Сравнение сталей для зубчатых колёс: 20CrMnTi, 40Cr, 42CrMo и 17CrNiMo6

Сначала маршрут термической обработки, потом название марки

Ни одна марка стали сама по себе не определяет, как будет работать зубчатое колесо. Определяет это сочетание марки с термической обработкой. Возьмите один пруток 40Cr: улучшите его или подвергните поверхностной закалке — и два результата будут различаться более чем вдвое.

Три маршрута охватывают большинство работ:

• Улучшение (закалка и высокий отпуск) — деталь закаливают, затем выдерживают при повышенной температуре для получения отпущенного сорбита. HB 240–320 — обычный диапазон твёрдости. Пластичность и прочность достигаются одновременно, чего достаточно для тихоходных и средних по скорости зубчатых колёс, боковые поверхности которых не должны быть особенно твёрдыми.
• Цементация и закалка — низкоуглеродистую марку выдерживают при 920–950°C в углеродсодержащей атмосфере, затем закаливают. Углерод превращает поверхностный слой в мартенсит, тогда как сердцевина остаётся низкоуглеродистой и пластичной: твёрдая корка на мягкой сердцевине. Зубчатые колёса, работающие при высоких контактных напряжениях, — естественная область применения.
• Азотирование — при примерно 500–570°C газ, содержащий аммиак, насыщает поверхность азотом, создавая азотированный упрочнённый слой. Деформация остаётся низкой из-за низкой температуры, однако слой неглубокий (0,3–0,6 мм в обычной практике), что ограничивает его применение мелкими модулями точных зубчатых колёс, не требующих финального шлифования.

Последовательность принятия решения: сначала рассчитайте напряжение изгиба у основания зуба и контактное напряжение на боковой поверхности. Это подскажет, нужно ли упрочнять поверхность. Если нужно, следующий вопрос — цементуемая сталь или азотируемая.

Кратко: определите маршрут термической обработки до выбора марки. Для тихоходных и средних по скорости зубчатых колёс при умеренной нагрузке обычно подходит улучшенная 40Cr (HB 260–300 после улучшения); 42CrMo (HB 280–320) берёт на себя случаи, где сечения крупнее и тяжелее. Там, где твёрдая боковая поверхность обязательна при тяжёлой нагрузке, применяйте цементацию: 20CrMnTi даёт HRC 58–62 на поверхности при сердцевине HRC 30–42. Мелкомодульные точные зубчатые колёса, где важна деформация, подходят для азотирования 38CrMoAl с поверхностной твёрдостью около HV 950–1100. На одинаковой заготовке цементуемая сталь стоит примерно в 1,3–1,5 раза дороже улучшаемой — выбор материала по сути означает платить больше за усталостную долговечность.

Подбор распространённых сталей для зубчатых колёс под задачу

Эти стоимости предполагают одинаковый размер заготовки и не включают термическую обработку. Премия за цементуемую сталь покупает контактную усталостную долговечность: при равной нагрузке цементованная боковая поверхность обычно противостоит питтингу на одну ступень лучше, чем улучшенная.

40Cr и 42CrMo: пара для улучшения

В Китае 40Cr — наиболее часто встречающаяся улучшаемая сталь для зубчатых колёс: дешёвая и легкодоступная. 42CrMo закаливается на большую глубину, поэтому массивные сечения прокаливаются насквозь; именно поэтому из неё нарезают крупномодульные и крупнодиаметровые валы-шестерни. Когда нагрузка умеренная, модуль ниже 8 и ширина зубчатого венца ограничена, улучшенная 40Cr обычно справляется.

20CrMnTi и 17CrNiMo6: пара для цементации

Прокаливаемость 20CrMnTi лишь умеренная, однако закалка в масле всё же доводит её до требуемой твёрдости — причина, по которой она доминирует среди мелко- и среднемодульных тяжелонагруженных зубчатых колёс в Китае и постоянно встречается в автомобильных трансмиссиях и работах по изготовлению зубчатых колёс на заказ. Более глубокая прокаливаемость и более вязкая сердцевина — то, что предлагает 17CrNiMo6, что подходит для крупных модулей и сильных ударных нагрузок, но по более высокой цене.

38CrMoAl: выбор для азотирования

Азотированная деталь из 38CrMoAl сочетает высокую поверхностную твёрдость с минимальной деформацией, и финальное шлифование обычно не требуется. Неглубокий слой — это подвох: контактная усталостная способность ограничена, поэтому тяжёлые нагрузки на боковую поверхность недостижимы. Используйте её только там, где расчёт контактного напряжения остаётся ниже предела.

Полный чертёж указывает материал полностью

Блок материала готового чертежа зубчатого колеса содержит три записи: марка стали, термическая обработка, диапазон твёрдости. Опустите термическую обработку и напишите только «40Cr» — и поставщик останется гадать, а приёмка превратится в спор.

Получите сертификат качества от поставщика стали — номер плавки, химический состав, макроструктуру — обычно по GB/T 3077. Поскольку полосы прокаливаемости различаются от завода к заводу даже для одной марки, закрепите одного производителя для серийного производства.

Практические заметки: при утверждении чертежа на нашем этапе точная обработка зубчатых колёс выполняются три проверки: остаётся ли контактное напряжение на боковой поверхности ниже допустимого значения для материала, попадает ли размер сечения, определяемый модулем и шириной зубчатого венца, в пределы прокаливаемости, и указаны ли требования к твёрдости и местам измерения. Переделки обычно связаны с материалом или аннотацией, а не с обработкой. Каждая партия цементации, которую мы проводим, сопровождается контрольным образцом; глубина цементованного слоя и поверхностная твёрдость измеряются, а записи сохраняются, чтобы позднее можно было проследить отказ до его плавки. Чтобы просмотреть варианты выбора, ознакомьтесь с ассортиментом зубчатых колёс; информация о процессах находится на нашей странице возможностей.

Неправильный материал проявляется как отказ

В наших записях есть три поучительных случая:

1. 40Cr использована там, где была указана 20CrMnTi. Питтинг появился на выходном зубчатом колесе редуктора примерно после 2000 часов работы. Сопротивление контактной усталости улучшенной боковой поверхности 40Cr при HB 285 ниже, чем у цементованного слоя, поэтому результат был предсказуем — никто не выполнил проверку контактного напряжения по чертежу.
2. Крупномодульное зубчатое колесо цементовано из 20CrMnTi. Твёрдость сердцевины зубчатого колеса модуля 12 с шириной зубчатого венца 120 мм составила всего HRC 25–28, ниже требования HRC 30; прочность на изгиб у основания зуба оказалась недостаточной, и риск излома зуба возрос. Толстые сечения не прокаливаются насквозь в 20CrMnTi; для этой работы требовалась 17CrNiMo6.
3. 40Cr улучшенная без поверхностного упрочнения, боковая поверхность изношена. Там, где боковые поверхности движутся быстро и коэффициенты скольжения высоки, улучшенная твёрдость не даёт защиты от износа. Индукционная поверхностная закалка до HRC 45–52 положила этому конец.

Ничто, сделанное на последующих этапах, не компенсирует материал, который был неправильным с самого начала.

PinyiGear — прецизионные зубчатые приводы и решения для обработки | Наши возможности | Категории зубчатых колёс