Описание стали 40Х13 и ее обработка

Порой качество режущего инструмента зависит вовсе не от бренда, а от особенностей термообработки металлического сплава. Сталь марки 40Х13 — это тот самый случай. Она считается одной из самых востребованных марок на рынке, её отличает устойчивость характеристик при эксплуатации в самых разных средах.

Сталь марки 40Х13 всегда считалась одной из лучших. Такое мнение сложилось из-за того, что сплав представляет собой коррозионностойкий материал. Он позволяет изготовить ножи, дающее максимально острый рез за счет бритвенной заточки и тонкого лезвия. Неслучайно из этого сплава всегда делали скальпели и некоторые другие медицинские инструменты.

В соответствии с действующим ГОСТом, маркировка стали несёт в себе информацию об основных характеристиках металла:

• число «40» означает долю углерода, одного из основных элементов любого стального сплава, придающего ему необходимую степень твердости (концентрация этого элемента варьируется в диапазоне от 0,36 до 0,44%);
• «Х» указывает на введение легирующей добавки (хрома);
• «13» обозначает долю хрома, она составляет 12-14%.

Присутствие хрома придает сплаву стойкость к агрессивным воздействиям рабочей среды, а его концентрация свыше 13% делает металл нержавеющим. Кроме того, хром оказывает воздействие на структуру и химические свойства стали.

По своему составу этот материал относится к группе среднеуглеродистых. Помимо хрома и углерода, он содержит:

• кремний – до 0,8%;
• марганец – 0,5-0,8%;
• медь и никель – по 0,3%.

Присутствие никеля повышает параметры пластичности и прочностные характеристики материала. Кремний вводят для улучшения упругости и электрического сопротивления сплава. Как и во многих других железосодержащих сплавах, здесь имеются незначительные примеси серы и фосфора в концентрации 0,025-0,03%.

Среди основных преимуществ стали 40Х13 выделяют:

• повышенную жаропрочность;
• коррозионную стойкость.

Это материал не окисляется даже в соленой воде. Именно поэтому сплав востребован при производстве ножей для дайверов. Тем не менее, клинкам требуется постоянный уход. Если лезвие будет часто находиться в сырости, то рано или поздно оно начнет покрываться ржавым налетом. Помимо достоинств, сталь 40Х13 имеет и свои недостатки. Так, режущая кромка довольно мягкая: она хорошо поддается заточке, но при этом довольно быстро начинает тупиться. Поэтому охотником или путешественникам придется постоянно затачивать свой инструмент.

Химический состав и структура стали 40Х13 позволяют материалу выдерживать различные типы механической обработки. Хотя, как показывает практика, при этом нередко возникают определённые сложности. Из-за дополнительного нагревания в ходе сверления повышается прочность поверхности. Это делает процесс более трудоемким и затратным. При контакте с деталью из-за повышения температуры снижаются параметры износостойкости режущей кромки. При затачивании ножей может появиться металлический наплыв, который нарушает равномерность кромочной поверхности.

Определенные минусы возникают при фрезеровании:

• необходимость в выведении отходов обработки;
• быстрое изнашивание режущих поверхностей;
• стружка, формирующаяся в ходе резания.

Это связано с тем, что в ходе обработки сталей методом резания стружка не ломается, а начинает завиваться форме удлиненной спирали. Именно поэтому приходится использовать дополнительные инструменты — стружколомы. Еще один недостаток связан с гибкостью ножей. Поэтому разрезать ими твердые поверхности не рекомендуется.

Как и любая другая сталь, 40Х13 имеет свои физико-химические свойства: класс, свариваемость, магнитные свойства, твердость по Роквеллу и другие. Остановимся на них подробнее.

Физические характеристики стали 40Х13 во многом обусловлены химическим составом и структурой сплава:

• твердость после проведения закалки – в диапазоне 460-550 МПа;
• предел кратковременной прочности в зависимости от предназначения сплава составляет 55-880 МПа;
• предел текучести при 20 градусах – 910 МПа;
• относительное удлинение при разрыве – 10-15%;
• ударная вязкость – 59 Дж/кв. см;
• модуль упругости при 20 градусах – 2,18 МПа;
• плотность – 7650 кг/м3.

Это мартенситная сталь из группы ферромагнетиков, поэтому она магнитится. Материал отличается пластичностью, он легко поддается вальцеванию. В ходе дополнительной термообработки изменяется структура стали. Как следствие, она приобретает новые механические характеристики. После проведения закалки и низкотемпературного отпуска материал приобретает повышенную устойчивость к коррозии в обычных атмосферных условиях, в слабокислотных растворах, а также в воде, за исключением морской. Чтобы придать устойчивость к агрессивным составам, поверхности подвергают шлифованию.

Низкая теплопроводность всегда считалась преимуществом любых стальных сплавов. Однако в процессе точения она создает сложности: в месте обработки резко возрастает температура. Как результат, образуется наклеп и происходит неравномерное упрочнение металлической поверхности.

После прохождения специальной закалки сплав 40Х13 приобретает устойчивость к окислению. На этом этапе полностью растворяются карбиды и создаётся антикоррозионная пленка. Любое снижение стойкости к коррозии может быть объяснено пониженной концентрацией хрома в карбиде либо понижением температуры плавления. Если весь процесс был проведён технологически верно, то подобного явления не должно возникнуть.

Плавка осуществляется при температурных воздействиях от 850 градусов. Этого достаточно для 100% деформирования сплава. Чтобы предотвратить растрескивание, технологический процесс предусматривает поочередное проведение нагрева и охлаждения.

Технико-эксплуатационные свойства стали устанавливаются действующим нормативом ГОСТа 5632-72. Он распространяется на весь жаропрочный тонколистовой прокат. Сортамент металлоизделий, выпускаемых из этого типа стали, включает несколько групп проката:

• прутки – ГОСТ 18907-73;
• листовая сталь и полоса – ГОСТ 5582-75;
• проволока – ГОСТ 18143-72.

Существуют аналоги сплава. Среди наиболее известных зарубежных марок выделяют:

• AISI 420 — США;
• Terraria 1.4031 — Германия;
• 4С13 — Корея.

Наибольшее распространение получил американский сплав ножевой стали марки 420. Его состав максимально похож на 40Х13. В сочетании с недорогой стоимостью этот продукт составляет серьезную конкуренцию отечественным материалам. К тому же качество термообработки зарубежного аналога превышает российское. Именно поэтому по некоторым своим характеристикам отечественные материалы отстают от импортных.

Листы стали 40Х13 имеет самое широкое применение. На сегодняшний день такая сталь наиболее востребована для изготовления кухонных ножей в бюджетной ценовой категории. Домохозяйки любят их за простоту ухода, поскольку при соблюдении стандартных правил они практически не ржавеют и при этом лезвия длительное время сохраняют свою остроту. Такой нож может разрезать любые продукты: овощи, фрукты, а также мясо и рыбу. Ножи из этого сплава популярны среди дайверов, туристов, водолазов и рыбаков. К тому же они используются для создания сувенирных клинков и могут стать настоящим украшением коллекции холодного оружия благодаря своему декоративному внешнему виду.

Однако сфера применения сплава 40Х13 этим не ограничивается. Из неё изготавливают:

• скальпели медицинские;
• пружины;
• подшипники;
• непрерывнолитые заготовки;
• измерительные приспособления;
• маникюрные инструменты;
• компрессорные элементы и многие другие предметы, имеющие бытовое назначение.

Уход за такими инструментами имеет свои правила:

• нельзя на длительное время оставлять их в стерилизаторах или во влажной среде;
• тщательно просушивайте изделия после каждого использования, время от времени смазывайте машинным маслом (за исключением медицинского инструмента и ножей для разделки пищевых продуктов);
• полируйте поверхность после каждой заточки: это снизит риск окисления;
• при дезинфекции растворами типа «Ламинол» промывайте изделия водой для устранения остатков химических препаратов, иначе их агрессивные компоненты приведут к ускорению коррозионных процессов.

Термическая обработка сплавов заключается в последовательности операций, включающих нагрев, выдержку и дальнейшее охлаждение стали при определенных температурных режимах. От этого во многом зависят внутренняя структура материала и его технико-эксплуатационные характеристики. Именно поэтому температура для проведения закалки и отпуска подбирается индивидуально, с учетом особенностей использования обрабатываемого сплава.

Так, по требованиям ГОСТа 4543-71 закалка стали производится при температуре в 860 градусов, последующий отпуск — при 500 градусах в кипящем масле. Эта обработка придает сплаву повышенную прочность на разрыв и твёрдость. А если температурный режим будет изменён, то понизится параметр ударной вязкости. Для отжига прибегают к нагреву до 750-800 градусов с последующим медленным охлаждением при температуре в 500 градусов в печи. Завершается охлаждение на открытом воздухе. Такой подход способствует образованию равновесной структуры сплава. В температурном диапазоне от 850 до 1100 градусов сталь приобретает высокие технологические характеристики при пластической деформации. Если охлаждение и нагрев будут слишком быстрыми, то всегда велик риск появления внутренних напряжений, которые приводят к растрескиванию материала. Но и слишком медленное охлаждение может привести к неблагоприятным последствиям: оно вызывает хрупкость сплава.

Если сталь используется для производства скальпелей и других хирургических инструментов, её закаливают при температуре в 1020-1040 градусов. Отпуск выполняют при 350 градусах в щелочи. Подобный подход многократно увеличивает прочностные характеристики и упругость изделий. Ещё одним видом термообработки является нагрев деталей высокочастотными токами. Такой способ востребован при необходимости закалить только поверхностный слой. Это особенно актуально для производства деталей, испытывающих интенсивные нагрузки вследствие раскачивания или трения.