Основным материалом для изготовления зубчатых колес служат легированная или углеродистая сталь. Для зубчатых колес слабонагруженных или для кинематических передач используются пластмассы. Для увеличения несущей способности стальные зубчатые колеса подвергаются различным видам термической и химической обработки.

В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев после термообработки зубчатые колеса можно разделить на две группы:

• с твердостью меньшей 350 единиц по Бринеллю (350 НВ), прошедшие нормализацию или улучшение;

• с твердостью больше 350 НВ, получаемые путем объемной закалки, цементации, нитроцементации, цианирования или азотирования.

Поверхности нормализованных и улучшенных зубьев хорошо прирабатываются, в результате чего погрешности, допущенные при нарезании зубьев и сборке передачи, частично устраняются в процессе приработки.

К недостаткам улучшенных и нормализованных зубчатых колес относится, главным образом, их сравнительно низкая несущая способность, поэтому для обеспечения требуемой прочности приходится проектировать их относительно больших размеров.

Зубчатые колеса с твердостью поверхностей зубьев свыше 350 НВ применяют в высоконагруженных зубчатых передачах, что позволяет серьезно уменьшить их габариты. Зубья таких колес обычно после закалки шлифуют, что необходимо для устранения неточностей, обусловленных короблением, возникающим после закалки.

Объемно-закаленные зубчатые колеса в связи со значительным короблением зубьев после термообработки, повышенной чувствительностью к концентрации напряжений и снижением ударной вязкости применяют ограниченно.

Среди современных упрочняющих технологий, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики зубчатых колес, в настоящее время центральное место принадлежит химикотермической обработке.

Химико-термическая обработка представляет собой совокупность процессов теплового и химического воздействий, направленных на изменение химического состава и структуры поверхностного слоя зубьев колес для повышения их эксплуатационных свойств. Во время химико-термической обработки зубчатые колеса помещают в нагретую до высоких температур химически активную среду, в которой происходит диффузионное насыщение их поверхности одним или несколькими химическими элементами. В результате поверхностного легирования в сочетании с предварительной или последующей термической обработкой формируются слои, обладающие комплексом высоких механических свойств.

Существует несколько способов химико-термической обработки сталей. Для эффективного упрочнения поверхности зубьев колес используют цементацию, высокотемпературную нитроцементацию и азотирование.

Цементацию - процесс диффузионного насыщения поверхности углеродом - проводят при высокой температуре (930-950 ’С) и сочетают с последующей закалкой и низким отпуском. Толщину науглероженного слоя можно регулировать в широких пределах (0,5-2,0 мм и более), что является важным преимуществом цементации перед азотированием. Цементацию используют при производстве наиболее нагруженных зубчатых колес.

Цементации подвергают низкоуглеродистые, теплостойкие стали, которые слабо упрочняются при закалке. В результате, приобретая твердую поверхность (60-64 HRC), детали сохраняют вязкую (при твердости 38-43 HRC) сердцевину, устойчивую к ударным нагрузкам. Недостаток цементации - большие деформация и коробление деталей. Для их устранения требуется шлифование, при котором удаляется наиболее твердая и несущая часть слоя и увеличивается трудоемкость изготовления зубчатых колес.

Свойства цементованных деталей зависят от структуры и свойств их сердцевины и в большей степени - от насыщенности углеродом поверхностного слоя. Эксплуатационные свойства деталей возрастают по мере увеличения прочности и твердости сердцевины. ,

Главная задача цементации - обеспечение необходимой насыщенности поверхностного слоя и, как следствие, высокого сопротивления контактным нагрузкам и силам трения при минимальных производственных затратах и времени обработки.

Нитроцементация - процесс совместного диффузионного насыщения поверхности металла углеродом и азотом. Она выполняется при температуре 830-900 'С в среде науглероживающего газа и аммиака. Этот процесс аналогичен цементации и проводится на том же оборудовании. Его широко используют вместо цементации для зубчатых колес, по условиям работы которых толщина упрочненного слоя может быть ограничена 1 мм.

Основное применение нитроцементация получила в условиях массового производства. После нитроцементации, как правило, следует непосредственная закалка от температуры насыщения.

Насыщение поверхности металла углеродом и азотом повышает качество поверхностного слоя. Присутствие азота повышает твердость, износостойкость, теплостойкость, циклическую прочность, контактную выносливость. К технологическим преимуществам нитроцементации относятся:

1) значительное уменьшение деформации и коробления деталей;

2) сокращение времени технологического цикла примерно на 50%.

В силу отмеченных преимуществ на автомобильных предприятиях газовая нитроцементация - основной процесс химико-термической обработки. На ВАЗе 94,596 деталей, упрочняемых химико-термической обработкой, подвергают нитроцементации.

Азотирование относится к низкотемпературному процессу диффузионного насыщения, выполняемому при 500-580 'С. Важная особенность азотирования состоит в том, что формирование высокой твердости поверхностного слоя происходит в процессе диффузионного насыщения без последующих фазовых превращений, как это имеет место при цементации и нитроцементации. Следствием этой особенности являются малые значения деформаций и коробления обрабатываемых деталей, что дает возможность во многих случаях избежать последующего шлифования и снизить трудоемкость обработки. Такое важное технологическое преимущество сочетается с тем, что азотирование формирует слой более высокой твердости ('900-1000 HV) в 1,5-4 раза более высокой, чем при цементации, износостойкости. Азотированному слою свойственна также повышенная (до 450 ’С) теплостойкость и высокий уровень (600-800 мПа) остаточных напряжений сжатия, способствующих увеличению предела выносливости гладких образцов на 25-30%.

К недостаткам азотирования относятся большая длительность (24-90 ч) процесса, а также хрупкость и небольшая (0,3-0,5 мм) толщина упрочненного слоя, ограничивающая его контактную выносливость. Предел контактной выносливости азотированных сталей не превышает 1050 мПа, что приблизительно в 1,5 раза ниже, чем у цементуемых сталей. Азотирование не применяют для деталей машин, работающих при контактных нагрузках, превышающих 800 мПа. До последнего времени азотированию отдавали предпочтение в тех случаях, когда эксплуатационная надежность деталей машин определяется поверхностной твердостью, износостойкостью или циклической прочностью.

Для обеспечения одинаковой долговечности шестерен зубчатого зацепления необходимо соответствующим образом назначать твердости рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса. Если твердость рабочих поверхностей хотя бы одного из пары зубчатых колес меньше НВ350, то в целях обеспечения одинаковой долговечности твердость рабочих поверхностей зубьев шестерни всегда следует назначать больше твердости зубьев колеса, причем для прямозубых колес разность твердостей шестерни и колеса должна составлять не менее 20...50 НВ.

Для неприрабатывающихся зубчатых пар с твердыми рабочими поверхностями зубьев у обоих зубчатых колес (более 45 HRC) обеспечивать разность твердостей зубьев шестерни и колеса не требуется.

При поверхностной термической обработке зубьев, например цементации, механические характеристики сердцевины зуба определятся предшествующей термической обработкой -улучшением. Исключение составляют зубья, закаленные с помощью токов высокой частоты (ТВЧ). Если модуль зацепления меньше трех, то зубья обычно закаливаются насквозь, что приводит к значительному их короблению и, как следствие, к снижению ударной вязкости.