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.

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 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.

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:

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.

Читать еще: Металлическая медь: описание элемента, свойства и применение

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.

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.

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.

Конструкционная легированная сталь 40Х

Стали заменители

45Х,
38ХА,
40ХН,
40ХС,
40ХФ,
40ХР.

Иностранные аналоги

ВАЖНО. Возможность замены определяется в каждом конкретном случае после оценки и сравнения свойств сталей

Вид поставки

Cортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543—71, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88, 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 103-76, ГОСТ 1577-93, ГОСТ 82-70.
Поковки ГОСТ 8479-70.
Трубы ГОСТ 8731-74, ГОСТ 8733-74, ГОСТ 13663-86

Описание и применение

Сталь 40Х относится к конструкционным легированным сталям и применяется для изготовления следующих деталей:

оси,
валы,
вал-шестерни,
плунжеры,
штоки,
коленчатые и кулачковые валы,
кольца,
шпиндели,
оправки,
рейки,
зубчатые венцы, болты,
полуоси,
втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности.

Расшифровка стали 40Х

Число 40 указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента, т.е. среднее содержание углерода в стали 40Х равно 0,4%.
Буква Х указывает среднее содержания хрома до 1,5%.

Химический состав, % (ГОСТ 4543-71)

Химический состав, % (ГОСТ 4543-2016)

В стали 40Х допускается массовая доля остаточных элементов, не более: вольфрама — 0,20 %, молибдена — 0,11 %, ванадия — 0,05 % и остаточного или преднамеренно введенного титана (за исключением стали марок,
перечисленных в примечании 1 настоящей таблицы) — не более 0,03 %.
Знак «-» означает, что массовую долю данного элемента не нормируют и не контролируют, если иное не указано в 7.1.2.3 ГОСТ 4543-2016.

к содержанию ↑

Твердость по Бринелю ГОСТ 4543-2016

Твердость по Бринеллю металлопродукции в отожженном (ОТ) или высокоотпущенном
(ВО) состоянии, а также горячекатаной и кованой металлопродукции, нормализованной с последующим
высоким отпуском (Н+ВО), диаметром или толщиной свыше 5 мм должна соответствовать нормам,
указанным в таблице

Примечание: Согласно ГОСТ 4543-71 твердость калиброванного проката в отожженном или высокоотпущенном состоянии, а также горячекатаного проката в нормализованном с последующим высоким отпуском состоянии может быть на 15 единиц НВ больше.

Свариваемость

Трудносвариваемая.
Способы сварки:

РДС (ручная дуговая сварка), ЭШС (электрошлаковая сварка). Необходимы подогрев и последующая термообработка.
КТС (контактная сварка) — необходима последующая термообработка.

Применение стали 40Х для корпусов, крышек, фланцев, мембран и узла затвора, изготовленных из проката, поковок (штамповок) (ГОСТ 33260-2015)

Применение стали 40Х для крепежных деталей арматуры (ГОСТ 33260-2015)

Допускается применять крепежные изделия из сталей марки 40Х при температурах ниже минус 40°С до минус 60°С, если при испытании на ударный изгиб образцов типа 11 по ГОСТ 9454 при рабочих отрицательных температурах ударная вязкость не будет ниже 300 кДж/м (3 кгс·м/см ) ни на одном из испытуемых образцов.

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:

Читать еще: Самодельная дробилка для зерна своими руками

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.

Сталь 40Х

Среди всех различных материалов, которые применяются в машиностроительной и других областях, наибольшее распространение получила сталь. Она выпускается в самых различных вариантах исполнения, эксплуатационные качества во многом зависят от химического состава. Процесс легирования позволяет придать материалу определенные эксплуатационные качества. К примеру, высокая концентрация хрома приводит к повышению коррозионной стойкости. Довольно большое распространение получила сталь 40Х. Она представлена легированной структурой, которая может выдерживать несущественное воздействие влаги и некоторых химических веществ. Сталь 40Х, характеристики которой могут быть улучшены при проведении термической обработки, имеет ряд особенностей, о которых далее поговорим подробнее.

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.

Химический состав стали

Как ранее было отмечено, химический состав стали 40Х определяется маркировкой. Однако, она не отображает весь состав. Сталь марки 40Х характеризуется следующими особенностями:

Показатель концентрации углерода в составе находится в пределе от 0,36% до 0,44%. Отметим, что более точный показатель выдержать производители не могут по причине сложности процесса получения металла.
Хром является основным легирующим элементом, его в металле содержится 0,8-1,1%.
Процесс производства сплава определяет то, что в металл включается никель, кремний и марганец. Их концентрация не больше 1%, но даже незначительное количество приводит к изменению эксплуатационных характеристик.
В составе есть вредные элементы, к примеру, фосфор и сера. Их концентрация строго регламентирована.
Также в состав включается медь, но ее около 0,035%. Именно поэтому концентрация этого элемента не изменяет основные эксплуатационные характеристики.

Химический состав стали 40х по ГОСТ

Рафинирование структуры различными легирующими элементами проводится при применении сильных раскислителей, после чего вводится шлак, обрабатываемый кремнием и углеродом.

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/м 3 .

Читать еще: Какую цепную электропилу по дереву лучше выбрать

Свойства Ст 40х

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.

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.

Круг ф 160 ст 40Х с обточкой

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.

Термическая обработка

Во многих случаях термическая обработка позволяет существенно повысить эксплуатационные качества металла. Термическая обработка стали 40Х проводится с учетом особенностей структуры. Рекомендации по выполнению подобной процедуры следующие:

Закалка стали 40Х проводится в масляной среде. Это позволяет существенно повысить качество поверхностного слоя структуры.
Проводимая закалка 40Х проводится с последующим охлаждением заготовки. Для этого может применяться обычная воздушная или масляная среда. Масло позволяет существенно повысить качество получаемого изделия, в то время как на воздухе охлаждение происходит при больших размерах. Применение водной среды может привести к появлению окалины и других дефектов.
Обязательно проводится отпуск, который позволяет снизить внутренние напряжения. Отпуск проводится в масле или на воздухе.

Термообработка стали 40Х проводится в зависимости от нагрузок, на которые рассчитаны изделий. Расчет проводится в зависимости от трех критических точек. Закалка проводится при температуре 860 градусов Цельсия. Показатель часового интервала составляет 4 часа. Отпуск на воздухе может проводиться при температуре 200 градусов Цельсия, при применении масляной ванны показатель повышается до 500 градусов Цельсия. В некоторых случаях проводится нормализация стали 40Х.

При правильном проведении термической обработки твердость после закалки составляет около 217 HB. При этом внутренние напряжения существенно снижаются, за счет чего существенно продлевается срок эксплуатации получаемого изделия.

Свойства Ст 40х при повышенных температурах

В заключение отметим, что рассматриваемая сталь довольно сложна в изготовлении, за счет чего существенно повышается себестоимость. Именно поэтому легированный сплав применяется при изготовлении ответственных изделий, которые должны обладать исключительной прочностью. Поверхность характеризуется достаточно высокой устойчивостью к воздействию влаги, но при этом показатель не соответствует нержавейке. Это связано с тем, что нержавейка имеет в составе хром с концентрацией около 18%. Включение других химических элементов позволяет расширить область применения сплавов.

голоса

Рейтинг статьи