Как определить глубину упрочнённого слоя цементованных и закалённых зубчатых колёс: соответствие модуля, CHD и твёрдости сердцевины

Ключевой вывод: цементация и закалка — основной маршрут термической обработки тяжелонагруженных зубчатых колёс. Эффективную глубину цементованного слоя (CHD, расстояние по нормали от поверхности зуба до точки с твёрдостью 550 HV) обычно принимают равной 0.15–0.25 модуля: при модуле до 2.5 — 0.6–0.9 mm, при модуле 5–10 — 1.2–1.8 mm. При слишком малой глубине слоя поверхность зуба будет смята, при слишком большой возрастает риск хрупкого разрушения. Типичное сочетание для зубчатых колёс из 20CrMnTi — поверхность HRC 58–62, сердцевина HRC 30–42.

I. Что именно происходит при цементации и закалке#

Цементация и закалка (Carburizing and Quenching): низкоуглеродистые легированные стальные зубчатые колёса нагревают до аустенитной области (920–950°C), в углеродсодержащей атмосфере обеспечивают проникновение углерода в поверхностный слой, затем быстро охлаждают, получая высокоуглеродистый мартенситный поверхностный слой и низкоуглеродистую вязкую сердцевину. Поверхностный слой твёрдый, сердцевина вязкая, что точно отвечает двум требованиям: износостойкости поверхности зуба и сопротивлению изгибу ножки зуба. Процесс обычно следующий: цементация → закалка → низкий отпуск (160–200°C, 2–3 h). Отпуск предназначен для снятия закалочных напряжений и стабилизации структуры; после отпуска поверхностная твёрдость почти не снижается, а вязкость ножки зуба восстанавливается. Типичные материалы — 20CrMnTi, 20CrMo, 17CrNiMo6, SAE 8620. В Китае для мелко- и среднемодульных зубчатых колёс чаще применяют 20CrMnTi: прокаливаемость средняя, при закалке в масле достигается требуемая твёрдость.

II. Как определяется эффективная глубина цементованного слоя CHD#

Эффективная глубина цементованного слоя (CHD, Case Hardening Depth): расстояние по нормали от поверхности детали вглубь до точки, где твёрдость по Виккерсу снижается до 550 HV, единица измерения — mm. Она практичнее, чем «общая глубина цементации», потому что только достаточно твёрдая часть действительно воспринимает контактную нагрузку. В инженерной практике обычно используют эмпирическую формулу: CHD ≈ 0.15–0.25 × нормальный модуль.

Нормальный модуль mn (mm)	Рекомендуемый диапазон CHD (mm)	Типичное применение
≤ 2.5	0.6 – 0.9	Автомобильные коробки передач, малые редукторы
2.5 – 5	0.9 – 1.3	Редукторы общего назначения
5 – 10	1.2 – 1.8	Тяжелонагруженные зубчатые редукторы, приводы прокатных станов
> 10	1.6 – 2.5	Крупные зубчатые колёса горного оборудования и цементных мельниц
Прямое последствие слишком малой глубины слоя: контактные напряжения Герца превышают несущую способность упрочнённого слоя, и на поверхности зуба возникает выкрашивание по типу смятия. При слишком большой глубине изменяется распределение остаточных напряжений, возрастает склонность к хрупкому разрушению ножки зуба. Поэтому неверно считать, что чем глубже, тем лучше.

III. Поверхностная твёрдость и твёрдость сердцевины должны сочетаться#

Параметр	Типичный диапазон	Пояснение
Поверхностная твёрдость	HRC 58–62 (около 650–700 HV)	Сопротивление износу, заеданию и питтингу
Твёрдость сердцевины	HRC 30–42	Сопротивление изгибной усталости ножки зуба при сохранении вязкости
Содержание углерода на поверхности	0.75–1.05% C	Обеспечивает твёрдость мартенсита, регулирует количество остаточного аустенита
Твёрдость сердцевины — параметр, которым при проектировании легко пренебрегают. Если сердцевина слишком твёрдая (выше HRC 45), при изгибе ножки зуба недостаточно запаса пластичности, и трещина, возникнув, быстро распространяется; если слишком мягкая (ниже HRC 28), прочность ножки зуба недостаточна, изгибная усталостная долговечность снижается. Для 20CrMnTi твёрдость сердцевины в нормализованном или улучшенном состоянии обычно находится в диапазоне HRC 30–38.

IV. Технологические параметры и типичные дефекты#

Температура цементации 930 ± 10°C, углеродный потенциал 0.75–1.05% C, время определяется по целевой глубине слоя; при садочной загрузке примерно на каждые 0.1 mm требуется 1–1.5 h (зависит от типа печи и величины загрузки). Закалка может выполняться по двум схемам: непосредственная закалка (после цементации охлаждение до 830–850°C и закалка в масле) и закалка с повторным нагревом (после цементации медленное охлаждение, затем повторный нагрев и закалка; деформация контролируется лучше, но цикл длиннее).

Дефект	Проявление	Основная причина	Меры
Поверхностное обезуглероживание / внутреннее окисление	Мягкие точки на поверхности зуба, недостаточная твёрдость	Высокая точка росы печной атмосферы, низкий углеродный потенциал	Контроль печной атмосферы, повышение углеродного потенциала
Крупное зерно	Крупная металлографическая структура	Слишком высокая температура или слишком длительная цементация	Контроль температуры, при необходимости нормализация
Превышение допуска по деформации	Погрешность направления зуба 0.02–0.08 mm	Неравномерная загрузка печи, высокие закалочные напряжения	Симметричная загрузка, оставление припуска на шлифование

V. Как проверять глубину слоя#

Металлографический метод: после травления непосредственно измеряют границу карбидов или мартенсита; быстрый, но зависит от степени травления.
Метод градиента твёрдости (арбитражный метод): измеряют твёрдость по нормали от поверхности, строят кривую HV–глубина и принимают глубину, соответствующую 550 HV. Точки контроля обычно выбирают в средней части поверхности зуба и у ножки зуба; требования к глубине слоя в этих двух местах могут различаться. Совет 1: Когда на чертеже указано «глубина цементованного слоя 1.0 mm», сначала уточните, имеется в виду CHD или общая глубина цементации. Разница между ними составляет 0.2–0.4 mm; если не уточнить, поставщик будет обрабатывать по неверному стандарту. Совет 2: Припуск на шлифование зубьев необходимо учитывать в глубине слоя. Если односторонний припуск на шлифование поверхности зуба составляет 0.2–0.3 mm, цементованный слой должен быть заложен с запасом по формуле «CHD + припуск на шлифование», иначе после шлифования упрочнённый слой исчезнет. Многие случаи брака при шлифовании зубьев вызваны не шлифованием, а недостаточной глубиной слоя. Совет 3: На участках с резьбовыми отверстиями, масляными отверстиями и шлицами необходимо выполнять защиту от цементации (меднение или нанесение антицементационного покрытия толщиной 0.03–0.05 mm). Если пропустить этот этап, резьба получит высокую твёрдость и станет хрупкой; при сборке легко скалываются витки резьбы.

VI. В заключение#

Параметры цементации и закалки выбирают не изолированно. Глубина слоя определяется модулем, твёрдость сердцевины — прокаливаемостью материала, припуск на шлифование — от последующей обработки прецизионных зубчатых колёс операции. Если при согласовании чертежа сразу чётко определить эти три пункта, это значительно проще, чем корректировать технологию после переделки. Если требуется поддержка по выбору материала или технологии, можно посмотреть категории зубчатых изделий и технологические возможности страницы. Geyon Transmission — решения для прецизионных зубчатых передач и обработки | узнать о наших технологических возможностях | посмотреть категории зубчатых изделий

CHD цементованных зубчатых колёс: связь с модулем