2.2 Выбор материала зубчатых колес

В зависимости от вида, назначения, условий эксплуатации и требований к габаритным размерам передачи, следует выбирать материал зубчатых колес с необходимой твердостью рабочих поверхностей зубьев и с соответствующим вариантом термической обработки [2, c.12, таб.2.1], [3, c.170−171, таб.8.7], [4, c.88, таб.4.5].

Основным материалом для большинства зубчатых колес, применяемых в машиностроении, являются стали. В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев после термообработки зубчатые колеса можно условно разделить на две группы:

1) прирабатываемые зубчатые колеса с твердостью рабочих поверхностей зубьев менее НВ350 – термообработка нормализация и улучшение;

2) слабо прирабатываемые зубчатые колеса с твердостью рабочих поверхностей зубьев более НВ350 – термообработка закалка, цементация, азотирование и т.д.

На практике основное применение имеют следующие варианты термической обработки:

I – термическая обработка колеса – улучшение до твердости 235262НВ и термическая обработка шестерни – улучшение до твердости 269302НВ. Марки сталей одинаковы для колеса и шестерни (например, стали 40, 45, 50 ГОСТ 1050-88, 40Х, 40ХН, 35ХМ ГОСТ 4543-71 и т.д.). Зубья колес из улучшаемых сталей хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению, но имеют ограниченную нагрузочную способность.

II – термическая обработка колеса – улучшение до твердости 269302НВ и термическая обработка шестерни – улучшение и закалка ТВЧ, твердость поверхности в зависимости от марки стали 4550HRC_Э и 4853HRC_Э. Твердость сердцевины зуба соответствует термической обработке – улучшение. Марки сталей одинаковы для колеса и шестерни.

III – термическая обработка колеса и шестерни одинаковая – улучшение и закалка ТВЧ, твердость поверхности в зависимости от марки стали 4550HRC_Э и 4853HRC_Э. Марки сталей одинаковы для колеса и шестерни.

IV – термическая обработка колеса – улучшение и закалка ТВЧ, твердость поверхности в зависимости от марки стали 4550HRC_Э и 4853HRC_Э; термическая обработка шестерни – улучшение, цементация и закалка, твердость поверхности 5663 HRC_Э. Материал шестерни – стали марок 20Х, 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХН3А, 25ХГМ ГОСТ 4543-71 и др.

V – термическая обработка колеса и шестерни – улучшение, цементация и закалка, твердость поверхности 5663HRC_Э. Цементация (поверхностное насыщение углеродом) с последующей закалкой наряду с большой твердостью поверхностных слоев обеспечивает и высокую прочность зубьев на изгиб. Марки сталей одинаковы для колеса и для шестерни: 20Х, 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХН3А, 25ХГМ ГОСТ 4543-71 и др.

Кроме цементации применяют также нитроцементацию (твердость поверхности 5663HRC_Э, стали марок 25ХГМ, 30ХГТ) и азотирование (твердость поверхности 5867HRC_Э, стали марок 38Х2МЮА, 40ХНМА).

При поверхностной термической или химико-термической обработке зубьев механические характеристики сердцевины зуба определяет предшествующая термическая обработка (улучшение).

Несущая способность зубчатых передач по контактной прочности тем выше, чем выше поверхностная твердость зубьев. Поэтому целесообразно применение поверхностного термического или химико-термического упрочнения. Эти виды упрочнения позволяют в несколько раз повысить нагрузочную способность передачи по сравнению с улучшаемыми сталями. Однако, при назначении твердости рабочих поверхностей зубьев следует иметь в виду, что большей твердости соответствует более сложная технология изготовления зубчатых колес и малые размеры передачи, что может привести к трудностям при конструктивной разработке узла.

Для передач редукторов общего назначения, к габаритным размерам которых не предъявляют особых требований, следует применять материалы первой группы, зубчатые колеса из данных сталей дешевы в изготовлении и хорошо прирабатываются в процессе эксплуатации. Материалы второй группы применяют, как правило, только в ответственных механизмах с особыми требованиями к габаритам и массе. В открытых цилиндрических передачах применяются материалы только первой группы. Механические характеристики сталей, применяемых для зубчатых колес, приведены в таблице 1.

Таблица 1  Механические характеристики сталей, применяемых для изготовления зубчатых колес

Марка стали	Размеры, мм		Твердость		σВ , МПа	σT, МПа	Термическая обработка
	Диаметр D, мм	Толщина S, мм	HB	HRСЭ
35	Любой	Любая	162192		570	270	Нормализация
45 45 45	Любой 200 80	Любая 80 50	179207 235262 269302	  	600 780 800	320 540 650	То же Улучшение То же
40X 40X 40X	200 125 125	125 80 80	235262 269302 269302	  4550	700 900 900	640 750 750	То же То же Улучшение, закалка ТВЧ
35ХМ 35ХМ 35ХМ	315 200 200	200 125 125	235262 269302 269302	  4853	800 920 930	670 750 750	Улучшение То же Улучшение, закалка ТВЧ
40XH 40XH 40XH	315 200 200	200 125 125	235262 262302 262302	  4853	800 950 830	630 780 750	Улучшение То же Улучшение, закалка ТВЧ
20ХН2М 18ХГТ 12ХНЗА 12ХГНА 20Х 25ХГМ	200 300 200 200 200 200	125 125 125 125 125 125	300400 300400 300400 300400 300400 300400	5663 5663 5663 5663 5663 5663	1000 1000 1000 1000 1000 1000	800 800 800 800 800 800	Улучшение +цементация +закалка То же То же То же То же То же
40ХНМА 38Х2МЮА	125 125	80 80	269302 269302	5663 5663	980 980	780 780	Улучшение +азотирование То же
35Л 45Л 50ГЛ	Любой 315 315	Любая 200 200	163257 207235 235262	  	650 680 850	270 440 600	Нормализация Улучшение То же