Чем заменить сталь 40х
Обновлено: 18.04.2024
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.
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.
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:
- 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.
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
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.
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.
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.
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:
Сталь марки 40Х
Конструкционная легированная сталь 40Х
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)
| C, углерод | Mn, марганец | Si, кремний | P, фосфор | S, сера | Cr, хром | Ni, никель | Cu, медь | As, мышьяк |
| 0,36-0,44 | 0,5-0,8 | 0,17-0,37 | не более 0,25 | не более 0,04 | не более 0,035 | не более 0,25 | не более 0,25 | не более 0,08 |
Химический состав, % (ГОСТ 4543-2016)
| Марка стали | Массовая доля элементов, % | |||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Al | Ti | V | B | |
| 40Х | 0,36-0,44 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,80-1,10 | — | — | — | — | — | — |
- 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.
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
| Марка стали | Твердость НВ, не более |
| 40Х | 217 |
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)
| Марка стали | НД на поставку | Температура рабочей среды (стенки), °С | Дополнительные указания по применению |
| 40Х ГОСТ 4543 | Поковки ГОСТ 8479. Сортовой прокат ГОСТ 4543 | От -40 до 450 | Для несварных узлов арматуры с обязательным проведением термообработки (закалка и высокий отпуск) при температуре рабочей среды (стенки) ниже минус 30°С до минус 40°С |
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.
Применение стали для изготовления шпинделей и штоков (ГОСТ 33260-2015)
| Марка стали | НД на поставку | Температура рабочей среды, °С | Дополнительные указания по применению |
| 40Х ГОСТ 4543 | Сортовой прокат ГОСТ 4543, ГОСТ 1051 | От -40 до 450 | Применяются после улучшающей термообработки (закалка и высокий отпуск) |
Применению стали 40Х для деталей арматуры и пневмоприводов, не работающих под давлением и не подлежащих сварке, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур
| Марка стали | Закалка + отпуск при температуре, °С | Примерный уровень прочности, Н/мм (кгс/мм 2 ) | Температура применения не ниже, °С | Использование в толщине не более, мм |
| 40Х | 500 | 1000(100) | -60 | 30 |
Стойкость стали 40Х против щелевой эрозии
| Группа стойкости | Балл | Эрозионная стойкость по отношению к стали 12X18H10T |
| Пониженной стойкости | 4 | 0,15-0,25 |
Применение стали 40Х для изготовления основных деталей арматуры атомных станций
| Марка стали | Вид полуфабриката или изделия | Максимально допустимая температура применения, °С |
| 40Х ГОСТ 4543 | Поковки. Крепеж | 500 |
Технологические свойства
- Температура ковки, °С: начала 1250, конца 800. Сечения до 350 мм охлаждаются на воздухе.
- Обрабатываемость резанием — Kv тв.спл = 1,2 и Kv б.ст = 0,95 в горячекатаном состоянии при HB 163-168 и σв = 610 МПа.
- Флокеночувствительность — чувствительна.
- Склонность к отпускной хрупкости — склонна.
Механические свойства стали 40Х по ГОСТ 4543-2516
Механические свойства металлопродукции, определяемые при температуре 20°С (-10/+15°С) на продольных термически обработанных образцах или образцах, изготовленных из термически обработанных заготовок, должны соответствовать нормам, указанным в таблице
| Режим термической обработки | Закалка | Температура, °С | 860 |
| Среда охлаждения | Масло | ||
| Отпуск | Температура, °С | 500 | |
| Среда охлаждения | Вода или масло | ||
| Механические свойства, не менее | Предел текучести σт, Н/мм 2 | 785 | |
| Временное сопротивление σв, Н/мм 2 | 980 | ||
| Относительное удлинение δ5, % | 10 | ||
| Относительное сужение Ψ, % | 45 | ||
| Ударная вязкость KCU, Дж/см 2 | 59 | ||
| Размер сечения заготовок для термической обработки (диаметр круга или сторона квадрата), мм | 25 | ||
Механические свойства по ГОСТ 4543-71 при нормальной температуре
Предел текучести σт, Н/мм 2 (кгс/мм 2 ), не менее — 785(80);
Временное сопротивление σв, Н/мм 2 (кгс/мм 2 ), не менее — 980(100);
Относительное удлинение δ5, %, не менее — 10;
Относительное сужение Ψ, %, не менее- 45;
Ударная вязкость KCU, Дж/см 2 (кгс*м/см 2 ), не менее — 59(6);
Ударная вязкость KCU
| Термообработка | KCU, Дж/см 2 , при температуре, °С | |||
| +20 | -20 | -40 | -70 | |
| Закалка с 850 °С в масле; отпуск при 650 °С | 160 | 148 | 107 | 85 |
| Закалка с 850 °С в масле; отпуск при 580 °С | 91 | 82 | — | 54 |
Механические свойства
| ГОСТ | Состояние поставки | Сечение, мм | КП | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость HB, не более |
| не менее | |||||||||
| ГОСТ 4543-71 | Пруток. Закалка с 860 °С в масле, отпуск при 500 °С, охл. в воде или в масле | 25 | — | 780 | 980 | 10 | 45 | 59 | — |
| ГОСТ 8479-70 | Поковка: | ||||||||
| нормализация | 500-800 | 245 | 245 | 470 | 15 | 30 | 34 | 143-179 | |
| 300-500 | 275 | 275 | 530 | 15 | 32 | 29 | 156-197 | ||
| закалка+отпуск | 500-800 | 275 | 275 | 530 | 13 | 30 | 29 | 156-197 | |
| нормализация | До 100 | 315 | 315 | 570 | 17 | 38 | 39 | 167-207 | |
| 100-300 | 14 | 35 | 34 | ||||||
| закалка+отпуск | 300-500 | 315 | 315 | 570 | 12 | 30 | 29 | 167-207 | |
| 500-800 | 11 | 30 | 29 | ||||||
| нормализация | До 100 | 345 | 345 | 590 | 18 | 45 | 59 | 174-217 | |
| 100-300 | 345 | 17 | 40 | 54 | |||||
| закалка+отпуск | 300-500 | 14 | 38 | 49 | |||||
| До 100 | 395 | 395 | 615 | 17 | 45 | 59 | 187-229 | ||
| 100-300 | 15 | 40 | 54 | ||||||
| 300-500 | 13 | 35 | 49 | ||||||
| До 100 | 440 | 440 | 635 | 16 | 45 | 59 | 197-235 | ||
| 100-300 | 14 | 40 | 54 | ||||||
| До 100 | 490 | 490 | 655 | 16 | 45 | 59 | 212-248 | ||
| 100-300 | 13 | 40 | 54 | ||||||
Механические свойства в зависимости от сечения
| Сечение, мм | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость НВ |
| 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 |
Примечание: Закалка с 840-860 °С в масле; отпуск при 580-650 °С, охл. на воздухе.
Механические свойства в зависимости от температуры отпуска
| tотп. °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость 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 |
Примечание: Закалка с 850 °С в воде.
Механические свойств при повышенных температурах
| tисп. °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 |
| Закалка с 830 °С в масле; отпуск при 550 °С | |||||
| 200 | 700 | 880 | 15 | 42 | 118 |
| 300 | 680 | 870 | 17 | 58 | — |
| 400 | 610 | 690 | 18 | 68 | 98 |
| 500 | 430 | 490 | 21 | 80 | 78 |
| Образец диаметром 10 мм, длиной 50 мм, кованый и отожженный; скорость деформирования 5 мм/мин; скорость деформации 0,002 1/с | |||||
| 700 | 140 | 175 | 33 | 78 | — |
| 800 | 54 | 98 | 59 | 98 | — |
| 900 | 41 | 69 | 65 | 100 | — |
| 1000 | 24 | 43 | 68 | 100 | — |
| 1100 | 11 | 26 | 68 | 100 | — |
| 1200 | 11 | 24 | 70 | 100 | — |
Термообработка ГОСТ 4543-71
Примечание: Размер сечения заготовки для термической обработки
(диаметр круга или сторона квадрата), мм, не менее — 25.
Сталь 40 конструкционная углеродистая качественная
Сталь 40 относится к конструкционным углеродистым нелегированным специальным качественным сталям. Сталь марки 40 рекомендуется для изготовления крепежных деталей.
Химический состав, % (ГОСТ 1050-88)
| С | Si | Mn | Cr | S | P | Cu | Ni | As |
| не более | ||||||||
| 0,37-0,45 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,25 | 0,04 | 0,035 | 0,25 | 0,25 | 0,08 |
Химический состав, % (ГОСТ 1050-2013)
| Марка стали | Массовая доля элементов, % | |||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | |
| не более | ||||||||
| 40 | 0,37-0,45 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,030 | 0,035 | 0,25 | 0,30 | 0,30 |
Применение
После поверхностного упрочнения с нагревом ТВЧ сталь марки 40 применяется для изготовления деталей средних размеров, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации, например:
- длинные валы,
- ходовые валики,
- зубчатые колеса.
После улучшения сталь 40 применяется для изготовления следующих деталей:
- коленчатые валы,
- шатуны,
- зубчатые венцы,
- маховики,
- зубчатые колеса,
- болты,
- оси.
В нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности сталь марки 40 применяется для изготовления:
- муфт насосных штанг,
- валов центробежных насосов,
- компрессоров,
- роторов,
- штоков грязевых насосов,
- стволов и переводников вертлюгов,
- переводников для рабочих и бурильных труб,
- корпусов колонковых долот,
- пальцев крейцкопфов грязевых насосов,
- роликов превентора,
- конических шестерен,
- фиксаторов и шпонок буровых станков,
- цепных колес буровых лебедок,
- штифтов,
- упорных винтов,
- скалок насосов,
- цапф и т. д
Применение стали 40 для изготовления шпинделей и штоков (ГОСТ 33260-2015)
| Марка стали | НД на поставку | Температура рабочей среды, °С | Дополнительные указания по применению |
| 40 ГОСТ 1050 | Сортовой прокат ГОСТ 1050 | От -40 до 425 | Применяется после термообработки (закалка и высокий отпуск) при температуре ниже минус 31°С до минус 40°С |
Применение стали 40 для изготовления крепежных деталей (ГОСТ 32569-2013)
| Марка стали | Технические требования | Допустимые параметры эксплуатации | Назначение | |
| Температура стенки, °С | Давление среды, МПа (кгс/см 2 ), не более | |||
| Сталь 40 ГОСТ 1050, ГОСТ 10702 | СТП 26.260.2043 | От -40 до 425 | 10 (100) | Шпильки, болты |
| 16 (160) | Гайки | |||
| От -40 до 450 | 16 (160) | Шайбы | ||
Пределы применения, виды обязательных испытаний и контроля стали 40 для фланцев для давления свыше 10 МПа (100 кгс/см 2 ) (ГОСТ 32569-2013)
| Марка стали, стандарт или ТУ | 40 ГОСТ 1050 | |
| Технические требования | ГОСТ 9399 | |
| Наименование детали | Фланцы | |
| Предельные параметры | Температура стенки, °С, не более | От -40 до +200 |
| Давление номинальное, МПа (кгс/см 2 ) не более | 32 (320) | |
| Обязательные испытания | σ0,2 | + |
| σв | + | |
| σ | + | |
| f | + | |
| KCU | + | |
| HB | + | |
| Контроль | Дефектоскопия | + |
| Неметаллические включения | — | |
Стойкость стали 40 против щелевой эрозии
| Группа стойкости | Балл | Эрозионная стойкость по отношению к стали 12X18H10T |
| Нестойкая | 6 | 0,005-0,05 |
ПРИМЕЧАНИЕ
Коэффициент эрозионной стойкости материала представляет собой отношение скорости эрозионного износа материала к скорости эрозионного износа стали 12Х18Н10Т (принятой за 1).
Температура критических точек, °С
Термообработка
Детали из стали марки 40 подвергаются нормализации при температуре 860-880° С или закалке в воде с температуры 840-860° С с последующим отпуском; температура отпуска устанавливается в зависимости от требуемых механических свойств. Так, например, детали буровых установок (шестерни, фиксатор, шпонки) превентора (плита основной опоры, ролики) подвергаются отпуску при температуре 550° С, цепные колеса буровой лебедки — при температуре 500 С.
Твердость HB для металлопродукции из стали 40 (ГОСТ 1050-2013)
| Марка стали | Твердость HB, не более, для металлопродукции | |||
| горячекатаной и кованой | калиброванной и со специальной отделкой поверхности | |||
| без термической обработки | после отжига или высокого отпуска | нагартованной | после отжига или высокого отпуска | |
| 40 | 217 | 187 | 241 | 197 |
Механические свойства металлопродукции (ГОСТ 1050-2013)
| Марка стали | не менее | |||
| Предел текучести σт, Н/мм 2 | Временное сопротивление σв, Н/мм 2 | Относительное удлинение δ5, % | Относительное сужение Ψ, % | |
| 40 | 335 | 570 | 19 | 45 |
Механические свойства проката
| ГОСТ | Состояние поставки | Сечение, мм | σ0,2, МПа | δ5(δ4), % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость HB, не более |
| не менее | |||||||
| ГОСТ 1050-88 | Сталь горячекатаная, кованая калиброванная и серебрянка 2-й категории после нормализации | 25 | 570 | 19 | 45 | 59 | — |
| Сталь калиброванная 5-й категории: | |||||||
| после нагартовки | — | 610 | 6 | 35 | — | — | |
| после отжига или высокого отпуска | — | 510 | 14 | 40 | — | — | |
| ГОСТ 10702-78 | Сталь калиброванная и калиброванная со специальной отделкой после отпуска и отжига | — | До 590 | — | 40 | — | 197 |
| ГОСТ 4041-71 (образцы поперечные) | Лист термообработанный 1 и 2-й категорий | 4-14 | 510-650 | 21 | — | — | 167 |
| ГОСТ 1577-93 | Лист нормализованный или горячекатаный | 80 | 560 | 20 | — | — | — |
| Лист отожженный или высокоотпущенный | 80 | 520 | 21 | — | — | — | |
| Полоса нормализованная или горячекатаная | 6-25 | 570 | 19 | 45 | — | — | |
| ГОСТ 16523-89 (образцы поперечные) | Лист горячекатаный | До 2 | 510-660 | (16) | — | — | — |
| 2-3,9 | (17) | — | — | — | |||
| Лист холоднокатаный | До 2 | 510-600 | (17) | — | — | — | |
| 2-3,9 | (18) | — | — | — | |||
| ГОСТ 2284-79 | Лента холоднокатаная отожженная | 0,1-4 | 450-700 | (14) | — | — | — |
| Лента нагартованная, класс прочности Н2 | 0,1-4 | 850-1050 | — | — | — | — | |
| ГОСТ 10234-77 | Лента отожженная плющеная | 0,1-4 | До 700 | 10 | — | — | — |
Механические свойства поковок (ГОСТ 8479-70)
| Термообработка | Сечение, мм | КП | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость НВ, не более |
| не менее | ||||||||
| Нормализация | 300-500 | 215 | 215 | 430 | 18 | 40 | 44 | 123-167 |
| 500-800 | 16 | 35 | 39 | |||||
| 100-300 | 245 | 245 | 470 | 19 | 42 | 39 | 143-179 | |
| 300-500 | 17 | 35 | 34 | |||||
| До 100 | 275 | 275 | 530 | 20 | 40 | 44 | 156-197 | |
| 100-300 | 17 | 38 | 34 | |||||
| Закалка+отпуск | 300-500 | 275 | 275 | 530 | 15 | 32 | 29 | 156-197 |
| 500-800 | 13 | 30 | 29 | |||||
| 100-300 | 315 | 315 | 570 | 14 | 35 | 34 | 167-207 | |
| До 100 | 345 | 345 | 590 | 18 | 45 | 59 | 174-217 | |
Механические свойства после закалки с 850 °С в масле
| tотп, °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость НВ, не более |
| 200 | 750 | 930 | 7 | 45 | 29 | 267 |
| 300 | 710 | 860 | 8 | 51 | 69 | 247 |
| 400 | 640 | 790 | 10 | 57 | 88 | 225 |
| 500 | 550 | 730 | 12 | 62 | 127 | 208 |
| 600 | 450 | 660 | 16 | 66 | 167 | 188 |
| 700 | 380 | 620 | 17 | 71 | 206 | 170 |
Механические свойства при повышенных температурах [81]
| tисп, °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % |
| 700 | 99 | 140 | 48 | 85 |
| 800 | 70 | 110 | 53 | 97 |
| 900 | 54 | 71 | 55 | 100 |
| 1000 | 28 | 58 | 69 | 100 |
| 1100 | 24 | 37 | 60 | 100 |
| 1200 | 16 | 26 | 87 | 100 |
| 1300 | 12 | 18 | 56 | 100 |
ПРИМЕЧАНИЕ. Образец диаметром 6 мм и длиной 80 мм, прокатанный. Скорость деформирования 16 мм/мин; скорость деформации 0,009 1/с.
Ударная вязкость KCU [28]
| Термообработка | KCU, Дж/см 2 , при температуре, °С | ||
| +20 | -40 | -80 | |
| Закалка с 850 °С в воде; отпуск при 400 °С | 78 | 55 | 51 |
Предел выносливости [140]
| Термообработка | σ-1, МПа |
| Отжиг при 850 °С, σ0,2 = 275 МПа, σв = 520 МПа | 231 |
| Закалка с 845 °С, в воду; отпуск при 550 °С, σ0,2 = 600 МПа, σв = 710 МПа, НВ 209 | 393 |
| Закалка с 845 °С в масло; отпуск при 430 °С, σ0,2 = 415 МПа, σв = 630 МПа | 230 |
ПРИМЕЧАНИЕ. σ 400 1/100000 = 100 МПа; σ 450 1/100000 = 50 МПа; σ 500 1/100000 = 30 МПа; σ 400 1/10000 = 260 МПа; σ 500 1/10000 = 70 МПа; σ 400 1/100000 = 190 МПа; σ 500 1/100000 = 44 МПа.
Технологические свойства [81]
Температура ковки, °С: начала 1250, конца 800. Охлаждение заготовок сечением до 400 мм на воздухе.
Свариваемость — ограниченно свариваемая. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка. КТС без ограничений.
Обрабатываемость резанием — Kv тв.спл = 1,2 и Kv б.ст = 1,05 в горячекатаном состоянии при НВ 170 и ав= 520 МПа.
Флокеночувствительность — не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости — не склонна.
Прокаливаемость, мм (ГОСТ 1050-88) [51]
Полоса прокаливаемости стали 40 после нормализации при 850 °С и закалки с 850 °С приведена на рисунке ниже.
Сталь 40ХН конструкционная легированная
Согласно ГОСТ 4543-2016 наименование марок стали состоит из цифр и буквенного обозначения химических элементов:
- Цифра 40 перед буквенным обозначением указывает среднюю массовую долю углерода (С) в стали в сотых долях процента, т.е. среднее содержание углерода в стали 0,40%.
- Буква Х указывает, что сталь легирована хромом, отсутствие цифры после буквы указывает, что содержание хрома в стали до 1,5%.
- Буква Н указывает, что сталь легирована никелем, отсутствие цифры после буквы указывает, что содержание никеля в стали до 1,5%.
Вид поставки
- Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88, ГОСТ 10702-78.
- Калиброванный пруток ГОСТ 4543-71, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 10702-78.
- Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 4543-71, ГОСТ 14955 — 77.
- Лист толстый ТУ 14-1-1930-77.
- Полоса ГОСТ 103-76.
- Поковка и кованая заготовка ГОСТ 4543-71, ГОСТ 1133-71, ГОСТ 8479-70.
- Валки ОСТ 24.013.21-85
- Труба ОСТ 14-21-77.
Характеристики и применение [3]
Сталь 40ХН является хромо-никелевой конструкционной легированной сталью, относится к группе улучшаемой стали и к сталям повышенной прокаливаемости, т.е. прокаливающейся в деталях диаметром 50-75 мм.
Сталь данной марки относится к лучшим образцам конструкционной стали. Комбинация никеля с хромом позволяет применять сталь 40ХН для изготовления деталей ответственного назначения, например:
- оси,
- валы,
- шатуны,
- зубчатые колеса,
- валы экскаваторов,
- муфты,
- валы-шестерни,
- шпиндели,
- болты,
- рычаги,
- штоки,
- цилиндры и другие ответственные нагруженные детали, подвергающиеся вибрационным и динамическим нагрузкам, к которым предъявляются требования повышенной прочности и вязкости.
- Валки рельсобалочных и крупносортных станов для горячей прокатки металла.
Так как никель целиком растворяется в твердом растворе, он способствует более значительному увеличению твердости и прочности феррита, чем хром. Особенно важно, что упрочнение здесь сопровождается также увеличением пластичности. При одновременном присутствии в стали никеля и хрома достигается хорошее сочетание механических свойств (прочности и вязкости), а также большая прокаливаемость.
Сталь 40ХН широко применяется в нефтяном машиностроении для изготовления наиболее ответственных деталей, например:
- особо нагруженных подъемных, трансмиссионных и промежуточных валов,
- зубчатых соединительных муфт,
- звездочек ценных передач буровых установок,
- пластин и роликов втулочно-роликовых цепей,
- осей талевых блоков,
- стволов вертлюг,
- защелок и осей элеваторов.
При применении стали хромо-никелевой стали необходимо иметь в виду, что она обладает склонностью к отпускной хрупкости особенно в интервале температур 450-550°C. Поэтому детали из этой стали следует после высокого отпуска охлаждать быстро (в воде или в масле). При в ведении в сталь 40ХН небольшого количества молибдена склонность к отпускной хрупкости понижается.
Рекомендации по применению стали 40Х для деталей арматуры и пневмоприводов, не работающих под давлением и не подлежащих сварке, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур (ГОСТ 33260-2015)
| Марка стали | Закалка + отпуск при температуре, °С | Примерный уровень прочности, Н/мм (кгс/мм 2 ) | Температура применения не ниже, °С | Использование в толщине не более, мм |
| 40ХН | 500 | 1000(100) | -80 | 50 |
| C | Si | Mn | Сr | Ni | P | S | Cu |
| не более | |||||||
| 0,36-0,44 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,45-0,75 | 1,00-1,40 | 0,035 | 0,035 | 0,30 |
| Массовая доля элементов, % | |||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Al | Ti | V | В |
| 0,36-0,44 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,45-0,75 | 1,00-1,40 | — | — | — | — | — |
ПРИМЕЧАНИЕ: Знак «-» означает, что массовую долю данного элемента не нормируют и не контролируют, если иное не указано в 7.1.2.3 (ГОСТ 4543-2016).
Рекомендуемые температуры закалки отожженной стали 40ХН при нагреве ТВЧ [1]
| Марка Стали | Температура нагрева в °C при скорости нагрева выше Ac1 град/сек | ||
| 30-60 | 100-200 | 400-500 | |
| Продолжительность нагрева выше Ac1 сек | |||
| 2-4 | 1,0-1,5 | 0,5-0,8 | |
| 40ХН | 900-940°C | 920-960°C | 960-1020°C |
Режим умягчающей обработки стали 40ХН [1]
| Марка Стали | Операция | Температура нагрева в °C | Условия охлаждения * |
| 40ХН | Отжиг | 800-820 | 30-40° С/ч |
Ориентировочные режимы термической обработки стали 40ХН [1]
| Марка Стали | Температура нагрева для закалки и нормализации в °C | Охлаждающая среда | Температура отпуска в °C | Механические свойства | |||
| Твердость | Предел прочности при растяжении σв в кГ/мм 2 | δ в % | |||||
| HB | HRC | ||||||
| 40ХН | 800-840 | Масло | 180-200 | — | 45-50 | 150 | 8 |
| 550-600 | 255-286 | — | 85-95 | 14-16 | |||
ПРИМЕЧАНИЕ. Охлаждение с указанной скоростью до 500°C, а затем на воздухе.
Ориентировочные режимы предварительной термической обработки стали 40ХН [2]
| Марка стали | Операция термической обработки | Температура, °C | Способ охлаждения | Твердость HB |
| 40ХН | Нормализация | 840-860 | На воздухе | 207-255 |
| Отжиг | 800-830 | Медленное | 187-241 |
| Источник | Состояние поставки | Сечение, мм | КП | Предел текучести σ0,2, МПа | Предел прочности при растяжении σв, МПа | Относительное удлинение после разрыва δ5 (δ4), % | Относительное сужение ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость HB, не более |
| не менее | |||||||||
| ГОСТ 4543-71 | Пруток. Закалка с 820°С в воде или масле; отпуск при 500°С, охл. в воде или масле | 25 | — | 785 | 980 | 11 | 45 | 69 | — |
| ГОСТ 8479-70 | Поковка. Нормализация | 100-300 | 315 | 315 | 570 | 14 | 35 | 34 | 167-207 |
| 300-500 | 12 | 30 | 29 | 167-207 | |||||
| 500-800 | 11 | 30 | 29 | 167-207 | |||||
| Поковка. Закалка+отпуск | 300-500 | 345 | 345 | 590 | 14 | 38 | 49 | 174-217 | |
| До 100 | 395 | 395 | 615 | 17 | 45 | 59 | 187-229 | ||
| 100-300 | 15 | 40 | 54 | ||||||
| 300-500 | 13 | 35 | 49 | ||||||
| 500-800 | 11 | 30 | 39 | ||||||
| До 100 | 440 | 440 | 635 | 16 | 45 | 59 | 197-235 | ||
| 100-300 | 14 | 40 | 54 | ||||||
| 300-500 | 13 | 35 | 49 | ||||||
| 500-800 | 11 | 30 | 39 | ||||||
| До 100 | 490 | 490 | 655 | 16 | 45 | 59 | 212-248 | ||
| 100-300 | 13 | 40 | 54 | ||||||
| До 100 | 540 | 540 | 685 | 15 | 45 | 59 | 223-262 | ||
| 100-300 | 13 | 40 | 49 | ||||||
| До 100 | 590 | 590 | 735 | 14 | 45 | 59 | 235-277 | ||
| 100-300 | 13 | 40 | 49 | ||||||
Механические свойства проката в зависимости от сечения [2]
| Сечение, мм | Предел текучести σ0,2, МПа | Предел прочности при растяжении σв, МПа | Относительное удлинение после разрыва δ5, % | Относительное сужение ψ, % | Твердость HB |
| 40 | 780 | 960 | 18 | 58 | 325 |
| 80 | 730 | 920 | 20 | 54 | 302 |
| 120 | 710 | 910 | — | 50 | 300 |
ПРИМЕЧАНИЕ. Нормализация при 870-925°С; закалка с 790°С в масле; отпуск при 540°С.
| tотп, °С | Предел текучести σ0,2, МПа | Предел прочности при растяжении σв, МПа | Относительное удлинение после разрыва δ5, % | Относительное сужение ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость HB |
| 400 | 1220 | 1370 | 10 | 41 | 32 | 387 |
| 600 | 1080 | 1160 | 14 | 51 | 46 | 302 |
| 600 | 760 | 910 | 20 | 60 | 83 | 241 |
ПРИМЕЧАНИЕ. Закалка с 820°С в масле.
Механические свойства при повышенных температурах
| tисп, °С | Предел прочности при растяжении σв, МПа | Относительное удлинение после разрыва δ5, % | Относительное сужение ψ, % |
| Нормализация при 850°С | |||
| 20 | 790 | 18 | 48 |
| 200 | 750 | — | 50 |
| 300 | 690 | 20 | — |
| 400 | 540 | 25 | 65 |
| 500 | 480 | 25 | 79 |
| 600 | 350 | 27 | 85 |
| Образец диаметром 6мм, длиной 30 мм, кованый и нормализованный. Скорость деформирования 50мм/мин, скорость деформации 0,031/c | |||
| 700 | 225 | 36 | 92 |
| 800 | 130 | 57 | 96 |
| 900 | 91 | 71 | 100 |
| 1000 | 62 | 75 | 100 |
| 1100 | 45 | 76 | 100 |
| 1200 | 31 | — | 100 |
Предел выносливости
| Характеристики прочности | σ-1, МПа | τ-1, МПа |
| Предел текучести σ0,2=780 МПа; Предел прочности при растяжении σв=980 МПа;НВ 300-320 | 490 | 294 |
| Предел текучести σ0,2=690 МПа; Предел прочности при растяжении σв=880 МПа;НВ 270-300 | 441 | 274 |
| Предел текучести σ0,2=570 МПа; Предел прочности при растяжении σв=780 МПа;НВ 200-240 | 392 | 235 |
| Предел прочности при растяжении σв=790 МПа; нормализация; НВ 197 | 314-392(n=10 7 ) | — |
| Состояние поставки | КСU, Дж/см 2 при температуре, °С | |||
| +20 | -20 | -40 | -60 | |
| Поковка 200×30мм. Закалка+отпуск | 116 | 116 | 93 | 80 |
ПРИМЕЧАНИЕ. σ 425 2,6/10000=103 МПа, σ 425 6/10000=138 МПа, σ 425 6,1/100000=69 МПа; σ 535 3,2/10000=21 МПа.
| Температура ковки, ° | Сначала 1250, конца 830. Сечения до 50 мм охлаждаются на воздухе, сечения от 51 до 200 мм — охлаждение в мульде, сечения с 201 до 300 мм — с печью. |
| Свариваемость | Трудносвариваемая. Способ сварки — РДС, АДС под флюсом, ЭШС. Необходимы подогрев и последующая термообработка. |
| Обрабатываемость резанием | Kv тв.спл. = 1,0 и Kv б.ст. = 0,9 в горячекатанном состоянии при НВ 166-170 и Предел прочности при растяжении σв=690 МПа. |
| Флокеночувствительность | Повышенно чувствительна. |
| Склонность к отпускной хрупкости | Склонна |
Прокаливаемость
Полоса прокаливаемости для стали 40ХН после нормализации при 850°С и закалки с 820°С приведена на рисунке ниже.
Читайте также: