Сталь
Сталь — основа обработанных деталей. Но «сталь» ничего не значит без марки — 1045 и D2 ведут себя совершенно по-разному. Эта страница поможет вам выбрать нужную марку, понять, какую термическую обработку указать, и избежать дорогостоящей ошибки завышенной твёрдости, которую невозможно достичь.
Какая сталь вам нужна?
Начните здесь. Ваш ответ определяет стоимость материала, время обработки и необходимость термической обработки.
| Ваша ситуация | Используйте это | Почему |
|---|
| Общего назначения валы, пальцы, кронштейны | 1045 | Самая дешёвая углеродистая сталь. Достаточна для большинства некритических деталей. ТЗО до 25–35 HRC. |
| Шестерни, оси, высоконагруженные детали | 4140 | Рабочая легированная сталь. Хорошая сквозная закалка, приличная обрабатываемость. ТЗО до 28–38 HRC. |
| Высокопрочные конструкционные детали | 4340 | Прокаливаемость выше, чем у 4140. Применяется, когда 4140 не достигает нужной твёрдости сердцевины. 40–50 HRC. |
| Режущий инструмент, пуансоны, штампы | D2 | Высокоуглеродистая хромистая инструментальная сталь. 58–62 HRC. Износостойкая, но хрупкая. |
| Формы литья под давлением, штампы ковки | H13 | Инструментальная сталь для горячей обработки. Сохраняет твёрдость при 500°C+. 44–52 HRC. |
| Коррозионная стойкость + твёрдость | 420 SS | Нержавеющая сталь с приличной прокаливаемостью. 40–50 HRC. Хирургические инструменты, штоки насосов. |
| Сварные сборки | 1045 или 4140 | Для 4140 требуется подогрев (200°C+). D2 и H13 не свариваются. |
| Приоритет бюджета | 1045 | Самая дешёвая сталь. Самая быстрая обработка. Самая широкая доступность. |
Сводные данные по сталям
| Свойство | 1045 | 4140 | 4340 | D2 | H13 | 420 SS |
|---|
| Категория | Углеродистая | Легированная | Легированная (NiCrMo) | Инструментальная (выс. Cr) | Для горячей обработки | Мартенситная SS |
| Прочность на разрыв (МПа) | 585 (отожжённая) | 655 (отожжённая) | 745 (отожжённая) | — | — | 655 (отожжённая) |
| Прокаливаемость | Низкая | Средняя | Высокая | Очень высокая | Высокая | Средняя |
| Макс. HRC (ТЗО) | 35 | 38 (закалка: масло) | 50 (закалка: масло) | 62 (закалка: масло/воздух) | 52 (закалка: воздух) | 50 (закалка: воздух/масло) |
| Закалочная среда | Вода | Масло | Масло | Масло / Воздух | Воздух | Воздух / Масло |
| Обрабатываемость | Хорошая | Хорошая | Удовлетворительная | Плохая (до ТЗО) | Удовлетворительная | Удовлетворительная |
| Свариваемость | Да | Требуется подогрев | Требуется подогрев | Нет | Нет | Требуется подогрев |
| Плотность (г/см³) | 7.85 | 7.85 | 7.85 | 7.70 | 7.80 | 7.80 |
| Относительная стоимость | 1.0x | 1.3–1.8x | 1.5–2.0x | 3–5x | 3–5x | 2–3x |
Результаты термической обработки
Сталь без термической обработки — это просто... сталь. Большинство обработанных деталей нуждаются в той или иной форме ТЗО. Таблица ниже показывает, чего ожидать.
| Сталь | Закалка | Отпуск (°C) | Результат (HRC) | Результат (HB) | Применение |
|---|
| 1045 | Вода | 400–550 | 25–35 | 255–320 | Валы, пальцы, кронштейны |
| 4140 | Масло | 400–600 | 28–38 | 270–350 | Шестерни, оси, муфты |
| 4340 | Масло | 200–430 | 40–50 | 380–480 | Высокопрочные болты, валы |
| D2 | Масло / Воздух | 200–300 | 58–62 | — | Режущий инструмент, формовые штампы |
| H13 | Воздух | 500–600 | 44–52 | — | Формы литья под давлением, горячая штамповка |
| 420 SS | Воздух / Масло | 200–400 | 40–50 | — | Хирургические инструменты, штоки клапанов |
Ловушка прокаливаемости
1045 закаливается в воде, но достигает сквозной закалки только на небольших сечениях (<20 мм). Для более толстых деталей сердцевина остаётся мягкой. Если вам нужна твёрдость 35 HRC насквозь на валу диаметром 50 мм, используйте 4140 (закалка в масле), а не 1045. Это самая частая ошибка при выборе стали.
4140 vs 4340 — когда переходить на более дорогой сплав
4140 покрывает 80% применений легированной стали. Но 4340 содержит никель, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость и лучшую вязкость при высоких уровнях твёрдости.
| Требование | Выберите | Причина |
|---|
| Общего назначения шестерня/вал (большинство случаев) | 4140 | Дешевле, достаточно хорошо, широко представлена на складе |
| Большое сечение (>50 мм) с высокой твёрдостью сердцевины | 4340 | Никель обеспечивает более глубокую прокаливаемость |
| Ударная вязкость при 45+ HRC | 4340 | Ударная вязкость значительно лучше |
| Чувствительность к стоимости | 4140 | На 20–30% дешевле 4340 |
Инструментальная сталь: D2 vs H13
D2 и H13 — обе дорогие, обе износостойкие, но предназначены для совершенно разных применений.
| Свойство | D2 | H13 |
|---|
| Тип | Инструментальная сталь для холодной обработки | Инструментальная сталь для горячей обработки |
| Твёрдость | 58–62 HRC | 44–52 HRC |
| Износостойкость | Отличная (высокий Cr) | Хорошая |
| Вязкость | Низкая (хрупкая) | Хорошая |
| Красностойкость | Плохая (размягчается >300°C) | Отличная (сохраняет до 500°C+) |
| Обрабатываемость (отожжённая) | Плохая (абразивные карбиды) | Удовлетворительная |
| Применение для | Вырубные штампы, пуансоны, ножницы | Формы литья под давлением, штампы ковки, экструзия |
НЕ используйте D2 для деталей под ударными нагрузками
При 60 HRC D2 твёрдый, но хрупкий. При ударе он скалывается и трескается. Если ваш инструмент будет подвергаться ударным нагрузкам, используйте A2 или S7. D2 предназначен для скользящего износа, а не для ударов.
Советы по закупке
| Совет | Подробности |
|---|
| Указывайте состояние | «4140» — неполная спецификация. Укажите «4140 отожжённая» (для обработки с последующей ТЗО) или «4140 ТЗО до 30–35 HRC» (предварительно обработанная). Предварительная обработка экономит время, но материал сложнее обрабатывать. |
| Запрашивайте MTR | Отчёт об испытаниях материала для критических деталей. Проверяйте соответствие химического состава спецификации. |
| Китайская отечественная сталь | Отечественная 4140 обычно хорошего качества (аналог 45CrMo4). Качество D2 и H13 варьируется — проверяйте с поставщиком. Для инструментальных сталей импорт (Bohler, Uddeholm) часто оправдывает наценку. |
| С предварительно обработанной или без обработки | Заказывайте отожжённую, если нужна сначала обработка, затем ТЗО. Заказывайте предварительно обработанную, если размеры простые и нужна только шлифовка/отделка. Предварительно обработанный материал обрабатывается в 2–3 раза медленнее. |
| Доступные размеры | 1045 и 4140 доступны в любом размере. D2 и H13 часто ограничены стандартными размерами листа/прутка. Планируйте дополнительный срок изготовления для нестандартных размеров. |
Типичные ошибки
| Ошибка | Что происходит | Правильный подход |
|---|
| Указание 1045 для толстых деталей, нуждающихся в сквозной закалке | Сердцевина остаётся мягкой, деталь разрушается в эксплуатации | Используйте 4140 или 4340 для сечений >20 мм |
| Указание 60 HRC на 4140 | Невозможно достичь стабильно — максимум ~38 HRC | Для 60 HRC нужна D2, а не 4140 |
| Закалка D2 в воде | Трещины. D2 должен закаливаться в масле или на воздухе. | Соблюдайте правильную закалочную среду для каждой марки |
| Использование D2 для ударных инструментов | Скалывание и растрескивание при ударе | Используйте S7 или A2 для ударных применений |
| Сварка 4140 без подогрева | Трещины в ЗТВ из-за прокаливаемости | Подогревайте до 200–250°C минимум перед сваркой |
| Без оставления припуска на шлифовку после ТЗО | Деформация при закалке выводит деталь за допуски | Оставляйте припуск 0.2–0.5 мм на шлифовку на критических поверхностях |
| Заказ с предварительной обработкой для сложной механообработки | Износ инструмента утраивается, цикловое время удваивается | Заказывайте отожжённую, обрабатывайте, затем ТЗО |