Сфера применения
Материал отличается повышенной устойчивостью при вибрациях и переменных нагрузках, существующих в узлах машин и оборудования. Характеристики стали 40Х13 делают ее востребованной:
- в авиационной промышленности;
- машиностроении;
- металлообработке;
- производстве оборудования для разных отраслей промышленности;
- изготовлении бытовых приборов, кухонных ножей.
Сплав используют для производства:
- режущего и хирургического инструмента – ножей, медицинских скальпелей;
- лопастей для турбин;
- измерительных механизмов;
- износостойких узлов – подшипников, крепежей, пружин;
- деталей механизмов, работающих в слабоагрессивных средах;
- приспособлений, эксплуатируемых при повышенных температурах;
- элементов для бытовых приборов, используемых в домашнем хозяйстве.
Ножи и скальпели, изготовленные из сплава, удобны в использовании, они прекрасно затачиваются и не ржавеют. Среди рыбаков и дайверов особой популярностью пользуются ножи из стали 40х13 с характеристикой 55 HRC.
Сталь 40Х13 выпускается в виде:
- прокатного листа или ленты;
- сортового проката заданных размеров;
- проволоки разной толщины.
Единственным недостатком сплава считается подверженность воздействию агрессивных сред и высоких температур, что делает его непригодным для любого вида сварки.
Сталь 40х13
Каждая из разработанных марок стали предназначена для решения определённого класса технических задач. Она имеет свой химический состав, обладает определёнными механическими свойствами. Например, сталь 40х13 относится к категории нержавеющих жаропрочных мартенситных сталей коррозионно-стойких. Иногда в обиходе её называют «ножевая». Она и её аналоги обладают схожими характеристиками. Им присущи хорошие механические свойствами, высокая стойкость к коррозии (даже в слаброагрессивных средах). Эти специфические свойства определяют область её применения.
Она выпускается в виде следующих изделий:
- прокатный лист (различной толщины);
- лента (различной ширины);
- заданный сортовой прокат;
- различной толщины проволоку.
Технология закалки стали 40Х13
Нержавеющая сталь 40Х13, химический состав которой должен соответствовать требованиям ГОСТ 5632, производится в сортаменте катаных прутков и листов по ГОСТ 5949. Специфические особенности эксплуатации этой стали обуславливают повышенный уровень требований к качеству её термической обработки.
Состав, свойства и применение
Сталь 40Х13 отличается повышенным содержанием хрома (от 12 до 14%), при минимально допустимом процентном содержании марганца (до 0,8%). Никель, обычно добавляемый в стали мартенситного класса, в данной стали отсутствует. Это уменьшает опасность образования карбидов по границам зёрен, и способствует стабильности механических характеристик.
Приводимый далее комплекс механических свойств позволяет относить данный материал к сталям повышенной жаропрочности:
- при температуре в 200 °С постоянной эксплуатации изделий, изготовленных из стали 40Х13, предел временного сопротивления составляет не менее 960 МПа, при пределе текучести 830 МПа, и коэффициенте ударной вязкости 500 кДж/м 2 ;
- при температуре в 400 °С постоянной эксплуатации изделий, изготовленных из стали 40Х13, предел временного сопротивления составляет не менее 795 МПа, при пределе текучести 685 МПа, и коэффициенте ударной вязкости 750 кДж/м 2 .
Технологические свойства 40Х13
Таким образом, эта сталь отличается повышенной стойкостью против вибраций и знакопеременных нагрузок, возникающих в узлах и деталях оборудования, эксплуатационные температуры которого превышают 300…350 °С. К числу таких деталей относятся мерительные приспособления, используемые в ковочно-штамповочном производстве, ответственные детали компрессорных установок, пружины, нагретые до 75 °С. Иногда из данного материала производят и деформирующие инструменты, например, отрезные ножи горячештамповочных автоматов.
Все перечисленные области применения требуют от материала повышенной прочности и твёрдости. Между тем относительно сталей мартенситного класса это сочетание получить довольно трудно, поскольку при повышенной твёрдости изделия становятся достаточно хрупкими, и при ударных нагрузках склонны к трещинообразованию.
Основные характеристики
Сталь 40Х13, иногда её обозначают как 4Х13, относят к коррозионно-стойким, жаропрочным маркам. Отечественным заменителем является сталь 30Х13. В химический состав этого материала входят:
- углерод до 0,45%;
- хром до 14%;
- остальные материалы (кремний, марганец и пр.) до 0,8%.
Такой состав позволяет изготавливать из этой стали следующую продукцию:
- режущий и мерительный инструмент;
- медицинский, в том числе и хирургический инструмент;
- элементы конструкций, работающих в слабых агрессивных средах.
- пружины, крепёжные изделия, валы подшипники, способные работать в агрессивных средах, в том числе и при температурах до 450 ºC.
Этот материал получают в открытых печах. Чаще всего применяют индукционные печи. Плавку стали производят при температурах от 850 до 110 градусов цельсия. Такой режим обеспечивает её полную деформацию. Для предотвращения образования трещин и других дефектов применяют различные температурные режимы, применяемые попеременно. Кстати, для применения деталей из марки 40Х13 в агрессивных средах, в целях повышения её стойкость к коррозионному воздействию, рекомендуется шлифовать их поверхность.
Среди импортных аналогов стали марки 40х13 можно назвать следующие:
- США — 420;
- Германия — 1.4031;
- КНР — 4С13.
ГОСТ
Металлургическая промышленность выпускает следующий сортамент — лист (ГОСТ 5582-75), пруток ГОСТ 18907-73, проволоку (ГОСТ 18143-72).
Способы обработки стали марки 40х
Материал плохо сваривается. Для устранения этого недостатка применяется термическая обработка. С ее помощью можно получить более универсальный сплав, улучшить его технические характеристики. Термическая обработка проводится в несколько этапов:
- Закалка. Проводится в масляной среде. Нужная для улучшения качества поверхностей структуры.
- Охлаждение детали. Осуществляется с помощью масла или на воздухе. Лучше использовать масло, поскольку оно повышает качество обработанной заготовки. Если применять воду, могут появиться дефекты.
- Отпуск. С его помощью устраняется внутреннее напряжение металла. Проводится на воздухе или с помощью масла.
Если термическая обработка была проведена правильно, твердость повышается до 217 НВ. При этом снижается внутреннее напряжение. Закалку проводят при температуре 860 °C, отпуск — при 200 °C. Если температурный режим не был нарушен, срок эксплуатации сплава увеличивается.
Поле проведения термической обработки улучшается свариваемость металла, для получения качественного шва до применения сварки места соединения нужно разогреть.
Сталь 40х имеет высокую себестоимость из-за сложностей производства, дополнительной термической обработки. Легированный металл чаще применяется для производства деталей, которые длительное время подвергаются большой нагрузке.
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.
Критический диаметр после закалки в различных средах
При максимальной твердости от 43 до 46 HRC3 и содержании мартенсита не более 50% диаметр составляет от 16 до 76 мм.
При критической твердости в диапазоне от 49 до 53 HRC3 и количестве мартенсита, равном 90%, диаметр равен от 6 до 58 мм.
В обозначенных пределах прут с сечением цилиндрической формы прокаливается насквозь.
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
Отечественные
Возможность замены на материал родственного состава должна анализироваться в каждом случае, универсального решения не существует.
Отечественные заменители:
- 38ХА. Углерода — 0,38%, хрома — до 1,5%, «А» — обозначение сплава стандарта высокого качества;
- 40ХН. Углерода — 0,40%, легирование 1,1%-м хромом и 1,5%-м никелем;
- 40ХС. Количество углерода и хрома остается тем же, дополнительный легирующий элемент — кремний в концентрации 1,2-1,5%
- 40ХФА. Углерод — 0,40%, легирующий элемент — ванадий 1,1%.«А» — железоуглеродный сплав высокого стандарта качества. Используется при температурах до +400°С
Применение: изготовление заготовок и конечных продуктов усиленной износостойкости (шестерней, опор, валов, осей), в т.ч. для предприятий по добыче газа и нефти (трубопроводы, корпуса).
Зарубежные аналоги Стали 40Х
| США | Германия | Япония | Франция | Англия | Евросоюз | Италия | Бельгия | Испания |
| — | DIN,WNr | JIS | AFNOR | BS | EN | UNI | NBN | UNE |
| 5135 | 1,7034 | SCr435 | 37Cr4 | 37Cr4 | 1.7034 | 36CrMn4 | 37Cr4 | 37Cr4 |
| 5140 | 1,7035 | SCr435H | 38C4 | 41Cr4 | 1.7035 | 36CrMn5 | 41Cr4 | 38Cr4 |
| 5140H | 1,7045 | SCr440 | 38C4FF | 530A36 | 1.7039 | 37Cr4 | 45C4 | 38Cr4DF |
| 5140RH | 37Cr4 | SCr440H | 41Cr4 | 530A40 | 37Cr4 | 38Cr4KB | 41Cr4 | |
| G51350 | 41Cr4 | 42C4 | 530H36 | 37Cr4KD | 38CrMn4KB | 41Cr4DF | ||
| G51400 | 41CrS4 | 42C4TS | 530H40 | 41Cr4 | 41Cr4 | 42Cr4 | ||
| H51350 | 42Cr4 | 530M40 | 41Cr4KD | 41Cr4KB | F.1201 | |||
| H51400 | 41CrS4 | F.1202 | ||||||
| F.1210 | ||||||||
| F.1211 | ||||||||
| Китай | Швеция | Болгария | Венгрия | Польша | Румыния | Чехия | Австралия | Юж.Корея |
| GB | SS | BDS | MSZ | PN | STAS | CSN | AS | KS |
| 35Cr | 2245 | 37Cr4 | 37Cr4 | 38HA | 40Cr10 | 14140 | 5132H | SCr435 |
| 38CrA | 40Ch | 41Cr4 | 40H | 40Cr10q | 5140 | SCr435H | ||
| 40Cr | 41Cr4 | Cr2Z | SCr440 | |||||
| 40CrA | Cr3Z | SCr440H | ||||||
| 40CrH | ||||||||
| 45Cr | ||||||||
| 45CrH | ||||||||
| ML38CrA | ||||||||
| ML40Cr |
Условные обозначения
| Механические свойства | |
| σB | временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа |
| σ0,2 | предел текучести условный, МПа |
| σсж | предел прочности при сжатии, МПа |
| σсж0,2 | предел текучести при сжатии, МПа |
| σ0,05 | предел упругости, МПа |
| σизг | предел прочности при изгибе, МПа |
| σ-1 | предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа |
| δ5 , δ4 , δ10 | относительное удлинение после разрыва, % |
| ψ | относительное сужение, % |
| ν | относительный сдвиг, % |
| ε | относительная осадка при появлении первой трещины, % |
| τК | предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа |
| τ-1 | предел выносливости при испытании на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа |
| KCU и KCV | ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами вида U и V, Дж/см2 |
| HRCэ и HRB | твёрдость по Роквеллу (шкала C и B соответственно) |
| HB | твёрдость по Бринеллю |
| HV | твёрдость по Виккерсу |
| HSD | твёрдость по Шору |
| Физические свойства | |
| E | модуль упругости нормальный, ГПа |
| G | модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа |
| ρn | плотность, кг/м3 |
| λ | коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙°C) |
| ρ | удельное электросопротивление, Ом∙м |
| α | коэффициент линейного теплового расширения, 10-61/°С |
| с | удельная теплоёмкость, Дж/(кг∙°С) |
Выбор оптимального режима термической обработки
В зависимости от конкретных производственных условий, сталь термически обрабатывают по двум вариантам:
- Нормализацией при температуре выдержки 1050…1100 °С, с последующим высоким отпуском с 600…650 °С. Нормализация стабилизирует структуру стали, снижает количество остаточного аустенита, и улучшает обрабатываемость на металлорежущих станках. Это позволяет использовать такую технологию термообработки для получения заготовок ступенчатых валов и осей, работающих преимущественно в средах с повышенной влажностью, а также в условиях коррозионно-механического износа.
- Ступенчатой закалки с высоким отпуском. Продолжительность и количество циклов закалки зависит от требуемой поверхностной твёрдости и конечной микроструктуры. Закалка стали 40Х13 по такому способу выполняется для изделий, которые в процессе своей эксплуатации периодически подвергаются ударным нагрузкам.
Температура заготовки в зависимости от цвета при нагреве
При выборе режима термообработки необходимо учитывать, что сталь 40Х13 штампуется при температурном интервале 950…1150 °С: именно в этом диапазоне материал обладает максимальной ковкостью.
Во всех случаях сталь перед обработкой подвергают отжигу. Это связано со следующими особенностями:
- наличием карбидов хрома, которые образуются в процессе горячей прокатки заготовок. Они сосредотачиваются на границах зёрен вокруг основной, более пластичной структуры;
- присутствием цементита, который по структуре и размерам зерна отличается от любого их карбидов хрома. Это вызывает остаточные напряжения растяжения, снижающие прочность;
- опасности избыточного количества остаточного аустенита, который также повышает твёрдость и снижает пластичность;
- склонности данной стали к деформационному упрочнению во время пластической деформации.
Опытным путём установлено, что для получения оптимальной макроструктуры режим отжига должен быть следующим: нагрев до 690…730 °С, с выдержкой до полного прогрева сечения детали и последующим охлаждением вместе с печью до 500…550 °С (далее – на воздухе). Конечная структура – зернистый перлит, которые положительно выделяется своей стабильностью, равновесностью и наличием мелкого зерна.
Технология термообработки
Нормализация стали 40Х13 применяется реже, в основном, после горячей штамповки/ковки, когда слиток или заготовка нагревались до максимально возможных температур. При длительном нагреве ускоряется рост зерна, что нежелательно с точки зрения трудоёмкости при окончательной обработке изделий. Нормализация, однако, необходима, если нормализованная и отпущенная деталь имеет сложную форму, с многочисленными перепадами в поперечных сечениях, а также при наличии острых углов и кромок.
Главная цель закалки — обеспечить достаточный процент мартенсита в стали. Такие требования выдвигаются, если деталь при эксплуатации будет испытывать значительные рабочие напряжения. Максимально достигаемая твёрдость после закалки – обычно 50…55 НRC. Обеспечивается это следующим режимом термобработки: закалкой с 1000…1050 °С в масло, с последующим низким — при 230…280 °С – отпуском.
В связи с низким температурным интервалом термообработки нагрев производят в печах скоростного нагрева, имеющих системы высокоточного автоматического контроля температуры.
Особые требования к соблюдению технологических режимов закалки стали 40Х13:
- Температура сред, используемых для охлаждения изделий после их закалки, должна быть на 50…75 °С ниже температуры окончания мартенситного превращения. Оно для рассматриваемой марки стали составляет 650…670 °С. В качестве таких сред используются масло, щёлочные или солевые расплавы. Например, соответствующими возможностями обладает расплав солей KNO3 и NaNO3 в соотношении 1:1. Масляные ванны менее предпочтительны, поскольку при длительных выдержках металл науглероживается. Это, хоть и повышает дополнительно твёрдость, но ухудшает обрабатываемость заготовок, особенно при точении и фрезеровании.
- Время выдержки изделий при закалке и последующем охлаждении составляет до нескольких часов. Такой длительный период выдержки обусловлен необходимостью создать условия для полного мартенситного превращения.
- Скорость дальнейшего (после отпуска) охлаждения закалённых заготовок особого значения не имеет, и определяется только производственными возможностями. При этом предпочтительнее охлаждать детали не в печи, а на открытом, но спокойном воздухе. В таких условиях мартенситное превращение протекает в полном объёме.
Источник
Характеристики материала
Существует множество марок, которые имеют различия в структуре, химическом составе, механических и физических свойствах. Комплекс различных характеристик определяет широкое применение этих сплавов.
Твердость
- По Роквеллу. Показатель HRC относится к шкале твердости Роквелла. Шкала Роквелла широко используется металлургами для определения твердости куска стали: чем больше число, тем тверже сталь. HRC — 217 МПА.
- По Бринеллю. Твердость по Бринеллю (HB), метод основан на том, что в плоскую поверхность под нагрузкой внедряют стальной шарик. Число твердости HB определяется отношением нагрузки к сферической поверхности отпечатка. HB 10 -1 — 187 ОПа.
- В состоянии плавки. Твердость в течение периода плавления колеблется в пределах 18 МПа.
Содержание углерода и иных добавок в составе сплава
Сталь представляет собой сплав железа с концентрацией углерода не более 2,14 %. 40x относится к высококачественным углеродистым конструкционным сталям.
Помимо углерода, сплав также содержит легирующие добавки и вредные примеси.
| Fe, % | C, % | Si, % | Mn, % | Ni, % | S, % | P, % | Cr, % | Cu, % |
| Около 97 | 0,36 – 0,44 | 0,17 – 0,37 | 0,50 – 0,80 | Не более 0,30 | Не более 0,035 | Не более 0,035 | 0,80 – 1,10 | Не более 0,30 |
Температура эксплуатации
Средняя рабочая температура стали составляет 40х — минус 40 градусов.
Максимально допустимая температура составляет плюс 425 градусов.
Механические свойства
- Жаростойкость — не окисляется при высоких температурах, не образовывается накипь.
- Жаропрочность — способность сохранять прочность при высоких температурах.
- Окисляемость — способность соединяться с кислородом.
- Коррозионная стойкость — не окисляется.
Отпускная хрупкость
Существует два вида праздничной хрупкости. Хрупкость праздника первого рода, или необратимость, проявляется при празднике около 300 °C, а хрупкость праздника второго рода, или обратимость, обнаруживается после праздника выше 500 °C.
Свариваемость
Трудносвариваемая.
- РДС, ЭШС. Требуется нагрев и последующая термическая обработка.
- КТС — требуется последующая термическая обработка.
Группа
Сталь делится на три группы:
- А — для производства продуктов, которые не подвергаются горячей обработке.
- Б — для производства изделий и конструкций горячей обработки.
- Б — для изготовления сварных изделий и конструкций.
