Stal stopowa 40HM 1.7225
42CrMo4 (1.7225) jest niskostopową stalą konstrukcyjną chromowo-molibdenową przeznaczoną przede wszystkim do ulepszania cieplnego. Charakteryzuje się wysoką hartownością, dużą wytrzymałością mechaniczną oraz dobrym połączeniem wytrzymałości i ciągliwości po zahartowaniu i odpuszczeniu. Stal znajduje zastosowanie w elementach maszyn przenoszących duże obciążenia statyczne i dynamiczne, takich jak wały, osie, koła zębate, sworznie, korbowody czy elementy układów hydraulicznych. 42CrMo4 nadaje się również do hartowania indukcyjnego, dzięki czemu można uzyskać bardzo twardą warstwę powierzchniową przy zachowaniu bardziej ciągliwego rdzenia. Według danych Ovako po hartowaniu indukcyjnym twardość powierzchni może przekraczać 53 HRC.
Oznaczenia
Ta sama stal pod nazwami, których używa się w różnych normach i krajach. Wpisanie dowolnej z nich w wyszukiwarce prowadzi na tę stronę.
| System | Oznaczenie |
|---|---|
| Werkstoff-NrNumer materiałowy — tak stal opisują huty i dostawcy w Europie. | 1.7225 |
| ENOznaczenie normy europejskiej, budowane ze składu chemicznego. | 42CrMo4 |
| DINStarsze oznaczenie niemieckie, wciąż spotykane w dokumentacji. | 42CrMo4 |
| PNOznaczenie polskie — to zwykle jest na rysunku i w rozmowie na hali. | 40HM |
| AISIOznaczenie amerykańskie, częste w katalogach narzędzi i literaturze. | 4140 |
| Nazwa handlowaJak stal nazywa się w praktyce warsztatowej i w sklepie. | 40HM 42CrMo4 |
Właściwości
| Właściwość | Symbol | Wartość | Źródło |
|---|---|---|---|
| Gęstość | ρ | 7720 kg/m³ | 10083-3 |
| Granica plastyczności | Re | 650 MPa | 10083-3 |
| Wytrzymałość na rozciąganie | Rm | 1030 MPa | 10083-3 |
| Moduł Younga | E | 210 GPa | 10083-3 |
| Liczba Poissona | ν | 0,3 | 10083-3 |
| Twardość Brinella | HB | 250–350 HB | 10083-3 |
| Rozszerzalność cieplna | α | 11,1–13,5 10⁻⁶/K | 10083-3 |
| Przewodność cieplna | λ | 42,6 W/(m·K) | 10083-3 |
| Ciepło właściwe | c | 470 J/(kg·K) | 10083-3 |
| Temperatura topnienia | Tm | 1420–1470 °C | 10083-3 |
| Rezystywność | ϱ | 0,19 µΩ·m | 10083-3 |
Wartości nominalne z podanych norm. Do obliczeń wytrzymałościowych używaj atestu materiałowego od dostawcy.
Skład chemiczny
Zakresy dopuszczone przez normę, w procentach masowych. Rzeczywisty skład wytopu podaje atest hutniczy.
- Pierwiastek — Zawartość
- C
- 0,38–0,45 %
- Si
- 0,10–0,40 %
- Mn
- 0,60–0,90 %
- P
- maks. 0,025 %
- S
- maks. 0,035 %
- Cr
- 0,90–1,20 %
- Mo
- 0,15–0,30 %
- Cu
- maks. 0,40 %
- Fe
- 96,60–98,00 %
Obróbka cieplna
Temperatury podane w stopniach Celsjusza. Ośrodek chłodzący i twardość po zabiegu tak, jak podaje karta materiałowa. Ten sam zabieg może wystąpić kilka razy — np. hartowanie w wodzie i w oleju dają różną twardość.
| Zabieg | Temperatura | Ośrodek | Twardość |
|---|---|---|---|
| WalcowanieZakres temperatur walcowania na gorąco. Poniżej dolnej granicy stal przestaje płynąć i zaczyna pękać. | 850–1180 °C | kontrolowane | — |
| KucieZakres temperatur kucia — zwykle najszerszy z wszystkich. Kucie poniżej dolnej granicy rozrywa materiał, powyżej górnej przepala go. | 850–1050 °C | powolne/kontrolowane | — |
| NormalizowaniePo kuciu albo walcowaniu: rozdrabnia ziarno, które obróbka na gorąco pozostawiła, i ujednolica strukturę przed hartowaniem. | 840–880 °C | powietrze | 190–250 HBpowietrze |
| Wyżarzanie zmiękczająceStan dostawy i stan, w którym stal się obrabia. Twardość podana jako górna granica. | 680–720 °C | piec | — |
| Wyżarzanie odprężającePo obróbce zgrubnej, przed wykańczającą — zdejmuje naprężenia, które inaczej wyjdą przy hartowaniu. | 600–650 °C | — | — |
| HartowanieTemperatura austenityzowania i ośrodek chłodzący. | 820–860 °C | olej/woda | 50–61 HRC |
| Odpuszczanie niskieOkoło 150–250 °C. Zdejmuje naprężenia hartownicze i kruchość, zostawiając twardość prawie nietkniętą — stan narzędzi skrawających. | 150–300 °C | powietrze | 50–56 HRC |
| Odpuszczanie wysokieOkoło 500–650 °C. Oddaje twardość za udarność — ulepszanie cieplne części maszyn, nie narzędzi skrawających. | 540–680 °C | powietrze | 25–40 HRC |
| Twardość roboczaTwardość gotowego narzędzia — to ona decyduje, jak długo trzyma krawędź. | — | — | 28–40 HRC |
Wartości nominalne z podanych norm. Do obliczeń wytrzymałościowych używaj atestu materiałowego od dostawcy.
Kalkulatory dla tego materiału
Gęstość tego materiału zostanie wczytana automatycznie po przejściu do kalkulatora.
Zastosowania
Elementy napędowe
wały napędowe, wały maszyn, osie, wrzeciona, piasty, sprzęgła.
Przekładnie i elementy przenoszące moment
koła zębate, wałki zębate, koła łańcuchowe, elementy przekładni, piasty kół zębatych, elementy reduktorów
Elementy obciążone dynamicznie
sworznie, czopy, korbowody, dźwignie, trzpienie, elementy zawieszeń maszyn, elementy maszyn budowlanych
Przemysł motoryzacyjny
wały, elementy układów napędowych, elementy skrzyń biegów, półosie, elementy układów przeniesienia napędu
Hydraulika i energetyka
tłoczyska, elementy siłowników, wały pomp, elementy armatury, elementy turbin i urządzeń energetycznych
Elementy hartowane powierzchniowo
wałki, czopy, prowadnice, powierzchnie współpracujące ślizgowo, elementy wymagające wysokiej odporności na zużycie
Spawalność
Spawalność 42CrMo4 jest ograniczona.
Wysoka zawartość węgla oraz dodatki Cr i Mo zwiększają hartowność materiału. Podczas spawania strefa wpływu ciepła może ulec zahartowaniu, co zwiększa ryzyko:
powstawania pęknięć zimnych, powstawania twardych struktur w SWC, naprężeń własnych, obniżenia udarności w strefie wpływu ciepła.
Przy spawaniu elementów wykonanych z 42CrMo4 konieczne może być stosowanie:
podgrzewania wstępnego, odpowiedniej temperatury międzyściegowej, kontrolowanego chłodzenia, odpowiednio dobranego materiału dodatkowego, obróbki cieplnej po spawaniu.
W przypadku odpowiedzialnych konstrukcji parametry spawania powinny być określane na podstawie technologii WPS/PQR dla konkretnego materiału i stanu dostawy.
Obróbka skrawaniem
42CrMo4 może być stosunkowo łatwo obrabiana w stanie zmiękczonym lub wyżarzonym.
Po ulepszaniu cieplnym jej skrawalność wyraźnie się pogarsza wraz ze wzrostem twardości.
W stanie zmiękczonym
Typowe operacje:
toczenie, frezowanie, wiercenie, gwintowanie, rozwiercanie, dłutowanie. Po ulepszaniu cieplnym
Przy wyższej twardości należy stosować odpowiednio dobrane narzędzia i parametry skrawania. W zależności od twardości można stosować narzędzia z węglików spiekanych, a przy bardzo twardych warstwach również CBN lub szlifowanie.
42CrMo4 jest powszechnie obrabiana skrawaniem również w zastosowaniach przemysłowych; istnieją specjalne odmiany materiału z poprawioną skrawalnością.
Obróbka cieplna
42CrMo4 jest przede wszystkim stalą przeznaczoną do ulepszania cieplnego.
Hartowanie
Typowy zakres temperatury austenityzowania:
840–880°C
Po osiągnięciu odpowiedniej temperatury materiał chłodzi się najczęściej w:
oleju, w określonych przypadkach wodzie.
Dla elementów o większych przekrojach należy uwzględnić rzeczywistą hartowność oraz wymagany rozkład właściwości w przekroju. Ovako podaje, że po hartowaniu w oleju materiał może być zahartowany na wskroś do około Ø60 mm, natomiast większe przekroje nie muszą uzyskać struktury w pełni martenzytycznej.
Odpuszczanie
Typowy zakres:
540–680°C
Temperaturę dobiera się w zależności od wymaganej kombinacji:
twardości, granicy plastyczności, wytrzymałości, udarności, ciągliwości.
Wyższa temperatura odpuszczania zwykle oznacza niższą twardość i wytrzymałość, ale większą ciągliwość i odporność na pękanie.
Wyżarzanie zmiękczające
Typowy zakres:
680–720°C
Następnie stosuje się powolne chłodzenie. Dane Ovako podają chłodzenie z szybkością około 15°C/h do 600°C, a następnie dalsze chłodzenie.
Wyżarzanie odprężające
Orientacyjny zakres:
450–650°C
Temperaturę i czas należy dobrać do wymiarów elementu oraz wcześniejszej historii cieplnej.
Hartowanie indukcyjne
42CrMo4 bardzo dobrze nadaje się do hartowania indukcyjnego.
Proces pozwala uzyskać:
bardzo twardą warstwę powierzchniową, wysoką odporność na zużycie, zwiększoną odporność zmęczeniową, ciągliwy i bardziej odporny na pękanie rdzeń.
Jest to szczególnie korzystne dla:
wałów, czopów, kół zębatych, sworzni, prowadnic, powierzchni współpracujących ślizgowo.
Po hartowaniu indukcyjnym konieczne jest odpowiednie odpuszczanie odprężające, którego parametry zależą od zastosowanej technologii i wymaganej twardości.
Azotowanie
42CrMo4 może być azotowana, ale nie jest typowym specjalistycznym gatunkiem do azotowania.
W przypadku elementów, dla których głównym celem jest uzyskanie wysokiej twardości warstwy azotowanej, często korzystniejsze są stale projektowane specjalnie do tego procesu, np.:
31CrMoV9, 34CrAlNi7, 34CrAl6.
42CrMo4 może natomiast stanowić dobry materiał bazowy dla elementów, w których wymagane jest połączenie wysokiej wytrzymałości rdzenia z utwardzoną powierzchnią.
Nawęglanie
42CrMo4 nie jest typową stalą do nawęglania.
Zawartość węgla około 0,4% jest zbyt wysoka, aby traktować ją jako klasyczną stal nawęglaną, taką jak 16MnCr5 czy 20MnCr5.
Jeżeli konstrukcja wymaga:
bardzo twardej powierzchni, odpornego na zużycie rdzenia, wysokiej odporności zmęczeniowej,
należy rozważyć stal nawęglaną zamiast 42CrMo4.
Dla 42CrMo4 znacznie bardziej naturalnym rozwiązaniem jest ulepszanie cieplne + hartowanie indukcyjne powierzchni.
Obróbka plastyczna
42CrMo4 może być obrabiana plastycznie na gorąco.
Kucie i walcowanie
Typowy zakres temperatur obróbki na gorąco:
850–1050°C
Należy unikać zbyt niskiej temperatury końca kucia, ponieważ może to prowadzić do nadmiernego umocnienia materiału i zwiększenia ryzyka pęknięć.
Po zakończeniu kucia należy kontrolować sposób chłodzenia oraz późniejszą obróbkę cieplną. Dane Ovako podają dla kucia 42CrMo4 zakres 850–1050°C.
Typowe procesy kucie swobodne, kucie matrycowe, walcowanie na gorąco, wykonywanie odkuwek, obróbka plastyczna półfabrykatów.
Obróbka plastyczna na zimno jest znacznie bardziej ograniczona, szczególnie dla materiału o wysokiej twardości.