Материалы · Подборка

Какой материал выбрать для вала

Кратко

Для большинства валов подходит сталь 45 в улучшенном состоянии: она недорого точится, а шейки закаливают токами высокой частоты. Для толстых валов и ударных нагрузок берут 40Х, она прокаливается глубже. Вал, который работает в воде и паре, делают из 20Х13, лёгкий и сильно нагруженный — из 30ХГСА.

Кандидаты: вал

Марка	Плотность, г/см³	Прочность	Резание	Сварка	Когда подходит	Ограничения
Сталь 35	7,85	не менее 530 МПа	отлично	ограниченно	Малонагруженные оси и валы приводов без закалки	Прочность ниже, запас на шпоночные пазы и ступени небольшой
Сталь 45	7,85	не менее 600 МПа	отлично	ограниченно	Основной выбор: улучшение и закалка шеек ТВЧ под подшипники и уплотнения	Прокаливается неглубоко: на толстом валу твёрдым становится только поверхностный слой
40Х	7,82	не менее 980 МПа	отлично	ограниченно	Валы большого диаметра, ударные и знакопеременные нагрузки, вал-шестерни	Дороже стали 45, сварка только с подогревом
30ХГСА	7,85	не менее 1080 МПа	хорошо	ограниченно	Лёгкие сильно нагруженные валы в ответственных узлах	Дороже 40Х, сварка только с подогревом, нужен контроль термообработки
20Х	7,83	не менее 780 МПа	отлично	отлично	Валы со шлицами и кулачками, где нужна твёрдая цементованная поверхность и вязкая сердцевина	Цементация и шлифовка после неё — отдельные операции, на чертеже закладывают припуск
20Х13	7,67	—	хорошо	ограниченно	Валы и штоки насосов и арматуры в контакте с водой и паром	Хлориды и морская вода ей не по силам. Термообработка обязательна
AISI 304	7,9	не менее 515 МПа	хорошо	отлично	Валы пищевых и лёгких приводов без нагрузки	Мягкая и вязкая: шейки быстро вырабатываются, в паре с бронзой задирает

Плотность, прочность и оценки обработки взяты из карточек марок, у каждой из них указан стандарт и источники.

Как выбирать

Нагрузка и диаметр

Диаметр вала определяют расчётом на кручение и изгиб по пределу текучести. Чем выше предел текучести материала после термообработки, тем тоньше вал при той же нагрузке. У 40Х он заметно выше, чем у стали 45, поэтому на ответственных узлах вал из 40Х выходит тоньше.

Прокаливаемость

Сталь 45 прокаливается на небольшую глубину, и сквозную твёрдость на толстом сечении она не даёт. Для сечений в несколько десятков миллиметров берут легированные стали 40Х или 30ХГСА.

Износ шеек

Шейки под подшипники качения и манжеты закаливают ТВЧ до 48–55 HRC и шлифуют. Незакалённая шейка вырабатывается под манжетой быстро.

Деформация при термообработке

Длинный тонкий вал после закалки ведёт. Заготовку нормализуют до чистовой обработки, оставляют припуск под шлифовку и при необходимости правят.

Концентраторы напряжений

Шпоночные пазы, острые внутренние углы на ступенях и проточки под стопорные кольца влияют на усталостную прочность сильнее, чем разница между соседними марками. Радиусы на переходах дешевле, чем более дорогая сталь.

Типичные ошибки

Брать Ст3 «чтобы дешевле» для вала под нагрузкой. Сталь не улучшается, шейки быстро вырабатываются.
Ждать сквозной твёрдости от стали 45 на толстом валу: сердцевина остаётся мягкой.
Дорабатывать вал в размер до закалки. После термообработки он поведёт, и шлифовать будет нечего.
Ставить нержавеющий вал из 304 в бронзовые втулки: шейка получит задиры.
Оставлять острые внутренние углы на ступенях вала. Усталостная трещина начинается именно там.