К недостаткам этих сталей относятся высокая стоимость и сложный цикл химико-термической обработки, который включает цементацию, высокий отпуск, сложную закалку, обработку холодом, низкий отпуск. Химико-термическая обработка вызывает значительную деформацию колес. Для изготовления колес 5-6-й степеней точности необходимо зубошлифование, что усложняет технологию их изготовления.
К третьей группе условно относят безникелевые экономно легированные стали 18ХГТ, 25ХГМ, 30ХГТ, 20ХГР и др., которые применяют в условиях массового производства, например, в автомобилестроении, в агрегатах и аппаратах химического, пищевого и холодильного машиностроения. Они дешевле хромоникелевых и обрабатываются по более упрощенной технологии. Зубчатые колеса из этих сталей подвергают чаще всего нитроцементации. В отличие от цементации этим процессом можно получить слои высокой несущей способности, меньшей толщины (0,6-1,0 мм), что позволяет сократить длительность обработки на несколько часов. Кроме того, нитроцементация проводится при более низкой температуре, сочетается с подстуживанием и непосредственной закалкой. Колеса меньше деформируются. Колеса 7-8-й степеней точности обычно не шлифуются. Указанные безникелевые хромистые стали образуют подгруппу дешевых цементуемых сталей, но уступающих по прочности сталям вышеперечисленных групп, из-за невысокой прокаливаемости. Эти стали применяют для изготовления мелких и средних зубчатых колес сельскохозяйственных машин и приборов. Для изготовления зубчатых колес на станках-автоматах используют автоматные стали, которые содержат 0,15-0,35% Рb, благодаря чему хорошо обрабатываются резанием.
К четвертой группе можно отнести азотируемые легированные стали.
Легированные стали с содержанием алюминия и молибдена обладают после азотирования наиболее высокими твердостью поверхности ( HV 1200) и износостойкостью. Кроме того, азотированный слой имеет высокую теплостойкость (до 500оС), поэтому наиболее стоек к заеданию. Слой обладает высокими антикоррозионными свойствами. Шестерни могут длительно, без разъедания работать в слабых кислотных и щелочных средах. Недостатки этого процесса - малая толщина диффузионного слоя ( 0,3 мм) и длительность процесса (40-80 ч). Тонкие диффузионные слои не позволяют применять азотирование на колесах с высокими контактными нагрузками из-за опасности его продавливания. По этой же причине азотированные стали чувствительны к ударным нагрузкам. Износостойкость азотированных деталей в 2-3 раза выше цементованных.
Важное технологическое преимущество азотирования - минимальное коробление; процесс считают практически бездеформационным. Зубчатые колеса 6-7-й степеней точности изготовляют без шлифовки по зубу. Технологический процесс изготовления азотированных деталей осуществляется по следующей схеме:
1 Термоулучшение (закалка + высокий отпуск) для упрочнения сердцевины, получения микроструктуры сорбит и твердости HRC 28 - 32 по всему сечению детали.
2 Механическая обработка, в т.ч. нарезание зубьев с размерами в пределах допуска на изготовление.
3 Азотирование.
Стали для поверхностной закалки с индукционного нагрева составляют две особые группы. Для них проводятся закалка по контуру зубьев на твердость поверхности HRC 50-55.
1) Первую подгруппу образуют среднеуглеродистые стали 40, 45,40Х, 40ХН, 45ХН, 35ХМА и др. Зубья колес из этих сталей нагревают токами высокой частоты в индукторе. Глубина проникновения тока зависит от его частоты и она же обеспечивает толщину закаленного слоя до 3-5 мм. При интенсивном охлаждении закалку воспринимают только те поверхностные слои, которые нагреваются выше критических точек стали. Сердцевина из-за недогрева остается незакаленной (HRC 20 - 30). Структура слоя из-за высокой скорости нагрева характеризуется мелким строением, что снижает хрупкость слоя. Для ответственных изделий перед закалкой с нагревом ТВЧ заготовку подвергают термоулучшению на сорбит.
2) Вторую подгруппу составляют стали пониженной прокаливаемости: 55ПП, 110ПП и др.
Зубья колес из этих сталей подвергают сквозному (глубинному) индукционному нагреву до температуры выше критических точек. Однако закалку воспринимают только поверхностные слои толщиной 1,0-3,0 мм. Обусловлено это низкой прокаливаемостью этих сталей из-за ограничения в них примесей хрома, марганца, кремния. Стали сравнительно дешевы, обеспечивают высокую работоспособность зубчатых колес и широко применяются взамен цементуемых сталей.
Основная область их применения - средненагруженные зубчатые колеса малых и средних размеров, используемых в автомобиле- и станкостроении.
Вследствие небольшой прокаливаемости деформации колес из этих сталей при закалке незначительные; зубчатые колеса 7-8-й степеней точности после закалки не шлифуют.
Иногда для изготовления зубчатых колес применяют чугуны. По прочности, особенно по ударной вязкости, чугуны значительно уступают сталям, что компенсируется увеличением размеров колес. Для изготовления колес используют серые чугуны СЧ25, СЧ20, СЧ30,СЧ35, СЧ40; высокопрочные чугуны ВЧ45-5, ВЧ50-2 и др.
Для изготовления деталей передаточных механизмов можно применять пластмассы (текстолит, капрон и др.) применяют для колес, работающих на малых скоростях и при малых ударных нагрузках. Их используют для привода спидометров, киноаппаратов, текстильных машин. Достоинства таких колес - отсутствие вибрации и шума, высокая вибро- и коррозионная стойкость в агрессивных средах, низкий коэффициент трения.
Для изготовления небольших колес, работающих в некоторых агрессивных средах, могут использоваться сплавы меди: оловянистые и алюминиевые бронзы, например БрКЦ 4-4, БрОЦС 5-5-5, БрО 10, БрОЦСН 3-7-5-1, БрА7, БрАЖН 10-4-4. Преимущество их состоит в том, что колеса можно получать литьем. Эти сплавы обладают высокой жидкотекучестью и концентрированной усадочной раковиной, которую легко вывести в прибыль.