高周波焼入れ、浸炭、窒化?ギアラックの熱処理の選択

製造時の熱処理と精密研削

対象キーワード:ギアラックの熱処理

二次:高周波焼き入れギヤラック、肌焼き深さギヤ、ラック硬度HRC

メタディスクリプション:高周波焼入れ、浸炭、窒化処理を施したラックの実際の硬度と硬化深さ-、さらに焼入れにより精度が損なわれる理由と、最適な硬化深さに関する研究結果を示します。

ラックの図面に硬度番号があります。それはどこから来たのでしょうか？

私たちの経験では、約半分の場合、以前の図面からコピーされましたが、その理由を誰も覚えていません。残りの半分は、高い方が安全に聞こえるため選ばれました。どちらも正当な理由ではなく、どちらもお金がかかったり、ラックが故障したりする可能性があります。

ギアラックの熱処理は、表面硬度、コアの靭性、ケースの深さ、歪み、価格の間の一連のトレードオフになります。{0}}バランスを間違えると、側面が摩耗するか、歯が欠けてしまいます。公開されたデータが実際にサポートしている内容は次のとおりです。

高周波焼入れ - が主力

高周波焼き入れでは、歯の周囲のコイルに高周波電流を流し、表面層のみを加熱してから焼き入れます。{0}コアはオーステナイト化温度に達しないため、靭性が維持されます。

図 1. 処理方法別の表面硬度の範囲と硬化深さ。

達成可能な硬さ（公開されている情報源から）:

材料が高周波焼入れできるかどうかは、2 つの厳しい制約によって決まります。このプロセスには鋼が必要です。炭素含有量0.30％以上- 以下では、マルテンサイトを形成するのに十分な炭素がありません。焼割れの可能性を減らすために、上限では炭素を約 0.55% 未満に保ち、硫黄とリンを少なくする必要があります。

炭素含有率 0.30% ～ 0.55% が、まさに S45C と 42CrMo4 (SCM440) がラック生産の主流を占める理由です。それは伝統ではありません。それは冶金学です。

1 つの制限が人々の予想よりも重要です。それは、歯の側面や先端が適切に硬化しても、歯の根元は硬化しないことがよくあります。

歯の根元は曲げ疲労亀裂が始まる場所です。破損モードが逃げ面摩耗ではなく根元疲労である場合、高周波焼き入れでは問題を解決できない可能性があります。 FZG の研究では、テストしたすべての高周波焼き入れ歯車についてこの形状が直接確認されています。-、「硬化輪郭は歯面で最も厚く、歯元フィレットの接線 30 度の領域で最も低くなります。」

引用文で誰も言及していない精度のペナルティ

硬化により部品が変形します。細長いラックでは、その歪みがピッチ誤差に直結します。

高周波焼き入れの場合、加熱後のひずみにより歯車精度が低下します。高い精度が必要な場合は、その後の歯の研削が必要です。

効果の大きさは、ラックがプロセスごとにどのように等級付けされるかでわかります。

DIN 10 を測定する同じラック (< 0.200 mm/m) straight out of induction hardening reaches DIN 5–7 (< 0.026 to 0.052 mm/m) once the teeth are ground.

これは 4 ～ 8 倍の精度であり、仕上げ操作によって回復されます。その方法は次のとおりです。「歯のフライス加工中に余分な材料が残るため、硬化後に研磨することができます。」

したがって、実際の仕様は「高周波強化」ではありません。 「高周波焼入れ」です硬化後に研削します図面には前者が記載されているが、アプリケーションには後者が必要な場合、技術的に準拠したラックにはがっかりするでしょう。

機械加工を計画する前に知っておく価値のある実際的な結果の 1 つは、高周波焼き入れされた歯を除いて、どのような状態のラックでも二次加工が通常可能であるということです。{0}}硬化後ではなく、硬化前に取り付け穴を開けてください。

ハードケースと丈夫​​なコアが必要な場合の浸炭-

浸炭では、炭素が低炭素鋼の表面に拡散し、その後焼き入れされます。-最終的には、低炭素のタフなコアの上に高炭素のハードケースを-載せることになります。-

ギアやラックの製造における標準的な浸炭手法。

ヨーロッパの標準的な肌硬化グレードの 1 つである 16MnCr5 (EN 10084、1.7131) については、適切な浸炭と焼き入れ後の公表値 ({4}})小田井鋼材):

表面硬度：58–62 HRC

有効浸漬深さ:標準 0.6 ～ 1.2 mm

芯の硬さ：28–35 HRC

コア引張強度 (肌焼き状態): 850 ～ 1000 MPa、降伏 ~ 550 MPa

体幹の硬度の数値がエクササイズ全体のポイントとなります。 HRC 28 ～ 35 では、コアは依然として衝撃を吸収し、亀裂の伝播に抵抗しますが、HRC 58 ～ 62 のケースは孔食や摩耗に抵抗します。 55 HRC で貫通硬化されたラックには、そのような余力はありません。-全体的に硬く、それに応じて脆くなります。

浸炭は高周波焼き入れよりも費用がかかり、時間がかかり、歪みが大きくなります。接触応力が純粋に高く、衝撃荷重がかかる場合にご指定ください。

ケースの深さはどのくらいあればよいですか？研究には数字がある

これはほとんどの仕様が推測であるため、実際の調査を引用する価値があります。

図 2. 硬化深さが 0.25 x モジュールを超えると、ルート曲げ強度が低下します (FZG / TU ミュンヘンの調査データ)。

ミュンヘン工科大学の FZG による研究 (FVA 660 II、AGMA 22FTM14 経由で公開) では、42CrMo4 歯車を標準モジュール 14 mm と 20 mm でギャップ高周波焼入れ-により-テストし、表面硬化深さ (SHD400、400 HV1 限界までの深さ) に対する歯元曲げ強度を測定しました。

調査結果（直接引用）：

「0.15～0.25×m_nの範囲に最適なSHD400があるようです。」

「SHDが0.35×m_nの変形例の歯根曲げ強度は、SHDがより低い変形例の歯根曲げ強度の80パーセントにすぎない。」

深いほど悪いです。 0.35 × モジュールのケースでは、0.15 ～ 0.25 × モジュールと比較して根元曲げ強度が 5 分の 1 失われます。

そのメカニズムは残留応力です。浅い硬化層では表面が圧縮されたままとなり、亀裂の発生が抑制されます。ケースを深く押し込みすぎると、圧縮層が弱くなり、移行ゾーンが高い曲げ応力の領域に移動します。

実際には、モジュール 4 ラックの場合、その範囲は 0.6 ～ 1.0 mm です。モジュール 8 の場合、1.2 ～ 2.0 mm。研究の推奨条件、歯車サイズ m_n=14 ～ 20 mm: 0.15 ～ 0.25 × m_n の SHD400、左右の側面でほぼ等しい、表面硬度 650 ～ 750 HV、硬化亀裂なし。

同じ研究から得られた関連する数値は、疲労が重要な用途に使用している場合に知っておく価値があります。-ショット ブラスト加工を施したバリアントは、公称曲げ応力値が 600 N/mm² 近くに達し、ブラスト加工を施していない基準よりも約 30% 高く、肌焼きの比較よりも高くなっています。-ショットピーニングは圧縮残留応力を誘発し効果を発揮します。

これに対し、ISO 6336-5 では、表面硬化した歯車の最大許容応力を表面硬化した歯車の約 20% 低く評価しています。-浸炭は依然として生の能力で優れています - 高周波焼き入れとショットピーニングは低コストでギャップを埋めるだけです。

窒化 - 硬く、薄く、ほとんど歪みません

窒化では、通常、低温で窒素が表面に拡散します。520度 (ボディコート）。クエンチや相転移がなく、歪みは最小限に抑えられます。

この層には 2 つのゾーンがあります。1 つは「摩耗、擦り傷、かじり、焼付きに対する高い耐性」を与える複合「白色」層、もう 1 つはその下の拡散層で「疲労強度の向上」を提供し、複合層をサポートします。

窒化処理が利用できるかどうかは、次の 2 つの制約によって決まります。

材料。「クロム、モリブデン、バナジウム、アルミニウムなどの窒化物形成元素を含む一連の鋼に適用すると最も効果的です。」{0}すべての鉄材料はクロム 5% までガス窒化できます。その上にプラズマ窒化処理が施されます。重要なのは、普通炭素鋼の場合: 「合金元素が不足しているため、AISI 1045 鋼は窒化プロセスに反応しません」(アゾム）。ラックが C45 の場合、窒化はオプションではありません。

ケースの深さ。窒化ケースは薄いです。窒化-の特定のグレードである 38CrMoAl の場合、公表されている数値は 900 ～ 1100 HV (~65 ～ 70 HRC) です。0.3～0.6mm.

あの薄いケースが限界です。大きなヘルツ接触応力の下では、柔らかい基板上の薄い硬い層がケースクラッシュを受ける可能性があります - 層がその下のコアに崩壊します。窒化処理は、摩耗やかじりが多く、接触応力が中程度であり、ラックが既に仕上げ研磨されているため歪みを最小限に抑える必要があるラックに適しています。-

最適な結果を得るには、窒化の前に材料を硬​​化および焼き戻しする必要があります。

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よくある質問

ラック上では 60 HRC の方が 50 HRC よりも優れていますか?

自動的ではありません。硬度が高いほど、耐摩耗性は向上しますが、靱性は低下します。 60 HRC ラックを衝撃荷重で使用すると、50 HRC ラックでは耐えられる歯が欠けてしまいます。-設計対象の故障モードに合わせて硬度を調整します。

取り付け穴を加工した後、C45 ラックに高周波焼入れを行うことはできますか?

可能ですが、歪みは歯のピッチだけでなく穴の位置や平坦度にも影響します。標準的な方法では、高周波強化ラックでの二次的な操作は避けます。-最初に機械加工し、次に硬化します。

硬化したラックのバックラッシュの一貫性が、交換した柔らかいラックよりも悪いのはなぜですか?

その後歯を研磨しなかった場合、ほぼ確実に硬化歪みが生じます。高周波焼入れ非研削ラックの公表ピッチ誤差は約 ±0.200 mm/m であるのに対し、軟ラックでは ±0.150 mm/m です。- 焼入れラックは実際に精度が低くなります。

ピニオンはラックに対してどのくらいの硬さでなければなりませんか?

同等かそれ以上。ピニオンは最も多くのサイクルを受けるため、その硬度と品質クラスは常にラックの硬度と同等かそれを上回る必要があります。ピニオンはラック移動 1 メートルごとに多くの回転を行うため、接触サイクルの蓄積がはるかに速くなります。

ケース深さが深いと常に寿命が長くなるのでしょうか?

いいえ、FZG データは明示的です。0.35 × モジュールでは、ルート曲げ強度は 0.15 ～ 0.25 × モジュールの値の 80% に低下します。ケースの深さを指定しすぎるとコストがかかり、強度が低下します。-

Tianjin OuNaiDa Transmissions Technology は歯の硬化および研削装置を社内で運用しており、S45C、42CrMo4、および肌硬化グレードのラックを供給しています。-ご要望の硬さをそのままお見積りするのではなく、荷重や衝撃特性、精度目標などをお伝えいただければ、ご提案させていただきます。

高周波焼入れラック、モジュール M5 ～ M8