Посібник із вибору матеріалу шестерні: сталь 45 чи 20CrMnTi чи нержавіюча сталь (і коли використовувати кожен із них)

Написав Дерек|Hansheng Automation

Більшість несправностей зубчастого колеса виникають не на виробництві -, а на етапі вибору матеріалу.

Це більш поширена помилка, ніж очікує більшість інженерів. Деякі за замовчуванням вибирають сталь 45 за звичкою, а не тому, що цього вимагає програма. Інші вказують нержавіючу сталь «просто для безпеки», лише для того, щоб виявити, що вона має низькі показники зносостійкості та підвищує вартість у 3–5 разів без реальної користі.

Правда в тому, що не існує «найкращого» матеріалу для зубчастих передач. Існує лише той матеріал, який відповідає вашим конкретним навантаженням, швидкості, навколишньому середовищу та вимогам до точності.

У цій статті ми пояснимо три широко використовувані матеріали для зубчастих коліс: сталь 45, 20CrMnTi і нержавіючу сталь (304/316), а також розглянемо їхні відповідні переваги та недоліки, сподіваючись допомогти вам у виборі матеріалу.

Якщо у вас є досвідчений постачальник спорядження, можливо, вам не доведеться надто турбуватися про вибір матеріалу для спорядження, оскільки ваш постачальник може впоратися з цим за вас. Але насправді вибір матеріалу дуже важливий. Без поради досвідченого постачальника швидке прийняття рішення про те, який матеріал використовувати, часто призводить до потенційних ризиків.

З двох наведених вище сценаріїв вибір неправильного матеріалу створює не лише проблеми з вартістю, але й проблеми, пов’язані з термічною обробкою, точною механічною обробкою, термінами доставки тощо.

Три матеріали, які охоплюють переважну більшість застосувань промислового обладнання, це сталь 45, 20CrMnTi і нержавіюча сталь -, і кожен з них має чітко визначену смугу.

Якщо в загальному промисловому виробництві є основний матеріал шестерні, то це сталь 45. Міжнародно відомий якAISI 1045 (США), S45C (Японія), абоC45 (Європа), ця середньо{0}}вуглецева сталь була-популярним вибором протягом десятиліть.

Чому це добре працює

Завдяки вмісту вуглецю приблизно 0,45 %, сталь 45 є практичною перевагою: досить міцна, щоб витримувати помірні навантаження, достатньо міцна, щоб не тріснути під ударом, і достатньо м’яка в попередньо-обробленому стані, щоб обробляти її чисто й ефективно. Після обробки-і-відпуску твердість поверхні досягає HRC 28–35, що забезпечує достатню зносостійкість для низьких--середніх робочих циклів.

Вартість є ще одним важливим фактором. Порівняно з легованою редукторною сталлю сталь 45 має найнижчу вартість матеріалів, найкоротший час виконання та найширшу доступність у глобальних ланцюгах постачання. Для проектів, де бюджет і швидкість-до-доставки мають значення, це часто єдина логічна відправна точка.

Це обмежує

Обробка-і-загартування спричиняє вимірні термічні спотворення, що обмежує досяжну точність приблизно 7–8 класом ISO. Шліфування після-термічної-обробки може відновити певну точність, але збільшує вартість і етапи процесу, які починають підривати економічні переваги матеріалу.

Що ще важливіше, сталь 45 не може бути науглерожена для отримання-загартованих поверхонь, які вимагають застосування з високим-циклом, високим-контактним-напруженням. Якщо ваш механізм працює безперервно, передає значний крутний момент або працює всередині прецизійного редуктора, твердість поверхні HRC 28–35 стає реальним обмеженням -, а не теоретичним.

Найкраще для:Загальні промислові приводи, конвеєрні системи, сільськогосподарське обладнання, трансмісія з низькими-середніми{1}}навантаженнями та будь-яке застосування, де допустима точність 7–8 класу ISO.

Не підходить для:Прецизійні редуктори, шарнірні приводи роботів, високошвидкісні безперервні-приводи або будь-яке застосування, для якого потрібен клас ISO 6 або вище.

Якщо сценарій застосування шестерень перевищує межі продуктивності, запропоновані сталлю 45, є інший відносно прийнятний вибір-сталь 20CrMnTi. Цей матеріал широко використовується в автомобільних трансмісіях, планетарних редукторах і високоточних промислових приводних пристроях у Китаї. При тому самому рівні ціни сталь 20CrMnTi демонструє високі показники твердості поверхні, міцності серцевини та стабільності розмірів після термічної обробки.

Що відрізняє 20CrMnTi

20CrMnTi – це низько{1}}вуглецева легована сталь із вмістом вуглецю лише 0,17–0,23%. Самого по собі цього вуглецю недостатньо для досягнення значної твердості поверхні. Серцевина з низьким вмістом вуглецю залишається міцною та -стійкою до ударів навіть після термічної обробки - саме процес науглерожування перетворює поверхню зуба.

Після науглерожування і загартування твердість корпусу досягає HRC 58-62, а серцевина зберігає твердість HB 220-260. Ця тверда -зовні та міцна-внутрішня структура дозволяє шестерням із 20CrMnTi витримувати високі контактні навантаження на поверхні зуба, не стаючи крихкими в корені -, де зазвичай починаються втомні руйнування при вигині.

Вміст титану відіграє роль, яку легко не помітити: він покращує зернисту структуру при температурах науглерожування, що безпосередньо обмежує термічне спотворення під час термообробки. Менше викривлення означає, що геометрія зубчастого колеса зберігає цілість у процесі, а такі жорсткі операції обробки, як фрезерування або стружка зубчастого колеса, можуть стабільно привести деталі до класу ISO 5–6 -, якого сталь рівня 45 просто не може досягти через той самий технологічний ланцюг.

На міжнародному рівні 20CrMnTi найбільше еквівалентнийSAE 8620 (США)і20MnCr5 (Європа),хоча це не є точною заміною - профілі міцності ядра відрізняються. Якщо ви купуєте шестерні від китайського виробника, а на вашому кресленні вказано 8620, тоді 20CrMnTi можна обговорити як еквівалентне альтернативне рішення.

Вартість у контексті

Вартість матеріалу приблизно в 1,5–2 рази більша, ніж у сталі 45, а повний технологічний ланцюг - науглерожування, загартування, відпустка та фінішна обробка - збільшує загальну вартість деталей. Але його продуктивність буде значно покращена.

Найкраще для: Шестерні планетарного редуктора, шестерні шарнірів роботів,приводи тютюнових машин, автомобільні трансмісії та будь-яке застосування, де потрібна точність класу ISO 5–6 і тривалий термін служби під час циклічного навантаження.

 

Не підходить для:Корозійне середовище, харчове обладнання або медичне застосування, де контакт матеріалу з потоками продуктів вимагає стійкості до корозії - 20CrMnTi не має внутрішнього захисту від іржі.

Давайте спершу розберемося з поширеною помилкою: шестерні з нержавіючої сталі не є кращими. Це правильні механізми для конкретної проблеми - корозійних середовищ - і неправильні механізми майже для всього іншого.

304 проти . 316: розуміння різниці

Обидва класи є аустенітними нержавіючими сталями, що означає, що їх стійкість до корозії походить від хрому, який утворює шар пасивного оксиду на поверхні. Ключова відмінність між цими двома сортами зводиться до молібдену: 316 містить 2–3% молібдену, що значно підвищує стійкість до хлоридної точкової та щілинної корозії Zhygear - тип атаки, який виникає в солоній воді, морському середовищі та потоках хімічної обробки. 304 добре справляється із загальною вологістю та помірним промисловим впливом. Якщо на зображенні є хлориди, правильний вибір – 316.

Чому нержавіюча сталь погано працює як матеріал для зубчастих передач

Ось те, про що більшість специфікацій не говорять: 304 і 316 є аустенітними класами, що означає, що вони не можуть бути зміцнені за допомогою звичайної термічної обробки. Немає жодного способу науглерожування, жодного циклу-загарту та-відпустки, які суттєво підвищують твердість поверхні. На практиці зубчасті колеса з нержавіючої сталі працюють на рівнях твердості, значно нижчих за ті, що досягаються зі сталлю 20CrMnTi або навіть 45 після загартування -, що безпосередньо призводить до нижчої зносостійкості, більшої схильності до поверхневої втоми та практичної максимальної точності приблизно до 7 класу ISO.

Можливість обробки ускладнює проблему вартості. Обидва сорти -швидко твердіють під час різання, прискорюючи знос інструменту та вимагаючи меншої швидкості подачі. Вартість готової деталі є значно вищою, ніж легована сталь для еквівалентної геометрії - не тому, що сам матеріал значно дорожчий, а тому, що процес обробки є більш вимогливим.

Коли нержавіюча сталь – правильна відповідь

У харчовому обладнанні, медичних пристроях, морських приводах і системах транспортування хімікатів питання про матеріал шестерні стосується не оптимізації продуктивності -, а відповідності нормативним вимогам, ризику забруднення та-корозійної несправності. У цьому контексті нержавіюча сталь не є одним із варіантів. Це єдиний життєздатний варіант.

Використовуйте 304 для загальних гігієнічних і помірно корозійних середовищ. Уточнюйте 316, якщо вплив хлоридів, кислотні промивки або контакт із солоною водою є частиною операційної реальності.

Найкраще для:Обладнання для харчової промисловості, фармацевтичне обладнання, приводи для морського середовища, конвеєри хімічних заводів і будь-яке застосування, де контакт із потоками продуктів або агресивними миючими засобами робить корозійну стійкість не-вимогою.

Не підходить для:Високоточні приводи-циклів, приводи роботів, трансмісії високого-навантаження або будь-яке застосування, де стійкість до зносу зубів і довгий термін служби втоми під контактною напругою є основними обмеженнями конструкції. Якщо ваше застосування не передбачає справжньої загрози корозії, нержавіюча сталь збільшує вартість і одночасно знижує продуктивність -.

Три розділи вище охоплюють обґрунтування кожного матеріалу. Якщо вам потрібна коротка довідка - або ви хочете чимось поділитися зі своєю командою, перш ніж завершувати специфікацію -, у цій таблиці в одному місці підсумовано ключові фактори прийняття рішень.

Три вищевказані матеріали охоплюють більшість застосувань промислового обладнання. Але дві додаткові категорії варті короткої згадки для крайніх випадків.

42CrMo

Коли навантаження перевищують те, що може витримати 20CrMnTi, 42CrMo зазвичай стає наступним кроком. Ця хром-молібденова легована сталь забезпечує вищу міцність на розрив і чудову гартування, що робить її найкращим матеріалом для великих-модульних шестерень у шахтному обладнанні, важких-редукторів і-промислових приводів із високим-крутним моментом. Це не-модернізація загального призначення - додаткова міцність супроводжується більшою складністю обробки та вищою вартістю -, але в умовах справді важких навантажень це правильний вибір.

Інженерні пластики (POM / нейлон / PEEK)

Для застосувань із легким-навантаженням, низьким{1}}шумом або-змащенням конструкційні пластики пропонують переконливу альтернативу цілком металевим механізмам. POM (Delrin) забезпечує хорошу стабільність розмірів і низьке тертя для офісної автоматизації та побутових пристроїв. Нейлон поглинає удари та працює тихо на низькій-швидкості. PEEK справляється з високими температурами та хімічним впливом там, де стандартні пластики не підходять. Жоден із них не збігається зі сталлю за вантажопідйомністю -, але в правильному контексті це й не потрібно.

Вам не потрібно завершувати матеріал, перш ніж звертатися. Фактично, якщо ви все ще обмірковуєте варіанти, це саме той етап, щоб залучити нас.

Коли ви надсилаєте креслення чи запит на пропозицію, просто повідомте нам умови роботи, які є найбільш важливими для вашої програми:

Тип і величина навантаження - безперервна, ударна чи циклічна? Легкий, середній чи важкий?

Робоча швидкість - низько-приводи та високошвидкісні-шпинделі мають дуже різні профілі поверхневої втоми

Середовище - стандартне промислове, вологе, корозійне,-контакт з їжею чи висока-температура?

Вимоги до точності - чи є у вас цільовий клас ISO чи допустимий люфт/помилка передачі?

Обсяг і бюджет - вибір матеріалу часто змінюється, коли змінюються обсяги виробництва

Маючи цю інформацію, наша команда інженерів може порекомендувати найбільш підходящий стальний матеріал для зубчастих коліс - і позначити, якщо термічна обробка або процес обробки, передбачений вашими специфікаціями, створює непотрібні витрати для вашого фактичного використання.

Якщо на вашому кресленні вже вказано матеріал, ми над ним працюватимемо. Якщо написано «або еквівалент», ми розповімо вам, що еквівалент означає на практиці.

Не впевнені, який матеріал підходить для вашого застосування?

Як професіоналвиробник прецизійних механізмів, ми можемо забезпечити професійний і надійний підбір матеріалів. Незалежно від того, працюєте ви над остаточним кресленням чи все ще перебуваєте на ранній стадії проектування, наша команда може переглянути ваші вимоги та порекомендувати правильний матеріал, спосіб термічної обробки та ступінь точності для вашого конкретного застосування - без зайвих специфікацій і без зрізів.

Отримати цінову пропозицію

Надішліть нам свій малюнок або опишіть свою програму -, ми повернемося з рекомендацією щодо матеріалу та планом обробки.