Сталь 40Х

Тип сплава:

●     конструкционный благодаря эксплуатационным характеристикам;

●     легированный ввиду количества добавок, не превышающих в сумме десяти процентов.

Сортамент гост 4543 2016 включает горячекатаную, кованую, калиброванную металлопродукцию.

Выплавляют металл следующим образом:

●     при массовом производстве в кислородно-конвертерной, мартеновской, электродуговой, индукционной печи;

●     для небольших партий, удовлетворяющих повышенным требованиям, подходит электрошлаковый, плазменно-дуговой переплав.

Химический состав стали 40Х

Кроме определяющих компонентов (углерода, хрома), отображённых в обозначении 40Х и железной матрицы, в состав входят незначительные доли легирующих добавок в зависимости от нормативного документа. Пределы для нежелательных P, S зависят от класса стали: качественная (0.035%), высококачественная (0.025%), особовысококачественная (0.025, 0.015% соответственно).

Кремний, марганец вводят при выплавке для раскисления, то есть связывания атомов кислорода в оксиды, которые всплывают в виде шлака.

Легирующие элементы улучшают прокаливаемость, то есть глубину упрочнения при закалке.

Расшифровка стали 40Х

В обозначение марки согласно НД входят цифры и буквы, информирующие о значимом вхождении присадок. Какая сталь получится, зависит от того, какими элементами её легировать.

Маркировка 40Х указывает на усреднённое содержание углерода (0.4%) и хрома порядка процента.

Чем выше массовая доля С, тем выше твёрдость и ниже ударная вязкость. Присадки Cr образуют карбидные соединения, которые увеличивают прочность без снижения пластичности, положительно влияют на устойчивость к коррозии. Отпадает необходимость в нанесении защитного покрытия. Однако, металл не является нержавеющим, так как массовая доля сдерживающих действие коррозионных процессов присадок недостаточная, менее восемнадцати процентов.

ГОСТы

Конкретный химический состав ст 40Х в процентах указан в соответствующем государственном стандарте:

 

Приобрести прокат можно в виде стальных листов, кругов, труб, прутков, поковок, полос, т.д. На каждый вид металлоизделия выпущен свой нормативный документ, например ГОСТ 19903, 7417, 8731, 1051, 8479, 1577, прочее.

Нормативная документация регламентирует размеры, показатели качества, материал, показывает теоретическую массу одного метра длины для удобства расчёта веса поставляемой партии металлопродукции.

Физические свойства

Физико-механические показатели подтверждают способность металла противостоять значительным нагрузкам с сохранением структуры.

Изменение значений в температурном интервале от 20 до 1200^оС следующее:

●     рост для удельного электросопротивления, линейного расширения, теплоёмкости (R, α, C);

●     падение для модуля упругости, удельного веса, теплопроводности (E, r, I).

На сферу применения 40Х влияет достаточно высокая твёрдость и плотность (7820 кг/см³ при нормальных условиях).

Важное значение также имеет коэффициент пропорциональности между напряжением и деформацией. При многократном увеличении температуры значения модуля упругости изменяются в узком диапазоне.

Технологические свойства

Механические свойства

Предел текучести σ_0.2 зависит от нагрузки, вызывающей необратимые деформации.

На его величину влияют легирующие и нежелательные добавки, нарушение структуры кристаллической решётки, режим термообработки. Показатель указывает на применимость сплава для литья заготовок.

Пределом прочности при растяжении σв ‒ это значение механического напряжения, превышение которого вызывает разрушение. Максимальное значение при сгибании составляет 509 МПа, а при временном сопротивлении разрыву ‒ 960 МПа.

Под ударной вязкостью (KCU) подразумевают способность поглощения энергии, выделяющейся при разрушении.

К важным характеристикам также относят величины твёрдости по Бринеллю (НВ), относительного удлинения (δ5) и сужения (ψ).

Механические свойства в зависимости от сечения  

Твердость по Бринеллю ГОСТ 4543-2016

Показатель, приведённый в стандарте, не должен превышать (217 +15) НВ для металлопродукции (диаметр, толщина свыше пяти миллиметров):

●     горячекатаной, кованой, нормализованной (высокий отпуск);

●     отожжённой, высокоотпущенной.

Ударная вязкость

Свариваемость

У трудносвариваемой марки 40Х существует вероятность появления хрупких мартенситных образований в зоне сварного шва.

Возможна сварка с последующей упрочняющей термообработкой:

●     контактная,

●     ручная дуговая, электрошлаковая с подогревом кромок.

Область применения стали 40Х

Из прочного, устойчивого к нагрузкам материала выпускают разнообразные детали для механизмов;

●     оси, полуоси;

●     зубчатые венцы;

●     болты;

●     шпиндели;

●     вал-шестерни;

●     редукторы;

●     прочие.

Из хромистой марки производят сортовой фасонный прокат, полосы, квадраты, круги, шестигранники, также прутки, листы, поковки. Металлические горячие, холодные слитки обжимают вращающимися валками на специальных станах. Полуфабрикаты используются для изготовления технологически более сложных продуктов, применяют в строительстве, машиностроении, агропромышленном комплексе, транспортной промышленности, приборостроении, из них делают медицинские инструменты, редко ー сварные конструкции.

Большим спросом пользуется круг серебрянка, отличающийся повышенной точностью размеров, зеркальным блеском за счёт дополнительной шлифовки поверхности.

Сплав подходит для изготовления нагреваемой кухонной посуды, режущих инструментов также для сооружения элементов мостов, опор, эксплуатируемых в районах крайнего севера.

Из горячекатаных, холоднодеформированных бесшовных труб прокладывают трубопроводы для транспортировки углеводородов, воды, теплоносителей, химических веществ, реже сооружают строительные металлоконструкции.

Сложность производства, необходимость термообработки определяют высокую себестоимость, поэтому экономически выгодно задействовать металлопродукцию для изготовления высоконагруженных деталей, ответственных металлоизделий.

Способы обработки

Для изменения технических характеристик ст40Х применяют термоулучшение, которое проводят поэтапно в масле или на воздухе:

●     закалкой улучшают поверхностную структуру;

●     охлаждают;

●     отпускают для устранения внутренних напряжений материала.

Использование масла предпочтительнее, так как это значительно улучшает качество поверхностного слоя, а водная среда может вызвать появление дефектов, например, окалины.

Используют три метода охлаждения:

●     с использованием одного типа охладителя;

●     двойное охлаждение вода/масло;

●     при помощи подачи струи на определённую зону детали.

В качестве дополнительных процедур, в разы увеличивающих износостойкость, при необходимости задействуют цементацию, имплантацию ионов азота в поверхностный слой.

Термическая обработка

Режим для ст 40Х устанавливают в зависимости от температурных параметров критических точек, плавления, химсостава, массовой доли вредных примесей.

Как итог, предел прочности — 980 Н/м², ударная вязкость — 59 Дж/см².

Проведение отпуска при 500^оС в масляной ванне позволяет достичь твёрдости 217 МПа, при двухстах в воздушной среде — 552 МПа. Рекомендуют строго следовать установленному температурно-временному диапазону отпуска.

Комплекс операций, вызывающих внутренние структурные изменения, необходим для упрочнения. При закалке одновременно с повышением твёрдости поверхности происходит снижение пластичности и стойкости к ударным нагрузкам. Баланс между этими проявлениями регулируется:

●     временем нагрева и остывания до заданного значения,

●     выдержкой, регулирующей равномерность распределения тепла.

Быстрое охлаждение увеличивает вероятность возникновения хрупкости, медленное — вызывает напряжение, провоцирующее развитие деформационных процессов. Возникновение внутренних полостей предотвращают сопровождением нагревания вакуумированием в среде аргона, что снижает концентрацию водорода.

Температура критических точек

При нагреве может возникать ситуация, при которой наступают структурные изменения в материале.

Аналоги стали 40Х

Замена металла на подобный возможна только после проведения оценки и сравнения химсостава, характеристик.

Отечественные аналоги

Заменителями служат хромистые марки, легированные дополнительным элементами, например, 38ХНА, 40ХН, 45Х, т.д, всего шесть.

Зарубежные аналоги  

Распространены подходящие марки из следующих стран:

●     Германии 41Cr4,

●     США, Канада 5140,

●     Франции 42C4,

●     Италии 41cr4KB,

●     Японии SCr440,

●     Швеции 2245,

●     Евросоюза 1.7035

●     Чехии 14140?

●     КНР 40CrA.

Иностранные изготовители пользуются национальными стандартами, DIN при маркировке, но химсостав у вариаций похож. На рынке присутствует большое количество импортных заменителей, как минимум, из восемнадцати стран.

Преимущества и недостатки

К плюсам относят:

●     значительный запас прочности, выносливости, износостойкости благодаря наличию хрома;

●     закалка повышает антикоррозионные характеристики благодаря растворению карбидов;

●     устойчивость к температурным скачкам в интервале от -40 до +425^оС;

●     противостояние внешним условиям, воздействия влаги, ультрафиолета, холода;

●     ровная гладкая поверхность, без следов коробления;

●     хорошая способность к резке, обработке давлением (подходит для ковки, штамповки, прокатки), точением, фрезерованием, шлифованием;

●     экологичность, безвредность для живых организмов.

Перегрев сопровождает рост зёрен, увеличение вероятности внутренней деформации с разрывами структуры. Кроме того, на поверхности формируется оксид железа, который вызывает возрастание коэффициента трения, что отрицательно сказывается на работе движущихся деталей машин.

Минусом является также четвёртый класс свариваемости, вероятность появления трещин на сварном шве. Флокеночувствительность проявляется в виде внутреннего растрескивания при проведении отливки или при деформировании деталей. Склонность к отпускной хрупкости выражается в образовании межкристальных изломов на границе зёрен аустенита, делает продукт восприимчивым к ударным нагрузкам. Современные технологии обработки и соблюдение температурного режима помогают справиться с этими проблемами.

Продукция по стали Сталь 40Х