¿Endurecido por inducción, carburado o nitrurado? Elección del tratamiento térmico para cremalleras

Tratamiento térmico y rectificado de precisión en producción.

Palabra clave objetivo:tratamiento térmico de cremallera

Secundario:Cremallera de engranajes endurecida por inducción, engranajes de profundidad endurecidos por cementación, dureza de cremallera HRC

Meta descripción:Cifras de dureza reales y profundidades de caja para bastidores endurecidos por inducción, carburados y nitrurados - además de por qué el endurecimiento arruina la precisión y lo que dice la investigación sobre la profundidad óptima de la caja.

Hay un número de dureza en el dibujo de su rejilla. ¿De dónde vino?

Según nuestra experiencia, aproximadamente la mitad de las veces fue copiado de un dibujo anterior y nadie recuerda por qué. La otra mitad fue elegida porque más alto sonaba más seguro. Ninguna es una buena razón y ambas pueden costarle dinero o un bastidor defectuoso.

El tratamiento térmico en una cremallera es un conjunto de compensaciones-entre dureza de la superficie, dureza del núcleo, profundidad de la caja, distorsión y precio. Si se equivoca en el equilibrio, se desgastarán los flancos o se romperán los dientes. Esto es lo que realmente respaldan los datos publicados.

El endurecimiento por inducción - el caballo de batalla

El endurecimiento por inducción hace pasar una corriente de alta-frecuencia a través de una bobina alrededor del área del diente, calentando solo la capa superficial y luego la enfría. El núcleo nunca alcanza la temperatura de austenización, por lo que se mantiene resistente.

Figura 1. Rangos de dureza de la superficie y profundidades del caso por método de tratamiento.

Dureza alcanzable, de fuentes publicadas:

Dos estrictas restricciones determinan si un material puede endurecerse por inducción. El proceso requiere acero concontenido de carbono de 0,30% o más- debajo de que simplemente no hay suficiente carbono para formar martensita. En el extremo superior, el carbono debe permanecer por debajo de aproximadamente el 0,55 %, con niveles bajos de azufre y fósforo, para reducir la posibilidad de que se produzca un craqueo por enfriamiento.

Esa ventana, de 0,30 % a 0,55 % de carbono, es precisamente la razón por la que S45C y 42CrMo4 (SCM440) dominan la producción de estanterías. No es tradición; es metalurgia.

Una limitación importa más de lo que la gente espera: incluso cuando el flanco y la punta del diente se endurecen adecuadamente, la raíz del diente a menudo no lo hace.

La raíz del diente es donde comienzan las grietas por fatiga por flexión. Si su modo de falla es la fatiga de la raíz en lugar del desgaste del flanco, es posible que el endurecimiento por inducción no resuelva el problema que tiene. El estudio FZG confirma la geometría de este - directamente en todos los engranajes endurecidos por inducción-probados: "el contorno de endurecimiento es más grueso en los flancos de los dientes y más bajo en la zona de la tangente de 30 grados a la raíz del diente".

La penalización por precisión que nadie menciona en la cita.

El endurecimiento distorsiona la pieza. En un bastidor largo y delgado, esa distorsión va directamente al error de tono.

Cuando se utiliza el endurecimiento por inducción, la precisión del engranaje se reduce por la tensión después del calentamiento. Posteriormente es necesario rechinar los dientes si se desea una alta precisión.

El tamaño del efecto es visible en cómo se clasifican los racks por proceso:

El mismo rack que mide 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.

Eso supone un factor de cuatro a ocho en precisión, recuperada mediante una operación de remate. Cómo se hace: "Durante el fresado de los dientes se deja material sobrante para poder rectificarlos después del endurecimiento".

Por lo tanto, la especificación real no es "endurecida por inducción". Es "endurecido por induccióny molido después del endurecimiento." Si su dibujo dice lo primero y su aplicación necesita lo segundo, se sentirá decepcionado por un bastidor que cumple técnicamente.

Una consecuencia práctica que vale la pena conocer antes de planificar el mecanizado: las operaciones secundarias normalmente son posibles en cremalleras en cualquier condición, excepto con dientes endurecidos por inducción-. Taladre los orificios de montaje antes de endurecer, no después.

Carburación - cuando necesitas una carcasa dura y un núcleo resistente

La carburación difunde el carbono en la superficie de un acero con bajo contenido de carbono-y luego se enfría. El resultado es una carcasa rígida con alto contenido de carbono en lugar de un núcleo resistente con bajo contenido de carbono.

Práctica de carburación estándar para la producción de engranajes y cremalleras.

Para 16MnCr5 (EN 10084, 1.7131), uno de los grados de endurecimiento por cementación estándar europeos-, se publicaron cifras después de una cementación y enfriamiento adecuados (Acero Otai):

Dureza superficial:58–62 CDH

Profundidad efectiva del caso:0,6–1,2 mm típico

Dureza del núcleo:28–35 CDH

Resistencia a la tracción del núcleo (condición cementada): 850–1000 MPa, rendimiento ~550 MPa

La cifra de dureza central es el objetivo de todo el ejercicio. A 28-35 HRC, el núcleo aún absorbe los impactos y resiste la propagación de grietas, mientras que la carcasa de 58-62 HRC resiste las picaduras y el desgaste. Una cremallera-completamente endurecida a 55 HRC no tiene tal reserva - es dura en su totalidad y, en consecuencia, quebradiza.

La carburación cuesta más, lleva más tiempo y distorsiona más que el endurecimiento por inducción. Especifíquelo cuando la tensión de contacto sea realmente alta y haya carga de choque presente.

¿Qué profundidad debe tener el caso? La investigación tiene un número

Aquí es donde la mayoría de las especificaciones son conjeturas, por lo que vale la pena citar investigaciones reales.

Figura 2. La resistencia a la flexión de la raíz disminuye cuando la profundidad de la caja excede 0,25 x módulo (datos de investigación de FZG / TU Munich).

Un estudio realizado por FZG en TU München (FVA 660 II, publicado a través de AGMA 22FTM14) probó engranajes 42CrMo4 en módulos normales de 14 mm y 20 mm con endurecimiento por inducción entre espacios-por-espacios, midiendo la resistencia a la flexión de la raíz del diente frente a la profundidad de endurecimiento de la superficie (SHD400, la profundidad hasta el límite de 400 HV1).

Hallazgos, citados directamente:

"Parece haber un SHD400 óptimo en el rango de 0,15 a 0,25 × m_n".

"La resistencia a la flexión de la raíz del diente de la variante con un SHD de 0,35 × m_n alcanza sólo el 80 por ciento de la resistencia a la flexión de la raíz del diente de las variantes con un SHD más bajo".

Cuanto más profundo es peor. Un caso de 0,35 × módulo pierde una quinta parte de su resistencia a la flexión de la raíz en comparación con 0,15–0,25 × módulo.

El mecanismo es la tensión residual. Una carcasa endurecida poco profunda deja la superficie comprimida, lo que suprime la iniciación de grietas. Si se empuja la carcasa demasiado profundamente, la capa de compresión se debilita y la zona de transición se mueve hacia una región de alta tensión de flexión.

Prácticamente, para un bastidor de módulo 4, ese rango es de 0,6 a 1,0 mm. Para módulo 8, de 1,2 a 2,0 mm. Las condiciones recomendadas por el estudio, para tamaños de engranajes m_n=14 a 20 mm: SHD400 a 0,15–0,25 × m_n, aproximadamente iguales en los flancos izquierdo y derecho, dureza superficial 650–750 HV, sin grietas de endurecimiento.

Vale la pena conocer una cifra relacionada del mismo estudio si tiene una aplicación crítica-para la fatiga: la variante granallada-alcanzó un número de tensión de flexión nominal de casi 600 N/mm², aproximadamente un 30 por ciento más alto que la referencia sin granallado y mayor que la comparación endurecida-. El granallado induce tensión residual de compresión y funciona.

En comparación con eso, la norma ISO 6336-5 clasifica los engranajes endurecidos superficialmente- aproximadamente un 20 por ciento por debajo de los engranajes endurecidos-en caso de una tensión máxima permitida. La carburación sigue ganando en cuanto a capacidad bruta: el endurecimiento por inducción más el granallado cierran la brecha a un coste menor.

Nitruración - dura, fina y apenas distorsionada

La nitruración difunde nitrógeno hacia la superficie a baja temperatura, normalmente520 grados (Bodycote). Sin enfriamiento, sin transformación de fase, distorsión mínima.

La capa tiene dos zonas: una capa compuesta "blanca" que brinda "alta resistencia al desgaste, raspaduras, irritaciones y agarrotamiento", y una capa de difusión debajo que proporciona "mejor resistencia a la fatiga" y soporta la capa compuesta.

Dos limitaciones deciden si la nitruración está disponible para usted:

Material.Es "más eficaz cuando se aplica a la gama de aceros que contienen elementos formadores de nitruro-como cromo, molibdeno, vanadio y aluminio". Todos los materiales ferrosos se pueden nitrurar con gas hasta un 5% de cromo; por encima de eso, nitruración por plasma. Críticamente, para el acero al carbono simple: "Debido a su falta de elementos de aleación, el acero AISI 1045 no responde al proceso de nitruración" (AZoM). Si su bastidor es C45, la nitruración no es una opción.

Profundidad del caso.Las cajas nitruradas son delgadas. Para 38CrMoAl, un grado específico de nitruración-, las cifras publicadas son 900–1100 HV (~65–70 HRC) con un caso de solo0,3–0,6 mm.

Ese caso delgado es la limitación. Bajo una fuerte tensión de contacto hertziana, una capa delgada y dura sobre un sustrato más blando puede sufrir aplastamiento - la capa colapsa en el núcleo debajo de ella. La nitruración es adecuada para bastidores donde predominan el desgaste y la irritación y la tensión de contacto es moderada, y donde la distorsión debe ser mínima porque el bastidor ya está terminado-.

El material debe endurecerse y templarse antes de nitrurar para obtener resultados óptimos.

Eligiendo

Preguntas frecuentes

¿Es mejor 60 HRC que 50 HRC en rack?

No automáticamente. Una mayor dureza significa una mejor resistencia al desgaste y una peor tenacidad. Una rejilla de 60 HRC en una aplicación cargada-de impacto romperá los dientes que una rejilla de 50 HRC sobreviviría. Haga coincidir la dureza con el modo de falla contra el que está diseñando.

¿Puedo endurecer por inducción un bastidor C45 después de mecanizar los orificios de montaje?

Puede hacerlo, pero la distorsión afecta la posición y la planitud del orificio, así como el paso de los dientes. La práctica estándar es evitar operaciones secundarias en bastidores endurecidos por inducción-. Primero mecanice, luego endurezca.

¿Por qué mi rejilla endurecida tiene peor consistencia de juego que la blanda que reemplazó?

Es casi seguro que la distorsión se endurece, si los dientes no se rechinan después. El error de paso publicado para bastidores no rectificados-endurecidos por inducción-es de alrededor de ±0,200 mm/m frente a ±0,150 mm/m para un bastidor blando - el bastidor endurecido es realmente menos preciso.

¿Qué dureza debe tener el piñón con respecto a la cremallera?

Igual o más duro. Debido a que el piñón realiza la mayor cantidad de ciclos, su dureza y clase de calidad siempre deben ser iguales o superiores a las de la cremallera. El piñón da muchas revoluciones por metro de recorrido de cremallera, por lo que acumula ciclos de contacto mucho más rápido.

¿Una mayor profundidad de caso siempre significa una vida más larga?

No, y los datos de FZG son explícitos: a 0,35 × módulo, la resistencia a la flexión de la raíz cae al 80% del valor a 0,15–0,25 × módulo. Sobre-especificar la profundidad del caso cuesta dinero y reduce la fuerza.

Tianjin OuNaiDa Transmissions Technology opera equipos de rectificado y endurecimiento de dientes internamente y suministra bastidores en grados S45C, 42CrMo4 y endurecimiento por cementación. Díganos la carga, las características del impacto y el objetivo de precisión, y le recomendaremos el tratamiento en lugar de limitarnos a indicarle la dureza que solicitó.

Bastidores templados por inducción, módulos M5 a M8