En tant que composant central du système de transmission mécanique, la performance de la surface des engrenages affecte directement la capacité de charge, la résistance à l'usure et la durée de vie de l'ensemble de la machine.

Le traitement thermique est un moyen technique clé pour améliorer les performances des engrenages. Cet article présentera en détail trois procédés courants de traitement thermique des engrenages — la trempe par induction, la cémentation et la nitruration, analysera leurs caractéristiques, leurs avantages et leurs inconvénients, et fournira des références pour la conception et la fabrication des engrenages.

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Trempe par induction des engrenages

principe technique

La trempe par induction est un procédé de durcissement de surface qui utilise le principe de l'induction électromagnétique pour générer des courants de Foucault à la surface de l'engrenage et le chauffer à la température d'austénitisation (généralement 850-950℃), puis le refroidir rapidement (eau, huile ou milieu de trempe polymère) pour obtenir la structure martensitique.

Matériau de l'engrenage : 42CrMo, 50Mn

Caractéristiques du procédé

Chauffage sélectif : chauffage uniquement de la surface de l'engrenage (généralement 1 à 5 mm de profondeur)

Rapide et efficace : la vitesse de chauffage peut atteindre 100-300℃/s, cycle de production court

Économie d'énergie et protection de l'environnement : utilisation concentrée de l'énergie, rendement thermique élevé

Facile à automatiser : peut être intégré à la chaîne de production pour réaliser un contrôle automatique

Analyse des avantages

Petite déformation : le chauffage local réduit considérablement la déformation thermique, et la surépaisseur d'usinage ultérieure est faible

Économie d'énergie et haut rendement : la consommation d'énergie ne représente que 20 à 30 % de la trempe globale, et l'efficacité de la production est élevée

Forte adaptabilité : peut traiter des engrenages à grand module (module>8mm)

Faible coût : investissement et coûts d'exploitation modérés des équipements

Analyse des inconvénients

Le contrôle de la couche de durcissement est difficile : il est nécessaire de contrôler précisément les paramètres du capteur et les paramètres du procédé

Mauvaise uniformité des tissus : la profondeur et la dureté de la couche durcie à la pointe et à la racine de la dent peuvent être inégales

Les petits engrenages ne conviennent pas : les engrenages à petit module (module <2mm) sont faciles à durcir dans leur ensemble

Résistance insuffisante du cœur : seul le durcissement de surface, ne convient pas aux conditions de charge à fort impact

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Cémentation et trempe des engrenages

principe technique

L'engrenage est placé dans un milieu riche en carbone (gaz, liquide ou solide), chauffé et isolé à 900-950℃, de sorte que les atomes de carbone s'infiltrent dans la surface (généralement 0,5-2 mm de profondeur), puis trempé pour obtenir une structure composite avec une dureté élevée en surface et une ténacité élevée au cœur.

Matériaux des engrenages : 20CrMnTi, 20CrMo, 20CrMnMo, 18CrNiMo7-6

Graphique du procédé de cémentation et de trempe

Caractéristiques du procédé

Sclérose profonde : la profondeur de la couche durcie peut atteindre 0,5-2 mm

Organisation en gradient : une transition progressive de la dureté de surface vers le cœur

Propriétés composites : dureté élevée en surface (58-63HRC) et ténacité élevée au cœur

Procédé complexe : comprend généralement la cémentation, la trempe et la trempe à basse température

Analyse des avantages

Forte capacité de charge : le durcissement profond peut supporter de lourdes charges et des charges d'impact

Excellente résistance à l'usure : la résistance à l'usure de surface de la martensite à haute teneur en carbone est de 3 à 5 fois supérieure à celle du traitement de trempe et de revenu

Intensité de fatigue élevée : l'état de contrainte de compression de surface améliore considérablement la durée de vie à la fatigue de contact

Large gamme de matériaux : convient à l'acier à faible teneur en carbone, à l'acier allié à faible teneur en carbone et à d'autres matériaux

Analyse des inconvénients

Grande déformation : la déformation peut atteindre 0,1-0,3 mm en raison de la température élevée et du chauffage de longue durée

Procédé complexe : cycle de production long (généralement 4 à 12 heures)

Consommation d'énergie plus élevée : la consommation d'énergie due à la température élevée et au chauffage de longue durée est importante

Coût plus élevé : investissement important en équipement, exigences strictes en matière de contrôle des procédés

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Nitruration des engrenages

principe technique

Dans la plage de température de 500-580℃, le procédé de traitement thermique chimique qui permet aux atomes d'azote actifs de pénétrer dans la surface de l'engrenage pour former une couche durcie nitrurée (généralement 0,1-0,6 mm) est courant sous la forme de nitruration gazeuse, de nitruration ionique et de nitruration en bain de sel.

Matériau de l'engrenage : 42CrMo, 40Cr

Caractéristiques du procédé

Traitement à basse température : bien en dessous de la température de transition de phase, la déformation est minime

Dureté élevée : dureté de surface jusqu'à 1000-1200HV (équivalent à 69-72HRC)

Bonne résistance à la corrosion : la formation d'une couche nitrurée dense pour améliorer la résistance à la corrosion

Auto-lubrification : faible coefficient de frottement de la couche de nitrure

Analyse des avantages

Très petite déformation : la déformation thermique est généralement <0,02 mm, adaptée aux engrenages de précision

Performance globale : dureté, résistance à l'usure, résistance à la corrosion et performance anti-morsure élevées

Bonne stabilité thermique : la dureté de la couche de nitrure reste stable en dessous de 600℃

Pas de trempe : procédé simple, pas de risque de fissure de trempe

Analyse des inconvénients

La couche de durcissement est peu profonde : généralement 0,1-0,6 mm, la capacité de charge est limitée

Haute fragilité : la couche brillante blanche est très fragile et doit souvent être contrôlée ou supprimée

Restrictions matérielles : le plus approprié pour l'acier contenant Cr, Mo, Al et d'autres éléments formant des nitrures

Cycle plus long : la nitruration gazeuse traditionnelle peut prendre 20 à 80 heures

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Comparaison des trois procédés de traitement thermique des engrenages

• Courbe de durcissement des différents aciers pour engrenages

• Méthode de traitement thermique recommandée :

• A) Engrenages à usage intensif (par exemple, boîte de vitesses d'éolienne, machines lourdes, boîte de vitesses de machines de construction) : la cémentation et la trempe doivent être privilégiées pour garantir une profondeur de couche durcie et une ténacité du cœur suffisantes.

• b) Engrenages à charge petite et moyenne (boîte de vitesses automobile, machines de construction) : la trempe par induction (les exigences de déformation sont généralement) ou la trempe par cémentation (exigences de haute précision) peuvent être sélectionnées en fonction des exigences de précision.

• c) Engrenages de précision (instrumentation, aérospatiale) : le traitement de nitruration est privilégié, en particulier la nitruration ionique, pour garantir un contrôle de la déformation à l'échelle du micron.

• d) Engrenages résistants à la corrosion et à l'usure (machines alimentaires, équipements chimiques) : sélectionner le traitement de nitruration pour avoir une dureté et une résistance à la corrosion élevées.

• e) Engrenage à grand module (machines minières, grands réducteurs, support rotatif) : le durcissement par induction peut garantir l'uniformité de la couche durcie.

conclusion

Avec le développement de la technologie de traitement thermique, des procédés composites tels que "cémentation + nitruration", "trempe par induction + nitruration" sont progressivement appliqués dans la fabrication d'engrenages haut de gamme, ce qui peut combiner les avantages de divers procédés pour répondre aux besoins de conditions de travail spéciales.

Lors de la sélection du procédé de traitement thermique des engrenages, de nombreux facteurs tels que le matériau de l'engrenage, les conditions de service, les exigences de précision et le coût de production doivent être pris en compte de manière globale.