Tribotechnické listy

 

 

Laserové kalení ozubených kol

Laserové kalení je oproti ostatním metodám povrchového kalení specifické vyšší rychlostí ohřevu a kalení. Vyšší rychlost ohřevu zajišťuje minimální degradaci okolního materiálu. Samokalení neprobíhá z horkého povrchu vodní sprchou, ale vedením tepla do okolního studeného materiálu výrobku. Důsledkem je, že např. ozubená kola s četnými trhlinami po indukčním kalení při kalení laserem nepraskají. Jemnější struktura podporuje únavovou odolnost dynamicky namáhaných dílů. Výsledkem jsou kalená ozubená kola s delší životností.


Ozubená kola jsou součástí většiny převodovek nebo systémů přenášejících kroutící moment. Jedná se tedy o značně cyklicky namáhané součásti, které musejí snést velké zatížení, povrch musí odolávat otěru a střídavé zatěžování. V případě kalení větších sérií drobnějších kol se obvykle používá pouze objemové kalení. Při kalení rozměrnějších kol nebo kusové produkci je nejčastěji používáno indukční povrchové kalení. Cementace nebo nitridace převládají u vysoce namáhaných kol. Uvedené technologie spojují společné nevýhody: objemové změny, tvarové deformace, oxidace povrchu a především vznik trhlin. Je nezbytné po tepelném zpracování provádět další třískové obrábění s relativně velkými přídavky na opracování. Objemově kalená kola jsou po popouštění o něco měkčí, takže odolnost povrchu proti otěru je z uvedených způsobů nejmenší. Cementace probíhá za vyšších teplot, takže původně zušlechtěné jádro s dobou cementace (doba potřebná k cementaci mimo jiné závisí na požadované hloubce cementace) ztrácí svoje mechanické vlastnosti. Tvorba a výskyt karbidů degraduje únavovou životnost kola. U větších ozubení se často uplatňuje indukční kalení, dříve také kalení plamenem. Velká kola jsou často v litém stavu, s hrubou mikrostrukturou a chemickou heterogenitou, takže častým problémem je vznik povrchových trhlin po indukčním kalení.

 


Laserové kalení povrchu je průmyslově zavedená technologie uplatňovaná nejčastěji při kalení forem. Zejména rozvoj diodových laserů v posledních letech z ní udělal konkurenceschonou metodu. Mezi její hlavní přednosti patří zejména rychlost kalení (malá oxidace povrchu, úzká teplem ovlivněná oblast), snadná regulace teploty (rovnoměrná tvrdost), malé objemové změny, vyšší tvrdost a jemnozrnnější struktura. Proto se zdá laserové kalení perspektivní i při kalení ozubení. Příspěvek přináší poznatky z praktických průmyslových aplikací laseru při kalení ozubených kol ve firmě MATEX PM.
Při transformačním zpevňování dochází ke změnám krystalové mřížky a s tím spojeným objemovým změnám. Vznikající martenzit má asi o 4% větší objem, nárůst objemu ovlivňuje i obsah uhlíku, nebo tloušťka kalené vrstvy. Objemové změny po laserovém kalení do hloubky 2 mm u materiálu C45 vykazují nárůst o 0,01 mm, což obvykle spadá do tolerancí i bez následného broušení.

 

Příklady aplikací

V případě kalení ozubení s malou tloušťkou stěny hrozí nebezpečí deformace od vnitřního pnutí. Nebezpečí je tím větší, čím větší je vnesené teplo. Příkladem je kolo pro důlní rypadlo z materiálu 42CrMo4 se stěnou cca 100mm. Bylo laserově kaleno kolo s vnitřním ozubením o průměru 8 metrů, složené ze 6 segmentů. Případná deformace by znamenala, že nebude možné díly spasovat k sobě. K deformaci tvaru naštěstí nedošlo.
Dalším případem je ozubení převodovky pro důlní rypadlo z materiálu GS25CrMo4LV. Při indukčním kalení došlo ke vzniku trhlin u všech 3 kol. I přes veškerou opatrnost nově vyrobená kola po indukci opět popraskala, proto bylo přistoupeno ke kalení laserem. To proběhlo bez defektů, což potvrdily provedené NDT zkoušky a převodovka již několik let spolehlivě pracuje.
Srovnání deformací po indukčním a laserovém kalení lze dobře porovnat u vodících list používaných při výrobě obráběcích strojů. Průřez lišt bývá 70x70mm, délka 1 metr, ozubení bývá šikmé. Jsou vyráběné z tvářeného materiálu 37Cr4 a objemově zušlechtěné. Po indukčním kalení dosahuje průhyb až 15 mm. Zborcení do vrtule (díky šikmému ozubení) zhoršuje možnost následného rovnání za tepla. Deformace po kalení laserem se pohybuje běžně do 0,3mm, což je v toleranci přídavků na obrábění a rovnání tím odpadá.
Problémy s trhlinami se vyskytují při kalení velkých kol o hmotnosti 5 tun pro větrné elektrárny z materiálu GS25CrMo4LV. Po indukčním kalení jsou na povrchu této oceli často indikovány NDT četné pnuťové trhliny. Ani v tomto případě po kalení laserovým paprskem nebyly nikdy kapilární zkouškou nalezeny povrchové trhliny.
Je třeba si uvědomit základní rozdíl mezi kalením indukčním a laserovým paprskem. Indukční ohřev je pomalejší, takže dochází k teplotnímu ovlivnění většího objemu okolního materiálu (mezi teplotami A1 a A3). K ochlazování dochází z povrchu (který je nejteplejší) sprchováním vodou, polymerní suspenzí, olejem apod. Tím na povrchu vznikají velká transformační pnutí, vedoucí ke vzniku trhlin. Oproti tomu při ohřevu laserovým paprskem je teplotně ovlivněná oblast úzká a především k odvodu tepla dochází vedením do "studeného" kovu ozubeného kola. A tento přestup se děje v nejstudenějším místě těsně nad A3 a nikoli na nejteplejším povrchu. Tím jsou redukovány zbytková pnutí a nedochází ke vzniku trhlin. Zároveň vzniká jemnozrnná martenzitická mikrostruktura, lépe odolávající cyklickému zatěžování a tím i únavovému poškození. Příznivá je i přítomnost tlakových pnutí v povrchových oblastech.

 

Závěr

Laserové kalení ozubených kol je perspektivní metodou při jejich výrobě. S výhodou se uplatňují klasické přednosti laserového kalení jako jsou malé deformace, rovnoměrná tvrdost, vysoká produktivita a opakovatelnost, snadná automatizace. Malé objemové změny a nízká oxidace kaleného povrchu v řadě případů odstraňují nutnost konečného broušení. Jistým omezením je vznik překryvů jednotlivých stop, ve kterých díky popuštění předchozí stopy dochází k poklesu tvrdosti. Možná právě tato měkčí místa kompenzují zbytková pnutí a tím nedochází ke vzniku trhlin u materiálů citlivých na jejich vznik po indukčním kalení.



Stanislav Němeček, Tomáš Mužík
MATEX PM s.r.o., Morseova 5, 301 00 Plzeň, ČR

www.matexpm.com

 

 

Späť

Komentáre k článku | Pridať komentár

Pavel Mazánek (30.10.2018)

Dobrý den,
pro výpočet ozubení potřebuji znát časovanou pevnost v dotyku Sigma Hlim a v ohybu Sigma Flim mat. 42CrMo4- ozubení kaleno laserem. Pochopitelně včetně tvrdosti a hloubky vrstvy. Mohli byste mi tyto údaje poskytnout.
Děkuji
Ing. Mazánek
ŽĎAS.

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
2 + 3 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd