Выбор материалов для зубчатых колес: Основные факторы, которые необходимо учитывать

Из примеров отказов зубчатых колес следует, что при проектировании зубчатых передач необходимо тщательно учитывать свойства материалов. Поверхность зуба должна обладать высокой стойкостью к износу, точечной коррозии, адгезионному износу (галтованию) и пластической деформации, а корень зуба должен обладать отличной стойкостью к разрушению.

Таким образом, основные требования к материалам для зубчатых колес можно свести к следующему:

1. Поверхность зуба: Поверхностный слой должен обладать высокой твердостью, чтобы выдерживать контактные напряжения и минимизировать износ. Обычно это достигается путем поверхностной закалки, такой как науглероживание, азотирование или индукционная закалка.
2. Сердечник зуба: Материал сердечника должен обладать достаточной прочностью, чтобы воспринимать ударные нагрузки и противостоять усталостному разрушению. Этот баланс имеет решающее значение для общей производительности и долговечности шестерни.

Чтобы соответствовать этим требованиям, разработчики зубчатых колес часто используют современные материалы и процессы термообработки. Например:

• Закаленные стали (например, AISI 8620, 9310) обеспечивают идеальное сочетание твердого поверхностного слоя с прочной сердцевиной.
• Легированные стали со сквозной закалкой (например, AISI 4140, 4340) обладают хорошей общей твердостью и прочностью для средних условий эксплуатации.
• Аустенитные нержавеющие стали с поверхностной закалкой могут использоваться в коррозионных средах, сохраняя при этом необходимые механические свойства.

При выборе подходящих материалов и методов обработки зубчатых колес необходимо учитывать такие факторы, как условия нагрузки, рабочая среда, производственные процессы и экономическая эффективность. Передовые технологии обработки поверхностей, такие как покрытия методом физического осаждения паров (PVD), могут еще больше улучшить свойства поверхности зубчатых колес для экстремальных условий эксплуатации.

Распространенные материалы для зубчатых колес

1. Сталь

Сталь является наиболее широко используемым и универсальным материалом для изготовления зубчатых колес благодаря исключительному сочетанию механических свойств и возможностей обработки. Присущие ей вязкость и ударопрочность делают ее идеальной для противостояния циклическим нагрузкам и внезапным ударам, которые часто испытывают зубчатые колеса в различных областях применения.

Одним из ключевых преимуществ стали является ее способность значительно улучшаться за счет термообработки или термохимических процессов. Такая обработка позволяет значительно улучшить механические свойства шестерни, в частности, ее поверхностную твердость и износостойкость, которые имеют решающее значение для производительности и долговечности шестерни. Например:

• Науглероживание позволяет увеличить содержание углерода на поверхности, что позволяет получить твердый, износостойкий корпус при сохранении прочной сердцевины.
• Азотирование позволяет создать чрезвычайно твердый поверхностный слой без изменения размеров, что идеально подходит для прецизионных зубчатых колес.
• Индукционная закалка обеспечивает локальную закалку зубьев шестерен, оптимизируя баланс между поверхностной твердостью и вязкостью сердцевины.

1. Кованая сталь для производства зубчатых колес

Кованая сталь широко используется в производстве зубчатых колес благодаря своим превосходным механическим свойствам и структурной целостности. Выбор марки стали зависит от конкретной области применения зубчатых колес. Чаще всего выбирают углеродистые и легированные стали с содержанием углерода (0,15-0,60)%. Эти материалы обеспечивают оптимальный баланс прочности, вязкости и обрабатываемости, необходимый для работы шестерен.

Кованая сталь, используемая в производстве зубчатых колес, может быть разделена на два основных типа в зависимости от конечной твердости поверхности зубьев:

a) Зубчатые передачи с мягкими зубьями:
Эти шестерни обычно изготавливаются из сталей с низким содержанием углерода (0,15 - 0,30% C) и используются в тех случаях, когда требуется умеренная прочность и отличная обрабатываемость. Поверхности зубьев после термообработки остаются относительно мягкими, что облегчает обработку после ковки и обеспечивает хорошие характеристики износа.

b) Закаленные шестерни:
Изготовленные из средне- и высокоуглеродистых сталей (0,30-0,60% C) или легированных сталей, эти шестерни подвергаются поверхностной упрочняющей обработке, такой как науглероживание, азотирование или индукционная закалка. Получаемая в результате твердая поверхность зубьев обеспечивает превосходную износостойкость и усталостную прочность, что делает их пригодными для использования в высоконагруженных и высокоскоростных системах.

Важно отметить, что литье может быть предпочтительнее ковки для шестерен с чрезмерно большими размерами или сложной геометрией, поскольку процесс ковки в таких случаях может стать экономически или технически сложным. Выбор между ковкой и литьем зависит от таких факторов, как размер шестерни, сложность, объем производства и требования к производительности.

2. Шестерни с мягкой поверхностью зубьев (твердость 350 HBS):

В связи с умеренными требованиями к прочности, скорости и точности заготовки зубчатых колес перед нарезанием зубьев подвергаются термической обработке. Этот процесс, как правило, нормализация или закалка и отпуск, облегчает обработку и продлевает срок службы инструмента за счет снижения интенсивности износа при резании.

Затем процесс зубонарезания непосредственно производит готовое изделие.

Как правило, эти шестерни имеют класс точности 8 по стандартам ISO. Однако при использовании прецизионных методов нарезания можно достичь более высокого класса точности - 7.

Этот тип производства зубчатых колес характеризуется простотой, экономичностью и эффективностью. Технологический процесс обычно включает в себя:

1. Термическая обработка заготовки (нормализация или закалка и отпуск)
2. Нарезание зубчатых колес по окончательным размерам и профилю зубьев

Мягкая поверхность зубьев особенно подходит для тех областей применения, где не требуется высокая твердость, предлагая баланс между производительностью и технологичностью.

3. Закаленные шестерни (твердость 350 HBS и выше):

Эти шестерни являются важнейшими компонентами высокоскоростного, тяжелонагруженного и прецизионного оборудования, такого как современные станки и аэрокосмические двигатели. Их исключительная производительность объясняется сочетанием превосходных свойств материала, высокой прочностью зубьев и повышенной твердостью поверхности зубьев (обычно от 58 до 65 HRC).

Процесс изготовления этих высокоточных зубчатых колес обычно состоит из трех этапов:

1. Первичная нарезка зубчатых колес
2. Термообработка (закалка)
3. Прецизионная обработка (обычно с помощью шлифования)

Такая последовательность позволяет добиться исключительной точности, при которой шестерни достигают 5 или даже 4 класса качества по ISO. Процесс финишной обработки, в частности шлифование зубчатых колес, имеет большое значение для достижения столь высокой точности.

Для улучшения свойств поверхности зубчатых колес используются различные методы термообработки, в том числе:

• Индукционная закалка поверхности
• Науглероживание
• Азотирование
• Нитрокарбюризация (мягкое азотирование)
• Цианирование

Выбор материала и метода термообработки зависит от конкретных требований к применению и желаемых эксплуатационных характеристик.

Легированные стали преимущественно используются для изготовления этих высокопроизводительных зубчатых колес благодаря возможности придания им специфических свойств. Тщательно подбирая легирующие элементы и их соотношение, производители могут повысить:

• Прочность
• Устойчивость к ударам
• Износостойкость
• Реакция на закалку корпуса

Кроме того, благодаря точной термообработке или термохимическим процессам механические свойства и твердость поверхности могут быть оптимизированы в соответствии с жесткими техническими требованиями.

Для аэрокосмических применений, требующих высокой скорости работы, большой грузоподъемности, минимальных размеров и веса, используются специализированные легированные стали. В качестве примера можно привести 20CrMnTi и 20Cr2Ni4A, которые обеспечивают превосходный баланс прочности, долговечности и эффективности веса.

Полученные закаленные шестерни имеют твердую поверхность зубьев в сочетании с прочной сердцевиной, что обеспечивает оптимальное сочетание износостойкости и ударной вязкости. Это делает их идеальными для критически важных применений, где надежность и производительность имеют первостепенное значение.

4. Литая сталь

Литая сталь обладает отличной износостойкостью и высокой прочностью, что делает ее ценным материалом для промышленного применения. Однако для оптимизации ее механических свойств и микроструктуры необходима термическая обработка после литья. Отжиг и нормализация являются основными процессами, применяемыми к деталям из литой стали.

Отжиг предполагает нагрев литой стали до определенной температуры, выдержку в течение заданного времени, а затем медленное охлаждение. Этот процесс уменьшает внутренние напряжения, повышает пластичность и улучшает обрабатываемость. Нормализация, с другой стороны, предполагает нагрев стали выше критической температуры и последующее воздушное охлаждение. Такая обработка улучшает структуру зерна, повышает прочность и вязкость, а также обеспечивает более равномерные свойства по всей отливке.

Для задач, требующих еще большей прочности и твердости, литая сталь может подвергаться закалке и отпуску. Этот двухступенчатый процесс термообработки особенно полезен для крупногабаритных зубчатых колес, подвергающихся высоким нагрузкам и износу. Закалка быстро охлаждает нагретую сталь, обычно в масле или воде, формируя твердую мартенситную структуру. Последующий отпуск при более низких температурах снимает внутренние напряжения и повышает вязкость, сохраняя при этом большую часть твердости, полученной при закалке.

2. Чугун

Серый чугун характеризуется уникальной микроструктурой, содержащей хлопья графита в перлитной или ферритной матрице. Такая структура придает особые механические свойства:

• Хрупкость: Склонность к разрушению при внезапном ударе или высоком напряжении.
• Плохая ударопрочность: Ограниченная способность поглощать энергию от внезапных нагрузок.
• Умеренная износостойкость: Хотя этот сплав не так износостоек, как некоторые другие, в некоторых областях применения он работает достаточно хорошо.
• Отличная демпфирующая способность: Способность поглощать вибрации, уменьшая шум и резонанс.
• Хорошая обрабатываемость: Легко обрабатывается благодаря тому, что графит действует как стружколом.
• Высокая теплопроводность: Эффективный отвод тепла, полезный в некоторых областях применения.
• Отличная литейная способность: Позволяет создавать сложные формы с хорошей точностью размеров.

Серый чугун обычно используется в областях, требующих:

• Стабильная работа с минимальной вибрацией
• Низкие и умеренные скорости
• Передача малой и средней мощности
• Хорошая терморегуляция

К числу распространенных областей применения относятся:

• Блоки и головки цилиндров
• Станины и рамы для станков
• Тормозные роторы и барабаны
• Трубная арматура и корпуса клапанов
• Корпуса редукторов

При выборе серого чугуна для конкретного применения важно учитывать марку (определяемую прочностью на растяжение) и конкретные условия нагрузки, чтобы обеспечить оптимальную производительность и долговечность.

3. Неметаллические материалы

Чтобы снизить уровень шума и вибрации в системах зубчатых передач, инженеры часто используют неметаллические материалы для шестерни, а для большей шестерни применяют сталь или чугун. К распространенным неметаллическим материалам относятся высокоэффективные полимеры, такие как полиоксиметилен (POM), полиамид (нейлон) и фенольные смолы (например, бакелит). Эти материалы обладают отличными демпфирующими свойствами, уменьшенным весом и самосмазывающимися характеристиками, способствуя более тихой работе и повышению эффективности.

Выбор неметаллических материалов для зубчатых передач требует тщательного учета таких факторов, как грузоподъемность, рабочая температура и условия окружающей среды. Например, армированные сорта этих полимеров, включающие стекловолокно или углеродные волокна, могут значительно повысить прочность и стабильность размеров, что делает их пригодными для более сложных применений.

Хотя неметаллические зубчатые колеса обладают многочисленными преимуществами, для обеспечения достаточной износостойкости и стойкости к точечной коррозии сопрягаемое стальное или чугунное зубчатое колесо должно иметь соответствующую твердость поверхности. Рекомендуемый диапазон твердости поверхности металлических шестерен обычно находится в пределах 250-350 HBS (шкала твердости Бринелля). Этот диапазон твердости обеспечивает баланс между износостойкостью и вязкостью, необходимый для продления срока службы и надежной работы зубчатых колес.

Для достижения желаемой твердости поверхности могут применяться различные процессы термообработки, такие как индукционная закалка, науглероживание или азотирование, в зависимости от конкретного материала и требований к применению. Кроме того, такие виды обработки поверхности, как дробеструйное упрочнение, могут дополнительно повысить усталостную прочность и распределение напряжений по зубьям шестерен.

Принцип выбора материалов для зубчатых колес

Выбор материалов для зубчатых колес - это ответственный процесс, на который влияет множество факторов. При выборе следует руководствоваться следующими ключевыми соображениями:

1. Совместимость с условиями труда

Материал шестерни должен соответствовать конкретным эксплуатационным требованиям:

• В аэрокосмической отрасли требуются материалы с высоким соотношением прочности и веса, отличными возможностями передачи энергии и исключительной надежностью. В таких случаях обычно используются передовые легированные стали с превосходными механическими свойствами.
• В редукторах горного оборудования, работающих в условиях высоких мощностей и низких скоростей в запыленной среде, часто используется литая сталь или чугун, отличающиеся прочностью и износостойкостью.
• Для бытового и офисного оборудования требуются материалы, обеспечивающие стабильную передачу данных при минимальном уровне шума и снижении потребности в смазке. Инженерные пластики часто выбирают для этих целей благодаря их самосмазывающимся свойствам и шумопоглощающим характеристикам.

При выборе материала следует в первую очередь учитывать условия эксплуатации и эксплуатационные требования.

2. Размер шестерни, метод формирования заготовки, термическая обработка и процесс производства

• Крупные шестерни часто изготавливаются из стальных или чугунных заготовок благодаря их размерам и возможности формовки.
• Для достижения превосходных механических свойств в средних и малых высокопроизводительных передачах обычно используются заготовки из кованой стали.
• Для небольших, менее требовательных передач может быть достаточно круглой стальной заготовки.
• Методы поверхностной закалки, такие как науглероживание, азотирование и индукционная закалка, применяются в зависимости от требуемых свойств поверхности и прочности сердцевины.

2. Применение углеродистой стали

• Нормализованная углеродистая сталь подходит для зубчатых колес, работающих в условиях стабильных, малоударных нагрузок.
• Закаленная и отпущенная углеродистая сталь выдерживает умеренные ударные нагрузки и обладает повышенной прочностью и вязкостью.

2. Легированная сталь для высокопроизводительных применений

Легированные стали предпочтительны для зубчатых колес, подвергающихся высоким скоростям, большим нагрузкам и значительным ударным нагрузкам, благодаря их высокой прочности, вязкости и усталостной прочности.

5. Материалы для аэрокосмических передач

Для авиакосмических передач требуются высокопрочные легированные стали с поверхностной закалкой, чтобы максимально увеличить удельную мощность и минимизировать вес.

6. Разница в твердости зубчатых пар

• Для металлических шестерен с более мягкими поверхностями зубьев рекомендуется поддерживать разницу в твердости между сопрягаемыми шестернями на уровне 30-50 HBS или более.
• В высокоскоростных системах, где существует значительная разница в твердости (например, закаленная и шлифованная шестерня сопрягается с нормализованной или закаленной и отпущенной шестерней), более твердые зубья шестерни вызывают закалку на более мягкой поверхности шестерни. Это явление может увеличить предел усталости большей шестерни примерно на 20%.
• При использовании большой разницы в твердости очень важно уменьшить шероховатость поверхности более твердого зубчатого колеса, чтобы минимизировать износ и оптимизировать преимущества разницы в твердости.

Тщательно изучив эти факторы, инженеры могут выбрать наиболее подходящие материалы для зубчатых колес, чтобы обеспечить оптимальную производительность, долговечность и надежность в различных областях применения.

Заверните его

В заключение следует отметить, что выбор зубчатых колес в значительной степени зависит от конкретного применения и условий эксплуатации. Разные случаи использования требуют различных соображений, при этом выбор материала играет решающую роль в каждом сценарии.

При проектировании зубчатых передач необходимо уделять пристальное внимание выбору материала, чтобы обеспечить оптимальную производительность, долговечность и надежность. При этом следует учитывать такие факторы, как грузоподъемность, износостойкость, рабочая температура, коррозионная стойкость и экономическая эффективность. Например, углеродистые стали могут подойти для зубчатых колес общего назначения, в то время как специальные сплавы или даже неметаллические материалы, такие как высокоэффективные полимеры, могут потребоваться для экстремальных условий.

Кроме того, на выбор материала и конструкции влияет назначение шестерни в системе, будь то передача энергии, точное позиционирование или подавление шума. Тщательно подбирая материалы и конструкции зубчатых колес в соответствии с их конкретным применением, инженеры могут создавать не только практичные и долговечные, но и высокоэффективные зубчатые колеса, способные отлично справляться с возложенными на них функциями.