Сравнение 5 лучших материалов для зубчатых колес

При выборе материала зубчатого колеса и его термообработки необходимо учитывать условия работы, такие как режим передачи, свойства и размеры нагрузки, скорость передачи и требования к точности.

Кроме того, необходимо учитывать такие факторы, как закаливаемость стали, требования к упрочнению поверхности зубьев, а также совместимость материалов и значений твердости зубчатой пары в зависимости от модуля шестерни и размера сечения.

Шестерни могут быть изготовлены из различных материалов, включая чугун, сталь, материалы порошковой металлургии, цветные сплавы (например, медные сплавы) и неметаллические материалы. Сталь является наиболее распространенным материалом для изготовления зубчатых колес и может быть разделена на низкоуглеродистую сталь, среднеуглеродистую сталь, высокоуглеродистую сталь или легированную сталь.

Правильная термическая обработка, такая как нормализация, отжиг, закалка и отпуск, науглероживание, азотирование или поверхностная закалка, может значительно улучшить характеристики материала, режущую способность, качество обработки и срок службы шестерен.

Ниже приведены характеристики и условия применения различных стальных материалов и методов термической обработки для зубчатых колес:

1. Закаленная и отпущенная сталь

Степени стали

• 45, 35SiMn, 42SiMn, 37SiMn2MoV, 40MnB, 45MnB, 40Cr, 45Cr, 35CrMo, 42CrMo и др.

Процесс 1: Отпуск или нормализация

1. Сила и выносливость: Закаленные и отпущенные стальные шестерни отличаются хорошей прочностью и вязкостью, обычно имеют твердость в диапазоне 220-300 HBW.
2. Ограничения инструмента: Если твердость закаленной шестерни не может быть повышена из-за ограничений инструмента, можно использовать нормализованную большую шестерню, чтобы сохранить разницу в твердости между большой и малой шестернями. Однако нормализованные шестерни имеют меньшую прочность, чем закаленные.
3. Тонкая резка: Тонкая нарезка может использоваться для устранения искажений, вызванных термообработкой, и поддержания точности зубчатых колес.
4. Экономическая эффективность: Нормализованные шестерни не требуют специальной термообработки или оборудования для обработки поверхности зубьев, что делает их производство относительно недорогим.
5. Несущая способность: Нормализованные шестерни имеют меньшую твердость поверхности зубьев, что может ограничить их несущую способность.

Применимые условия: Нормализованные шестерни широко используются для общих средне- и низкоскоростных применений с низкими требованиями к прочности и точности, а также для крупных шестерен, которые трудно подвергать термообработке и финишной обработке.

Процесс 2: Закалка поверхности (индукционная закалка, закалка пламенем)

1. Твердость и стойкость: Шестерни с поверхностной закалкой обладают высокой твердостью поверхности зуба, стойкостью к точечной коррозии и износостойкостью. Закаленная поверхность создает остаточное напряжение, значительно повышая прочность корня зуба. Общий диапазон твердости поверхности зубьев составляет 45-55 HRC для легированной стали и 40-50 HRC для углеродистой стали.
2. Сила ядра: Закалка и отпуск могут быть проведены перед поверхностной закалкой для дальнейшего повышения прочности сердцевины.
3. Эффективность: Время индукционной закалки короткое.
4. Последовательность: Глубина и твердость упрочняющего слоя может варьироваться вдоль поверхности зуба.
5. Риск растрескивания: Быстрое нагревание и охлаждение может привести к растрескиванию.

Применимые условия: Шестерни с поверхностной закалкой широко используются для высоконагруженных и малосерийных применений.

2. Науглероживание стали

Степени стали

• 20Cr, 20CrMnTi, 20CrMnMo, 20CrMo, 22CrMo, 20CrNiMo, 18Cr2Ni4W, 20Cr2Ni4A и др.

Процесс: Науглероживание и закалка

1. Твердость и стойкость: Углеродистые и закаленные шестерни обладают высокой твердостью поверхности зубьев, стойкостью к точечной коррозии и износостойкостью. Закаленная поверхность создает остаточное напряжение, значительно повышая прочность корня зуба. Общий диапазон твердости поверхности зуба составляет 56-63 HRC.
2. Производительность резки: Углеродистые шестерни демонстрируют хорошие характеристики резания.
3. Искажения и точность: Науглероживание и закалка вызывают значительные деформации при термообработке, что требует шлифовки после термообработки для достижения высокой точности. Это увеличивает время и стоимость обработки.

Применимые условия: Углеродистые и закаленные шестерни широко используются для средних и малых передач с высокой несущей способностью, ударопрочностью, точностью и небольшим объемом.

3. Азотирование стали

Степени стали

• 38CrMoAlA, 30CrMoSiA, 25Cr2MoV и т.д.

Процесс: Азотирование

1. Твердость и стойкость: Азотированные шестерни имеют очень высокую твердость поверхности зубьев, стойкость к точечной коррозии и износостойкость. Сердечник обладает хорошей вязкостью. Среднеуглеродистая сталь часто подвергается закалке и отпуску для повышения прочности сердцевины.
2. Минимальное искажение: Благодаря низкой температуре нагрева деформация при термообработке минимальна, и зубы после азотирования не требуют шлифовки.
3. Толщина слоя: Тонкий закаленный слой делает шестерню менее пригодной для ударных нагрузок и обладает меньшей несущей способностью по сравнению с науглероженными и закаленными шестернями.
4. Стоимость и время: Азотирование занимает больше времени и стоит дороже, чем другие виды термообработки.

Применимые условия: Азотированные шестерни подходят для больших, стабильных нагрузок и для ситуаций, когда нет возможности использовать оборудование для обработки поверхности зубьев, но требуется твердая поверхность зубьев.

4. Литая сталь

Степени стали

• ZG310-570, ZG340-640, ZG42SiMn, ZG50SiMn, ZG40Cr1, ZG35CrMnSi и др.

1. Сложные формы: Этот процесс подходит для изготовления крупных зубчатых колес сложной формы.
2. Прочность: Прочность зубчатых колес, изготовленных по этой технологии, ниже, чем у закаленной и отпущенной стали той же марки и термической обработки.
3. Дефекты литья: Этот процесс может привести к дефектам литья.

Применимые условия: Этот процесс подходит для крупных зубчатых колес, которые невозможно выковать.

5. Чугун

Степени стали

• Различные виды серого чугуна, ковкого чугуна, ковкого чугуна и т.д.

1. Стоимость: Чугун имеет низкую стоимость материала.
2. Износостойкость: Чугунные шестерни обладают хорошей износостойкостью.
3. Сложные формы: Этот процесс подходит для изготовления крупных зубчатых колес сложной формы.
4. Технологии: Чугун обладает хорошими технологиями литья и резки.
5. Несущая способность: Чугунные шестерни обладают меньшей несущей способностью, чем шестерни из других материалов.

Применимые условия: Серый чугун и ковкий чугун подходят для низкоскоростных, малонагруженных и безударных передач. Ковкий чугун можно использовать для передач с большими нагрузками и ударами.

Понимая свойства и возможности применения различных материалов для зубчатых колес и процессов термообработки, инженеры могут принимать обоснованные решения для оптимизации работы и долговечности зубчатых колес в различных промышленных областях.