Επιλογή χάλυβα οδοντωτών τροχών: Ενανθράκωση έναντι σκλήρυνσης σε όλη τη μάζα

Δύο φιλοσοφίες

Ένα δόντι οδοντωτού τροχού χρειάζεται σκληρή, ανθεκτική στη φθορά επιφάνεια για αντοχή σε επαφή (βελονισμοί) και ανθεκτικό πυρήνα για αντοχή σε κάμψη. Δύο οικογένειες χάλυβα προσφέρουν αυτή την ισορροπία με διαφορετικό τρόπο.

Χάλυβες ενανθράκωσης

Οι κραματωμένοι χάλυβες χαμηλού άνθρακα — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — κατεργάζονται μαλακοί, ενανθρακώνονται και στη συνέχεια βάφονται. Αποτέλεσμα: μία στρώση περίπου 58–62 HRC πάνω σε πυρήνα ίσως 30–45 HRC.

• Η υψηλότερη αντοχή σε κόπωση επαφής και κάμψης από τις κοινές επιλογές.
• Το βάθος στρώσης κλιμακώνεται με το μέγεθος του δοντιού: ένας ευρέως χρησιμοποιούμενος εμπειρικός κανόνας θέτει το ενεργό βάθος στρώσης περίπου σε 0.15–0.30 × module — ένας οδοντωτός τροχός module 3 χρειάζεται μόνο μερικά δέκατα του χιλιοστού, ένας τροχός module 10 χρειάζεται αναλογικά περισσότερο.
• Κόστος: οι κύκλοι ενανθράκωσης είναι μεγάλοι, η παραμόρφωση πρέπει να διαχειρίζεται (συχνά τελική λείανση), και οι πολύ μεγάλοι οδοντωτοί τροχοί καθίστανται μη πρακτικοί για ομοιόμορφη επιφανειακή σκλήρυνση.

Χάλυβες σκλήρυνσης σε όλη τη μάζα

Οι 42CrMo4 / 4140 και παρόμοιοι κραματωμένοι χάλυβες μεσαίου άνθρακα βάφονται και επαναφέρονται σε ομοιόμορφα ~28–36 HRC, και στη συνέχεια κόβονται ή κατεργάζονται τελικά. Η επιφανειακή σκληρότητα — και επομένως η αντοχή σε βελονισμούς — είναι χαμηλότερη, αλλά:

• Δεν υπάρχει όριο βάθους στρώσης· κατάλληλοι για οδοντωτούς τροχούς μεγάλου module, μεγάλης διαμέτρου (αιολικά, μύλοι, βοηθητικά ναυτικά συστήματα).
• Τα δόντια μπορούν να σκληρυνθούν επαγωγικά στη συνέχεια (περίπου 50–55 HRC στην πλευρά) για να ανακτηθεί η επιφανειακή ανθεκτικότητα διατηρώντας παράλληλα έναν επαναφερμένο πυρήνα.
• Οι χάλυβες εναζώτωσης είναι μία τρίτη οδός για μέτρια φορτία: πολύ σκληρές λεπτές στρώσεις με σχεδόν μηδενική παραμόρφωση, σε περιορισμένο βάθος στρώσης.

Λογική επιλογής

Κατάσταση	Τυπική επιλογή
Μικρό/μεσαίο module, υψηλή πυκνότητα ροπής, χρήση σε αυτοκίνητα και κιβώτια ταχυτήτων	Ενανθράκωση: 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
Μεγάλο module, φορτία κρούσης, βιομηχανικοί οδοντωτοί τροχοί κατά παραγγελία	Σκληρυμένος σε όλη τη μάζα 42CrMo4, προαιρετικά επαγωγικά σκληρυμένος
Οδοντωτοί τροχοί ακριβείας όπου η παραμόρφωση δεν μπορεί να διορθωθεί	Χάλυβας εναζώτωσης
Χαμηλό φορτίο, χαμηλό κόστος, αντικαταστάσιμοι οδοντωτοί τροχοί	1045 ή χυτοχάλυβας, ασκληρυντος ή ελαφρά σκληρυμένος

Το πρακτικό όριο είναι το μέγεθος και η τάση: μόλις τα module μεγαλώσουν και τα βάθη στρώσης υπερβούν περίπου ένα χιλιοστό, το κόστος ενανθράκωσης και η παραμόρφωση αυξάνονται απότομα, και η σκλήρυνση σε όλη τη μάζα με επιφανειακή κατεργασία συνήθως κερδίζει.

Πραγματικότητα θερμικής κατεργασίας και φινιρίσματος

Η ενανθράκωση είναι μία διαδικασία παρτίδας που μετριέται σε ώρες έως ημέρες: οι οδοντωτοί τροχοί κατεργάζονται με περιθώριο λείανσης, υφίστανται επιφανειακή σκλήρυνση, βάφονται και λειαίνονται τελικά ή σκληρο-ξακρίζονται για να αποκατασταθεί η ακρίβεια των δοντιών — αυτό το βήμα φινιρίσματος πρέπει να βρίσκεται στο σχέδιο διαδικασίας και στον προϋπολογισμό ανοχών από την αρχή. Οι οδοντωτοί τροχοί που σκληρύνονται σε όλη τη μάζα είναι απλούστεροι: βαφή και επαναφορά πρώτα, στη συνέχεια κοπή των δοντιών στο σκληρυμένο ακατέργαστο τεμάχιο όπου το επιτρέπει το μέγεθος, αποδεχόμενοι το φινίρισμα πλευράς που δίνει η σκληρή κοπή, ή μαλακή κοπή και επαγωγική σκλήρυνση με κάπως χαλαρότερη ακρίβεια. Και για τις δύο οδούς, η ζώνη σκληρυνσιμότητας του χάλυβα (η ζώνη H στο πρότυπο αγοράς) είναι αυτή που εγγυάται τη σκληρότητα του πυρήνα στη ρίζα του δοντιού· η προδιαγραφή μίας ποιότητας χωρίς τη ζώνη σκληρυνσιμότητάς της αφήνει την πιο σημαντική ιδιότητα του οδοντωτού τροχού στην τύχη.