Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Из какого материала делают валы — вопрос, ответ на который почти всегда сводится к конструкционным сталям. Подавляющее большинство валов изготавливают из среднеуглеродистых качественных и легированных конструкционных сталей, которые после термообработки сочетают прочность, сопротивление усталости и достаточную вязкость. Массовый материал общего назначения — сталь 45; для более нагруженных и ответственных валов применяют легированные марки 40Х и 40ХН. Выбор марки и режима термообработки определяется уровнем нагрузки, размерами сечения (прокаливаемостью) и требованиями к износостойкости шеек.
Ниже разобраны требования к материалу вала, основные группы и марки сталей, их состав, термообработка, усталостная прочность, упрочнение шеек под подшипники и практический выбор марки.
Вал передаёт крутящий момент и одновременно воспринимает изгиб от сил в зубчатых, ремённых и цепных передачах. Сочетание изгиба с кручением при вращении создаёт переменные (циклические) напряжения, поэтому главный критерий работоспособности вала — сопротивление усталости, а не только статическая прочность. К материалу предъявляют комплекс требований.
Валы изготавливают из двух основных групп конструкционных сталей, регламентированных действующими стандартами.
Крупные валы часто получают ковкой или горячей штамповкой, поэтому к ним применимы технические условия на поковки по ГОСТ 8479-70, где механические свойства задаются категориями прочности (КП). Цементуемые (низкоуглеродистые легированные) марки — 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А — применяют для вал-шестерён, которым нужна твёрдая поверхность при вязкой сердцевине.
Три наиболее характерные для валов марки и их состав по действующим стандартам приведены ниже. Цифра в обозначении — среднее содержание углерода в сотых долях процента; буквы — легирующие элементы (Х — хром, Н — никель).
Сталь 45 — углеродистая качественная конструкционная (для неё хром и никель — остаточные примеси, отмечены звёздочкой). Это массовый материал валов и осей средней нагруженности. 40Х — хромистая легированная: хром повышает прокаливаемость и прочность после термообработки. 40ХН — хромоникелевая: никель дополнительно увеличивает вязкость и прокаливаемость, что важно для ответственных валов и крупных сечений.
Конечные свойства вала задаёт не столько марка, сколько термообработка. Основные виды для валов перечислены ниже.
Улучшение — это именно сочетание закалки и высокого отпуска. Высокий отпуск снимает закалочные напряжения и возвращает вязкость, поэтому улучшенная сталь сочетает прочность с сопротивлением хрупкому разрушению.
Поскольку вал работает при переменных напряжениях, его рассчитывают на сопротивление усталости. Ключевая характеристика материала — предел выносливости при симметричном цикле: для изгиба обозначается σ₋₁, для кручения — τ₋₁.
σ₋₁
τ₋₁
σ₋₁ ≈ (0,4…0,5) × σₒ
τ₋₁ ≈ 0,55 × σ₋₁
σₒ
σₒ = 600 МПа
σ₋₁ ≈ 0,43 × 600 ≈ 258 МПа
τ₋₁ ≈ 0,55 × 258 ≈ 142 МПа
Реальный предел выносливости детали ниже, чем у гладкого образца, из-за концентраторов напряжений — галтелей, шпоночных пазов, шлицев, посадок с натягом. Поэтому увеличивают радиусы галтелей, избегают резких переходов сечений, повышают чистоту обработки поверхности и применяют поверхностное упрочнение.
Шейки вала — посадочные поверхности под подшипники — работают в условиях контактных нагрузок и трения, поэтому к ним предъявляют повышенные требования по твёрдости, точности и шероховатости. Для подшипников качения важна точность и низкая шероховатость посадочной поверхности, для подшипников скольжения — ещё и высокая поверхностная твёрдость.
Чтобы совместить износостойкую поверхность с вязкой сердцевиной, шейки и другие рабочие поверхности упрочняют локально: закалкой ТВЧ (для среднеуглеродистых и хромистых сталей), а для цементуемых легированных марок — цементацией с последующей закалкой, либо азотированием. Такой подход сохраняет сопротивление усталости тела вала и одновременно поднимает твёрдость рабочего слоя.
Важный инженерный нюанс: модуль упругости (Юнга) у всех конструкционных сталей практически одинаков и составляет около 2,0–2,1×10⁵ МПа (примерно 200–210 ГПа). Прогиб и угол закручивания вала зависят от этого модуля и от геометрии сечения, но не от марки стали.
Заменой марки стали нельзя увеличить жёсткость вала — её повышают только увеличением диаметра (момента инерции сечения) или сокращением пролёта между опорами.
Легированные марки выбирают ради прочности, прокаливаемости и сопротивления усталости, а не ради жёсткости. Если вал не проходит по жёсткости, переход с углеродистой стали на легированную не поможет — нужно менять геометрию.
Выбор материала вала ведут от условий работы к марке и термообработке.
При выборе учитывают, что прокаливаемость углеродистой стали ограничена, поэтому для валов большого диаметра предпочтительны легированные марки, обеспечивающие нужные свойства по всему сечению.
Из конструкционных сталей. Массовый материал — углеродистая сталь 45 по ГОСТ 1050-2013; для нагруженных и ответственных валов применяют легированные стали 40Х и 40ХН по ГОСТ 4543-2016.
Хром в стали 40Х повышает прокаливаемость и прочность после термообработки, поэтому она подходит для более нагруженных валов и больших сечений, где углеродистая сталь 45 уже не прокаливается на всю глубину.
Это закалка с последующим высоким отпуском. Такой режим даёт высокую прочность при сохранении вязкости и является основным для нагруженных валов из сталей 45, 40Х, 40ХН.
Локальным поверхностным упрочнением: закалкой ТВЧ для среднеуглеродистых и хромистых сталей, а для цементуемых легированных марок — цементацией с закалкой или азотированием. Сердцевина при этом остаётся вязкой.
При вращении вал испытывает переменные напряжения изгиба и кручения, поэтому разрушение носит усталостный характер. Главный критерий — предел выносливости, а концентраторы напряжений (галтели, шпоночные пазы) его снижают.
Нет. Модуль упругости у всех конструкционных сталей практически одинаков (около 2,0–2,1×10⁵ МПа), поэтому жёсткость зависит только от геометрии. Её повышают увеличением диаметра или уменьшением пролёта, а не маркой стали.
Отталкиваются от нагрузки, размеров сечения (прокаливаемости) и требований к износостойкости. Для умеренных условий — сталь 45, для повышенных — 40Х, для ответственных и крупных — 40ХН; для твёрдой поверхности при вязкой сердцевине — цементуемые марки.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.