Защо изборът на материал е от решаващо значение за трайността на предавките?

Как свойствата на материалите влияят върху видовете повреди на предавателни кутии

Свързване на често срещаните видове повреди на зъбни колела със свойствата на материалите

Според доклада на ASM International за 2023 г., около 72% от всички повреди на предавки се дължат на умора от материала и износване. Връзката между поведението на материалите и причините за повредите на зъбните колела е доста ясна, когато разгледаме проблема по-отблизо. Якостта на опън по същество показва дали едно зъбно колело може да издържи на постоянните огъващи сили без да се счупи, докато твърдостта на повърхността определя дали ще се съпротивлява на пиктинг или абразивно износване с течение на времето. Например зъбни колела, изработени от въглеродиста стомана с ниско съдържание на въглерод, като стоманата AISI 1020, често показват признаци на умора от огъване много преди времето, тъй като ядрото им не е достатъчно твърдо, за да издържа на високи въртящи моменти. Когато съществува такава несъответствие между изискванията на машината и възможностите на материалите, определени модели на повреди се появяват отново и отново. Умните инженери знаят, че това се случва достатъчно предвидимо, затова внимателният подбор на материали става почти втора природа при предотвратяването на тези чести проблеми.

Огъване на умора, изпукване и износване: Ролята на неподходящ подбор на материали

Материалното разрушаване от огъване на умора се случва, когато даден материал не е достатъчно здрав, за да поеме внезапни ударни натоварвания, което често се наблюдава при напълно закалени стомани, които просто нямат достатъчна еластичност. Когато зъбните колела не са правилно закалени, проблемите с изпукването бързо се влошават. Това ясно се вижда при обикновени нетретирани стоманени зъбни колела от типа 1045. Повърхностната твърдост трябва да бъде над 55 HRC, за да имат тези части приемливо работно време. Цементирането и други методи за повърхностна закаляване могат да повишат повърхностната твърдост над 60 HRC, но ако закаленият слой не е достатъчно дълбок (по-малко от 0,8 мм), тежките натоварвания ще причинят образуването на дразнещи малки люспи, наречени люспене. И ето още нещо за запомняне: износването става сериозно, когато материала не е поне 1,5 пъти по-твърд от замърсителите, които се намират в индустриални среди.

Кейс Стъди: Повреда на предавка в реални условия поради несъвместими характеристики на материала

В предприятие за преработка на месо в Небраска предавките постоянно излизаха от строя на всеки няколко месеца, въпреки че се използваха стандартни части от легирана стомана AISI 4140. Когато инженерите проучили причината, установили, че структурата на отпускалния мартензит бързо се разгражда при температури над 150 градуса по Целзий. Оказало се, че оригиналните части изобщо не са били подложени на правилна термична обработка. След като преминали към стомана 8620, произведена чрез вакуумно топене, с повърхностно карбуритизиране, което повишава твърдостта до 62 HRC, новите зъбни колела издържали впечатляващи 54 месеца преди да се наложи подмяната им. Компанията похарчила около 250 хиляди долара за модернизацията, но спестила почти 18 хиляди долара месечно, като избегнала тези скъпоструващи повреди. Всъщност напълно логично е, ако се замислиш, както е показано в прошлогодишното проучване в списание Reliability Engineering Journal за индустриални материали.

Якост на опън и граница на остатъчна деформация: Основи на товароносната способност

Материалите, използвани за зъбни колела, трябва да издържат на много интензивни повтарящи се натоварвания, без да се деформират постоянно. Когато говорим за свойствата на материалите, якостта на опън по същество показва колко напрежение може да понесе даден материал, преди напълно да се счупи, докато границата на пластичност показва кога материалът започва да се деформира постоянно. Вземете като пример въглеродната стомана AISI 4140 – този специален сплав има граница на пластичност около 950 MPa, което означава, че може да поема динамични натоварвания, надвишаващи 85 000 нютона, според изпитвателните стандарти ASTM A370-22. Насоки от асоциацията AGMA показват, че има връзка между твърдостта на повърхността и продължителността на живота на зъбните колела при многократни огъващи сили. Повечето производители целят термично обработени стомани с твърдост най-малко 500 HB, тъй като тези материали обикновено издържат по-добре при онези изключително дълги работни цикли, наблюдавани в тежкотоварни промишлени предавки в заводи по целия свят.

Повърхностна и ядрена твърдост: Балансиране на устойчивостта срещу износване и живота при умора

Повърхностното навъглеродяване осигурява твърдост около 58 до 62 по скалата на Рокуел за устойчивост срещу драскотини и захапвания, но запазва вътрешната част на метала по-мека – около 28 до 32 HRC, така че тя да може да поема внезапни удари, без да се счупи. Когато обаче повърхностите станат твърде твърди над 64 HRC, те стават крехки и започват да образуват микроскопични ямки при бързо плъзгане. Някои изследвания на предавки, използвани в мини, показаха интересен резултат. Предавките, третирани чрез повърхностно навъглеродяване, имаха постепенна промяна на твърдостта от повърхността към центъра и тази конструкция намали проблемите с пitting почти наполовина след 10 000 часа непрекъсната работа. Това е според документа на AGMA стандарт 925-A23, ако някой желае да провери детайлите.

Компромис между якост, ударна възприемливост и крехкост при стоманени сплави

Азотирана 8620 осигурява по-добра устойчивост при високи ударни натоварвания, като скоростни кутии за вятърни турбини, докато обемно-закаляваната 4140 осигурява по-голяма якост на огъване за системи с висок въртящ момент. Незакаляваната стомана 1045, въпреки че е икономична, се разрушава катастрофално при циклични натоварвания, надвишаващи 40% от границата на пластичност – от решаващо значение при проектирането на автомобилни трансмисии.

Сравнителен анализ на често използвани материали за скоростни кутии

Определяне на еталонни показатели за производителност: легирана стомана срещу въглеродна стомана срещу неръждаема стомана срещу сиво леено желязо срещу технически пластмаси

При избора на материали за механични компоненти инженерите трябва да вземат предвид фактори като якост, устойчивост на износване и типа на околната среда, в която ще работи детайлът. Сплавените стомани като AISI 4140 и 8620 са предпочитани за части под голямо напрежение, тъй като издържат на опънни сили между 1200 и 1500 MPa, а техните повърхности се огъстяват чрез карбуритизация до над 60 HRC. Въглеродните стомани като 1045 са подходящи за носещи натоварвания, когато бюджетът е по-важен от корозионната защита, макар че не издържат толкова добре на питингови повреди в сравнение с никел-хром сплавите. Неръждаемата стомана запазва свойствата си в агресивни химически среди, където други метали биха се разяли, но има по-кратък живот при многократни циклични натоварвания в сравнение с правилно термично обработени сплавени стомани. За корпусни компоненти, където е необходимо гасене на вибрации, сивият чугун остава популярен, въпреки проблемите с теглото. Междувременно инженерите понякога използват нейлон и подобни пластмаси за по-тиха работа в системи, където изискванията за въртящ момент не са твърде големи.

Цена срещу дълготрайност: Оценка на общата стойност на собственост по материал

Сплавените въглеродни стомани определено струват около 30 до 50 процента повече първоначално в сравнение с обикновените въглеродни стомани, но те обикновено служат значително по-дълго при непрекъснато използване, което означава по-малко подмяны с течение на времето. При стационарни предавки, леярският чугун всъщност се оказва най-икономичният избор на дълга срока, въпреки това, което някои може да мислят. Тези компоненти могат да служат 15 до 20 години при нормални работни условия без сериозни проблеми. От друга страна, инженерните пластмаси изглеждат отлично на хартия, тъй като спестяват приблизително 40% първоначално за леки компоненти, но разходите за поддръжка имат тенденция да нарастват в среди с постоянна абразия. Много цехове установяват, че в крайна сметка харчат повече пари за поправка на пластмасови компоненти, отколкото са спестили първоначално.

Кога да се избира кой материал: Препоръки, специфични за приложението

• Леговани желязи : Оборудване за мини, предавателни кутии за вятърни турбини и тежка техника, подложени на ударно натоварване
• Нержавееща оцел : Морски или химически технологични системи, изискващи сертификация за корозия по ISO 9227
• Инженерни пластмаси : Конвейери за хранителна промишленост, медицински устройства и роботи, нуждаещи се от нива на шум под 25 dB
• Лияло желязо : Помпени корпуси, земеделска техника и приложения, приоритизиращи гасене на вибрациите пред спестяване на тегло

Температура, цикли на натоварване и ударно натоварване: Съгласуване на материали с експлоатационните натоварвания

Материалите, използвани за предавки, трябва да понасят добре промени на температурата над 150 градуса Целзий в реални индустриални условия. Компонентите от въглеродна стомана се износват по-бързо при постоянни цикли на натоварване и разтоварване. Когато внезапни удари достигнат три пъти нормалния въртящ момент, обикновените материали вече не са достатъчни. Затова в такива случаи са необходими здрави сплави като AISI 4340. Друг чест проблем възниква, когато има несъответствие в разширяването при нагряване на различните части. Корпусът се разширява по друг начин в сравнение със самите зъбни колела, което понякога води до пълно заклинване. Всъщност това е един от основните начини, по които планетарните предавки излизат от строя, когато не са правилно проектирани за конкретното приложение.

Нужда от корозионна устойчивост в сурови или влажни среди

Неръждаемите стомани и сплавите въз основата на никел предотвратяват корозионното напукване под напрежение, причинено от хлориди, в морски предавки, където въздействието на морската вода съкращава живота на въглеродната стомана с 63% (ASM International 2023). В химическата преработка супер дуплексните стомани имат по-добра устойчивост спрямо стандартните варианти от неръждаема стомана 304 при срещу точковата корозия, причинена от кисели охлаждащи течности.

Износоустойчивост при високи скорости и абразивни условия

Когато се използва в предавателни кутии на вятърни турбини, работещи при скорости над 20 метра в секунда, повърхностно-закаляваната стомана AISI 8620 поддържа нивото на износване под 0,1%. Какво прави този материал толкова ефективен? Ами, той притежава закалени външни слоеве с твърдост над 60 HRC, като същевременно запазва ядрото около 30 HRC. Това създава добро равновесие между устойчивостта към износване и предпазването от разпространение на пукнатини в метала. За минни операции, изправени пред конвейерни системи, изложени на абразивна силициева прах, нанасянето на карбидни покрития може да направи цялата разлика. Зъбните колела, обработени по този начин, издържат приблизително осем пъти по-дълго в сравнение с непокритите им колеги от обикновена легирана стомана. Такава издръжливост директно се превръща в по-малко подмянания и по-малко простоюване за поддръжка в някои от най-тежките индустриални среди.

Топлинна обработка и методи за повърхностно подобряване за по-голяма издръжливост

Цементация, азотиране и високочестотно закаляване: ефекти върху умората и износването

Методите за повърхностно втвърдяване увеличават продължителността на компонентите, като правят външните повърхности устойчиви на износване, без да компрометират гъвкавостта на вътрешните материали. Когато става въпрос за карбуритизация, този процес добавя въглерод към нисколегирани стомани обикновено при температури между 900 и 950 градуса по Целзий, което създава тези здрави външни слоеве, необходими за предавки, подложени на големи натоварвания. Друг подход е нитрирането, при което азот се абсорбира в металната повърхност при температури между 500 и 600 градуса по Целзий. Според проучване, публикувано в „Tribology International“ през 2022 година, това всъщност може да направи детайлите около 40 процента по-устойчиви на умора, когато се използват при високоскоростни операции. По отношение на корените на зъбите на предавките индукционното втвърдяване се отличава като добро решение. То използва електромагнитни полета, за да насочи втвърдяването към определени области и е показало реална ефективност срещу проблеми с умора от огъване, които възникват по време на повтарящи се цикли на натоварване.

Микроструктурни промени и тяхното въздействие върху експлоатационния живот

Топлинната обработка променя кристалните структури, за да се оптимизира производителността. Повърхностното закаляване преобразува повърхностния аустенит в мартензит, постигайки твърдост 60-65 HRC, като запазва пластичен вътрешен слой. Прекомерното отпускане намалява задържания аустенит под 15%, минимизирайки образуването на микронапуквания. Контролираното охлаждане предотвратява изпадането на карбиди по границите на зърната, удължавайки живота на планетарните предавки с 30–50% в сравнение с неподложени на обработка компоненти.

Обработки чрез обстрелване, полирване и покрития: Намаляване на пitting, драскотини и повърхностна деградация

Когато се прилага облъчване с дроб, се създават тези важни компресирани напрежения около -800 MPa, което помага да се предотврати образуването на пукнатини в слънчевите зъбни колела при внезапните усукващи удари. При работата по повърхностната отделка прецизното полиране достига стойности на Ra под 0,4 микрона. Това има голямо значение, защото по-гладките повърхности намаляват проблемите със смазването в онези високоскоростни приложения с червячни предавки, при които маслото просто не остава достатъчно дълго. По-новите тънки филмови покрития като DLC (Diamond Like Carbon) с добавка на волфрам значително понижават коефициента на триене между 0,08 и 0,12. Тези съвременни покрития надминават старомодните фосфатни обработки по отношение на предпазването от задрасквания по време на критичния начален период на индустриране на зъбните колела.