Hướng dẫn lựa chọn vật liệu bánh răng: Thép 45 so với 20CrMnTi so với thép không gỉ (và khi nào nên sử dụng từng loại)

Viết bởi Derek|Tự động hóa Hansheng

Hầu hết các hỏng hóc của thiết bị không bắt nguồn từ sàn sản xuất - mà chúng bắt nguồn từ giai đoạn lựa chọn vật liệu.

Đó là một lỗi phổ biến hơn hầu hết các kỹ sư mong đợi. Một số mặc định sử dụng thép 45 theo thói quen, không phải vì ứng dụng yêu cầu nó. Những người khác chỉ định thép không gỉ "chỉ để an toàn", chỉ để thấy rằng nó hoạt động kém hơn về khả năng chống mài mòn và tăng chi phí lên gấp 3–5 lần mà không mang lại lợi ích thực sự.

Sự thật là không có vật liệu thép bánh răng nào “tốt nhất”. Chỉ có vật liệu phù hợp với yêu cầu tải trọng, tốc độ, môi trường và độ chính xác cụ thể của bạn.

Bài viết này sẽ giải thích ba vật liệu bánh răng được sử dụng rộng rãi-thép 45, 20CrMnTi và thép không gỉ (304/316)-và trình bày chi tiết về ưu điểm và nhược điểm tương ứng của chúng, hy vọng có thể hỗ trợ bạn trong việc lựa chọn vật liệu.

Khi bạn có một nhà cung cấp thiết bị có kinh nghiệm, bạn có thể không cần phải lo lắng quá nhiều về việc lựa chọn vật liệu thiết bị, vì nhà cung cấp có thể xử lý việc đó cho bạn. Tuy nhiên, trên thực tế việc lựa chọn chất liệu rất quan trọng. Nếu không có lời khuyên từ nhà cung cấp có kinh nghiệm, việc đưa ra quyết định nhanh chóng về việc sử dụng vật liệu nào thường dẫn đến những rủi ro tiềm ẩn.

Từ hai tình huống trên, việc chọn sai vật liệu không chỉ mang lại vấn đề về chi phí mà còn các vấn đề liên quan đến xử lý nhiệt, gia công chính xác, thời gian giao hàng, v.v.

Ba vật liệu bao gồm phần lớn các ứng dụng bánh răng công nghiệp là thép 45, 20CrMnTi và thép không gỉ - và mỗi loại đều có làn đường được xác định rõ ràng.

Nếu có vật liệu làm bánh răng mặc định trong sản xuất công nghiệp nói chung thì đó là thép 45. Được quốc tế biết đến nhưAISI 1045 (Mỹ), S45C (Nhật Bản), hoặcC45 (Châu Âu), loại thép cacbon-trung bình này đã là sự lựa chọn-nên trong nhiều thập kỷ.

Tại sao nó hoạt động tốt

Với hàm lượng carbon xấp xỉ 0,45%, thép 45 nằm ở một điểm phù hợp thực tế: đủ cứng để chịu tải trọng vừa phải, đủ cứng để không bị nứt khi va đập và đủ mềm ở trạng thái-được xử lý trước để gia công sạch sẽ và hiệu quả. Sau khi xử lý tôi-và-tôi, độ cứng bề mặt đạt HRC 28–35, mang lại khả năng chống mài mòn thích hợp cho các chu kỳ hoạt động thấp{8}}đến{9}}trung bình.

Chi phí là một yếu tố quan trọng khác. So với thép bánh răng hợp kim, thép 45 có chi phí nguyên liệu thấp nhất, thời gian sản xuất ngắn nhất và tính sẵn có rộng rãi nhất trong chuỗi cung ứng toàn cầu. Đối với những dự án có ngân sách và tốc độ--phân phối đóng vai trò quan trọng thì đó thường là điểm khởi đầu hợp lý duy nhất.

Nó hạn chế

Việc xử lý làm nguội-và-làm nguội gây ra hiện tượng biến dạng nhiệt có thể đo được, điều này hạn chế độ chính xác có thể đạt được ở khoảng ISO cấp 7–8. Quá trình nghiền sau xử lý{4}}nhiệt-có thể phục hồi độ chính xác nhất định nhưng làm tăng thêm chi phí và các bước xử lý bắt đầu làm xói mòn lợi thế kinh tế của vật liệu.

Quan trọng hơn, thép 45 không thể được cacbon hóa để đạt được các bề mặt-được làm cứng mà các ứng dụng có chu kỳ-cao, ứng suất-tiếp xúc{4}}cao yêu cầu. Nếu thiết bị của bạn đang chạy liên tục, truyền mô-men xoắn đáng kể hoặc hoạt động bên trong bộ giảm tốc chính xác thì trần độ cứng bề mặt HRC 28–35 sẽ trở thành một hạn chế thực sự - chứ không phải là hạn chế về mặt lý thuyết.

Tốt nhất cho:Bộ truyền động công nghiệp thông thường, hệ thống băng tải, thiết bị nông nghiệp, bộ truyền tải-tốc độ trung bình{1}}thấp và bất kỳ ứng dụng nào có thể chấp nhận được độ chính xác ISO Cấp 7–8.

Không phù hợp với:Bộ giảm tốc chính xác, bộ truyền động khớp robot, bộ truyền động làm nhiệm vụ-tốc độ cao liên tục{1}} hoặc bất kỳ ứng dụng nào yêu cầu ISO cấp 6 trở lên.

Khi trường hợp ứng dụng của bánh răng vượt quá giới hạn hiệu suất do thép 45 đưa ra, sẽ có một lựa chọn tương đối phù hợp khác là-thép 20CrMnTi. Vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong hộp số ô tô, bộ giảm tốc hành tinh và thiết bị truyền động công nghiệp có độ chính xác cao ở Trung Quốc. Ở cùng mức giá, thép 20CrMnTi thể hiện hiệu suất cao về độ cứng bề mặt, độ bền lõi và độ ổn định kích thước sau khi xử lý nhiệt.

Điều gì làm cho 20CrMnTi trở nên khác biệt

20CrMnTi là loại thép hợp kim cacbon thấp-có hàm lượng cacbon chỉ 0,17–0,23%. Bản thân nó không đủ carbon để đạt được độ cứng bề mặt đáng kể. Lõi carbon thấp vẫn bền và có khả năng chống sốc-ngay cả sau khi xử lý nhiệt - chính quá trình cacbon hóa sẽ biến đổi bề mặt răng.

Sau khi cacbon hóa và làm nguội, độ cứng của vỏ đạt HRC 58–62, trong khi lõi vẫn giữ được độ cứng HB 220–260. Cấu trúc cứng-bên ngoài, bền-bên trong này cho phép bánh răng 20CrMnTi xử lý ứng suất tiếp xúc cao ở bề mặt răng mà không trở nên giòn ở chân răng - nơi thường bắt đầu có hiện tượng gãy do mỏi do uốn.

Hàm lượng titan đóng một vai trò rất dễ bị bỏ qua: nó tinh chỉnh cấu trúc hạt ở nhiệt độ cacbon hóa, trực tiếp hạn chế biến dạng nhiệt trong quá trình xử lý nhiệt. Ít biến dạng hơn có nghĩa là hình dạng bánh răng tồn tại trong quá trình nguyên vẹn hơn và các hoạt động hoàn thiện cứng như mài cứng hoặc mài bánh răng có thể liên tục đưa các bộ phận đạt ISO Cấp 5–6 -, thép cấp 45 đơn giản là không thể đạt được trong cùng một chuỗi quy trình.

Trên bình diện quốc tế, 20CrMnTi tương đương gần nhất vớiSAE 8620 (Hoa Kỳ)Và20MnCr5 (Châu Âu),mặc dù nó không phải là sự thay thế chính xác - cấu hình sức mạnh cốt lõi khác nhau. Nếu bạn đang tìm nguồn cung ứng bánh răng từ một nhà sản xuất Trung Quốc và bản vẽ của bạn chỉ rõ 8620 thì 20CrMnTi có thể được thảo luận như một giải pháp thay thế tương đương.

Chi phí trong bối cảnh

Chi phí vật liệu xấp xỉ 1,5–2× so với thép 45 và toàn bộ chuỗi quy trình - cacbon hóa, làm nguội, tôi luyện và hoàn thiện cứng - sẽ cộng thêm vào tổng chi phí bộ phận. Nhưng hiệu suất của nó sẽ được cải thiện đáng kể.

Tốt nhất cho: Bánh răng giảm tốc hành tinh, bánh răng khớp robot,ổ đĩa máy móc thuốc lá, bánh răng truyền động ô tô và bất kỳ ứng dụng nào yêu cầu độ chính xác ISO cấp 5–6 và tuổi thọ lâu dài dưới tải trọng chu kỳ.

 

Không phù hợp với:Môi trường ăn mòn, thiết bị chế biến thực phẩm hoặc ứng dụng y tế nơi vật liệu tiếp xúc với dòng sản phẩm cần có khả năng chống ăn mòn - 20CrMnTi không có khả năng chống gỉ vốn có.

Hãy giải quyết ngay từ đầu một quan niệm sai lầm phổ biến: bánh răng bằng thép không gỉ không phải là bánh răng tốt hơn. Chúng là những bánh răng phù hợp cho một vấn đề cụ thể - môi trường ăn mòn - và là những bánh răng sai lầm cho hầu hết mọi thứ khác.

304 so với. 316: Hiểu sự khác biệt

Cả hai loại đều là thép không gỉ austenit, có nghĩa là khả năng chống ăn mòn của chúng đến từ việc crom tạo thành lớp oxit thụ động trên bề mặt. Sự khác biệt chính giữa hai loại thuộc về molypden: 316 chứa 2–3% molypden, giúp tăng đáng kể khả năng chống rỗ clorua và ăn mòn kẽ hở Zhygear - loại tấn công xảy ra trong nước mặn, môi trường biển và các dòng xử lý hóa học. 304 xử lý tốt độ ẩm nói chung và tiếp xúc công nghiệp nhẹ. Nếu có clorua trong hình thì 316 là lựa chọn đúng.

Tại sao thép không gỉ kém hiệu quả khi làm vật liệu bánh răng

Đây là điều mà hầu hết các tờ thông số kỹ thuật không cho bạn biết: 304 và 316 là loại austenit, có nghĩa là chúng không thể được làm cứng bằng cách xử lý nhiệt thông thường. Không có lộ trình cacbon hóa, không có chu trình làm nguội-và-tôi luyện có thể làm tăng độ cứng bề mặt của chúng một cách đáng kể. Trong thực tế, các bánh răng bằng thép không gỉ hoạt động ở mức độ cứng thấp hơn nhiều so với mức có thể đạt được bằng thép 20CrMnTi hoặc thậm chí 45 sau khi tôi -, điều này chuyển trực tiếp thành khả năng chống mài mòn thấp hơn, độ nhạy cảm với độ mỏi bề mặt cao hơn và mức trần chính xác thực tế quanh mức ISO 7.

Khả năng gia công phức tạp hơn vấn đề chi phí. Cả hai loại đều có tác dụng-cứng lại nhanh chóng trong quá trình cắt, làm tăng tốc độ mài mòn của dụng cụ và yêu cầu tốc độ tiến dao chậm hơn. Chi phí thành phẩm cao hơn đáng kể so với thép hợp kim đối với hình dạng tương đương - không phải vì bản thân vật liệu đắt hơn đáng kể mà vì quy trình gia công đòi hỏi khắt khe hơn.

Khi thép không gỉ là câu trả lời đúng

Trong thiết bị chế biến thực phẩm, thiết bị y tế, bộ truyền động hàng hải và hệ thống xử lý hóa chất, vấn đề về vật liệu bánh răng không phải là tối ưu hóa hiệu suất - mà là về việc tuân thủ quy định, nguy cơ ô nhiễm và hỏng hóc do ăn mòn-. Trong những bối cảnh đó, thép không gỉ không phải là một lựa chọn trong số nhiều lựa chọn. Đó là lựa chọn khả thi duy nhất.

Sử dụng 304 cho môi trường vệ sinh chung và ăn mòn nhẹ. Chỉ định 316 ở bất kỳ nơi nào việc tiếp xúc với clorua, rửa trôi bằng axit hoặc tiếp xúc với nước mặn là một phần của thực tế vận hành.

Tốt nhất cho:Máy móc chế biến thực phẩm, thiết bị dược phẩm, bộ truyền động môi trường biển, băng tải của nhà máy hóa chất và bất kỳ ứng dụng nào tiếp xúc với dòng sản phẩm hoặc chất tẩy rửa mạnh khiến cho khả năng chống ăn mòn trở thành một yêu cầu không thể{0}}thỏa thuận.

Không phù hợp với:Bộ truyền động-có độ chính xác chu kỳ cao, bộ truyền động rô-bốt, bộ truyền tải-tải cao hoặc bất kỳ ứng dụng nào có khả năng chống mài mòn răng và tuổi thọ mỏi lâu dưới áp lực tiếp xúc là những hạn chế thiết kế chính. Nếu ứng dụng của bạn không liên quan đến mối đe dọa ăn mòn thực sự thì thép không gỉ sẽ đồng thời tăng thêm chi phí và giảm hiệu suất -.

Ba phần trên trình bày lý do đằng sau mỗi tài liệu. Nếu bạn cần tham khảo nhanh - hoặc muốn chia sẻ điều gì đó với nhóm của mình trước khi hoàn thiện thông số kỹ thuật - thì bảng này tóm tắt các yếu tố quyết định quan trọng ở một nơi.

Ba vật liệu trên bao gồm phần lớn các ứng dụng bánh răng công nghiệp. Nhưng có hai loại bổ sung đáng được đề cập ngắn gọn cho các trường hợp nguy hiểm.

42CrMo

Khi tải vượt quá mức 20CrMnTi có thể xử lý, 42CrMo thường là bước nâng cao tiếp theo. Thép hợp kim crom-molypden này mang lại độ bền kéo cao hơn và độ cứng vượt trội, khiến nó trở thành vật liệu được lựa chọn cho các bánh răng mô-đun-lớn trong thiết bị khai thác mỏ, hộp số-nặng và bộ truyền động công nghiệp{6}}mô-men xoắn cao. Đây không phải là bản nâng cấp có mục đích chung-- sức mạnh được bổ sung đi kèm với độ khó gia công cao hơn và chi phí cao hơn - nhưng trong điều kiện tải đòi hỏi khắt khe thực sự thì đó là quyết định đúng đắn.

Nhựa Kỹ Thuật (POM/ Nylon/ PEEK)

Đối với các ứng dụng-tải nhẹ, độ ồn-thấp hoặc không cần bôi trơn-, nhựa kỹ thuật mang lại giải pháp thay thế hoàn toàn hấp dẫn cho các bánh răng kim loại. POM (Delrin) cung cấp độ ổn định kích thước tốt và độ ma sát thấp cho các thiết bị tiêu dùng và tự động hóa văn phòng. Nylon hấp thụ chấn động và chạy êm khi lái xe ở tốc độ-thấp. PEEK xử lý nhiệt độ cao và tiếp xúc với hóa chất khi nhựa tiêu chuẩn không đạt tiêu chuẩn. Không có loại nào trong số chúng sánh được với thép về khả năng chịu tải - nhưng trong bối cảnh phù hợp thì chúng không cần phải như vậy.

Bạn không cần phải hoàn thiện tài liệu trước khi liên hệ. Trên thực tế, nếu bạn vẫn đang cân nhắc các lựa chọn thì đó chính xác là giai đoạn phù hợp để chúng tôi tham gia.

Khi bạn gửi bản vẽ hoặc RFQ, bạn chỉ cần cho chúng tôi biết các điều kiện hoạt động quan trọng nhất đối với ứng dụng của bạn:

Loại tải và cường độ - liên tục, sốc hoặc theo chu kỳ? Nhiệm vụ nhẹ, trung bình hay nặng?

Tốc độ vận hành - bộ truyền động tốc độ-thấp và trục xoay tốc độ-cao có cấu hình độ mỏi bề mặt rất khác nhau

Môi trường - tiêu chuẩn công nghiệp, ẩm ướt, ăn mòn, tiếp xúc với thực phẩm-hoặc nhiệt độ-cao?

Yêu cầu về độ chính xác - bạn có cấp ISO mục tiêu hay khả năng chịu phản ứng dữ dội/lỗi truyền không?

Khối lượng và ngân sách - lựa chọn nguyên liệu thường thay đổi khi số lượng sản xuất thay đổi

Với thông tin đó, nhóm kỹ thuật của chúng tôi có thể đề xuất vật liệu thép bánh răng phù hợp nhất - và đánh dấu nếu quá trình xử lý nhiệt hoặc hoàn thiện theo thông số kỹ thuật của bạn sẽ làm tăng thêm chi phí không cần thiết cho trường hợp sử dụng thực tế của bạn.

Nếu bản vẽ của bạn đã chỉ định vật liệu, chúng tôi sẽ làm việc với vật liệu đó. Nếu nó nói "hoặc tương đương", chúng tôi sẽ cho bạn biết tương đương có nghĩa là gì trong thực tế.

Không chắc chắn vật liệu nào phù hợp với ứng dụng của bạn?

Là một người chuyên nghiệpnhà sản xuất bánh răng chính xác, chúng tôi có thể cung cấp cho bạn lựa chọn vật liệu chuyên nghiệp và đáng tin cậy. Cho dù bạn đang làm việc từ bản vẽ hoàn thiện hay vẫn đang ở giai đoạn thiết kế ban đầu, nhóm của chúng tôi có thể xem xét các yêu cầu của bạn và đề xuất vật liệu, lộ trình xử lý nhiệt và cấp độ chính xác phù hợp cho ứng dụng cụ thể của bạn - mà không cần chỉ định quá mức và không cắt giảm.

Nhận báo giá

Gửi cho chúng tôi bản vẽ của bạn hoặc mô tả ứng dụng của bạn - chúng tôi sẽ quay lại với đề xuất vật liệu và kế hoạch gia công.