गियरबॉक्स की स्थायित्व के लिए सामग्री चयन क्यों महत्वपूर्ण है?

गियरबॉक्स विफलता मोड पर सामग्री गुणों का प्रभाव कैसे पड़ता है

सामान्य गियर विफलता मोड को सामग्री गुणों से जोड़ना

ASM International की 2023 की रिपोर्ट के अनुसार, सभी गियरबॉक्स विफलताओं में से लगभग 72% सामग्री की थकान और क्षरण समस्याओं के कारण होती हैं। जब हम इसे नजदीक से देखते हैं, तो सामग्री के व्यवहार और गियर के विफल होने के कारणों के बीच संबंध काफी सीधा होता है। तन्य शक्ति (टेंसाइल स्ट्रेंथ) हमें यह बताती है कि क्या एक गियर बिना टूटे लगातार मोड़ के बल को सहन कर सकता है, जबकि सतह कठोरता (सरफेस हार्डनेस) यह तय करती है कि समय के साथ चिपचिपापन या घर्षण के नुकसान का प्रतिरोध कर पाएगा या नहीं। उदाहरण के लिए, कम कार्बन इस्पात जैसे AISI 1020 इस्पात से बने गियर लें। इनमें अक्सर मोड़ थकान के लक्छन इससे भी पहले दिखाई देते हैं क्योंकि उनका कोर भारी टॉर्क अनुप्रयोगों के साथ निपटने के लिए पर्याप्त कठोर नहीं होता है। जब मशीनरी की आवश्यकताओं और सामग्री द्वारा वास्तव में प्रदान किए जा सकने वाले के बीच ऐसी खाई होती है, तो कुछ विफलता प्रतिरूप बार-बार उभरने लगते हैं। समझदार इंजीनियर जानते हैं कि यह पर्याप्त रूप से भविष्यवाणी योग्य होता है, इसलिए सावधान सामग्री चयन इन सामान्य समस्याओं को रोकने में लगभग दूसरी प्रकृति बन जाता है।

मोड़ थकान, छेदन और क्षरण: अपर्याप्त सामग्री चयन की भूमिका

मोड़ थकान के कारण सामग्री विफलता तब होती है जब कुछ अचानक झटका भार को सहन करने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं होता, जो हम अक्सर उन पूरी तरह से कठोर इस्पात में देखते हैं जिनमें लचीलापन बहुत कम होता है। जब गियर उचित ढंग से कठोर नहीं किए जाते, तो छेदन की समस्याएं तेजी से बढ़ जाती हैं। नियमित पुराने 1045 इस्पात गियर, जिनका कोई उपचार नहीं किया गया है, पर यह बात स्पष्ट रूप से परीक्षणों में दिखाई देती है। इन भागों के लिए सतह कठोरता 55 HRC से अधिक होनी चाहिए ताकि वे किसी युक्तिक अवधि तक चल सकें। कार्बराइजिंग और अन्य केस कठोरीकरण विधियां सतह कठोरता को 60 HRC से अधिक तक ले जा सकती हैं, लेकिन यदि कठोर परत पर्याप्त गहराई तक नहीं है (0.8 मिमी से कम), तो भारी भार के कारण छीलने जैसे छोटे-छोटे टुकड़े बन जाते हैं। और यहां एक और बात याद रखें: उद्योग में मौजूद अशुद्धियों की तुलना में सामग्री कम से कम 1.5 गुना अधिक कठोर नहीं होने पर क्षरण बहुत बुरा हो जाता है।

केस अध्ययन: असंगत सामग्री प्रदर्शन के कारण गियरबॉक्स की वास्तविक दुनिया में विफलता

नेब्रास्का में एक मीट पैकिंग सुविधा में, उनके गियरबॉक्स हर कुछ महीनों में विफल हो जाते थे, भले ही वे मानक AISI 4140 मिश्र धातु स्टील घटकों का उपयोग कर रहे थे। जब इंजीनियरों ने यह जानने के लिए जांच की कि ऐसा क्यों हो रहा था, तो उन्होंने पाया कि तापमान 150 डिग्री सेल्सियस से अधिक होने पर टेम्पर्ड मार्टेंसाइट संरचना जल्दी से विघटित हो जाती थी। पता चला कि मूल भागों को बिल्कुल भी उचित ताप उपचार नहीं दिया गया था। वैक्यूम मेल्टेड 8620 स्टील में स्विच करने के बाद, जिसमें केस कार्बुराइजेशन द्वारा कठोरता को 62 HRC तक बढ़ाया गया था, इन नए गियर्स को बदले जाने से पहले शानदार 54 महीने तक चलने में सक्षम बनाया। कंपनी ने इस अपग्रेड पर लगभग चौथाई मिलियन डॉलर खर्च किए, लेकिन उन महंगी खराबियों से बचकर प्रत्येक महीने लगभग 18,000 डॉलर की बचत की। जब आप इस बारे में सोचते हैं तो यह तर्कसंगत लगता है, जैसा कि पिछले वर्ष के औद्योगिक सामग्री पर रिलायबिलिटी इंजीनियरिंग जर्नल अध्ययन में दिखाया गया है।

तन्य और नतिजा सामर्थ्य: भार-वहन क्षमता की नींव

गियर के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री को बिना स्थायी रूप से आकार बदले बहुत तीव्र दोहराव वाले तनाव का सामना करने में सक्षम होना चाहिए। सामग्री के गुणों की बात करें तो, तन्य शक्ति (टेंसाइल स्ट्रेंथ) हमें यह बताती है कि किसी चीज़ पर कितना तनाव पड़ सकता है जिससे वह पूरी तरह टूट जाए, जबकि यील्ड स्ट्रेंथ यह दर्शाती है कि सामग्री का स्थायी रूप से विकृत होना कब शुरू होता है। एआईएसआई 4140 इस्पात को उदाहरण के तौर पर लें - यह विशेष मिश्र धातु लगभग 950 MPa की यील्ड स्ट्रेंथ रखती है, जिसका अर्थ है कि ASTM A370-22 परीक्षण मानकों के अनुसार यह 85,000 न्यूटन से अधिक गतिशील भार का समर्थन कर सकती है। AGMA के उद्योग दिशानिर्देश दिखाते हैं कि सतह की कठोरता और दोहराए जाने वाले मोड़ बल के तहत गियर के जीवनकाल के बीच एक संबंध होता है। अधिकांश निर्माता कम से कम 500 HB कठोरता वाले ऊष्मा उपचारित इस्पात का लक्ष्य रखते हैं क्योंकि ये सामग्री दुनिया भर के कारखानों में भारी उद्योग गियरबॉक्स में देखी जाने वाली अत्यंत लंबी संचालन चक्रों के दौरान बेहतर ढंग से चलती हैं।

सतह और कोर कठोरता: घर्षण प्रतिरोध और थकान जीवन के बीच संतुलन

केस हार्डनिंग सतहों को स्क्रैच और खरोंच का प्रतिरोध करने के लिए रॉकवेल स्केल पर लगभग 58 से 62 तक कठोर बनाती है, लेकिन धातु के आंतरिक भाग को लगभग 28 से 32 HRC पर नरम रखती है ताकि यह अचानक के प्रभावों को बिना टूटे सहन कर सके। जब सतहें 64 HRC से अधिक कठोर हो जाती हैं, तो वे भंगुर हो जाती हैं और तेजी से फिसलने वाली चीजों के खिलाफ उनमें छोटे-छोटे गड्ढे बनने लगते हैं। खानों में उपयोग किए जाने वाले गियर तंत्र पर किए गए कुछ शोध में एक दिलचस्प बात सामने आई। केस हार्डनिंग से इलाज किए गए गियरों में सतह से केंद्र तक कठोरता में धीमा परिवर्तन देखा गया, और इस डिजाइन ने लगातार 10,000 घंटे तक चलने के बाद गड्ढे की समस्याओं में लगभग तीन-चौथाई तक की कमी की। AGMA मानक दस्तावेज 925-A23 के अनुसार, यदि किसी को विवरण देखने हों।

इस्पात मिश्र धातुओं में शक्ति, कठोरता और भंगुरता के बीच समझौता

केस-हार्डन किया गया 8620 वायु टरबाइन गियरबॉक्स जैसे उच्च-आघात वाले अनुप्रयोगों के लिए उत्कृष्ट मजबूती प्रदान करता है, जबकि थ्रू-हार्डन किया गया 4140 टॉर्क-सघन प्रणालियों के लिए उच्च बंधन सामर्थ्य प्रदान करता है। अनुपचारित 1045 इस्पात, हालांकि लागत प्रभावी है, लेकिन उत्पादन सामर्थ्य के 40% से अधिक चक्रीय भार के तहत आकस्मिक रूप से विफल हो जाता है - जो ऑटोमोटिव ट्रांसमिशन डिज़ाइन में एक महत्वपूर्ण विचार है।

सामान्य गियरबॉक्स सामग्री का तुलनात्मक विश्लेषण

प्रदर्शन बेंचमार्किंग: मिश्र इस्पात बनाम कार्बन इस्पात बनाम स्टेनलेस इस्पात बनाम कास्ट आयरन बनाम इंजीनियरिंग प्लास्टिक

यांत्रिक घटकों के लिए सामग्री का चयन करते समय, इंजीनियरों को ताकत, घर्षण प्रतिरोध और जिस प्रकार के वातावरण में भाग का उपयोग होगा, इन बातों पर विचार करना चाहिए। भारी तनाव वाले भागों के लिए एलॉय स्टील जैसे कि AISI 4140 और 8620 आमतौर पर उपयोग की जाने वाली सामग्री हैं, क्योंकि वे 1,200 से 1,500 MPa के बीच के तन्य बल को सहन कर सकती हैं, और उनकी सतह को कार्बुराइज़िंग द्वारा 60 HRC से अधिक कठोर बनाया जा सकता है। बजट के महत्व को ध्यान में रखते हुए लोड सहन करने वाले भागों के लिए कार्बन स्टील ग्रेड जैसे 1045 उपयुक्त होते हैं, हालाँकि वे निकेल क्रोमियम मिश्र धातुओं की तरह गहरे क्षरण क्षति के प्रति इतने प्रतिरोधी नहीं होते। स्टेनलेस स्टील कठोर रासायनिक वातावरण में अपनी स्थिरता बनाए रखता है जहाँ अन्य धातुएँ संक्षारित हो जाएँगी, लेकिन उचित ताप उपचारित एलॉय स्टील की तुलना में बार-बार के तनाव चक्रों के तहत उतने समय तक टिकाऊ नहीं रहता। कंपन कम करने के लिए आवास घटकों में कास्ट आयरन का उपयोग भार के मुद्दों के बावजूद लोकप्रिय बना हुआ है। इस बीच, इंजीनियर कभी-कभी उन प्रणालियों में नाइलॉन और समान प्लास्टिक का उपयोग करते हैं जहाँ टॉर्क आवश्यकताएँ अत्यधिक नहीं होती हैं ताकि शोर कम हो।

लागत बनाम दीर्घायु: सामग्री के आधार पर स्वामित्व की कुल लागत का आकलन

मिश्र धातु इस्पात निश्चित रूप से नियमित कार्बन इस्पात की तुलना में लगभग 30 से 50 प्रतिशत अधिक प्रारंभिक लागत लेते हैं, लेकिन लगातार उपयोग करने पर वे बहुत अधिक समय तक चलते हैं, जिसका अर्थ है समय के साथ कम प्रतिस्थापन। स्थिर गियरबॉक्स के लिए, डक्टाइल लोहा वास्तव में लंबे समय में सबसे आर्थिक विकल्प साबित होता है, भले ही कुछ लोग ऐसा न सोचें। सामान्य कार्य स्थितियों के तहत इन घटकों को 15 से 20 वर्षों तक बिना किसी बड़ी समस्या के उपयोग किया जा सकता है। दूसरी ओर, इंजीनियरिंग प्लास्टिक कागज पर बहुत अच्छे लगते हैं क्योंकि वे हल्के भागों के लिए शुरुआत में लगभग 40% बचत करते हैं, लेकिन ऐसे वातावरण में जहां लगातार घर्षण होता है, रखरखाव लागत में वृद्धि होती है। कई दुकानों को आगे चलकर प्लास्टिक घटकों की मरम्मत पर अधिक पैसा खर्च करना पड़ता है जितना कि उन्होंने शुरूआत में बचाया था।

किस सामग्री का चयन कब करें: अनुप्रयोग-विशिष्ट सिफारिशें

• एल्यूमिनियम स्टील : खनन उपकरण, पवन टर्बाइन गियरबॉक्स और भारी मशीनरी जो आघात भारण के संपर्क में आती हैं
• Stainless steels : समुद्री या रासायनिक प्रसंस्करण प्रणालियाँ जिन्हें ISO 9227 संक्षारण प्रमाणन की आवश्यकता होती है
• इंजीनियरिंग प्लास्टिक : खाद्य प्रसंस्करण कन्वेयर, चिकित्सा उपकरण और रोबोटिक्स जिनके लिए <25 डेसीबल शोर स्तर की आवश्यकता होती है
• कास्ट आयरन : पंप हाउसिंग, कृषि मशीनरी और ऐसे अनुप्रयोग जो वजन बचत की तुलना में कंपन अवशोषण को प्राथमिकता देते हैं

तापमान, भार चक्र और आघात भारण: सामग्री का चयन ऑपरेशनल तनाव के अनुरूप करना

वास्तविक औद्योगिक परिस्थितियों में 150 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान परिवर्तन को सहन करने के लिए गियरबॉक्स के लिए उपयोग किए जाने वाले सामग्री को अच्छी तरह से संभालने की आवश्यकता होती है। लगातार लोडिंग और अनलोडिंग चक्रों के अधीन होने पर कार्बन स्टील घटक तेजी से घिस जाते हैं। जब सामान्य टोक़ स्तर के तीन गुना अचानक झटके लगते हैं, तो सामान्य सामग्री अब उपयुक्त नहीं रह जाती। इसलिए ऐसी स्थितियों में AISI 4340 जैसे मजबूत मिश्र धातुओं की आवश्यकता होती है। एक अन्य सामान्य समस्या तब होती है जब विभिन्न भागों के ताप से फैलने की मात्रा में अंतर होता है। आवास गियर की तुलना में अलग तरीके से फैलता है, जिससे कभी-कभी वे पूरी तरह से अटक जाते हैं। वास्तव में, यही एक प्रमुख कारण है कि जब ग्रहीय गियरबॉक्स को उनके विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए उचित डिज़ाइन नहीं किया जाता, तो वे विफल हो जाते हैं।

कठोर या गीले वातावरण में जंग रोधी आवश्यकताएँ

स्टेनलेस स्टील और निकल-आधारित मिश्र धातुएं समुद्री गियरबॉक्स में क्लोराइड-प्रेरित तनाव संक्षरण दरारों को रोकती हैं, जहां लवणीय जल के संपर्क में आने से कार्बन स्टील का जीवनकाल 63% तक कम हो जाता है (ASM इंटरनेशनल 2023)। रासायनिक प्रसंस्करण में, अम्लीय शीतलकों से होने वाली छिद्रण के प्रति प्रतिरोध में मानक 304 स्टेनलेस स्टील के उत्पादों की तुलना में सुपर डुप्लेक्स स्टील बेहतर प्रदर्शन करती है।

उच्च-गति और क्षरणकारी परिस्थितियों के तहत पहनने के प्रति प्रतिरोध

जब 20 मीटर प्रति सेकंड से अधिक गति पर चलने वाले पवन टर्बाइन गियरबॉक्स में उपयोग किया जाता है, तो केस-हार्डन्ड AISI 8620 इस्पात घर्षण दर को 0.1% से कम रखता है। इस सामग्री को इतना प्रभावी क्या बनाता है? खैर, इसमें 60 HRC कठोरता से अधिक की कठोर बाहरी परतें होती हैं, जबकि मूल भाग लगभग 30 HRC पर बना रहता है। यह धातु में घर्षण के प्रति प्रतिरोध और दरारों के फैलने को रोकने के बीच एक अच्छा संतुलन बनाता है। अपरदक सिलिका धूल के संपर्क में आने वाले कन्वेयर प्रणालियों से निपटने वाले खनन ऑपरेशन के लिए, कार्बाइड कोटिंग लगाने से बहुत अंतर आ सकता है। इस प्रकार उपचारित गियर नियमित मिश्र इस्पात से बने अनावृत गियर की तुलना में लगभग आठ गुना अधिक समय तक चलते हैं। इस तरह की स्थायित्व सीधे तौर पर कुछ सबसे कठोर औद्योगिक वातावरणों में कम प्रतिस्थापन और रखरखाव बंदी में अनुवादित होता है।

बढ़ी हुई स्थायित्व के लिए ऊष्मा उपचार और सतह सुदृढीकरण तकनीक

कार्बराइजिंग, नाइट्राइडिंग और प्रेरण हार्डनिंग: थकान और घर्षण पर प्रभाव

सतह कठोरीकरण तकनीकें घटकों के लंबे जीवन को बढ़ावा देती हैं, जिससे बाहरी सतहें घर्षण के प्रति प्रतिरोधी हो जाती हैं, बिना आंतरिक सामग्री की लचीलापन को प्रभावित किए। कार्बुराइज़िंग के मामले में, इस प्रक्रिया में कम मिश्र इस्पात में लगभग 900 से 950 डिग्री सेल्सियस के आसपास कार्बन जोड़ा जाता है, जिससे भारी भार के अधीन गियर के लिए आवश्यक मजबूत बाहरी परतें बनती हैं। एक अन्य विधि नाइट्राइडिंग है, जहाँ 500 से 600 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर धातु की सतह में नाइट्रोजन अवशोषित हो जाती है। Tribology International में 2022 में प्रकाशित शोध के अनुसार, उच्च गति वाले संचालन में उपयोग करने पर इससे भागों की थकान के प्रति प्रतिरोधकता लगभग 40 प्रतिशत तक बढ़ सकती है। विशेष रूप से गियर दांतों की जड़ों के लिए, प्रेरण द्वारा कठोरीकरण एक अच्छा समाधान है। यह कठोरीकरण के लिए विशिष्ट क्षेत्रों को लक्षित करने के लिए विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों का उपयोग करता है, और बार-बार भार डालने के चक्रों के दौरान उत्पन्न होने वाली मोड़ थकान समस्याओं के खिलाफ वास्तविक प्रभावशीलता दिखाई है।

सूक्ष्म संरचनात्मक परिवर्तन और सेवा जीवन पर उनका प्रभाव

ऊष्मा उपचार क्रिस्टलीय संरचनाओं में परिवर्तन करके प्रदर्शन को अनुकूलित करता है। केस हार्डनिंग सतह के ऑस्टेनाइट को मार्टेंसाइट में बदल देता है, जिससे 60-65 HRC कठोरता प्राप्त होती है, जबकि लचीला कोर बना रहता है। अत्यधिक टेम्परिंग अवशिष्ट ऑस्टेनाइट को 15% से नीचे कम कर देती है, जिससे सूक्ष्म दरारों के उद्भव को कम किया जा सकता है। नियंत्रित ठंडा करने से दाने की सीमाओं पर कार्बाइड के अवक्षेपण को रोका जाता है, जिससे ग्रहीय गियर सेट का जीवन अनुपचारित घटकों की तुलना में 30-50% तक बढ़ जाता है।

पीनिंग, पॉलिशिंग और कोटिंग: पिटिंग, स्कफिंग और सतही क्षरण को कम करना

जब शॉट पीनिंग का उपयोग किया जाता है, तो यह -800 MPa के आसपास महत्वपूर्ण संपीड़न तनाव पैदा करता है, जो सन गियर में अचानक मरोड़ झटकों के सामना करते समय दरारों के बनने को रोकने में मदद करता है। सतह की परिष्कृतता के लिए, सटीक पॉलिशिंग Ra मान को 0.4 माइक्रॉन से कम तक ले जाती है। यह वास्तव में महत्वपूर्ण है क्योंकि चिकनी सतहें उन उच्च गति वाले वर्म ड्राइव अनुप्रयोगों में चिकनाई संबंधी समस्याओं को कम कर देती हैं, जहाँ तेल पर्याप्त समय तक नहीं टिक पाता। टंगस्टन डोप्ड डीएलसी (डायमंड लाइक कार्बन) जैसी नई पतली फिल्म कोटिंग्स घर्षण संख्या को 0.08 और 0.12 के बीच में बहुत कम कर देती हैं। गियर के आरंभिक संचालन अवधि के दौरान खरोंच क्षति को रोकने के मामले में ये आधुनिक कोटिंग्स पुरानी फॉस्फेट उपचार विधियों की तुलना में काफी बेहतर हैं।