Материалы и термообработка

Практикой эксплуатации и специальными исследованиями уста­новлено, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зу­бьев, определяется в основном твердостью материала. Высокую твердость в сочетании с другими характеристиками, а следователь­но, малые габариты и массу передачи можно получить при изготов­лении зубчатых колес из сталей, подвергнутых термообработке. Сталь в настоящее время основной материал для изготовления зубчатых колес и, в особенности для зубчатых колес высоконаг­руженных передач.

В зависимости от твердости (или термообработки) стальные зубчатые колеса разделяют на две основные группы: твердостью 350 НВ - зубчатые колеса, нормализованные или улучшенные; твердостью >350 НВ - с объемной закалкой, закалкой ТВЧ, цементацией, азотированием и др. Эти группы различны по тех­нологии, нагрузочной способности и способности к приработке.

Твердость материала 350 НВ позволяет производить чисто­вое нарезание зубьев после термообработки. При этом можно полу­чать высокую точность без применения дорогих отделочных опера­ций (шлифовки, притирки и т.п.). Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при ди­намических нагрузках. Для лучшей приработки зубьев твердость шестерни рекомендуют назначать больше твердости колеса не ме­нее чем на 10... 15 единиц:

+ (10...15)НВ.

Технологические преимущества материала при 350 НВ обес­печили ему широкое распространение в условиях индивидуального и мелкосерийного производства, в мало- и средненагруженных пе­редачах, а также в передачах с большими колесами, термическая обработка которых затруднена.

При Н>350 НВ (вторая группа материалов) твердость выража­ется обычно в единицах Роквелла НRС (1НRС 10 НВ).

Специальные виды термообработки позволяют получить твер­дость = (50...60) НRС. При этом допускаемые контактные напряжения увеличиваются до двух раз, а нагрузочная способность передачи - до четырех раз по сравнению с нормализованными или улучшенными сталями. Воз­растают также износостойкость и стойкость против заедания.

Применение высокотвердых материалов является большим резер­вом повышения нагрузочной способности зубчатых передач. Однако с высокой твердостью связаны некоторые дополнительные трудно­сти:

1. Высокотвердые материалы плохо прирабатываются, поэтому они требуют повышенной точности изготовления, повышенной же­сткости валов и опор, желательно фланкирование зубьев прямозу­бых колес.

2. Нарезание зубьев при высокой твердости затруднено, поэтому термообработку выполняют после нарезания. Некоторые виды тер­мообработки (объемная закалка, цементация) сопровождаются зна­чительным короблением зубьев. Для исправления формы зубьев требуются дополнительные операции: шлифовка, притирка, обкатка и т. п. Эти трудности проще преодолеть в условиях крупносерий­ного и массового производства, когда окупаются затраты на специ­альное оборудование, инструменты и приспособления. В изделиях крупносерийного и массового производства применяют, как прави­ло, колеса с высокотвердыми зубьями.

Объемная закалка — наиболее простой способ получения высо­кой твердости зубьев. При этом зуб становится твердым по все­му объему. Для объемной закалки используют углеродистые и ле­гированные стали со средним содержанием углерода 0,35...0,5% (стали 45, 40Х, 40ХН и т. д.). Твердость на поверхности зуба 45...55 НRС.

Недостатки объемной закалки: коробление зубьев и необходи­мость последующих отделочных операций, понижение изгибной прочности при ударных нагрузках (материал приобретает хруп­кость); ограничение размеров заготовок, которые могут восприни­мать объемную закалку. Последнее связано с тем, что для получения необходимой твердости при закалке скорость охлаждения не должна быть ниже критической. С увеличением размеров сечений детали скорость охлаждения пада­ет, и если ее значение будет меньше критической, то получается так называемая мягкая закалка. Мягкая закалка дает пониженную твер­дость.

Объемную закалку во многих случаях заменяют поверхност­ными термическими и химико-термическими видами обработки, которые обеспечивают высокую поверхностную твердость (высо­кую контактную прочность) при сохранении вязкой сердцевины зуба (высокой изгибной прочности при ударных нагрузках).

Поверхностная закалка токами высокой частоты или пламе­нем ацетиленовой горелки обеспечивает = (48...54) HRС и приме­нима для сравнительно крупных зубьев ( 5 мм). При малых модулях опасно прокаливание зуба насквозь, что делает зуб хруп­ким и сопровождается его короблением. При относительно тонком поверхностном закаливании зуб искажается мало. И все же без дополнительных отделочных операций трудно обеспечить степень точности выше 8-й. Закалка ТВЧ требует специального оборудова­ния и строгого соблюдения режимов обработки. Стоимость об­работки ТВЧ значительно возрастает с увеличением размеров ко­лес. Для поверхностной закалки используют стали 40Х, 40ХН, 45 и др.

Цементация (насыщение углеродом поверхностного слоя с по­следующей закалкой) - длительный и дорогой процесс. Однако она обеспечивает очень высокую твердость (58...63 НRС). При закалке после цементации форма зуба искажается, а поэтому требу­ются отделочные операции. Для цементации применяют низкоуг­леродистые стали простые (сталь 15 и 20) и легированные (20Х, 12ХН3А и др.). Легированные стали обеспечивают повышенную прочность сердцевины и этим предохраняют продавливание хруп­кого поверхностного слоя при перегрузках. Глубина цементации около 0,1...0,15 от толщины зуба, но не более 1,5...2 мм.

При цементации хорошо сочетаются весьма высокие контактная и изгибная прочности. Ее применяют в изделиях, где масса и габа­риты имеют решающее значение (транспорт, авиация и т. п.).

Нитроцементация — насыщение углеродом в газовой среде. При этом по сравнению с цементацией сокращаются длительность и стоимость процесса, упрочняется тонкий поверхностный слой (0,3...0,8 мм) до 60...63 НRС, коробление уменьшается, что позволя­ет избавиться от последующего шлифования. Нитроцементация удобна в массовом производстве и получила широкое применение в редукторах общего назначения, в автомобилестроении и других отраслях - материалы 25ХГМ, 25ХГТ и др.

Азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом) обес­печивает не меньшую твердость, чем при цементации. Малая тол­щина твердого слоя (около 0,1...0,6 мм) делает зубья чувствитель­ными к перегрузкам и непригодными для работы в условиях повы­шенного абразивного износа (например, плохая защита от загрязне­ния). Степень коробления при азотировании мала. Поэтому этот вид термообработки особенно целесообразно применять в тех слу­чаях, когда трудно выполнить шлифование зубьев (например, коле­са с внутренними зубьями). Для азотируемых колес применяют молибденовую сталь 38ХМЮА или ее заменители 38ХВФЮА и 38ХЮА. Заготовку зубчатого колеса, предназначенного для азо­тирования, подвергают улучшению в целях повышения прочности сердцевины.

При отсутствии абразивного износа целесообразно применять так называемое мягкое азотирование на глубину 10... 15 мкм. Оно значительно проще, обепечивает минимальное коробление и позво­ляет получать зубья 7-й степени точности без отделочных операций. Для мягкого азотирования применяют улучшенные хромистые ста­ли типа 40Х, 40ХФА, 40Х2НМА.

Как было отмечено, высокая твердость зубьев значительно по­вышает их контактную прочность. В этих условиях решающей может оказаться не контактная, а изгибная прочность. Для повыше­ния изгибной прочности высокотвердых зубьев рекомендуют прово­дить упрочнение галтелей путем дробеструйного наклепа, накатки и т. п.

В зависимости от способа получения заготовки различают ли­тые, кованые, штампованные колеса и колеса, изготовляемые из круглого проката. Стальное литье обладает пониженной прочно­стью и используется обычно для колес крупных размеров, работа­ющих в паре с кованой шестерней.

Чугун применяют главным образом для изготовления крупнога­баритных, тихоходных колес и колес открытых зубчатых передач. Основной недостаток чугуна - пониженная прочность по напряже­нию изгиба. Однако чугун хорошо противостоит усталостному выкрашиванию и заеданию в условиях скудной смазки. Он не дорог и обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатыва­ется. Разработанные новые сорта модифицированного чугуна по­зволяют чугунному литью конкурировать со стальным литьем так­же и в закрытых передачах. Для изготовления зубчатых колес применяют серый и модифицированный чугун, а также магниевый чугун с шаровидным графитом.

Из пластмасс для изготовления зубчатых колес находят приме­нение главным образом текстолит ( =6000...8000 МПа) и лигнофоль ( = 10000...12000 МПа), а также полиамиды типа капрона. Из пластмассы изготовляют обычно одно из зубчатых колес пары. Из-за сравнительно низкой нагрузочной способности пластмассо­вых колес их целесообразно применять в малонагруженных и кине­матических передачах. В силовых передачах пластмассовые колеса используют только в отдельных случаях, например при необходи­мости обеспечить бесшумную работу высокоскоростной передачи, не прибегая к высокой точности изготовления, и вместе с тем при условии, что габариты этой передачи допускают повышенные раз­меры колес. Пластмассовые колеса целесообразно применять и в тех случаях, когда трудно обеспечить точное расположение валов (нет общего жесткого корпуса). Эти колеса менее чувст­вительны к неточностям сборки и изготовления благодаря малой жесткости материала.