Volba oceli na ozubená kola: cementování vs prokalování

Dvě filozofie

Zub ozubeného kola potřebuje tvrdý povrch odolný proti opotřebení pro kontaktní (pittingovou) pevnost a houževnaté jádro pro pevnost v ohybu. Dvě skupiny ocelí poskytují tuto rovnováhu odlišně.

Oceli k cementování

Nízkouhlíkové legované oceli — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — se obrábějí naměkko, cementují se a poté kalí. Výsledek: povrchová vrstva zhruba 58–62 HRC nad jádrem asi 30–45 HRC.

• Nejvyšší kontaktní a ohybová únavová pevnost z běžných možností.
• Hloubka vrstvy se mění s velikostí zubu: široce používané orientační pravidlo uvádí účinnou hloubku vrstvy zhruba 0.15–0.30 × modul — ozubené kolo s modulem 3 potřebuje jen několik desetin milimetru, kolo s modulem 10 potřebuje úměrně více.
• Cena: cementační cykly jsou dlouhé, deformace je nutné zvládat (často dokončovacím broušením) a velmi velká ozubená kola se stávají nepraktickými pro rovnoměrné vytvoření vrstvy.

Oceli k prokalování

42CrMo4 / 4140 a podobné středně uhlíkové legované oceli se kalí a popouštějí na rovnoměrných ~28–36 HRC a poté se řežou nebo dokončují obráběním. Tvrdost povrchu — a tedy odolnost proti pittingu — je nižší, ale:

• Žádný limit hloubky vrstvy; vhodné pro ozubená kola s velkým modulem a velkým průměrem (větrné elektrárny, mlýny, lodní pomocná zařízení).
• Zuby lze poté indukčně kalit (zhruba 50–55 HRC na boku), aby se obnovila trvanlivost povrchu při zachování popuštěného jádra.
• Nitridované oceli jsou třetí cestou pro střední zatížení: velmi tvrdé tenké vrstvy téměř bez deformace, při omezené hloubce vrstvy.

Logika volby

Situace	Typická volba
Malý/střední modul, vysoká hustota krouticího momentu, automobilové a převodovkové použití	Cementování: 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
Velký modul, rázová zatížení, kusová průmyslová ozubená kola	Prokalená 42CrMo4, volitelně indukčně kalená
Přesná ozubená kola, kde deformaci nelze korigovat	Ocel k nitridaci
Nízké zatížení, nízké náklady, vyměnitelná ozubená kola	1045 nebo litá ocel, nekalená nebo lehce kalená

Praktická hranice je velikost a namáhání: jakmile moduly rostou a hloubky vrstvy by přesáhly zhruba milimetr, náklady na cementování a deformace strmě rostou a obvykle vítězí prokalování s povrchovou úpravou.

Realita tepelného zpracování a dokončování

Cementování je vsázkový proces měřený v hodinách až dnech: ozubená kola se obrábějí s přídavkem na broušení, vytváří se vrstva, kalí se a dokončují se broušením nebo tvrdým odvalováním, aby se obnovila přesnost zubů — tento dokončovací krok musí být v plánu procesu a v rozpočtu tolerancí od samého začátku. Prokalená ozubená kola jsou jednodušší: nejprve kalení a popouštění, poté řezání zubů do kaleného polotovaru, kde to velikost dovoluje, při přijetí povrchové úpravy boku, kterou poskytuje tvrdé řezání, nebo měkké řezání a indukční kalení s poněkud volnější přesností. U obou cest je pásmo prokalitelnosti oceli (pásmo H v nákupní normě) tím, co zaručuje tvrdost jádra v patě zubu; specifikování jakosti bez jejího pásma prokalitelnosti ponechává nejdůležitější vlastnost ozubeného kola náhodě.