Цементованные шестерни. Цементуемые стали применяются для шестерен коробок передач значительно чаще, чем закаливающиеся стали, так как первые дают более твердую поверхность, лучше противостоящую, как отмечалось, образованию раковин и абразивному износу. В сталях для автомобильных шестерен стойкость в отношении образования раковин имеет большее значение, чем прочность на изгиб, потому что, как показали испытания шестерен, изготовленных современными методами, при постепенном повышении нагрузки до разрушения, раковины всегда появляются прежде, чем наступит поломка зуба. Легированные стали, применяемые для шестерен, могут быть подразделены на два основных класса: низколегированные и высоколегированные. Последние хотя и отличаются более высокими механическими качествами (исключая, возможно, твердость), но более дороги, вследствие чего их применение ограничивается областью наиболее тяжелой работы, как например, в коробках передач автобусов и грузовых автомобилей.

Цементуемые легированные стали для шестерен коробок передач включают следующие марки: никелевые стали 2315, 2320 и 2512, из которых две первые содержат 3,5%, а последняя — 5% никеля; хромоникелевая сталь 3120, хромомолибденовая сталь 4120, хромоникелемолибденовая сталь 4320 и никельмолибденовые стали 4615 и 4815. Некоторое применение имеет также хромистая модифицированная сталь 5210. Из никелевых сталей сталь 2512 является наиболее предпочтительной с точки зрения прочности шестерни, так как она дает очень вязкую сердцевину зуба. Однако эта сталь не позволяет достичь такой твердости поверхности, как некоторые другие стали, вследствие того, что в поверхностном слое удерживается некоторое количество аустенита. По этой причине, а также вследствие высокой стоимости ее применение рекомендуется только в тех случаях, когда предполагаются большие ударные нагрузки. Другой высоколегированной сталью является сталь 4320, содержащая, кроме молибдена, также хром и никель. Ее применение также практически ограничивается коробками передач автобусов и грузовых автомобилей.

Наиболее излюбленными сталями для шестерен коробок передач легковых автомобилей являются стали 4615 и 4620.

Хромистая сталь 5120 применяется в тракторных коробках передач. Она хорошо цементуется на большую глубину и поэтому является наиболее подходящей там, где требуется большое сопротивление абразивному износу и истиранию.

Цементация. Цементация, т. е. поверхностное науглероживание, должна производиться после того, как шестерня нарезана, и поэтому приходится уделять много внимания уменьшению коробления шестерен при последующей термообработке. Нормализация перед цементацией уменьшает коробление и обычно проводится при температуре на 28° выше, чем температура цементации. Последняя проводится при температуре между 897 и 927°. Цементуемые шестерни обычно закладываются в ящики из жаростойкого материала, наполненные порошкообразным карбюризатором. Получаемая толщина на-углероженного слоя составляет около 0,76 мм *.

Применяются два метода закалки после цементации, причем мнения о том, который из них дает лучшие результаты, значительно расходятся.

По первому методу шестерни закаливаются в масле непосредственно после выхода из цементационной печи и ‘охлаждения до нужной температуры, например до 870°. После закалки производится отпуск при температуре от 150 до 200°. Второй метод заключается в том, что шестерни после цементации охлаждаются в цементационных ящиках, затем вновь нагреваются до температуры 760—815° и закаливаются в масле. В последние годы вошел в употребление процесс газовой цементации. Шестерни укладываются на лотки и с помощью толкающего механизма продвигаются через печь при температуре 815°, где они подвергаются действию газовой среды, состоящей из окиси углерода, углекислоты, водорода и аммиака. Поступление и выход шестерен из печи совершаются через специальные тамбуры. Закалка производится немедленно по выходе из печи.

Закаленные шестерни. Среди сталей со средним содержанием углерода, пригодных для изготовления закаливаемых шестерен, следует указать никельмолибденовую сталь 4640 и хромистую сталь 5140. Первая нормализуется при температуре между 870 и 927° и затем после нарезки зубьев нагревается до 790—815” и закаливается в масле. После отпуска при определенной температуре шестерня получает твердость 400—450 по Бринелю, что значительно меньше твердости надлежащим образом цементованных шестерен. Термическая обработка шестерен из стали 6145 включает нормализацию при 900—955°, нагрев до 845—900° после нарезки зубьев и закалку в масле с последующим отпуском до желаемой твердости. Сравнивая цементуемые стали с закаливающимися, следует указать, что первые дают твердость поверхности обычно в пределах 58—65 по Роквеллу (шкала С), в то время как вторые — только 48—54. Однако закаливающиеся стали дают большую прочность и меньшее коробление.

Шестерни центробежной отливки. Промежуточное положение между нормальными цементуемыми и закаливающимися сталями занимают стали с содержанием углерода около 0,30%. Они дают более крепкую сердцевину, чем обычные цементуемые стали, и требуют лишь небольшого науглероживания поверхностного слоя. Примером таких сталей может служить сталь, применяемая для шестерен коробок передач легковых автомобилей Форд. Заготовки шестерен этих коробок передач отливаются центробежным способом. Форд уже продолжительное время применяет стальное литье для коленчатых валов двигателей, и сталь, идущая на шестерни, имеет такой же состав. Указанная сталь содержит: 0,30—0,38% углерода; 0,50—1,50% меди; 0,20—0,40% кремния; 0,55—0,75% марганца; 0,10—0,20% молибдена; 0,80—1,00% хорма и максимум по 0,05% фосфора и серы. Перед механической обработкой заготовки подвергаются нормализации, чтобы иметь твердость от 170 до 196 по Бринелю, а после нарезки зубьев шестерни подвергаются термической обработке, повышающей поверхностную твердость, и отпускаются до твердости 477 по Бринелю. Повышение поверхностной твердости осуществляется путем нагревания в циановой ванне до 815°, закалки в масле и отпуска при температуре 180°.

Обработанная таким образом сталь имеет временное сопротивление разрыву 15 350 кг/см2, предел упругости 14 950 кг/см2, относительное удлинение 0,75% в 50-миллиметровом образце и относительное сжатие поперечного сечения, равное 3%. Для шестерен грузовых автомобилей и тракторов, которые должны иметь большую износостойкость, содержание углерода в стали повышается до 0,38—0,45%.

Цианированные шестерни. Для повышения поверхностной твердости зубьев шестерен, изготовляемых из закаливающихся сталей, иногда применяется процесс цианирования. В качестве агента для повышения твердости используется цианистый натрий, который дешевле и эффективнее цианистого калия. Наиболее подходящей для применения этого процесса является хромистая сталь 5140. Прежде цианирование производилось следующим образом: шестерни нагревались до 815°, выдерживались в печи при этой температуре некоторое время, после чего погружались в ванну с расплавленными цианистыми солями. В настоящее время практикуют нагрев изделий непосредственно в расплавленных цианистых солях и последующую закалку в масле.