Chọn vật liệu chế tạo bánh răng và xử lý nhiệt

Điều cần thiết là chọn vật liệu và xử lý nhiệt thích hợp phù hợp với ứng dụng dự kiến của bánh răng.

Vì các bánh răng được ứng dụng cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau, chẳng hạn như máy móc công nghiệp, thiết bị điện/điện tử, đồ gia dụng và đồ chơi, và bao gồm nhiều loại vật liệu, nên chúng tôi muốn giới thiệu các vật liệu điển hình và phương pháp xử lý nhiệt của chúng.

Hộp số

1. Các loại vật liệu chế tạo bánh răng

a) S45C (Thép cacbon dùng cho kết cấu máy):

S45C là một trong những loại thép được sử dụng phổ biến nhất, chứa lượng carbon vừa phải (0,45%). S45C dễ kiếm được và được sử dụng trong sản xuất bánh răng trụ thẳng, bánh răng xoắn, thanh răng, bánh răng côn và bánh răng trục vít bánh vít .

Xử lý nhiệt và độ cứng đạt được:

nhiệt luyện	độ cứng
Không	< 194HB
Nhiệt luyện bằng cách nung nóng, làm nguội nhanh (dầu hoặc nước) và ram thép, còn gọi là quá trìnhThermal Refining (tinh luyện nhiêt)	225 – 260HB
Tôi cao tần	45 đến 55HRC

b) SCM440 (Thép hợp kim Chrome-molypden)

Một loại thép hợp kim chứa lượng carbon vừa phải (0,40%). Nó cũng chứa chrome/molypden. SCM440 có độ bền cao hơn S45C và được sử dụng với phương pháp xử lý nhiệt luyện hoặc tôi cảm ứng để sản xuất bánh răng.

Nhiệt luyện và độ cứng:

nhiệt luyện	độ cứng
Nhiệt luyện bằng cách nung nóng, làm nguội nhanh (dầu hoặc nước) và ram thép, còn gọi là quá trìnhThermal Refining (tinh luyện nhiêt)	225 đến 260HB
Tôi cảm ứng	45 đến 60HRC

c) SCM415 (Thép hợp kim Chrome-molypden)

SCM415 là một trong những loại thép hợp kim carbon thấp được sử dụng phổ biến nhất (C=0,15%). Nói chung, nó được thấm Carbon để sử dụng. Nó có độ bền hơn S45C hoặc SCM440. Độ cứng bề mặt phải nằm trong khoảng từ 55 đến 60HRC để sử dụng.

SCM415 tương đương 18CrNiMo6-7

d) SUS303 (Thép không gỉ 18Cr-8Ni)

Vì nó được gọi là thép không gỉ, nên nó là một loại thép chống gỉ sét. Thép không gỉ này về cơ bản là không có từ tính. Được sử dụng phổ biến nhất cho các bánh răng trong các ứng dụng không mong muốn nhiễm bẩn rỉ sét, chẳng hạn như trong máy móc chế biến thực phẩm. Có một loại thép không gỉ tương tự gọi là SUS304 có khả năng chống ăn mòn cao hơn SUS303.

e) Phôi đúc hợp kim đồng

Thường được sử dụng làm vật liệu cho bánh vít. Phôi đúc bằng đồng phốt pho (CAC502) hoặc đúc bằng đồng nhôm (CAC702) thường được sử dụng. Đối với trục vít, các kim loại như S45C/SCM44/SCM415 được sử dụng. Để tránh hiện tượng cọ xát/kẹt ma sát khi trượt, các vật liệu khác nhau được sử dụng cho mỗi cặp truyền động bánh vít và trục vít.

Bánh vít - trục vít

2. Xử lý nhiệt hay nhiệt luyện bánh răng

a)Làm nguội nhanh (Quenching) là gì?

Làm nguội nhanh là một phương pháp nhiệt luyện được thực hiện trên thép, áp dụng phương pháp làm nguội nhanh sau khi nung ở nhiệt độ cao (xấp xỉ 800 độ C). Nó được áp dụng để điều chỉnh độ cứng của thép. Có một số loại làm nguội phù hợp với điều kiện làm mát; làm nguội nhanh bằng dầu (oil queching), bằng nước nước (water queching) và bằng cách phun nước (spray quenching). Sau khi làm nguội, tiến hành ram thép (tempering) để tạo độ dẻo dai trở lại cho thép (mà có thể trở nên giòn khi tôi). Tôi bằng nguội nhanh không thể làm cứng thép "thật sự", tuy nhiên, cách tôi này chỉ có thể hiệu quả đối với thép chứa > 0,35% carbon.

b) Tinh luyện nhiệt Therma Refininglà gì?

Tinh luyện nhiệt là một phương pháp nhiệt luyện được áp dụng để điều chỉnh độ cứng / độ bền / độ dẻo dai của thép. Quá trình nhiệt luyện này bao gồm quá trình làm nguội nhanh (quenching) và ram thép (tempering). Vì gia công được áp dụng cho các sản phẩm sau khi tinh chế nhiệt, nên độ cứng không được tăng quá cao trong quá trình tôi luyện.

c) Tôi cảm ứng/ cao tần là gì?

Tôi cứng cảm ứng là một phương pháp nhiệt luyện được thực hiện để làm cứng bề mặt thép chứa >0,35% cacbon, chẳng hạn như S45C hoặc SCM440. Đối với các sản phẩm bánh răng, tôi cứng cảm ứng có tác dụng làm cứng các vùng răng bao gồm bề mặt răng và đỉnh răng, tuy nhiên, trong một số trường hợp, chân răng có thể không được cứng. Độ chính xác của bánh răng giảm do tôi cảm ứng. Để tăng độ chính xác của bánh răng, phải áp dụng nguyên công mài.

Hình: Tôi cảm ứng bằng cuộn dây cao tần

d) Thấm cacbon (Carburizing) là gì?

Thấm cacbon là một phương pháp nhiệt luyện được thực hiện để chỉ làm cứng bề mặt của thép cacbon thấp. Trong đó thép được đưa vào môi trường giàu cacbon, như cacbon monoxit (CO) hoặc khí metan (CH4), ở nhiệt độ cao để thẩm thấu cacbon vào bề mặt của thép. Tại bề mặt, carbon sẽ thẩm thấu vào và làm hóa cứng bề mặt. Cấu trúc vật liệu bên trong (với hàm lượng carbon thấp C=0,15%) cũng được làm cứng nhờ thấm cacbon ở một mức độ nào đó, tuy nhiên, nó không cứng bằng bề mặt. Độ chính xác của bánh răng được thấm cacbon giảm đi 1 cấp hoặc hơn, do biến dạng (thay đổi kích thước) hoặc biến dạng xoắn. Để tăng độ chính xác của bánh răng, mài là điều cần thiết.

Hình Lò thấm cacbon

Hình Lớp carbon bằng cách thấm cacbon

e)Thấm Nitơ là gì?

Thấm nitơ là một phương pháp xử lý nhiệt được thực hiện để làm cứng bề mặt bằng cách đưa nitơ vào bề mặt thép. Nếu hợp kim thép bao gồm nhôm, crôm và molypden, nó sẽ tăng cường thấm nitơ và có thể đạt được độ cứng. Một loại thép thấm ni tơ tiêu biểu là SACM645 (Thép nhôm crom molypden).

Góc áp lực trên sườn răng (profin răng)

Khi các bánh răng ăn khớp truyền lực, cả hai mặt răng tiếp xúc trượt và tiếp xúc lăn. Nói cách khác, áp lực mà sườn răng hay profin răng nhận được giống như áp lực khi một hình trụ mà trượt trong khi lăn trên một mặt phẳng. Sườn răng (tooth flank) cần phải có độ bền trước áp lực như vậy.

Tuy nhiên, một số vật liệu cứng như gốm rất dễ bị va đập và dễ vỡ. Lực uốn thường được tác dụng lên phần chân răng và tác động có thể được tạo ra khi các bánh răng bắt đầu chuyển động. Chất liệu của bánh răng cần phải dẻo dai để đạt được độ bền cao trước các tác động ngoại lực và va đập.

Do đó, các bánh răng cần cứng bên ngoài và bền bên trong giống như một thanh kiếm Nhật Bản. Nhiệt luyện là phương pháp để cung cấp cho các đặc tính như vậy.

Các phương pháp nhiệt luyện cho bánh răng là:

Tôi thấm cacbon
Tôi cảm ứng hay tôi cao tần
Tôi thấm nitơ

Hãy cùng xem chi tiết và đặc điểm của từng loại nhé.

1) Tôi thấm cacbon (carburizing)

Trong quá trình thấm cacbon (cacbon hóa), kim loại được đưa vào một môi trường giàu cacbon, thường là khí methane hoặc khí propane, ở nhiệt độ cao từ 850 đến 950 độ C trong một thời gian nhất định. Cacbon sẽ thẩm nhập vào bề mặt của kim loại và tạo thành lớp vỏ cứng và giàu cacbon, còn phần bên trong vẫn giữ nguyên tính dẻo. Quá trình này được thực hiện trong lò nung hoặc lò carburizing và thường kéo dài từ vài giờ đến vài ngày tùy thuộc vào kích thước của chi tiết kim loại. Sau khi hoàn thành quá trình carburizing, kim loại được ram để giảm ứng suất bên trong và ngăn chặn biến dạng.

Một cách xử lý điển hình cho bánh răng làm bằng thép carbon thấp như S15CK.

Sau khi được “cacbon” thẩm thấu đúng như tên gọi, bề mặt kim loại được làm nguội nhanh và ram để cứng lại. Độ dày của lớp tôi cứng là 0,2 mm đến 2 mm tùy thuộc vào kích thước bánh răng.

Trước đây, người ta thường bọc kim loại bằng carbon nghiền nhỏ trước khi hàn kín và nung nóng. Ở châu Âu, các sản phẩm được nhúng trong muối vô cơ gốc natri xyanua nóng chảy ở nhiệt độ cao, nhưng độc tính của natri xyanua là một vấn đề. Hiện nay, phương pháp thấm cacbon, trong đó các sản phẩm được nung nóng trong khí carbon dioxide, metan, propan và hơi nước được sử dụng chủ yếu. Mặc dù quá trình thấm cacbon đắt đỏ vì cần có thiết bị đặc biệt lớn, nhưng một khối lượng lớn sản phẩm có thể được xử lý hiệu quả.

Quá trình thấm cacbon thường được thực hiện sau khi bánh răng được gia công và răng bánh răng được hình thành. Sau đó, bề mặt răng được mài và đánh bóng bề mặt.

2) Tôi cảm ứng hay tôi cao tần (Induction hardening)

Một cách xử lý điển hình cho bánh răng làm bằng thép carbon trung bình như S45C.

Khi bánh răng kim loại, được quấn quanh 1 cuộn dây dẫn và được cấp 1 nguồn điện cao tần, sẽ sinh ra dòng điện xoáy (eddy current) nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ, dòng điện xoáy này tạo ra một trường từ phản kháng, làm tăng nhiệt độ bánh răng.

Tôi cứng cảm ứng tận dụng đặc tính của dòng điện xoáy tập trung ở bề mặt kim loại và làm nung nóng kim loại.

Làm cứng cảm ứng rất khác nhau về độ chính xác và có thể xử lý ít sản phẩm hơn cùng một lúc, so với các phương pháp khác như thấm cacbon. Mặt khác, phương pháp này phù hợp để gia công các sản phẩm có bánh răng trục liền hoặc bánh răng lớn vì răng bánh răng có thể được làm cứng một phần.

3) Tôi thấm nitơ (Nitriding)

Thường được sử dụng cho các bánh răng làm bằng thép có chứa crôm hoặc molypden. Trong số các loại thép thích hợp cho thấm nitơ, thép có chứa nhôm tạo ra hiệu ứng đặc biệt mạnh mẽ và được gọi là “thép thấm nitơ”.

Trong quá trình thấm nitơ (nitrat hóa), các bánh răng được nung nóng trong khí nitơ (N2) để tạo thành một lớp sắt nitrua có độ dày từ 0,1 mm đến 1 mm trên bề mặt bánh răng.

Thấm nitơ có thể cho độ cứng cao hơn thấm cacbon và tôi cao tần, nhưng lớp được làm cứng bằng thấm nitơ mỏng hơn so với các phương pháp xử lý nhiệt khác. Trong khi đó, nhiệt độ cần thiết để thấm nitơ tương đối thấp, từ 500 đến 600 độ C. Ngược lại, các sản phẩm cần được nung nóng tới 800 độ C trong quá trình tôi thấm cacbon và tôi cao tần. Do đó, thấm nitơ không gây ra các vết nứt hoặc biến dạng xoắn khi làm nguội nhanh như các phương pháp nhiệt luyện khác.

Thông thường, thấm nitơ được thực hiện ở bước cuối cùng của quá trình gia công bánh răng vì nó không gây biến dạng và cho độ cứng cao.

3. Tính chất cơ học của các loại vật liệu bánh răng

Bảng liệt kê các tính chất cơ học và đặc điểm của vật liệu bánh răng được sử dụng phổ biến nhất.

Vật liệu : Thép cacbon sử dụng cho kết cấu máy

Số vật liệu JIS : S15CK
Độ bền kéo N/mm2: >490
Độ giãn dài (%): > 20
Khả năng kéo (%) : >50
Độ cứng HB: 143-235
Đặc tính, xử lý nhiệt được áp dụng : Thép carbon thấp. Độ cứng cao thu được bằng cách thấm cacbon.

Vật liệu : Thép cacbon sử dụng cho kết cấu máy
JIS Số vật liệu : S45C
Độ bền kéo N/mm2: >690
Độ giãn dài (%) : >17
Khả năng kéo (%): >45
Độ cứng HB : 201-269
Đặc tính, xử lý nhiệt được áp dụng : Thép carbon trung bình được sử dụng phổ biến nhất. Tinh chế nhiệt / Tôi cao tần.

Vật liệu : Thép hợp kim để sử dụng trong kết cấu máy
JIS Số vật liệu : SCM435
Độ bền kéo N/mm2 : >930
Độ giãn dài (%) : >15
Khả năng kéo (%) : >50
Độ cứng HB : 269-331
Đặc tính, xử lý nhiệt được áp dụng : Thép hợp kim cacbon trung bình (hàm lượng C: 0,3-0,7%). Nhiệt tinh chế và tôi cao tần. Cường độ cao (Độ bền uốn cao/ Độ bền bề mặt cao). Được sử dụng trong sản xuất bánh răng, ngoại trừ bánh vít .

Vật liệu : Thép hợp kim để sử dụng trong kết cấu máy
JIS Số vật liệu : SCM440
Độ bền kéo N/mm2 : >980
Độ giãn dài (%): >12
Khả năng kéo (%) : >45
Độ cứng HB : 285-352
Đặc điểm, áp dụng xử lý nhiệt : Thép hợp kim cacbon trung bình (hàm lượng C: 0,3-0,7%). Nhiệt tinh chế và tôi cao tần. Cường độ cao (Độ bền uốn cao/ Độ bền bề mặt cao). Dùng trong chế tạo bánh răng, trừ bánh vít.

Vật liệu : Thép hợp kim để sử dụng trong kết cấu máy

Số vật liệu JIS : SNCM439
Độ bền kéo N/mm2 : >980
Độ giãn dài (%): 16
Khả năng kéo (%) : >45
Độ cứng HB : 293-352
Đặc tính, xử lý nhiệt được áp dụng : Thép hợp kim cacbon trung bình (hàm lượng C: 0,3-0,7%). Nhiệt tinh chế và tôi cao tần. Cường độ cao (Độ bền uốn cao/ Độ bền bề mặt cao). Dùng trong chế tạo bánh răng, trừ bánh vít.

Vật liệu : Thép hợp kim để sử dụng trong kết cấu máy
JIS : SCr415
Độ bền kéo N/mm2 : >780
Độ giãn dài (%) : >15
Khả năng kéo (%) : >40
Độ cứng HB : 217-302
Đặc điểm, áp dụng phương pháp xử lý nhiệt : Thép hợp kim hàm lượng cacbon thấp (hàm lượng C dưới 0,3%). Áp dụng xử lý làm cứng bề mặt (Thấm cacbon, thấm nitơ, thấm nitơ cacbon, v.v.) Cường độ cao (Độ bền uốn / Độ bền bề mặt).

Vật liệu : Thép hợp kim để sử dụng trong kết cấu máy
Số vật liệu JIS : SCM415

Độ bền kéo N/mm2 : >830
Độ giãn dài (%) : >16
Khả năng kéo (%) : >40
Độ cứng HB : 235-321
Đặc điểm, xử lý nhiệt được áp dụng : Thép hợp kim hàm lượng cacbon thấp (hàm lượng C dưới 0,3%). Áp dụng xử lý làm cứng bề mặt (Thấm cacbon, thấm nitơ, thấm nitơ cacbon, v.v.) Cường độ cao (Độ bền uốn / Độ bền bề mặt).

Vật liệu : Thép hợp kim để sử dụng trong kết cấu máy
Vật liệu số JIS :SNC815

Độ bền kéo N/mm2 Hơn : 980
Độ giãn dài (%) : >12
Khả năng kéo (%) : >45
Độ cứng HB : 285-388
Đặc tính, xử lý nhiệt được áp dụng : Thép hợp kim hàm lượng cacbon thấp (hàm lượng C dưới 0,3%). Áp dụng xử lý làm cứng bề mặt (Thấm cacbon, thấm nitơ, thấm nitơ cacbon, v.v.) Cường độ cao (Độ bền uốn / Độ bền bề mặt).

Vật liệu : Thép hợp kim để sử dụng trong kết cấu máy

Số vật liệu JIS : SNCM220
Độ bền kéo N/mm2 : >830
Độ giãn dài (%) : >17
Khả năng kéo (%) : >40
Độ cứng HB : 248-341
Đặc điểm, áp dụng phương pháp xử lý nhiệt : Thép hợp kim hàm lượng cacbon thấp (hàm lượng C dưới 0,3%). Áp dụng xử lý làm cứng bề mặt (Thấm cacbon, thấm nitơ, thấm nitơ cacbon, v.v.) Cường độ cao (Độ bền uốn / Độ bền bề mặt).

Vật liệu : Thép hợp kim để sử dụng trong kết cấu máy

Số vật liệu JIS : SNCM420
Độ bền kéo N/mm2 >980
Độ giãn dài (%) > 15
Khả năng kéo (%) > 40
Độ cứng HB : 293-375
Đặc điểm, xử lý nhiệt được áp dụng : Thép hợp kim hàm lượng cacbon thấp (hàm lượng C dưới 0,3%). Áp dụng xử lý làm cứng bề mặt (Thấm cacbon, thấm nitơ, thấm nitơ cacbon, v.v.) Cường độ cao (Độ bền uốn / Độ bền bề mặt).

Vật liệu :Thép cán cho kết cấu chung
Số vật liệu JIS : SS400
Độ bền kéo N/mm2 Hơn : 400
Độ giãn dài (%) > -
Khả năng kéo (%) > –
Độ cứng HB : –
Đặc điểm, xử lý nhiệt được áp dụng : Độ bền thấp . Giá thấp.

Vật liệu : Gang xám

Số vật liệu JIS : FC200
Độ bền kéo N/mm2 Hơn : 200
Độ giãn dài (%) : –
Khả năng kéo (%) : –
Độ cứng HB : Nhỏ hơn 223
Đặc tính, xử lý nhiệt được áp dụng : Độ bền thấp hơn thép. Thích hợp cho sản xuất số lượng lớn.

Vật liệu : Gang Graphit (nodular graphite cast iron)

Số vật liệu JIS : FCD500-7
Độ bền kéo N/mm2 > 500
Độ giãn dài (%) > 7
Khả năng kéo (%) > –
Độ cứng HB : 150-230
Đặc tính, xử lý nhiệt được áp dụng : Gang dẻo có độ bền cao. Được sử dụng trong sản xuất bánh răng đúc lớn.

Vật liệu : Thép không gỉ
Số vật liệu JIS :SUS303
Độ bền kéo N/mm2 : >520
Độ giãn dài (%) : >40
Khả năng kéo (%) : >50
Độ cứng HB : < 187
Đặc tính, áp dụng xử lý nhiệt : Có nhiều khả năng gia công hơn SUS304. Tăng khả năng chống kẹt dính

Vật liệu : Thép không gỉ
Số vật liệu JIS : SUS304
Độ bền kéo N/mm2 Hơn : 520
Độ giãn dài (%) Hơn : 40
Khả năng kéo (%) Hơn : 60
Độ cứng HB : Dưới 187
Đặc điểm, xử lý nhiệt được áp dụng : Được sử dụng phổ biến nhất thép không gỉ. Được sử dụng cho máy chế biến thực phẩm, vv

Vật liệu : Thép không gỉ
Số vật liệu JIS : SUS316
Độ bền kéo N/mm2 : >520
Độ giãn dài (%) : >40
Khả năng kéo (%) : >60
Độ cứng HB : < 187
Đặc điểm, xử lý nhiệt được áp dụng : Có khả năng chống ăn mòn chống lại nước biển mặn, tốt hơn so với SUS304.

Vật liệu : Thép không gỉ
Số vật liệu JIS : SUS420J2
Độ bền kéo N/mm2 : >540
Độ giãn dài (%) :> 12
Khả năng kéo (%) : >40
Độ cứng HB : > 217
Đặc điểm, xử lý nhiệt được áp dụng : Thép không gỉ Martensitic, làm nguội nhanh có thể được áp dụng.

Vật liệu : Thép không gỉ
Số vật liệu JIS : SUS440C
Độ bền kéo N/mm2 : –
Độ giãn dài (%) : –
Khả năng kéo (%) : –
Độ cứng HB : Hơn 58HRC
Đặc tính, xử lý nhiệt được áp dụng : Độ cứng cao có thể thu được bằng cách làm nguội. Độ bền bề mặt cao.

Vật liệu : Kim loại màu

Số vật liệu JIS : C3604
Độ bền kéo N/mm2 : 335
Độ giãn dài (%) : –
Khả năng kéo (%) : –
Độ cứng HB : Hơn 80HV
Đặc điểm, áp dụng phương pháp xử lý nhiệt : Đồng thau cắt tự do . Được sử dụng trong chế tạo các bánh răng nhỏ.

Vật chất : Kim loại màu

Số vật liệu JIS : CAC502
Độ bền kéo N/mm2 : 295
Độ giãn dài (%) : >10
Khả năng kéo (%) : –
Độ cứng HB : > 80
Đặc điểm, xử lý nhiệt được áp dụng : phôi Đúc đồng phốt pho. Thích hợp cho bánh vít.

Vật liệu : Kim loại màu

Số vật liệu JIS : CAC702
Độ bền kéo N/mm2 : 540
Độ giãn dài (%) : >15
Khả năng kéo (%) : –
Độ cứng HB : > 120
Đặc điểm, xử lý nhiệt được áp dụng : Đúc nhôm-đồng. Được sử dụng cho bánh xe sâu, vv

Chất liệu : Nhựa kỹ thuật

Số vật liệu JIS : MC901
Độ bền kéo N/mm2 : 96
Độ giãn dài (%) : –
Khả năng kéo (%) : –
Độ cứng HB : 120HRR
Đặc điểm, xử lý nhiệt được áp dụng : Được sử dụng cho các bánh răng gia công. Trọng lượng nhẹ. Chống gỉ.

Chất liệu : Nhựa kỹ thuật
Số vật liệu JIS : MC602ST
Độ bền kéo N/mm2 : 96
Độ giãn dài (%) : –
Khả năng kéo (%) : –
Độ cứng HB : 120HRR
Đặc điểm, áp dụng xử lý nhiệt : Được sử dụng cho các bánh răng gia công. Trọng lượng nhẹ. Chống gỉ.

Chất liệu : Nhựa kỹ thuật
Số vật liệu JIS : M90
Độ bền kéo N/mm2 : 62
Độ giãn dài (%) : –
Khả năng kéo (%) : –
Độ cứng HB : 80HRR
Đặc điểm, áp dụng xử lý nhiệt : Được sử dụng cho các bánh răng đúc phun. Thích hợp cho sản xuất số lượng lớn với chi phí thấp. Được ứng dụng để sử dụng với tải trọng nhẹ.

---

Xin chào bạn!

Nếu bạn đang thích trang web của chúng tôi và thấy các bài viết của chúng tôi hữu ích, chúng tôi rất mong nhận được sự ủng hộ của bạn. Với sự giúp đỡ của bạn, chúng tôi có thể tiếp tục phát triển tài nguyên và cung cấp cho bạn nội dung có giá trị hơn nữa.

Cảm ơn bạn đã ủng hộ chúng tôi.

Nguyễn Thanh Sơn

Tìm kiếm Blog này