Deformaţiile roţilor dinţate cauzate de tratamentele termice de cementare şi nitrurare

Transmisii Mecanice

de Zoltan Korka

Deformaţiile roţilor dinţate cauzate de tratamentele termice de cementare şi nitrurare

Tratamentele termice aplicate roţilor dinţate produc deformaţii care se evidenţiază prin abaterile mărimilor geometrice precum: forma flancurilor, diametrul cercului de cap, unghiul de înclinare măsurat pe diametrul de divizare, grosimea dintelui, mărimea bătăii radiale.

Abaterile se notează cu:

  • FZR şi FZA- abaterile la forma alezajului roţii (R în secţiune radială, A în secţiune axială);
  • fr- bătaia radială;
  • fW - abaterea cotei peste dinţi;
  • ft - abaterea de la divizare;
  • fg - abaterea la forma cercului de bază;
  • fβ​ - abaterea la direcţia flancurilor;

 

Pentru fiecare abatere în parte se defineşte deformaţia de tratament termic ca fiind diferenţa între abaterea măsurată înainte şi după tratamentul termic, ca de exemplu:

ΔFZR = FZR1 - FZR2 unde:

ΔFZR - deformaţia de tratament termic a alezajului roţii, măsurat în secţiune radial

FZR1 - abaterea formei alezajului roţii măsurată în secţiune radială, înaintea tratamentului termic

FZR2 - abaterea formei alezajului roţii măsurată în secţiune radială, după tratamentul termic

După cum se observă, piesele au abateri încă din faza de prelucrare, tratamentele termice ducând la accentuarea acestor abateri.

Abaterile de la forma alezajului roţii influenţează în mod direct şi celelalte abateri (fr, ft , fg, fβ), cu excepţia abaterii la cota peste dinţi (fβ), deoarece toate se raportează la axa roţii. Abaterea de la cilindricitate a alezajului roţii face ca roata să nu se aşeze perfect pe dornul de prindere necesar măsurării, ducând, prin aceasta, la o deplasare a axei de conducere faţă de axa danturii.

Principalele moduri de deformare, în plan radial, ale alezajului unei roţi sunt prezentate în figura 1.

  • Figura 1. Moduri de deformare ale alezajului unei roți dințate în plan radial

După cercetările diferiţilor autori, alezajele roţilor se pot mări sau micşora în urma tratamentelor termice, modul de deformare depinzând de factori precum: geometria piesei sau poziţia acesteia în timpul tratamentului. S-a stabilit, în general, că la roţile compacte, în urma tratamentului de cementare, diametrul alezajului scade, în timp ce la piesele matriţate cu spiţe între obadă şi coroană, alezajul interior creşte în diametru după cementare.

Aceste concluzii nu sunt însă general valabile, modul de deformare a alezajului roţii depinzând de orientarea şirurilor în structura iniţială. O structură iniţială orientată în benzi în direcţia axei roţii şi o poziţie culcată la tratamentul termic duc la micşorarea alezajului roţii, în timp ce o structură în şiruri paralele dispuse perpendicular pe axa roţii conduce la ovalizarea alezajului.

Deformarea alezajului roţii în plan radial determină creşterea bătăii radiale fr a danturii, a abaterii de la divizare fW şi a abaterii la forma cercului de bază fg. Principalele moduri de deformare, în plan axial, ale alezajului unei roţi sunt prezentate în figura 2.

Deformaţiile alezajului roţii în plan axial determină creşterea abaterii la direcţia flancurilor fβ .

 

  • Figura  2. Moduri de deformare ale alezajului unei roți dințate în plan radial

S-a constatat că, în general, după cementare, are loc un proces de creştere a cotei peste dinţi, care duce la îngroşarea piciorului dintelui şi la o micşorare a cercului de bază, care duce lamodificarea înclinaţiei flancurilor dinţilor. Mărimea acestor abateri depinde de forma geometrică a roţii dinţate şi de tehnologia de tratament termic.

1. Modificări dimensionale şi de formă ale roţilor dinţate cementate

Dezavantajul major al tratamentului termic de cementare îl reprezintă deformaţiile care rezultă şi necesitatea de prelucrări suplimentare, cum ar fi rectificarea danturii. Deformaţiile sunt datorate unor deformaţii elastice şi plastice ce au loc în material, care, la rândul lor, sunt cauzate de tensiuni de diverse naturi:

  • tensiuni termice rezultate la încălzire şi răcire;
  • tensiuni de transformare datorate diferenţelor de volum ale diverselor faze structurale;
  • tensiuni externe datorate greutăţii proprii;
  • tensiuni interne rezultate în urma unei anterioare deformaţii la rece sau a unui tratament termic prealabil.

În cele ce urmează, se vor lua în discuţie principalii factori care induc deformaţii la tratamentul de cementare.

a) Modificările volumice datorate schimbărilor structurale

Proprietăţile deosebite de rezistenţă ale roţilor cementate se bazează pe modificările structurale ce au loc cu modificare de volum. Astfel, martensita se poate obţine doar printr-o răcire accentuată.

În cazul unei abordări simplificate, fără a lua în seamă starea de tensiuni rezultate în material după călire, ci doar compararea structurilor înainte şi după cementare, se constată o creştere a volumului stratului cementat cu până la 0,4 % faţă de miez.

b) Tensiuni termice

La procesul de răcire iau naştere în zona superficială tensiuni de întindere (ca urmare a răcirii mai rapide), care sunt compensate de tensiuni de compresiune în miez.

Urmare a tensiunilor termice, fiecare corp care se răceşte are tendinţa de a-si micşora suprafaţa, tinzând către forma sferică. Asta face ca, de exemplu, la călire plăcile să-şi mărească grosimea, deci să-şi micşoreze suprafaţa, în timp ce cilindrii alungiţi se scurtează, cresc în diametru, primind formă de butoi.

c) Tensiuni externe

Tensiuni externe pot fi induse pieselor subţiri şi lungi, mai ales în timpul procesului de carburare (când au loc încălziri de circa 900º C), ca urmare a fixării defectuoase (improprii) pe dispozitivul de tratament termic.

d) Tensiuni proprii

Tensiunile proprii din materiale, ca urmare a unor deformaţii la rece sau a unor prelucrări anterioare tratamentului termic, pot cauza, mai ales la carburare, deformaţii. Aceste deformaţii pot fi minimizate prin aplicarea unei detensionări la 650º C, înainte de finisare.

Tensiunile pot apărea şi în cazul unor tratamente termice aplicate ulterior, ca de exemplu în cazul unei piese care trebuie recălite. Se recomandă în acest caz ca încălzirea să se facă cu mare grijă, deformaţiile ulterioare neputând fi însă eliminate complet.

e) Modificări dimensionale după călire

Modificări dimensionale minore pot apărea şi după cementare, călire şi detensionare la circa 200º C. Acestea se datorează, în primul rând, creşterilor volumice ca urmare a transformărilor ulterioare ale austenitei reziduale rezultate în urma răcirilor accentuate sau a deformaţiilor la rece. De aceea, piesele de precizie trebuie să conţină foarte puţină austenită reziduală, lucru ce se realizează printr-o recoacere de stabilizare.

În concluzie, deformaţiile apărute în urma tratamentului termic de cementare sunt rezultatul tensiunilor termice care se suprapun peste tensiunile datorate transformărilor structurale, derularea în timp a transformărilor din stratul superficial şi miez având influenţă asupra comportării dimensionale. Pentru ţinerea sub control a acestor deformaţii trebuie ca procesele de încălzire, carburare şi călire să se desfăşoare, pe cât posibil, uniform.

Principalele modificări dimensionale şi de formă ale pieselor danturate supuse cementării pot fi sintetizate după cum urmează:

  • unghiul de înclinare a danturii se micşorează;
  • danturile nesusţinute (sub formă de oală) îşi micşorează diametrul;
  • coroanele dinţate devin conice;
  • cel mai favorabil comportament la cementare îl au roţile sub formă de şaibe;
  • în funcţie de forma corpului roţii, diametrele interioare pot creşte sau să scadă;
  • deformaţiile se reduc cu scăderea duratei de carburare, deci a adâncimii de cementare, şi cresc cu mărimea roţii şi cu creşterea durităţii miezului;
  • deformaţiile cresc în urma unei carburări neuniforme.

2. Modificări dimensionale şi de formă ale roţilor dinţate nitrurate

Nitrurarea este cunoscută ca unul dintre procedeele de tratament termic (termochimic) care provoacă modificările cele mai mici de formă şi dimensiuni, motiv pentru care, de regulă, nici nu mai necesită prelucrări mecanice ulterioare ale danturii. Cu toate acestea, în majoritatea situaţiilor se înregistrează variaţii de dimensiuni şi formă.

Variaţiile dimensionale sunt urmare a faptului că stratul nitrurat are volum specific mai mare decât miezul. Diferenţa de volum specific duce la apariţia unor stări de tensiuni, şi anume de compresiune în strat şi de întindere în miez. Dintre acestea, tensiunile de compresiune au efect favorabil asupra rezistenţei la oboseală, iar cele de întindere au efect negativ. Starea de tensiuni elasto-plastică locală con­duce adesea la apariţia deformaţiilor.

Asupra stării de tensiuni, respectiv asupra defor­maţiilor influenţează forma şi dimensiunile piesei, raportul dintre grosimea stratului şi a miezului, compoziţia oţelului, regimul de nitrurare, modul de aşezare a pieselor în incinta de nitrurare, nitrurarea selectivă (numai a anumitor suprafeţe) şi temperatu­ra de revenire de la îmbunătăţire.

Cu creşterea temperaturii de nitrurare se măreş­te adâncimea stratului nitrurat şi, ca urmare, cresc şi modificările dimensionale. Spre exemplu, la nitru­rarea în gaz a oţelului 38MoCrAl09, timp de 4 zile, s-au înregistrat creşteri ale diametrului de 0,01 mm la 470º C, 0,02 mm la 500º C şi 0,04 mm la 520º C.

Modificările dimensionale se accentuează pe măsură ce scade grosimea peretelui piesei nitrurate. Forma piesei poate favoriza, de asemenea, apariţia unor modificări dimensionale asimetrice, cum este cazul coliviei de ghidare din figura 3a, executate din 38MoCrAl09, care în urma nitrurării ionice la 520º C, timp de 12 ore cu aşezare liberă a pieselor, a înregistrat modificări de formă şi dimensiuni con­form datelor din figura 3b.

Situaţia semnalată a putut fi în parte remediată prin utilizarea unor dispozitive pentru nitrurare care asigurau o strângere radială a coroanei din interior şi aplicarea unor detensionări între operaţiile de prelucrare mecanice (după strunjire şi danturare).

Variaţiile dimensionale sunt influenţate şi de compoziţia chimică a oţelului, astfel, la oţelurile

 

  • Figura 3. Deformarea unei coroane dinţate după nitrurare

 

  • Figura 4. Creşterea dimensi­unilor de referinţă în funcţie de durata nitrurării

Variaţiile dimensionale pot fi diminuate prin tratamentul termic aplicat înainte de nitrurare, când se recomandă a se aplica îmbunătăţirea, eventual normalizarea. Prin revenirea la minimum 620º C, circa 2-4 ore, se asigură stabilizarea structurii, urma­re a desăvârşirii transformărilor specifice revenirii. În acest fel sunt excluse variaţiile de dimensiuni datora­te continuării producerii transformărilor.

Sunt situaţii în care modificările dimensionale şi, în special, cele de formă pot fi diminuate prin inter­venţii asupra formei constructive a piesei sau asupra suprafeţelor nitrurate (dispunerii acestora).

Pentru cazul particular al nitrurării ionice, modificările de volum şi deformaţiile sunt, de regu­lă, mai reduse în raport cu cele ce apar la nitrurarea în gaze, inclusiv rugozitatea suprafeţei dinţilor înregistrează o îmbunătăţire (micşorare). Cele men­ţionate se datorează faptului că, din punct de vedere al transferului de masă, la piesa de nitrurat (catod), au loc două fenomene contrare; pe de-o parte, creşte­rea greutăţii datorită absorbţiei şi difuziei, pe de altă parte, o reducere ca urmare a pulverizării catodice.

Din cele expuse se desprinde ideea că modifi­cările dimensionale şi chiar de formă sunt inerente. Modificările dimensionale fiind practic constante pentru piese identice nitrurate în aceleaşi condiţii, la stabilirea adaosurilor de prelucrare (sau a toleranţei la prelucrarea anterioară) se poate ţine seama de valorile acestora.

În privinţa deformaţiilor, ele sunt amplificate de regimurile de nitrurare în cazul pieselor complexe şi pot fi favorizate de o dispunere necorespunzătoare a pieselor în incinta de nitrurare, precum şi de nitrurarea asimetrică (unele suprafeţe sunt protejate contra nitrurării).

Pentru diminuarea deformaţiilor, se poate acţi­ona preventiv, intervenind asupra formei piesei, reducerii la minimum a grosimii de strat, la fel a temperaturii. Poziţia pieselor (verticală, la cele lungi) şi dispunerea lor în incinta de nitrurare, ca şi încăl­zirile şi răcirile lente, pot conduce, de asemenea, la diminuarea deformaţiilor.


Zoltan – Iosif Korka este Lector dr. ing. habil. Universitatea „Eftimie Murgu” din Reşiţa


 

 


Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord