Dobór stali na koła zębate: Nawęglanie a hartowanie na wskroś

Dwie filozofie

Ząb koła zębatego potrzebuje twardej, odpornej na zużycie powierzchni dla wytrzymałości kontaktowej (pitting) oraz wytrzymałego rdzenia dla wytrzymałości na zginanie. Dwie rodziny stali zapewniają tę równowagę w różny sposób.

Stale do nawęglania

Niskowęglowe stale stopowe — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — są obrabiane w stanie miękkim, nawęglane, a następnie hartowane. Wynik: warstwa o twardości około 58–62 HRC na rdzeniu o twardości być może 30–45 HRC.

• Najwyższa wytrzymałość zmęczeniowa kontaktowa i na zginanie spośród powszechnych opcji.
• Głębokość warstwy skaluje się wraz z rozmiarem zęba: powszechnie stosowana zasada praktyczna określa efektywną głębokość warstwy na około 0.15–0.30 × module — koło o module 3 potrzebuje tylko kilku dziesiątych milimetra, koło o module 10 potrzebuje proporcjonalnie więcej.
• Koszt: cykle nawęglania są długie, odkształceniami trzeba zarządzać (często szlifowanie wykańczające), a bardzo duże koła stają się niepraktyczne do równomiernego nawęglania.

Stale do hartowania na wskroś

42CrMo4 / 4140 i podobne średniowęglowe stale stopowe są hartowane i odpuszczane do równomiernej twardości ~28–36 HRC, a następnie nacinane lub obrabiane wykańczająco. Twardość powierzchni — a tym samym odporność na pitting — jest niższa, ale:

• Brak limitu głębokości warstwy; nadają się do kół o dużym module i dużej średnicy (wiatrowe, walcownicze, pomocnicze morskie).
• Zęby można później hartować indukcyjnie (około 50–55 HRC na boku zęba), aby odzyskać trwałość powierzchni przy zachowaniu odpuszczonego rdzenia.
• Stale do azotowania są trzecią drogą dla umiarkowanych obciążeń: bardzo twarde cienkie warstwy przy prawie zerowych odkształceniach, przy ograniczonej głębokości warstwy.

Logika doboru

Sytuacja	Typowy wybór
Mały/średni moduł, duża gęstość momentu obrotowego, zastosowanie motoryzacyjne i przekładniowe	Nawęglanie: 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
Duży moduł, obciążenia udarowe, jednostkowe koła przemysłowe	Hartowane na wskroś 42CrMo4, opcjonalnie hartowane indukcyjnie
Koła precyzyjne, w których odkształceń nie można skorygować	Stal do azotowania
Niskie obciążenie, niski koszt, koła wymienne	1045 lub stal odlewana, niehartowana lub lekko hartowana

Praktyczna granica to rozmiar i naprężenia: gdy moduły rosną, a głębokości warstwy przekraczałyby mniej więcej milimetr, koszt nawęglania i odkształcenia gwałtownie rosną, a hartowanie na wskroś z obróbką powierzchni zwykle wygrywa.

Rzeczywistość obróbki cieplnej i wykańczania

Nawęglanie to proces wsadowy mierzony w godzinach do dni: koła są obrabiane z naddatkiem na szlifowanie, nawęglane, hartowane i szlifowane wykańczająco lub skrawane na twardo w celu przywrócenia dokładności zębów — ten etap wykańczania musi być uwzględniony w planie procesu i budżecie tolerancji od samego początku. Koła hartowane na wskroś są prostsze: najpierw hartowanie i odpuszczanie, następnie nacinanie zębów w zahartowanym półfabrykacie, gdy rozmiar na to pozwala, przy akceptacji wykończenia boków uzyskiwanego przy skrawaniu na twardo, lub nacinanie w stanie miękkim i hartowanie indukcyjne przy nieco luźniejszej dokładności. W obu przypadkach pasmo hartowności stali (pasmo H w normie zakupowej) gwarantuje twardość rdzenia u podstawy zęba; określenie gatunku bez jego pasma hartowności pozostawia najważniejszą właściwość koła przypadkowi.