Tratament termic de carburare pentru angrenaje: Îmbunătățirea rezistenței, durabilității și performanței

În sistemele moderne de transmisie a puterii, se așteaptă ca angrenajele să funcționeze în condiții extreme: cuplu ridicat, rotație continuă, sarcini mari, viteze fluctuante și cicluri lungi de lucru. Oțelurile aliate tradiționale, chiar și cu o duritate intrinsecă bună, adesea nu pot rezista la astfel de aplicații solicitante fără defectarea suprafeței, coroziunea dinților, zgârieturi, uzură și fisuri la oboseală. Pentru a depăși aceste provocări, tratamentul termic devine o etapă esențială în fabricarea angrenajelor și, dintre toate metodele,carburarese remarcă ca unul dintre cele mai eficiente procese de întărire a suprafeței.

Cementarea (numită și cementare) este o tehnică metalurgică ce introduce carbon în stratul superficial al angrenajelor din oțel la temperatură ridicată. După călire, suprafața se transformă într-o carcasă martensitică dură, în timp ce miezul își păstrează tenacitatea și rezistența la șocuri. Această combinație este dură la exterior, dură la interior. De aceea, angrenajele carburate sunt utilizate pe scară largă în transmisiile auto, cutiile de viteze industriale, utilajele grele, echipamentele miniere, acționările aerospațiale și robotică.

Ce este carburarea?

Cementarea este un tratament termic bazat pe difuzie, efectuat la temperaturi cuprinse de obicei între 880°C și 950°C. În timpul procesului, angrenajele sunt încălzite într-o atmosferă bogată în carbon. Atomii de carbon difuzează în stratul superficial al oțelului, crescând conținutul acestuia de carbon. După ce sunt înmuiate pentru timpul necesar, angrenajele sunt călite rapid pentru a forma o carcasă martensitică întărită.

Adâncimea de penetrare a carbonului se numește adâncimea carcasei și poate fi controlată prin variația temperaturii, a timpului de menținere și a potențialului de carbon. În general, adâncimea țintă a carcasei variază de la 0,8 mm la 2,5 mm, în funcție de aplicație, dimensiunea angrenajului și capacitatea de încărcare necesară.

De ce au nevoie angrenajele de carburare?

Cementarea nu înseamnă doar creșterea durității; aceasta îmbunătățește semnificativ performanța în condiții reale de lucru. Printre principalele beneficii se numără:

1. Rezistență ridicată la uzură
   Suprafața întărită previne uzura abrazivă, coroziunea, micro-exfolierea și deteriorarea prin oboseală a suprafeței.

2. Capacitate portantă mai mare
   Angrenajele carburate pot transporta sarcini mai mari și pot transmite un cuplu mai mare fără deformare.

3. Rezistență îmbunătățită la îndoirea dinților
   Miezul ductil moale absoarbe șocurile și impactul, reducând riscul de fractură a dinților.

4. Durată de viață superioară la oboseală
   Angrenajele carburate pot funcționa zeci de mii de ore în condiții de cicluri numeroase.

5. Frecare și generare de căldură reduse
   Angrenarea mai lină a dinților asigură o transmisie mai silențioasă și mai eficientă din punct de vedere energetic.

Datorită acestor avantaje, carburarea a devenit tratamentul termic standard pentruautoangrenaje, în special pentruangrenaje conice, angrenaje elicoidale, angrenaje coronale, angrenaje diferențiale și arbori de transmisie.

Procesul de carburare pas cu pas

Un proces complet de carburare include mai multe etape, fiecare afectând performanța finală:

1. Preîncălzire și austenizare

Angrenajele sunt încălzite la temperatura de carburare, unde oțelul se transformă în austenită. Această structură permite carbonului să difuzeze ușor.

2. Difuzia carbonului și formarea carcasei

Angrenajele sunt ținute într-un mediu bogat în carbon (gaz, vid sau agent de carburare solid). Atomii de carbon difuzează spre interior, formând o carcasă întărită după răcire.

3. Stingere

Răcirea rapidă transformă stratul superficial cu conținut ridicat de carbon în martensită - extrem de dur și rezistent la uzură.

4. Revenire

După călire, este necesară revenirea pentru a reduce fragilitatea, a îmbunătăți tenacitatea și a stabiliza microstructura.

5. Prelucrare finală / Rectificare

Angrenajele tratate termic sunt adesea supuse unei rectificări de finisare sau lepuire pentru a obține o geometrie precisă a dinților, un model de contact neted și un control optim al zgomotului.

Tipuri de carburare pentru angrenaje

Au fost dezvoltate mai multe tehnologii de carburare, fiecare cu avantaje unice.

Printre ei,carburare în videste din ce în ce mai preferat pentru angrenajele de precizie datorită distribuției uniforme a carcasei, ecologicității și distorsiunii reduse.

Selectarea materialelor pentru carburare

Nu toate oțelurile sunt prietenoase cu cementarea. Materialele ideale sunt oțelurile aliate cu conținut scăzut de carbon, cu o bună călibilitate și tenacitate a miezului.

Oțeluri de carburare comune:

• 16MnCr5

• 20CrMnTi

• Oțel 8620 / 4320

• 18CrNiMo7-6

• SCM415 / SCM420

Aceste oțeluri permit o călire profundă a carcasei, menținând în același timp un miez puternic și ductil - perfect pentru angrenaje de mare tonaj.

Factori de calitate în angrenajele carburate

Pentru a obține o performanță stabilă, trebuie controlați mai mulți factori critici:

1. Concentrația de carbon la suprafață

2. Adâncimea efectivă a carcasei (ECD)

3. Nivel de austenită păstrat

4. Distorsiune și stabilitate dimensională

5. Uniformitatea durității (58–62 HRC la suprafață)

Un proces de carburare bine controlat asigură funcționarea fiabilă a angrenajelor timp de ani de zile, cu o întreținere minimă.

Aplicații ale angrenajelor carburate

Carburarea este utilizată pe scară largă în industriile în care fiabilitatea, precizia și rezistența la sarcini mari sunt esențiale:

• Cutii de viteze și sisteme diferențiale auto

• Tractoare, echipamente miniere și echipamente grele

• Robotică și echipamente de automatizare

• Cutii de viteze pentru turbine eoliene

• Acționări aerospațiale și transmisii de turbine

• Sisteme de propulsie marină

Oriunde angrenajele trebuie să reziste la șocuri, presiune și solicitări de rotație pe termen lung, carburarea este soluția cea mai fiabilă.

Tratamentul termic de carburare transformă angrenajele obișnuite din oțel în componente de înaltă performanță, capabile să reziste la medii solicitante. Procesul întărește suprafața împotriva uzurii și oboselii, păstrând în același timp un miez interior rezistent pentru rezistență la impact. Pe măsură ce utilajele evoluează către o densitate de putere și o eficiență mai mari, angrenajele carburate vor rămâne o tehnologie cheie în ingineria modernă și în sistemele de transmisie a puterii.