vědomosti

Jaké druhy ocelí se používají pro nitridaci ozubených kol? A některé mikrostrukturní charakteristiky běžně používaných ocelí. Pochopení mikrostrukturních charakteristik může pomoci dosáhnout dobrého výkonu ozubených kol v provozu a zároveň optimalizovat proces výroby ozubených kol, což vede ke zlepšení životnosti ozubených kol.

 

01

Hlavní účel nitridace

 

Nejprve musíme pochopit, proč se provádí nitridační úprava? Hlavním účelem nitridační úpravy je dosáhnout shody vlastností „tvrdý vnějšek a houževnatý uvnitř“ vytvořením nitridové vrstvy na povrchu. Ocel použitá k nitridaci proto musí splňovat následující klíčové požadavky: 1) Citlivost na nitridaci: Ocel by měla obsahovat dostatečné množství prvků tvořících nitridy (jako je Al, Cr, Mo, V atd.), které se mohou s dusíkem slučovat za vzniku stabilních nitridů slitin (jako je AlN, CrN, MoN atd.), což výrazně zlepšuje tvrdost a odolnost nitridové vrstvy proti opotřebení. 2) Mechanické vlastnosti jádra: Po kalení a popouštění by jádro mělo mít odpovídající pevnost a houževnatost, aby odolalo zatížení a zabránilo se lomům. Obecně se požaduje pevnost v tahu kolem 1000 MPa, tvrdost kolem 35 HRC a rázová houževnatost ≥ 40 J/cm². 3) Rovnoměrnost mikrostruktury: V oceli by neměla být žádná silná segregace, nekovové vměstky ani vady pórovitosti, jinak by to vedlo k nerovnoměrné tloušťce nitridové vrstvy, kolísání tvrdosti a dokonce i k prasklinám. 4) Obrobitelnost: Měla by mít dobrou obrobitelnost a zpracovatelnost tepelným zpracováním, aby splňovala požadavky na zpracování ozubených kol se složitými tvary.

 

02

Ocel pro nitridaci ozubených kol

 

Z předchozí části známe hlavní účel nitridace. Aby se na povrchu oceli vytvořily tyto nitridy, musí ocel tyto chemické prvky obsahovat. Navíc pro zachování houževnatosti jádra obvykle potřebujeme pro kalení a popouštění (kalení + vysokoteplotní popouštění) před nitridací použít středně uhlíkovou legovanou ocel. Teplota nitridace by měla být nižší než teplota popouštění po kalení, aby se snížila deformace.

 

 

03

Běžně používané nitridované oceli a jejich mikrostrukturní charakteristiky

 

1) 38CrMoAlA je nejrozšířenější nitridovaná ocel.

Hlavní prvky chemického složení (hmotnostní zlomek) jsou:

0.35 % - 0.42 % C, 0.20 % - 0.45 % Si, 0.30 % - 0.60 % Mn, 1.35 % - 1.65 % Cr, 0.15 % - 0.25 % Mo, 0.70 % - 1.10 % Al.

Mikrostruktura po kalení a popouštění: Po kalení v oleji při 850–880 °C a vysokoteplotním popouštění při 600–650 °C je mikrostruktura rovnoměrně popouštěný sorbit a velikost zrn je obvykle 6–8 stupňů. Prvek Al existuje v pevném roztoku a poskytuje materiálový základ pro následné nitridační reakce.

Mikrostruktura nitridované vrstvy: Po nitridačním zpracování (500 - 560 °C, amoniaková atmosféra) se na povrchu vytvoří třívrstvá struktura. Po iontové nitridaci je složená vrstva převážně z fáze γ', obsahující malé množství fáze ε a nitridů slitiny, s jednoduchými a ostrými difrakčními čarami a menším počtem fází.

Tvrdost fáze ε může dosáhnout 900–1100 HV; fáze γ', v jehličkovitém nebo blokovém tvaru, má tvrdost 800–900 HV; přechodová vrstva je difúzní vrstva složená z nitridů slitin (například AlN) a perlitu s mírným gradientem tvrdosti. Jádro si stále zachovává temperovanou sorbitovou strukturu, což zajišťuje dobrou houževnatost.

 

2) Ocel 42CrMo se často používá pro nitridační úpravu těžkých ozubených kol díky své vysoké kalitelnosti a pevnosti.Jeho chemické složení (hmotnostní podíl) je: 0.38 % - 0.45 % C, 0.20 % - 0.40 % Si, 0.50 % - 0.80 % Mn, 0.90 % - 1.20 % Cr a 0.15 % - 0.25 % Mo.

Popouštěná mikrostruktura: Po kalení při 840 - 860 ℃ a popouštění při 580 - 620 ℃ je mikrostruktura jemně popouštěný sorbit s jemnějšími zrny (7 - 9 stupňů) a má vyšší hustotu dislokací než 38CrMoAlA. Tvrdost jádra je kontrolována na 33 - 36 HRC.

Mikrostruktura nitridované vrstvy: Po nitridaci se povrch skládá převážně z fáze γ' s relativně tenkou fází ε. V důsledku přítomnosti prvků Cr a Mo se v difuzní vrstvě tvoří velké množství nitridů slitin, jako je CrN a MoN, které jsou dispergovaně rozloženy, čímž tvrdost nitridované vrstvy dosahuje 850 - 1000 HV. Protože neobsahuje prvek Al, je hloubka iontové nitridace o něco menší, obvykle kolem 0.1 mm.

 

 

3) Vlastnosti nitridované vrstvy

Tvrdost a odolnost proti opotřebení: Typ a rozložení nitridů ve slitině jsou klíčové. Vysoká disperze AlN v 38CrMoAlA má za následek nejvyšší tvrdost nitridované vrstvy; CrN a MoN v 42CrMo mohou zvýšit odolnost proti opotřebení.

Únavová odolnost: Jednotnost kalené a popouštěné mikrostruktury je zásadní. Hrubá zrna nebo segregace karbidů mohou způsobit koncentraci napětí v nitridované vrstvě, což snižuje únavovou pevnost v ohybu. Jemnozrnný popouštěný sorbitol může prodloužit únavovou životnost ozubených kol o 30 % až 50 %.

Protizadírací vlastnosti: Přestože má fáze ε vysokou tvrdost, je křehká. Nadměrné množství fáze ε může vést k odlupování nitridované vrstvy. Mikrostruktura s převahou fáze γ' má lepší houževnatost a protizadírací vlastnosti. Proto se u těžkých ozubených kol tloušťka fáze ε obvykle reguluje na ≤ 5 μm.

 

04

Shrnutí

V praktických aplikacích by se výběr oceli pro nitridaci ozubených kol měl řídit provozními požadavky. Analýza mikrostruktury je klíčovou metodou pro určení vhodnosti materiálu a racionality procesu – rovnoměrně temperovaná sorbitová matrice je předpokladem pro zajištění výkonu jádra, zatímco typ, rozložení a fázové složení nitridů v nitridované vrstvě přímo určují účinek zpevnění povrchu. To je pro dnešek vše. Vítejte v sekci komentářů a dejte palec nahoru na podporu!

 

Vigor má bohaté zkušenosti a profesionální tým ve výrobě ozubených kol a zpracování materiálů. Pokud vám s čímkoli můžeme pomoci nebo je potřeba vyvinout ozubená kola a hřídele, neváhejte nás kontaktovat na adrese info@castings-forging.com