Cerintele impuse otelurilor pentru roti dintate

Cerintele impuse otelurilor pentru roti dintate

Principalele caracteristici mecanice ale otelurilor destinate executiei rotilor dintate sunt: rezistenta la oboseala prin contact pulsatoriu (s_os), rezistenta la oboseala prin incovoiere pulsatorie (s_oi) sau alternanta (s ) si rezilienta (KCU) sau energia de rupere (KV). Prima dintre aceste caracteristici se refera la flancul dintelui, iar celelalte doua la miezul dintelui si mai exact la sectiunea de la baza acestuia. Din acest motiv la rotile durificate in stratul de suprafata trebuie luate in considerare atat rezistenta la presiunea de contact a stratului, cat si proprietatile miezului, acestea din urma fiind in functie de starea structurala si de tensiuni interne a racordarii de la baza dintelui.

In majoritatea cazurilor, valorile caracteristicilor de oboseala se aproximeaza in functie de caracteristicile mecanice obtinute prin tractiune statica. Astfel, la otelurile imbunatatite care au o duritate de pana la 35HRC si o rezistenta la rupere R_m 1.000N/mm² s-a constatat existenta unei dependente liniare intre rezistenta la oboseala prin incovoiere si duritate: s HRC, N/mm².

Tinand seama de faptul ca la otelurile nealiate hipoeutectoide R_m HB, iar la cele aliate hipoeutecoide, R_m HB, au fost stabilite urmatoarele corelatii:

la otelurile carbon, s R_m, N/mm²;

la otelurile aliate, s R_m+50, N/mm².

Rezistenta la oboseala prin incovoiere pulsatorie poate fi aproximata cu relatia: s_oi s

Pentru otelurile semidure tratate termic prin imbunatatire (sub 40HRC) rezistenta admisibila la oboseala prin contact se determina cu relatia:

s_osa HB, N/mm²

unde HB este duritatea Brinell in daN/mm².

Pentru conditii mai severe de solicitare, se recurge la durificarea rotilor dintate fie prin caliri de suprafata, fie prin tratamente termochimice.

In asemenea cazuri, relatiile de aproximare a rezistentei admisibile la oboseala de contact sunt:

durificarea prin calirea stratului de suprafata (peste 40HRC):

s_osa HRC, N/mm²;

durificarea prin carburare urmata de calire si revenire joasa a otelurilor nealiate sau slab aliate avand HRCmiez<40:

s_osa HRC, N/mm²;

durificarea prin carburare - calire - revenire joasa a otelurilor complex aliate avand HRCmiez>40:

s_osa HRC, N/mm²;

durificarea prin nitrurare, cianizare si carbonitrurare:

s_osa HRC, N/mm².

Din aceste relatii se desprinde observatia ca rezistenta la oboseala prin presiune de contact a rotilor dintate carburate - calite - revenite jos se mareste o data cu cresterea rezistentei miezului, aceasta putandu-se realiza pe urmatoarele doua cai: ridicarea continutului in carbon al miezului si concomitent, alierea sa complexa. Astfel se explica tendinta de marire a continutului maxim in carbon al otelurilor pentru carburare la circa 0,30 si alierea cu mai multe elemente (in special formatoare de carburi) chiar daca acestea se afla in proportii mai mici. Aceasta tendinta ofera si avantaje de productivitate deoarece sunt necesare straturi mai subtiri si deci carburarea este mai scurta si poate fi combinata cu calirea directa.

Folosirea otelurilor pentru carburare cu continut in carbon apropiat de 0,30 nu poate fi generalizata, deoarece la rotile dintate supuse unor solicitari cu socuri deosebit de mari nu se pot asigura valorile impuse pentru rezilienta si energie de rupere. De aceea, in aceste cazuri se folosesc oteluri cu pana la 0,20 C, aliate in mod obligatoriu si cu nichel.

Tratamentele de suprafata favorizeaza in plus cresterea rezistentei la incovoiere statica si ciclica. Experimental, au fost stabilite urmatoarele relatii de aproximare a limitei de oboseala prin incovoiere alternanta:

la otelurile nealiate semidure, tratate termic prin imbunatatire urmata de calire de suprafata si revenire joasa,

s R_m, N/mm²;

la otelurile aliate semidure, tratate termic prin imbunatatire urmata de calire de suprafata si revenire joasa, precum si la otelurile fara nichel tratate prin carburare - calire - revenire joasa,

s R_m+50, N/mm²;

la otelurile aliate cu nichel, carburate - calite si revenite jos,

s R_m+50, N/mm².

Alaturi de caracteristicile mecanice, otelurile pentru roti dintate trebuie sa mai raspunda urmatoarelor cerinte: puritatea, ereditatea granulara, calibilitatea si prelucrabilitatea prin aschiere.

Puritatea, exprimata prin punctajul admisibil de incluziuni nemetalice, influenteaza indeosebi rezistenta la uzare, rezistenta la oboseala si tenacitatea (KCU, KV). Efectul negativ al incluziunilor nemetalice este mai accentuat cand ele se situeaza pe suprafetele de lucru in racordarea de la baza dintelui. Chiar si incluziunile situate la o anumita adancime de la suprafata sunt periculoase deoarece ele amorseaza ciupirea subfaciala. Cele mai periculoase sunt incluziunile oxidice dispuse in siruri. La executia rotilor dintate greu sau foarte greu solicitate se impune selectia otelurilor cu punctaj pentru sulfuri maximum 4, punctaj maximum 3 pentru oxizi si silicati, iar suma punctajelor pe acelasi camp microscopic sa fie maximum 4.

Ereditatea granulara prezinta o importanta deosebita deoarece tendinta accentuata de crestere a grauntelui austenitic la carburare impune efectuarea unor tratamente termice ulterioare pentru finisarea granulatiei miezului, evitandu-se scaderea pronuntata a rezilientei sau energiei de rupere. De aceea, utilizarea unor oteluri cu graunte ereditar fin va permite aplicarea calirii directe dupa carburare si deci reducerea costului operatiilor de tratament termic.

De asemenea, o granulatie austenitica grosolana a otelurilor pentru carburare provoaca aparitia unor deformatii mari la calire si cresterea proportiei de austenita reziduala. Se stie insa, ca o granulatie fina micsoreaza adancimea de patrundere a calirii. De aceea, la otelurile pentru carburare, marimea grauntelui austenitic trebuie sa corespunda punctajelor N=6 8 (sau chiar mai fin la otelurile complex aliate cu calibilitate ridicata).

La otelurile pentru imbunatatire se recomanda aceleasi valori ale punctajului de granulatie (N=6 8) cu particularitatea ca in cazul calirii de suprafata este preferabila o granulatie fina si omogena care sa permita obtinerea unor straturi uniforme si duritati corespunzatoare.

Calibilitatea se refera la dinte ca element de baza si joaca un rol determinant atat pentru proprietatile mecanice ale miezului cat si ale stratului.

Pentru ca la rotile dintate imbunatatite sa se obtina o rezistenta maxima la oboseala prin incovoiere in masa dintelui acesta trebuie sa se caleasca la minimum 80-90 martensita in centrul sau considerat la mijlocul coardei g_d (figura 6.9 a). Aceasta conditie se impune si prin necesitatea ca dintele sa lucreze ca un element elastic, fara deformatii remanente. Intrucat dintele are forma apropiata de o prisma, pentru a putea utiliza metodele de calcul ale diametrului critic, care se refera la piese cilindrice, este necesara determinarea diametrului echivalent. Sectiunea dintelui este practic un dreptunghi cu laturile aproximative l m si g = 1,57 m (m - modulul), ceea ce da un raport l/g 1,45, respectiv un factor f=1,26 si deci un diametru echivalent D_ech=f g=1,26 m m. Cu alte cuvinte, suprafata si centrul unui dinte se racesc intr-un mediu dat cu aceleasi viteze cu care se racesc suprafata si centrul unei piese cilindrice avand diametrul egal cu dublul modulului rotii dintate. La selectia otelului va trebui deci sa se asigure realizarea duritatii minime la calire in centrul dintelui (respectiv obtinerea unei structuri cu minimum 90 martensita in acest punct).

Acest calcul este valabil ca atare la rotile dintate care sufera imbunatatire dupa matritarea sau taierea danturii. Daca imbunatatirea se aplica semifabricatului laminat sau forjat va trebui sa se tina seama de grosimea acestuia si se va urmari obtinerea proportiei de minimum 90 martensita in zona in care urmeaza sa fie taiata dantura.

La rotile dintate tratate termic prin imbunatatire si calire de suprafata, indeplinirea conditiei de mai sus asigura automat si obtinerea unei structuri complet martensitice in stratul exterior.

La otelurile supuse tratamentului termochimic de carburare (carbonitrurare) urmata de calire si revenire joasa, se impune determinarea calibilitatii atat pentru miez cat si pentru strat (figura 6.9 b si tabelele 6.2, 6.3).

In privinta miezului, pentru asigurarea rezistentei la incovoiere este necesara realizarea unei proportii de minimum 80-90 martensita in centrul dintelui (80 pentru rotile greu solicitate, 90 pentru cele foarte greu solicitate). Tinand seama de grosimea dintelui si de nivelul rezistentei necesare in miez, otelurile se impart in trei grupe de calibilitate (figura 6.9 b): redusa (oteluri nealiate sau slab aliate cu sub 0,20 C, care asigura o duritate in miez de 15-25HRC), medie (oteluri slab aliate cu 0,20-0,30 C, care asigura o duritate in miez de 25-35HRC) si ridicata (oteluri complex aliate, cu nichel, care asigura o duritate in miez de 35-45HRC; in toate cazurile limita superioara este pentru roti dintate cu modul m 4, iar limita inferioara este pentru roti dintate cu modul m>8). Calculul se face si in acest caz tinand seama de faptul ca dintele se poate echivala cu o piesa cilindrica avand diametrul de doua ori mai mare decat modulul rotii dintate.

Nivelul rezistentei la oboseala de contact si mai ales durabilitatea rotii nu sunt determinate doar de duritatea suprafetei ci si de distributia acesteia in strat, prin a carui grosime se propaga tensiunile hertziene. Ideal ar fi ca duritatea sa fie maxima si constanta in strat insa datorita scaderii continutului in carbon si a distributiei preferentiale a elementelor de aliere in stratul carburat si calit, duritatea scade de la suprafata catre miez (figura 6.9 b).

Prelucrabilitatea prin aschiere reprezinta o proprietate tehnologica foarte importanta a otelurilor pentru roti dintate atat din punctul de vedere al productivitatii cat si al calitatii suprafetei aschiate. In plus, la productia de serie mare si de masa trebuie sa se obtina o durabilitate ridicata a sculelor si abateri uniforme ale dimensiunilor piesei.

Indeplinirea acestor conditii, uneori contradictorii, este posibila prin aplicarea unor tratamente termice care sa asigure o structura optima de prelucrare. In tabelele 6.4 si 6.5 se indica tratamentele termice favorabile prelucrarilor prin strunjire si gaurire, respectiv prin danturare si brosare.