Особенности закалки стали 40x в домашних условиях

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.

Круг из стали 40Х

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:

  1. Рассматриваемая сталь относится к конструкционной легированной группе. Легированная группа характеризуется содержанием большого количества примесей, которые определяют изменение эксплуатационных качеств, в том числе твердости.
  2. Используется в промышленности при создании валов, осей, штоков, оправок, реек, болтов, втулок, шестерней и других деталей.
  3. Показатель твердости до проведения термической обработки HB 10-1 = 217 Мпа.
  4. 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.
  5. 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.

Скачать ГОСТ 4543-71 «Прокат из легированной конструкционной стали 40Х»

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.

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 2019 при испытании.

Отпуск и нормализация

Отпуск проводится непосредственно сразу после завершения закалки, так как есть большая вероятность возникновения трещин в структуре. Разогревается изделие в этом случае до точки ниже критической, проводится выдерживание на протяжении определенного промежутка времени и выполняется охлаждение. Отпуск обеспечивает улучшение структуры, устраняет напряжение и повышает пластичность, устраняет хрупкость стали 40Х.

Механические свойства стали 40Х в зависимости от температуры отпуска

Различают три вида рассматриваемой термообработки:

  1. Низкий отпуск определяет разогрев поверхности до 250 °С с выдержкой и охлаждение на воздухе. Применяется для снятия напряжений и незначительного повышения пластичности практически без потери твердости. В случае конструкционного сплава применяется крайне редко.
  2. Средний отпуск позволяет нагревать изделие до 500 °С. В этом случае вязкость значительно повышается, а твердость снижается. Используют этот метод термообработки при получении пружин, рессор и некоторого инструмента.
  3. Высокий позволяет раскаливать деталь до 600 °С. В этом случае происходит распад мартенсита с образованием сорбита. Подобная структура представлена лучшим сочетанием прочности и пластичности. Также повышается показатель ударной вязкости. Используют этот метод термообработки для получения деталей, применяемых при ударных нагрузках.

Еще одним видом распространенной термообработки является нормализация. Зачастую нормализация проводится путем разогрева металла до верхней критической точки с последующей выдержкой и охлаждением в обычной среде, к примеру, на открытом воздухе. Проводят нормализацию для придания мелкозернистой структуры, что приводит к повышению пластичности и ударной вязкости.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

В моей ремесленной практики случаются случаи, когда я отхожу от хорошо зарекомендовавшей себя  и стандартной для моей работы стали, такой как 65г.

Основным недостатком стали 65г является восприимчивость к образованию ржавчине. Посему, время от времени я обращаюсь к стали 40х.

Сталь 40х — конструкционная легированная, хромистая

Данную сталь используют для изготовления конструктивно ответственных деталей, таких как оси, губчатые венцы, болты, полуоси, втулки, валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки и прочие улучшаемые детали повышенной прочности.

Благодаря содержанию хрома, сталь значительно более устойчива к ржавчине. И часто приминается для изготовления клинков ножей.

Марка стали Твёрдость (HRCэ) Температ. закалки, град.С Температ. отпуска, град.С Температ. зак. ТВЧ, град.С Температ. отжига, град.С Закал. среда Прим.
Сталь 40Х 24…28 840…860 500…550 Масло
30…34 490…520
47…51 180…200 Сеч. до 30 мм
47…57 860…900 Водный раствор 0,2…0,7% поли-акриланида
48…54 Азотирование
<= 22 840…860

Для своего клинка (ножик), я выбрал следующий режим 47-57… И на выходе получил лезвие, с твердостью: 52-54 единицы.

Сталь 40Х – это конструкционная углеродистая легированная сталь. Свои качества сталь 40Х приобретает после закалки и последующего отпуска.

Особенности и требования, предъявляемые к стали 40Х

Вся выпускаемая металлопродукция, и сталь 40Х в том числе, должна соответствовать требованиям государственных стандартов.

ГОСТ 2019 от 2019 года определяет состав и требуемые эксплуатационные качества материала.

Для каждого вида изделий из этой стали существуют свои ГОСТы, которые регламентируют особенности всего выпускаемого ассортимента.

Сталепрокатная промышленность выпускает из марки стали 40Х три вида заготовок: круг, шестигранник и лист.

Свойства и состав

Требуемые свойства этот сорт стали имеет, благодаря своему химическому составу:

  • железо (до 97%);
  • кремний;
  • марганец;
  • никель;
  • сера;
  • фосфор;
  • медь;
  • хром.

Буква Х говорит о наличии легирующего элемента – хрома (0,8-1,1%), что повышает стойкость стали к коррозии. 40 – это показатель концентрации углерода (0,44%).

Наряду с плюсами у этой марки есть и недостатки, которые нужно знать и учитывать при работе с изделиями из нее:

  • хрупкость, восприимчивость к ударной нагрузке;
  • плохая свариваемость.

По степени свариваемости структуры сталь 40Х относится к 4 группе.

Применяется для изготовления:

  • валов – шестерен редукторов;
  • зубчатых колес редукторов;
  • листовой металл применяется для штамповок;
  • листами обшиваются каркасные конструкции;
  • трубы: отопительные системы и транспортировка жидкостей;

Также используется в сфере машиностроения, транспорта, при строительстве железнодорожных мостов и т. д.

Способы сварки стали 40Х. Чему отдать предпочтение?

Основной проблемой при сварке такой стали являются появление трещин и внутренних дефектов.

Сваривать данный металл можно тремя видами сварки:

  • электродуговой;
  • электрошлаковой;
  • контактно-точечной.

Для снижения возможных появлений трещин обязательно выполняются следующее шаги:

  1. Предварительная термообработка.
  2. Подогрев в процессе сварки.
  3. При контактно-точечной сварке также выполняется термообработка в заключение.

Электродуговая сварка

Сварочные швы выполняются за счет горения электрической дуги.

ЭДС и ее сущность:

  • зажигание дуги – касанием электрода о металл детали;
  • поддержание длины дуги во время работы;
  • перемещение электрода вдоль сварного шва.

Сварочное соединение деталей из стали 40Х ведется постоянным током обратной полярности, когда соединение электрода с «плюсом», а изделия – с «минусом». Такое подключение клемм обеспечивает быстрый и значительный нагрев самой зоны соединения, а деталь практически не нагревается.

Выделяется три варианта электродуговой сварки:

  1. Ручная дуговая. Это самый простой и доступный метод для домашнего мастера или в небольшой мастерской, где не требуется большой ответственности по качеству. Он не требует специальной подготовки. Минимальный набор оборудования: специальный электрод для легированных сталей Э85 УОНИ – 13/85, имеющий покрытие с пониженным содержанием водорода; сварочные трансформаторы и выпрямители либо сварочные инверторы.
  2. Электродуговая с аргоном, являющаяся самым применяемым и качественным способом сваривания стали 40Х. Для защиты места сварки от газов, содержащихся в воздухе, применяется защита аргоном. Аргоновая дуговая сварка – это промышленный вариант соединения легированной стали. Может быть полуавтоматической и автоматической. Присадочный материал применяется той же марки, что и свариваемый металл.
  3. Газовая сварка с помощью ацетилена. Это более дешевый и простой способ, чем аргоновая сварка, но менее надежный. Он не подходит для толстых листов, и это усложняет работу.

Электрошлаковая сварка

Это бездуговой метод. Источником тепла служит флюс, находящийся между свариваемыми изделиями и нагреваемый проходящим через него электротоком.

Шлак-флюс защищает зону кристаллизации от окисления и насыщения водородом. Этот метод защищает соединяемые детали от образования трещин.

ЭШС выполняется снизу вверх, чаще при вертикальном расположении свариваемых деталей и с зазором между ними.

Контактно-точечная сварка

При такой сварке детали зажимаются в электродах сварочной машины или специальных сварочных клещах. Проходя между электродами, электрический ток разогревает металл деталей в месте их соединения до температуры плавления.

Далее ток отключается и происходит сильное сжатие электродов с деталями – проковка. В таком положении детали остывают и получается сварное соединение.

Электроды для КТС изготавливаются из высокоэлектропроводных сплавов, чтобы сопротивление контакта электрод-деталь было минимальным.

В месте соединения деталей сопротивление наибольшее и нагрев протекающими токами происходит именно там.

Разогрев и расплавление стали под воздействием тока приводит к образованию литого ядра сварной точки. Это и есть принцип работы КТС.

Технология сварного соединения изделий

Шаг 1. Подготовка металлических деталей:

  • подгонка по размеру, по форме;
  • зачистка металла от окисления и ржавчины.

Шаг 2. Подготовка кромок металла под сварку. Этот пункт особенно актуален при работе с толстыми заготовками (более 3 мм):

  • ширина зазора 1-2 мм;
  • угол разделки 45-600;
  • погон стыков у деталей разной толщины.

Шаг 3. Подготовка инструментов и оборудования:

  • требование к материалу сварочной проволоки и электрода: состав их должен как можно ближе соответствовать свариваемой марке стали;
  • для соединения сварочным методом стали 40Х удобно пользоваться техническими таблицами по выставлению величины тока в зависимости от толщины свариваемых поверхностей и размера электрода.

Шаг 4. Прогрев деталей до начала сваривания.

Сталь 40Х является чувствительной к перепадам температур и образованию трещин из-за этого. Прогревать деталь нужно газовой горелкой перед любым видом сварки.

Шаг 5. Точечно прихватить соединяемые части.

Чтобы избежать деформации или сдвига свариваемых деталей, практично сделать точечный прихват по всей длине планируемого сварного шва.

Шаг 6. Сварочный процесс выбранным методом.

Шаг 7. Прогрев сваренных деталей.

После сваривания прогрев нужен для снятия напряжения в деталях и выпаривания остатков водорода. Эта процедура особенно важна при контактно-точечной сварке.

( 1 оценка, среднее 5 из 5 )

В процессе изготовления различных металлоконструкций металл подвергается процедурам, в число которых входит и термообработка. Очень важно грамотно подойти к проведению этой операции, выполнив требования технологии, что позволит придать конечному изделию улучшенные механические свойства.

Эта тема является довольно обширной и включает довольно большое количество важных вопросов. Однако нам хотелось бы рассмотреть особенности процедуры закалки стали, ее применение и технологию. Возможно, поначалу возникает впечатление, что термообработка является довольно сложной процедурой, однако при более тщательном ознакомлении становится ясно, что все обстоит совсем не так.

Немного общих сведений

Под закалкой понимается процедура, во время которой изменяется кристаллическая решетка стали и ее сплавов, за счет чего удается добиться поддержания критической температуры, причем последняя выбирается для определенного материала в индивидуальном порядке. Обычно по достижении требуемого температурного уровня заготовка подвергается резкому охлаждению. Для выполнения этого этапа используют воду или масло.

Важным моментом является то, что в отношении инструментальных сталей выполняют неполную закалку. В основе лежит нагрев до температуры, при которой удается вызвать появление избыточных фаз. Ряд иных марок сталей требует проведения полной закалки. Их нагревают до отметки, превышающей на 50 градусов температуру, которую выдерживают при неполной закалке. В случае обработки цветных металлов нет необходимости доводить термообработку до полиморфного превращения, а вот для стали полиморфное превращение является обязательным требованием.

Снятие закалки

В соответствии с технологией, при охлаждении изделия обязательно должен быть проведён отпуск. Его целью является повышение пластичности и снижение хрупкости материала. В то же время важно обеспечить неизменную прочность заготовки. Эта задача решается путем выдерживания изделия в печи, нагретой до температуры от 150 до 650 градусов, где она постепенно остывает. Принято выделять три типа отпусков:

  • Низкотемпературный. Основной здесь эффект сводится к приданию обрабатываемой заготовке повышенных характеристик износостойкости. При этом такая сталь лучше переносит динамические нагрузки. Сама процедура обработки проходит при температуре 260 градусов. Подобный тип отпуска проводится в отношении изделий, выполненных из низколегированных и углеродистых сталей.
  • Среднетемпературный. Для его проведения выдерживается температура в пределах от 350 до 500 градусов. Обычно его применяют в отношении пружин, рессоров, штампов и пр. Эффект от подобного отпуска заключается в повышении упругости и выносливости изделия.
  • Высокотемпературный. Его проводят в условиях температуры 500 и 680 градусов. Подобная обработка позволяет придать изделию более высокую прочность и пластичность. Этой процедуре обычно подвергают детали, которые будут в дальнейшем испытывать значительные нагрузки.

Закалка стали в домашних условиях

Бывают ситуации, когда домашний мастер сталкивается с проблемой повышения прочностных характеристик бытового инструмента. Причем для решения этой задачи нет необходимости обращаться к специалистам, поскольку он сам может

все сделать самостоятельно

. Справиться с этой задачей можно, обладая минимум оборудования и знаний.

Рассмотрим более подробно ситуацию на топоре. Если рассматривается инструмент советского производства, то можно не сомневаться в его высоком качестве изготовления. В то же время подобного нельзя сказать об изделиях, которые продаются сегодня. Если присутствуют признаки заминания или выкрашивания, то из этого можно сделать вывод о нарушении требований технологии закалки. Однако в силах каждого мастера исправить эту ситуацию.

Первое, что нужно сделать — разжечь костер с углями. Желательно довести его до такого состояния, чтобы угли имели как можно более белый цвет. Так можно будет понять, что они нагрелись до максимально высокой температуры. Помимо этого, нам понадобятся две емкости. В первую мы нальем масло, в качестве которого можно использовать обычное машинное. Другой же резервуар следует наполнить чистой холодной водой.

Дождавшись момента, когда кромка инструмента приобретет малиновый цвет, топор извлекают из костра. Чтобы избежать ожога вследствие взаимодействия с высокой температурой, рекомендуется использовать кузнечные клещи или любую иную альтернативу им. После этого нужно быстро поместить топор в емкость с маслом и держать его там в течение 3 секунд. По истечении этого времени топор извлекают, дают остыть ему в течение тех же 3 секунд, после чего операцию повторяют. Проводить процедуру погружения топора в масло нужно до тех пор, пока инструмент не лишится своего яркого света.

Далее нам предстоит погружать топор в емкость с водой, при этом важно периодически мешать жидкость. Этой операцией завершается закалка стали в домашних условиях.

Подробно о нагреве металла

Если следовать технологии, то закалка металла требует проведения 3 этапов:

  • Нагрев стали;
  • Выдержка. Благодаря выполнению этой операции удается довести до конца все структурные превращения и обеспечить выполнение сквозного прогрева;
  • Охлаждение.

Если приходится иметь дело с конструкциями, выполненными из углеродистых сталей, то их закалку проводят в камерных печах. Особенностью этой процедуры является отсутствие необходимости в предварительном подогреве. Это связано со способностью материала прекрасно переносить такие неприятные явления, как коробление и растрескивание. Если необходимо закаливать такие сложные конструкции, как резкие переходы и тонкие грани, то здесь без предварительного подогрева не обойтись. Подобная процедура может быть выполнена двумя способами:

  • С использованием соляных печей, в которые заготовку нужно погрузить на 3-4 секунды в три приема;
  • При помощи отдельных печей, в которых следует создать температурный режим 400- 500 градусов Цельсия.

Важным моментом закалки металла является то, что эта процедура должна проводиться при равномерном нагреве. Бывает так, что в течение одного приема такую задачу невозможно решить. В этом случае следует выдержать условия для проведения сквозного прогрева. Особое внимание следует уделить количеству изделий, которые планируется закаливать. С увеличением их количества необходимо увеличивать длительность их прогрева. Скажем, если закалке будет подвергаться дисковая фреза, имеющая диаметр 2,4 см, то ее необходимо нагревать в течение 13 минут. Если подобной обработке планируется подвергать десяток аналогичных изделий, то время нагрева должно быть увеличено до 18 минут.

Методы закалки стали

Наибольшее распространение последнее время получили следующие методы:

Закалка в одном охладителе

Этот метод основывается на погружении заготовки в закалочную жидкость, где ее держат до того момента, пока она полностью не остынет. Особенностью этого метода является то, что им может воспользоваться и рядовой потребитель.

Закалка в двух средах

Этот метод применим в отношении изделий, выполненных из углеродистых сталей. Основные операции сводятся к погружению заготовки в воду, после чего ее окунают в масло.

Струйчатая

Здесь заготовка подвергается воздействию струей воды. К этому методу закалки прибегают в ситуации, когда приходится закаливать лишь часть детали. Этот вариант закалки отличается отсутствием паровой рубашки, что положительным образом сказывается на эффективности подобной закалки.

Ступенчатая

Для обработки металла используется закалочная среда, в которой поддерживается температура выше мартенситной. Далее заготовку выдерживают при созданном температурном режиме. Очень важно обеспечить одинаковую температуру на каждом сечении заготовки, которая не должна отличаться от температуры, поддерживаемой в закалочной ванне.

Защита изделия от внешних воздействий

Нередки ситуации, когда приходится решать проблему защиты стали от вредных воздействий, которые могут быть созданы в результате появления окалины или потери углерода. В качестве решения этой проблемы могут выступить

специальные газы

, которые подаются в печи, где размещена обрабатываемая деталь. Но следует помнить, что подобная процедура может быть выполнена при условии, что печь имеет герметичную конструкцию. Чаще всего в качестве источника газа используется специальный генератор, топливом для которого выступают углеводородные газы, например, метан.

При проведении полной закалки металлической заготовки важно обеспечить ей защиту. В некоторых ситуациях нет возможности подвести газ. Тогда эту операцию можно проводить в герметичной таре. Герметиком здесь может выступать глина, способная исключить проникновение внутрь воздуха. Но еще до начала этой процедуры рекомендуется покрыть заготовку слоем чугунной стружки.

Заключение

Подавляющее большинство металлоконструкций, которые используются в строительстве, должны обладать повышенными характеристиками прочности. Решить эту задачу можно путем такой процедуры, как закалка, которая проводится в отношении всех изделий еще на этапе их изготовления. Пренебрегать ею не рекомендуется, поскольку это позволяет придать им улучшенные свойства, которые расширяют спектр применения изделий.

Важный момент, которому следует уделить особое внимание при закалке металлоконструкций — соблюдение технологии проведения этой работы. Следует в точности выдержать необходимую температуру, от которой в значительной степени зависит, насколько высокие характеристики прочности приобретет обрабатываемое изделие. Это, в свою очередь, оказывает влияние на максимальный срок службы конструкции, которая будет изготовлена из обработанной подобным образом стали.

  • Автор: Николай Иванович Матвеев
  • Распечатать

Оцените статью:

(4 голоса, среднее: 4.5 из 5)