Tuổi thọ phục vụ của một bánh răng được quyết định rất lâu trước khi răng đầu tiên được cắt. Nó được quyết định vào ngày mác vật liệu được chọn và hướng nhiệt luyện được định. Hai bánh răng cùng hình học, độ chính xác và độ nhám bề mặt có thể chênh lệch nhau mười lần tuổi thọ phục vụ, chỉ vì một cái được làm từ đúng thép và được tôi bề mặt đúng cách, còn cái kia thì không. Đối với các kỹ sư thiết kế và mua sắm, lựa chọn vật liệu và công đoạn xử lý là quyết định có tác động lớn nhất trong một chương trình bánh răng: nó đặt ra giới hạn mỏi tiếp xúc, độ bền uốn chân răng, tốc độ mài mòn, hành vi tiếng ồn, và cuối cùng là liệu bánh răng có đạt được tuổi thọ định mức hay hỏng hóc ngay trong năm đầu tiên. Cẩm nang này giải thích các vật liệu bánh răng đang dùng, các hướng nhiệt luyện, và cách cân bằng giữa một mặt răng cứng, chống mài mòn với một lõi dẻo, chịu sốc.
Lỗi phổ biến nhất là coi "độ cứng" như mục tiêu duy nhất. Một bánh răng quá cứng xuyên suốt đoạn cắt sẽ trở nên giòn và gãy dưới tải va đập; một bánh răng vẫn mềm sẽ mòn nhanh và rỗ tại vòng chia. Mục tiêu thực sự là một gradient có kiểm soát: một bề mặt cứng, nhẵn, chịu nén, chống rỗ và mài mòn, được nâng đỡ bởi một lõi dẻo, dai, hấp thụ uốn và va đập mà không nứt. Gần như mọi nhiệt luyện bánh răng đều tồn tại để tạo ra chính gradient này, và mác vật liệu quyết định gradient đó có thể dốc và tin cậy đến đâu.
Thép các-bon và thép hợp kim thấp là lực sĩ của các bánh răng đặt làm riêng. Thép các-bon thường 45# (tương đương khoảng AISI 1045) là lựa chọn mặc định tiết kiệm cho tải nhẹ và trung bình, hộp giảm tốc tốc độ thấp và máy móc thông thường; nó thường được thường hóa hoặc tôi và ram đến 220–280 HB, và có thể được tôi cao tần trên mặt sườn răng để chống mài mòn thêm nơi ứng suất tiếp xúc ở mức vừa phải. Đối với tải cao hơn, 40Cr (tương tự AISI 5140) và đặc biệt 42CrMo (tương tự AISI 4140) cho độ tôi được và độ mạnh lõi tốt hơn rõ rệt, điều quan trọng một khi đoạn cắt bánh răng vượt khoảng 50 mm; các thép hợp kim trung bình này thường được tôi cao tần hoặc tôi và ram đến 280–340 HB cho độ bền uốn vững chắc mà không tốn chi phí của thấm cacbon xuyên suốt.
Khi tải nặng, tốc độ cao, hoặc dự kiến có va đập và tải đảo chiều, các nhà thiết kế chuyển sang thép thấm cacbon. 20CrMnTi là thép thấm cacbon tiêu chuẩn cho bánh răng ở Trung Quốc và là mác phổ biến nhất chúng tôi gia công cho hộp giảm tốc, hộp giảm tốc tốc độ thấp và bộ truyền ô tô; 20CrMo và 20CrMnMo là các lựa chọn thay thế gần gũi với độ tôi được cao hơn cho các đoạn cắt lớn hơn. Các thép này bắt đầu với hàm lượng các-bon thấp, do đó lõi tự nhiên vẫn dẻo. Sau khi gia công, răng được thấm cacbon để tăng các-bon chỉ trong một lớp bề mặt mỏng, sau đó tôi và ram, tạo ra mặt răng đạt 58–62 HRC trên một lõi dẻo khoảng 30–45 HRC. Tổ hợp đó — lớp da cứng, lõi dai — chính là thứ cho một bánh răng thấm cacbon khả năng mỏi tiếp xúc và mỏi uốn cao, và đó là lựa chọn mặc định cho bất kỳ bánh răng nào dự kiến chạy hàng chục nghìn giờ.
Ngoài thép hợp kim, các vật liệu khác bước vào khi một điều kiện cụ thể đòi hỏi chúng. Thép không gỉ như 304 và 316 được chọn cho môi trường ăn mòn, thực phẩm, y tế hoặc rửa vệ sinh, nhưng chúng không thể được tôi toàn phần đến độ cứng cấp bánh răng và giới hạn ở chế độ tải nhẹ; nơi cần độ mạnh của thép không gỉ, 17-4PH (630) lắng đọng pha đạt khoảng 300–380 HB và là một sự thỏa hiệp thực tế. Gang xám và gang dẻo (ví dụ GG25 và QT600) được trân trọng vì khả năng gia công tuyệt vời, giảm chấn rung và tiếng ồn thấp, đó là lý do chúng xuất hiện trong bơm, hộp giảm tốc nhẹ và các bộ truyền nhạy tiếng ồn, nhưng độ mạnh thấp hơn giới hạn chúng ở các ứng suất tiếp xúc và uốn vừa phải. Các bánh răng kim loại bột thiêu kết có hình học gần thành phẩm, đồng nhất trong sản xuất hàng loạt, và thậm chí có thể được làm tự bôi trơn qua độ xốp kiểm soát được, nhưng độ mạnh hiệu dụng thấp hơn đặt chúng vào các ứng dụng mô-men xoắn thấp, sản lượng cao như thiết bị văn phòng và động cơ nhỏ.
Hướng nhiệt luyện được chọn cùng với mác thép. Thấm cacbon và tôi là hướng cao cấp cho các thép loại 20CrMnTi: nó cho lớp mặt sâu nhất, chống mỏi tốt nhất và ứng suất dư nén bề mặt tốt nhất, với cái giá là một số biến dạng phải được loại bỏ bằng mài hoàn thiện. Tôi cao tần phù hợp với các bánh răng thép các-bon trung bình 40Cr và 45#: mặt răng được nung và tôi có chọn lọc, chu trình nhanh, biến dạng thấp hơn thấm cacbon, và nó kinh tế cho các bánh răng lớn, đơn lẻ hoặc lô nhỏ nơi thấm cacbon xuyên suốt sẽ tốn kém. Thấm nitơ là công đoạn hoàn thiện ít biến dạng: chi tiết được ram và bề mặt được làm giàu nitơ ở nhiệt độ thấp, đạt 650 HV trở lên với hầu như không có biến dạng tôi, điều này lý tưởng cho các bánh răng chính xác không chừa được lượng mài; tuy nhiên lớp mặt mỏng, do đó nó phù hợp với ứng dụng mài mòn cao, va đập thấp hơn là sốc nặng. Tôi và ram ("điều chế" trong tiếng Trung) cho độ cứng xuyên suốt đồng đều 220–320 HB cho độ bền uốn cân bằng, có thể dự đoán, và thường hóa ("chính hỏa") tinh chỉnh vi cấu trúc làm nền cho các bánh răng ít ứng suất sẽ không được tôi bề mặt.
Độ sâu lớp mặt hiệu dụng (CHD) là quyết định tiếp theo và là nơi nhiều bánh răng bị đặc tả thiếu. Lớp mặt phải đủ sâu để nâng đỡ ứng suất tiếp xúc Hertz và ứng suất uốn tại chân răng, nhưng đủ nông để vẫn dẻo và không đòi hỏi mài tốn kém. Một lớp mặt nông mòn xuyên qua nhanh rồi sau đó rỗ; một lớp mặt quá sâu, giòn có thể bong tróc hoặc nứt dưới va đập. Theo quy tắc kinh nghiệm, các bánh răng thấm cacbon tải trung bình chạy với độ sâu lớp mặt hiệu dụng khoảng 0,6–1,2 mm (đo đến 550 HV trên gradient độ cứng), với các mô-đun lớn hơn và tải nặng hơn đòi hỏi lớp mặt sâu hơn. Lớp mặt phải được đặc tả cùng với công đoạn hoàn thiện: nếu bánh răng sẽ được mài sau nhiệt luyện, lớp mặt ở trạng thái xử lý phải sâu hơn CHD thành phẩm để còn lại vật liệu cứng sau khi mài.
Mối liên hệ giữa vật liệu, công đoạn xử lý và tuổi thọ bánh răng là trực tiếp. Rỗ do mỏi tiếp xúc, kiểu hỏng hóc phổ biến nhất, bắt đầu từ bề mặt, do đó nó chủ yếu bị chi phối bởi độ cứng bề mặt, độ sạch vật liệu (hàm lượng tạp chất) và ứng suất dư nén — đó là lý do vì sao một 20CrMnTi thấm cacbon tốt, tinh hạt vượt trội hơn một thép tôi toàn phần rẻ tiền về khả năng chống rỗ một cách rộng rãi. Các đứt gãy uốn chân răng bắt đầu tại góc lượn, do đó chúng phụ thuộc vào độ dẻo lõi, độ cứng chân răng và bề mặt góc lượn nhẵn; đây chính là nơi một bánh răng quá cứng, giòn làm bạn thất vọng. Mài mòn dính và gờ ráp được kiểm soát bởi độ cứng bề mặt và màng dầu bôi trơn, trong khi mài mòn mài giảm mạnh một khi bề mặt vượt khoảng 55 HRC. Do đó, lựa chọn mác và hướng xử lý nghĩa là lập bản đồ kiểu hỏng hóc kỳ vọng trước: nếu rủi ro là rỗ, hãy tối ưu độ cứng bề mặt và độ sâu lớp mặt; nếu rủi ro là gãy răng dưới va đập, hãy bảo vệ lõi và góc lượn chân răng.
Đối với yêu cầu báo giá và mua hàng, một bánh răng đã nhiệt luyện không bao giờ được đặt hàng chỉ bằng tên vật liệu. Yêu cầu báo giá nên nêu rõ mác thép, khoảng độ cứng bề mặt và độ cứng lõi, độ sâu lớp mặt hiệu dụng, việc có chừa lượng mài sau xử lý hay không, và các hồ sơ kiểm tra mà người mua kỳ vọng: một khảo sát độ cứng dọc theo hình dáng răng và chân răng, một cắt ngang lớp thấm đã khắc ăn mòn, và giấy chứng nhận nhà máy hoặc nhiệt luyện. Những khoảng trống ở đây thường là nguồn gốc của vấn đề "hai bánh răng nhìn như nhau nhưng vận hành khác nhau", bởi vì độ cứng và độ sâu lớp mặt biến đổi cả trong một chi tiết lẫn giữa các chi tiết.
Một bánh răng tôi bề mặt nên đạt độ cứng bề mặt nào? Đối với các bánh răng ô tô và hộp giảm tốc thấm cacbon, 58–62 HRC trên mặt sườn răng là mục tiêu làm việc bình thường; các bánh răng thép các-bon trung bình tôi cao tần thường đạt 50–55 HRC, và các bánh răng thấm nitơ được báo giá khoảng 650–900 HV thay vì HRC.
Lớp mặt hiệu dụng nên sâu đến mức nào? Các bánh răng thấm cacbon tải trung bình thường dùng 0,6–1,2 mm đến giới hạn 550 HV, tỷ lệ thuận với mô-đun và tải. Lớp mặt càng sâu, lõi càng bị pha loãng về độ dẻo, do đó sâu hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn.
Khi nào thấm cacbon tốt hơn tôi cao tần? Thấm cacbon thắng ở các bánh răng nặng, tốc độ cao, chịu va đập, cần một lớp mặt sâu, chống mỏi và một lõi dẻo; tôi cao tần thắng ở các bánh răng thép các-bon tải trung bình hoặc 40Cr nơi tốc độ, biến dạng thấp và chi phí quan trọng hơn khả năng tiếp xúc tối đa.
Các bánh răng cứng hơn có luôn bền lâu hơn không? Không. Độ cứng bề mặt chống mài mòn và rỗ, nhưng nếu toàn bộ chi tiết quá cứng và giòn thì răng sẽ gãy. Bánh răng bền là bánh răng có gradient độ cứng bề mặt phù hợp với độ dẻo lõi, chứ không phải con số cứng nhất trên bản vẽ.
Tại nhà máy ở Lũng Thành, chúng tôi gia công và nhiệt luyện các bánh răng đặt làm riêng từ 20CrMnTi, 42CrMo, 40Cr, 45# và các mác thép không gỉ, và chúng tôi cung cấp giấy chứng nhận độ cứng, độ sâu lớp mặt và vật liệu cho mỗi đơn hàng. Hãy gửi cho chúng tôi bản vẽ, tải, tốc độ và tuổi thọ kỳ vọng, chúng tôi sẽ đề xuất mác vật liệu, hướng nhiệt luyện và độ sâu lớp mặt cân bằng giữa chống mài mòn với độ dẻo chịu va đập cho ứng dụng của bạn — trước khi bánh răng được cắt, chứ không phải sau khi nó hỏng trong phục vụ.