Материалы · Подборка

Какой материал выбрать для шестерни

Кратко

Стальные шестерни средней нагрузки делают из стали 45 или 40Х с закалкой ТВЧ. Если нужна твёрдая поверхность и вязкая сердцевина, берут цементуемые 20Х и 18ХГТ. Тихие передачи без смазки точат из капролона или POM, венцы червячных колёс из бронзы. Крупные недорогие шестерни отливают из чугуна ВЧ50.

Кандидаты: шестерня

Марка	Плотность, г/см³	Прочность	Резание	Сварка	Когда подходит	Ограничения
Сталь 45	7,85	не менее 600 МПа	отлично	ограниченно	Прямозубые шестерни средней нагрузки, закалка ТВЧ или улучшение	Контактная прочность ниже, чем у цементованных сталей, после ТВЧ зубья ведёт
40Х	7,82	не менее 980 МПа	отлично	ограниченно	Шестерни и вал-шестерни при ударных нагрузках, улучшение или ТВЧ	Дороже стали 45, сварка только с подогревом
20Х	7,83	не менее 780 МПа	отлично	отлично	Цементуемые шестерни средних размеров	Цементация и шлифовка зубьев — отдельные операции, они удорожают деталь
18ХГТ	7,8	не менее 980 МПа	отлично	отлично	Шестерни коробок передач и другие нагруженные детали, работающие с ударом	Дороже 20Х, требует контроля глубины цементованного слоя
ВЧ50	7,1	не менее 500 МПа	хорошо	ограниченно	Крупные шестерни и ступицы, которые дешевле отлить, чем выточить	Нужна литейная оснастка, поэтому выгодно от серии
Капролон	1,15	80–88 МПа	отлично	ограниченно	Тихие слабонагруженные передачи, шестерни и звёздочки без смазки	Впитывает влагу и меняет размеры, рабочая температура до 100 °C
POM	1,41	67–68 МПа (предел текучести)	отлично	ограниченно	Точные малые шестерни: стабильнее капролона по размеру, низкое трение	Не склеивается, чувствителен к острым внутренним углам у основания зуба
БрОЦС5-5-5	8,8	не менее 147 МПа	отлично	ограниченно	Венец червячного колеса при умеренных нагрузках и скоростях	Для больших нагрузок мало прочности
БрАЖ9-4	7,6	около 400–500 МПа (мягкий), 500–700 МПа (твёрдый)	хорошо	хорошо	Червячные колёса и шестерни под большой нагрузкой	Требует закалённой червячной пары и хорошей смазки, плохо прирабатывается

Плотность, прочность и оценки обработки взяты из карточек марок, у каждой из них указан стандарт и источники.

Как выбирать

Нагрузка и контактные напряжения

Зуб ломается от изгиба и выкрашивается от контактных напряжений. От первого защищает вязкая сердцевина, от второго твёрдая поверхность, поэтому для тяжёлых передач выбирают цементацию и закалку, а не сквозное улучшение.

Способ упрочнения

Закалка ТВЧ и улучшение подходят для стали 45 и 40Х. Цементация нужна для 20Х и 18ХГТ и заметно удорожает деталь, потому что после неё зубья шлифуют.

Шум и смазка

Пластиковая шестерня работает тихо и без смазки, но несёт заметно меньшую нагрузку, чем стальная. Её ставят в паре со стальной, а не с такой же пластиковой, потому что так лучше отводится тепло.

Червячные передачи

Червяк делают из закалённой стали, венец колеса из бронзы. Бронза мягче и принимает на себя износ, а стальной червяк остаётся целым.

Серия

Единичную шестерню точат и нарезают из прутка. В серии от нескольких сотен штук выгоднее отливка или штамповка заготовки, но тогда материал выбирает не только нагрузка, но и литейные свойства.

Типичные ошибки

Закаливать зубья стали 45 насквозь и ждать вязкого зуба: закалённый насквозь зуб хрупок.
Ставить пластиковую шестерню в пару с такой же пластиковой. Тепло от трения отвести некуда, зубья оплавляются.
Точить шестерню из капролона до номинального размера и не учитывать, что он впитывает влагу и увеличивается в размерах.
Брать оловянную бронзу под ударные нагрузки на червячном колесе.