1.2 Термическая и химико-термическая обработка сталей

Для зуб­чатых колес применяют следующие основные виды поверхностного тер­мического и химико-термического упрочнения: поверхностная закалка, цементация и нитроцементация с закалкой, азотирование.

Поверхностная закалка. В основном применяют с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). В связи с тем, что нагреваются поверхностные слои в течение 20... 50 с, деформации при закалке невелики и можно обойтись без последующего шлифования зубьев (однако это понижает точность на одну-полторы степени). Материалы колес – стали 40Х, 35ХМ. Обычно твердость на поверхности 50.. .55 HRC.

Цементация. Это поверхностное насыщение углеродом сталей с со­держанием углерода менее 0,3% с последующей закалкой обеспечивает высокую твердость и несущую способность поверхностных слоев зубьев (56.. .63 HRC), также высокую прочность на изгиб, если цементованный слой не снимается последующим шлифованием впадины.

Обычно зубчатые колеса изготовляют из хромистой стали 20Х, а ответственные зубчатые колеса, работающие с ударными нагрузками, из хромоникелевых сталей 12ХН3А, 20ХНМ, 18Х2Н4МА, 20Х2Н4А и безникелевых сталей 18ХГТ, 25ХГТ и 15ХФ (Ф – ванадий). Указанные стали целесообразно подвергать газовой цементации.

Цементация и закалка зубьев после шевингования повышают проч­ность зубьев на изгиб до трех раз. Однако прижоги при шлифовании могут снизить этот эффект в 1,3...2 раза. Толщина цементованного слоя пример­но 0,3 модуля. Процесс цементации на глубину 1 мм занимает около 3 ч.

Азотирование – насыщение азотом, обеспечивающее особо высокую твердость (58...65HRC) и износостойкость поверхностных слоев. Азо­тируют готовые детали без последующей закалки. Применяют для мо­либденовой стали 38Х2МЮА (Ю – алюминий), безалюминиевых сталей типа 40ХФА, 40ХНА, 40Х. Азотирование – длительный процесс, требую­щий до 20...60 ч при толщине слоя 0,25...0,6 мм. Возможно ускорение процесса путем применения ионного азотирования в тлеющем разряде. Зубья после азотирования в связи с минимальным короблением не шли­фуют, поэтому его применяют для колес с внутренними зубьями и других, шлифование которых трудноосуществимо. Недостатками азотированных колес являются малая толщина упрочненного слоя, равная 0,2...0,5 мм, не позволяющая применять их: при ударных нагрузках из-за опасности рас­трескивания упрочненного слоя; при работе с интенсивным изнашиванием (при загрязненной смазке, попадании абразива).

Нитроцементация – насыщение поверхностных слоев углеродом и азо­том в газовой среде с последующей закалкой, обеспечивающее им высокую прочность, износостойкость и сопротивление заеданию. Нитроцементация характеризуется достаточно высокой скоростью протекания процесса – по­рядка 0,1 мм/ч и выше. В связи с малыми толщиной слоя и деформациями позволяет во многих случаях обойтись без последующего шлифования. Нитроцементацию применяют для сталей 20Х, 12ХН3Л, 18ХГТ.

Лазерная закалка обеспечивает высокую твердость (до 64 HRC), не вызывает коробления и используется для местного упрочнения участка в виде тонкой полосы вдоль зуба, где ожидается выкрашивание или заедание зубьев.

Улучшение применяют для зубчатых колес, преимущественно изготов­ляемых из качественных углеродистых сталей 40, 45, 50Г и легированных сталей 35ХГС (С – кремний), 40Х и др. в условиях мелкосерийного и единичного про­изводства при отсутствии жестких требований к габаритным размерам. Чистовое нарезание зубьев улучшаемых колес производят после термиче­ской обработки, что принципиально облегчает шлифование и позволяет обеспечить высокую точность.

Нормализацию применяют для обоих сопряженных зубчатых колес вспомогательных механизмов, например, механизмов с ручным приво­дом. Основные материалы - среднеуглеродистые стали 40, 45, 50. Для исключения заедания шестерни и колеса следует изготовлять из разных материалов.

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