18.12.2019
Широкое распространение в промышленности получила конструкционная сталь 40Х, характеристики которой обусловлены легирующими элементами. Они могут быть значительно улучшены при помощи разных режимов термической обработки.
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%.
Аналоги и номенклатура
Марку стали 40Х можно заменить отечественными аналогами:
- 45Х;
- 38ХА;
- 40ХН;
- 40ХС;
- 40ХФ;
- 40ХР.
Зарубежные аналоги имеют другую маркировку, однако составы этих сплавов приблизительно совпадают:
- G51400 и H51350 – Соединенные Штаты;
- 37Cr4, 41Cr4, 41CrS4 – Германия;
- 35Cr, 38CrA, 40Cr и 40CrA – КНР;
- SCr435, SCr440 – Япония;
- 37Cr4, 41Cr4 – Франция;
- 36CrMn4 – Италия;
- 2245 – Швеция;
- 14140 – Чехия.
Классификация конструкционных легированных сталей регламентируется ГОСТом 4543-71. В нем прописаны технические условия на разные виды проката. По характеристикам стали 40Х ГОСТ 4543-71 относит ее к классу хромистых сплавов и устанавливает:
- предельное содержание примесей, негативно влияющих на технологические свойства материала, например, серы и фосфора;
- режимы термообработки.
Сталь поставляется в виде:
- сортового проката по нескольким стандартам;
- калиброванного прутка;
- прутка шлифованного и серебрянки по ГОСТу 14955-77;
- толстого листа и полос;
- поковок, согласно ГОСТу 8479-70;
- труб и соединительных частей к ним.
Технические характеристики стали 14Х17Н2
Свойства сплава
Физико-механические свойства стали 40Х позволяют выдерживать высокие нагрузки без разрушения ее структуры:
- плотность – 7820 кг/м3; модуль упругости – 2,14Х10-5;
- коэффициент линейного расширения – 11,9Х106 1/град.;
- удельное электросопротивление – 210Х109 Ом*м;
- ударная вязкость – 160 Дж/см2;
- температура ковки – от 1250 до 800 градусов.
Почти все показатели изменяются в зависимости от температуры. С ее повышением, увеличиваются:
- удельное сопротивление;
- коэффициент линейного расширения;
- удельная теплоемкость.
Обратную зависимость от температуры демонстрируют:
- модуль упругости;
- плотность металла;
- коэффициент теплопроводности.
Важной характеристикой является показатель предела текучести. Он определяется величиной нагрузки, при которой в изделии возникают необратимые деформации. Показатель зависит от нескольких факторов: режима термообработки; типа легирующих добавок и количества вредных примесей; структуры кристаллической решетки.
Для стали 40Х предел текучести уменьшается в диапазоне температур 100-500 градусов от 490 до 345 МПа. Негативное влияние на качество сплава оказывают отпускная хрупкость и флокеночувствительность. Сталь трудносвариваема, требует предварительного подогрева и последующей термообработки.
Особенности термообработки
Термическая обработка проводится с целью улучшения механических свойств стали 40., в основном, для повышения прочности и поверхностной твердости. Она состоит из комплекса операций, в результате которых изменяется внутренняя структура сплава. Материал подвергается сильному нагреву, поэтому технология термообработки должна учитывать особенности сплава, например:
- температуру плавления стали 40Х;
- ее химический состав;
- содержание примесей, влияющих на твердость металла;
- критические точки, при которых изменяется структура сплава.
ГОСТ определяет оптимальные режимы:
- закалки стали – масляная среда с температурой 860 градусов;
- отпуска – вода или масло при 500 градусах;
- если отпуск проводить при 200 градусах, твердость увеличивается до 552 МПа.
В итоге улучшаются характеристики:
- твердости – до 217 МПа;
- предела прочности на разрыв – 980 Н/м2;
- ударной вязкости – до 59 Дж/см2.
Медленное охлаждение после отпуска ведет к хрупкости стали. Избежать ее можно быстрым охлаждением, однако при этом возможно появление внутренних напряжений, вызывающих деформацию металла. Флокеночувствительность, то есть образование внутренних трещин и полостей, можно уменьшить вакуумированием процесса нагрева и совмещением его с продувкой аргоном.
Технические характеристики углеродистой стали 45
Особого внимания требует процесс закалки стали 40Х, так как она идет на изготовление деталей, испытывающих постоянные нагрузки, например, втулок, шестерен, болтов. После процедуры увеличивается твердость металла, но снижаются пластичность и устойчивость к ударным нагрузкам. Соотношение этих параметров зависит:
- от времени, в течение которого происходит нагрев до заданной температуры;
- интервала выдержки, определяющего равномерность прогрева;
- скорости охлаждения.
Преимущества и недостатки
Плюсы и минусы материала определяются его свойствами. Среди характеристик стали 40Х особое значение имеют показатели твердости и выносливости. Благодаря наличию хрома в составе сплава, детали, изготовленные из нее:
- имеют высокий запас прочности и устойчивости к коррозии;
- рассчитаны на высокие и длительные нагрузки;
- устойчивы к действию экстремальных температур в диапазоне от -40 до +425 градусов;
- выдерживают резкие перепады температур; магнитные свойства стали 40Х не влияют на ее эксплуатационные характеристики;
- могут эксплуатироваться практически при любых внешних условиях;
- не требуют очищения и обработки поверхностей;
- обладают высоким пределом выносливости и стойкости к короблению.
После закалки карбид, содержащийся в сплаве, полностью растворяется, и металл приобретает более высокую коррозионную устойчивость.
Химические свойства стали 40Х позволяют использовать ее в агрессивных влажных средах. Материал также хорошо поддается операциям резки. По свариваемости сплав относится к 4 группе.
Чтобы избежать трещин на сварочном шве, его следует предварительно разогреть до 200-300 градусов.
Среди недостатков стали отпускная хрупкость и флокеночувствительность, однако технологии термообработки позволяют уменьшить эти свойства до минимальных значений.
Область применения
Металлопрокат стали 40Х получил широкое применение в машиностроительных отраслях для производства изделий повышенной прочности и выносливости при воздействии интенсивных нагрузок:
- труб для отопительных систем;
- дисков, роторов для паровых турбин;
- коленчатых и кулачковых валов;
- крепежных деталей.
Листовую сталь используют:
- для холодной и горячей штамповки;
- обшивки каркасных конструкций.
Из прутков, изготовленных по ГОСТу 5950-2000, производят инструменты, применяющиеся в условиях небольших скоростей и температур, не превышающих 2 тыс. градусов.
Игорь
Дата: 09.09.2019
- Рейтинг статьи:
Специфика термообработки стали 40х
Физические свойства материалов могут быть изменены посредством температурной обработки при высокой степени нагрева и последующего охлаждения. Это в первую очередь касается металлов, которые подвергают закалке.
Чтобы правильно закалить сталь, нужно знать ее марку: она отражает полный химический состав твердого вещества.
Так, проведение термообработки стали 40х имеет свои нюансы, связанные с разновидностью примесей, находящихся в ней.
Если брать точное определение типа стали, к которой относится 40х, то это классический вид легированного материала, где процентное содержание углерода уступает процентному содержанию примеси хрома. Этих элементов здесь от 0.44 до 0.
36 и от 1.1 до 0.8 соответственно. Хром в металле способствует его стойкости к агрессивной окисляющей среде и придает ему способность не ржаветь.
Кроме этого, хром влияет на механические показатели стали 40х, переводя ее в разряд конструкционных.
Особенности процесса закалки стали 40х
Особенности стали 40х, как указано выше, определяются богатым содержанием в ней примесей. Среди них, кроме основных рассмотренных, есть медь, марганец, никель, кремний, сера и фосфор.
Все эти элементы в некотором смысле усложняют обработку такого металла, в том числе и термическую. Так, чтобы достичь нужной пластичности при закалке стали 40х, необходимо обеспечить сильный прогрев ее в муфельной печи до заданных температур.
Остужать материал также нужно в определенном режиме для достижения необходимой твердости структуры.
Так как сталь 40х используется при изготовлении деталей ответственных механизмов: шестерней, валов, реек, осей, втулок и болтов, – точности процесса ее закалки уделяют особое внимание.
Что нужно знать о материале, подбирая конкретный режим термообработки:
- Твердость металла в исходном состоянии, выраженная в мегапаскалях — HB 10-1 = 217.
- Температура так называемых точек критического значения. Это показатели нагрева до определенных градусов, после чего сталь 40х может потерять свои положительные качества: Ar1 = 693, Ar3(Arcm) = 730, Ac3(Acm) = 815, c1 = 743.
- Если температуру отпуска принять равной 200 градусов по Цельсию, то показатель твердости HB будет равен 552 МПа.
Закалка стали 40х однозначно ведет к увеличению ее твердости и снижению показателя пластичности. Но процентное соотношение этих показателей для такого металла будет зависеть от следующих факторов:
- Время, за которое будет нагрета деталь до заданной температуры, влияет на общие показатели скорости термической обработки.
- Интервал выдержки металла в разогретом состоянии. От этого показателя зависит равномерность прогрева всей структуры металла и приведение каждого звена кристаллической решетки в подвижное состояние.
- Скорость, с которой заготовка подвергается охлаждению. Важный параметр при формировании новой кристаллической решетки.
Оптимальный режим термической обработки
Существуют специальные таблицы, где указаны рекомендуемые температуры термической обработки стали 40х для достижения тех или иных свойств металла относительно его твердости и пластичности, ударной вязкости и других показателей. Если проводить операцию закалки не в производственных, а в домашних условиях, то здесь оптимальными режимами процесса будут следующие:
- Электропечь прогревают до температуры, близкой к 860 градусам по Цельсию. При стандартной мощности печи по времени это занимает около 40 минут.
- Время выдержки заготовки в камере принимают равным 10–15 минутам. Визуально цвет стали 40х должен приобрести однородный желтый оттенок.
- Для охлаждения чаще используют масляную среду, реже — воду.
Более точно рассчитать время нагрева изделия из металла можно, используя правило: на каждый кубический миллиметр нужно давать от 1.5 до 2 минут пребывания детали внутри камеры электропечи.
ПОСМОТРЕТЬ Плавильная печь на AliExpress →
Как показала практика, для стали 40х наиболее эффективный способ закаливания — при разогревании металла токами высокой частоты (ТВЧ). Такой прогрев характеризуется быстрым достижением заданной температуры, а также улучшенными показателями прочности изделия при эксплуатации.
Отпуск и нормализация
Чтобы в структуре стали не образовывались микротрещины, технологией процесса предусмотрена операция отпуска после закалки. На этом этапе изделие разогревают до температуры, которая имеет более низкое значение, чем температура критической точки.
Здесь также происходит выдержка материала в течение определенного интервала времени в таком состоянии. Далее следует охлаждение изделия.
Все внутренние напряжения после проведения этих мероприятий нейтрализуются, структура кристаллической решетки улучшается, пластичность увеличивается.
Для марки стали 40х можно применить три вида отпуска:
- 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.
- 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.
- 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.
Свойства стали после закалки
Если термическая обработка стали 40х (закалка и отпуск) проведены правильно, в соответствии с ГОСТ 4543–71, который регламентирует такие работы, то металл приобретает следующие свойства:
- Твердость повышенного характера с показателями НВ около 217.
- Прочность с пределом при разрыве 980 Н/м².
- Вязкость ударную 59 Дж/см².
Кроме всего прочего, закаленный металл лучше поддается ручной сварке при помощи дуги и электрошлаковой сварке.
Уважаемые посетители сайта: специалисты – технологи по закалке металла и все, кто не понаслышке сталкивался с вопросом термообработки стали 40х, – поделитесь своими знаниями в х, поддержите тему! Всегда важно знать мнение профессионалов!
Сталь марки 40Х
Основное описание
Предложение (437)
 |
| Марка: 40Х (заменители 45Х, 38ХА, 40ХН, 40ХС, 40ХФ, 40ХР)Класс: Сталь конструкционная легированнаяВид поставки: сортовой прокат: в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-2006, ГОСТ 2591-2006, ГОСТ 2879-2006, ГОСТ 10702-78.Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Лист толстый ГОСТ 1577-93, ГОСТ 19903-74. Полоса ГОСТ 103-2006, ГОСТ 1577-93, ГОСТ 82-70. Поковки ГОСТ 8479-70. Трубы ГОСТ 8731-74, ГОСТ 8733-74, ГОСТ 13663-86. |
| Использование в промышленности: оси, валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, губчатые венцы, болты, полуоси, втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности. |
| Химический состав в % стали 40Х | ||
| C | 0,36 — 0,44 |  |
| Si | 0,17 — 0,37 | |
| Mn | 0,5 — 0,8 | |
| Ni | до 0,3 | |
| S | до 0,035 | |
| P | до 0,035 | |
| Cr | 0,8 — 1,1 | |
| Cu | до 0,3 | |
| Fe | ~97 |
| Зарубежные аналоги марки стали 40Х | |
| США | 5135, 5140, 5140H, 5140RH, G51350, G51400, H51350, H51400 |
| Германия | 1.7034, 1.7035, 1.7045, 37Cr4, 41Cr4, 41CrS4, 42Cr4 |
| Япония | SCr435, SCr435H, SCr440, SCr440H |
| Франция | 37Cr4, 38C4, 38C4FF, 41Cr4, 42C4, 42C4TS |
| Англия | 37Cr4, 41Cr4, 530A36, 530A40, 530H36, 530H40, 530M40 |
| Евросоюз | 37Cr4, 37Cr4KD, 41Cr4, 41Cr4KD, 41CrS4 |
| Италия | 36CrMn4, 36CrMn5, 37Cr4, 38Cr4KB, 38CrMn4KB, 41Cr4, 41Cr4KB |
| Бельгия | 37Cr4, 41Cr4, 45C4 |
| Испания | 37Cr4, 38Cr4, 38Cr4DF, 41Cr4, 41Cr4DF, 42Cr4, F.1201, F.1202, F.1210, F.1211 |
| Китай | 35Cr, 38CrA, 40Cr, 40CrA, 40CrH, 45Cr, 45CrH, ML38CrA, ML40Cr |
| Швеция | 2245 |
| Болгария | 37Cr4, 40Ch, 41Cr4 |
| Венгрия | 37Cr4, 41Cr4, Cr2Z, Cr3Z |
| Польша | 38HA, 40H |
| Румыния | 40Cr10, 40Cr10q |
| Чехия | 14140 |
| Австралия | 5132H, 5140 |
| Юж.Корея | SCr435, SCr435H, SCr440, SCr440H |
| Свойства и полезная информация: |
| Удельный вес: 7820 кг/м3Твердость материала: HB 10 -1 = 217 МПаТемпература критических точек: Ac1 = 743 , Ac3(Acm) = 815 , Ar3(Arcm) = 730 , Ar1 = 693Флокеночувствительность: чувствительнаСвариваемость: трудносвариваема. Способы сварки: РДС, ЭШС, необходимы подогрев и последующая термообработка. КТС — необходима последующая термообработка.Обрабатываемость резанием: в горячекатаном состоянии при HB 163-168 и σв=610 МПа, К υ тв. спл=1,2 и Кυ б.ст=0,95Температура ковки, °С: начала 1250, конца 800. Сечения до 350 мм охлаждаются на воздухе.Склонность к отпускной хрупкости: склонна |
| Механические свойства стали 40Х | |||||||||
| ГОСТ | Состояние поставки, режим термообработки | Сечение, мм | КП | σ0,2 (МПа) | σв(МПа) | δ5 (%) | ψ % | KCU (кДж / м2) | НВ, не более |
| 4543-71 | Пруток. Закалка 860 °С, масло. Отпуск 500 °С, вода или масло | 25 | 780 | 980 | 10 | 45 | 59 | ||
| 8479-70 | Поковки:нормализация | 500-800300-500 | 245275 | 245275 | 470530 | 1515 | 3032 | 3429 | 143-179156-197 |
| закалка, отпуск | 500-800 | 275 | 275 | 530 | 13 | 30 | 29 | 156-197 | |
| нормализация | до 100100-300 | 315 | 315 | 570 | 1714 | 3835 | 3934 | 167-207 | |
| закалка, отпуск | 300-500500-800 | 315 | 315 | 570 | 1211 | 3030 | 2929 | 167-207 | |
| нормализация | до 100100-300300-500 | 345 | 345345 | 590 | 181714 | 454038 | 595449 | 174-217 | |
| закалка, отпуск | до 100 100-300300-500 | 395 | 395 | 615 | 171513 | 454035 | 595449 | 187-229 |
| Механические свойства стали 40Х в зависимости от сечения | ||||||
| Сечение, мм | σ0,2 (МПа) | σв(МПа) | δ4 (%) | ψ % | KCU (кДж / м2) | HB |
| Закалка 840-860 °С, вода, масло. Отпуск 580-650 °С, вода, воздух. | ||||||
| 101-200 | 490 | 655 | 15 | 45 | 59 | 212-248 |
| 201-300 | 440 | 635 | 14 | 40 | 54 | 197-235 |
| 301-500 | 345 | 590 | 14 | 38 | 49 | 174-217 |
| Механические свойства стали 40Х в зависимости от температуры отпуска | ||||||
| Температура отпуска, °С | σ0,2 (МПа) | σв(МПа) | δ5 (%) | ψ % | KCU (кДж / м2) | HB |
| 200 | 1560 | 1760 | 8 | 35 | 29 | 552 |
| 300 | 1390 | 1610 | 8 | 35 | 20 | 498 |
| 400 | 1180 | 1320 | 9 | 40 | 49 | 417 |
| 500 | 910 | 1150 | 11 | 49 | 69 | 326 |
| 600 | 720 | 860 | 14 | 60 | 147 | 265 |
| Механические свойства стали 40Х при повышенных температурах | |||||
| Температура испытаний, °С | σ0,2 (МПа) | σв(МПа) | δ5 (%) | ψ % | KCU (кДж / м2) |
| Закалка 830 °С, масло. Отпуск 550 °С | |||||
| 200300400500 | 700680610430 | 880870690490 | 15171821 | 42586880 | 118 9878 |
| Образец диаметром 10 мм, длиной 50 мм кованый и отоженный. Скорость деформирования 5 мм/мин, скорость деформации 0,002 1/с | |||||
| 700800900100011001200 | 1405441241111 | 1759869432624 | 335965686870 | 7898100100100100 |
| Предел выносливости стали 40Х | |||
| σ-1, МПА | J-1, МПА | n | Состояние стали |
| 363470509333372 | 240 | 106 106 5*106 | σв=690 МПаσв=690 МПаσ0,2=690 МПа, σв=690 МПаσв=690 МПаЗакалка 860 °С, масло, отпуск 550 °С |
| Ударная вязкость стали 40Х KCU, (Дж/см2) | ||||
| Т= +20 °С | Т= -25 °С | Т= -40 °С | Т= -70 °С | Термообработка |
| 16091 | 14882 | 107 | 8554 | Закалка 850 °С, масло, отпуск 650 °СЗакалка 850 °С, масло, отпуск 580 °С |
| Прокаливаемость стали 40Х (ГОСТ 4543-71) | ||||||||||
| Расстояние от торца, мм | Примечание | |||||||||
| 1,5 | 4,5 | 6 | 7,5 | 10,5 | 13,5 | 16,5 | 19,5 | 24 | 30 | Закалка 860 °С |
| 20,5-60,5 | 48-59 | 45-57,5 | 39,5-57 | 35-53,5 | 31,5-50,5 | 28,5-46 | 27-42,5 | 24,5-39,5 | 22-37,5 | Твердость для полос прокаливаемости, HRC |
| Физические свойства стали 40Х | ||||||
| T (Град) | E 10- 5 (МПа) | a 10 6 (1/Град) | l (Вт/(м·град)) | r (кг/м3) | C (Дж/(кг·град)) | R 10 9 (Ом·м) |
| 20 | 2.14 | 7820 | 210 | |||
| 100 | 2.11 | 11.9 | 46 | 7800 | 466 | 285 |
| 200 | 2.06 | 12.5 | 42.7 | 7770 | 508 | 346 |
| 300 | 2.03 | 13.2 | 42.3 | 7740 | 529 | 425 |
| 400 | 1.85 | 13.8 | 38.5 | 7700 | 563 | 528 |
| 500 | 1.76 | 14.1 | 35.6 | 7670 | 592 | 642 |
| 600 | 1.64 | 14.4 | 31.9 | 7630 | 622 | 780 |
| 700 | 1.43 | 14.6 | 28.8 | 7590 | 634 | 936 |
| 800 | 1.32 | 26 | 7610 | 664 | 1100 | |
| 900 | 26.7 | 7560 | 1140 | |||
| 1000 | 28 | 7510 | 1170 | |||
| 1100 | 28.8 | 7470 | 120 | |||
| 1200 | 7430 | 1230 |
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: σв=147-150 кгс/мм2, ан=3,84-3,27 кгс*м/см2, HB 345-360
- Сталь 38ХС: σв=165-173,5 кгс/мм2, ан=3,18-4,41 кгс*м/см2, HB 400-430
- (ударную вязкость ан определяли на образцах, предел прочности σв 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 (σв = 163 кгс/мм2) была получена значительно большая ударная вязкость (8,65- 10,6 кгс-м/см2).
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/мм2, но несколько снизил ударную вязкость (ан = 6,25-6,72 кгс.м/см2). 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.
| Краткие обозначения: | |||
| σв | — временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа | ε | — относительная осадка при появлении первой трещины, % |
| σ0,05 | — предел упругости, МПа | Jк | — предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа |
| σ0,2 | — предел текучести условный, МПа | σизг | — предел прочности при изгибе, МПа |
| δ5,δ4,δ10 | — относительное удлинение после разрыва, % | σ-1 | — предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа |
| σсж0,05 и σсж | — предел текучести при сжатии, МПа | J-1 | — предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа |
| ν | — относительный сдвиг, % | n | — количество циклов нагружения |
| sв | — предел кратковременной прочности, МПа | R и ρ | — удельное электросопротивление, Ом·м |
| ψ | — относительное сужение, % | E | — модуль упругости нормальный, ГПа |
| KCU и KCV | — ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см2 | T | — температура, при которой получены свойства, Град |
| sT | — предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа | l и λ | — коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С) |
| HB | — твердость по Бринеллю | C | — удельная теплоемкость материала (диапазон 20o — T ), [Дж/(кг·град)] |
| HV | — твердость по Виккерсу | pn и r | — плотность кг/м3 |
| HRCэ | — твердость по Роквеллу, шкала С | а | — коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o — T ), 1/°С |
| HRB | — твердость по Роквеллу, шкала В | σtТ | — предел длительной прочности, МПа |
| HSD | — твердость по Шору | G | — модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа |
 |
Сталь 40х твердость hrc после закалки
Особенности стали 40х, как указано выше, определяются богатым содержанием в ней примесей. Среди них, кроме основных рассмотренных, есть медь, марганец, никель, кремний, сера и фосфор.
Все эти элементы в некотором смысле усложняют обработку такого металла, в том числе и термическую. Так, чтобы достичь нужной пластичности при закалке стали 40х, необходимо обеспечить сильный прогрев ее в муфельной печи до заданных температур.
Остужать материал также нужно в определенном режиме для достижения необходимой твердости структуры.
Так как сталь 40х используется при изготовлении деталей ответственных механизмов: шестерней, валов, реек, осей, втулок и болтов, – точности процесса ее закалки уделяют особое внимание.
Что нужно знать о материале, подбирая конкретный режим термообработки:
- Твердость металла в исходном состоянии, выраженная в мегапаскалях — HB 10-1 = 217.
- Температура так называемых точек критического значения. Это показатели нагрева до определенных градусов, после чего сталь 40х может потерять свои положительные качества: Ar1 = 693, Ar3(Arcm) = 730, Ac3(Acm) = 815, c1 = 743.
- Если температуру отпуска принять равной 200 градусов по Цельсию, то показатель твердости HB будет равен 552 МПа.
Закалка стали 40х однозначно ведет к увеличению ее твердости и снижению показателя пластичности. Но процентное соотношение этих показателей для такого металла будет зависеть от следующих факторов:
- Время, за которое будет нагрета деталь до заданной температуры, влияет на общие показатели скорости термической обработки.
- Интервал выдержки металла в разогретом состоянии. От этого показателя зависит равномерность прогрева всей структуры металла и приведение каждого звена кристаллической решетки в подвижное состояние.
- Скорость, с которой заготовка подвергается охлаждению. Важный параметр при формировании новой кристаллической решетки.
7.5. Сопротивление материалов
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:
Как правильно пользоваться штангенциркулем?
- 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.
Источник: https://crast.ru/instrumenty/maksimalnaja-tverdost-stali-40h-posle-zakalki
Оптимальный режим термической обработки
Существуют специальные таблицы, где указаны рекомендуемые температуры термической обработки стали 40х для достижения тех или иных свойств металла относительно его твердости и пластичности, ударной вязкости и других показателей. Если проводить операцию закалки не в производственных, а в домашних условиях, то здесь оптимальными режимами процесса будут следующие:
- Электропечь прогревают до температуры, близкой к 860 градусам по Цельсию. При стандартной мощности печи по времени это занимает около 40 минут.
- Время выдержки заготовки в камере принимают равным 10–15 минутам. Визуально цвет стали 40х должен приобрести однородный желтый оттенок.
- Для охлаждения чаще используют масляную среду, реже — воду.
Более точно рассчитать время нагрева изделия из металла можно, используя правило: на каждый кубический миллиметр нужно давать от 1.5 до 2 минут пребывания детали внутри камеры электропечи.
ПОСМОТРЕТЬ Плавильная печь на AliExpress →
Как показала практика, для стали 40х наиболее эффективный способ закаливания — при разогревании металла токами высокой частоты (ТВЧ). Такой прогрев характеризуется быстрым достижением заданной температуры, а также улучшенными показателями прочности изделия при эксплуатации.
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
Виды марок стали для изготовления строительной арматуры
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 1200 при испытании.
Отпуск и нормализация
Чтобы в структуре стали не образовывались микротрещины, технологией процесса предусмотрена операция отпуска после закалки. На этом этапе изделие разогревают до температуры, которая имеет более низкое значение, чем температура критической точки.
Здесь также происходит выдержка материала в течение определенного интервала времени в таком состоянии. Далее следует охлаждение изделия. Все внутренние напряжения после проведения этих мероприятий нейтрализуются, структура кристаллической решетки улучшается, пластичность увеличивается.
Для марки стали 40х можно применить три вида отпуска:
- 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.
- 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.
- 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.
Расшифровка стали 40Х
На территории СНГ применяется стандарт ГОСТ 4543-2016, который позволяет определить не только химический состав, но и различные эксплуатационные качества материала.
Скачать ГОСТ 4543-2016
Сталь 40Х ГОСТ определяет следующие вещества в составе:
- Первая цифра 40 применяется для обозначения основного элемента в составе, которым является углерод. Как правило, большая часть состава приходится на железо, а углерод, концентрация которого составляет 0,44%, определяет основные эксплуатационные характеристики.
- Следующая буква Х указывает на то, что в составе есть легирующий элемент, представленный хромом. Отсутствие цифры после буквы указывает на то, что концентрация элемента составляет 1,1%. Как ранее было отмечено, хром повышает коррозионную стойкость структуры. Однако, рассматриваемая марка стали 40Х не характеризуется высокими антикоррозионными качествами.
- Рассматривая 40Х ГОСТ отметим, что в состав входит довольно большое количество никеля, кремния и марганца. Они определяют некоторые эксплуатационные характеристики металла, но они не отмечаются в маркировке.
Расшифровка позволяет определить химический состав и основные эксплуатационные качества материала. Стоит учитывать, что зарубежные производители применяют иные стандарты при маркировке материалов, но химический состав у аналогов примерно схожий.
Свойства стали после закалки
Если термическая обработка стали 40х (закалка и отпуск) проведены правильно, в соответствии с ГОСТ 4543–71, который регламентирует такие работы, то металл приобретает следующие свойства:
- Твердость повышенного характера с показателями НВ около 217.
- Прочность с пределом при разрыве 980 Н/м².
- Вязкость ударную 59 Дж/см².
Кроме всего прочего, закаленный металл лучше поддается ручной сварке при помощи дуги и электрошлаковой сварке.
Уважаемые посетители сайта: специалисты – технологи по закалке металла и все, кто не понаслышке сталкивался с вопросом термообработки стали 40х, – поделитесь своими знаниями в х, поддержите тему! Всегда важно знать мнение профессионалов!
Химический состав
Цифра 40 в маркировке свидетельствует о том, что процентное содержание углерода в сплаве колеблется в пределах от 0.36 до 0.44, а буквенное обозначение х указывает на наличие легирующего элемента хрома в количестве не менее 0.8 и не более 1.
1 процента. Легирование стали хромом придает ей свойство устойчивости к коррозии в окислительной среде и атмосфере. Говоря другими словами, сталь приобретает нержавеющие свойства.
Кроме того, хром определяет структуру сплава, его технологические и механические характеристики.
Остальные химические элементы входят в состав стали х 40 в следующем количестве:
- не более 97% железа;
- 0,5 — 0,8% марганца;
- 0,17 — 0,37% кремния;
- не более 0,3% меди;
- не более 0,3% никеля;
- не более 0,035% фосфора;
- не более 0,035% серы.
Загрузка...
