Материалы, устойчивые к усталостному виду изнашивания.

Эти материалы предназначены для таких изделий массового производства, как подшипники качения и зубчатые колеса. Усталостное выкрашивание на их рабочих поверхностях вызывают циклические контактные напряжения сжатия. Они создают в поверхностном слое мягкое напряженное состояние, которое облегчает пластическое деформирование поверхностного слоя деталей и, как следствие, развитие в нем процессов усталости. В связи с этим высокая контактная выносливость может быть обеспечена лишь при высокой твердости поверхности. Высокая твердость необходима также и для затруднения истирания контактных поверхностей при их проскальзывании.

Подшипниковая сталь. Подшипники качения работают, как правило, при низких динамических нагрузках, что позволяет изготовлять их из сравнительно хрупких высокоуглеродистых сталей после сквозной закалки и низкого отпуска. Для изготовления шариков, роликов и колец подшипников применяют недорогие технологичные хромистые стали содержащие примерно 1 % С (ГОСТ 801-78). В обозначении марок буква означает шарикоподшипниковую сталь; -наличие хрома; цифра - его массовую долю в процентах — легирование кремнием (до 0,85%) и марганцем (до

Прокаливаемость сталей увеличивается по мере повышения концентрации хрома. Сталь предназначена для изготовления деталей подшипников поперечным сечением (10 — 20 мм); более легированные стали — для деталей, прокаливающихся на большую глубину (свыше 30 мм).

Сталь поставляют после сфероидизируюшего отжига со структурой мелкозернистого перлита и повышенными требованиями к качеству металла. В стали строго регламентированы карбидная неоднородность и загрязненность неметаллическими включениями, так как, выходя на рабочую поверхность, они служат концентраторами напряжений и способствуют более быстрому развитию усталостного выкрашивания.

Для изготовления высокоскоростных подшипников применяют стали после электрошлакового переплава (к марке таких сталей добавляют букву Ш, например, отличающиеся наиболее высокой однородностью строения. Такие стали необходимы также для изготовления высокоточных приборных подшипников, детали которых требуют тщательного полирования с тем, чтобы

обеспечить минимальный коэффициент трения. Это возможно лишь при высокой чистоте металла по металлическим включениям.

Детали подшипников подвергают типичной для заэвтектоидных сталей термической обработке: неполной закалке от 820-850°С и низкому отпуску при После закалки в структуре сталей сохраняется остаточный аустенит превращение которого может вызывать изменение размеров деталей подшипников. Для их стабилизации прецизионные подшипники обрабатывают холодом при Окончательно обработанная подшипниковая сталь имеет структуру мартенсита с включениями мелких карбидов и высокую твердость (HRC 60 — 64).

Сталь характеризуется ограниченной прокаливаемостью и предназначена для роликовых подшипников железнодорожного транспорта. При закалке ее подвергают сквозному индукционному нагреву и охлаждению водой. Кольца из этой стали толщиной 14 мм закаливаются только с поверхности в слое 2-3 мм и благодаря сохранению вязкой сердцевины работать при динамической нагрузке.

Детали крупногабаритных роликовых подшипников диаметром (для прокатных станов, электрических генераторов) изготовляют из сталей подвергая их цементации на большую глубину (3 — 6 мм).

Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионно-стойкую хромистую сталь

Стали для зубчатых колес. Основным эксплуатационным свойством смазываемых колес, так же как и подшипников качения, является контактная выносливость. Она определяет габариты 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, вязкую и достаточно прочную сердцевину, способную противостоять действию ударных нагрузок. Сочетание твердой поверхности и вязкой сердцевины достигается химикотермической обработкой или поверхностной закалкой низко- и среднеуглеродистых сталей. Выбор стали и метода упрочнения зависит от условий работы зубчатой передачи, требований технологии и имеющегося оборудования.

Для зубчатых колес, работающих при высоких контактных нагрузках, применяют цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали (см. табл. 8.4). Они имеют наиболее высокий предел контактной выносливости, величина которого согласно ГОСТ 21354-75 определяется пропорционально твердости поверхности (табл. 10.2).

Твердость цементованной поверхности при концентрации углерода и структуре, состоящей из высокоуглеродистого мартенсита или его смеси с дисперсными карбидами, составляет 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. Толщина цементованного слоя принимается равной ( - модуль колеса), но не более 2 мм. Твердость сердцевины составляет

Сильно нагруженные зубчатые колеса диаметром 150-600 мм и более изготовляют из хромоникелевых сталей и др. Их используют в редукторах вертолетов, судов, самолетов. Для мелких и средних колес приборов, сельскохозяйственных машин применяют хромистые стали и др.

ТАБЛИЦА 10.2. (см. скан) Предел контактной выносливости поверхностей зубьев прямозубых передач (ГОСТ 21354-75)

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 экономно-легированные стали 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 и сложнолегированных и др.) сталей обеспечивает в раза более высокую контактную выносливость, чем обычная газовая цементация и нитроцементация.

Азотирование обеспечивает 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 применяют стали и др.

Поверхностной и объемной индукционной закалке с последующим низким отпуском подвергают зубчатые колеса малых и средних размеров из сталей с содержанием углерода Для контурной поверхностной закалки на глубину используют стали и др. Сердцевина не закаливается и остается вязкой. По нагрузочной способности они уступают цементуемым сталям.

В последнее время для изготовления зубчатых колес автомобилей и станков взамен легированных цементуемых сталей применяют сталь пониженной прокаливаемости 58 (55ПП). Это качественная углеродистая сталь (ГОСТ 1050-74), которая содержит и минимальную концентрацию примесей 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 с плавным переходом к сердцевине. Сердцевина закаливается на троостит или сорбит, имеет твердость при достаточной вязкости. Применение этой дешевой стали дает большой экономический эффект.

Зубчатые колеса, работающие при невысоких нагрузках, изготовляют из сталей и других после нормализации и улучшения. Невысокая

твердость материала 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: текстолит ПТ и ПТК, древеснослоистые пластики, полиамиды - капрон, нейлон. Их используют для привода спидометров и распределительных валов автомобилей, киноаппаратов, текстильных и пищевых машин. Достоинство таких колес — отсутствие вибраций и шума, высокая химическая стойкость.