Сталь 40Х по ГОСТ 4543-2016: свойства, твёрдость, термообработка и аналоги

Сталь 40Х: справочные таблицы

Широкие таблицы прокручиваются по горизонтали, первая колонка при этом остаётся на месте.

Что такое сталь 40Х

40Х — конструкционная легированная хромистая сталь, которую применяют после улучшения — закалки с высоким отпуском. Из неё делают валы, оси, шестерни, шлицевые валы, штоки, болты и шпильки. Сталь установлена ГОСТ 4543-2016, который действует с 1 октября 2017 года взамен ГОСТ 4543-71.

• 40 — около 0,40 % углерода (по стандарту 0,36–0,44 %);
• Х — хром до 1,5 % (по стандарту 0,80–1,10 %).

По сравнению с углеродистой сталью 45 хром заметно повышает прокаливаемость: 40Х упрочняется закалкой на бо́льшую глубину, поэтому подходит для деталей среднего сечения. Механические свойства 40Х в стандарте нормированы именно после закалки и отпуска.

Химический состав стали 40Х и что означает 40ХА

Нормы состава приведены в таблице 1. ГОСТ 4543-2016 выпускает 40Х в трёх категориях качества, которые различаются содержанием вредных примесей (таблица 2):

• 40Х — качественная сталь, сера и фосфор не более 0,035 %;
• 40ХА — высококачественная, сера и фосфор не более 0,025 %;
• 40Х-Ш и другие марки с индексом через дефис — особовысококачественная сталь вакуумно-индукционной выплавки или переплава (Ш — электрошлаковый), сера не более 0,015 %.

Буква «А» не меняет основной химический состав: это та же сталь с более строгими требованиями к чистоте. Если плавка 40Х выполняет нормы высококачественной стали, стандарт разрешает обозначать её 40ХА.

Механические свойства стали 40Х по ГОСТ 4543-2016

Стандарт нормирует свойства на образцах из заготовки диаметром 25 мм после закалки с 860 °C в масле и отпуска при 500 °C: предел текучести не менее 785 МПа, временное сопротивление не менее 980 МПа, относительное удлинение не менее 10 %, сужение не менее 45 %, ударная вязкость KCU не менее 59 Дж/см² (таблица 3).

Эти нормы относятся к прокату диаметром до 80 мм. Для проката 80–150 мм и свыше 150 мм стандарт допускает снижение пластичности и ударной вязкости (таблица 4). Это прямое следствие ограниченной прокаливаемости: в крупном сечении сердцевина закаливается хуже.

Твёрдость стали 40Х

Твёрдость 40Х зависит от состояния, поэтому на вопрос «какая твёрдость у 40Х» нужно сначала уточнить, о каком состоянии идёт речь.

• В состоянии поставки отожжённый прокат — не более 217 HB, калиброванный нагартованный и серебрянка — не более 269 HB; горячекатаный без термообработки — не нормируется (таблица 5).
• После закалки на поверхности образца при торцевой закалке — от 49 до 59,5 HRC в зависимости от плавки (таблица 6, расстояние 1,5 мм от торца).
• После отпуска твёрдость снижается тем сильнее, чем выше температура отпуска. По справочным данным, после отпуска при 600 °C — около 265 HB (таблица 7).

Прокаливаемость стали 40Х

Прокаливаемость — глубина, на которую сталь закаливается. Её определяют торцевой закалкой по ГОСТ 5657: торец цилиндрического образца охлаждают струёй воды и измеряют твёрдость по длине. ГОСТ 4543-2016 приводит для 40Х марочную полосу прокаливаемости (таблица 6): на расстоянии 9 мм от торца твёрдость — 38,5–54 HRC, на 30 мм — 20–36 HRC. Нормировать прокаливаемость можно по заказу.

По справочным данным, критический диаметр 40Х (при котором в центре образуется 50 % мартенсита) составляет 16–48 мм при закалке в масле и 38–76 мм в воде. Для сравнения у стали 45 — 6–12 мм в масле. Разброс значений отражает колебания состава в пределах марки.

Термообработка стали 40Х: закалка и отпуск

Основной вид термообработки 40Х — улучшение: закалка с последующим высоким отпуском. Режим, по которому стандарт нормирует свойства, — закалка с 860 °C в масле и отпуск при 500 °C с охлаждением в воде или масле.

• Закалка. 40Х — доэвтектоидная сталь, её закаливают от температуры выше критической точки Ac3; положение сталей на диаграмме можно оценить по диаграмме железо–углерод. Закалочная среда для деталей — как правило, масло.
• Низкий отпуск сохраняет высокую твёрдость и прочность при низкой вязкости.
• Высокий отпуск (улучшение) даёт сочетание прочности и вязкости, нужное для валов и крепежа.

Как меняются свойства с температурой отпуска, показывает справочная таблица 7: при повышении отпуска с 400 до 600 °C временное сопротивление падает примерно с 1320 до 860 МПа, а ударная вязкость растёт в три раза.

Отпускная хрупкость

40Х склонна к отпускной хрупкости: при медленном охлаждении после высокого отпуска её ударная вязкость снижается. Поэтому после высокого отпуска 40Х охлаждают в воде или масле — ГОСТ 4543-2016 так и задаёт режим для образцов. Если для детали недопустимо снижение вязкости, применяют стали с молибденом, например 40ХН2МА.

Закалка ТВЧ стали 40Х

40Х часто подвергают поверхностной закалке токами высокой частоты: шейки валов, шлицы, зубья шестерён. Обычно деталь предварительно улучшают, чтобы получить прочную вязкую сердцевину, а затем закаливают поверхностный слой.

ГОСТ 4543-2016 учитывает эту технологию: для металла, предназначенного под закалку ТВЧ, обезуглероживание поверхности не допускается, а нормализация перед закалкой проводится только с согласия заказчика. Ориентир достижимой твёрдости поверхности после полной закалки — значения полосы прокаливаемости у торца: 49–59,5 HRC (таблица 6). Фактическая твёрдость и глубина слоя после ТВЧ зависят от углерода в плавке, частоты, мощности и последующего отпуска и задаются технологией.

Поковки из стали 40Х

Поковки заказывают по ГОСТ 8479-70 с категорией прочности (КП) — гарантированным пределом текучести. Рекомендуемое приложение стандарта указывает, какие категории достижимы на 40Х для разных сечений (таблица 8): до 100 мм — до КП 490, свыше 500 мм — только КП 275 и КП 315. Чем крупнее поковка, тем ниже достижимая категория.

Крепёж из стали 40Х

40Х — одна из основных марок для высокопрочного крепежа. ГОСТ 1759.4-87 рекомендует её наряду с 35Х, 38ХА, 30ХГСА и 35ХГСА для болтов, винтов и шпилек классов прочности 8.8–12.9 (таблица 9). Требуемая твёрдость: для класса 8.8 (диаметр до 16 мм) — 22–32 HRC, для класса 10.9 — 32–39 HRC.

Сталь 45 этот стандарт рекомендует только для класса 6.6. Распространённое утверждение «болты 10.9 из стали 45» стандартом не подтверждается: класс 10.9 требует легированной стали.

Сварка стали 40Х

По справочным данным 40Х относится к трудносвариваемым сталям. При сварке в зоне термического влияния образуется закалочная структура с высокой твёрдостью и риском холодных трещин. Сварку 40Х выполняют с подогревом и последующей термообработкой; режимы подогрева и материалы назначает технолог по сварке с учётом толщины, жёсткости узла и требований к соединению.

Если конструкцию нужно сваривать без особых мер, выбирают свариваемые стали, например низколегированную 09Г2С, а 40Х применяют для деталей, которые сварке не подвергаются.

Аналоги стали 40Х

Ближайшие зарубежные стали — европейская 41Cr4 (1.7035), японская SCr440, американская 5140 и китайская 40Cr (таблица 10). Полностью тождественного аналога нет. У 41Cr4 и SCr440 больше хрома, у 5140 — меньше, у европейских сталей строже нормы фосфора и серы, а механические свойства нормируются по ступеням сечения, а не на одной заготовке 25 мм. Поэтому замену проверяют по свойствам для нужного сечения и по прокаливаемости.

40Х или 45, 40Х или 40ХН: что выбрать

Сравнение приведено в таблице 11. Главное различие между 40Х и сталью 45 — прокаливаемость. На расстоянии 6 мм от торца при торцевой закалке 40Х сохраняет 43,5–56,5 HRC, а сталь 45 — только 26–42,5 HRC.

• Сталь 45 — нормализованные детали, улучшаемые детали малого сечения, поверхностная закалка ТВЧ при ненагруженной сердцевине.
• 40Х — улучшаемые валы, оси, шестерни среднего сечения, крепёж классов 8.8–10.9, детали под ТВЧ с прочной сердцевиной.
• 40ХН — когда нужна бо́льшая вязкость: при тех же нормах прочности ударная вязкость по ГОСТ 4543-2016 не менее 69 Дж/см².
• 30ХГСА, 38ХГН, 40ХН2МА — для крупных сечений и высоких категорий прочности.

Обработка резанием и входной контроль

По справочным данным, обрабатываемость 40Х в отожжённом состоянии близка к стали 45, принятой за эталон: коэффициент около 0,95 для быстрорежущего инструмента и около 1,2 для твёрдого сплава (таблица 12). В улучшенном состоянии сталь обрабатывается хуже. Режимы резания можно подобрать в тренажёре режимов резания.

При входном контроле:

1. Сверить документ о качестве: стандарт, марку, категорию качества (40Х, 40ХА), плавку, состав, состояние поставки.
2. Проверить твёрдость по Бринеллю: для отожжённого проката — не более 217 HB.
3. Подтвердить марку спектральным анализом: хром 0,80–1,10 % отличает 40Х от стали 45.
4. Проверить маркировку концов прутков, если она заказана: для 40Х стандарт предусматривает краску зелёного и жёлтого цветов.

Плотность и масса проката из 40Х

Теоретическую массу сортового проката из конструкционных сталей рассчитывают при плотности 7850 кг/м³ (таблицы 13, 14 и 15).

Вопросы и ответы по стали 40Х

Источники

1. ГОСТ 4543-2016. Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия.
2. ГОСТ 1050-2013. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия.
3. ГОСТ 8479-70. Поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали. Общие технические условия.
4. ГОСТ 1759.4-87. Болты, винты и шпильки. Механические свойства и методы испытаний.
5. ГОСТ 5657-69. Сталь. Метод испытания на прокаливаемость.
6. EN ISO 683-2. Heat-treatable steels, alloy steels and free-cutting steels. Alloy steels for quenching and tempering.
7. Техническая документация Saarstahl (41Cr4) и Kobelco (SCr440).
8. Марочник сталей и сплавов (справочные данные о свойствах после отпуска, критических точках, физических свойствах и обрабатываемости).