Краткое описание характеристик и основ применения различных методов термической обработки зубчатых передач
2025-09-08
Зубчатые передачи являются основными компонентами механических трансмиссий, и их характеристики напрямую влияют на надежность, эффективность и срок службы механического оборудования. Термическая обработка — ключевой технический метод улучшения характеристик зубчатых передач.
В данной статье обобщены процессы термической обработки различных зубчатых передач и их применение в технике, а также содержатся рекомендации по проектированию и изготовлению зубчатых передач.
Зачем зубчатым колесам нужна термообработка?
1.1 Важность термической обработки
Зубчатые колеса подвергаются сложным знакопеременным нагрузкам в процессе передачи, включая изгибающие напряжения, контактные напряжения и трение. Термическая обработка может значительно улучшить следующие свойства материалов зубчатых колес:
●Твердость поверхности (повышенная износостойкость)
●Прочность сердечника (стойкость к ударам)
●Усталостная прочность (увеличенный срок службы)
●Стабильность размеров (для обеспечения точности передачи)
1.2 Основы выбора процесса термической обработки
●Выбор процесса термообработки требует комплексного рассмотрения:
●Материал зубчатых передач (мягкая сталь, среднеуглеродистая сталь, легированная сталь и т. д.)
●Условия эксплуатации (нагрузка, скорость, условия смазки)
●Требования к точности (погрешность передачи, стандарты шума)
●Экономическая эффективность (соотношение себестоимости продукции и прибыли)
Методы термической обработки зубчатых передач
2.1 Общая термическая обработка
а) Нормализация
Характеристики процесса: Нагрев до 30-50℃ выше Ac₃ или Acm, охлаждение на воздухе.
Применимые материалы: заготовки шестерен из низкоуглеродистой и среднеуглеродистой стали.
Эффект:
●Снять напряжение при ковке
●Измельчение зерна
●Улучшенная обрабатываемость
●Типичное применение: предварительная обработка крупномодульных зубчатых передач в тяжелом машиностроении.
б) Закалка и отпуск (закалка + высокий отпуск)
Параметры процесса:
Температура закалки: 850-880℃ (сталь 45)
Температура отпуска: 550-600℃
Организационные характеристики: отпущенный мартенсит
Преимущества производительности:
●Хорошие комплексные механические свойства
●Твердость 28-32HRC
Области применения: трансмиссии, подверженные ударным нагрузкам.
2.2 Поверхностная закалка
а) Цементация и закалка
Шестерню помещают в среду, богатую углеродом (газ, жидкость или твердое тело), нагревают и выдерживают при температуре 900–950 °C, чтобы атомы углерода проникли в поверхность (обычно на глубину 0,5–2 мм), а затем закаливают для получения композитной структуры с высокой поверхностной твердостью и высокой вязкостью в сердцевине.
Материалы шестерен: 20CrMnTi, 20CrMo, 20CrMnMo, 18CrNiMo7-6
Схема процесса цементации и закалки
Характеристики процесса
●Глубокая закалка: глубина закаленного слоя может достигать 0,5-2 мм.
●Градиентная ткань: плавный переход твердости от поверхности к сердцевине
●Композитные характеристики: высокая твердость поверхности (58–63HRC) в сочетании с высокой прочностью сердцевины
●Сложный процесс: обычно включает цементацию, закалку и низкотемпературный отпуск
Анализ преимуществ
●Высокая несущая способность: глубокая закалка позволяет выдерживать большие нагрузки и удары
●Отличная износостойкость: износостойкость поверхности из высокоуглеродистого мартенсита в 3-5 раз выше, чем у закаленной и отпущенной стали.
●Высокая усталостная прочность: поверхностное напряженное состояние сжатия значительно увеличивает срок службы при контактной усталости
●Широкая адаптируемость к материалам: применимо к различным материалам, таким как низкоуглеродистая сталь, низкоуглеродистая легированная сталь и т. д.
Анализ недостатков
●Большая деформация: Высокая температура и длительный нагрев могут вызвать деформацию до 0,1–0,3 мм.
●Сложный процесс: длительный производственный цикл (обычно 4–12 часов)
●Высокое энергопотребление: высокая температура и длительный нагрев потребляют много энергии.
●Высокая стоимость: большие инвестиции в оборудование и строгие требования к контролю процесса
б) Индукционная закалка
Индукционная закалка — это процесс поверхностной закалки, при котором используется принцип электромагнитной индукции для создания вихревых токов на поверхности зубчатого колеса, нагревающих ее до температуры аустенизации (обычно 850–950 °C), а затем быстро охлаждающих (в воде, масле или полимерной закалочной среде) для получения мартенситной структуры.
Материал шестерни: 42CrMo, 50Mn
Характеристики процесса
●Избирательный нагрев: нагревается только поверхность шестерни (обычно на глубину 1–5 мм)
●Быстро и эффективно: скорость нагрева может достигать 100–300 °C/с, короткий производственный цикл
●Энергосбережение и защита окружающей среды: концентрированное использование энергии и высокая тепловая эффективность
●Легко автоматизировать: можно интегрировать в производственную линию для автоматического управления
Анализ преимуществ
●Малая деформация: локальный нагрев значительно снижает термическую деформацию, а припуск на последующую обработку невелик
●Энергосбережение и высокая эффективность: потребление энергии составляет всего 20–30 % от общего объема тушения, высокая эффективность производства
●Высокая адаптивность: может работать с крупномодульными шестернями (модуль > 8 мм)
●Низкая стоимость: умеренные инвестиции в оборудование и эксплуатационные расходы
Анализ недостатков
●Сложно контролировать затвердевший слой: необходимо точно контролировать параметры датчика и параметры процесса.
●Плохая структурная однородность: глубина и твердость закаленного слоя на верхушке и корне зуба могут быть неравномерными.
●Не подходит для малых шестерен: шестерни с малым модулем (модуль < 2 мм) легко поддаются полной закалке.
●Недостаточная прочность сердечника: только поверхностная закалка, не подходит для условий высоких ударных нагрузок
Типичные области применения: шестерни шпиндельных узлов станков, поворотные круги машиностроительных машин.
в) Азотирование
Тип процесса:
Процесс химико-термической обработки, при котором активные атомы азота проникают в поверхность зубчатого колеса, образуя упрочнённый нитридный слой (обычно толщиной 0,1–0,6 мм) в диапазоне температур 500–580 °C. Распространенные методы включают газовое азотирование, ионное азотирование и азотирование в соляной ванне.
Материал шестерни: 42CrMo, 40Cr
Характеристики процесса
●Низкотемпературная обработка: значительно ниже температуры фазового перехода, минимальная деформация
●Высокая твердость: твердость поверхности может достигать 1000–1200 HV (эквивалентно 69–72 HRC)
●Хорошая коррозионная стойкость: образование плотного нитридного слоя для повышения коррозионной стойкости
●Самосмазывающийся: азотированный слой имеет низкий коэффициент трения
Анализ преимуществ
●Минимальная деформация: тепловая деформация обычно <0,02 мм, подходит для прецизионных зубчатых передач
●Отличные комплексные характеристики: высокая твердость, износостойкость, коррозионная стойкость и защита от заедания
●Хорошая термостойкость: твердость нитридного слоя остается стабильной при температуре ниже 600 ℃
●Не требуется закалка: простой процесс, отсутствие риска образования трещин при закалке
Анализ недостатков
●Неглубокий закаленный слой: обычно 0,1–0,6 мм, с ограниченной несущей способностью
●Хрупкость: белый слой очень хрупкий и его часто необходимо контролировать или удалять.
●Ограничения по материалу: наиболее подходит для сталей, содержащих нитридообразующие элементы, такие как Cr, Mo и Al
●Длительное время цикла: обычное газовое азотирование может занять 20–80 часов.
Применимые сценарии:
●Прецизионные передаточные механизмы (например, аэрокосмические)
●Большие шестерни, которые невозможно отшлифовать
●Высокотемпературные рабочие шестерни (сохраняют твердость до 500 ℃)
2.3 Специальный процесс термообработки
а) Карбонитрация
Характеристики процесса: Добавление азота на основе науглероживания (разложения аммиака)
Сравнительные преимущества:
Низкая температура обработки (820-860℃)
Хорошая закаливаемость (можно закаливать в масле)
Износостойкость лучше, чем при обычной цементации.
Типичные области применения: трансмиссии мотоциклов, редукторы электроинструментов.
б) Лазерная поверхностная закалка
Технические параметры:
Плотность мощности: 10³-10⁵Вт/см²
Скорость сканирования: 5-20 мм/с
Преимущества процесса:
Сверхтонкий закаленный слой (0,1-0,5 мм)
Точная обработка выбора
Охлаждающая среда не требуется
Новые области применения: гармонические передачи для редукторов роботов, микропрецизионные передачи
Применение термической обработки зубчатых передач
3.1 Выбор процесса термообработки
3.1.1 Выбор по типу передачи
3.1.2 Выбор по виду отказа
●Питтинговая коррозия поверхности зуба: глубокая цементация (>1 мм)
●Поломка зуба: контроль твердости сердцевины на уровне 35–40HRC
●Абразивный износ: выберите процесс нитроцементации
●Разрушение сцепления: обработка серой и нитроцементацией
3.2 Контроль деформации при термообработке
3.2.1 Механизм деформации
●Тепловой стресс (неравномерный нагрев/охлаждение)
●Стресс ткани (изменение объема при фазовом переходе)
●Остаточные напряжения (накопление пластической деформации)
3.2.2 Меры контроля
1.Оптимизация процесса:
●Ступенчатый нагрев (уменьшает тепловой удар)
●Аусттемперирование (снижение напряжения тканей)
2.Конструкция оснастки:
●Специальное закалочное приспособление (закалочная матрица с зубчатым прессом)
●Позиционирование инструмента для индукционной закалки
3.Компенсация постобработки:
●Коррекция горячих точек (локальная коррекция нагрева)
●Холодная штамповка (для цементированных шестерен)
Подвести итог
Выбор процесса термообработки зубчатых передач должен основываться на систематическом анализе условий эксплуатации, свойств материалов и видов отказов. В производстве зубчатых передач всё чаще применяются методы комбинированной термообработки и технологии точного контроля для удовлетворения требований к высокой производительности, долговечности и низкому уровню шума. В будущем термообработка зубчатых передач будет развиваться в сторону повышения точности, эффективности и экологичности.
