Характеристики, особенности термообработки и применение стали 40Х

Характеристики, особенности термообработки и применение стали 40Х

Машиностроение, приборостроение, станкостроение и другие области промышленности в процессе производства используют огромное количество материалов как классических, известных десятки и сотни лет, так и совершенно новых, современных. К числу классических и широко распространенных материалов относится сталь. Классификация сталей по химическому составу предусматривает их разделение на легированные (с введением легирующих элементов, обеспечивающих сплаву необходимые механические и физические свойства) и углеродистые.

• Химический состав
• Физические характеристики
• Влияние термической обработки на качество
  • Критические точки
  • Предел текучести
• Технологические характеристики
• Ассортимент металлопроката
• Область применения

Сталь 40х относится к конструкционным легированным сплавам. Слово «конструкционная» указывает на то, что материал используется для изготовления разнообразных механизмов, конструкций и деталей, применяемых в машиностроении и строительстве, и обладает определенным набором химических, физических и механических свойств.

Химический состав

На всей территории СНГ характеристики и применение стали 40Х определяются ГОСТом 4543-2016. Он указывает на химический состав и основные эксплуатационные свойства. Расшифровка стали свидетельствует о содержании главных компонентов – углерода и хрома.

Первые два знака обозначают концентрацию основного легирующего элемента – углерода, она находится в диапазоне 0,36-0,40%. Сложно выдержать более точную концентрацию в процессе выплавки металла.

Буква «Х» указывает на присутствие хрома, который улучшает коррозионную стойкость материала. Однако его концентрация не превышает показателя 0,8-1,1% и недостаточна для придания стали достаточной сопротивляемости коррозии.

В состав сплава входят и другие легирующие добавки, не отмеченные в маркировке, но придающие определенные свойства стали 40Х:

• никель – до 0,3%;
• марганец – 0,5-0,8%;
• кремний – 0,17-0,37%;
• медь присутствует в очень небольших количествах, около 0,035%, и не оказывает существенного влияния на механические свойства сплава;
• строго регламентируются концентрации вредных примесей – серы и фосфора, их содержание не превышает 0,035%.

ГОСТ 4543-71

При производстве стали изготовители руководствуются нормами ГОСТ 4543-71. Он определяет технические условия на прокат из легированной конструкционной стали. Его нормы распространяются на такие виды проката, как слитки, поковки и пр.

ГОСТ 4543-71 даёт чёткую классификацию конструкционных легированных сталей. В соответствии с ней сталь марки 40Х относится к группе хромистых сталей.

В этом же документе определены параметры качества, то есть, определяет максимально допустимое количество примесей, которые влияют на технические характеристики конструкционной легированной стали. К таким примесям относят серу, фосфор, медь и некоторые другие.

Кстати, в этом же документе определены режимы термической обработки проката.

Отпуск и нормализация

Отпуск проводится непосредственно сразу после завершения закалки, так как есть большая вероятность возникновения трещин в структуре. Разогревается изделие в этом случае до точки ниже критической, проводится выдерживание на протяжении определенного промежутка времени и выполняется охлаждение. Отпуск обеспечивает улучшение структуры, устраняет напряжение и повышает пластичность, устраняет хрупкость стали 40Х.

Механические свойства стали 40Х в зависимости от температуры отпуска

Различают три вида рассматриваемой термообработки:

1. Низкий отпуск определяет разогрев поверхности до 250 °С с выдержкой и охлаждение на воздухе. Применяется для снятия напряжений и незначительного повышения пластичности практически без потери твердости. В случае конструкционного сплава применяется крайне редко.
2. Средний отпуск позволяет нагревать изделие до 500 °С. В этом случае вязкость значительно повышается, а твердость снижается. Используют этот метод термообработки при получении пружин, рессор и некоторого инструмента.
3. Высокий позволяет раскаливать деталь до 600 °С. В этом случае происходит распад мартенсита с образованием сорбита. Подобная структура представлена лучшим сочетанием прочности и пластичности. Также повышается показатель ударной вязкости. Используют этот метод термообработки для получения деталей, применяемых при ударных нагрузках.

Еще одним видом распространенной термообработки является нормализация. Зачастую нормализация проводится путем разогрева металла до верхней критической точки с последующей выдержкой и охлаждением в обычной среде, к примеру, на открытом воздухе. Проводят нормализацию для придания мелкозернистой структуры, что приводит к повышению пластичности и ударной вязкости.

Область применения

По степени свариваемости структуры она относится к 4 группе. Сварочный шов может стать причиной образования различных трещин. Именно поэтому материал 40Х перед выполнением сварочных работ предварительно разогревается, что позволяет избежать просто огромного количества проблем с эксплуатацией полученного изделия.

Кроме этого, требуется проводить предварительную подготовку кромок к выполнению дуговой сварки. При применении контактно-точечной технологии требуется термическая обработка.

Другие свойства рассматриваемого материала определяют его широкое применение. На производственные площадки поставляются заготовки следующего типа:

• Листы. Листвой металл получил широкое распространение, к примеру, при холодной или горячей штамповке. Кроме этого, листы металл используются при обшивке каркасных конструкций.
• Поковки используются в качестве основы при создании различных изделий.
• Трубы сегодня весьма распространены, к примеру, при создании отопительной системы или для транспортировки различной жидкости.
• Металлопрокат применяется в машиностроительной области в качестве заготовки для различных деталей.

После проведения термической обработки Сталь 40 может применяться для получения насадок, разверток и корпусов метчиков. Аналог стали 40Х может использоваться для получения различных ответственных конструкций, к примеру, осей, валов, зубчатых колес, болтов или плунжеров. Аналоги зарубежные могут использоваться для изготовления деталей, которые будут эксплуатироваться на открытом воздухе при низкой температуре. Примером назовем элементы мостов и железнодорожных конструкций.

Для существенного увеличения эксплуатационных характеристик получаемых изделий проводится различная термическая обработка.

Закалка приводит к существенному повышению твердости поверхности, однако хрупкость снизить можно только при отпуске. Достигнуть требуемых показателей можно только при соблюдении особенностей технологии.

Отпуск и нормализация

Для марки стали 40х можно применить три вида отпуска:

1. Отпуск на низких температурах предполагает прогрев детали до предела 250 градусов по Цельсию с выдержкой. Остужают заготовку на открытом воздухе. Термообработка такого характера способствует нейтрализации напряжений при минимальном увеличении пластичности без влияния на твердость. Используется метод редко, так как велика вероятность образования хрупкой структуры.
2. Отпуск на средних температурах. Прогрев здесь идет до 500 градусов по Цельсию. За счет более высокой температуры возрастает вязкость изделия с пропорциональным снижением твердости. Метод подходит для изготовления автомобильных рессор, пружин, другого специфического инструмента.
3. Отпуск на высоких температурах с увеличением прогрева до 600 градусов по Цельсию. В этом случае внутри кристаллической решетки распадается мартенсит, образуя при этом сорбит. На практике это лучший вариант пропорционального соотношения пластичности и твердости. Ударная вязкость при этом также возрастает. Детали, полученные таким образом, можно применять в механизмах, подверженных воздействию ударных нагрузок.

Чтобы избежать повышенной хрупкости при отпуске, охлаждение при этом процессе следует делать быстро в специальной вакуумной камере с системой продувки аргоном. Последние два условия помогут избежать возникновения внутренних дефектов в структуре материала, а именно образования раковин, полостей и деформаций.

Если после закаливания сталь 40х разогреть до критической точки, выдержать и охладить на воздухе, то внутренняя структура получит мелкозернистое строение – этот процесс носит наименование нормализация. Ее задача — повысить ударную вязкость металла и его пластичность.

Физические и механические свойства Стали 40Х

Сталь плохо поддается сварке. Чтобы сваривать детали из этой стали их вначале нагревают, далее сваривают методом ручной дуговой сварки или электрошлаковой сварки. Далее сваренные заготовки подвергают термообработке.

И так какие же физические и механические свойства стали?

1. Стали 40Х присуща высокая твердость. Этот параметр поддается изменению путем термообработки.
2. Удельный вес следующая важная характеристика. Для стали 40Х эта величина равна 7820 кг/кг*м3.
3. Твердость по Бринеллю для стали 40Х в идеале равна 217 Мпа.

Физические свойства Сталь40Х. Фото Механические свойства Сталь 40Х. Фото

Вообще сталь после непосредственной выплавки представляет собой достаточно пластичную структуру. Ее можно деформировать множеством различных способов. Ковать, штамповать, вальцевать. Давайте рассмотрим это подробнее:

1. Металлы нередко подвергают ковке. Температура ковки разная для разных сплавов, и это еще один важный параметр. Для стали 40Х начальная температура ковки равна 1250 градусов по Цельсию. Завершающая температура равна 800 градусам. Небольшие изделия допускается охлаждать на открытом воздухе.
2. Поковка стали залог прочности будущего изделия. До поковки металл должен подвергнуться ковке или штамповке. Штамповкой достигается наибольшая точность обработки заготовки. Штамповка может быть горячей либо холодной. После штамповки стоимость готового изделия значительно уменьшается. Это происходит благодаря тому, что сокращаются металлические отходы и затраты времени. Ковка не позволяет получить достаточную точность обработки, соответственно увеличиваются затраты. Но необходимо отметить, что в этом случае мы получаем изделие с лучшими качествами. Металл после ковки становится более гибким и прочным.
3. Для получения дополнительных характеристик заготовки подвергают отпуску. Отпуском называют нагрев ниже температуры плавления. В частности отпуск делает металл более пластичным. Как нежелательный эффект можно получить снижение пластичности после данной обработки. Это называется отпускной хрупкостью. Сталь 40Х не характеризуется отпускной хрупкостью. Однако она не лишена склонности к образованию флокенов. Флокенами называют деформации, которые образуются при литье металлов. Проще говоря это разрывы.

Значительная твердость стали не позволяет обрабатывать заготовки резанием при обычных условиях. Для этого приходится разогревать металл.

Закалка стали в домашних условиях

Бывают ситуации, когда домашний мастер сталкивается с проблемой повышения прочностных характеристик бытового инструмента. Причем для решения этой задачи нет необходимости обращаться к специалистам, поскольку он сам может все сделать самостоятельно. Справиться с этой задачей можно, обладая минимум оборудования и знаний.
Рассмотрим более подробно ситуацию на топоре. Если рассматривается инструмент советского производства, то можно не сомневаться в его высоком качестве изготовления. В то же время подобного нельзя сказать об изделиях, которые продаются сегодня. Если присутствуют признаки заминания или выкрашивания, то из этого можно сделать вывод о нарушении требований технологии закалки. Однако в силах каждого мастера исправить эту ситуацию.

Первое, что нужно сделать — разжечь костер с углями. Желательно довести его до такого состояния, чтобы угли имели как можно более белый цвет. Так можно будет понять, что они нагрелись до максимально высокой температуры. Помимо этого, нам понадобятся две емкости. В первую мы нальем масло, в качестве которого можно использовать обычное машинное. Другой же резервуар следует наполнить чистой холодной водой.

Дождавшись момента, когда кромка инструмента приобретет малиновый цвет, топор извлекают из костра. Чтобы избежать ожога вследствие взаимодействия с высокой температурой, рекомендуется использовать кузнечные клещи или любую иную альтернативу им. После этого нужно быстро поместить топор в емкость с маслом и держать его там в течение 3 секунд. По истечении этого времени топор извлекают, дают остыть ему в течение тех же 3 секунд, после чего операцию повторяют. Проводить процедуру погружения топора в масло нужно до тех пор, пока инструмент не лишится своего яркого света.

Далее нам предстоит погружать топор в емкость с водой, при этом важно периодически мешать жидкость. Этой операцией завершается закалка стали в домашних условиях.

Сферы применения

Благодаря высоким механическим свойствам, сталь 40Х используют для изготовления деталей повышенной прочности. К их числу относятся:

• оси и полуоси;
• валы;
• валы-шестерни;
• плунжеры;
• штоки;
• коленвалы;
• кольца;
• щпиндели;
• рейки;
• болты;
• губчатые венцы;
• втулки и пр.

Проведение термической обработки позволяет значительно повысить прочность и другие характеристики металла. После термообработки материал может применяться для изготовления разверток, насадок и корпусов метчиков. Также из такого сплава производят конструкции, эксплуатируемые при экстремально низких температурах, к примеру, элементы железнодорожных мостов.

Магнитные свойства стали 40Х делают ее незаменимой при производстве столовых приборов, кастрюль, сковородок и другой посуды. Ее можно использовать для приготовления пищи на индукционных плитах.

Особенности проведения термообработки

Термообработка подразумевает выполнение следующих действий:

• отжига;
• закалки;
• отпуска;
• нормализации;
• старения;
• криогенной обработки.

Для закалки изделия на 4 часа помещают в масло, нагретое до 860°С. Отпуск производят на воздухе при температуре 500°С. После такой обработки сталь приобретает высокую твердость, прочность на разрыв и ударную вязкость.

Преимущества и недостатки

Ознакомившись с характеристиками стали 40Х, применением и основными качествами, можно приступать к рассмотрению ее преимуществ и недостатков. К числу первых относится следующее:

• высокие антикоррозийные свойства;
• устойчивость к температурным перепадам;
• отличные показатели прочности.

Изделия, изготовленные из стали этой марки, очень твердые и прочные. Поэтому в процессе эксплуатации они способны выдерживать значительные нагрузки без структурных разрушений.

Как и любой другой сплав, 40Х имеет и свои недостатки. Это трудносвариваемый металл, отличающийся чувствительностью к образованию флокенов и склонностью к отпускной хрупкости.

Зарубежные аналоги

Аналоги сплава марки 40Х выпускаются и в других странах. Их маркировка отличается от российской, но состав практически идентичен. К числу таких сплавов относятся:

• 41Cr4, 41Cr54 (Германия);
• S140, S140H (Америка);
• 41Cr4, 42C4 (Франция);
• S30A40, S30H40, S30M40 (Великобритания);
• SS2245 (Швеция);
• 41Cr4, 41Cr4KB (Италия);
• SCr435-H, SCr440 (Япония);
• 40H (Польша).

Среди ассортимента сталей, представленного российскими производителями, полных аналогов марки 40Х нет. Но есть металлы, схожие по составу и по своим эксплуатационным характеристикам. К их числу относятся:

• 45Х;
• 38ХА;
• 40ХН;
• 40ХС;
• 40ХФ;
• 40ХР.

Возможность выполнения замены должна определяться только после проведения оценки, и сравнения свойств разных марок сталей.