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.

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

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.

Физические и механические свойства

Рассматривая механические свойства стали 40Х следует учитывать, что она обладает высокой твердостью и прочностью, структура может выдерживать существенную нагрузку и во время эксплуатации не подвергаться разрушению. Сталь 40Х характеризуется следующими положительными качествами:

• Достаточно высокая коррозионная стойкость, которая достигается при включении в состав хрома.
• Высокие прочностные показатели. Твердость измеряется в различных показателях, часто применяется HRC и HB. Показатель твердости соответствует значению 217 МПа.
• При выборе более подходящего материала уделяется внимание и удельному весу. Плотность стали 40Х составляет 7820 кг/м3.

Модуль упругости и предел текучести могут варьироваться в достаточно большом диапазоне, что зависит от температуры. К примеру, при существенном повышении температуры модуль упругости падает. Предел текучести определяет то, насколько применим сплав при получении заготовок методом литья.

Есть и несколько существенных недостатков у сплава:

• Отпускная хрупкость. После закалки структура становится весьма восприимчивой к ударной нагрузке. Снизить вероятность повышения хрупкости можно при соблюдении технологии термической обработки.
• Высокая степень склонности к образованию флокенов. Она свойственна довольно большому количеству различных сплавов.
• Плохая свариваемость усложняет процесс изготовления различных изделий. При желании могут применяться самые различные технологии сварки. Процесс существенно упрощается за счет предварительного нагрева структуры. Кроме этого, структура сложна в резке при применении сварочного оборудования.
• Флокеночувствительность – свойство, которое определяет высокую вероятность появления внутренних трещин после отливки различных изделий. Подобные дефекты часто возникают при горячей деформации легированной стали. Подобные дефекты становятся причиной высокой концентрации водорода во время термической обработки. Снизить вероятность появления дефектов можно за счет строгого соблюдения температурного режима.

В последнее время достаточно часто применяется метод вакуумизации сплава, за счет чего снижается концентрация водорода. Именно поэтому качество полученной структуры существенно увеличивается.

Физические характеристики

Почти все физические свойства металлов прямо или обратно пропорционально зависят от температуры. Такие показатели, как удельное сопротивление, коэффициент линейного расширения и удельная теплоемкость возрастают с ростом температуры, а плотность стали, ее модуль упругости и коэффициент теплопроводности, наоборот, падают при увеличении температуры.

Еще одна физическая характеристика, называемая массой, не зависит практически ни от чего. Образец можно подвергать термической обработке, охлаждать, обрабатывать, придавать ему различную форму, а масса при этом будет оставаться величиной неизменной.

Физические показатели всех известных марок отечественных сталей и сплавов, в том числе и описываемой марки, сведены в таблицы и размещены в справочниках по металловедению.

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:

1. Твердость металла в исходном состоянии, выраженная в мегапаскалях — HB 10-1 = 217.
2. 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.
3. 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:

1. Время, за которое будет нагрета деталь до заданной температуры, влияет на общие показатели скорости термической обработки.
2. Интервал выдержки металла в разогретом состоянии. От этого показателя зависит равномерность прогрева всей структуры металла и приведение каждого звена кристаллической решетки в подвижное состояние.
3. Скорость, с которой заготовка подвергается охлаждению. Важный параметр при формировании новой кристаллической решетки.

Влияние термической обработки на качество

Сталь в исходном состоянии представляет собой довольно пластичную массу и поддается обработке путём деформирования. Ее можно ковать, штамповать, вальцевать.

Для изменения механических свойств и достижения необходимых качеств применяется термическая обработка металла. Суть термической или тепловой обработки заключается в применении совокупности операций по нагреву, выдержке и охлаждению твердых металлических сплавов. В результате такой обработки сплав изменяет свою внутреннюю структуру и приобретает определенные, необходимые производителю и потребителю, свойства.

Критические точки

Критические точки — это температуры, при которых изменяется структура стали и ее фазовое состояние. Вычислены в 1868 году русским металлургом и изобретателем Дмитрием Константиновичем Черновым, поэтому иногда их называют точками Чернова.

Обозначают такие точки буквой А. Нижняя точка А1 соответствует температуре, при которой аустенит превращается в перлит при охлаждении или перлит в аустенит при нагреве. Точка А3 — верхняя критическая точка, соответствующая температуре, при которой начинается выделение феррита при охлаждении или заканчивается его растворение при нагреве.

Если критическая точка определяется при нагреве, то к букве «А» добавляется индекс «с», а при охлаждении — индекс «r».

Для данной стали определена следующая температура критических точек:

• 743*С — Ас1;
• 815*С — Ас3;
• 730*C — Аr3;
• 693*C — Ar1.

Алгоритм термообработки стали и сплавов:

• отжиг:
• закалка;
• отпуск;
• нормализация;
• старение;
• криогенная обработка.

Термообработка для стали 40х. Характеристика температурного режима в соответствии с требованиями ГОСТ 4543–71:

• закалка стали 40х в масляной среде при температуре 860*С;
• отпуск в воде или масле при температуре 500*С.

В результате такой термической обработки данная сталь приобретает повышенную твердость (число твердости НВ не более 217), высокий предел прочности при разрыве (980 Н/м2) и ударную вязкость 59 Дж/см2.

Предел текучести

Говоря о механических свойствах, нужно обязательно упомянуть о такой важной характеристике, как предел текучести. Если приложенная нагрузка слишком велика, то конструкция или ее детали начинают деформироваться и в металле возникают не упругие (полностью исчезающие, обратимые), а пластические (необратимые остаточные) деформации. Говоря другими словами, металл «течет».

Предел текучести — это граница между упругими и упругопластическими деформациями. Значение предела текучести зависит от множества факторов: режима термической обработки, наличия примесей и легирующих элементов в стали, микроструктуры и типа кристаллической решетки, температуры.

В металловедении различают понятия физического и условного предела текучести.

Физический предел текучести — это такое значение напряжения, при котором деформация испытываемого образца увеличивается без увеличения приложенной нагрузки. В справочниках эта величина обозначается σт и для марки 40х ее значение не менее 785 Н/мм2 или 80 КГС/мм2.

Следует отметить, что пластические (необратимые) деформации появляются в металле не мгновенно, а нарастают постепенно, с увеличением приложенной нагрузки. Поэтому, с точки зрения технологии, уместнее применение термина «условный (технический) предел текучести».

Условным (или техническим) пределом текучести называется напряжение, при котором опытный образец получает пластическое (необратимое) удлинение своей расчетной длины на 0.2%. В таблицах эта величина обозначается как σ 0,2 и для стали 40х составляет:

• при температуре от 101 до 200*С — 490 МПа;
• при температуре от 201 до 300*С — 440 МПа;
• при температуре от 301 до 500*С — 345 МПа.

Для чего нужна закалка и отпуск стали

Как правило, изделия из стали поступают в широкую продажу уже после закалки. Закалка производится в специальных печах на металлургических комбинатах и является завершающим этапом подготовки металла к изготовлению из него различных изделий (поварских и охотничьих ножей, ножниц, хирургических инструментов).

Современные технологии позволяют осуществить эту процедуру быстро и безопасно, при этом изделие не становится хрупким от резкого перепада температур. Как правило, у печей, которые установлены в заводских и фабричных цехах на сталелитейных фабриках, предусмотрено несколько режимов работы, поэтому охлаждение изделия происходит постепенно (а это очень важно для сохранения структуры металла). Довольно часто используется азотирование.

Главный минус этих методов заключается в том, что они непригодны для использования дома. Тем не менее часто возникают ситуации, когда изделия из стали, купленные в специализированном магазине, нуждаются в дополнительной обработке, а именно в укреплении. Закалка стали с последующим отпуском необходима, потому что:

• Изделие, которое подвергалось термической обработке, надолго сохранит свою твердость;
• Закалка — прекрасная защита от коррозии металла. Эксперты утверждают, что вероятность появления ржавчины на закаленных изделиях значительно снижается;
• Колющие и режущие предметы, закаленные дома или на заводе (фабрике), начинают лучше выполнять свою основную функцию. Они становятся острее и долго не затупляются, даже при активном использовании;
• Термическая обработка оказывает положительное влияние и на внешний вид изделия из металла.

Чаще всего для изготовления изделий, необходимых в быту, используется металл марки АЦ40ХМ. Для машиностроения чаще всего применяется марка 40ХГМ. Для изготовления хирургических инструментов — металл марки 40х. Закалка металла в домашних условиях, при соблюдении всех технологий, не менее эффективна, чем укрепление стали на производстве.

Во время работы с металлом, особенно при высоких температурах и при наличии источников открытого огня, следует безукоризненно соблюдать технику безопасности. Это касается как рабочего в сталелитейном цехе, так и домашнего мастера.

Эксперты категорически не рекомендуют закалять сталь с использованием химических веществ, так как есть риск получить серьезные ожоги или тяжелое отравление. Дома лучше всего использовать термический способ укрепления стальных изделий, когда молекулы металла плотнее притягиваются друг к другу благодаря активному выделению тепловой энергии. Все работы нужно проводить на открытом воздухе или в специально оборудованном помещении.

Основные преимущества

Закалять металл можно и самостоятельно. Главное — не забыть об отпуске металла, который нужно обязательно провести после закалки и нормализации температуры. Иногда эта процедура также называется «отжиг». Большой популярностью пользуется процедура укрепления металла при помощи масла или так называемая «закалка в двух средах» — в воде и масле. Но человеку, не имеющему опыта, не стоит браться за закалку с использованием горячих жидкостей, так как при нарушениях техники безопасности можно получить серьезную травму.

Отсутствие отпуска металла после закалки часто приводит к тому, что из-за резкого перепада температур металл становится тверже, но более хрупким и ломким. Если закаливание происходит на заводе, процедура отпуска происходит в полном соответствии с нормативами ГОСТ.

Вот основные преимущества закаливания стали в домашних условиях:

• Для работы не понадобится специальное оборудование. Подойдет обычный костер или же газовая горелка;
• Термическая обработка не занимает много времени. Если металл закаливают на костре, степень закалки легко определить по внешнему виду помещенного в огонь изделия;
• Для выполнения этой процедуры не понадобится много места. Можно развести костер или установить муфельную печку в дальнем уголке дачного участка, чтобы никому не мешать;
• Дома можно закаливать стальные предметы любого размера: от больших пил и топоров до маленьких, тонких хирургических инструментов.

Если в качестве источника открытого огня используется костер, закаливание стали нужно проводить в безветренную погоду, чтобы случайный порыв ветра не стал причиной пожара. Нужно обязательно защитить глаза специальными очками, так как длительное наблюдение за ярким пламенем может отрицательно сказаться на зрении. Также необходимо надеть спецодежду, сделанную из материала, устойчивого к возгоранию.

Технологические характеристики

Подводя итог, можно охарактеризовать сталь 40х как твердый и прочный материал, выдерживающий большие нагрузки без разрушений. ПК числе положительных свойств относятся:

• устойчивость к температурным колебаниям;
• отличные коррозионные свойства;
• высокие показатели прочности.

Наряду с этими качествами, у данного материала есть, к сожалению, и недостатки. К ним относятся:

• трудности при сваривании;
• склонность к отпускной хрупкости;
• чувствительность к образованию флокенов.

После подогрева с последующей термообработкой описываемая сталь поддается ручной дуговой сварке (РДС) и электрошлаковой сварке (ЭШС). Если применяется контактная точечная сварка (КТС), то необходима последующая термическая обработка.

Медленное охлаждение конструкционной легированной стали 40х после отпуска приводит к ее хрупкости. Этот недостаток отсутствует при быстром охлаждении, но в этом случае могут возникнуть внутренние напряжения, вызывающие деформацию.

Флокеночувствительность — это склонность металла к образованию внутренних дефектов (полостей и трещин), так называемых флокенов. Для устранения этого недостатка сплав вакуумируют в ковше с одновременной продувкой аргоном и электродуговым подогревом.

Как сделать крепче топор

Для улучшения качества металла, из которого сделано лезвие топора, можно легко закалить его в домашних условиях. Лучше всего поддаются закалке колюще-режущие изделия из стали марки 45. Также не должно возникнуть проблем с изделиями из металла марки 40×13. Повысить твердость лезвия можно, просто опустив его в костер. Опытные мастера легко определяют степень закалки по цвету опущенного в него топора. Обычно изделие из стали 40х сначала становится ярко-красным, а потом цвет постепенно начинает бледнеть. Окраска металлического лезвия меняется в зависимости от температуры нагревания примерно следующим образом:

• Ярко-красный цвет, когда изделие нагрелось до 300 градусов;
• Оранжевый цвет при температуре около 400 градусов;
• Насыщенная желтая окраска при нагревании до 500−600 градусов;
• Светло-желтый, почти белый цвет на заключительном этапе, когда температура накаливания достигает примерно 750−800 градусов.

Далее, как правило, следует отпуск металла — его постепенное охлаждение. Если пренебречь этим этапом, в дальнейшем лезвие топора может легко сломаться даже от слабой нагрузки.

Ассортимент металлопроката

Сталь 40х производится и поставляется на рынок в следующем виде:

• сортовой прокат (в том числе фасонный) по ГОСТам 4543−71, 2591−2006, 2590−2006, 10702−78 и 2879−2006;
• серебрянка и шлифованный пруток по ГОСТу 14955−77;
• пруток калиброванный по ГОСТам 8559−75, 7417−75, 1051−73 и 8560−78;
• полоса по ГОСТам 82−70, 103−2006 и 1577−93;
• трубы по ГОСТам 13663−86, 8731−74, 8733−74;
• поковки по ГОСТу 8479−70;
• лист толстый по ГОСТам 19903−74и1577−93.

Известно достаточное количество отечественных (40ХР, 40ХС, 40ХН, 40ХФ, 38ХА, 45Х) и зарубежных аналогов описываемой марки стали.

Отжиг первого рода (І-го рода)

Отжиг І рода – термическая операция, состоящая в нагреве металла в неустойчивом состоянии, полученном предшествующими обработками, для приведения металла в более устойчивое состояние. Этот вид отжига может включать в себя процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости и снятия остаточных напряжений. Особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы протекают независимо от того происходят ли фазовые превращения при термообработке или нет. Различают гомогенизационный (диффузионный), рекристаллизационный отжиг и отжиг, уменьшающий напряжения и снижающий твердость.

Гомогенизационный отжиг

Гомогенизационный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной и внутрикристаллитной ликвации в слитках сталей. Ликвация повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкости, анизотропии свойств и таким дефектам, как шиферность (слоистый излом) и флокены. Устранение ликвации достигается за счет диффузионных процессов. Для обеспечения высокой скорости диффузии сталь нагревают до высоких (1000–1200 °С) температур в аустенитной области. При этих температурах делается длительная (10–20 час.) выдержка и медленное охлаждение с печью. Диффузионные процессы наиболее активно протекают в начале выдержки. Поэтому во избежание большого количества окалины, охлаждение с печью обычно проводят до температуры 800 — 820°С, а далее на воздухе. При гомогенизационном отжиге вырастает крупное аустенитное зерно. Избавиться от этого нежелательного явления можно последующей обработкой давлением или термической обработкой с полной перекристаллизацией сплава. Выравнивание состава стали при гомогенизационном отжиге положительно сказывается на механических свойствах, особенно пластичности.

Рекристаллизационный отжиг стали

Рекристаллизационный отжиг, применяемый для сталей после холодной обработки давлением, – это термическая обработка деформированного металла или сплава. Может применять как окончательная, так и промежуточная операция между операциями холодного деформирования. Главным процессом этого вида отжига являются возврат и рекристаллизация соответственно. Возвратом называют все изменения в тонкой структуре, которые не сопровождаются изменениями микроструктуры деформированного металла (размер и форма зерен не изменяется). Возврат сталей происходит при относительно низких (300–400°С) температурах. При этом процессе наблюдается восстановление искажений кристаллической решетки.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. В результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные кристаллы. Между температурным порогом рекристаллизации и температурой плавления имеется простое соотношение: ТР ≈ (0,3–0,4)ТПЛ., что составляет для углеродистых сталей 670–700°С.

Отжиг для снятия напряжений

Отжиг для снятия напряжений – это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений. Такие напряжения возникают при обработке давлением или резанием, литье, сварке, шлифовании и других технологических процессах. Внутренние напряжения сохраняются в деталях после окончания технологического процесса и называются остаточными. Избавиться от нежелательных напряжений можно путем нагрева сталей от 150 до 650°С в зависимости от марки стали и способа предыдущей обработки.

Высокий отжиг стали

Эта операция часто называется высоким отпуском. После горячей пластической деформации сталь имеет мелкое зерно и удовлетворительную микроструктуру. Такое состояние сталь получает при ускоренном охлаждении после пластической деформации. Однако в структуре могут быть составляющие: мартенсит, бейнит, троостит и т. д. Твердость металла при этом может быть достаточна высока. Для повышения пластичности и соответственно снижения твердости делается высокий отжиг. Его температура ниже критической Ас1 и зависит от требований к металлу для следующей операции обработки.

Область применения

Благодаря своим свойствам сталь 40х широко применяется в различных областях промышленности. Ее используют при изготовлении кулачковых и коленчатых валов, осей и полуосей, штоков, плунжеров, вал-шестерней, шпинделей, колец, оправок, болтов, реек, втулок и других деталей, к прочности которых предъявляются повышенные требования. Также используется эта сталь для изготовления конструкций, эксплуатируемых в условиях низких температур внешней среды, например, при сооружении авто- и железнодорожных мостов в северных широтах.

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:

1. Рассматриваемая сталь относится к конструкционной легированной группе. Легированная группа характеризуется содержанием большого количества примесей, которые определяют изменение эксплуатационных качеств, в том числе твердости.
2. Используется в промышленности при создании валов, осей, штоков, оправок, реек, болтов, втулок, шестерней и других деталей.
3. Показатель твердости до проведения термической обработки HB 10 -1 = 217 Мпа.
4. 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.
5. 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»