Lựa chọn thép bánh răng: Thấm carbon vs Tôi cứng xuyên suốt

Hai triết lý

Một răng bánh răng cần một bề mặt cứng, chống mài mòn cho độ bền tiếp xúc (rỗ) và một lõi dai cho độ bền uốn. Hai họ thép mang lại sự cân bằng đó theo cách khác nhau.

Thép thấm carbon

Thép hợp kim carbon thấp — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — được gia công mềm, thấm carbon, sau đó tôi. Kết quả: một lớp bề mặt khoảng 58–62 HRC trên một lõi có thể 30–45 HRC.

• Độ bền mỏi tiếp xúc và uốn cao nhất trong các lựa chọn phổ biến.
• Chiều sâu lớp thấm tương ứng với kích thước răng: một quy tắc kinh nghiệm được sử dụng rộng rãi đặt chiều sâu lớp thấm hiệu dụng ở khoảng 0.15–0.30 × module — một bánh răng module 3 chỉ cần vài phần mười milimét, một bánh răng module 10 cần nhiều hơn theo tỷ lệ.
• Chi phí: chu trình thấm carbon dài, biến dạng phải được quản lý (thường mài tinh), và bánh răng rất lớn trở nên không thực tế để thấm đều.

Thép tôi cứng xuyên suốt

42CrMo4 / 4140 và các thép hợp kim carbon trung bình tương tự được tôi và ram tới độ cứng đồng đều ~28–36 HRC, sau đó cắt hoặc gia công tinh. Độ cứng bề mặt — và do đó khả năng chống rỗ — thấp hơn, nhưng:

• Không có giới hạn chiều sâu lớp thấm; phù hợp cho bánh răng module lớn, đường kính lớn (gió, nhà máy, phụ trợ hàng hải).
• Răng có thể được tôi cảm ứng sau đó (khoảng 50–55 HRC trên sườn răng) để khôi phục độ bền bề mặt trong khi vẫn giữ lõi đã ram.
• Thép thấm nitơ là một hướng thứ ba cho tải vừa: lớp bề mặt rất cứng và mỏng với biến dạng gần như bằng không, ở chiều sâu lớp thấm hạn chế.

Logic lựa chọn

Tình huống	Lựa chọn điển hình
Module nhỏ/trung bình, mật độ mô-men xoắn cao, nhiệm vụ ô tô và hộp số	Thấm carbon: 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
Module lớn, tải va đập, bánh răng công nghiệp đơn chiếc	42CrMo4 tôi cứng xuyên suốt, tùy chọn tôi cảm ứng
Bánh răng chính xác nơi biến dạng không thể sửa	Thép thấm nitơ
Tải thấp, chi phí thấp, bánh răng thay thế được	1045 hoặc thép đúc, không tôi cứng hoặc tôi cứng nhẹ

Ranh giới thực tế là kích thước và ứng suất: một khi module tăng lên và chiều sâu lớp thấm sẽ vượt quá khoảng một milimét, chi phí thấm carbon và biến dạng tăng mạnh, và tôi cứng xuyên suốt với xử lý bề mặt thường thắng thế.

Thực tế nhiệt luyện và hoàn thiện

Thấm carbon là một quá trình theo mẻ được đo bằng giờ tới ngày: bánh răng được gia công với lượng dư mài, thấm, tôi, và mài tinh hoặc chuốt cứng để khôi phục độ chính xác của răng — bước hoàn thiện đó phải nằm trong kế hoạch quy trình và ngân sách dung sai ngay từ đầu. Bánh răng tôi cứng xuyên suốt đơn giản hơn: tôi và ram trước, sau đó cắt răng trong phôi đã tôi cứng nơi kích thước cho phép, chấp nhận độ hoàn thiện sườn răng mà cắt cứng mang lại, hoặc cắt mềm và tôi cảm ứng với độ chính xác lỏng hơn phần nào. Đối với cả hai hướng, dải khả năng tôi cứng của thép (H-band trong tiêu chuẩn mua hàng) là điều bảo đảm độ cứng lõi tại chân răng; chỉ định một mác thép mà không có dải khả năng tôi cứng của nó sẽ để tính chất bánh răng quan trọng nhất cho may rủi.