Сталь 40х13 — состав, свойства, способы обработки, применение

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.

Финишная термообработка (закалка) производится при температуре 950 — 1000 ºC, с последующим охлаждением в масле или на воздухе. При соблюдении всех технологических режимов сталь получить требуемую твёрдость и коррозионную стойкость.

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.

Дело в том, что при обработке 40х13 резанием, стружка не ломается как у большинства углеродистых сталей, а завивается в виде длинной стружки. Для решения этой проблемы на режущий инструмент устанавливают специальные приспособления — стружколомы.

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.

Еще одно свойство 40Х13 — это наличие в ее составе карбидных и других соединений, имеющих микроскопический размер. Их наличие делает сталь неким подобием абразива, который выводит режущий инструмент из строя и это приводит к замедлению обработки.

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

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.

Область применения:

1. Мерительный инструмент.
2. Режущий инструмент.
3. Предметы домашнего обихода.
4. Медицинские инструменты.
5. Валы.
6. Пружины.
7. Подшипники.
8. Мерительные приспособления для ковочного производства.
9. Детали компрессорных установок.
10. 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.

Сталь 40Х13 – отечественные аналоги

Марка металлопроката	Заменитель
40Х13	30Х13

Недостатки использования

К недостаткам деталей, изготовленных из 40Х13 можно отнести:

• Неустойчивость к агрессивным средам.
• Плохая свариваемость деталей.
• Для достижения необходимого показателя твердости необходимо применять многоступенчатую закалку с отпуском.
• Не использовать на твердой поверхности.
• Не рекомендовано хранить в сырых условиях, деталь подвергается точечной коррозии.

Появление коррозионных точек, из-за неправильного хранения, уберет повторная заточка, что относят к недостаткам и преимуществам стали.

Немного в заключение

Марку 40Х13 можно смело отнести к тем материалам, которые поддаются термической обработке с определёнными сложностями. В то же время, можно сказать, что в случае с этим материалом его химический состав не играет главной роли. Именно ее термическая обработки придаёт стали её уникальные свойства. При относительной мягкости она хорошо затачивается, а это особенно важно для её использования в инструментальной промышленности и быту.

:

/5 — голосов

Марка 40Х13 – технологические особенности

Термообработка

Режим	Охлаждающая среда	t, 0С	Выдержка, ч
Закалка	воздух	1030–1050
Нагрев	530

Вывод

Безопасная и широко применяемая сталь подходит для обычных кухонных ножей. Без них не обойтись в хозяйстве — простота ухода, легкость в заточке, нержавеющие свойства. Нарезка любых продуктов не составляет никакой трудности. Достаточная твердость тела ножа, острота кромки, не слишком широкий нож — позволит тонко нарезать любой продукт.

Широко применяется для повседневной жизни — нож на кухонном столе, скальпель в руках хирурга, измерительные приспособления, пружины, валы, изделия домашнего обихода, и промышленности.

Сварка

Свариваемость

для сварных конструкций не применяется

ГОСТы на прокат стали 40х13

• ГОСТ 19903-2015
• ГОСТ 1133-71 «Кованая круглая и квадратная. Сортамент»;
• ГОСТ 18143-72 «Проволока из высоколегированной коррозионно-стойкой и жаростойкой стали. Технические условия.»;
• ГОСТ 18907-73 «Прутки нагартованные, термически обработанные шлифованные из высоколегированной и коррозионно-стойкой стали. Технические условия.»;
• ГОСТ 5582-75 «Прокат тонколистовой коррозионно-стойкий, жаростойкий и жаропрочный. Технические условия»;
• ГОСТ 5632-72 «Высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки»;
• ГОСТ 5949-75 «Сортовая и калиброванная коррозионностойкая, жаростойкая и жаропрочная.
• ГОСТ 4405-75 «Полосы горячекатаные и кованые из инструментальной стали. Сортамент.»;
• ГОСТ 14955-77 «Качественная круглая со специальной отделкой поверхности. Технические условия.»;
• ГОСТ 2590-2006 «Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый. Сортамент.»;
• ГОСТ 2591-2006 «Прокат сортовой стальной горячекатаный квадратный. Сортамент.»;
• ГОСТ 7417-75 «Калиброванная круглая. Сортамент.»;
• ГОСТ 4405-75 «Полосы горячекатаные и кованые из инструментальной стали. Сортамент.»;
• ГОСТ 8559-75 «Калиброванная квадратная. Сортамент.»;
• ГОСТ 8560-78 «Прокат калиброванный шестигранный. Сортамент.»;
• ГОСТ 1133-71 «Кованая круглая и квадратная. Сортамент.»;
• ГОСТ 5632-72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.»;
• ГОСТ 103-2006 «Прокат сортовой стальной горячекатаный полосовой. Сортамент.»;
• ГОСТ 5949-75 «Сортовая и калиброванная коррозионно-стойкая, жаростойкая и жаропрочная. Технические условия.»;
• ГОСТ 2879-2006 «Прокат сортовой стальной горячекатаный шестигранный. Сортамент.»;
• ТУ 14-11-245-88 «Профили стальные фасонные высокой точности. Технические условия.»;
• ОСТ 3-1686-90 «Заготовки из конструкционной стали для машиностроения. Общие технические условия.»;

Резка

Исходные данные			Обрабатываемость резанием Ku
Состояние	HB, МПа	sB, МПа	твердый сплав	быстрорежущая сталь
закаленное отпущенное	340	≥735	0,6	0,4

Коррозионная стойкость

Вид коррозии	t	Длительность испытания	Среда	Балл или группа стойкости
	0С	ч
Общая	720	H2SO4 (концентрированная)
	H2SO4 (р-р 63,4%)
	720	Аммиак (24%)

Для увеличения стойкости к коррозии рекомендуется закалку и отпуск проводить при t=250–3000С.

Сталь 40Х13 – химический состав

Массовая доля элементов не более, %:

Кремний	Марганец	Никель	Сера	Углерод	Фосфор	Хром
0,6	0,6	0,6	0,025	0,35–0,44	0,035	12–14

Температура критических точек, 0С

Критические точки	Ac1	Ar1
Температура	800	780

Чувствительность к охрупчиванию при старении

t	Время	KCU
0C	ч	Дж/см2
Исходное состояние
470	5000

Марка 40Х13 – физические свойства

t	r	R 109	E 10-5	l	a 106	C
0С	кг/м3	Ом·м	МПа	Вт/(м·град)	1/Град	Дж/ (кг·град)
7650	590	2.18	461
100	7630	650	2.14	10.8	482
200	7600	710	2.06	27.2	11.9	523
300	7570	790	1.98	28.3	12.3	565
400	7540	860	1.88	29.1	607
500	7510	940	1.76	29.1	13.6	674
600	7480	1000	1.63	29.1	13.5	775
700	7450	1120	1.48	28.3	13.8	988
800	7420	1180	1.4	27.9	14.6	825
900	1160	28.5	691

Сталь 40Х13 – точные и ближайшие зарубежные аналоги

Англия	Германия	Евросоюз	Испания	Италия	Китай
BS	DIN, WNr	EN	UNE	UNI	GB
	1.4031 1.4034 X38Cr13 X39Cr13 X40Cr13 X42Cr13 X46CM3 X46Cr13	1.4031 1.4034 X39Cr13 X40Cr13 X41Cr13	F.3404 F.3405 X40Cr13 X45Cr13	X40Cr14 X41Cr13KU X46Cr13

Польша	США	Франция	Чехия	Швеция	Япония
PN	—	AFNOR	CSN	SS	JIS
		X40Cr14 Z33C13 Z38C13M Z40C13 Z40C14 Z44C14 Z50C14

Материал 40Х13 – область применения

Сталь марки 40Х13 используют в машиностроении для изготовления деталей с высокой износостойкостью/ прочностью, работающих в коррозионных средах или при температурах до 4500С.

Условные обозначения

Механические свойства

HRCэ	HB	KCU	y	d5	sT	sв
МПа	кДж / м2	%	%	МПа	МПа
Твердость по Роквеллу	Твердость по Бринеллю	Ударная вязкость	Относительное сужение	Относительное удлинение при разрыве	Предел текучести	Предел кратковременной прочности

Ku	s0,2	t-1	s-1
Коэффициент относительной обрабатываемости	Условный предел текучести с 0,2% допуском при нагружении на значение пластической деформации	Предел выносливости при кручении (симметричный цикл)	Предел выносливости при сжатии-растяжении (симметричный цикл)

N	число циклов деформаций/ напряжений, выдержанных объектом под нагрузкой до появления усталостного разрушения/ трещины

Свариваемость

Без ограничений	Ограниченная	Трудно свариваемая
Подогрев	нет	до 100–1200С	200–3000С
Термообработка	нет	есть	отжиг

Физические свойства

R	Ом·м	Удельное сопротивление
r	кг/м3	Плотность
C	Дж/(кг·град)	Удельная теплоемкость
l	Вт/(м·град)	Коэффициент теплопроводности
a	1/Град	Коэффициент линейного расширения
E	МПа	Модуль упругости
t	0С	Температура

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...