Сталь 40х: характеристики, твердость и применение

Подробно о нагреве металла

Если следовать технологии, то закалка металла требует проведения 3 этапов:

Нагрев стали;
Выдержка. Благодаря выполнению этой операции удается довести до конца все структурные превращения и обеспечить выполнение сквозного прогрева;
Охлаждение.

Если приходится иметь дело с конструкциями, выполненными из углеродистых сталей, то их закалку проводят в камерных печах. Особенностью этой процедуры является отсутствие необходимости в предварительном подогреве. Это связано со способностью материала прекрасно переносить такие неприятные явления, как коробление и растрескивание. Если необходимо закаливать такие сложные конструкции, как резкие переходы и тонкие грани, то здесь без предварительного подогрева не обойтись. Подобная процедура может быть выполнена двумя способами:

С использованием соляных печей, в которые заготовку нужно погрузить на 3-4 секунды в три приема;
При помощи отдельных печей, в которых следует создать температурный режим 400- 500 градусов Цельсия.

Важным моментом закалки металла является то, что эта процедура должна проводиться при равномерном нагреве. Бывает так, что в течение одного приема такую задачу невозможно решить. В этом случае следует выдержать условия для проведения сквозного прогрева

Особое внимание следует уделить количеству изделий, которые планируется закаливать. С увеличением их количества необходимо увеличивать длительность их прогрева

Скажем, если закалке будет подвергаться дисковая фреза, имеющая диаметр 2,4 см, то ее необходимо нагревать в течение 13 минут. Если подобной обработке планируется подвергать десяток аналогичных изделий, то время нагрева должно быть увеличено до 18 минут.

Сталь марки 40Х

Расшифровка марки стали 40Х: эта марка означает, что в стали содержится 0,40% углерода и менее 1,5% хрома.

Преимущества термообработки изделий из стали 40Х в кипящем слое по сравнению с традиционными способами: был исследован нагрев под закалку высокопрочных болтов из сталей 40Х и 38ХС. Из опытов следует, что при горизонтальном положении болта М24 в кипящем слое частиц корунда диаметром 0,32 мм, отапливаемом природным газом, медленнее всего температура повышается на оси болта в месте стыка его тела и головки. Скорость нагрева в этой точке почти вдвое меньше, чем на поверхности в середине болта, так что во избежание перегрева температура кипящего слоя не должна заметно превышать конечную температуру нагрева. В слое с температурой 900° С болт прогревается до 860° С примерно за 3 мин (термопара зачеканена на оси под головкой), в то время как в применяемых в настоящее время электропечах К-160 нагрев до 860° С длится, по нашим экспериментальным данным, 40 мин. За это время в электропечах образуется значительный слой отслаивающейся окалины, в то время как при нагреве в кипящем слое с двухступенчатым сжиганием поверхность получается чистой. Эксперименты показали, что для аустенизации достаточна выдержка болтов из обеих сталей при температуре слоя 860-870° С в течение 10-15 мин. Поскольку скорость охлаждения этих изделий в кипящем слое оказалась недостаточной, закалку осуществляли в масле. Отпущенные после закалки (410° С, 80 мин) болты отличались высокими показателями прочности при достаточной пластичности:

Сталь 40Х: σ_в=147-150 кгс/мм 2 , а_н=3,84-3,27 кгс_*м/см 2 , HB 345-360

Сталь 38ХС: σ_в=165-173,5 кгс/мм 2 , а_н=3,18-4,41 кгс_*м/см 2 , HB 400-430

(ударную вязкость а_н определяли на образцах, предел прочности σ_в на целых болтах).

Параллельно болты М24 из стали 38ХС после выдержки в кипящем слое с температурой 910° С (15 мин) охлаждали в соляной ванне при 360° С (20 мин) с целью получения структуры нижнего бейнита. При достаточно высокой прочности (σ_в = 163 кгс/мм 2 ) была получена значительно большая ударная вязкость (8,65- 10,6 кгс-м/см 2 ). Наконец, часть болтов из стали 38ХС после такого же нагрева выдерживали в масле в течение 42 с, а затем переносили в кипящий слой температурой 360° С. Такой режим позволил повысить предел прочности до 171,5-173 кгс/мм 2 , но несколько снизил ударную вязкость (а_н = 6,25-6,72 кгс.м/см 2 ). Как показали исследования, нагрев в течение 8-10 мин в слое температурой 910° С обеспечивает превращение исходной ферритокарбидной смеси в аустенит и получение достаточно однородных свойств.

Термообработка инструментальных сплавов

Практически для всех металлов справедливо утверждение: с повышением температуры отпуска снижается прочность и увеличивается пластичность. Исключение составляют только быстрорежущие стали, применяющиеся в производстве инструментов. Для обеспечения лучших характеристик теплостойкости и износостойкости их легируют карбидообразующими элементами: молибденом, кобальтом, вольфрамом и ванадием. А для закалки используют нагрев до температур свыше 1200 °C, что позволяет наиболее полно растворить образовавшиеся карбиды.

Теплопроводности самого железа и легирующих его элементов значительно различаются, поэтому для предотвращения деформации и растрескивания при нагреве следует выполнять температурные паузы. Это происходит при достижении 800 °C и 1050 °C, а для больших предметов первый интервал назначают при температуре 600 °C. Длительность остановки лежит в пределах от 5 до 20 минут, что позволяет обеспечить наилучшие условия для растворения карбидов. Охлаждение чаще всего проводят в масле.

Существенно уменьшить деформацию позволяет ступенчатая термообработка стали в расплавах солей, где закалка выполняется при температуре около 500 °C. Для увеличения твёрдости изделий далее следует двукратный отпуск при 570 °C. Длительность процесса составляет 1 час, а на его режим влияют химические свойства легирующих элементов и температура, определяющая скорость выделения карбидов.

Применение

Основной областью применения стали 40ХН является производство деталей для механизмов, эксплуатируемых в условиях постоянной нагрузки, когда механизмы работают при больших скоростях скольжения и высокой вибрации. К примеру, такие как: соединительные трубки и муфты для механизмов в нефтедобывающей промышленности, поршневые шатуны, оси, и валы. Зубчатые колеса, гидроцилиндровые штоки и тому подобные детали также изготавливают из стали 40ХН, так как она обеспечивает высокое качество конечного продукта.

Буровой вал из стали 40ХН

Цильпебс стальной, произведенный из марки 40ХН

И даже такие серьезные детали, как трубопроводная арматура, роторные, коленчатые и редукторные валы, применяющиеся при авиастроении, детали двигателей воздушного охлаждения и исполинских деталей, работающих при температурах свыше 500 градусов по Цельсию, изготавливаются из этого материала.

Толщина у стенок изделия, состоящего из этого материала, не должна превышать порог в 120 миллиметров.

Методы закалки стали 40х и их особенности: виды и технология проведения

В процессе изготовления различных металлоконструкций металл подвергается процедурам, в число которых входит и термообработка

Очень важно грамотно подойти к проведению этой операции, выполнив требования технологии, что позволит придать конечному изделию улучшенные механические свойства

Эта тема является довольно обширной и включает довольно большое количество важных вопросов. Однако нам хотелось бы рассмотреть особенности процедуры закалки стали, ее применение и технологию. Возможно, поначалу возникает впечатление, что термообработка является довольно сложной процедурой, однако при более тщательном ознакомлении становится ясно, что все обстоит совсем не так.

Немного общих сведений

Под закалкой понимается процедура, во время которой изменяется кристаллическая решетка стали и ее сплавов, за счет чего удается добиться поддержания критической температуры, причем последняя выбирается для определенного материала в индивидуальном порядке. Обычно по достижении требуемого температурного уровня заготовка подвергается резкому охлаждению. Для выполнения этого этапа используют воду или масло.

Важным моментом является то, что в отношении инструментальных сталей выполняют неполную закалку. В основе лежит нагрев до температуры, при которой удается вызвать появление избыточных фаз. Ряд иных марок сталей требует проведения полной закалки. Их нагревают до отметки, превышающей на 50 градусов температуру, которую выдерживают при неполной закалке. В случае обработки цветных металлов нет необходимости доводить термообработку до полиморфного превращения, а вот для стали полиморфное превращение является обязательным требованием.

Снятие закалки

В соответствии с технологией, при охлаждении изделия обязательно должен быть проведён отпуск. Его целью является повышение пластичности и снижение хрупкости материала

В то же время важно обеспечить неизменную прочность заготовки. Эта задача решается путем выдерживания изделия в печи, нагретой до температуры от 150 до 650 градусов, где она постепенно остывает

Принято выделять три типа отпусков:

Низкотемпературный. Основной здесь эффект сводится к приданию обрабатываемой заготовке повышенных характеристик износостойкости. При этом такая сталь лучше переносит динамические нагрузки. Сама процедура обработки проходит при температуре 260 градусов. Подобный тип отпуска проводится в отношении изделий, выполненных из низколегированных и углеродистых сталей.
Среднетемпературный. Для его проведения выдерживается температура в пределах от 350 до 500 градусов. Обычно его применяют в отношении пружин, рессоров, штампов и пр. Эффект от подобного отпуска заключается в повышении упругости и выносливости изделия.
Высокотемпературный. Его проводят в условиях температуры 500 и 680 градусов. Подобная обработка позволяет придать изделию более высокую прочность и пластичность. Этой процедуре обычно подвергают детали, которые будут в дальнейшем испытывать значительные нагрузки.

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.

Нормативная документация

ГОСТ 82-70.Прокат стальной горячекатанный широкополосный универсальный.Сталь 40Х.

ГОСТ 103-76.Полоса стальная горячекатанная.Сортамент.Сталь 40Х.

ГОСТ 1051-73.Прокат калиброванный.Общие технические условия.Сталь 40Х.

ГОСТ 1133-71.Сталь кованая круглая и квадратная.Сортамент.Сталь 40Х.

ГОСТ 1577-93 Прокат толстолистовой и широкополосный из конструкционной качественной стали.Технические условия. Сталь 40Х.

ГОСТ 2590-88.Прокат стальной горячекатанный круглый.Сортамент.Сталь 40Х.

ГОСТ 2591-88.Прокат стальной горячекатанный квадратный.Сортамент.Сталь 40Х.

ГОСТ 2879-88.Прокат стальной горячекатанный шестигранный.Сортамент.Сталь 40Х.

ГОСТ 7417-75.Сталь калиброванная круглая.Сортамент.Сталь 40Х.

ГОСТ 8479-70. Поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали. Общие технические условия.Сталь 40Х.

ГОСТ 8559-57.Сталь калиброванная квадратная.Сортамент.Сталь 40Х.

ГОСТ 8560-78.Прокат калиброванный шестигранный.Сортамент.Сталь 40Х.

ГОСТ 10702-78. Прокат из качественной конструкционной углеродистой и легированной стали для холодного выдавливания и высадки. Технические условия. Сталь 40Х.

ГОСТ 13663-86 .Трубы стальные профильные.Технические требования.Сталь 40Х.

ГОСТ 19903-74. Прокат листовой горячекатаный. Сортамент. Сталь 40Х.

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.

Массовая доля элементов стали 40Х по ГОСТ 4543-2016

C
(Углерод)

Si
(Кремний)

Mn
(Марганец)

P
(Фосфор)

S
(Сера)

Cr
(Хром)

Mo
(Молибден)

Ni
(Никель)

V
(Ванадий)

Ti
(Титан)

Cu
(Медь)

N
(Азот)

W
(Вольфрам)

Fe
(Железо)

0,36 — 0,44

0,17 — 0,37

0,5 — 0,8

< 0,04

0,8 — 1,1

< 0,11

< 0,3

< 0,05

< 0,03

< 0,3

< 0,012

< 0,2

остальное

CE = C + Mn/6 + (Cr + Mo +V)/5 + (Ni + Cu)/15. Химический состав может быть изменён по договорённости. Эм = 0,3Cr + 0,5Ni + 0,7Cu. Для цементируемых сталей допускается Al > 0,02. Содержание P может быть изменено по согласованию. По согласованию: Ca < 0,003.

Учитывая сложность производства данной стали, точный процент содержания углерода не определён, и колеблется в диапазоне 0,36 % — 0,44 %. Основная легирующая добавка – хром, от 0,8 % до 1,1 %. Именно этот элемент формирует основные характеристики сплава. Несмотря на то, что содержание никеля, марганца и кремния невелико – до 1,0 %, они влияют на свойства стали при эксплуатации изделий из неё.

Небольшое содержание меди (до 0,035 %) существенного влияния на характеристики не оказывает. Концентрация вредных добавок (серы, фосфора) находится под строгим контролем.

Закалка режущей кромки ножа

Проходимся по кромке надфилем, при этом обращаем внимание на глуховатый звук и легкое стачивание металла. Все свидетельствует о том, что нож сделан из обычной стали и не закален ранее

Для закалки понадобиться графит. Лучше всего получить графит из графитовых щёток генератора, щеточного электродвигателя. Я, конечно, не пробовал, но также можно достать графитовые стержни из пальчиковых батареек, простых карандашей. В общем измельчаем любым способом этот графит в порошок. Мельчить особо не нужно, без фанатизма.

Далее мне понадобиться металлическое основание, на котором будет лежать графитовый порошок. Я взял кусок оцинкованного профиля от гипсокартона.

Для процесса закалки кромки ножа также нужен источник питания. В идеале это импульсный сварочный аппарат постоянного тока, выставленный на минимум. Так же можно попробовать повторить процесс с помощью другого источника, вольт на 30-60 переменного или постоянного тока. Есть ещё опасный вариант: использовать напрямую сеть 220 В, последовательно с лампой накаливания, но это уже чревато, поэтому не рекомендую.

Насыпаем графит. К основанию подложки подключаем плюс сварочного аппарата, а к ножу – минус. Выставляем инвертор на минимальные настройки и включаем. Начинаем процесс закалки кромки. Для этого очень аккуратно проводим кромкой ножа по графитовой кучке. Наша задача состоит в том, чтобы: первое – не допустить касания лезвия об основание. И второе – это не допустить горение графита. В обоих случаях лезвие будет испорчено.

В идеале лезвие нужно медленно двигать, а графит мерцая искрить. Сильно нож естественно опускать не нужно. Как только вы заметили разогрев места контакта, тут же поднимите нож.

Весь процесс длиться относительно не долго, минут 5. За это время я успел несколько раз пройтись по всей длине лезвия.

Максимальная твердость стали 40х после закалки

Сталь 40Х
Процесс закалки
Отпуск и нормализация

При сильном нагреве практически все материалы изменяют свои физические характеристики. В некоторых случаях нагрев проводится целенаправленно, так как подобным образом можно улучшить некоторые эксплуатационные качества, к примеру, твердость. Термическая обработка на протяжении многих лет используется для повышения твердости поверхности стали.

Выполнять закалку следует с учетом особенностей металла, так как технология повышения твердости поверхности создается на основании состава материала. В некоторых случаях провести закалку можно в домашних условиях, но стоит учитывать, что сталь относиться к труднообрабатываемым материалам и для придания пластичности нужно проводить сильный нагрев до высоких температур при помощи определенного оборудования.

В данном случае рассмотрим особенности нагрева стали 40Х для повышения пластичности и проведения закалки или отпуска.

Сталь 40Х

Как ранее было отмечено, для правильного проведения закалки и отпуска стали следует учитывать ее состав и многие другие особенности. Выбрать правильно режимы термической обработки можно с учетом следующей информации:

Рассматриваемая сталь относится к конструкционной легированной группе. Легированная группа характеризуется содержанием большого количества примесей, которые определяют изменение эксплуатационных качеств, в том числе твердости.
Используется в промышленности при создании валов, осей, штоков, оправок, реек, болтов, втулок, шестерней и других деталей.
Показатель твердости до проведения термической обработки HB 10 -1 = 217 Мпа.
Температура критических точек определяет момент, при котором сталь 40Х начинает терять свои качества из-за термической обработки: c1= 743 , Ac3(Acm) = 815 , Ar3(Arcm) = 730, Ar1 = 693.
При температуре отпуска 200 °С HB = 552.

Расшифровка стали 40Х говорит о том, что в составе материала находится 0,40% углерода и 1,5% хрома.

Скачать ГОСТ 4543-71 «Прокат из легированной конструкционной стали 40Х»

Процесс закалки

Процесс обработки высокой температурой стали 40Х и иного сплава называют закалкой. Стоит учитывать, что нагрев выполняется до определенной температуры, которая была определена путем многочисленных испытаний. Время выдержки, после которого проводится охлаждение, а также другие моменты можно узнать из специальных таблиц. Провести нагрев в домашних условиях достаточно сложно, так как в рассматриваемом случае нужно достигнуть температуры около 800 градусов Цельсия.

Химический состав стали 40Х

Результатом сильного нагрева и выдержки металла 40Х на протяжении определенного времени с последующим резким охлаждением в воде становится повышение твердости и уменьшение пластичности. При этом результат зависит от нижеприведенных показателей:

скорости нагрева металла 40Х;
времени выдержки;
от скорости охлаждения.

При проведении работы в домашних условиях следует учитывать температуру обработки и время охлаждения.

Механические свойства стали 40Х в зависимости от температуры отпуска

При выборе метода разогрева поверхности следует обратить внимание на ТВЧ. Этот метод более популярен, чем обычная объемная обработка по причине достижения необходимой температуры за более короткое время

В домашних условиях ТВЧ используется крайне редко. После проведения работы при использовании ТВЧ повышается эксплуатационная прочность детали, что связано с появлением поверхностных сжимающих напряжений.

Провести закалку 40Х на примере изделия болта М24 можно следующим образом:

разогревается электропечь;
следует провести разогрев до 860 °C, для чего в некоторых случаях необходимо 40 минут;
время, необходимое для аустенизации, после которого проводится охлаждение, составляет 10-15 минут. Равномерный желтый цвет изделия – признак правильного прохождения процесса закалки 40Х;
завершающим этапом становится охлаждение в ванной с водой или другой жидкостью.

Определить самостоятельно момент, после которого следует охладить металл, в промышленных и домашних условиях невозможно. Именно поэтому по проведенным исследованиям было принято, что для нагрева металла в электропечах необходимо 1,5-2 минуты на один миллиметр, после чего структура может быть перегрета.

Определение твердости проводится по методу Роквелла. Улучшение, проведенное путем отпуска или закалки, можно измерить при помощи обозначения HRC. Стандартное обозначение HR, к которому проводится добавление буквы в соответствии с типом проведенного испытания. Обозначение HRC наиболее часто встречается, последняя буква означает использование алмазного конуса с углом 120 0 при испытании.

Немного общих сведений

Сталь 40Х

Рассматриваемая сталь относится к конструкционной легированной группе. Легированная группа характеризуется содержанием большого количества примесей, которые определяют изменение эксплуатационных качеств, в том числе твердости.
Используется в промышленности при создании валов, осей, штоков, оправок, реек, болтов, втулок, шестерней и других деталей.
Показатель твердости до проведения термической обработки HB 10 -1 = 217 Мпа.
Температура критических точек определяет момент, при котором сталь 40Х начинает терять свои качества из-за термической обработки: c1= 743 , Ac3(Acm) = 815 , Ar3(Arcm) = 730, Ar1 = 693.
При температуре отпуска 200 °С HB = 552.

Расшифровка стали 40Х говорит о том, что в составе материала находится 0,40% углерода и 1,5% хрома.

Среднетемпературный отпуск [ править | править код ]

Проводят при температурах 350—500 °C и применяют, главным образом, для пружин и рессор, а также для штампов. Ускоряются диффузионные процессы, происходит выделение избыточных атомов углерода в виде цементита, то есть мартенсит распадается на феррито-цементитную смесь. После среднего отпуска структура состоит из равновесного феррита и дисперсных включений цементита, такая структура называется зернистый троостит отпуска. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости, а также релаксационную стойкость. Охлаждение после отпуска проводят при температурах 400—500 °C в воде, после чего возникают сжимающие остаточные напряжения, которые увеличивают предел выносливости пружин.