Вибір сталі для шестерень: цементація проти наскрізного загартування

Дві філософії

Зубу шестерні потрібна тверда, зносостійка поверхня для контактної (пітингової) міцності та міцна серцевина для міцності на згин. Дві родини сталей забезпечують цей баланс по-різному.

Сталі для цементації

Низьковуглецеві леговані сталі — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — обробляють у м'якому стані, піддають цементації, потім загартовують. Результат: шар приблизно 58–62 HRC поверх серцевини, можливо, 30–45 HRC.

• Найвища контактна міцність і міцність на втому при згині серед поширених варіантів.
• Глибина шару масштабується з розміром зуба: широко використовуване емпіричне правило ставить ефективну глибину шару приблизно 0.15–0.30 × модуль — шестерні з модулем 3 потрібно лише кілька десятих міліметра, шестерні з модулем 10 потрібно пропорційно більше.
• Вартість: цикли цементації тривалі, деформацію треба контролювати (часто чистове шліфування), а дуже великі шестерні стають непрактичними для рівномірної цементації.

Сталі для наскрізного загартування

42CrMo4 / 4140 та подібні середньовуглецеві леговані сталі загартовують і відпускають до рівномірних ~28–36 HRC, потім нарізають або остаточно обробляють. Поверхнева твердість — а отже, і стійкість до пітингу — нижча, але:

• Немає обмеження глибини шару; підходить для великмодульних шестерень великого діаметра (вітрові, млинові, морські допоміжні).
• Зуби можна загартувати індукційно після цього (приблизно 50–55 HRC на боковій поверхні), щоб відновити поверхневу довговічність, зберігаючи відпущену серцевину.
• Азотовані сталі — третій шлях для помірних навантажень: дуже тверді тонкі шари майже без деформації, при обмеженій глибині шару.

Логіка вибору

Ситуація	Типовий вибір
Малий/середній модуль, висока щільність крутного моменту, автомобільне та редукторне навантаження	Цементація: 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
Великий модуль, ударні навантаження, одиничні промислові шестерні	Наскрізно загартована 42CrMo4, опційно індукційно загартована
Точні шестерні, де деформацію не можна виправити	Сталь для азотування
Низьке навантаження, низька вартість, замінні шестерні	1045 або лита сталь, незагартована або злегка загартована

Практична межа — розмір і напруження: коли модулі зростають і глибина шару перевищувала б міліметр або близько того, вартість цементації та деформація різко зростають, і зазвичай перемагає наскрізне загартування з поверхневою обробкою.

Реальність термічної обробки та остаточної обробки

Цементація — це серійний процес, що вимірюється годинами-днями: шестерні обробляють з припуском на шліфування, цементують, загартовують і чистово шліфують або обробляють твердим струганням, щоб відновити точність зубів — цей етап остаточної обробки має бути в плані процесу та бюджеті допусків від самого початку. Шестерні з наскрізним загартуванням простіші: спочатку загартування та відпуск, потім нарізання зубів у загартованій заготовці, де дозволяє розмір, приймаючи обробку бокової поверхні, яку дає тверде різання, або м'яке різання та індукційне загартування з дещо вільнішою точністю. Для обох шляхів смуга прогартовуваності сталі (H-band у стандарті закупівлі) є тим, що гарантує твердість серцевини біля основи зуба; вказівка марки без її смуги прогартовуваності залишає найважливішу властивість шестерні на волю випадку.