Стали для зубчатых колес

Основным эксплуатационным свойством смазываемых колес, как и подшипников качения, является контактная выносливость. Она определяет габаритные размеры зубчатой передачи и ресурс ее работы. Кроме высокой контактной выносливости от зубчатых колес требуется сопротивление усталости при изгибе, износостойкость профилей и торцов зубьев, устойчивость к схватыванию. Наиболее полно этим требованиям удовле­творяют стали, имеющие твердый поверхностный слой, а также вязкую и достаточно прочную сердцевину, способную противостоять действию ударных нагрузок. Сочетание твердой поверхности и вязкой сердцевины достигается химико-термической обработкой низкоуглеродистых сталей или поверхностной закалкой среднеуглеродистых сталей. Выбор стали и метода упрочнения зависит от условий работы зубчатой передачи, технологических требований и имеющегося оборудования.

Для зубчатых колес, работающих при высоких контактных нагрузках, применяют цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали. Они имеют наиболее высокий предел контактной выносливости, значение которого устанавливают в зависимости от твердости поверхности.

Твердость цементованной поверхности при концентрации углерода 0,8 -1,4% и структуре, состоящей из высокоуглеродистого мартенсита или его смеси с дисперсными карбидами, составляет 58 - 63 HRC. Излишне высокая твердость нежелательна из-за возможности хрупкого разрушения цементованного слоя. При постоянной твердости поверхности контактная выносливость растет с увеличением толщины упрочненного слоя и твердости сердцевины. Толщину цементованного слоя принимают равной (0,20 — 0,26) модуля колеса, но не более 2 мм. Твердость сердцевины составляет 30 - 42 HRC.

Сильно нагруженные зубчатые колеса диаметром 150 - 600 мм и более изготовляют из хромоникелевых сталей 20ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА и др. Их используют в редукторах вертолетов, судов, самолетов. Для мелких и средних колес приборов, сельскохозяйственных машин применяют хромистые стали 15Х, 15ХФ, 20ХР и др.

После цементации и последующей термической обработки зубчатые колеса имеют значительную деформацию. Для ее устранения необходимо зубошлифование, что усложняет технологию.

В условиях массового производства (авто- и тракторостроение) применяют экономнолегированные стали 18ХГТ, ЗОХГТ, 25ХГМ, 20ХНМ, 20ХГР и др. Их подвергают нитроцементации, которая проводится при несколько меньшей температуре, чем цементация, и сочетается с подстуживанием и непосредственной закалкой. Деформация уменьшается, поэтому зубчатые колеса из таких сталей не шлифуют.

В условиях серийного производства получает применение ионная нитроцементация, которая для хромоникелевых (12Х2Н4А, 18Х2Н4МА) и сложнолегированных (20ХЗМВФА и др.) сталей обеспечивает в 2 - 3 раза более высокую контактную выносливость, чем обычная газовая цементация и нитроцементация.

Азотирование гарантирует высокую твердость поверхности, но из-за небольшой толщины упрочненного слоя возможны подслойные разрушения. Азотирование целесообразно применять для средненагруженных зубчатых колес сложной конфигурации, шлифование которых затруднено. Для азотированных колес используют стали 38Х2МЮА, 40Х, 40ХФА и др.

Поверхностной и объемной индукционной закалке с последующим низким отпуском подвергают зубчатые колеса малых и средних размеров из сталей с содержанием углерода 0,4 - 0,5 %. Для контурной поверхностной закалки на глубину (0,20 - 0,25) m используют стали 40, 45, 50Г, 40Х, 40ХН и др. Сердцевина при этом не закаливается и остается вязкой. По нагрузочной способности эти стали уступают цементуемым сталям.

В последнее время для изготовления зубчатых колес автомобилей и станков взамен легированных цементуемых сталей применяют сталь пониженной прокаливаемости 58 (или 55ПП). Это качественная углеродистая сталь (ГОСТ 1050-88), которая содержит 0,55 - 0,63 % С и минимальное количество примесей (0,15% Сr, 0,20% Мn и 0,30%о Si), увеличивающих прокаливаемость. При глубинном индукционном нагреве и интенсивном охлаждении водой детали из этой стали получают только поверхностную закалку. Закаленный слой, как и при цементации, имеет толщину 1-2 мм и высокую твердость (58 - 62 HRC), плавно снижающуюся к сердцевине. Сердцевина закаливается на троостит или сорбит, имеет твердость 40 -30 HRC при достаточной вязкости. Применение этой дешевой стали дает большой экономический эффект.

Зубчатые колеса, работающие при невысоких нагрузках, изготовляют из сталей 40, 50, 40Х, 40ХН и других после нормализации и улучшения. Невысокая твердость материала (< 350 НВ) позволяет нарезать зубья после термической обработки, что упрощает технологию изготовления колес.

Для волновых передач и небольших зубчатых колес, работающих при малых нагрузках и скоростях, применяют неметаллические- материалы: текстолиты ПТ и ПТК, древесно-слоистые пластики, полиамиды ~ капрон, нейлон. Их используют для привода спидометров и распределительных валов автомобилей, киноаппаратов, текстильных и пищевых машин. Достоинство таких зубчатых колес — отсутствие вибраций и шума, высокая химическая стойкость.

3. Материалы, устойчивые к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузок

Трение при высоком давлении и ударном нагружении характерно для работы траков гусеничных машин, крестовин железнодорожных рельсов, ковшей экскаваторов и других деталей. Их изготовляют из высокомарганцовистой аустенитной стали 110Г13Л, содержащей примерно 1,1 % С и 13 % Мn. Высокая износостойкость этой стали обусловлена способностью аустенита к сильному деформационному упрочнению (наклепу). Сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали получают литьем (буква Л в марке стали) или ковкой.

Износостойкость стали 110Г13Л максимальна, когда она имеет однофазную структуру аустенита. Такую структуру обеспечивают закалкой в воде с 1100 °С. После закалки сталь имеет низкую твердость (200 НВ) и высокую вязкость разрушения. Если такая сталь во время работы испытывает только абразивное изнашивание, то оказывается неизносостойкой. В условиях же ударного воздействия в поверхностном слое стали образуется большое количество дефектов кристаллического строения (дислокаций, дефектов упаковки). В результате твердость поверхности повышается до 600 НВ, и сталь становится износостойкой.

Изнашивание, связанное с ударным нагружением поверхности, наблюдается также при кавитации, которая возникает при работе гребных винтов, лопастей гидротурбин, цилиндров гидронасосов. Кавитационное изнашивание создают струи жидкости в момент захлопывания пузырьков газа или воздуха. Образующиеся при этом многочисленные микроудары вызывают развитие процессов усталости, которые усиливаются под влиянием коррозии.

В качестве кавитационно-стойких применяют стали 08Х18Н10Т, ЗОХ10Г10 и другие с нестабильной структурой аустенита. При ударном воздействии аустенит этих сталей испытывает наклеп и частичное мартенситное превращение, на развитие которых расходуется энергия удара. Упрочнение поверхности стали в условиях эксплуатации затрудняет образование трещин усталости.

10.3. Антифрикционные материалы

Антифрикционные материалы предназначены для изготовления подшипников (опор) скольжения, которые широко применяют в современных машинах и приборах из-за их устойчивости к вибрациям, бесшумности работы, небольших габаритов.

Основные служебные свойства подшипникового материала — анти-фрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность — это способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали — стального или чугунного вала.

Антифрикционность обеспечивают следующие свойства подшипникового материала: высокая теплопроводность; хорошая смачиваемость смазочным материалом; способность образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла; хорошая прирабатываемость, основанная на способности материала при трении легко пластически деформироваться и увеличивать площадь фактического контакта, что приводит к снижению местного давления и температуры на поверхности подшипника.

Критериями для оценки подшипникового материала служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики: давление р, действующее на опору, скорость скольжения v, параметр pv, определяющий удельную мощность трения. Допустимое значение параметра pv тем больше, чем выше способность материала снижать температуру нагрева и нагруженность контакта, сохранять граничную смазку.

Для подшипников скольжения используют металлические материалы, неметаллы, комбинированные материалы и минералы (полу- и драгоценные камни). Выбор материала зависит от режима смазки и условий работы опор скольжения.

Металлические материалы предназначены для работы в режиме жидкостного трения, сочетающемся в реальных условиях эксплуатации с режимом граничной смазки. Из-за перегрева возможно разрушение граничной масляной пленки. Поведение материала в этот период работы зависит от -его сопротивляемости схватыванию. Оно наиболее высоко у сплавов, имеющих в структуре мягкую составляющую.

Металлические материалы по своей структуре подразделяются на два типа сплавов: 1) сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями; 2) сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями.

К сплавам первого типа относятся баббиты и сплавы на основе меди — бронзы и латуни. Мягкая матрица в них обеспечивает не только защитную реакцию подшипникового материала на усиление трения и хорошую прирабатываемость, но и особый микрорельеф поверхности, улучшающий снабжение смазочным материалом участков трения и теплоотвод с них. Твердые включения, на которые опирается вал, обеспечивают высокую износостойкость.

Баббиты — мягкие (30 НВ) антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основеве соответствии с ГОСТ 1320-74 к сплавам на оловянной основе относятся баббиты Б83 (83% Sn, 11%) Sb, 6%> Сu) и Б88, на свинцовой основе — Б16 (16 %о Sn, 16 % Sb, 2 % Сu), БС6 и БН. Особую группу образуют более дешевые свинцово-кальциевые баббиты: БКА и БК2 (ГОСТ 1209-90).

По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные сплавы, но значительно уступают им по сопротивлению усталости. В связи с этим баббиты применяют только для тонкого (менее 1 мм) покрытия рабочей поверхности опоры скольжения. Наилучшими свойствами обладают оловянистые баббиты, у которых pv = (500... 700) 10⁸ Па-м/с. Из-за высокого содержания дорогостоящего олова их используют для подшипников ответственного назначения (дизелей, паровых турбин и т.п.), работающих при больших скоростях и нагрузках. Структура этих сплавов (рис. 32) состоит из твердого раствора сурьмы в олове (мягкая фаза, темный фон) и твердых включений –β (SnSb) и Cu₃Sn

Рис. 32. Микроструктура баббита Б83. х400

Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место среди них занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовистые бронзы. К первым относятся бронзы БрОЮФ1, Бр010Ц2, ко вторым - Бр05Ц5С5, БрО6Ц6С3 (ГОСТ 613-79). Бронзы применяют для монолитных подшипников скольжения турбин, электродвигателей, компрессоров, работающих при значительных давлениях и средних скоростях скольжения.

В последнее время бронзы широко используются как компоненты порошковых антифрикционных материалов или тонкостенных пористых покрытий, пропитанных твердыми смазочными материалами.

Латуни применяют в качестве заменителей бронз для опор трения. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Двухфазные латуни ЛЦ16К4, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ40Мц3А и т.д. (ГОСТ 17711-93) применяют при малых скоростях скольжения (< 2м/с) и невысоких нагрузках. Их часто используют для опор трения приборов.

К сплавам второго типа относятся свинцовистая бронза БрСЗО, 30 % Рb (ГОСТ 493-79), и алюминиевые сплавы с оловом, например сплав АO9-2 (9 % Sn, 2 % Сu). Функцию мягкой составляющей в этих сплавах выполняют включения свинца или олова. При граничном трении на поверхность вала переносится тонкая пленка этих мягких легкоплавких металлов, защищая шейку стального вала от повреждения.

Антифрикционные свойства сплавов достаточно высокие, особенно у алюминиевых сплавов. Из-за хорошей теплопроводности граничный слой смазочного материала на этих сплавах сохраняется при больших скоростях скольжения и высоком давлении.

Алюминиевый сплав А09-2 применяют для отливки монометаллических вкладышей, бронзу — для наплавки на стальную ленту.

К сплавам второго типа относятся также серые чугуны, роль мягкой составляющей в которых выполняют включения графита. Для работы при значительных давлениях и малых скоростях скольжения используют серые чугуны СЧ 15, СЧ 20 и легированные антифрикционные чугуны: серые АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3; высокопрочные АЧВ-1, АЧВ-2; ковкие АЧК-1, АЧК-2 (ГОСТ 1585-85). С целью уменьшения износа сопряженной детали марку чугуна выбирают так, чтобы его твердость была ниже твердости стальной цапфы. Достоинство чугунов — невысокая стоимость; недостатки — плохая прирабатываемость, чувствительность к недостаточности смазочного материала и пониженная стойкость к воздействию ударной нагрузки.

В настоящее время наибольшее распространение получили многослойные подшипники, в состав которых входят многие из рассмотренных.

1. Самосмазывающиеся подшипники получают методом порошковой металлургии из материалов различной комбинации: железо - графит, железо — медь (2-3 %) - графит или бронза - графит. Графит вводят в количестве 1-4%. После спекания в материале сохраняют 15 - 35 % пор, которые затем заполняют маслом. Масло и графит смазывают трущиеся поверхности. При увеличении трения под влиянием нагрева порыраскрываются полнее, и смазочный материал поступает обильнее. Тем самым осуществляется автоматическое регулирование подачи смазочного материала (его запас находится в специальной камере). Такие подшипники работают при небольших скоростях скольжения (до 3 м/с), отсутствии ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных для смазки местах.

2. Металлофторопластовые подшипники изготовляют из металлофторопластовой ленты (МФПл) в виде свертных втулок методом точной штамповки. Лента состоит из четырех слоев (рис. 33). Первый слой (приработочный) выполнен из фторопласта, наполненного дисульфидом молибдена (25 %). Толщина слоя 0,01 - 0,05 мм. В тех случаях, когда допустимый линейный износ достаточно велик, первый слой утолщают до 0,1 - 0,2 мм. Второй слой (~ 0,3мм) — бронзофторопластовый. Он представляет собой слой пористой бронзы Бр010Ц2, полученный спеканием частиц порошка сферической формы. Поры в этом слое заполнены смесью фторопласта с 20 % Рb (или фторопласта и дисульфида молибдена). Третий слой (0,1 мм) образован медью. Его назначение — обеспечить прочное сцепление бронзового пористого слоя с четвертым слоем стальной основой. Толщина основы, которую изготовляют из стали 08кп, составляет 1-4 мм.

При работе такого подшипника пористый каркас второго слоя отводит теплоту и воспринимает нагрузку, а поверхностный слой и питающий его фторопласт выполняют роль смазочного материала, уменьшая трение. Если первый слой в отдельных местах по какой-либо причине изнашивается, то начинается трение стали по бронзе, что сопровождается повышением коэффициента трения и температуры. При этом фторопласт, имеющий более высокий температурный коэффициент линейного расширения, чем бронза, выдавливается из пор, вновь создавая смазочную пленку.

Рис. 33. Схема строения металлофторопластовой ленты: 1 - фторопласт с дисульфидом молибдена; 2 - бронза в слое фторопласта; 3 -медь; 4 - сталь

При тяжелых режимах трения, когда температура нагрева превышает 327 °С, происходит плавление свинца. Образующаяся жидкая фаза снижает коэффициент трения и тепловыделение.

Металлофторопластовые подшипники имеют высокие антифрикционные свойства (в диапазоне 200...280°С; pv = 1500 • 105 Па • м/с). Их используют в узлах трения, работающих без смазочного материала, хотя его введение оказывает благоприятное действие. Они могут работать в вакууме, жидких средах, не обладающих смазочным действием, а также при наличии абразивных частиц, которые легко «утапливаются» в мягкой составляющей материала. Такие подшипники применяют в машиностроительной, авиационной и других отраслях промышленности.

Минералы — естественные (агат) и искусственные (рубин, корунд) — или их заменители — ситаллы (стеклокристаллические материалы) применяют для миниатюрных подшипников скольжения - камневых опор. Камневые опоры используют в прецизионных приборах — часах, гироскопах, тахометрах и т.д. Главное достоинство таких опор — низкий и стабильный момент трения. Низкое трение достигается малыми размерами опор, что уменьшает плечо действия силы трения, а также небольшим коэффициентом трения вследствие слабой адгезии минералов к металлу цапфы. Постоянство момента трения обусловлено высокой износостойкостью минералов, способных из-за высокой твердости выдерживать гро­мадные контактные давления.

10.4. Фрикционные материалы

Фрикционные материалы применяют в тормозных устройствах и механизмах, передающих крутящий момент; они работают в тяжелых условиях изнашивания — при высоких давлениях (до 6 МПа), скоростях скольжения (до 40 м/с) и температуре, мгновенно возрастающей до 1000 °С. Для выполнения своих функций фрикционные материалы должны иметь высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент трения, минимальный износ, высокие теплопроводность и теплостойкость, хорошую прирабатываемость и достаточную прочность. Этим требованиям удовлетворяют многокомпонентные неметаллические и металлические спеченные материалы. Их производят в виде пластин или накладок, которые прикрепляют к стальным деталям, например дискам трения. Материал выбирают по предельной поверхностной температуре нагрева и максимальному давлению, которые он выдерживает. Неметаллические материалы применяют при легких (< 200 °С, Р_mах < 0,8 МПа) и средних (400 °С, Р_mах = 1,5МПа) режимах трения. Из них преимущественно используют асбофрикционные материалы, состоящие из связующего (полимеры каучука), наполнителя и специальных добавок. Основным наполнителем является асбест, который придает материалу теплостойкость, повышает коэффициент трения и сопротивление схватыванию. К нему добавляют медь, алюминий, свинец, латунь в виде стружки или проволоки для повышения теплопроводности; графит для затруднения схватывания (этому же способствует свинец, который, расплавляясь, служит как бы жидким смазочным материалом); оксиды или соли металлов (ZnO, BaSO₄ и др.) Для увеличения коэффициента трения.

Из асбофрикционных материалов наибольшей работоспособностью обладает ретинакс (ФК-24А и ФК-16Л), который содержит 25% фенолформальдегидной смолы, 40 % асбеста, 35 % барита, кусочки латуни и пластификатор. В паре со сталью ретинакс обеспечивает коэффициент трения 0,37-0,40. Его используют в тормозных механизмах самолетов, автомобилей и других машин.

Недостатком неметаллических материалов является невысокая теплопроводность, из-за чего возможны перегрев и разрушение материала.

Металлические спеченные материалы применяют при тяжелых режимах трения (< 1200 °С, Р_mах < 6 МПа). Их производят на основе железа (ФМК-8 и ФМК-11) и меди (МК-5). Кроме основы и металлических компонентов (Sn, Pb, Ni и др.), обеспечивающих прочность, хорошую теплопроводность и износостойкость, эти материалы содержат неметаллические добавки — асбест, графит, оксид кремния, барит. Они выполняют те же функции, что и в асбофрикционных материалах.

Материалы на основе железа из-за высокой теплостойкости используют в узлах трения без смазочного материала, а материалы на основе меди - при смазывании маслом.

Дата добавления: 2014-01-07