Выбор стали для зубчатых колес: цементация против сквозной закалки

Две философии

Зубу зубчатого колеса требуется твердая, износостойкая поверхность для контактной прочности (стойкости к питтингу) и вязкая сердцевина для прочности на изгиб. Два семейства сталей обеспечивают этот баланс по-разному.

Цементуемые стали

Низкоуглеродистые легированные стали — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — обрабатываются в мягком состоянии, цементируются, а затем закаливаются. Результат: поверхностный слой примерно 58–62 HRC поверх сердцевины, возможно, 30–45 HRC.

• Наивысшая контактная и изгибная усталостная прочность среди распространенных вариантов.
• Глубина слоя масштабируется с размером зуба: широко используемое эмпирическое правило устанавливает эффективную глубину слоя примерно 0.15–0.30 × модуль — зубчатому колесу с модулем 3 требуется всего несколько десятых миллиметра, колесу с модулем 10 требуется пропорционально больше.
• Цена: циклы цементации длительны, деформацией необходимо управлять (часто требуется чистовое шлифование), а очень крупные зубчатые колеса становятся непрактичными для равномерного упрочнения поверхности.

Стали со сквозной закалкой

42CrMo4 / 4140 и аналогичные среднеуглеродистые легированные стали закаливаются и отпускаются до равномерных ~28–36 HRC, а затем нарезаются или подвергаются чистовой механической обработке. Твердость поверхности — а следовательно, и стойкость к питтингу — ниже, но:

• Нет ограничения по глубине слоя; подходят для крупномодульных зубчатых колес большого диаметра (ветроэнергетика, мельницы, судовые вспомогательные механизмы).
• Зубья могут быть впоследствии подвергнуты индукционной закалке (примерно 50–55 HRC на боковой поверхности), чтобы восстановить долговечность поверхности при сохранении отпущенной сердцевины.
• Азотируемые стали являются третьим путем при умеренных нагрузках: очень твердые тонкие слои при почти полном отсутствии деформации, при ограниченной глубине слоя.

Логика выбора

Ситуация	Типичный выбор
Малый/средний модуль, высокая плотность крутящего момента, автомобильное применение и работа в редукторах	Цементация: 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
Крупный модуль, ударные нагрузки, единичные промышленные зубчатые колеса	Сквозная закалка 42CrMo4, при необходимости с индукционной закалкой
Точные зубчатые колеса, где деформацию нельзя исправить	Азотируемая сталь
Низкая нагрузка, низкая стоимость, заменяемые зубчатые колеса	1045 или литейная сталь, без закалки или с легкой закалкой

Практическая граница — это размер и напряжение: как только модули растут, а глубина слоя должна была бы превысить примерно миллиметр, стоимость цементации и деформация резко возрастают, и обычно выигрывает сквозная закалка с обработкой поверхности.

Реальность термической обработки и отделки

Цементация — это периодический процесс, измеряемый от часов до дней: зубчатые колеса обрабатываются с припуском на шлифование, насыщаются углеродом, закаливаются и подвергаются чистовому шлифованию или твердому скайвингу для восстановления точности зубьев — этот этап отделки должен с самого начала присутствовать в технологическом плане и в бюджете допусков. Зубчатые колеса со сквозной закалкой проще: сначала закалка и отпуск, затем нарезание зубьев в закаленной заготовке, где позволяет размер, с принятием той отделки боковой поверхности, которую дает твердое резание, или мягкое нарезание и индукционная закалка с несколько более свободной точностью. Для обоих путей именно полоса прокаливаемости стали (H-band в стандарте закупки) гарантирует твердость сердцевины у основания зуба; указание марки без ее полосы прокаливаемости оставляет самое важное свойство зубчатого колеса на волю случая.