عمليات حرارتي بهينه براي كاهش صداي گيربكس

يكي از عيب‌هاي گيربكس، صدا دادن و زوزه كشيدن آن در حين كار كردن است. از دلايل مهم اين پديده لقي1 چرخ‌دنده‌هاي گيربكس در محل اتصال با يكديگر است. عوامل زيادي مي‌تواند باعث ايجاد لقي شود. از مهم‌ترين عوامل ايجاد لقي در چرخ‌دنده‌هاي گيربكس، اعوجاج2 و تغيير شكل اين چرخ‌دنده‌ها پس از انجام عمليات حرارتي آنهاست. اگر از اين منظر بخواهيم به رفع عيب صداي چرخ‌دنده‌هاي گيربكس بپردازيم، يعني تغيير شكل چرخ‌دنده‌ها را پس از عمليات حرارتي حذف كرده يا به حداقل
عمليات حرارتي بهينه براي كاهش صداي گيربكس
عمليات حرارتي بهينه براي كاهش صداي گيربكس
عمليات حرارتي بهينه براي كاهش صداي گيربكس





يكي از عيب‌هاي گيربكس، صدا دادن و زوزه كشيدن آن در حين كار كردن است. از دلايل مهم اين پديده لقي1 چرخ‌دنده‌هاي گيربكس در محل اتصال با يكديگر است. عوامل زيادي مي‌تواند باعث ايجاد لقي شود. از مهم‌ترين عوامل ايجاد لقي در چرخ‌دنده‌هاي گيربكس، اعوجاج2 و تغيير شكل اين چرخ‌دنده‌ها پس از انجام عمليات حرارتي آنهاست. اگر از اين منظر بخواهيم به رفع عيب صداي چرخ‌دنده‌هاي گيربكس بپردازيم، يعني تغيير شكل چرخ‌دنده‌ها را پس از عمليات حرارتي حذف كرده يا به حداقل برسانيم، بايد علاوه‌بر انتخاب نوع فولاد بهينه، عمليات حرارتي سطحي بهينه‌اي را نيز براي چرخ‌دنده‌هاي گيربكس انتخاب كنيم. از فرايندهاي عمليات حرارتي سطحي نفوذي، چهار فرايند كربن‌دهي3، نيتروژن‌دهي4، كربن نيتروژن‌دهي5 و نيتروژن كربن‌دهي6 در مورد فولادها متداول‌ترند كه انتخاب عمليات حرارتي بهينه از بين اين چهار عمليات حرارتي سطحي، انجام مي‌شود.
فولادهاي مناسب براي انواع عمليات حرارتي متداول
براي هر كدام از چهار عمليات حرارتي سطحي متداول در فولادها (كربن‌دهي، نيتروژن‌دهي، كربن- نيتروژن‌دهي و نيتروژن- كربن‌دهي)، يك‌سري از فولادها مناسب بوده و توسط عمليات حرارتي مورد نظر، خواص بهينه‌اي به دست مي‌آورند. در زير، فولادهاي مناسب براي هر عمليات سطحي با ذكر دليل معرفي شده است.
الف- فولادهاي مناسب براي كربن‌دهي
فولادهاي ساده كربني كه براي سخت كردن سطحي به روش كربن‌دهي انتخاب مي‌شوند، معمولاً كمتر از 2/0 درصد كربن دارند. اين ميزان كربن موجب مي‌شود كه فولاد پس از سخت شدن، حداكثر استحكام به ضربه و بيشترين انعطاف‌پذيري را داشته باشد. تحت شرايطي كه استحكام بيشتري نياز باشد، فولاد با درصد كربن اوليه تا حداكثر 3/0 درصد را نيز مي‌توان انتخاب كرد.
منگنز باعث پايداري سمنتيت شده و تا حدود 4/1 درصد، به كربن‌دهي كمك مي‌كند. همچنين، كاربرد منگنز، ضخامت لايه سخت شده را افزايش مي‌دهد. بنابراين، ضمن سرد كردن سريع، امكان ترك برداشتن قطعه بيشتر مي‌شود كه اين امر بايد در نظر گرفته شود.
سيليسيم، عنصري گرافيت‌زاست و باعث تجزيه سمنتيت مي‌شود. لذا وجود آن در فولاد، كربن‌دهي را به تعويق مي‌اندازد. بنابراين در فولادهايي كه قرار است تحت عمليات كربن‌دهي قرار گيرند، مقدار سيليسيم كمتر از 35/0 درصد انتخاب مي‌شود.
كروم، باعث پايداري سمنتيت و افزايش سختي و مقاومت به سايش پوسته سخت شده مي‌شود. همچنين، حضور اين عنصر منجر به افزايش استحكام مغز قطعه (تا حدودي) مي‌شود، اما انعطاف‌پذيري آن را به ميزان اندكي كاهش مي‌دهد. با اين وجود، از آنجا كه كروم مقاومت به ضربه را كاهش مي‌دهد، مقدار آن در فولادهايي كه قرار است تحت عمليات سطحي كربن‌دهي قرار گيرد از 5/1 درصد نبايد بيشتر شود.
نيكل، باعث پيشگيري از رشد دانه‌ها به هنگام كربن‌دهي شده و با كاربرد آن معمولاً نيازي به عمليات نرماله كردن قطعه براي ريز كردن دانه‌ها نيست. لذا وجود آن در فولاد كربن‌دهي شده، مفيد است.
به‌طور كلي از مباحث فوق نتيجه مي‌شود كه فولادهاي ساده كربني كه براي كربن‌دهي انتخاب مي‌شوند، تا 4/1 درصد منگنز، تا 3/0 درصد كربن و كمتر از 35/0 درصد سيليسيم دارند. فولادهاي آلياژي مناسب براي كربن‌دهي علاوه‌بر عناصر فوق، مي‌توانند داراي 5/4 درصد نيكل، 5/1 درصد كروم و 3/0 درصد موليبدن باشند. نقش عناصر آلياژي ياد شده، افزايش استحكام بدون كاهش انعطاف‌پذيري و مقاومت قطعه به ضربه (تافنس) است.
ب - فولادهاي مناسب براي نيتروژن‌دهي
به‌طور كلي، فولادهاي زير را مي‌توان براي كاربردهاي خاص تحت عمليات حرارتي نيتروژن‌دهي قرار داد:
1. فولادهاي كم آلياژ آلومينيم‌دار
2. فولادهاي كم‌آلياژ كروم‌دار با كربن متوسط (بيش از 25/0 درصد كربن) از گروه‌هاي 4100، 4300، 5100، 6100، 8600، 8700، 9300 و 9800 (دو رقم سمت راست اين گروه‌ها كه بيانگر صدم درصد كربن است، بايد بيشتر از 25 باشد)
3. فولادهاي قالب گرم كار حاوي 5 درصد كروم نظير11 H13، H 12، H.
4. فولادهاي زنگ نزن فريتي و مارتنزيتي از گروه 400.
5. فولادهاي زنگ نزن آستنيتي از گروه 300.
6. فولادهاي زنگ نزن سخت‌شونده رسوبي نظير
PHا4 - 17، PHا7 - 17 و 286 - A.
فولادهاي ساده كربني براي نيتروژن‌دهي مناسب نيستند. اين امر تشكيل يك لايه سطحي بسيار ترد است كه به سادگي از سطح جدا مي‌شود. به علاوه، افزايش سختي در ناحيه نفوذ نيتروژن در اين نوع فولادها كم است.
پ- فولادهاي مناسب براي كربن- نيتروژن‌دهي
سختي‌پذيري كه معياري براي سهولت تشكيل مارتنزيت و تشكيل آن در آهنگ‌هاي سرد شدن كمتر است، به هر اندازه كه بيشتر شود، مفيد خواهد بود. براي تشكيل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، نياز به آهنگ سرد شدن كمتري وجود دارد. لايه كربن- نيتروژن داده شده، داراي سختي‌پذيري بيشتري در مقايسه با لايه كربن داده شده به تنهايي است. بنابراين، فولادهاي كربن- نيتروژن داده شده را مي‌توان با سرد كردن در روغن و يا حتي توسط گاز (در برخي موارد) و در نتيجه، كاهش احتمال اعوجاج و تاب برداشتن قطعه، به حداكثر سختي مورد نظر رساند. از سويي ديگر، در اين فرايند با هزينه كمتر به ضخامت پوسته سخت شده مورد نظر خواهيم رسيد.
فولادهايي كه معمولاً كربن- نيتروژن‌دهي مي‌شوند، عبارتند از:
گروه‌هاي 1000، 1100، 1200، 1300، 1500، 4000، 4100، 4600، 5100، 6100، 8600 و 8700 با درصد كربني حداكثر برابر با 25/0 درصد.
تحت شرايطي كه در آنها، به مجموعه‌اي از خواص نظير سخت شدن سرتاسري با تافنس قابل قبول و سطحي سخت با مقاومت به سايش زياد، نظير شافت‌ها و دنده‌ها نياز باشد، مي‌توان سطح بسياري از فولادهاي گروه‌هاي ياد شده را با درصد كربني بين 3/0 تا 5/0 درصد، تا عمق 3/0 ميلي‌متر تحت عمليات كربن- نيتروژن‌دهي قرار داده و سخت كرد. براي دستيابي به پوسته‌اي نازك با سختي و مقاومت به سايش بيشتر در مقايسه با شرايط سخت كردن حجمي مرسوم، اغلب فولادهاي كربني آلياژي با كربن متوسط را در اتمسفر كربن- نيتروژن‌دار حرارت داده و سپس سريع سرد مي‌كنند. در مورد فولادهايي نظير: 4140، 5140، 8640 و 4340 كه براي كاربردهايي مانند چرخ‌دنده‌هاي سنگين مورد استفاده قرار مي‌گيرند مي‌توان عمليات حرارتي مشابهي انجام داد. دماي عمليات حرارتي براي اين منظور حدود 845 درجه سانتي‌گراد (دماي آستنيته كردن) است.
ت- فولادهاي مناسب براي نيتروژن- كربن‌دهي
به‌طور كلي از عمليات حرارتي نيتروژن كربن‌دهي، در مواردي استفاده مي‌شود كه نياز به افزايش مقاومت در برابر سايش و خستگي و يا هر دو باشد. مثال‌هايي در اين زمينه عبارتند از: چرخ‌دنده‌هاي ماشين‌آلات نساجي، ميل‌لنگ‌ها، انواع شافت‌ها، محورها و قطعات مشابه. بيشترين افزايش مقاومت در برابر خستگي و خراشيدگي در اثر اين فرايند، در مورد فولادهاي ساده كم كربن گزارش شده است.
مشخص شده است كه براي بهره‌گيري از حضور لايه سفيد رنگ (حاوي فاز كاربونيتريد اپسيلن به علاوه نيتريدها و اكسيدهاي ديگر) براي افزايش مقاومت در برابر خراشيدگي، تنش‌هاي تماسي نبايد آن‌قدر زياد باشد كه از استحكام تسليم فلز در زير لايه نيتريد بيشتر شود. تحت شرايطي كه تنش‌هاي تماسي بسيار زياد باشند، اگر از روي سختكاري سطحي نيتروژن- كربن‌دهي استفاده شود، استحكام فلز زير لايه بايد افزايش داده شود. براي اين كار افزايش ضخامت پوسته سخت شده در اين روش الزامي است. در غير اين صورت، استفاده از روش سخت كردن سطحي كربن- نيتروژن‌دهي توصيه مي‌شود.
عمليات حرارتي بهينه براي فولاد 27CD4
براي ساخت دنده‌هاي گيربكس خودرو مي‌توان از فولاد 27CD4 استفاده كرد. درصد كربن فولاد 27CD4 به‌طور ميانگين 27/0 درصد است. در بررسي قطعات گيربكس، ملاحظه مي‌شود كه عمق پوسته سخت شده در دنده‌هاي گيربكس و شافت ورودي و خروجي (در صورتي كه در ساخت همه آنها از فولاد 27CD4 استفاده شده است) برابر با 35/0 ميلي‌متر است. از آنجا كه لايه كربن- نيتروژن داده شده، داراي سختي‌پذيري بيشتري در مقايسه با لايه صرفاً كربن داده شده است، براي تشكيل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، به آهنگ سرد شدن كمتري نياز خواهد بود. بنابراين، اگر در عمليات حرارتي سطحي، كربن و نيتروژن را با هم به سطح قطعه نفوذ دهيم، بهتر است. علاوه‌بر مزيت ذكر شده، سطوح كربن- نيتروژن داده شده، داراي مزاياي زير هستند:
1. مقاومت سطوح كربن- نيتروژن داده شده در برابر نرم شدن به هنگام بازپخت، به مراتب بيشتر از سطوح كربن داده شده تنهاست.
2. سطوح كربن- نيتروژن داده، استحكام ضربه‌اي (تافنس) و مقاومت خستگي بهتري در سختي يكسان دارند. (در مقايسه با سطوح كربن داده شده)
3. مقاومت به پوسته شدن در سطوح كربن- نيتروژن داده شده نسبت به سطوح كربن داده شده بيشتر است.
4. سطوح كربن- نيتروژن داده شده مقاومت به سايش بيشتري دارند.
5. الگوي تنش پسماند در سطوح كربن- نيتروژن داده شده به علت كاهش نرخ سرد كردن سريع آنها از سطوح كربن داده شده بهتر است.
در نتيجه، احتمال ايجاد اعوجاج در قطعه به حداقل ممكن مي‌رسد كه نتيجه آن حذف يا به حداقل رسيدن لقي در چرخ‌دنده‌هاي گيربكس به علت وجود تمامي مزاياي گفته شده است.
عمليات حرارتي كربن- نيتروژن‌دهي يا نيتروژن- كربن‌دهي، بر عمليات كربن‌دهي در مورد فولاد 27CD4، ارجحيت دارد. عمليات نيتروژن‌دهي در مورد اين فولاد توصيه نمي‌شود. زيرا اولاً با توجه به درصد كربن نسبتاً كم اين فولاد نيتروژن‌دهي ممكن است سختي لازم براي سطح را تأمين نكند و ثانياً خطر ترك خوردن و يا پوسته شدن لايه نيتريد وجود دارد. حال بايد ديد كه از دو فرايند كربن- نيتروژن‌دهي و نيتروژن كربن‌دهي، كدام يك مناسب‌تر است. تحت شرايطي كه تنش‌هاي تماسي بسيار زياد باشد، مانند چرخ‌دنده‌هاي گيربكس، استحكام فلز در زير لايه سخت شده بايد افزايش داده شود. براي تأمين اين منظور اگر از عمليات حرارتي نيتروژن- كربن‌دهي استفاده كنيم بايد ضخامت لايه سفيد حاوي نيتريدها افزايش داده شود كه اين امر هزينه و وقت زيادتري لازم دارد. بنابراين بهتر است كه روش كربن- نيتروژن‌دهي را براي سخت كردن سطح اين فولاد انتخاب كنيم. محيط خنك‌كننده هم مي‌تواند روغن داغ انتخاب شود.
روش‌هايي مناسب براي به حداقل رساندن اعوجاج قطعه
1. گرم و يا سرد كردن قطعات به طور يكنواخت
2. استفاده از روش صحيح براي فرو بردن قطعات در محيط سردكننده
3. عدم انتخاب دماي بسيار بالا براي آستنيته كردن
4. آرام سرد كردن قطعه در زير نقطه MS (دماي آغاز تشكيل مارتنزيت)
5. كاربرد عمليات حرارتي مارتمپرينگ در صورت امكان
6. تميز كردن سطح قطعات قبل از كوئنچ كردن
7. طراحي قطعات مورد عمليات حرارتي حتي‌الامكان به صورت قرينه
8 . استفاده از روش كوئنچ تحت فشار
9. تثبيت ابعاد قطعه با ضربه مكانيكي
از بين 9 روش مورد اشاره، توضيح دو مورد آخر ضروري به‌نظر مي‌رسد.
الف- تثبيت ابعاد با ضربه مكانيكي
براي تأمين ثبات اندازه‌ها مي‌توان بعد از عمليات حرارتي ضربه مكانيكي را به‌كار برد. اين عمل به منظور به وجود آوردن تغيير شكل جزئي ماندگار، انجام مي‌گيرد. در نتيجه با تكرار تغيير شكل الاستيكي، تنش‌هاي باقيمانده برطرف مي‌شوند. در شكل (1) تغيير طول فولاد W1 سخت شده به اضافه برگشت ديده، تحت شرايط ساچمه‌زني و بدون ساچمه‌زني، مشاهده مي‌شود.
عمليات حرارتي بهينه براي كاهش صداي گيربكس
شكل 1: تأثير ضربه بر تثبيت ابعاد فولاد W1
ب- كوئنچ تحت فشار
براي به حداقل رساندن اعوجاج به هنگام عمليات كوئنچ قطعات حساس نظير چرخ‌دنده‌ها، به جاي كوئنچ معمولي تحت فشار پتك به اندازه 10-7اT در روغن به‌كار برده مي‌شود. در اين روش، تغيير ابعاد اتفاق مي‌افتد اما پيچيدگي، در حدي بسيار پايين است.

پى‏نوشتها

1. Looseness
2. Distortion
3. Carburizing
4. Nitriding
5. Carbonitriding
6. Nitrocarburizing

منابع:
1. AGMA STANDARD: "Sound Manual Section II", "Sources, Specifications and Levels of Gear Sound".
2. Steel and its Heat Treatment Bofors Handbook, Butterworth thinning, K.E. 1981.
3. Case Hardening of Steel, ASM, 1987. Boyer.
4. عمليات حرارتي و مهندسي سطح.م. گلعذار 1377.
5. عيوب عمليات حرارتي و پيشگيري و اصلاح آنها، محمدحسن جولازاده 1371.
6-http://ultra-science.blogfa.com



نسخه چاپی