Svako ko je proveo nekoliko godina u industriji mašina sigurno se uhvatio u koštac sa ovim pitanjem: za osovinu, klin ili zupčanik, da li treba da koristite čelik 45, 40Cr ili 42CrMo?
Neki kažu: "Koristite čelik 45 za male osovine i 42CrMo za velike", dok drugi tvrde, "40Cr je ultimativni-svestrani-koji može podnijeti sve." Da li su ove izjave tačne? Da, ali ne u potpunosti.
Danas, hajde da detaljno razložimo ova tri materijala. Bez gluposti, bez klišea-samo osnovne činjenice.
Slika
I. Prvo, da razjasnimo: šta ih tačno razlikuje?
Sva tri materijala imaju sličan sadržaj ugljika-oko 0,4%. Prava razlika nije u ugljeniku, već u legirajućim elementima.
45 čelik (visoko-ugljični konstrukcijski čelik)
45 čelik je visoko-kvalitetni ugljični konstrukcijski čelik; osim ugljika i malih količina silicija i mangana, namjerno se ne dodaju nikakvi legirajući elementi. Jednostavno rečeno, to je "osnovni model"-jeftin i adekvatan, ali nemojte očekivati da će se nositi sa teškim-zadacima.
40Cr (legirani konstrukcioni čelik)
40Cr je legirani konstrukcioni čelik; temelji se na čeliku 45 dodavanjem 0,8% do 1,1% hroma. Dodatak hroma značajno poboljšava otvrdljivost. Zamislite to kao "model udobnosti"-koji nudi najbolju ravnotežu cijene i performansi, te najširi spektar aplikacija.
42CrMo (Nisko{1}}konstrukcijski čelik)
42CrMo je legirani konstrukcioni čelik-visoke čvrstoće; potrebno je 40Cr korak dalje dodavanjem 0,15% do 0,25% molibdena. Molibden je moćan element-on povećava sposobnost otvrdnjavanja, a istovremeno suzbija lomljivost. To je "model visokih{8}}specifikacija", dizajniran posebno za ekstremne uslove rada.
II. Ključni koncept: otvrdnjavanje naspram kapaciteta očvršćavanja
Mnogi inženjeri brkaju ova dva koncepta.
Kapacitet kaljenja odnosi se na maksimalnu tvrdoću koju čelik može postići nakon gašenja; ovo prvenstveno zavisi od sadržaja ugljenika. Budući da tri materijala imaju slične razine ugljika, njihova površinska tvrdoća nakon temeljitog gašenja je zapravo prilično slična.
Kaljivost se odnosi na dubinu do koje se prostire očvrsli sloj; ovo prvenstveno zavisi od legirajućih elemenata. Ovo je fundamentalna razlika između ova tri materijala. Kritični promjer za čelik 45 za gašenje vodom je samo oko 12 do 17 mm. Šta ovo znači? Ako ugasite čeličnu osovinu 45 prečnika većeg od 30 mm, jezgro se neće potpuno stvrdnuti; ostaje mekana.
Kritični prečnik za 40Cr čelik za gašenje uljem dostiže 25 do 40 mm. Dijelovi sa srednjim poprečnim presjekom-mogu se očvrsnuti do kraja pomoću gašenja uljem, osiguravajući pouzdana svojstva jezgra.
Kritični prečnik za gašenje uljem 42CrMo čelika može biti veći od 40 do 80 mm. Čak i dijelovi-velikih presjeka mogu postići ujednačenu snagu i žilavost.
Tehničar veteran je to dobro rekao: čelik 45 ima "oštar jezik, ali meko srce"-tvrdo na površini, meko iznutra. Bez obzira na to koliko je stručan stručnjak za termičku obradu, oni ne mogu pretvoriti čeličnu osovinu velikog-prečnika 45 u osovinu visoke{5}}vrste. Ako se materijal ne stvrdne, jednostavno neće; nema smisla raspravljati se protiv fizike.
III. Koliko je značajna razlika u svojstvima za standardne uzorke za ispitivanje?
Ispod su minimalna svojstva za uzorke od 25 mm pod standardnim uvjetima toplinske obrade:
45 čelik: Vlačna čvrstoća veća ili jednaka 600 MPa, granica tečenja veća ili jednaka 355 MPa
40Cr: Vlačna čvrstoća veća ili jednaka 980 MPa, granica tečenja veća ili jednaka 785 MPa
42CrMo: Vlačna čvrstoća veća ili jednaka 1080 MPa, granica tečenja veća ili jednaka 930 MPa
Brojke govore same za sebe; razlike su očigledne.
Međutim, imajte na umu ključnu tačku: ove brojke se odnose na uzorke od 25 mm, a ne na gotove dijelove velikih{1}}presjeka. Što je veći poprečni presjek, to se jezgro sporije hladi, zbog čega je razlika u svojstvima između površine i jezgre izraženija. Ako biste izvršili test zatezanja na čeličnoj osovini 45 s promjerom 100 mm, sigurno ne bi ispunili ove brojke.
Slika
IV. Kako se određuje tvrdoća za kaljeni i kaljeni čelik?
Kaljenje i kaljenje uključuje stvrdnjavanje nakon čega slijedi kaljenje na visokoj{0}}temperaturi; cilj je postići ravnotežu između snage i žilavosti. Uobičajeni referentni rasponi su sljedeći:
45 Čelik: kaljen i kaljen na 220–250 HBW
40Cr: Ugašen i temperiran na 240–280 HBW
42CrMo: ugašen i temperiran na 260–320 HBW
42CrMo se često navodi na crtežima kao 28–32 HRC, što otprilike odgovara 270–300 HBW.
Međutim, ovdje postoji potencijalna zamka: jednostavno navođenje "ugašeno i temperirano" na crtežu nije dovoljno; ciljna tvrdoća mora biti definirana. Više temperature kaljenja rezultiraju manjom čvrstoćom i tvrdoćom, ali boljom duktilnošću i žilavošću. Bez jasnih specifikacija, radionica za termičku obradu mora se oslanjati na iskustvo, a dobijeni delovi mogu se značajno razlikovati od vaših očekivanja.
V. Kako zapravo birate? Zapamtite ova tri koraka
Korak 1: Razmotrite-dimenzije poprečnog presjeka
Ovo je najstroži kriterijum skrininga. Za kritične{1}}noseće komponente s promjerom većim od 30 mm, čelik 45 općenito ne treba uzeti u obzir; 40Cr je početna tačka. Ako promjer prelazi 80 mm ili su zahtjevi veći, treba razmotriti 42CrMo.
Korak 2: Razmotrite vrstu opterećenja
Lagana opterećenja (statička opterećenja, povremeno naprezanje): okviri, kućišta, klipnjače za laka{0}}okretna opterećenja → dovoljno je 45 čelika; najniži trošak.
Standardna teška opterećenja (opterećenja zamora koja uključuju ponovljeno uvijanje i savijanje): Pogonska vratila, zupčanici alatnih mašina, klipnjače motora → 40Cr je standardni izbor.
Ekstremno teška opterećenja (teški udar, ekstremno veliko opterećenje, kritični sigurnosni zahtjevi): Velika glavna osovina vjetroturbina, radilice teških mašina, cijevi za bušenje ulja → 42CrMo.
Korak 3: Razmotrite posljedice neuspjeha
Što je dio kritičniji, izbor materijala bi trebao biti konzervativniji.
Ako kvar rezultira samo zastojima za popravke, dovoljni su obični materijali. Međutim, ako kvar može dovesti do ozbiljnog oštećenja opreme, sigurnosnih nesreća ili velikih gubitaka zbog obustave proizvodnje, razred materijala treba poboljšati:
45 čelik → 40Cr
40Cr → 42CrMo
Logika je jednostavna: platiti nešto više za materijal daleko je jeftinije od nesreće.
VI. Specifični izbori za zajedničke dijelove
Komponente osovine
Opšta opterećenja, male brzine rotacije i dodatak za povećanje prečnika osovine → 45 čelik. Za komponente koje su podložne istovremenom savijanju i torziji, fluktuirajućim opterećenjima i koje zahtijevaju ujednačena svojstva poprečnog presjeka → 42Cr.
Za teške-primjene, velika opterećenja od udarca ili zamora, velike poprečne-presjeke ili dizajn-ograničen prostor → 42CrMo.
Napomena: Karakteristike kao što su utori za ključeve, poprečne rupe, podrezani žljebovi i stepenasti profili na osovinama stvaraju koncentraciju naprezanja; Problemi zamora se ne mogu riješiti samo povećanjem čvrstoće materijala-konstrukcijski dizajn je jednako važan.
Pins
Standardni klinovi → čelik 45 (kaljeni i kaljeni); indukcijsko kaljenje se može primijeniti ako je potrebna otpornost na habanje.
Umjereni udar i velika opterećenja na savijanje/smicanje → 40Cr (kaljeno i kaljeno, praćeno indukcijskim kaljenjem).
Veliki prečnik, veliko opterećenje i ponovljeni udar → 42CrMo (sa kontrolisanom žilavošću jezgra i dubinom{1}}očvršćavanja kućišta).
Zupčanici i zupčanici
Standardni kaljeni i kaljeni zupčanici → 45 čelik.
Zupčanici i osovine zupčanika sa umjerenim opterećenjem → 40Cr.
Osovine zupčanika visokog{0}}opterećenja koje zahtijevaju visoku čvrstoću i žilavost jezgra → 42CrMo.
Za aplikacije koje zahtijevaju duboko naugljičenje, dajte prednost čelicima za naugljičenje kao što je 20CrMnTi; 42CrMo, uprkos svojoj visokoj čvrstoći, nije univerzalna zamjena.
Vijci visoke{0}}vrste
Fokusirajte se prvo na stupanj učinka gotovog proizvoda, a ne samo na kvalitetu materijala. Iako se 42CrMo može koristiti za vijke visoke{2}}vrste, to ne garantuje automatski ocjenu Grade 10.9 ili 12.9; moraju se izvršiti svi potrebni pregledi.
Zavareni dijelovi
Čelik 45, 40Cr i 42CrMo nisu prikladni za standardne postupke zavarivanja nisko{3}}ugljičnog čelika. Ako je zavarivanje neophodno, temperature predgrijavanja, niski-potrošni materijali za zavarivanje vodonikom i tretmani nakon{6}}zavarivanja moraju se odrediti na osnovu materijala, debljine i uvjeta zadržavanja spojeva.
VII. Kako specificirati na crtežima? Za opšte dijelove, specifikacije se mogu napisati na sljedeći način:
45 Čelik: kaljen i kaljen, 220–250 HBW
40Cr: Ugašen i temperiran, 240–280 HBW
42CrMo: kaljeno i temperirano, 260–320 HBW
Kada koristite Rockwell tvrdoću (HRC) za inspekciju prihvatanja 42CrMo:
42CrMo: kaljeno i temperirano, 28–32 HRC
Potrebno je samo navesti HBW ili HRC, ovisno o praksi kompanije i mogućnostima testiranja. Specifične vrijednosti tvrdoće treba odrediti na osnovu opterećenja,-dimenzija poprečnog presjeka i naknadnih površinskih tretmana; gornje brojke su samo uobičajeni referentni rasponi.
VIII. Rezime
Da sumiramo sve, svodi se na tri ključne tačke:
45 Steel - Povoljan i adekvatan; pogodan za male veličine i mala opterećenja. Budite oprezni ako prečnik prelazi 30 mm.
40Cr - Kralj troškova-performanse; najbolji izbor za srednja opterećenja i srednje poprečne-presjeke. Ne možete pogriješiti ako odaberete ovo za 80% komponenti osovine.
42CrMo - Krajnji izbor za velika opterećenja, velike poprečne-presjeke i visoke-zahtjeve za pouzdanost; opcija idite-na za ekstremne uslove rada.
Na kraju jedno pitanje za sve:
Da li ste u svom radu naišli na kvarove na komponentama uzrokovanim nepravilnim odabirom materijala? Da li se radilo o velikom lomljenju osovine od 45 čelika jer se nije stvrdnula, ili možda odabiru 40Cr umjesto 42CrMo samo da uštedim novac? Slobodno podijelite svoja iskustva u odjeljku za komentare kako biste pomogli kolegama profesionalcima da izbjegnu slične zamke.
