Навигация по таблицам
- Таблица 1: Химический состав сталей для валов
- Таблица 2: Механические свойства после термообработки
- Таблица 3: Режимы термической обработки
- Таблица 4: Прокаливаемость и твердость
Таблица 1: Химический состав сталей для валов (% по массе)
| Марка стали | C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Ti | S (не более) | P (не более) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Сталь 20 | 0,17-0,24 | 0,17-0,37 | 0,35-0,65 | ≤0,25 | ≤0,25 | - | - | 0,040 | 0,035 |
| Сталь 45 | 0,42-0,50 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | ≤0,25 | ≤0,25 | - | - | 0,040 | 0,035 |
| 40Х | 0,36-0,44 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,80-1,10 | ≤0,30 | - | - | 0,035 | 0,035 |
| 18ХГТ | 0,17-0,23 | 0,17-0,37 | 0,80-1,10 | 1,00-1,30 | ≤0,30 | - | 0,03-0,09 | 0,035 | 0,035 |
| 40ХН2МА | 0,36-0,44 | 0,17-0,37 | 0,30-0,60 | 1,30-1,70 | 1,40-1,80 | 0,20-0,30 | - | 0,025 | 0,025 |
Таблица 2: Механические свойства после термообработки
| Марка стали | Состояние | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | ψ, % | KCU, Дж/см² | HB |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Сталь 20 | Горячекатаная | 410 | 250 | 25 | 55 | 100 | 143 |
| Нормализация 890°C | 450 | 280 | 31 | 65 | 120 | 156 | |
| Сталь 45 | Горячекатаная | 600 | 320 | 16 | 40 | 50 | 197 |
| Нормализация 860°C | 630 | 360 | 21 | 45 | 60 | 207 | |
| Улучшение 840°C+600°C | 750 | 550 | 14 | 42 | 65 | 230 | |
| 40Х | Отжиг 830°C | 665 | 345 | 16 | 45 | 55 | 197 |
| Нормализация 850°C | 715 | 410 | 14 | 42 | 49 | 217 | |
| Улучшение 860°C+500°C | 980 | 785 | 12 | 45 | 59 | 302 | |
| 18ХГТ | Отжиг 850°C | 590 | 315 | 17 | 45 | 78 | 217 |
| Цементация+закалка+отпуск | 1180 | 930 | 10 | 45 | 59 | 56-62 HRC (поверхность) | |
| 40ХН2МА | Отжиг 880°C | 735 | 440 | 13 | 42 | 54 | 229 |
| Улучшение 850°C+600°C | 1080 | 880 | 12 | 50 | 78 | 321 |
Таблица 3: Режимы термической обработки
| Марка стали | Операция | Температура, °C | Охлаждающая среда | Твердость после обработки |
|---|---|---|---|---|
| Сталь 20 | Нормализация | 890-920 | Воздух | 143-179 HB |
| Отжиг | 830-870 | С печью | ≤156 HB | |
| Цементация | 900-920 | Масло | 56-62 HRC (поверхность) | |
| Сталь 45 | Нормализация | 860-890 | Воздух | 197-229 HB |
| Закалка | 840-860 | Вода/масло | 50-56 HRC | |
| Отпуск высокий | 560-600 | Воздух | 217-248 HB | |
| Отпуск низкий | 200-300 | Воздух | 45-50 HRC | |
| 40Х | Нормализация | 850-880 | Воздух | 217-269 HB |
| Закалка | 860-880 | Масло | 55-60 HRC | |
| Отпуск высокий | 500-550 | Воздух | 269-302 HB | |
| Отпуск низкий | 200-250 | Воздух | 50-55 HRC | |
| 18ХГТ | Цементация | 900-920 | Масло | 56-62 HRC (поверхность) |
| Закалка после цементации | 820-850 | Масло | 60-64 HRC | |
| Отпуск | 160-200 | Воздух | 56-62 HRC | |
| 40ХН2МА | Закалка | 850-870 | Масло | 57-62 HRC |
| Отпуск высокий | 580-620 | Воздух | 302-341 HB | |
| Отпуск средний | 400-500 | Воздух | 38-44 HRC |
Таблица 4: Прокаливаемость и область применения
| Марка стали | Прокаливаемость, мм | Критический диаметр в воде, мм | Критический диаметр в масле, мм | Типичное применение для валов |
|---|---|---|---|---|
| Сталь 20 | 5-8 | 8-10 | 4-6 | Валы малых нагрузок, оси, цементуемые детали диаметром до 25 мм |
| Сталь 45 | 10-12 | 12-15 | 8-10 | Коленчатые валы, распределительные валы, шпиндели до 50 мм |
| 40Х | 20-25 | 25-30 | 18-22 | Валы средних нагрузок, зубчатые валы, шпиндели до 80 мм |
| 18ХГТ | 15-20 | 20-25 | 12-16 | Цементуемые валы, шестерни, червячные валы до 60 мм |
| 40ХН2МА | 40-50 | 60-80 | 35-45 | Ответственные валы крупных размеров, коленвалы до 200 мм |
Оглавление статьи
Введение
Выбор подходящей марки стали для изготовления валов является критически важным аспектом машиностроения. От правильности этого выбора зависят надежность, долговечность и эксплуатационные характеристики механизмов. Современная промышленность предъявляет высокие требования к материалам валов, которые должны выдерживать значительные механические нагрузки, обладать достаточной прочностью и износостойкостью.
Валы работают в условиях сложного напряженного состояния, испытывая комбинированные нагрузки на изгиб, кручение и сжатие. При этом поверхность валов часто подвергается интенсивному износу в местах контакта с подшипниками, шестернями и другими сопряженными деталями. Поэтому материал должен обеспечивать оптимальное сочетание прочности сердцевины и твердости поверхности.
Классификация сталей для валов
Стали для изготовления валов подразделяются на несколько основных групп в зависимости от химического состава, механических свойств и области применения. Основная классификация включает углеродистые и легированные стали различных категорий качества.
Углеродистые стали содержат в качестве основного легирующего элемента только углерод, количество которого определяет их механические свойства. Легированные стали дополнительно содержат специальные добавки - хром, никель, молибден, марганец и другие элементы, которые существенно улучшают прочностные характеристики и прокаливаемость.
Углеродистые стали для валов
Сталь 20 - низкоуглеродистая конструкционная
Сталь 20 относится к группе низкоуглеродистых качественных конструкционных сталей. Содержание углерода составляет 0,17-0,24%, что обеспечивает хорошую пластичность и свариваемость при относительно невысокой прочности. Эта сталь преимущественно используется для изготовления валов, работающих при небольших нагрузках.
Термическая обработка стали 20 включает нормализацию при температуре 890-920°C с охлаждением на воздухе. Для деталей, требующих повышенной поверхностной твердости, применяется цементация с последующей закалкой. Прокаливаемость стали ограничена 5-8 мм, что необходимо учитывать при проектировании.
Сталь 45 - среднеуглеродистая конструкционная
Сталь 45 является наиболее распространенной среднеуглеродистой конструкционной сталью с содержанием углерода 0,42-0,50%. Она обеспечивает оптимальное соотношение прочности, пластичности и обрабатываемости, что делает ее основным материалом для валов средней ответственности.
Термообработка стали 45 обычно включает закалку при 840-860°C с охлаждением в воде или масле, после чего следует отпуск при температуре 560-600°C. Такая обработка обеспечивает твердость 217-248 HB и хорошую ударную вязкость. Прокаливаемость составляет 10-12 мм, что позволяет изготавливать валы диаметром до 50 мм.
Легированные стали для валов
Сталь 40Х - хромистая конструкционная
Сталь 40Х представляет собой среднеуглеродистую хромистую сталь с содержанием углерода 0,36-0,44% и хрома 0,80-1,10%. Добавление хрома существенно повышает прокаливаемость до 20-25 мм и улучшает механические свойства после термообработки.
Хром в стали 40Х способствует образованию стабильных карбидов, повышает устойчивость переохлажденного аустенита и снижает критическую скорость закалки. Это позволяет проводить закалку в масле вместо воды, что снижает внутренние напряжения и деформации изделий.
Сталь 18ХГТ - хромомарганцевая цементуемая
Сталь 18ХГТ является хромомарганцевой цементуемой сталью с низким содержанием углерода (0,17-0,23%) и добавками хрома, марганца и титана. Титан вводится для измельчения зерна и повышения прочности, однако при избыточном содержании может снижать прокаливаемость.
Основное применение стали 18ХГТ - изготовление цементуемых деталей ответственного назначения. После цементации, закалки и низкого отпуска поверхность приобретает твердость 56-62 HRC при сохранении вязкой сердцевины с твердостью 25-35 HRC.
Сталь 40ХН2МА - высоколегированная конструкционная
Сталь 40ХН2МА относится к высоколегированным конструкционным сталям с содержанием хрома 1,30-1,70%, никеля 1,40-1,80% и молибдена 0,20-0,30%. Такое легирование обеспечивает исключительно высокую прокаливаемость 40-50 мм и превосходные механические свойства.
Молибден в составе стали повышает прочность при высоких температурах и снижает склонность к отпускной хрупкости. Никель увеличивает ударную вязкость и улучшает свариваемость. Сталь 40ХН2МА является заменителем дорогих хромоникелевых сталей в ответственных конструкциях.
Методы термической обработки
Термическая обработка сталей для валов включает несколько основных операций, каждая из которых направлена на получение определенного комплекса свойств. Правильный выбор режима термообработки является ключевым фактором обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик.
Нормализация
Нормализация применяется для углеродистых сталей типа 20 и 45 с целью измельчения структуры и снятия внутренних напряжений после прокатки или ковки. Нагрев производится на 30-50°C выше точки Ac3, после чего следует охлаждение на спокойном воздухе.
Улучшение (закалка + высокий отпуск)
Улучшение является основным видом термообработки для большинства конструкционных сталей. Закалка проводится с температуры 820-880°C в зависимости от марки стали, а последующий высокий отпуск при 500-650°C обеспечивает оптимальное сочетание прочности и пластичности.
Поверхностная закалка
Для валов, требующих высокой поверхностной твердости при вязкой сердцевине, применяется поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ). Глубина закаленного слоя регулируется частотой тока и составляет от 1 до 10 мм.
Критерии выбора марки стали
Выбор марки стали для конкретного вала определяется комплексом факторов, включающих условия эксплуатации, размеры детали, требуемые механические свойства и экономические соображения.
Основными критериями являются уровень действующих напряжений, характер нагружения (статическое, динамическое, знакопеременное), требования к поверхностной твердости, размеры изделия и необходимая прокаливаемость. Также важно учитывать условия окружающей среды, температуру эксплуатации и требования к точности изготовления.
Практические применения
Каждая марка стали имеет свою оптимальную область применения, определяемую соотношением механических свойств, технологичности и стоимости.
Сталь 20 применяется для валов малоответственных механизмов - вентиляторов, конвейеров, легких редукторов. Сталь 45 является основным материалом для валов станков, автомобильных коробок передач, насосов. Сталь 40Х используется в более нагруженных узлах - валах компрессоров, тяжелых редукторов, шпинделях станков.
Сталь 18ХГТ незаменима для изготовления цементуемых зубчатых валов, червячных валов, валов коробок передач автомобилей. Сталь 40ХН2МА применяется в наиболее ответственных конструкциях - коленчатых валах мощных двигателей, валах турбин, тяжелонагруженных шпинделях.
Готовые решения для валов из качественных сталей
При выборе материала для валов важно учитывать не только марку стали, но и точность изготовления, качество термической обработки и соответствие размерных характеристик проектным требованиям. Компания Иннер Инжиниринг предлагает широкий ассортимент валов и прецизионных валов, изготовленных из высококачественных сталей с соблюдением всех технологических требований. В каталоге представлены валы с опорой для различных применений, а также специализированные серии прецизионных валов, включая серию W, серию WRA и серию WRB для высокоточных механизмов.
Особое внимание заслуживают прецизионные валы серии WV и серии WVH, которые обеспечивают исключительную точность и долговечность в условиях высоких нагрузок. Для специальных применений доступны полые прецизионные валы, которые при сохранении прочностных характеристик позволяют значительно снизить массу конструкции. Все изделия проходят строгий контроль качества и поставляются с сертификатами соответствия, подтверждающими использование сталей указанных марок и соблюдение режимов термической обработки.
Часто задаваемые вопросы
Для коленчатых валов автомобилей рекомендуется использовать сталь 45 для двигателей малой мощности или сталь 40ХН2МА для мощных двигателей. Сталь 45 обеспечивает достаточную прочность при умеренной стоимости, а 40ХН2МА - высокую усталостную прочность и надежность в тяжелых условиях эксплуатации. Обязательна термообработка по режиму улучшения с последующей поверхностной закалкой шеек.
Закаливаемость - это способность стали приобретать высокую твердость при закалке, которая зависит от содержания углерода. Прокаливаемость - это глубина, на которую распространяется закаленная структура, зависящая от легирующих элементов. Например, стали 45 и 40Х имеют близкую закаливаемость (обе достигают 55-60 HRC), но прокаливаемость 40Х в 2 раза выше благодаря хрому.
Замена возможна только при снижении требований к прочности или уменьшении диаметра детали. Сталь 40Х имеет прокаливаемость до 25 мм против 50 мм у 40ХН2МА, а предел прочности после улучшения составляет 980 МПа против 1080 МПа. Для валов диаметром более 60 мм замена недопустима из-за неполной прокаливаемости.
Низкое содержание углерода (0,17-0,23%) в стали 18ХГТ не позволяет получить высокую твердость при обычной закалке. Цементация насыщает поверхностный слой углеродом до 0,8-1,2%, после чего закалка обеспечивает твердость 56-62 HRC на поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Это идеально для зубчатых валов и других деталей, работающих на износ.
Углеродистые стали (20, 45) сохраняют свойства до 200-250°C, легированная 40Х - до 300-350°C, а высоколегированная 40ХН2МА работает до 500°C. При более высоких температурах происходит отпуск закаленной структуры и снижение прочности. Для работы при температурах выше 500°C требуются специальные жаропрочные стали.
Размер заготовки определяет требуемую прокаливаемость стали. Для валов диаметром до 25 мм достаточно стали 20 или 45, до 50 мм - стали 45 или 40Х, до 100 мм - стали 40Х или 40ХН2МА, свыше 100 мм - только высоколегированных сталей типа 40ХН2МА. Недостаточная прокаливаемость приводит к неоднородности свойств по сечению.
Для валов под подшипники качения оптимальная твердость шеек составляет 45-55 HRC. Недостаточная твердость приводит к износу и вмятинам от тел качения, избыточная - к хрупкости и возможным сколам. Обычно применяется поверхностная закалка ТВЧ на глубину 3-5 мм или улучшение с последующей поверхностной обработкой.
Валы требуют особого внимания к деформациям при термообработке из-за большого отношения длины к диаметру. Применяется специальное подвешивание или поддержка во время нагрева и охлаждения, ступенчатая закалка, использование масла вместо воды для охлаждения. Часто применяется селективная термообработка - упрочнение только рабочих поверхностей при сохранении исходной структуры в местах посадок.
