberg Söhne.
Stosowano trzpień pomiarowy zakończony powierzchnią kulistą o promieniu 1 mm. Bazę
pomiarową była oś wyobrażalna obrotu koła utworzona na podstawie dokonanych pomiarów
powierzchni walcowych czopów trzpienia kontrolnego.
196
Półfabrykatem koła zębatego mechanizmu rozrządu jest odkuwka ze stal 40HM (PN89/H-84030/04) normalizowana i ulepszona cieplnie o twardości 35-45 HRC. Było to koło
walcowe hartowane indukcyjnie o zębach prostych wytwarzane masowo. Moduł koła wynosił
2,5 mm, liczba zębów 44 i szerokość wieńca 12 mm.
Przedstawicielem kół wytwarzanych w produkcji małoseryjnej było koło stożkowe ze
stali stopowej do nawęglania 12H2N4A według PN-72/H-84085. Półfabrykat odkuwka
poddana została ulepszaniu cieplnemu. Twardość wynosiła 34-41 HEC. Koło podlegało
obróbce kształtującej toczeniem, miedziowaniu powierzchni nienawęglanych, frezowaniu
uzębienia, usuwaniu zadziorów, procesowi nawęglania w piecu atmosferycznym z
bezpośrednim hartowaniem oraz drugiemu nagrzewaniu w atmosferze ochronnej i hartowaniu
na prasie hartowniczej a następnie wymrażaniu i odpuszczaniu. Koło zębate ma
nieutwardzone czoła zębów oraz średnicę zewnętrzną głów zębów. Następnie
przeprowadzono usuwanie powłoki miedzianej, obróbkę wykończeniową szlifowaniem ścięć
technologicznych, otworu pod wielowypust i powierzchni bocznych zębów, przeciąganie
wielowypustu wewnętrznego i operacje ślusarskie. Ostatnią obróbką mechaniczna jest
kulowanie strumieniowe. Efektywna głębokość warstwy nawęglonej wynosiła 1,5-2,1 mm i
twardość po obróbce cieplnej 60-64 HRC. Dobór parametrów nawęglania w piecu
komorowym elektrycznym z możliwością bezpośredniego hartowania, przy pomocy
programu symulacji komputerowej SCR7000 szwajcarskiej firmy SCR Crevoiserat S.A.,
pozwolił określić jej grubość z dokładnością do 0,1 mm. Głębokość nawęglania i
koncentrację węgla kontroluje się na próbkach nawęglanych wraz ze wsadem kół zębatych.
Półfabrykatem koła pompy oleju w produkcji seryjnej był pręt ze stali 38HMJ (PN89/H-84030/03), ulepszonej cieplnie o twardości 38-42 HRC. Efektywna głębokość
azotowania ostateczna wynosiła 0,15-0,32 mm i twardość 900 HV0,5. Koło po obróbce
kształtującej toczeniem, frezowaniem a następnie stabilizacji oraz szlifowaniu uzębienia, było
azotowane: I stopień 520ºC / 6 h o stopniu dysocjacji amoniaku 30%, II stopień 535ºC / 12 h
o stopniu dysocjacji amoniaku 55%, III stopień 535ºC / 1,5 h bez dopływu azotu. Chłodzenie
było dwustopniowe; pierwsze do temperatury 350ºC z piecem bez dopływu azotu i chłodzenie
drugie od 350ºC do temperatury 150ºC z piecem z zastosowaniem przedmuchu azotem. Po
ostudzeniu, obróbką ostateczną kół zębatych było mikroszlifowane.
4. WYNIKI BADAŃ
Proces obróbki koła zębatego walcowego, mechanizmu rozrządu w produkcji masowej,
obejmował wykonanie otoczki tj.: toczenie średnicy zewnętrznej, planowanie czół koła
i czopa, wiercenie otworu oraz toczenie pozostałej części średnicy zewnętrznej następnie
planowane było drugie czoło koła i czoło czopa, roztoczenie otworu oraz toczenie średnicy
zewnętrznej z bazowaniem na otworze. Uzębienie wykonano metodą frezowania
obwiedniowego, w pakiecie po 20 sztuk kół zębatych. Obróbkę wykończeniową ostateczną
zębów wykonano metodą wiórkowania, także w pakiecie po 20 sztuk kół zębatych. Ostatnią
operacją obróbki mechanicznej było usuwanie zadziorów w operacji ślusarskiej.
Po myciu koła zębate napędu rozrządu hartowano indukcyjnie na urządzeniu
INDUCTOSCAN® produkcji niemieckiej firmy HWG INDECTOHEAT ze sterowaniem
cyfrowym SIEMENS 840 D. Urządzenie wyposażono w generator wysokiej częstotliwości
HF 50-200 kHz o mocy 50-150 kW. Miało ono dodatkowo mocowane adaptery zmontowane
z różnymi modułami. Jako ciecz hartowniczą stosowano roztwór wodny koncentratu
Iloquench 768 Aqua o stężeniu 10-15%, produkcji firmy CASTROL. Wymagana minimalna
głębokość warstwy zahartowanej wynosiła 1,5 mm, twardość 78 HRA z możliwością
zahartowania zębów na wskroś. Po przyjęciu technologicznej wartości głębokości warstwy
zahartowanej 2 mm, wyliczono częstotliwości prądu przemiennego 90 kHz, z zależności (2).
Przyjęto do hartowania indukcyjnego jej nieco większą, możliwą do nastawienia, wartość
197
900
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
Twardość HV0.5, -
Twardość HV0.5, -
wynoszącą 100 kHz. Spowoduje to, na podstawie zależności (2), wystąpienie głębokości
zahartowanej warstwy 1,9 mm. Prognozowana, z wykresu producenta, moc nagrzewania
a)
b)
57.3 HRC
47.3 HRC
0.0
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2
Odległość od powierzchni, mm
Twardość HV0.5, -
c)
900
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Odległość od powierzchni, mm
900
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Odległość od powierzchni, mm
Rys. 2.
Rozkład twardości HV0,5 wzdłuż głębokości boku
zęba koła ze stali: a) 40HM - hartowanie indukcyjne 100 kHz,
69 kW, nagrzewanie 4 s, hartowanie 20 s, 350 obr/min
podczas nagrzewania, 50 obr/min podczas chłodzenia oraz
odpuszczanie 160-180ºC / 3 h o efektywnej grubości
hartowania indukcyjnego 1,7 mm malejącej twardość
mniejszą o 10 HRC (do 470 HV0,5) w stosunku do
minimalnej twardości powierzchni, twardość warstwy
hartowanej indukcyjnie 670 HV0,5 (57,3 HRC), b) 12H2N4A
- nawęglanie 925ºC / 14 h, potencjał węgla 0,9% i I
hartowanie 860ºC / 30 minut oraz II hartowanie 780-800ºC /
30 minut, wymrażanie -70÷-90ºC / 5 h, odpuszczanie 160180ºC / 6 h o efektywnej grubość nawęglania 0,72 mm
mającej twardość 50 HRC, twardość warstwy nawęglanej 810
HV0,5, c) 38HMJ - stabilizowanie 580ºC / 7 h, azotowanie:
trzy stopniowe o grubości warstwy azotowanej 0,32 mm
mającej twardość zmniejszoną do 110% twardości rdzenia,
twardość warstwy azotowanej 900 HV0,5. Średnia twardość z
trzech zębów pięciu kół zębatych
wynosi 1 kW/cm2 pola powierzchni hartowanej. Wyznaczona długość powierzchni
obydwu boków zęba koła, wraz ze stopą, wynosi 12 mm. Grubość zęba na średnicy
wierzchołków wynosi z kolei 1 mm. Pole powierzchni hartowanej wyniesie, więc 6864 mm2.
Moc prądu, dla hartowanej szerokości zębów 12 mm, to ostatecznie 69 kW. Dobrano induktor
obwodowy miedziany z chłodzeniem wewnętrznym o szerokości równej szerokości
hartownego wieńca zębatego. Jego średnica wewnętrzna zapewnia szczelinę promieniowo 1,5
mm. Czas nagrzewania, z zalecanego wykresu producenta dla wymaganej grubości warstwy
zahartowanej i przyjętej częstotliwości prądu przemiennego, ma wartość 4 s. Czas hartowania
jednego koła zębatego wynosił 20 s. Wyznaczono go doświadczalnie, jako czas końca
odparowania cieczy chłodzącej zwilżającej nagrzane koło zębate. Koła zębate, w pakiecie
zawierającym 8 sztuk, umiejscawiano w zamykanej komorze urządzenia. Prędkość obrotową
wrzeciona, z pakietem kół zębatych, podczas nagrzewania wynosiła 350 obr/min. Dobrano ją
doświadczalnie. Pozwala ona na równomiernie nagrzewanie powierzchni hartowanej.
Wyznaczona doświadczalnie prędkość obrotowa podczas hartowania to 50 obr/min.
Zapewniona ona dotarcie płynu hartowniczego do podstaw hartowanych zębów koła. Po
czasie nie przekraczającym 2 godzin koła zębate odpuszczano. Temperatura suszarki SEM-1
198
a)
b)
Rys. 3. Cechy procesu technologicznego hartowania indukcyjnego koła zębatego: a) konstrukcja koła zębatego, b)
kolejność hartowania kół od 1 do 8 na trzpieniu mocującym
wynosiła 160-180ºC. Czas odpuszczania to około 3 h po załadowaniu wsadu 25 pakietów kół
zębatych. Były one przez 2 godzin wygrzewanie, po uzyskaniu przez koła zębate temperatury
suszarki. Po wyciągnięciu części z suszarki, i chłodzeniu na wolnym powietrzu, koła zębate
oczyszczano na mokro metodą strumieniowo-ścierną kulkami szklanymi i sprawdzano
prawdopodobieństwo
pęknięć
metodą
magnetyczną
z
zastosowaniem
pola
elektromagnetycznego wzdłużnego i obwodowego. Następnie koła podano kontroli
geometrycznej. Wycięte trzy segmenty z 5 kół zębatych poddano badaniom metalograficznym
i sporządzono wykres twardości HV0,5 wzdłuż grubości zębów (rys 2a).
Ze zmierzonych współrzędnych boków zębów kół mechanizmu rozrządu wyznaczono:
odchyłkę podziałki fpt=6,9 μm, odchyłkę sumaryczną podziałek Fp=15,9 μm, odchyłkę bicia
promieniowego koła Fr=27,3 μm i zmienność grubości zębów Rs=13,5 μm. Odchyłka
całkowita zarysu wynosiła Fα=15 μm oraz odchyłka całkowita linii zęba Fβ= 30 μm. Są to
odchyłki charakterystyczne, średnie z 5 kół zębatych, klasy dokładności 6-8.
Dla porównania zamieszczono także na rys. 2 średnie wartości rozkładu twardości
warstwy utwardzonej kół zębatych nawęglanych i hartowanych oraz azotowanych z podaniem
rodzaju ich materiału i parametrów procesu technologicznego obróbki cieplno-chemicznej.
5. WNIOSKI
Zaprezentowany proces technologiczny hartowania indukcyjnego koła zębatego
mechanizmu rozrządu zapewnia jego klasę dokładności 6-8. Jest on zdecydowanie mniej
pracochłonny i tańszy w stosunku do nawęglania i hartowania czy azotowania. Twardość
boku zęba koła mechanizmu rozrządu hartowanego indukcyjnie wynosi 670 HV0,5 (57,3
HRC). Efektywna grubości hartowania indukcyjnego ma wartość 1,7 mm. Występuje jednak
po hartowaniu indukcyjnym strefa nadmiernego odpuszczenia rdzenia na głębokości 1,8-2,8
mm i twardości 394-406 HV0,5. Hartowanie indukcyjne jak i nawęglanie czy azotowanie
wykonuje się dla kół zębatych ulepszonych cieplnie.
Nawęglanie jest podstawową metodą utwardzania powierzchniowego kół zębatych,
dającą najkorzystniejszy rozkład twardości. Stwierdzona efektywna grubość utwardzenia
nawęglanego koła stożkowego przekładni głównej wynosiła 0,72 mm a twardość warstwy
utwardzonej 810 HV0,5.
199
Wysokiej jakości koła zębate po nawęglaniu i hartowaniu dodatkowo poddaje się
kulowaniu strumieniowemu. Taka obróbka uzębienia jest procesem bardzo złożonym.
Cechą charakterystyczną zębów azotowanych pompy oleju, dla zamieszczonego procesu
technologicznego, jest najwyższa twardość wynosząca 900 HV0,5. Grubość warstwy
azotowanej wynosi 0,32 mm. Jednym z warunków uzyskania powodzenia w procesie
azotowania jest sorbityczna struktura kół zębatych bez naprężeń własnych po ulepszaniu
cielnym i stabilizacji. Czynnikami, które znacznie ograniczają możliwość azotowania kół
zębatych jest wysoka cena stali stopowej przeznaczonej na takie koła oraz wysokie koszty
przeprowadzania samego procesu azotowania.
LITERATURA
[1] Bogdanowicz Z.: Trwałość zmęczeniowa i przebieg zmęczeniowego pękania kół
zębatych laserowo hartowanych. Biuletyn Wojskowej Akademii Techniczne, nr 11 [603],
s. 21-30, 2002.
[2] Dziama A., Michniewicz M., Niedźwiedzki A.: Przekładnie zębate. Warszawa,
Wydawnictwo Naukowe PWN 1995.
[3] Gawroński Z.: Technologiczna warstwa wierzchnia w kołach zębatych i mechanizmach
krzywkowych. Łódź, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej 2005.
[4] Iskierka S.: Analiza numeryczna procesu hartowania indukcyjnego z uwzględnieniem
wzajemnych wpływów zjawisk elektromagnetycznych, termicznych i mechanicznych.
Częstochowa, Monografie nr 44, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej 1997.
[5] Jaśkiewicz Z., Wąsiewski A.: Przekładnie walcowe, T. 2 - Projektowanie. Warszawa,
Wydawnictwo Komunikacji i Łączności 1995.
[6] Kula P., Pietrasik R., Wendler B., Jakubowski K.: Oddziaływanie wodoru w
smarowanych węzłach ciernych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, vol. 33, nr 1, s. 7-21,
1998.
[7] Micknass W., Popiol R., Sprenger A.: Sprzęgła, skrzynki biegów, wały i półosie
napędowe. Warszawa, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności 2005.
[8] Nadolny K.: Tribologia kół zębatych. Zagadnienia trwałości i niezawodności. Poznań –
Radom, Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Eksploatacji 1999.
[9] Nakonieczny A.: Dynamiczna powierzchniowa obróbka plastyczna. Kulowanie. Shot
peening. Warszawa, Instytut Mechaniki Precyzyjnej 2002.
[10] Ochęduszko k.: Koła zębate wykonanie i montaż. Tom II, Warszawa, Wydawnictwa
Naukowo - Techniczne 1963.
[11] Torres M.A.S., Voorwald H.J.C.: An evaluation of shot peening, residual stress and
stress relaxation on the fatigue life of AISI 4340 steel. International Journal of Fatigue,
vol. 24, s. 877–886, 2002.
[12] Żańczak A., Śliwa R.: Hartowanie indukcyjne kół zębatych stosowanych w przemyśle
lotniczym. Rudy i Metale Nieżelazne, R. 52, nr 11, s. 855-860, 2007.
[13] Wójcik Z.: Przekładnie stożkowe systemu Gleason. Rzeszów, Oficyna Wydawnicza
Politechniki Rzeszowskiej 2004.
HARDENING SURFACE TEETH GEARS FOR USE IN MASS PRODUCTION
The paper presents the application of gears and systems of transport. It characterizes
typical failure to the teeth, and methods to increase their resistance to load. Methods of
induction hardening the gear teeth are shown. Technological processes of the gear in
mass production with the use of induction hardening are given. It also presents the
distribution of hardness along the depth of the side of the tooth after induction
hardening, and hardening of carburized and after nitride.
200