Сравнение спецификаций сталей для зубчатых колёс между GB, DIN, JIS и AISI: что может и что не может дать пересчёт

Сравнение спецификаций сталей для зубчатых колёс между GB, DIN, JIS и AISI: что может и что не может дать пересчёт

Возьмём для примера одно зубчатое колесо. Один чертёж китайского происхождения указывает 20CrMnTi. Чертёж немецкого покупателя называет 16MnCr5 или 20MnCr5. Из Японии приходит SCM420, а из США — 8620. По смыслу эти четыре марки находятся в одном соседстве, и всё же ни одну из них нельзя считать идентичной другой. Когда мы сопоставляем марки, мы фактически берём марку, определённую в одной системе стандартов, и выстраиваем её против ближайшего аналога во второй системе, используя в качестве основы диапазоны химического состава и требования к прокаливаемости. В результате получается лишь приблизительное соответствие. Замена — это отдельный вопрос: изготовление детали из марки, отличной от указанной на чертеже, — и он многократно увеличивает объём работы: верхние и нижние пределы состава, кривые торцевой закалки, ограничения по включениям и режимы термообработки каждый требуют новой проверки. Ниже вы найдёте таблицы перекрёстных ссылок для четырёх систем, охватывающие три обычных семейства сталей для зубчатых колёс (цементуемые, улучшаемые, азотируемые), диапазоны механических свойств марок GB и пять проверок, предшествующих любой замене.

I. Три термина, которые необходимо различать

Сопоставление марок. Используя приблизительные соотношения диапазонов химического состава и механических свойств, марку по системе стандартов A сопоставляют с относительно близкой маркой в системе B. Это даёт диапазон-кандидат, а не разрешение на замену.

Замена (замена материала). Чертёж заказчика указывает одну марку, а поставщик изготавливает из другой. Состав, прокаливаемость, чистота и маршрут термообработки — всё это должно быть подтверждено заново на данном этапе, и в большинстве случаев заказчик должен дать согласие в письменной форме.

Прокаливаемость. Глубина, на которую сталь способна развить закалённый слой при закалке, определяет это свойство; испытание торцевой закалкой (Джомини) является методом измерения, а GB/T 225 — отечественной реализацией. Две марки, названия которых совпадают или почти совпадают, всё равно могут следовать разным кривым прокаливаемости — частый источник неудач при попытке замены.

II. Цементуемая сталь для зубчатых колёс: перекрёстные ссылки четырёх систем

• Китай GB 20CrMnTi: — (прямого аналога нет)
  • Япония JIS: SMK22
  • США AISI/SAE: —
  • Типичное применение: Автомобильные цементуемые зубчатые колёса коробок передач, большое потребление в стране
• Китай GB 20CrMo: 20CrMo5 / 1.7320
  • Япония JIS: SCM420
  • США AISI/SAE: 4118 / 4120
  • Типичное применение: Цементуемые зубчатые колёса малого и среднего модуля
• Китай GB 20CrNi2Mo: 20NiCrMo2-2 / 1.6523
  • Япония JIS: SNCM420
  • США AISI/SAE: 4320
  • Типичное применение: Тяжелонагруженные цементуемые зубчатые колёса
• Китай GB 20CrNiMo: 20NiCrMo2-2 / 1.6523
  • Япония JIS: SNCM220
  • США AISI/SAE: 8620
  • Типичное применение: Цементуемые зубчатые колёса общего назначения

Там, где в таблице стоит «—», в системе нет распространённой марки, которую можно было бы сопоставить напрямую. Это не означает, что немецкая цементуемая сталь не может изготовить то же зубчатое колесо; это означает, что работа должна пройти через проверку прокаливаемости и состава, и замена производится только после подтверждения обеими сторонами. Обратный случай также важен: когда заказчик называет цементуемые стали немецкого стандарта, такие как 16MnCr5 или 20MnCr5, поставщику следует сначала посмотреть на размер поперечного сечения и требуемую глубину цементованного слоя, прежде чем решать, какую из двух взять.

III. Улучшаемая сталь для зубчатых колёс: перекрёстные ссылки четырёх систем

• Китай GB 40Cr: 41Cr4 / 1.7035
  • Япония JIS: SCr440
  • США AISI/SAE: 5140
  • Типичное применение: Улучшаемые зубчатые колёса средней нагрузки
• Китай GB 42CrMo: 42CrMo4 / 1.7225
  • Япония JIS: SCM440
  • США AISI/SAE: 4140 / 4142
  • Типичное применение: Высокопрочные зубчатые колёса общего назначения, валы-шестерни
• Китай GB 35CrMo: 34CrMo4 / 1.7220
  • Япония JIS: SCM435
  • США AISI/SAE: 4135
  • Типичное применение: Зубчатые колёса среднего поперечного сечения
• Китай GB сталь 45: C45 / 1.0503
  • Япония JIS: S45C
  • США AISI/SAE: 1045
  • Типичное применение: Тихоходные легконагруженные зубчатые колёса
• Китай GB 40CrNiMo: 40CrNiMo6 / 1.6511
  • Япония JIS: SNCM439
  • США AISI/SAE: 4340
  • Типичное применение: Высокопрочные валы-шестерни
• Китай GB 34CrNiMo: 34CrNiMo6 / 1.6582
  • Япония JIS: —
  • США AISI/SAE: —
  • Типичное применение: Улучшаемые зубчатые колёса крупного поперечного сечения

Улучшаемая сталь сопоставляется более аккуратно, чем цементуемая, поскольку хромсодержащие и молибденсодержащие семейства имеют зрелые серии в каждой системе. Следует учесть одну предосторожность. Соответствие стали 45 с C45 и S45C достаточно распространено, но сталь 45 сама по себе имеет ограниченную прокаливаемость; как только поперечное сечение становится большим, твёрдость падает по сечению резче, чем у 42CrMo. Поэтому использование стали 45 для улучшения крупных поперечных сечений заслуживает осторожности.

IV. Азотируемая сталь для зубчатых колёс: перекрёстные ссылки

В каждой системе предлагается немного марок азотируемой стали, поэтому диапазон выбора уже, чем для цементуемой стали. Азотирование даёт малую деформацию и высокую твёрдость боковых поверхностей зубьев, что подходит для прецизионных деталей, которые неудобно шлифовать после термообработки. Компромисс — тонкий упрочнённый слой, что исключает её применение при сильных ударных нагрузках.

V. Диапазоны механических свойств распространённых марок GB

Эти цифры служат для быстрой оценки уровня марки. Конкретные значения определяются сертификатом качества металлургического завода и входным повторным контролем.

Из этой таблицы можно сделать один вывод. Цементуемая сталь черпает прочность из поверхностного упрочнённого слоя, а твёрдость сердцевины поддерживается на уровне 30~45 HRC для сохранения вязкости; улучшаемая сталь черпает прочность из сквозной закалки, при этом твёрдость попадает в диапазон 240~320 HB. Какой маршрут выбрать, зависит от того, что более критично — контактное напряжение на боковой поверхности зуба или напряжение изгиба у ножки зуба, а не от того, какая марка звучит более современно.

VI. Твёрдость как общая единица для межсистемного сравнения

На одном чертеже может стоять HRC, на другом HB, на третьем HV, поэтому всякий раз, когда одно зубчатое колесо нужно оценить по всем трём, этап пересчёта неизбежен. Наиболее часто встречающиеся уровни (значения приблизительные):

• HRC 25: 255
  • HV: 260
  • Типичное соответствие: Среднеуглеродистая сталь, улучшенная
• HRC 30: 285
  • HV: 290
  • Типичное соответствие: Улучшаемая сталь
• HRC 40: 370
  • HV: 380
  • Типичное соответствие: Среднеуглеродистая сталь, улучшенная
• HRC 48: 455
  • HV: 470
  • Типичное соответствие: 40Cr, индукционная закалка
• HRC 52: 510
  • HV: 525
  • Типичное соответствие: Легированная сталь, закалённая
• HRC 58: 580
  • HV: 610
  • Типичное соответствие: 20CrMnTi, цементованная и закалённая
• HRC 62: 640
  • HV: 670
  • Типичное соответствие: Быстрорежущая сталь / цементуемая сталь

Распространённые уровни требований к твёрдости зубчатых колёс:

• Тип зубчатого колеса Цементуемое и закалённое зубчатое колесо: Цементация + закалка + низкий отпуск
  • Обычный диапазон твёрдости: 58~62 HRC
  • Описание: Твёрдая боковая поверхность зуба, вязкая сердцевина, устойчивость к удару
• Тип зубчатого колеса Улучшаемое + индукционно-закалённое зубчатое колесо: Закалка и отпуск + индукционная закалка боковой поверхности зуба
  • Обычный диапазон твёрдости: 48~55 HRC
  • Описание: Твёрдая боковая поверхность зуба, сердцевина сохраняет вязкость
• Тип зубчатого колеса Улучшаемое зубчатое колесо: Закалка и отпуск
  • Обычный диапазон твёрдости: 280~320 HB
  • Описание: Средняя прочность, используется для средних и низких скоростей
• Тип зубчатого колеса Азотируемое зубчатое колесо: Закалка и отпуск + газовая/плазменная нитроцементация
  • Обычный диапазон твёрдости: ≥50 HRC (азотированный слой)
  • Описание: Малая деформация, износостойкость
• Тип зубчатого колеса Сквозно-закалённое зубчатое колесо: Сквозная закалка + низкий отпуск
  • Обычный диапазон твёрдости: 45~55 HRC
  • Описание: Зубчатые колёса малого модуля

Эти соотношения пересчёта справедливы только в приблизительном диапазоне. Ниже 20 HRC шкала Роквелла C даёт большие погрешности, и вместо неё следует использовать шкалу HRB; ниже 450 HB твёрдость по HRC и HB можно приблизительно оценить как HRC ≈ (HB − 200) / 10. Поскольку погрешность измерения возрастает в областях ниже 20 HRC, шкалу контроля следует согласовать при приёмке.

VII. Пять пунктов для проверки перед заменой

• Химический состав: Каждый стандарт имеет различия в верхних и нижних пределах для Si, Mn, Cr, Ni, Mo; проверяйте поэлементно
• Прокаливаемость: Сравнивайте по данным торцевой закалки, не делайте выводов по названию марки; чем больше поперечное сечение, тем критичнее
• Чистота: Каждый стандарт имеет разные требования к содержанию S и P и уровню включений
• Процесс термообработки: После смены материала температуру цементации, углеродный потенциал, закалочную среду и параметры отпуска необходимо подтвердить заново
• Спецификация заказчика: Когда на чертеже явно указан стандарт и марка, закупайте согласно спецификации; изменения требуют подтверждения заказчика

VIII. Практические соображения

• Для экспортных заказов сначала установите, по какому стандарту заказчик проводит приёмку. На чертеже может быть указано 20CrMnTi, а немецкий заказчик принимает по немецкому стандарту; сложность обычно не в том, можно ли изготовить деталь, а в том, по каким значениям она предъявляется на приёмку. Фраза в техническом соглашении с указанием номера стандарта материала и диапазона состава избавляет от большего числа проблем, чем последующие споры.
• Доверяйте кривой торцевой закалки больше, чем обозначению марки. Металлургические заводы поставляют одну и ту же номинальную марку с разной шириной полосы прокаливаемости. Там, где прокаливаемость является требованием, включайте значения J в спецификацию закупки и проверяйте их при входном повторном контроле; это лучше, чем читать только марку в сертификате.
• Смена материала тянет за собой параметры термообработки. Изменение только обозначения на чертеже с вызовом прежнего процесса цементации — распространённый источник аномалий партии: когда содержание никеля меняется, глубина цементованного слоя, получаемая при том же углеродном потенциале и времени, также меняется.
• Протоколы контроля должны содержать марку, номер стандарта и состояние термообработки в полном виде. При экспортном контроле протокол, в котором указано только «легированная сталь, HRC58», не позволяет заказчику сопоставить его с требованиями чертежа; полное указание всех трёх замыкает цепочку прослеживаемости.

Между маркой материала и готовым зубчатым колесом находится несколько этапов: механическая обработка и контроль прецизионных цилиндрических зубчатых колёс, точение, фрезерование и термообработка валовых передаточных деталей и прецизионная обработка и процессы зубошлифования. Для стандартных серийных деталей, таких как рейки, сам номер детали кодирует материал: в GY-CSTGH-020-10-S позиция C обозначает S45C, а M — SCM440, при этом 020 обозначает модуль M2, а 10 — длину 1000 мм. Там, где чертёж требует инженерного анализа с охватом материала и термообработки, свяжитесь с нами.

PinyiGear поставляет прецизионные зубчатые колёса и передаточные детали по чертежу, с документацией на материал и термообработку, прослеживаемой до стандарта, указанного в заказе.