Матеріал шестерні визначає, яке навантаження вона витримає, скільки прослужить і як її виготовляти. У механічних цехах більшість шестерень покривають три сталі: 42CrMo4, 16MnCr5 і C45. Посібник порівнює їхній склад, термообробку, твердість і застосування, щоб ви правильно обрали сталь до зубофрезерування.
Коротко: яка сталь для якої шестерні
| Сталь | Тип | Приблизний аналог | Звичайна обробка | Твердість бокової поверхні | Для чого |
|---|---|---|---|---|---|
| 42CrMo4 (1.7225) | легована, для поліпшення | AISI 4140, ≈ 38ХМ | поліпшення, за потреби гартування СВЧ | близько 28–34 HRC після поліпшення; 50–56 HRC після СВЧ | навантажені вали-шестерні й колеса редукторів, шліцьові вали |
| 16MnCr5 (1.7131) | легована, цементована | AISI 5115, ≈ 18ХГ | цементація, гартування, низький відпуск | близько 58–62 HRC на поверхні | коробки передач, редуктори з великим зносом, шестерні насосів |
| 20MnCr5 (1.7147) | легована, цементована | AISI 5120, ≈ 18ХГТ | цементація, гартування, низький відпуск | близько 58–62 HRC на поверхні | більші або навантаженіші колеса, ніж із 16MnCr5 |
| C45 (1.0503) | вуглецева, для поліпшення | AISI 1045, ≈ сталь 45 | нормалізація або поліпшення, за потреби СВЧ | близько 170–210 HB після нормалізації; 50–55 HRC після СВЧ | помірні навантаження, звичайні запчастини, великі колеса |
Значення твердості орієнтовні й залежать від розміру деталі та режимів обробки.
42CrMo4: сталь для поліпшення для навантажених шестерень
42CrMo4 є хромомолібденовою легованою сталлю (близько 0,38–0,45% C, 0,90–1,20% Cr, 0,15–0,30% Mo, за EN 10083-3). Молібден дає їй добру прогартовуваність і стійкість до відпуску, тож властивості рівномірні й у товстіших перерізах.
Її часто постачають уже поліпшеною (загартованою і відпущеною), з межею міцності близько 900–1200 МПа залежно від діаметра. У такому стані її можна одразу фрезерувати без подальшої обробки. Для твердої поверхні бокові поверхні гартують СВЧ після нарізання, а серцевина залишається в'язкою.
Обирайте її для: валів-шестерень редукторів, коліс із великими й ударними навантаженнями, шліцьових валів і коліс, де треба уникнути деформацій від цементації.
16MnCr5 і 20MnCr5: цементовані сталі
16MnCr5 (близько 0,14–0,19% C, 1,00–1,30% Mn, 0,80–1,10% Cr, EN 10084) має мало вуглецю. Під час цементації поверхневий шар насичується вуглецем, а після гартування і низького відпуску стає дуже твердим, близько 58–62 HRC, тоді як серцевина залишається в'язкою. Таке поєднання опирається зносу бокових поверхонь і поломці зубів.
20MnCr5 має трохи більше вуглецю й марганцю, отже міцнішу серцевину; її застосовують для більших або навантаженіших коліс. Поширене орієнтовне правило: глибина цементованого шару близько 0,15 × модуль.
Обирайте їх для: шестерень коробок передач, редукторів із великим зносом бокових поверхонь, шестерень насосів, будь-якої передачі, де важливий ресурс.
Обробка спричиняє невеликі деформації. Якщо потрібна висока точність, бокові поверхні шліфують після гартування.
C45: вуглецева сталь для помірних навантажень
C45 (близько 0,42–0,50% C, 0,50–0,80% Mn, EN 10083-2) є найпоширенішою якісною вуглецевою сталлю в машинобудуванні. Вона легко обробляється, недорога і є всюди. Після нормалізації має твердість близько 170–210 HB; бокові поверхні можна загартувати СВЧ до близько 50–55 HRC.
Обирайте її для: коліс із помірним навантаженням, запчастин для старих машин, великих тихохідних коліс, прототипів.
Порядок операцій: коли робити термообробку
- Різання й токарна обробка заготовки по зовнішньому діаметру і ширині, з припуском на шліфування за потреби.
- Поліпшення, якщо матеріал не постачається поліпшеним (42CrMo4 і C45).
- Зубофрезерування черв'ячною фрезою на зубофрезерному верстаті.
- Остаточна термообробка: цементація й гартування (16MnCr5, 20MnCr5) або гартування СВЧ бокових поверхонь (42CrMo4, C45).
- Шліфування бокових поверхонь і отвору, якщо цього вимагає ступінь точності.
Цементовані сталі фрезерують у м'якому стані, що береже фрезу. Сталі, поліпшені понад приблизно 30 HRC, потребують фрез зі стійкіших матеріалів і м'якших режимів. На зубофрезерному верстаті з ЧПК режими різання зберігаються для кожного матеріалу в програмі деталі.
Інші матеріали для шестерень
- Олов'яна бронза (CuSn12): черв'ячні колеса, що ковзають по загартованому сталевому черв'яку. Докладніше в посібнику про черв'ячну передачу.
- Сірий або високоміцний чавун: великі тихохідні колеса і корпуси із зубчастим вінцем, де важливе гасіння вібрацій.
- Нержавіюча сталь (наприклад X20Cr13, ≈ 20Х13): насоси для харчової промисловості й агресивних середовищ.
- Технічні пластики (POM, PA6): тихі шестерні, малі навантаження, робота без мащення.
Як обрати, коротко
- Помірне навантаження, запчастина, низька ціна: C45.
- Велике навантаження, удари, мінімальна деформація: поліпшена 42CrMo4, можливо з гартуванням СВЧ.
- Великий знос бокових поверхонь, довгий ресурс, коробки передач: цементована 16MnCr5 або 20MnCr5.
Майстерня з виготовлення шестерень зазвичай працює з усіма трьома. Miatec, майстерня в Pechea, повіт Галац, описана в кейсі зубофрезерного верстата, виготовляє вали-шестерні редукторів, шестерні насосів і деталі сільгосптехніки. Для решти розмірів шестерні скористайтеся калькулятором шестерень (англійською).
Часті запитання
Який аналог сталі 42CrMo4?
Найближчий американський аналог AISI 4140, найближча марка за ГОСТ 38ХМ, європейський номер матеріалу 1.7225. Склад і властивості наведено в EN 10083-3.
Що означає поліпшена сталь?
Сталь, загартована і потім відпущена за високої температури. У результаті міцність і в'язкість поєднуються краще, ніж у нормалізованому стані. 42CrMo4 часто постачають поліпшеною, і її можна одразу фрезерувати.
Цементація чи гартування СВЧ?
Цементація дає твердий рівномірний шар по всьому зубу, включно з ніжкою, і підходить для маловуглецевих сталей (16MnCr5, 20MnCr5). Гартування СВЧ локально нагріває бокові поверхні в середньовуглецевих сталях (42CrMo4, C45) і менше деформує деталь.
Чи можна зробити вал-шестерню редуктора з C45?
Так, для помірних навантажень, із загартованими СВЧ боковими поверхнями. Для великих або ударних навантажень довше служать 42CrMo4 або цементована сталь.
Яку твердість має 16MnCr5 після цементації?
Зазвичай 58–62 HRC на поверхні з в'язкою серцевиною. Глибину шару обирають за модулем колеса і навантаженням.
