Każdy, kto spędził kilka lat w branży maszynowej, z pewnością zmagał się z następującym pytaniem: czy w przypadku wału, sworznia czy koła zębatego należy używać stali 45, 40Cr czy 42CrMo?
Niektórzy mówią: „W przypadku małych wałów używaj stali 45, a w przypadku dużych 42CrMo”, inni twierdzą, że „40Cr to produkt najbardziej wszechstronny-{4}}, który poradzi sobie ze wszystkim”. Czy te stwierdzenia są prawidłowe? Tak, ale nie całkowicie.
Dzisiaj dokładnie rozłóżmy te trzy materiały. Żadnych bzdur i stereotypów-tylko najważniejsze fakty.
Obraz
I. Najpierw wyjaśnijmy: co dokładnie je wyróżnia?
Wszystkie trzy materiały mają podobną zawartość węgla-około 0,4%. Prawdziwa różnica nie polega na węglu, ale na pierwiastkach stopowych.
Stal 45 (wysokiej-stal konstrukcyjna ze stali węglowej)
Stal 45 to-wysokiej jakości stal konstrukcyjna węglowa; poza węglem i niewielkimi ilościami krzemu i manganu nie dodaje się celowo żadnych pierwiastków stopowych. Krótko mówiąc, jest to „model podstawowy”-tani i odpowiedni, ale nie należy oczekiwać, że poradzi sobie-z dużymi zadaniami.
40Cr (stal stopowa konstrukcyjna)
40Cr to stal konstrukcyjna stopowa; opiera się na stali 45, dodając od 0,8% do 1,1% chromu. Dodatek chromu znacznie poprawia hartowność. Pomyśl o tym jak o „modelu komfortu”-oferującym najlepszą równowagę kosztów i wydajności oraz najszerszy zakres zastosowań.
42CrMo (stal konstrukcyjna-niskostopowa)
42CrMo to-stal konstrukcyjna stopowa o wysokiej wytrzymałości; w przypadku 40Cr posunięto się o krok dalej, dodając od 0,15% do 0,25% molibdenu. Molibden to potężny pierwiastek,-który zwiększa hartowność, a jednocześnie ogranicza kruchość odpuszczania. Jest to „model-o wysokich parametrach”, zaprojektowany specjalnie do ekstremalnych warunków pracy.
II. Kluczowa koncepcja: Hartowność a zdolność do hartowania
Wielu inżynierów myli te dwa pojęcia.
Zdolność do hartowania odnosi się do maksymalnej twardości, jaką stal może osiągnąć po hartowaniu; zależy to przede wszystkim od zawartości węgla. Ponieważ te trzy materiały mają podobną zawartość węgla, ich twardość powierzchniowa po dokładnym hartowaniu jest w rzeczywistości dość podobna.
Hartowność odnosi się do głębokości, na jaką sięga utwardzona warstwa; zależy to przede wszystkim od pierwiastków stopowych. Na tym polega podstawowa różnica między tymi trzema materiałami. Krytyczna średnica stali 45 do hartowania w wodzie wynosi tylko około 12 do 17 mm. Co to oznacza? Jeśli hartujesz wał ze stali 45 o średnicy przekraczającej 30 mm, rdzeń nie stwardnieje całkowicie; pozostaje miękki.
Średnica krytyczna dla stali 40Cr hartowanej w oleju sięga od 25 do 40 mm. Części o średnich-przekrojach poprzecznych można całkowicie utwardzać za pomocą hartowania w oleju, co zapewnia niezawodne właściwości rdzenia.
Średnica krytyczna dla stali 42CrMo hartowanej w oleju może przekraczać 40 do 80 mm. Nawet części-o dużych przekrojach mogą osiągnąć jednakową wytrzymałość i wytrzymałość.
Doświadczony technik dobrze to ujął: stal 45 ma „ostry język, ale miękkie serce”-twarde na powierzchni i miękkie w środku. Niezależnie od tego, jak wykwalifikowany jest specjalista od obróbki cieplnej, nie jest on w stanie zamienić wału stalowego o dużej-średnicy 45 w wał o-wytrzymałości. Jeśli materiał nie twardnieje, po prostu nie; nie ma sensu dyskutować z fizyką.
III. Jak znacząca jest różnica we właściwościach standardowych próbek do badań?
Poniżej przedstawiono minimalne właściwości próbek o średnicy 25 mm w standardowych warunkach obróbki cieplnej:
Stal 45: Wytrzymałość na rozciąganie większa lub równa 600 MPa, Granica plastyczności większa lub równa 355 MPa
40Cr: Wytrzymałość na rozciąganie większa lub równa 980 MPa, Granica plastyczności większa lub równa 785 MPa
42CrMo: Wytrzymałość na rozciąganie większa lub równa 1080 MPa, Granica plastyczności większa lub równa 930 MPa
Liczby mówią same za siebie; różnice są oczywiste.
Należy jednak zwrócić uwagę na kluczową kwestię: liczby te dotyczą próbek o średnicy 25 mm, a nie gotowych części o-dużym przekroju. Im większy-przekrój poprzeczny, tym wolniej rdzeń się ochładza, co sprawia, że różnica we właściwościach pomiędzy powierzchnią a rdzeniem jest bardziej wyraźna. Gdyby przeprowadzić próbę rozciągania na wale stalowym 45 o średnicy 100 mm, z pewnością nie osiągnąłby on tych wartości.
Obraz
IV. Jak określa się twardość stali hartowanej i odpuszczanej?
Hartowanie i odpuszczanie obejmuje hartowanie, po którym następuje-odpuszczanie w wysokiej temperaturze; celem jest osiągnięcie równowagi pomiędzy siłą i wytrzymałością. Typowe zakresy odniesienia są następujące:
45 Stal: ulepszona cieplnie do 220–250 HBW
40Cr: Ulepszony i odpuszczony do 240–280 HBW
42CrMo: Ulepszony i odpuszczony do 260–320 HBW
42CrMo jest często określany na rysunkach jako 28–32 HRC, co w przybliżeniu odpowiada 270–300 HBW.
Istnieje jednak potencjalna pułapka: samo określenie na rysunku słowa „hartowany i odpuszczany” jest niewystarczające; należy określić twardość docelową. Wyższe temperatury odpuszczania powodują niższą wytrzymałość i twardość, ale lepszą ciągliwość i udarność. Bez jasnych specyfikacji warsztat obróbki cieplnej musi polegać na doświadczeniu, a powstałe części mogą znacząco odbiegać od Twoich oczekiwań.
V. Jak właściwie dokonujesz wyboru? Zapamiętaj te trzy kroki
Krok 1: Weź pod uwagę wymiary-przekrojowe
Jest to najbardziej sztywne kryterium przesiewowe. W przypadku krytycznych elementów nośnych-o średnicy przekraczającej 30 mm zasadniczo nie należy brać pod uwagę stali 45; Punktem wyjścia jest 40Cr. Jeśli średnica przekracza 80 mm lub wymagania są wyższe, należy rozważyć zastosowanie 42CrMo.
Krok 2: Rozważ typ obciążenia
Obciążenia lekkie (obciążenia statyczne, okazjonalne naprężenia): ramy, osłony,-lekkie korbowody → wystarczy stal 45; najniższy koszt.
Standardowe duże obciążenia (obciążenia zmęczeniowe obejmujące powtarzające się skręcanie i zginanie): Wały napędowe, przekładnie obrabiarek, korbowody silnika → 40Cr jest standardowym wyborem.
Ekstremalnie duże obciążenia (poważne uderzenia, ekstremalnie wysokie naprężenia, krytyczne wymagania bezpieczeństwa): Duże wały główne turbin wiatrowych, wały korbowe ciężkich maszyn, rury wiertnicze → 42CrMo.
Krok 3: Rozważ konsekwencje niepowodzenia
Im bardziej krytyczna jest część, tym bardziej konserwatywny powinien być wybór materiału.
Jeżeli awaria skutkuje jedynie przestojem w naprawie, wystarczą zwykłe materiały. Jeśli jednak awaria może prowadzić do poważnych uszkodzeń sprzętu, wypadków związanych z bezpieczeństwem lub ogromnych strat w wyniku przestoju produkcji, należy podnieść klasę materiału:
45 Stal → 40Cr
40Cr → 42CrMo
Logika jest prosta: zapłacenie nieco więcej za materiał jest znacznie tańsze niż leczenie wypadku.
VI. Konkretne wybory części wspólnych
Elementy wału
Obciążenia ogólne, niskie prędkości obrotowe i naddatek na zwiększenie średnicy wału → stal 45. Do elementów narażonych na jednoczesne zginanie i skręcanie, zmienne obciążenia i wymagających jednakowych-przekrojów właściwości → 42Cr.
Do ciężkich-zastosowań, dużych obciążeń udarowych lub zmęczeniowych, dużych-przekrojów poprzecznych lub projektów o ograniczonej przestrzeni- → 42CrMo.
Uwaga: Elementy takie jak rowki wpustowe, otwory poprzeczne, podcięte rowki i schodkowe zaokrąglenia na wałach powodują koncentrację naprężeń; problemów zmęczeniowych nie można rozwiązać wyłącznie poprzez zwiększenie wytrzymałości materiału.-Równie ważny jest projekt konstrukcyjny.
Kołki
Standardowe sworznie → stal 45 (ulepszona cieplnie); Jeśli wymagana jest odporność na zużycie, można zastosować hartowanie indukcyjne.
Umiarkowane obciążenia udarowe i duże obciążenia zginające/ścinające → 40Cr (hartowane i odpuszczane, a następnie utwardzane indukcyjnie).
Duża średnica, duże obciążenie i wielokrotne uderzenia → 42CrMo (z kontrolowaną udarnością rdzenia i głębokością-utwardzania powierzchniowego.
Przekładnie i wały zębate
Standardowe, hartowane i odpuszczane koła zębate → stal 45.
Koła zębate i wały przekładni o umiarkowanych obciążeniach → 40Cr.
Wały przekładni-o dużym obciążeniu, wymagające dużej wytrzymałości i wytrzymałości rdzenia → 42CrMo.
W przypadku zastosowań wymagających głębokiego nawęglania należy preferować stale nawęglane, takie jak 20CrMnTi; 42CrMo pomimo dużej wytrzymałości nie jest uniwersalnym zamiennikiem.
Śruby o wysokiej-wytrzymałości
Skoncentruj się najpierw na klasie wydajności gotowego produktu, a nie tylko na klasie materiału. Chociaż 42CrMo można stosować do śrub-o dużej wytrzymałości, nie gwarantuje to automatycznie klasy 10.9 lub 12.9; należy przeprowadzić wszystkie wymagane przeglądy.
Części spawane
Stale 45, 40Cr i 42CrMo nie nadają się do standardowych procedur spawania stali nisko-węglowej. Jeśli konieczne jest spawanie, należy określić temperaturę podgrzewania wstępnego, materiały dodatkowe do spawania o niskiej-wodorze i obróbkę-po spawaniu, biorąc pod uwagę materiał, grubość i warunki utwierdzenia złącza.
VII. Jak określić na rysunkach? W przypadku części ogólnych specyfikacje można zapisać w następujący sposób:
45 Stal: ulepszona cieplnie, 220–250 HBW
40Cr: ulepszony cieplnie, 240–280 HBW
42CrMo: ulepszony cieplnie, 260–320 HBW
W przypadku stosowania twardości Rockwella (HRC) do kontroli odbiorczej 42CrMo:
42CrMo: ulepszony cieplnie, 28–32 HRC
Wystarczy określić HBW lub HRC, w zależności od praktyki firmy i możliwości testowania. Konkretne wartości twardości należy określić na podstawie obciążenia,-wymiarów przekroju poprzecznego i późniejszej obróbki powierzchni; powyższe liczby stanowią jedynie typowe zakresy odniesienia.
VIII. Streszczenie
Podsumowując, wszystko sprowadza się do trzech kluczowych punktów:
45 Stal - Niedrogi i odpowiedni; nadaje się do małych rozmiarów i lekkich ładunków. Zachowaj ostrożność, jeśli średnica przekracza 30 mm.
40Cr - Król-kosztów i wydajności; najlepszy wybór w przypadku średnich obciążeń i średnich-przekrojów. Nie można się pomylić, wybierając to dla 80% elementów wału.
42CrMo - Najlepszy wybór w przypadku dużych obciążeń, dużych-przekrojów poprzecznych i wymagań dotyczących wysokiej-niezawodności; najlepsza opcja-w ekstremalnych warunkach pracy.
Na koniec pytanie do wszystkich:
Czy spotkałeś się w swojej pracy z awarią podzespołów spowodowaną niewłaściwym doborem materiałów? Czy było to pęknięcie dużego wału ze stali 45, ponieważ nie stwardniało, czy może wybranie 40Cr zamiast 42CrMo tylko po to, aby zaoszczędzić pieniądze? Podziel się swoimi doświadczeniami w sekcji komentarzy, aby pomóc innym profesjonalistom uniknąć podobnych pułapek.
