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.