1.2 Материалы для изготовления колес

В качестве материала для изготовления зубчатых колес в основном применяются стали и чугуны, в особых случаях могут использоваться неметаллические материалы и сплавы цветных металлов. При выборе материалов необходимо учитывать назначение и условия работы передачи, требования технологии и стоимость материалов и изготовления. Для зубчатых колес редукторов применяются углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,1…0,6%. Выбор марки стали определяется конструкцией, условиями эксплуатации и технологией изготовления зубчатых колес.

Одним из определяющих факторов является твердость зубчатых колес. Если зубчатые колеса нарезаются после термообработки – нормализации или улучшения, то твердость активных поверхностей зубьев применяется в пределах НВ 200…280, но не должна превышать НВ 350. Для зубчатых колес с твердостью Н ≤ НВ 350 применяются стали 40, 45, 50, 50Г, 35Х, 40Х, 45Х, 40ХН и др. Термообработка улучшение (закалка с высоким отпуском) позволяет получать верхний предел твердостей активных поверхностей зубьев при хорошей структуре металла. Использование сталей с твердостью рабочих поверхностей ≤ НВ 350 позволяет изготовлять зубчатые колеса по упрощенной схеме с чистовой обработкой зубьев после термообработки.

С целью повышения нагрузочной способности передач для снижения габаритов и веса передач используются объемная закалка с низким отпуском, и химико-термическая обработка (цементация, азотирование, цианирование и др.). В этих случаях нарезание зубьев производится до термообработки, а возможные отделочные операции после термообработки. При цементации активная поверхность зубьев после закалки приобретает твердость НRC 55…63 при достаточно вязкой сердцевине, но требуются доводочные операции, например шлифование, для устранения искажения формы зубьев. Для этого используются стали марок 15, 20, 15Х, 20ХР, 12Х НЗ, 18ХН ВА и др. с содержанием углерода 0,12…0,3%. Азотирование обеспечивает высокую поверхностную твердость при небольшой толщине твердого слоя 0,06…0,1 мм, что делает опасным подслойные разрушения. После азотирования отделочные операции не применяются. Для азотирования используются в основном стали, легированные алюминием: 38ХМЮА, 35ХЮА, 45Х2МФЮА и др. Цианирование также дает высокую поверхностную твердость (НRC 60…63) при небольшой толщине твердого слоя. Применяются стали марок 20Х, 35Х, 40Х, 35ХГТ и др. Объемной закалке, а также поверхностной закалке с нагревом ТВЧ подвергаются зубчатые колеса из сталей с содержанием углерода 0,4…0,5% : 45, 50, 50Г, 40Х, 40ХН, 40ХН4А и др. Термообработку осуществляют после нарезки зубьев с окончательным их шлифованием после термообработки.

При выборе материалов необходимо учитывать их стоимость и размеры зубчатых колес. Относительная стоимость некоторых легированных сталей по сравнению с углеродистой сталью марки 45, которую принимают за 1, составляет:

- 15Х, 20Х, 40Х – 1,2…1,3; - 40ХН, 35ХГС – 1,4…1,5; - 38ХВФЮА – 2,4…2,6;

- 12ХНВА – 4,4…5,0.

Легированные марки сталей и химико-термические методы обработки зубьев применяют, как правило, для массовых изделий. В условиях мелкосерийного производства для снижения стоимости изделий применяют наиболее массовые марки легированных сталей по ГОСТ 4543-71 – стали 40Х и 40ХН, которые при малой относительной стоимости имеют достаточно высокие механические характеристики.