Выбор материала зубчатых колёс: 20CrMnTi, 40Cr, 42CrMo
Как выбрать сталь для зубчатых колёс: маршрут термообработки и марки 20CrMnTi, 40Cr, 42CrMo, 17CrNiMo6. Твёрдость 20CrMnTi HRC 58–62, 40Cr HB 260–300.
Как выбрать материал для зубчатых колёс: границы применимости 20CrMnTi, 40Cr, 42CrMo, 17CrNiMo6
Ключевой вывод: при выборе материала для зубчатых колёс сначала определяют маршрут термообработки, затем марку стали. Для средне- и низкоскоростных средненагруженных зубчатых колёс достаточно маршрута улучшения: 40Cr (после улучшения HB 260–300) подходит, а 42CrMo (HB 280–320) оставляют для крупносекционных тяжелонагруженных деталей; для тяжелонагруженных зубчатых колёс, требующих поверхностного упрочнения, применяют цементацию и закалку: поверхность 20CrMnTi может достигать HRC 58–62, сердцевина — HRC 30–42; для точных зубчатых колёс малого модуля с жёсткими требованиями по деформации можно рассмотреть азотирование 38CrMoAl, твёрдость поверхностного слоя — около HV 950–1100. Для заготовок одного типоразмера стоимость цементируемой стали примерно в 1.3–1.5 раза выше, чем улучшаемой стали; суть выбора материала — обменять стоимость на усталостную долговечность.
1. Сначала определяется маршрут термообработки — только тогда материал имеет значение#
Сама марка стали не определяет качество зубчатого колеса; его определяет марка стали + термообработка. Для одной и той же детали из 40Cr улучшение и поверхностная закалка — это два разных пути, разница в свойствах может быть более чем двукратной. Три основных маршрута:
- Улучшение (Quenching and Tempering): закалка с последующим высоким отпуском, формируется структура отпущенного сорбита, твёрдость обычно HB 240–320, сочетает прочность и вязкость, подходит для средне- и низкоскоростных зубчатых колёс с невысокими требованиями к твёрдости поверхности зубьев.
- Цементация и закалка (Carburizing and Quenching): низкоуглеродистая сталь цементируется при 920–950°C, затем закаливается; поверхностный слой — высокоуглеродистый мартенсит, сердцевина — низкоуглеродистая вязкая структура; поверхность твёрдая, сердцевина вязкая, подходит для тяжелонагруженных зубчатых колёс с высокими контактными напряжениями.
- Азотирование (Nitriding): при температуре около 500–570°C в азотсодержащей атмосфере атомы азота диффундируют в поверхность, образуя нитридный упрочнённый слой. Температура обработки низкая, деформация малая, но упрочнённый слой тонкий (обычно 0.3–0.6 mm), подходит для случаев с малым модулем, высокими требованиями к точности и без шлифования зубьев. Порядок выбора материала: сначала рассчитывают контактные напряжения на поверхности зубьев и напряжения изгиба у ножки зуба, определяют, нужно ли поверхностное упрочнение; если нужно, выбирают между цементируемой и азотируемой сталью.
2. Границы применимости четырёх распространённых марок зубчатых сталей#
| Марка стали | Термообработка | Типичная твёрдость | Условия применения | Относительная стоимость заготовки |
|---|---|---|---|---|
| 40Cr | Улучшение | HB 260–300 | Средне- и низкоскоростные средненагруженные, зубчатые колёса станков, обычные редукторы | 1.0 |
| 42CrMo | Улучшение | HB 280–320 | Крупномодульные тяжелонагруженные валы, зубчатые колёса большого диаметра | 1.15 |
| 20CrMnTi | Цементация и закалка | Поверхность HRC 58–62, сердцевина HRC 30–42 | Зубчатые колёса автомобильных коробок передач, промышленных редукторов | 1.35 |
| 17CrNiMo6 | Цементация и закалка | Поверхность HRC 58–62, сердцевина HRC 33–45 | Тяжелонагруженные зубчатые редукторы, главные передачи ветроэнергетики | 1.8 |
| 38CrMoAl | Улучшение + азотирование | Поверхностный слой около HV 950–1100 | Зубчатые колёса малого модуля высокой точности с жёсткими требованиями по деформации | 1.2 |
| Стоимость оценивается для заготовок одного типоразмера и не включает термообработку. Дополнительные затраты на цементируемую сталь покупают контактную усталостную долговечность поверхности зубьев — при одинаковой нагрузке цементованная и закалённая поверхность зубьев обычно на одну ступень лучше сопротивляется питтингу, чем улучшенная. |
Улучшаемая сталь: 40Cr и 42CrMo#
40Cr — широко используемая в Китае улучшаемая сталь для зубчатых колёс, недорогая и легкодоступная. 42CrMo имеет лучшую прокаливаемость, чем 40Cr; при большом сечении сердцевина также закаливается, поэтому её часто применяют для крупномодульных зубчатых колёс большого диаметра на валах. Для средненагруженных зубчатых колёс с модулем менее 8 и небольшой шириной зубчатого венца улучшения 40Cr обычно достаточно.
Цементируемая сталь: 20CrMnTi и 17CrNiMo6#
20CrMnTi имеет среднюю прокаливаемость, требуемая твёрдость достигается уже при закалке в масле; в Китае её довольно часто применяют для средне- и маломодульных тяжелонагруженных зубчатых колёс, она распространена в автомобильных коробках передач и в проектах изготовленных на заказ зубчатых колёс . 17CrNiMo6 обладает хорошей прокаливаемостью и высокой вязкостью сердцевины, подходит для случаев с большим модулем и заметными ударными нагрузками, но и стоит на одну ступень дороже.
Азотируемая сталь: 38CrMoAl#
После азотирования 38CrMoAl имеет высокую поверхностную твёрдость и малую деформацию; после азотирования зубья обычно больше не шлифуют. Недостаток — тонкий упрочнённый слой и ограниченная стойкость к контактной усталости; при большой нагрузке на поверхность зубьев он не выдерживает. Предпосылка его применения — расчётное подтверждение того, что контактные напряжения укладываются в допустимые значения.
3. Если материал выбран неправильно, отказ наступит раньше#
Три реально встречавшихся случая:
- Замена 20CrMnTi на 40Cr. На поверхности зубьев выходного зубчатого колеса редуктора появился питтинг: примерно через 2000 часов работы возникли язвины. Улучшенная поверхность 40Cr имела HB 285; её контактная усталостная прочность ниже, чем у цементованного слоя. Этот результат фактически был предсказуем; проблема в том, что при выборе материала по чертежу не рассчитали контактные напряжения.
- Цементация крупномодульного зубчатого колеса из 20CrMnTi. У зубчатого колеса с модулем 12 и шириной зубчатого венца 120 mm твёрдость сердцевины составила лишь HRC 25–28, что ниже требуемой HRC 30; прочность на изгиб у ножки зуба недостаточна, риск излома зуба возрастает. 20CrMnTi имеет среднюю прокаливаемость: при большом сечении сердцевина не закаливается; в таком случае следует заменить материал на 17CrNiMo6.
- 40Cr только улучшен, без поверхностной закалки — износ поверхности зубьев. При высокой частоте вращения и большом удельном скольжении улучшенная твёрдость не выдерживает износа; после перехода на высокочастотную поверхностную закалку твёрдость поверхности зубьев достигла HRC 45–52, и проблема износа исчезла. Если материал выбран неправильно, последующая тщательная отработка технологии уже не компенсирует это.
4. В чертеже информация о материале должна быть указана полностью#
В приемлемом чертеже зубчатого колеса в графе материала должны быть указаны как минимум три пункта: марка стали, способ термообработки и диапазон твёрдости. Если указать только “40Cr” без термообработки, поставщик сделает по своему усмотрению, и при приёмке стороны будут говорить о разном. При закупке требуйте на сталь сертификат качества; в первую очередь проверяйте номер плавки, химический состав и макроструктуру; стандарт исполнения обычно GB/T 3077. У одной и той же марки стали от разных заводов диапазон прокаливаемости различается; для серийных деталей рекомендуется закреплять завод-поставщик. Практический вывод: Когда мы выполняем обработку точных зубчатых колёс , на этапе согласования чертежа проверяем три вещи: не превышают ли контактные напряжения на поверхности зубьев допустимые значения для материала, достаточна ли прокаливаемость для размеров сечения, соответствующих модулю и ширине зубчатого венца, и чётко ли указаны требования к твёрдости и места контроля. Большинство возвратов на доработку связаны не с обработкой, а с выбором материала и маркировкой. Для цементуемых деталей мы обязательно делаем образцы-свидетели в садке каждой партии и измеряем фактическую CHD и поверхностную твёрдость; данные остаются в отчёте, чтобы при последующих проблемах можно было отследить плавку. Если нужна поддержка по выбору материала, смотрите классификацию зубчатой продукции ; чтобы узнать о технологических возможностях, см. страницу технологических возможностей . Geyon Transmission — решения для точных зубчатых передач и обработки | узнать о наших технологических возможностях | посмотреть классификацию зубчатой продукции