Trempé par induction, cémenté ou nitruré ? Choisir le traitement thermique pour les crémaillères

Traitement thermique et meulage de précision en production

Mot-clé cible :traitement thermique des crémaillères

Secondaire:crémaillère trempée par induction, engrenages de profondeur de cémentation, dureté de crémaillère HRC

Méta description :Chiffres de dureté réels et profondeurs de boîtier pour les crémaillères trempées par induction, cémentées et nitrurées -, ainsi que les raisons pour lesquelles le durcissement ruine la précision et ce que dit la recherche sur la profondeur de boîtier optimale.

Il y a un numéro de dureté sur le dessin de votre rack. D'où vient-il ?

D'après notre expérience, environ la moitié du temps, il était copié à partir d'un dessin précédent, et personne ne se souvient pourquoi. L'autre moitié a été choisie parce que plus haut semblait plus sûr. Ni l’une ni l’autre n’est une bonne raison, et les deux peuvent vous coûter de l’argent ou un rack défaillant.

Le traitement thermique d'une crémaillère est un ensemble de compromis-entre la dureté de la surface, la ténacité du noyau, la profondeur du boîtier, la distorsion et le prix. Si vous avez un mauvais équilibre, vous userez les flancs ou vous casserez les dents. Voici ce que soutiennent réellement les données publiées.

Le durcissement par induction - le cheval de bataille

Le durcissement par induction fait passer un courant à haute fréquence-à travers une bobine autour de la zone dentaire, chauffant uniquement la couche superficielle, puis la trempe. Le noyau n’atteint jamais la température d’austénitisation, il reste donc résistant.

Figure 1. Plages de dureté de surface et profondeurs de boîtier par méthode de traitement.

Dureté réalisable, à partir de sources publiées :

Deux contraintes strictes déterminent si un matériau peut être durci par induction. Le processus nécessite de l'acier avecteneur en carbone de 0,30 % ou plus- en dessous, il n'y a tout simplement pas assez de carbone pour former de la martensite. À l'extrémité supérieure, la teneur en carbone doit rester inférieure à environ 0,55 %, avec une faible teneur en soufre et en phosphore, pour réduire le risque de fissuration par trempe.

Cette fenêtre, de 0,30 % à 0,55 % de carbone, est précisément la raison pour laquelle le S45C et le 42CrMo4 (SCM440) dominent la production de racks. Ce n’est pas une tradition ; c'est la métallurgie.

Une limitation est plus importante que prévu : même lorsque le flanc et la pointe de la dent durcissent correctement, la racine de la dent ne durcit souvent pas.

La racine de la dent est l’endroit où commencent les fissures de fatigue par flexion. Si votre mode de défaillance est la fatigue des racines plutôt que l'usure des flancs, le durcissement par induction peut ne pas résoudre le problème que vous rencontrez. L'étude FZG confirme directement la géométrie de celui-ci -pour tous les engrenages trempés par induction-testés, "le contour de trempe est le plus épais au niveau des flancs des dents et le plus bas dans la zone de la tangente de 30 degrés au congé de la racine de la dent."

La pénalité de précision que personne ne mentionne dans la citation

Le durcissement déforme la pièce. Sur un rack long et mince, cette distorsion se transforme directement en erreur de hauteur.

Lorsque le durcissement par induction est utilisé, la précision des engrenages est réduite par la contrainte après chauffage. Le meulage des dents est ensuite nécessaire si une grande précision est souhaitée.

L'ampleur de l'effet est visible dans la manière dont les racks sont classés par processus :

Le même rack qui mesure DIN 10 (< 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.

Cela représente un facteur de précision de quatre à huit, récupéré par une opération de finition. Comment cela se fait : "Un surplus de matière est laissé lors du fraisage des dents afin qu'elles puissent être meulées après durcissement."

La véritable spécification n’est donc pas « durcie par induction ». C'est "durci par inductionet meulé après durcissement" Si votre dessin indique le premier et que votre application a besoin du second, vous serez déçu par un rack techniquement conforme.

Conséquence pratique à connaître avant de planifier l'usinage : les opérations secondaires sont normalement possibles sur les crémaillères dans toutes les conditions, à l'exception des dents-trempées par induction. Percez vos trous de montage avant le durcissement, pas après.

Cémentation - lorsque vous avez besoin d'un boîtier rigide et d'un noyau dur

La cémentation diffuse du carbone dans la surface d'un acier à faible-carbone, puis le trempe. Vous vous retrouvez avec un boîtier rigide à haute teneur en carbone sur un noyau rigide à faible teneur en carbone.

Pratique de carburation standard pour la production d’engrenages et de crémaillères.

Pour 16MnCr5 (EN 10084, 1.7131), l'une des qualités de cémentation européennes standards-, chiffres publiés après carburation et trempe appropriées (Acier Otai):

Dureté superficielle :58-62 HRC

Profondeur effective du boîtier :0,6 à 1,2 mm typique

Dureté du noyau :28-35 HRC

Résistance à la traction du noyau (état cémenté) : 850-1 000 MPa, rendement ~ 550 MPa

Le chiffre de la dureté de base est le point central de tout l’exercice. À 28-35 HRC, le noyau absorbe toujours les chocs et résiste à la propagation des fissures, tandis que le boîtier à 58-62 HRC résiste aux piqûres et à l'usure. Une crémaillère-durcie à 55 HRC n'a pas une telle réserve -, elle est dure jusqu'au bout et, par conséquent, cassante.

La cémentation coûte plus cher, prend plus de temps et déforme davantage que le durcissement par induction. Spécifiez-le lorsque la contrainte de contact est véritablement élevée et qu'une charge de choc est présente.

Quelle doit être la profondeur de l'affaire ? La recherche a un certain nombre

C’est là que la plupart des spécifications sont des suppositions, il vaut donc la peine de citer des recherches réelles.

Figure 2. La résistance à la flexion des racines diminue lorsque la profondeur du boîtier dépasse 0,25 x module (données de recherche FZG / TU Munchen).

Une étude réalisée par FZG à la TU München (FVA 660 II, publiée via AGMA 22FTM14) a testé des engrenages 42CrMo4 sur des modules normaux de 14 mm et 20 mm avec un écart-par-trempe par induction, mesurant la résistance à la flexion de la racine de la dent par rapport à la profondeur de durcissement de la surface (SHD400, la profondeur jusqu'à la limite de 400 HV1).

Résultats, cités directement :

"il semble y avoir un SHD400 optimal compris entre 0,15 et 0,25 × m_n."

"La résistance à la flexion de la racine de la dent de la variante avec un SHD de 0,35 × m_n atteint seulement 80 pour cent de la résistance à la flexion de la racine de la dent des variantes avec un SHD inférieur."

Plus profondément, c'est pire. Un boîtier à 0,35 × module perd un cinquième de sa résistance à la flexion de racine par rapport à 0,15 à 0,25 × module.

Le mécanisme est une contrainte résiduelle. Un boîtier durci peu profond laisse la surface en compression, ce qui supprime l'initiation des fissures. Poussez le boîtier trop profondément et la couche de compression s'affaiblit et la zone de transition se déplace dans une région de forte contrainte de flexion.

En pratique, pour un rack module 4, cette plage est de 0,6 à 1,0 mm. Pour le module 8, 1,2 à 2,0 mm. Conditions recommandées par l'étude, pour les tailles d'engrenages m_n=14 à 20 mm : SHD400 à 0,15–0,25 × m_n, à peu près égales sur les flancs gauche et droit, dureté de surface 650–750 HV, pas de fissures de durcissement.

Un chiffre connexe issu de la même étude vaut la peine d'être connu si vous avez une application critique en fatigue : la variante grenaillée-a atteint un nombre de contrainte de flexion nominale de près de 600 N/mm², soit environ 30 % de plus que la référence non sablée et plus élevée que la comparaison cémentée-trempée. Le grenaillage induit une contrainte résiduelle de compression et cela fonctionne.

Par contre, la norme ISO 6336-5 évalue les engrenages trempés en surface-environ 20 % en dessous des engrenages trempés-pour une contrainte maximale autorisée. La cémentation gagne toujours en termes de capacité brute - le durcissement par induction et le grenaillage ne font que combler l'écart à moindre coût.

Nitruration - dure, fine et à peine déformée

La nitruration diffuse de l'azote dans la surface à basse température, généralement520 degrés (Bodycote). Pas de trempe, pas de transformation de phase, distorsion minimale.

La couche comporte deux zones : une couche composée « blanche » offrant « une haute résistance à l'usure, aux éraflures, au grippage et au grippage », et une couche de diffusion en dessous offrant une « résistance à la fatigue améliorée » et soutenant la couche composée.

Deux contraintes déterminent si la nitruration s'offre à vous :

Matériel.Il est "plus efficace lorsqu'il est appliqué à la gamme d'aciers contenant des éléments formant du nitrure- tels que le chrome, le molybdène, le vanadium et l'aluminium". Tous les matériaux ferreux peuvent être nitrurés au gaz jusqu'à 5 % de chrome ; au-dessus, nitruration plasma. Critique, pour l'acier au carbone ordinaire : "En raison de son manque d'éléments d'alliage, l'acier AISI 1045 ne répond pas au processus de nitruration" (AZoM). Si votre rack est en C45, la nitruration n'est pas une option.

Profondeur du boîtier.Les boîtiers nitrurés sont fins. Pour le 38CrMoAl, une qualité spécifique à la nitruration-, les chiffres publiés sont de 900 à 1 100 HV (~ 65 à 70 HRC) avec un cas de seulement0,3 à 0,6 mm.

Ce boîtier mince est la limite. Sous de fortes contraintes de contact hertziennes, une fine couche dure sur un substrat plus mou peut subir un écrasement -, la couche s'effondre dans le noyau situé en dessous. La nitruration convient aux racks où l'usure et le grippage dominent et où la contrainte de contact est modérée, et où la distorsion doit être minime car le rack est déjà fini-meulé.

Le matériau doit être durci et revenu avant la nitruration pour des résultats optimaux.

Choisir

FAQ

Est-ce que 60 HRC est mieux que 50 HRC sur un rack ?

Pas automatiquement. Une dureté plus élevée signifie une meilleure résistance à l’usure et une moins bonne ténacité. Un rack de 60 HRC dans une application chargée par choc-ébrèchera les dents auxquelles un rack de 50 HRC survivrait. Faites correspondre la dureté au mode de défaillance contre lequel vous concevez.

Puis-je durcir par induction un rack C45 après avoir usiné les trous de montage ?

C’est possible, mais la distorsion affecte la position et la planéité du trou ainsi que le pas des dents. La pratique standard consiste à éviter les opérations secondaires sur les racks trempés par induction-. Usinez d’abord, durcissez ensuite.

Pourquoi mon support renforcé a-t-il un jeu moins homogène que le support souple qu'il a remplacé ?

Il est presque certain qu'il s'agit d'une déformation due au durcissement, si les dents n'étaient pas meulées par la suite. L'erreur de pas publiée pour les racks-trempés par induction non-rectifiés est d'environ ±0,200 mm/m contre ±0,150 mm/m pour un rack souple - le rack trempé est véritablement moins précis.

Quelle doit être la dureté du pignon par rapport à la crémaillère ?

Égal ou plus dur. Étant donné que le pignon subit le plus de cycles, sa classe de dureté et de qualité doit toujours être égale ou supérieure à celle de la crémaillère. Le pignon effectue de nombreux tours par mètre de course de crémaillère, ce qui lui permet d'accumuler des cycles de contact beaucoup plus rapidement.

Une profondeur de boîtier plus profonde signifie-t-elle toujours une durée de vie plus longue ?

Non, et les données FZG sont explicites : à 0,35 × module, la résistance à la flexion de la racine chute à 80 % de la valeur à 0,15–0,25 × module. Trop de-spécifier la profondeur du boîtier coûte de l'argent et réduit la solidité.

Tianjin OuNaiDa Transmissions Technology exploite des équipements de trempe et de meulage des dents en interne-et fournit des crémaillères en S45C, 42CrMo4 et en qualités de cémentation-. Indiquez-nous la charge, les caractéristiques de choc et l'objectif de précision, et nous vous recommanderons le traitement plutôt que de simplement citer la dureté que vous avez demandée.

Racks trempés par induction, modules M5 à M8