Сердцевина цементованных и закаленных деталей является сво­еобразной подушкой, на которой лежит цементованный слой. В ус­ловиях высоких контактных давлений, возникающих в работе от­дельных сопряженных пар, требуется высокая прочность сердцевины и способность ее противостоять смятию. Нарушение этого условия может благоприятствовать растрескиванию хрупкого цементованного слоя. Чем мягче сердцевина и чем тоньше цемен­тованный слой, тем скорее может возникнуть такой дефект. Значение прочности сердцевины в проблеме долговечности шестерен было показано еще в 1936 г. Я. Е. Гольдштейном и Д. С. Казарновским [84], а развернутая теория этого вопроса была дана в работе Л. С. Мороза и С. С. Шуракова [34].
Задача обеспечения высокой прочности сердечника имеет не­сколько решений: за счет повышения содержания углерода в стали при ограничении ее легированности и наоборот - путем усиления ее легированности при сохранении содержания углерода на более низком уровне. Может быть и компромиссное решение этого вопроса. Часто приводимые утверждения, что твердость закаленной стали определяется только содержанием в ней углерода, неточны, поскольку в действительности уровень твердости закаленной низко­углеродистой стали и ее однородность в реальных деталях и образцах зависят также и от степени ее легированности. Придавая важ­ное значение прочности сердцевины, которая «... должна быть не пластичной, а прочной и твердой, в целях исключения или сведения к минимуму пластической деформации в подкорковой зоне и свя­занных с ней перенапряжений в цементованном слое», Л. С. Мороз и С. С. Шураков рекомендовали: «...пересмотреть ОСТ и техни­ческие условия на цементуемые стали ответственного назначения с целью замены низкоуглеродистых сталей марок ХН4, 12Х2Н4А, 13Н2 и др. на стали типа 20Х2Н4А с содержанием углерода до 0,25%. Эта точка зрения получила дальнейшее развитие в исследова­ниях А. Д. Ассонова, И. С. Козловского и Ю. Ф. Оржеховского, разработавших и внедривших в промышленность сталь марки 30ХГТ с содержанием углерода 0,25—0,33% [113].
Сторонником повышенного содержания углерода в цементуемых марках стали является также Е. Г. Перельман, который, однако, верх­ний предел его содержания в стали оговаривает до 0,3% . Цитируя Л . С. Мороза и С. С. Шуракова [34] о том, что «представление о реша­ющей роли ударной вязкости сердцевины в сопротивлении цементован­ных изделий поломке от динамического изгиба должно быть окончательно отброшено, как неправильное», Е. Г. Перельман далее отмечает, что нельзя все же окончательно отбрасывать эту характеристику стали без учета условий эксплуатации деталей. Это, на наш взгляд, совершенно справедливое замечание [144], Е. Г. Перельман мотивирует тем, что «...далеко не безразлично, произойдет ли поломка цементованной детали хрупко или вязко, так как в ряде случаев, когда разрушение от устало­сти отсутствует и появление трещины в цементованном слое не грозит быстрым разрушением детали, получение вязких разрушений и увеличе­ние общей энергии излома при динамических испытаниях, в определен­ных пределах характеризуется увеличением долговечности изделия при эксплуатации. Кроме того, при профилактическом осмотре деталей при их эксплуатации в случае обнаружения трещин в цементованном слое можно предупредить аварию изделия в целом, с чем также нельзя не считаться...».
Приведенные соображения далеко не исчерпывают вопроса, так как есть еще и другие факторы, ограничивающие или полно­стью исключающие возможность применения для многих деталей цементуемых сталей с повышенным (0,25-0,33%) содержанием в них углерода. К таким факторам относятся:
а) безусловное возрастание общей хрупкости деталей. Это мо­жет не только резко осложнять технологию изготовления отдель­ных деталей (например, их правку), но и приводить к хрупким раз­рушениям в работе, особенно легко возникающим при нарушениях их геометрии или точности сопряжений. Примером такого рода разрушений является частичное или полное выламывание зубьев шестерен;
б) хрупкость цементованных деталей, изготовленных из средне­углеродистых сталей (С= 0,3%), особенно возрастает с уменьше­нием сечения деталей и повышением сложности их конфигурации, что исключает возможность надежного их применения для многих деталей ходовой части машин (тракторов, тягачей, автомотожелдортранспорта и др.), работающих в условиях отрицательных тем­ператур;
в) высокое содержание углерода (> 0,25%) и связанная с этим высокая твердость закаленной сердцевины не позволяют, на дан­ном уровне техники резания, производительно осуществлять окончательную механическую обработку цементованных и закаленных деталей, несмотря на меры защиты соответствующих поверхностей от науглероживания. Необходимость в такой обработке (чистовом протягивании шлицев, сверлении и развертке посадочных или фиксирующих отверстий и т. д.) возникает при изготовлении деталей многих конструкций.
Таким образом, вопрос выбора состава цементуемой стали уже только по одному элементу — содержанию углерода — далеко не так прост, как это представляют себе отдельные исследователи, и их рекомендации, полезные для одних деталей, могут стать опасными и вредными для других. Можно утверждать, что многообра­зие размеров, конфигурации и условий службы цементованных де­талей не позволяет давать однозначного решения этого, казалось бы такого простого вопроса — об оптимальном содержании углерода в стали. В одних случаях, действительно, можно и следует идти по пути применения цементуемых сталей с повышенным содержа­нием в них углерода (0,25 - 0,35%), одновременно устанавливая пониженную глубину цементованного или нитроцементованного слоя, в других случаях следует держаться более низкого содержния углерода (0,11—0,17% или 0,16—0,23%), а в третьих — можно вообще отказаться от цементации и изготовлять детали из низкопрокаливающихся сталей (55 ПП, НИПРА — см. гл. VI) с приме­нением глубинного индукционного нагрева.