Режимы термообработки стали

Описание

Сталь 40ХН применяется: для производства поковок и штамповок, осей, валов, шатунов, зубчатых колес, валов экскаваторов, муфт, вал-шестерней, шпинделей, болтов, рычагов, штоков, цилиндров и других ответственных нагруженных деталей, подвергающихся вибрационным и динамическим нагрузкам, к которым предъявляются требования повышенной прочности и вязкости; валков рельсобалочных и крупносортных станов для горячей прокатки металла.

Примечание

Сталь конструкционная качественная хромоникелевая.

Термическая обработка

Для стали 40Х последовательность термообработки следующая. Сначала выполняется закалка в масляной среде, а затем отпуск в масле или на воздухе. Для каждой детали выбирается свой режим термообработки, он зависит от нагрузок, в которых эта деталь применяется, так как разные режимы дают различную твердость изделия. Режим термообработки рассчитывается в зависимости от критических точек, достигая которые материал претерпевает физические и химические изменения и меняет свои свойства и характеристики. Сталь 40Х имеет следующие критические точки: Ac1 = 743 , Ar1 = 693 Ac3 = 782 , Ar3 = 730. Закалка осуществляется при температуре 860 ºС, средой служит масло, часовой интервал составляет 4 часа. Затем выполняется низкий отпуск при температуре 200 ºС на воздухе либо можно применить температурный параметр 500 ºС и провести обработку в масляной среде. После такого режима термообработки достигается следующая прочность стали НВ – 217 и HRC – 45.

Стандарты

Название	Код	Стандарты
Листы и полосы	В23	ГОСТ 103-2006
Сортовой и фасонный прокат	В22	ГОСТ 1133-71, ГОСТ 8319.0-75, ГОСТ 2590-2006, ГОСТ 2591-2006, ГОСТ 2879-2006
Сортовой и фасонный прокат	В32	ГОСТ 4543-71, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 10702-78, ГОСТ 14955-77, TУ 108.11-927-87, TУ 14-1-2118-77, TУ 14-11-245-88, TУ 14-1-1271-75, TУ 14-1-5228-93, TУ 14-136-367-2008
Обработка металлов давлением. Поковки	В03	ГОСТ 8479-70, ОСТ 5Р.9125-84, СТ ЦКБА 010-2004
Болванки. Заготовки. Слябы	В31	ОСТ 3-1686-90, TУ 1-1-0711-80, TУ 14-1-4944-90
Листы и полосы	В33	TУ 14-1-1930-77

Химический состав

Стандарт

C

S

P

Mn

Cr

Si

Ni

Fe

Cu

V

Ti

Mo

W

ГОСТ 4543-71

0.36-0.44

≤0.035

≤0.035

0.5-0.8

0.45-0.75

0.17-0.37

1-1.4

Остаток

≤0.3

≤0.05

≤0.03

≤0.15

≤0.2

ГОСТ 10702-78

0.36-0.44

≤0.035

≤0.035

0.5-0.8

0.45-0.75

≤0.2

1-1.4

Остаток

≤0.3

≤0.05

≤0.03

≤0.15

≤0.2

Fe — основа. По ГОСТ 4543-71 регламентировано содержание высококачественной стали: P≤0,025%; S≤0,025%; Сu≤0,30%; в особовысококачественной стали: P≤0,025%; S≤0,015%; Сu≤0,25%. В соответствии с заказом может быть установлено содержание Si=0,10-0,37%.

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:

1. скорости нагрева металла 40Х;
2. времени выдержки;
3. 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.

Читать также: Конструкция раскладных ножей чертежи фото видео

Провести закалку 40Х на примере изделия болта М24 можно следующим образом:

1. разогревается электропечь;
2. следует провести разогрев до 860 °C, для чего в некоторых случаях необходимо 40 минут;
3. время, необходимое для аустенизации, после которого проводится охлаждение, составляет 10-15 минут. Равномерный желтый цвет изделия – признак правильного прохождения процесса закалки 40Х;
4. 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.

Механические характеристики

Сечение, мм	t отпуска, °C	sТ|s0,2, МПа	σB, МПа	d5, %	y, %	кДж/м2, кДж/м2	Твердость по Бринеллю, МПа
Сталь горячекатаная и горячекатаная со специальной отделкой поверхности
—	—	—	—	—	—	—	≤179
Сталь калиброванная и калиброванная со специальной отделкой поверхности
—	—	—	—	—	—	—	≤207
Закалка в воду или масло с 820 °С + отпуск при 500 °С, охлаждение в воде или масле
≤25	—	785	980	11	45	677	—
Нормализация при 870-925 °С + закалка в масло с 790 °С + отпуск при 540 °С
120	—	710	910	—	50	—	300
Закалка + отпуск (поковки)
300-500	—	345	590	14	38	481	174-217
Закалка в масло с 820 °С
—	400	1220	1370	10	41	314	387
Нормализация при 850 °С
—	—	—	790	18	48	—	—
Нормализация при 870-925 °С + закалка в масло с 790 °С + отпуск при 540 °С
40	—	780	960	18	58	—	325
Закалка + отпуск (поковки)
≤100	—	395	615	17	45	579	187-229
Закалка в масло с 820 °С
—	500	1080	1160	14	51	451	302
Нормализация при 850 °С
—	—	—	750	—	50	—	—
Нормализация при 870-925 °С + закалка в масло с 790 °С + отпуск при 540 °С
80	—	730	920	20	54	—	302
Закалка + отпуск (поковки)
100-300	—	395	615	15	40	530	187-229
Закалка в масло с 820 °С
—	600	760	910	20	60	814	241
Нормализация при 850 °С
—	—	—	690	20	—	—	—
Закалка + отпуск (поковки)
300-500	—	395	615	13	35	481	187-229
Нормализация при 850 °С
—	—	—	540	25	65	—	—
Закалка + отпуск (поковки)
500-800	—	395	615	11	30	383	187-229
Нормализация при 850 °С
—	—	—	480	25	79	—	—
Закалка + отпуск (поковки)
≤100	—	440	635	16	45	579	197-235
Нормализация при 850 °С
—	—	—	350	27	85	—	—
Закалка + отпуск (поковки)
100-300	—	440	635	14	40	530	197-235
Образец диаметром 6 мм, длиной 30 мм, кованый и нормализованный. Скорость деформирования 50 мм/мин, скорость деформации 0,03 1/с.
—	—	—	225	36	92	—	—
Закалка + отпуск (поковки)
300-500	—	440	635	13	35	481	197-235
Образец диаметром 6 мм, длиной 30 мм, кованый и нормализованный. Скорость деформирования 50 мм/мин, скорость деформации 0,03 1/с.
—	—	—	130	57	96	—	—
Закалка + отпуск (поковки)
500-800	—	440	635	11	30	383	197-235
Образец диаметром 6 мм, длиной 30 мм, кованый и нормализованный. Скорость деформирования 50 мм/мин, скорость деформации 0,03 1/с.
—	—	—	91	71	100	—	—
Закалка + отпуск (поковки)
≤100	—	490	655	16	45	579	212-248
Образец диаметром 6 мм, длиной 30 мм, кованый и нормализованный. Скорость деформирования 50 мм/мин, скорость деформации 0,03 1/с.
—	—	—	62	75	100	—	—
Закалка + отпуск (поковки)
100-300	—	490	655	13	40	530	212-248
Образец диаметром 6 мм, длиной 30 мм, кованый и нормализованный. Скорость деформирования 50 мм/мин, скорость деформации 0,03 1/с.
—	—	—	45	76	100	—	—
Закалка + отпуск (поковки)
≤100	—	540	685	15	45	579	223-262
Образец диаметром 6 мм, длиной 30 мм, кованый и нормализованный. Скорость деформирования 50 мм/мин, скорость деформации 0,03 1/с.
—	—	—	31	—	100	—	—
Закалка + отпуск (поковки)
100-300	—	540	685	13	40	481	223-262
≤100	—	590	735	14	45	579	235-277
100-300	—	590	735	13	40	481	235-277
Нормализация (поковки)
100-300	—	315	570	14	35	334	167-207
300-500	—	315	570	12	30	285	167-207
500-800	—	315	570	11	30	285	167-207

Обработка и закалка

После сварочных работ готовая деталь охлаждается за счет понижения температуры при отключении печи, при этом находясь под чутким контролем. В результате таких манипуляций полученный на изделии шов при рентгеновском облучении покажет отсутствие дефектов. Наличие поверхностных трещин проверяется зачисткой и шлифовкой швов с последующим нанесением слоя кислоты.

Также качество сварочного соединения проверяется современными макрошлифами.

Изготовленные с применением подобной технологии изделия успешно проходят макроисследования при котором выявляются плотность строения наплавленного металла в зоне сварочного шва и ближайших к нему зон. Микроструктура в этих местах изменяется от ферритно-перлитной до сербитообразной перлитной. Также образцы деталей из стали 40ХН проходят испытание на твердость, смысл которой в том, чтобы подтвердить неизменность структуры стали в зоне шва после сварки.

Закалка изделий из данного материала происходит в процессе погружения в масло, однако детали крупных габаритов иногда закаливают в воде после чего, как можно скорее, перемещаются в масло или подвергаются воздействию низкий отпуска. Не редкостью является и процесс закаливания высокочастотными токами, после нагрева которыми производится отпуск. В конечном итоге, такие манипуляции повышают твердость поверхности изделия.

Физические характеристики

Температура	Е, ГПа	r, кг/м3	l, Вт/(м · °С)	a, 10-6 1/°С
0	200	7820	—	—
20	200	7820	—	—
100	—	7800	44	118
200	—	7710	43	123
300	—	7840	41	134
400	—	7700	39	134
500	—	—	37	—
600	—	—	—	14

Технологические свойства

Название	Значение
Свариваемость	трудносвариваемая. РДС, АДС под флюсом, ЭШС. Необходимы подогрев и последующая термообработка.
Склонность к отпускной хрупкости	склонна
Температура ковки	Начала — 1250 °C, конца — 830 °C. Сечения до 50 мм охлаждаются на воздухе, 50-200 мм — в мульде, 201-300 мм — с печью.
Флокеночувствительность	повышенно чувствительна
Обрабатываемость резаньем	В горячекатаном состоянии при НВ 166-170 sВ=690 МПа Kn тв.спл.=1.0 Kn б.ст.=0.9

Процесс сварки

Сварочная деятельность с легированными сталями довольно трудна, в связи с особенностями, вызывающими образования хрупких элементов в околошовной зоне из-за закалки (то есть сварка должна исполняться по определенной технологии). В лучшем случае проводить сварочные работы лучше перед отпуском изделия при прогреве или перед отжигом, но исключительно после сварки. Температурное воздействие на сплав 40ХН заключается в закаливание сплава, сопровождающееся дальнейшим отпуском изделия. После таких манипуляций свойства стали приобретают удвоенную выносливость к образованию трещин по сравнению с состоянием до сварочных работ. Предел выносливости стали же возрастает в 6 раз.

Для сварки элементов, изготовленных из этой стали, требуется первоначально добиться твердости Н=2860-3020 МПа. В этом помогает термообработка стали 40ХН, с последующим отпуском в температурах от 550 до 860 градусов Цельсия. Далее изделие подвергается повторному нагреву в электропечи при температурах от 350 до 400 градусов Цельсия.

Затем производится сам процесс сварки в два слоя с обязательной зачисткой от шлака швов в режиме силы сварочного тока от 160 до 200 А. Не мало важно чтобы ток был постоянным с обратной полярностью. Для сварки обычно применяются высококачественные электроды с маркировкой УОНИ 13/55 типа Э50А с диаметром в 4 миллиметра и катетом шва в 8 миллиметров.