Отпуск 40х13 при какой температуре

Опубликовано: 17.09.2024

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.

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.

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:

Цифра 40 указывает среднюю массовую долю углерода в стали сотых долях процента, т.е. среднее содержание углерода в стали 40Х13 составляет 0,40%.

Буква Х указывает, что сталь легирована хромом (Cr), цифра 13 после буквы указывает, что средняя массовая доля хрома составляет 13%.

Вид поставки

Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 5949-75, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88
Калиброванный пругок ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 7417-75.
Полоса ГОСТ 4405-75, ГОСТ 103-76.
Проволока 18143-72.
Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1133-71.

Характериситики, свойства и применение

Сталь 40Х13 является хромистой коррозионностойкой (нержавеющей) сталью мартенситного класса и применяется для изготовления деталей работающие при температуре до 400-450°С, а также деталей, работающие в коррозионных средах, например:

режущий инструмент,
мерительный инструмент,
пружины для работы до 400-450°C;,
карбюраторные иглы,
предметы домашнего обихода,
клапанные пластины компрессоров и другие детали

Cталь 40Х13 выплавляется в индукционных или дуговых печах. Сталь склонна к образованию горячих трещин при больших скоростях нагрева и охлаждения. При нагреве металл сажают в печь при температуре 500-540 °С, далее вместе с печью медленно нагревают до 830 °С. После выравнивания температуры по сечению можно вести ускоренный нагрев;

Cталь деформируется. Температура начала горячей деформации 1100°С, конца 850 °С. После деформации обязательно медленное охлаждение в стопе или песке;

Температура критических точек, °С

Ac₁	Ас₃	Аr₁	M_н
820	870	780	270

Химический состав, % (ГОСТ 5632-72)

C	Si	Mn	Cr	S	Р	Ti	Cu	Ni
C	не более		Cr	не более
0,36-0,45	0,8	0,8	12,0-14,0	0,030	0,025	0,2	0,30	0,6

Химический состав, % (ГОСТ 5632-2014)

Номер марки	Массовая доля элементов, %
	Углерод	Кремний	Марганец	Хром	Железо	Сера	Фосфор	Коррозионно- стойкая
						Не более
1-17	0,36-0,45	Не более 0,80	Не более 0,80	12,00-14,00	Осн.	0,025	0,030	+

Термообработка

Рекомендуемые режимы термической обработки:

При проведении термической обработки следует учитывать возможность самопроизвольного растрескивания детали при длительном вылеживании, поэтому отпуск проводится сразу после закалки.

Механические свойства

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

t_отп, °С	σ_0,2, МПа	σ_в, МПа	δ₅, %	ψ, %	KCU, Дж/см 2	Твердость HRC_э, НВ
200	1620	1840	1	2	19	52
350	1450	1710	11	22	25	50
500	1390	1680	7	9	19	51
700	500	780	35	59	71	НВ 217

ПРИМЕЧАНИЕ: закалка с 1000 °С в масле.

Механические свойства при повышенных температурах

Механические свойства при 20 °С в зависимости от тепловой выдержки

ПРИМЕЧАНИЕ. Предел выносливости σ_-1 = 370 МПа при σ_в=880 МПа, HB 270.

Ударная вязкость KCU

Состояние поставки	KCU, Дж/см 2 при температуре, °С
Состояние поставки	+20	-78
Пруток диаметром 55 мм	54	7

Технологические свойства

Температура ковки, °С	Начала 1200, конца 850. Сечения до 200 мм подвергаются низкотемпературному отжигу.
Свариваемость	Не применяется для сварных конструкций.
Обрабатываемость резанием	K_{v тв.спл.} = 0,6 и K_{v б.ст.} = 0,4 в закаленном и отпущенном состоянии при НВ 340 и σ_в=730 МПа.

Коррозионная стойкость

Среда	Температура, °С	Длительность испытания, ч	Глубина коррозии, мм/год
H₂SO₄ (концентрированная)	20	720	0,01
H₂SO₄ (63,4%-ный раствор)	40	24	5,27
Аммиак (24%-ный)	20	720	0,0032

Стойкость конструкционных материалов против щелевой эрозии

Группа стойкости	Балл	Эрозионная стойкость по отношению к стали 12X18H10T	Материал (Хромистая нержавеющая сталь)
Стойкая	3	0,25-0,75	40X13

ПРИМЕЧАНИЕ. Коэффициент эрозионной стойкости материала представляет собой отношение скорости эрозионного износа материала к скорости эрозионного износа стали 12Х18Н10Т (принятой за 1).

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.

Металлургическая промышленность выпускает следующий сортамент — лист (ГОСТ 5582-75), пруток ГОСТ 18907-73, проволоку (ГОСТ 18143-72).

Как изготовить нож из стали 40Х13

Технология изготовления ножа из стали 40Х13 такая же, как для других марок сталей. Если делать свой первый клинок, то сталь 40Х13 нужна, чтобы освоить технологический процесс.

Заготовка должна быть откована, желательно заданной конфигурации. Процесс ковки упрочняет структуру, что хорошо скажется на свойствах режущей части.

На поковку наносится шаблон будущего лезвия, вырезается по контуру. Резка производится только в отпущенном состоянии заготовки, с одновременным охлаждением. Нельзя допускать перегрева при резании.

Предварительно обрабатываются и затачиваются кромки, плоскость до нужных размеров, сверлятся отверстия в рукоятке для установки крепления штифтов. Производится термообработка (закалка, отпуск) для придания твердости и пластичности.

Заготовка шлифуется с обязательным охлаждением. Перегрев отпустит сталь, уменьшит прочность. Полируется до блеска.

Изготовленная деревянная ручка устанавливается на штифтах. Ее клеят на эпоксидный клей, шлифуют до гладкости, чтобы хорошо сидела в руке, обрабатывают маслом. Масло защищает от влажности, придает деревянной ручке красивый вид. Окончательная шлифовка режущей кромки лезвия. Удобный и практичный нож готов.

Закалка

Если технология закалки соблюдена, то конечная твёрдость изделий после термообработки должна находиться в пределах 59…62 HRC. Для выполнения такого условия, и сохранения необходимой структуры (мартенсит+аустенит) необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

Закалочные процессы протекают в полном объёме, если они начинаются при 800…820 °С.
Соотношение времени предварительного и окончательного подогрева инструмента под закалку должно быть одинаковым, и находиться в температурном диапазоне значений 400…500 °С.
Точное время нагрева обычно рассчитывается в зависимости от площади поверхности инструмента и его объёма

Особенно это важно при нагреве заготовок в расплавах солей: для расплавов это должно быть 8…14 мин, для водных растворов – 15…30 мин (увеличенные нормативы применяются для инструмента с резко отличающимися продольными и поперечными размерами).
Охлаждение инструмента после закалки проводят в воде, температура которой (независимо от времени года и температуры в термическом отделении) должна находиться в пределах 18…25 °С. При более низких температурах возрастает риск растрескивания изделий, а при более высоких твёрдость инструмента получается неравномерной

Тот же дефект возможен в том случае, когда закалочная среда загрязнена минеральными и органическими остатками.
Закалка стали У8 на воздухе невозможна.

После закалки производится отпуск изделий. При этом мартенситное превращение происходит в полной мере, внутренне напряжения снижаются, а вязкость сердцевины возрастает. Температура отпуска стали У8 после закалки составляет 140…200 °С: именно после таких температур конечная продукция сохранит достаточную твёрдость, и будет обладать достаточно вязкой сердцевиной. Время выдержки принимают в пределах 120…200 с, для измерительного инструмента температура может быть дополнительно снижена на 20…50 °С.

Иногда после заточки и шлифования инструмента из стали У8 (в основном, мерительного) проводят дополнительный отпуск. При этом температура составляет 300…350 °С, а время выдержки — 1,5…2 часа, с последующим охлаждением детали на воздухе.

Аналоги стали и область применения

4Х13 — старое название. Существуют зарубежные аналоги, отличающиеся чистотой сплава, отсутствием или наличием примесей.

Зарубежные аналоги разных поставщиков: американские AISI420, японские SUS420J2, французские X40Cr14, английские 420S45, итальянские X40Cr14, испанские F.3404, китайские 4C13, польские 4h23, чешские 17024. Все аналоги имеют похожие характеристики.

Мерительный инструмент.
Режущий инструмент.
Предметы домашнего обихода.
Медицинские инструменты.
Валы.
Пружины.
Подшипники.
Мерительные приспособления для ковочного производства.
Детали компрессорных установок.
Режущие ножи аппаратов для горячей штамповки.

Способы обработки

Рассматриваемая сталь подвергается двум основным видам обработки: термической и механической. Термообработка стали 40х13 применяется для придания ей соответствующих технологических свойств. Механическая – для создания требуемой формы, решения поставленных технических задач.

Подобный металл специалисты относят к той категории материалов, которые при проведении термической обработки требуют определённого специфического подхода. Именно этот вид обработки придаёт требуемые свойства.

Сталь 40х13 в печи для закаливания

Основными видами термической обработки являются:

последовательная закалка;
медленный отпуск после нагрева;
горячая и холодная пластическая деформация;
отжиг.

После проведения закалки в структуре образуются следующие компоненты:

карбиды;
мартенситы;
некоторые остатки так называемых аустенитов.

Первые два способа обработки позволяют придать стали хорошую коррозийную стойкость и отличные механические свойства. Это удаётся за счёт того, что она обладает хорошей пластической деформацией. Закалка такой стали происходит с помощью постепенного нагрева до температуры более 950 °С, но не более 1100 °С. Последовательный нагрев необходим потому, что эта марка стали обладает повышенной чувствительностью к трещинам. Чтобы избежать проявления негативных последствий металлическую деталь (особенно с толщиной более 100 миллиметров необходимо нагревать более 10 минут).

Чтобы избежать появления трещин, в том числе и в глубине металла, образец подвергают так называемому отпуску. То есть, постепенному понижению температуры и выдерживанию образца при температуре до 300 °С. В этом случае сталь приобретает свои максимальные прочностные характеристики. Если температурный режим не будет выдержан, и процесс произойдёт при 450 °С, сталь потеряет свои характеристики по ударной вязкости. Наилучшие коррозийные свойства и хорошую пластичность она приобретает при соблюдении следующих параметров. Последовательный нагрев до температуры 700 °С, последующая выдержка в течение 20 минут, охлаждение в ёмкости с маслом.

В качестве смягчающей термической обработки используется так называемый отжиг. Деталь нагревается до температуры 800 °С. Далее проводят медленное охлаждение в самой печи до температуры около 500 °С.

Температура закалки и отпуска стали 40х13

В качестве альтернативы стандартному виду нагрева, для проведения термической обработки применяют нагрев токами высокой частоты. Особенно этот метод используется при необходимости проведения закалки поверхностного слоя детали. Это детали, которые входят в механизмы с узлами трения и качения, в элементы трубопроводной арматуры. Обычно такая закалка применяется только к деталям, толщина которых превышает 15 миллиметров. С её помощью удаётся добиться показателя твердости после закалки равного 36,5 HRC единиц.

Она подвергается следующим видам механической обработки:

сверление отверстий;
заточка;
фрезерование;
ковка.

Проведение этих операций связано с определёнными трудностями:

Упрочнение поверхностного слоя (это связано с дополнительным нагревом заготовки в момент резания или сверления).
Проблемы с удалением отходов металлообработки (получаемая металлическая стружка образует длину узкую закрученную полоску). Это вызывает определённые неудобства при длительной обработке. Эту проблему решают с помощью установки специальных приспособлений на металлорежущий инструмент. Они производят периодический облом стружки.
Повышенный износ режущей кромки. Это связано с повышением температуры детали в месте соприкосновения с кромкой режущего инструмента. В этом случае наличие в этой марке кристаллических соединений (карбидов и мартенситов) создаёт эффект наличия в ней абразивных элементов что приводит к быстрому износу режущей кромки.

Кроме этого возникают трудности при заточке режущих инструментов, сделанных из этой стали. В момент заточки повышается температура затачиваемой кромки и образуется так называемый металлический наплыв. Это приводит к появлению неравномерного упрочнения края затачиваемой поверхности.

После проведение этой операции (горячей деформации) допускается только медленное охлаждение с последующим низкотемпературным отжигом.

В доступный перечень механической обработки, к сожалению, не попадает сварка. Дело в том, эта марка металла относится к категории трудносвариваемых материалов. Поэтому этот метод обработки не применяется для соединения конструкций, изготовленных из этого материала.

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.

Температурные изменения в структуре

Закалка проводится весьма часто для продукции, изготовленной из качественных конструкционных сталей, содержащих более 0,4% С, и практически всегда – для конструкционных легированных сталей, поскольку именно для них обычно и предъявляются повышенные прочностные требования.

Выбор режима закалки зависит от предназначения детали. Наиболее распространены следующие технологии:

Термообработка малоуглеродистых конструкционных сталей (менее 0,2% С), для которых необходимо сочетание поверхностной твёрдости с достаточно вязкой сердцевиной. В этом случае сначала выполняют цементацию — насыщение поверхности дополнительным количеством углерода, а уже потом сталь закаливают;
Термообработка среднеуглеродистых сталей с 0,3…0,6% С. Они применяются для производства ответственных машиностроительных изделий сложной формы, которые работают в условиях знакопеременных нагрузок. Нормализация всегда выполняется после закалки;
Химико-термическая обработка, которая выполняется относительно высоколегированных сталей, где глубинные слои могут оставаться вязкими. Основные варианты исполнения такой обработки – цианирование, нитридирование, сульфурирование – производятся также после закалки.

3 формы кристаллов железа в сверхвысокоуглеродистой стали

Все конструкционные стали относятся к виду доэвтектоидных: процентное содержание углерода в них не превышает 0,8%. В структуре стали после закалки в зависисмотси от условий нагрева имеются следующие составляющие:

В диапазоне температур до 723 °С – феррит и перлит (перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита, куда подмешиваются и карбиды легирующих элементов).
Выше этой температуры и до 850…900 °С– смесь феррита с аустенитом, причём область устойчивого существования структуры зависит от процента углерода, и постепенно снижается от диапазона 950…723 °С до 0.
Ниже этой температурной линии структура является уже чисто аустенитной.

Для отображения динамики структурных изменений в конструкционных сталях при их нагреве широко применяется известная диаграмма «железо-углерод», по которой устанавливают режимы закалки и последующего отпуска. Часто тут же приводятся и фотографии структурных составляющих.

Применение стали 40Х13

Уникальные свойства стали этой марки позволили применять её в авиастроении. Дело в том, что эта отрасль постоянно нуждается в материалах, которые обладают высокой прочностью во время работы при высоких температуре, например, в авиационном двигателе. Кроме того, в современной авиационной технике детали, выполненные из этой стали, применяют в силовых элементах конструкции фюзеляжа и пр.

Кстати, неофициальное название стали 40Х13 – ножевая. Несмотря на то что этот материал относительно мягок, при проведении правильной термической обработки он показывает хорошую твёрдость – 57HRC.

Ножи, выполненные с маркировкой 40х13, пользуются популярностью и домохозяек, и у охотников, рыбаков и пр. Все дело в том, что ножи, выполненные из этого материала, не ржавеют и не нуждаются в особом уходе.

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:

не более 97% железа;
0,5 — 0,8% марганца;
0,17 — 0,37% кремния;
не более 0,3% меди;
не более 0,3% никеля;
не более 0,035% фосфора;
не более 0,035% серы.

Применение

Основной областью применения стали 40ХН является производство деталей для механизмов, эксплуатируемых в условиях постоянной нагрузки, когда механизмы работают при больших скоростях скольжения и высокой вибрации. К примеру, такие как: соединительные трубки и муфты для механизмов в нефтедобывающей промышленности, поршневые шатуны, оси, и валы. Зубчатые колеса, гидроцилиндровые штоки и тому подобные детали также изготавливают из стали 40ХН, так как она обеспечивает высокое качество конечного продукта.

Многие мастера задумываются о том, как закалить металл в домашних условиях. В первую очередь речь идет, конечно же, о стали. В последнее время российский рынок наводнила дешевая китайская продукция. Металл низкого качества часто красиво выглядит, но отличается мягкостью. Для того чтобы металлический инструмент был пригоден к применению, сталь должна быть твердой. Эта проблема обычно успешно решается при помощи соответствующей термической обработки — закалки.

Для чего нужна закалка и отпуск стали

Как правило, изделия из стали поступают в широкую продажу уже после закалки. Закалка производится в специальных печах на металлургических комбинатах и является завершающим этапом подготовки металла к изготовлению из него различных изделий (поварских и охотничьих ножей, ножниц, хирургических инструментов).

Современные технологии позволяют осуществить эту процедуру быстро и безопасно, при этом изделие не становится хрупким от резкого перепада температур. Как правило, у печей, которые установлены в заводских и фабричных цехах на сталелитейных фабриках, предусмотрено несколько режимов работы, поэтому охлаждение изделия происходит постепенно (а это очень важно для сохранения структуры металла). Довольно часто используется азотирование.

Главный минус этих методов заключается в том, что они непригодны для использования дома. Тем не менее часто возникают ситуации, когда изделия из стали, купленные в специализированном магазине, нуждаются в дополнительной обработке, а именно в укреплении. Закалка стали с последующим отпуском необходима, потому что:

Изделие, которое подвергалось термической обработке, надолго сохранит свою твердость; Закалка — прекрасная защита от коррозии металла. Эксперты утверждают, что вероятность появления ржавчины на закаленных изделиях значительно снижается;
Колющие и режущие предметы, закаленные дома или на заводе (фабрике), начинают лучше выполнять свою основную функцию. Они становятся острее и долго не затупляются, даже при активном использовании;
Термическая обработка оказывает положительное влияние и на внешний вид изделия из металла.

Чаще всего для изготовления изделий, необходимых в быту, используется металл марки АЦ40ХМ. Для машиностроения чаще всего применяется марка 40ХГМ. Для изготовления хирургических инструментов — металл марки 40х. Закалка металла в домашних условиях, при соблюдении всех технологий, не менее эффективна, чем укрепление стали на производстве.

Во время работы с металлом, особенно при высоких температурах и при наличии источников открытого огня, следует безукоризненно соблюдать технику безопасности. Это касается как рабочего в сталелитейном цехе, так и домашнего мастера.

Эксперты категорически не рекомендуют закалять сталь с использованием химических веществ, так как есть риск получить серьезные ожоги или тяжелое отравление. Дома лучше всего использовать термический способ укрепления стальных изделий, когда молекулы металла плотнее притягиваются друг к другу благодаря активному выделению тепловой энергии. Все работы нужно проводить на открытом воздухе или в специально оборудованном помещении.

Основные преимущества

Закалять металл можно и самостоятельно. Главное — не забыть об отпуске металла, который нужно обязательно провести после закалки и нормализации температуры. Иногда эта процедура также называется «отжиг». Большой популярностью пользуется процедура укрепления металла при помощи масла или так называемая «закалка в двух средах» — в воде и масле. Но человеку, не имеющему опыта, не стоит браться за закалку с использованием горячих жидкостей, так как при нарушениях техники безопасности можно получить серьезную травму.

Отсутствие отпуска металла после закалки часто приводит к тому, что из-за резкого перепада температур металл становится тверже, но более хрупким и ломким. Если закаливание происходит на заводе, процедура отпуска происходит в полном соответствии с нормативами ГОСТ.

Вот основные преимущества закаливания стали в домашних условиях:

Термическая обработка не занимает много времени. Если металл закаливают на костре, степень закалки легко определить по внешнему виду помещенного в огонь изделия;
Для выполнения этой процедуры не понадобится много места. Можно развести костер или установить муфельную печку в дальнем уголке дачного участка, чтобы никому не мешать;
Дома можно закаливать стальные предметы любого размера: от больших пил и топоров до маленьких, тонких хирургических инструментов.

Если в качестве источника открытого огня используется костер, закаливание стали нужно проводить в безветренную погоду, чтобы случайный порыв ветра не стал причиной пожара. Нужно обязательно защитить глаза специальными очками, так как длительное наблюдение за ярким пламенем может отрицательно сказаться на зрении. Также необходимо надеть спецодежду, сделанную из материала, устойчивого к возгоранию.

Как сделать крепче топор

Для улучшения качества металла, из которого сделано лезвие топора, можно легко закалить его в домашних условиях. Лучше всего поддаются закалке колюще-режущие изделия из стали марки 45. Также не должно возникнуть проблем с изделиями из металла марки 40×13. Повысить твердость лезвия можно, просто опустив его в костер. Опытные мастера легко определяют степень закалки по цвету опущенного в него топора. Обычно изделие из стали 40х сначала становится ярко-красным, а потом цвет постепенно начинает бледнеть. Окраска металлического лезвия меняется в зависимости от температуры нагревания примерно следующим образом:

Ярко-красный цвет, когда изделие нагрелось до 300 градусов;
Оранжевый цвет при температуре около 400 градусов;
Насыщенная желтая окраска при нагревании до 500−600 градусов;
Светло-желтый, почти белый цвет на заключительном этапе, когда температура накаливания достигает примерно 750−800 градусов.

Далее, как правило, следует отпуск металла — его постепенное охлаждение. Если пренебречь этим этапом, в дальнейшем лезвие топора может легко сломаться даже от слабой нагрузки.

Как закалить стальной нож

Термическая обработка стальных ножей, ножниц или хирургических инструментов может осуществляться в муфельной печи. Такая печь хорошо подходит для изделий небольшого размера из стали марки 40х. Некоторые умельцы также используют для этой цели газовую горелку, но такой способ не отличается безопасностью, так как может произойти возгорание.

Основное преимущество муфельной печи заключается в том, что в ней можно осуществлять не только закалку, но и отпуск. Сконструировать это несложное устройство для термообработки металла можно своими руками. Закалка стали в домашних условиях в муфельной печи является безопасным способом повышения твердости металла без применения химических веществ (например, азота). Чтобы закалить нож из стали 40х, его нужно поместить в печку, пока она еще не нагрелась.

Поставить печь на режим постепенного нагрева до необходимой температуры;
Несколько раз порезать сургуч стальным ножом;
Проделать то же самое, но при постепенном снижении температуры;
Когда нож остынет, аккуратно очистить его от остатков расплавленного сургуча.

Такой способ часто используют хирурги для закаливания стальных скальпелей в домашних условиях. Также муфельную печь нередко применяют для укрепления металлических деталей, используемых при сборке и ремонте легковых и грузовых автомобилей.

Закаливание металла — прекрасный способ продлить срок годности металлического изделия. Конечно, лучше сразу приобретать закаленные детали и инструменты. Но если такой возможности нет, можно легко повысить твердость материала самостоятельно. При наличии определенных навыков и базовых познаний в области металлургии хороший хозяин без труда справится с этой важной задачей. Главное — соблюдать технику безопасности и не забывать о таком важном этапе закаливания, как отпуск или отжиг.

Сталь 40Х13 относится к группе жаропрочных легированных сплавов с высокой коррозионной стойкостью. Она не теряет свои качества и в условиях эксплуатации при повышенных температурах. Благодаря отличным механическим свойствам ее широко применяют в производстве недорогих кухонных ножей.

Характеристики

Удобство использования такого материала обусловлена ещё и тем, что сталь изготавливается в печи открытого типа с температурным режимом от 850 до 1200 градусов, поэтому материал полностью деформируется и может быть залит в совершенно различные формы. Переменность системы охлаждения и нагревания позволяет создать изделие без дефектов, трещин и каких-то неровностей.

Составляющие после закаливания:

карбидные частицы,
мартенситы,
остаточные аустениты.

Последний элемент влияет на жёсткость полученной стали: чем выше температура закаливания, тем ниже жёсткость/твёрдость. Именно поэтому, если требуется сталь для ножей (мягкую сталь в ножах точить намного проще и удобнее), то идеальной температурой закаливания будет 1050 градусов и выше.

Состав материала

Расшифровка марки стали 40Х13 свидетельствует о ее химическом составе:

первые цифры слева обозначают содержание углерода, главного элемента в сплаве, придающего ему твердость – 0,36-0,44%;
следующий знак «Х» указывает на основную легирующую добавку – хром, концентрация которого составляет – 12-14%.

Хром придает сплаву устойчивость к воздействию среды, в которой она будет эксплуатироваться, при концентрации выше 13% делает его нержавеющим. Он также влияет на механические свойства сплава и его структуру. По химическому составу сталь 40Х13 относится к среднеуглеродистым сплавам группы Х13 и имеет соответствующее содержание других легирующих элементов;

кремния – не более 0,8%;
марганца – 0,5-0,8%;
меди и никеля – по 0,3%.

Никель повышает прочность и пластичность материала, кремний увеличивает упругость и показатель электрического сопротивления. Как и в других сплавах на основе железа, в нем присутствуют небольшие примеси:

серы – 0,025%;
фосфора – 0,03%.

Характеристики, применение стали 40Х13 устанавливается ГОСТом 5632-72, который распространяется на тонколистовой жаропрочный прокат. Сортамент, выпускаемый металлургической промышленностью, состоит:

из прутка с ГОСТом 18907-73;
прокатного листа, ГОСТ – 5582-75;
проволоки с ГОСТом 18143-72.

Импортные аналоги выпускаются с маркировкой:

420 – Соединенные Штаты;
1.4031 – Германия;
4С13 – Китай;
SUS420J2 — Япония;
X40Cr14 — Франция;
420S45 – Великобритания.

Физические и механические свойства

Химический состав определяет характеристики стали 40Х13:

твердость после закалки НВ 10-1 – 460-550 МПа;
предел кратковременной прочности – 55-880 МПа, в зависимости от назначения;
предел текучести при 20о С – 910 МПа;
относительное удлинение при разрыве – 10-15%;
ударная вязкость – 59 Дж/см2;
модуль упругости при 20 о С, Е 10-5 – 2,18 МПа;
теплоемкость – 25 Вт/(м*град);
плотность – 7650 кг/м3;
удельное сопротивление при 20оС, R 109 – 590 Ом*м.

Исходный материал достаточно пластичен и хорошо поддается ковке и вальцеванию. При дальнейшей термической обработке изменяются внутренняя структура стали и ее механические свойства. После процессов закалки и низкого отпуска материал приобретает довольно высокую коррозионную устойчивость в обычных атмосферных условиях, слабокислых растворах и воде, не считая морской. Чтобы повысить стойкость к более агрессивным средам, поверхность изделий шлифуют.

Особенности термической обработки

Тепловая обработка металла заключается в совокупности последовательных операций по нагреву, выдержке и охлаждению стали при определенной температуре. От нее во многом зависят особенности внутренней структуры и свойства стали 40Х13. Поэтому температурные режимы процессов закалки и отпуска подбираются в зависимости от дальнейшего применения сплава.

Разные температурные режимы

Например, для требований ГОСТа 4543-71 сплав 40Х13 подвергается закалке при температуре 860 градусов. Операция проводится в масляной среде с последующим отпуском при 500 градусах. В итоге сплав приобретает высокие характеристики твердости и прочности на разрыв. Если температурный режим отпуска будет нарушен, снизится ударная вязкость.

Для отжига используют нагрев до 700-800 и последующее медленное охлаждение в печи до 500 градусов. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе. В этом случае образуется стабильная равновесная структура металла.

В интервале температур 850-1100 градусов демонстрирует хорошие технологические свойства при пластической деформации. При быстром нагреве и охлаждении возможно возникновение внутренних напряжений, образующих трещины. Однако при чересчур медленном охлаждении возрастает хрупкость сплава. Поэтому для ковки применяют режимы медленного нагрева до 830 градусов с последующим спокойным охлаждением в песке или печи.

Сталь, которая предназначена для изготовления хирургических инструментов, закаливают в режиме 1020-1040 градусов. Охлаждение производится в щелочи при 350 градусах. После такой обработки повышаются упругость и прочность изделий.

Закалка поверхностного слоя

Одним из видов термической обработки является нагрев поверхности деталей высокочастотными токами. Этот способ особенно удобен при закалке поверхностного слоя изделий. Она необходима для тех деталей, которые испытывают нагрузки трения и качения, в механизмах с элементами трубопроводной арматуры, если их толщина составляет более 15 мм. Поверхностная закалка токами высокой частоты позволяет увеличить твердость изделия до 36,5 HRC.

Виды механической обработки

Марка стали 40Х13 выдерживает разные виды механической обработки. Но при этом могут возникнуть определенные трудности:

во время сверления происходит повышение прочности поверхностного слоя из-за дополнительного нагрева;
при обработке на станке закручивается металлическая стружка, для удаления которой устанавливают специальные приспособления;
снижается износоустойчивость режущей кромки из-за повышения температуры при соприкосновении с деталью;
при заточке ножей появляется металлический наплыв, нарушающий равномерность поверхности кромки;
сварка не входит в число доступных видов механической обработки.

Преимущества и недостатки

Главным преимуществом стали 40Х13 является высокая стойкость к коррозии, которая максимально увеличивает срок эксплуатации изделий. Изделия из этого сплава обладают множеством достоинств:

высокими параметрами твердости, приближенными к максимальным;
устойчивостью к ударным нагрузкам и деформациям;
химической стойкостью;
удобством в использовании;
легкостью заточки инструментов;
доступной стоимостью.

Среди недостатков материала можно отметить:

возможность небольшой деформации при ударных нагрузках;
подверженность воздействию агрессивных сред и высоких температур.

Несмотря на некоторые недостатки, присущие любому продукту, изделия из стали 40Х13 пользуются широким спросом на рынке.

Термообработка стали

Свои уникальные свойства, в частности, повышенную стойкость к коррозии, марка 40Х13 получает в результате сложной термической обработки.

После закалки, составляющими компонентами стали 40Х13 являются:

карбиды;
мартенситы;
остатки аустенитов.

Надо отметить, что при температуре порядка 1050 ºC сталь теряет свою твердость. Это вызвано в первую очередь тем, при таком режиме растёт количество аустенита. Но при понижении температуры до 500 ºC твёрдость возвращается. Это обусловлено тем, что происходит удаление карбидов из структуры стали.

Марка 40Х13 – назначение

Коррозионно-стойкая жаропрочная сталь 40Х13 мартенситного класса используется для изготовления высокопрочных износостойких деталей, работающих в коррозионных средах или при температурах до 4500С – оси, втулки, пружины, корпусы, лопасти, цапфы, бандажи, турбин, рессоры, диски, иглы карбюраторов, крепеж, другие изделия. Стойкость к образованию окалины при длительном сроке эксплуатации до 6000С.

Технологические свойства стали 40Х13

Марка 40Х13 обладает хорошей технологичностью при проведении пластической деформации в горячем состоянии. Ее проводят при температуре от 850 до 1100 ºC. Но надо помнить что при резком нагреве, сталь может потерять ряд своих уникальных свойств, например, твердость. Именно поэтому процедуру нагрева необходимо проводить с небольшой скоростью. По достижении температуры 830 ºC можно выполнять прокат или ковку. Охлаждение стали необходимо также проводить медленно.

Сталь 40Х13 плохо подвергается холодной деформации.

Ряд характеристик коррозионно-стойкой и углеродистой стали во многом схожи, в частности, в твёрдости. Но они имеют различную микроструктуру и это приводит к появлению определённых сложностей в процессе механической обработки.

Основные сложности, возникающие при точении и фрезеровании стали марки 40Х13 это:

упрочнение, возникающие в процессе резания;
удаление отходов обработки;
ускоренный износ режущего инструмента.

Низкая теплопроводность хороша при использовании 40Х13 на практике, но создаёт определённые сложности при точении. То есть в месте обработки резко поднимается температура, вследствие чего происходит образование наклёпа и неравномерное упрочнение поверхности. Такое свойство стали приводит к снижению ресурса режущего инструмента и увеличению обработки детали.

Для эффективной обработки нержавейки применяют режущий инструмент, на поверхность которого наносят карбид вольфрама и другие упрочняющие покрытия.

Аналоги стали и область применения

Мерительный инструмент.
Режущий инструмент.
Предметы домашнего обихода.
Медицинские инструменты.
Валы.
Пружины.
Подшипники.
Мерительные приспособления для ковочного производства.
Детали компрессорных установок.
Режущие ножи аппаратов для горячей штамповки.

Отзывы

Широкий круг потребителей отзывается об изделиях из данного материала положительно. Люди отмечают полное отсутствие ржавчины на всём протяжении работы с инструментом, а также высокую прочность. Производство этой марки занимает важное место в металлургии России, второе место по количеству объёмов, изготовляемых в год. Долговечность материала отмечают многие потребители. Прочность не заставляет покупателя мучиться над постоянной починкой и заточкой, если речь идёт о кухонном ноже, или над заменой различных деталей в механизмах. Грубо говоря, люди приобретают изделия из этого материала по следующим причинам:

долговечность,
высокая прочность,
низкая стоимость.

Обрабатывать лезвия кухонных ножей из материала этой марки не составляет труда. Достаточно использовать обычный точильный камень, который должен быть в каждом доме. Металл отличается своей мягкостью (в пределах разумного), поэтому прикладывать много сил, чтобы его наточить, не приходится. Дополнительной фишкой является то, что изделие остаётся острым длительное время.

Нельзя не отметить, что изделия не нуждаются в тщательном уходе, разве что придётся их своевременно точить (если речь идёт про ножи). В остальном же изделие достаточно купить, а служить оно будет долго, главное — не работать с твёрдыми поверхностями, так как лезвие ножей достаточно сильно гнётся при серьёзных физических нагрузках.

Читайте также: