Wiele współczesnych mechanizmów wykorzystuje koła zębate do tego, by pracować zgodnie ze swoim przeznaczeniem. Jest tak np. w przypadku przekładni, sprzęgła zębatego czy pompy zębatej. Koła zębate znajdują zastosowanie w wielu różnych maszynach i w wyspecjalizowanych urządzeniach przemysłowych. Jednym ze sposobów na to, by były sprawne i odporne jest ich hartowanie. Na czym polega ten proces i czemu służy?
Hartowanie kół zębatych – dlaczego się to robi?
Na początek zdefiniujmy sobie czym jest koło zębate. Jest to okrągły dysk wykonany z metalu, który posiada na całym swoim obwodzie regularne nacięcia, popularnie nazywane zębami. Zadaniem koła zębatego jest przeniesienie ruchu i momentu obrotowego na inne koło zębate lub na listwę zębatą. W maszynach można się spotkać z różnymi rodzajami kół zębatych, wśród których wyróżnia się koła zębate czołowe, listwy zębate, przekładnie eliptyczne, przekładnie stożkowe, przekładnie ślimakowe, etc.
Hartowanie kół zębatych to proces, który składa się z trzech etapów. Koła zębate zostają najpierw rozgrzane do wymaganej temperatury (tzw. temperatury hartowania). To sprawia, iż w ich budowie zachodzą wymagane zmiany związane z przebudową struktury wewnętrznej materiału z jakiego wykonane są koła. Po wszystkim koło zębate jest szybko chłodzone i cały proces dobiega końca. Główny cel takiego działania to sprawianie, iż w metalu dojdzie to koncentracji naprężeń – to sprzyja podniesieniu wytrzymałości, plastyczności, twardości, odporności na ścieranie oraz sprężystości.
Elementy, w których znajdują zastosowanie koła zębate, wymagają tego by były wytrzymałe i odporne. Tyczy się to chociażby wymienionych już przekładni zębatych, których celem jest przykładowo lepsze wykorzystanie sił napędowych oraz zmiana prędkości obrotowej. Zahartowane zęby kół zębatych zyskują utwardzoną powierzchnię, natomiast sam rdzeń koła staje się bardziej elastyczny. To, by koła zębate były odpowiednio wytrzymałe można uzyskać na kilka różnych sposobów – przez hartowanie, ale także poprzez nawęglanie i azotowanie tychże kół. Poddane takim procesom koła zębate cechują się znacznie lepszą nośnością pracujących powierzchni zębów w przekładniach zębatych.
Hartowanie indukcyjne kół zębatych
Hartowanie indukcyjne to proces, który ma na calu podnieść twardość koła zębatego, jego odporność na zużycie, wytrzymałość, a przy tym zachować plastyczność jego rdzenia. Indukcyjnie można hartować nie tylko koła zębate, ale i inne metalowe elementy jak sworznie, wałki, rolki, etc. Koło, które chcemy zahartować umieszczane jest wewnątrz cewki miedzianej, a następnie rozgrzewane do wymaganej temperatury dzięki doprowadzeniu do cewki prądu zmiennego z wykorzystaniem generatora odpowiedniej mocy. Natychmiast po osiągnięciu danej temperatury w strefie przypowierzchniowej materiału następuje jego ochłodzenie (hartowanie). Hartowanie indukcyjne jest bardzo praktyczne, ponieważ jest to proces krótki, a przynoszący bardzo dobre efekty. Jest to proces, który najlepiej sprawdza się w przypadku elementów pracujących w układach narażonych na duże naprężenia skrętne.
Nawęglanie koła zębatego
Nawęglanie to także jeden ze sposobów na zwiększenie twardości materiału i jego odporności, który stosowany jest do stali o niskiej zawartości węgla. Koło zębate można poddać tzw. nawęglaniu proszkowemu lub nawęglaniu gazowemu. Proces nawęglania proszkowego odbywa się w bardzo wysokich temperaturach, sięgających nawet 850 – 950 stopniom Celsjusza. Po zakończeniu nawęglania, obrobiony przedmiot dodatkowo poddaje się procesowi powierzchniowego hartowania. Hartowanie powierzchowne polega na nagrzaniu jedynie powierzchni danego przedmiotu. Stosuje się je do poprawy właściwości mechanicznych, eliminacji ryzyka pęknięć czy odkształceń lub do wzmocnienia konkretnego obszaru koła zębatego.
Jak już wspomniano, koła zębate można także azotować. Proces azotowania ma taki sam cel jak inne metody hartowania kół zębatych – utwardza, zwiększa odporność i wytrzymałość. Azotowanie gazowe polega na rozpuszczeniu azotu i wydzielaniu twardych azotków. Przebiega w temperaturze ok. 520 stopni Celsjusza.