Главная  >  Справочник  >  Сталь конструкционная легированная 40ХН

Сталь конструкционная легированная 40ХН: описание, свойства, применение

Сталь 40ХН – высококачественная конструкционная легированная сталь, обладающая оптимальным сочетанием прочности, вязкости и износостойкости. Благодаря своему химическому составу и термической обработке, эта марка стали широко используется в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях высоких нагрузок и знакопеременных напряжений.

Расшифровка обозначения стали 40ХН:

• 40 – указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента (в данном случае, около 0,40%).
• Х – указывает на наличие в составе хрома.
• Н – указывает на наличие в составе никеля.

Химический состав стали 40ХН (ГОСТ 4543-2016)

Химический состав стали 40ХН строго регламентируется ГОСТ 4543-2016, что обеспечивает стабильность ее свойств и характеристик.

Элемент	Содержание, %
Углерод (C)	0.36 - 0.44
Кремний (Si)	0.17 - 0.37
Марганец (Mn)	0.50 - 0.80
Никель (Ni)	1.25 - 1.75
Хром (Cr)	0.80 - 1.10
Медь (Cu)	≤ 0.30
Сера (S)	≤ 0.025
Фосфор (P)	≤ 0.025
Мышьяк (As)	≤ 0.08
Ванадий (V)	≤ 0.15

Влияние элементов на свойства стали 40ХН:

• Углерод (C): Основной элемент, определяющий прочность и твердость стали. Повышение содержания углерода увеличивает прочность, но снижает пластичность и свариваемость.
• Кремний (Si): Раскислитель, повышает прочность и упругость стали.
• Марганец (Mn): Раскислитель, улучшает прокаливаемость и повышает прочность.
• Никель (Ni): Повышает прочность, вязкость, коррозионную стойкость и прокаливаемость.
• Хром (Cr): Повышает прокаливаемость, износостойкость, твердость и коррозионную стойкость.
• Медь (Cu): Улучшает коррозионную стойкость.
• Сера (S) и Фосфор (P): Вредные примеси, снижают пластичность, вязкость и свариваемость стали.

Механические свойства стали 40ХН

Механические свойства стали 40ХН зависят от режима термической обработки. Ниже приведены типичные значения механических свойств для различных состояний поставки.

Свойство	Значение (закалка + отпуск)
Временное сопротивление (σв), МПа	930 - 1080
Предел текучести (σт), МПа	735 - 880
Относительное удлинение (δ5), %	12 - 15
Относительное сужение (ψ), %	45 - 55
Ударная вязкость (KCU), Дж/см²	59 - 78
Твердость по Бринеллю (HB), не более	269

Расшифровка обозначений:

• σв – предел прочности (временное сопротивление) – напряжение, которое выдерживает материал до начала разрушения.
• σт – предел текучести – напряжение, при котором материал начинает деформироваться без заметного увеличения нагрузки.
• δ5 – относительное удлинение при разрыве – характеризует пластичность материала, показывает, насколько образец может быть удлинен перед разрушением.
• ψ – относительное сужение при разрыве – характеризует пластичность материала, показывает, насколько уменьшится площадь поперечного сечения образца перед разрушением.
• KCU – ударная вязкость – характеризует способность материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках.
• HB – твердость по Бринеллю – показатель твердости материала, определяемый путем вдавливания стального шарика в поверхность материала.

Физические свойства стали 40ХН

Физические свойства стали 40ХН также важны для определения ее пригодности для конкретного применения.

Свойство	Значение
Плотность, кг/м³	7850
Модуль упругости, ГПа	206 - 210
Коэффициент линейного расширения (20-100°C), 1/°C	11.7 x 10⁻⁶
Теплопроводность, Вт/(м·°C)	35 - 40
Удельная теплоемкость, Дж/(кг·°C)	462
Электрическое сопротивление, Ом·мм²/м	0.24 - 0.28

Расшифровка обозначений:

• Плотность – масса единицы объема материала.
• Модуль упругости – характеризует способность материала сопротивляться упругой деформации.
• Коэффициент линейного расширения – показывает, насколько изменяется длина материала при изменении температуры на один градус.
• Теплопроводность – способность материала проводить тепло.
• Удельная теплоемкость – количество тепла, необходимое для нагрева единицы массы материала на один градус.
• Электрическое сопротивление – способность материала сопротивляться прохождению электрического тока.

Области применения стали 40ХН

Сталь 40ХН благодаря своим высоким механическим свойствам и прокаливаемости широко применяется в различных отраслях промышленности для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях высоких нагрузок, износа и знакопеременных напряжений.

Основные области применения:

• Машиностроение:
  • Производство валов, осей, шестерен, зубчатых колес, шатунов, коленчатых валов, кулачковых валов, крепежных деталей (болтов, гаек, шпилек), работающих в условиях высоких нагрузок и износа.
  • Изготовление деталей гидравлических систем, таких как плунжеры, цилиндры, штоки.
  • Производство деталей для двигателей внутреннего сгорания, например, клапанов, толкателей.
• Автомобилестроение:
  • Изготовление деталей трансмиссии, таких как шестерни, валы, полуоси.
  • Производство деталей подвески, например, пружин, рессор, амортизаторов.
• Авиационная промышленность:
  • Производство деталей шасси, элементов управления, крепежных элементов.
• Приборостроение:
  • Изготовление деталей прецизионных механизмов, работающих в условиях высоких требований к точности и надежности.
• Нефтегазовая промышленность:
  • Производство деталей бурового оборудования, трубопроводной арматуры, крепежных элементов.
• Энергетика:
  • Изготовление деталей турбин, генераторов, насосов.
• Производство инструмента:
  • Изготовление штампов, пуансонов, матриц для холодной и горячей деформации металлов.

Примеры конкретных деталей, изготавливаемых из стали 40ХН:

• Коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания
• Зубчатые колеса редукторов
• Шестерни коробок передач
• Шатуны
• Валы турбин
• Крепежные детали, работающие при высоких температурах и давлениях
• Штампы для горячей и холодной деформации

Виды металлопроката из стали 40ХН

Сталь 40ХН поставляется в различных видах металлопроката, что позволяет использовать ее для изготовления деталей различной формы и размеров.

• Сортовой прокат:
  • Круг (пруток) – наиболее распространенный вид проката, используется для изготовления валов, осей, крепежных деталей.
  • Квадрат – используется для изготовления деталей прямоугольной формы.
  • Полоса – используется для изготовления плоских деталей, пружин, рессор.
• Листовой прокат:
  • Лист – используется для изготовления корпусов, обшивок, емкостей.
• Трубный прокат:
  • Трубы – используются для транспортировки жидкостей и газов, а также для изготовления конструкционных элементов.
• Поковки и штамповки:
  • Поковки и штамповки – используются для изготовления деталей сложной формы с высокими требованиями к прочности и точности.

Термическая обработка стали 40ХН

Термическая обработка играет ключевую роль в формировании необходимых свойств стали 40ХН. Основные виды термической обработки:

• Закалка: Нагрев стали до температуры аустенизации (860-880°C) с последующим быстрым охлаждением в масле или воде. Закалка позволяет получить высокую твердость и прочность.
• Отпуск: Нагрев закаленной стали до температуры 500-650°C для снятия внутренних напряжений и повышения пластичности и вязкости. Выбор температуры отпуска зависит от требуемых механических свойств.
• Нормализация: Нагрев стали до температуры аустенизации с последующим охлаждением на воздухе. Нормализация позволяет улучшить структуру стали и повысить ее прочность и вязкость.
• Отжиг: Нагрев стали до температуры выше температуры рекристаллизации с последующим медленным охлаждением. Отжиг позволяет снять внутренние напряжения, улучшить обрабатываемость и снизить твердость.

Выбор режима термической обработки зависит от конкретного применения стали 40ХН и требуемых механических свойств.

Свариваемость стали 40ХН

Свариваемость стали 40ХН ограничена из-за высокого содержания углерода и легирующих элементов. Для обеспечения качественного сварного соединения необходимы следующие меры:

• Предварительный подогрев до температуры 200-300°C.
• Использование специальных электродов или сварочной проволоки, предназначенных для сварки легированных сталей.
• Медленное охлаждение сварного соединения после сварки.
• Термическая обработка сварного соединения для снятия внутренних напряжений.

При соблюдении этих мер можно получить прочное и надежное сварное соединение.

ГОСТы, регламентирующие сталь 40ХН и металлопрокат из нее:

• ГОСТ 4543-2016: Сталь конструкционная легированная. Марки. (Основной ГОСТ, определяющий химический состав и общие требования к стали 40ХН).
• ГОСТ 2590-2006: Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый. Сортамент. (Регламентирует сортамент круглого проката из стали 40ХН).
• ГОСТ 2591-2006: Прокат сортовой стальной горячекатаный квадратный. Сортамент. (Регламентирует сортамент квадратного проката из стали 40ХН).
• ГОСТ 103-2006: Прокат сортовой стальной горячекатаный полосовой. Сортамент. (Регламентирует сортамент полосового проката из стали 40ХН).
• ГОСТ 1577-93: Прокат толстолистовой и широкополосный из конструкционной и легированной стали. Общие технические условия. (Общие требования к толстолистовому прокату из стали 40ХН).
• ГОСТ 19281-2014: Прокат повышенной прочности. Общие технические условия. (Общие требования к прокату повышенной прочности, к которому относится сталь 40ХН).
• ГОСТ 8479-70: Поковки из конструкционной легированной и инструментальной стали. Общие технические условия. (Общие требования к поковкам из стали 40ХН).

Этот список не является исчерпывающим, и могут существовать другие ГОСТы, регламентирующие конкретные виды металлопроката или требования к качеству стали 40ХН для определенных применений.

Операции в цехах, производимые с использованием материалов из стали 40ХН:

• Механическая обработка:
  • Токарная обработка: Изготовление деталей вращения (валы, оси, шестерни) на токарных станках.
  • Фрезерная обработка: Изготовление деталей сложной формы на фрезерных станках.
  • Сверление: Создание отверстий в деталях.
  • Шлифование: Обеспечение высокой точности и гладкости поверхности деталей.
  • Зубонарезание: Изготовление зубчатых колес и шестерен.
• Термическая обработка:
  • Закалка и отпуск: Улучшение механических свойств деталей (прочности, твердости, вязкости).
  • Нормализация: Улучшение структуры стали.
  • Отжиг: Снятие внутренних напряжений.
• Сварочные работы:
  • Сварка деталей из стали 40ХН с использованием специальных электродов и технологий.
• Кузнечно-штамповочное производство:
  • Изготовление поковок и штамповок деталей сложной формы.
• Гальваническое покрытие:
  • Нанесение защитных покрытий (например, цинкование, хромирование) для повышения коррозионной стойкости деталей.
• Контроль качества:
  • Проведение испытаний на прочность, твердость, ударную вязкость для проверки соответствия деталей требованиям стандартов.
  • Проведение неразрушающего контроля (например, ультразвукового контроля, магнитопорошкового контроля) для выявления дефектов в материале.

Сталь 40ХН – надежный и универсальный материал, который широко используется в различных отраслях промышленности. Правильный выбор режима термической обработки и соблюдение технологических процессов позволяют получить детали с оптимальными свойствами для конкретного применения.