טיפול בחום של קרבוריזציה עבור גלגלי שיניים: שיפור חוזק, עמידות וביצועים

במערכות תמסורת מודרניות, צפויים גלגלי שיניים לפעול בתנאים קיצוניים - מומנט גבוה, סיבוב רציף, עומסים כבדים, מהירויות משתנות ומחזורי עבודה ארוכים. פלדות סגסוגת מסורתיות, אפילו בעלות קשיות פנימית טובה, לרוב אינן יכולות לעמוד ביישומים תובעניים כאלה ללא כשל פני השטח, חורים בשיניים, שריטות, בלאי וסדקי עייפות. כדי להתגבר על אתגרים אלה, טיפול בחום הופך לשלב חיוני בייצור גלגלי שיניים, ובין כל השיטות,קרבוריזציהבולט כאחד מתהליכי הקשחת פני השטח היעילים ביותר.

קרבוריזציה (נקראת גם הקשחת קייס) היא טכניקה מטלורגית המכניסה פחמן לשכבת השטח של גלגלי שיניים מפלדה בטמפרטורה גבוהה. לאחר החימום, פני השטח הופכים למעטפת מרטנזיטית קשה בעוד שהליבה שומרת על קשיחות ועמידות בפני זעזועים. שילוב זה של קשיחות חיצונית, קשיחה פנימית. זו הסיבה שגלגלי שיניים קרבורטיביים נמצאים בשימוש נרחב בתיבת הילוכים לרכב, תיבות הילוכים תעשייתיות, מכונות כבדות, ציוד כרייה, כוננים לחלל ורובוטיקה.

מה זה קרבוריזציה?

קרבוריזציה היא טיפול בחום מבוסס דיפוזיה המבוצע בטמפרטורות שבין 880°C ל-950°C. במהלך התהליך, גלגלי השיניים מחוממים באטמוספרה עשירה בפחמן. אטומי פחמן מתפזרים לתוך שכבת הפלדה, ומגדילים את תכולת הפחמן שלה. לאחר השרייה למשך הזמן הנדרש, גלגלי השיניים עוברים קירור מהיר ליצירת מעטפת מרטנזיטית מוקשה.

עומק חדירת הפחמן נקרא עומק המארז, וניתן לשלוט בו על ידי שינוי טמפרטורה, זמן החזקה ופוטנציאל פחמן. באופן כללי, עומק המארז היעד נע בין 0.8 מ"מ ל-2.5 מ"מ, בהתאם ליישום, גודל גלגל השיניים וקיבולת העומס הנדרשת.

למה צריך קרבוריזציה של גלגלי שיניים?

קרבוריזציה אינה רק הגדלת קשיות; היא משפרת משמעותית את הביצועים בתנאי עבודה אמיתיים. היתרונות העיקריים כוללים:

1. עמידות גבוהה בפני שחיקה
   המשטח המוקשה מונע בלאי שוחק, גורים, שפכים מיקרוסקופיים ונזקי עייפות פני השטח.

2. כושר נשיאה גבוה יותר
   גלגלי שיניים קרבורטיביים יכולים לשאת עומסים כבדים יותר ולהעביר מומנט גבוה יותר ללא עיוות.

3. חוזק כיפוף שיניים משופר
   הליבה הרכה והגמישה סופגת זעזועים ופגיעות, ומפחיתה את הסיכון לשברים בשיניים.

4. חיים מעולים לעייפות
   גלגלי שיניים קרבורטיביים יכולים לפעול במשך עשרות אלפי שעות בתנאי מחזור עבודה גבוה.

5. חיכוך ויצירת חום מופחתים
   שילוב שיניים חלק יותר מבטיחה תיבת הילוכים שקטה וחסכונית יותר באנרגיה.

בגלל יתרונות אלה, קרבוריזציה הפכה לטיפול בחום הסטנדרטי עבוררכבהילוכים, במיוחד עבורגלגלי שיניים משופעים, גלגלי שיניים סליליים, גלגלי שיניים טבעתיים, גלגלי שיניים דיפרנציאליים וגירי תיבת הילוכים.

תהליך הקרבורציה שלב אחר שלב

תהליך קרבוריזציה מלא כולל מספר שלבים, שכל אחד מהם משפיע על הביצועים הסופיים:

1. חימום מקדים ואוסטניטיזציה

גלגלי שיניים מחוממים לטמפרטורת הקרבורציה שבה פלדה הופכת לאוסטניט. מבנה זה מאפשר לפחמן להתפזר בקלות.

2. דיפוזיה של פחמן ויצירת מקרים

גלגלי השיניים מוחזקים בסביבה עשירה בפחמן (גז, ואקום או חומר קרבוריזציה מוצק). אטומי פחמן מתפזרים פנימה ויוצרים מעטפת קשיחה לאחר החימום.

3. מרווה

קירור מהיר הופך את שכבת פני השטח עתירת הפחמן למרטנזיט - קשה ביותר ועמיד בפני שחיקה.

4. הרפיה

לאחר החימום, נדרשת הרפיה כדי להפחית את השבירות, לשפר את הקשיחות ולייצב את המיקרו-מבנה.

5. עיבוד שבבי / השחזה סופיים

גלגלי שיניים שעברו טיפול בחום עוברים לעתים קרובות ליטוש גימור או ליטופ כדי להשיג גיאומטריה מדויקת של השיניים, דפוס מגע חלק ובקרת רעש אופטימלית.

סוגי קרבוריזציה עבור גלגלי שיניים

פותחו מספר טכנולוגיות קרבוריזציה, לכל אחת יתרונות ייחודיים.

ביניהם,קרבוריזציה בוואקוםמועדף יותר ויותר עבור גלגלי שיניים מדויקים בשל פיזור המארז האחיד שלו, ידידותיות לסביבה ועיוות נמוך.

בחירת חומרים לקרבוריזציה

לא כל הפלדות מתאימות לקרבורציה. חומרים אידיאליים הם פלדות סגסוגת דלת פחמן עם יכולת הקשייה וקשיחות ליבה טובים.

פלדות קרבוריזציה נפוצות:

• 16MnCr5

• 20CrMnTi

• פלדה 8620 / 4320

• 18CrNiMo7-6

• SCM415 / SCM420

פלדות אלו מאפשרות הקשחת מעטפת עמוקה תוך שמירה על ליבה חזקה ורקיעה - מושלמת עבור גלגלי שיניים כבדים.

גורמי איכות בגלגלי שיניים קרבורטיביים

כדי להשיג ביצועים יציבים, יש לשלוט במספר גורמים קריטיים:

1. ריכוז פחמן על פני השטח

2. עומק מקרה אפקטיבי (ECD)

3. רמת אוסטניט שמורה

4. עיוות ויציבות ממדית

5. אחידות קשיות (58–62 HRC על פני השטח)

תהליך קרבורציה מבוקר היטב מבטיח שהגלגלי שיניים יפעלו בצורה אמינה במשך שנים עם תחזוקה מינימלית.

יישומים של גלגלי שיניים קרבוריזים

קרבוריזציה נמצאת בשימוש נרחב בתעשיות בהן אמינות, דיוק ועמידות גבוהה לעומס חיוניים:

• תיבות הילוכים ומערכות דיפרנציאל לרכב

• טרקטור, כרייה וציוד כבד

• רובוטיקה וציוד אוטומציה

• תיבות הילוכים לטורבינות רוח

• מנועי תעופה וחלל ותיבות הילוכים לטורבינות

• מערכות הנעה ימיות

בכל מקום בו גלגלי שיניים חייבים לעמוד בפני זעזועים, לחץ ועומס סיבובי ארוך טווח, קרבוריזציה היא הפתרון המהימן ביותר.

טיפול בחום של קרבוריזציה הופך גלגלי שיניים מפלדה רגילים לרכיבים בעלי ביצועים גבוהים המסוגלים לעמוד בסביבות תובעניות. התהליך מחזק את פני השטח מפני שחיקה ועייפות תוך שמירה על ליבה פנימית קשוחה לעמידות בפני פגיעות. ככל שהמכונות מתפתחות לעבר צפיפות הספק ויעילות גבוהות יותר, גלגלי שיניים קרבוריזציה יישארו טכנולוגיה מרכזית בהנדסה מודרנית ובמערכות העברת כוח.