Сталь 40ХН — состав, термообработка, свойства по ГОСТ 4543 и отличие от 40Х

Что означает марка

По ГОСТ 4543-2016 (п. 4.2) 40 — средний углерод около 0,40 % в сотых долях процента, Х — хром, Н — никель. Цифр после букв нет — каждого элемента до 1,5 %. Буквы «А» в конце нет: это качественная сталь, фосфора и серы в ней не более 0,035 % каждого (таблица 2). Как расшифровывать марки — в статье «Маркировка сталей».

Химический состав: 40ХН, 40Х и 40ХН2МА

Состав по анализу ковшовой пробы — таблица 1 стандарта. Рядом — две марки, с которыми 40ХН чаще всего сравнивают:

По согласованию с изготовителем 40ХН, как и 40Х, можно заказать с кремнием 0,10–0,37 % (п. 7.2.6). Углерод и марганец у трёх марок практически одинаковые: разницу в поведении дают хром, никель и молибден.

Термообработка и свойства по ГОСТ 4543-2016

Стандарт распространяется на металлопродукцию, которую применяют после термообработки. Режим образцов для 40ХН по таблице 8 — улучшение:

• закалка с 820 °C в воде или масле;
• отпуск при 500 °C с охлаждением в воде или масле.

Нормы на заготовке сечением 25 мм:

Вариант свойств для 40ХН2МА указывает заказчик, иначе его выбирает изготовитель (примечание 11). Кроме того, 40ХН2МА дополнительно испытывают на образцах с V-образным надрезом (KCV), результаты заносят в документ о качестве (п. 7.1.7.2).

Примечания к таблице 8 действуют и для 40ХН: допуск на температуру закалки ±15 °C, высокого отпуска ±50 °C; для проката 80–150 мм допускается снижение δ на 2 абс. %, ψ на 5 абс. % и KCU на 10 %.

Состояние поставки. В отожжённом, высокоотпущенном или нормализованном с высоким отпуском состоянии твёрдость 40ХН — не более 207 HB, 40Х — не более 217 HB, 40ХН2МА — не более 269 HB (таблица 6). В этом состоянии прокат и обрабатывают начерно, а чистовую обработку ведут после улучшения с учётом коробления. Как строить маршрут «черновая — термообработка — чистовая», разобрано в статье «Термообработка стали».

Зачем в стали никель: прокаливаемость и вязкость

Нормы стандарта — для заготовки 25 мм: они сравнивают марки между собой и подтверждают качество плавки, но не обещают тех же свойств в сердцевине вала большого диаметра. Деталь крупнее при закалке остывает в сердцевине медленнее, и там мартенсит может не образоваться. Способность стали закаливаться на глубину называется прокаливаемостью.

Механизм объясняет D. S. MacKenzie в обзоре о прокаливаемости: легирующие элементы, в том числе никель и хром, замедляют диффузию углерода. Без неё не успевает образоваться перлит, и при том же охлаждении мартенсит получается на большей глубине. Количественно вклад каждого элемента оценивают множителями к «идеальному критическому диаметру» по методике ASTM A255.

Вторая сторона никеля видна прямо в ГОСТ 4543. У 40ХН и 40Х одинаковые нормы σт и σв после улучшения, но у 40ХН выше нормы по ударной вязкости (69 против 59 Дж/см²) и по удлинению (11 против 10 %). То есть при той же прочности сталь с никелем запаснее по сопротивлению удару — это важно для валов и зубчатых колёс, которые работают с толчками.

Сварка и обработка

Сварка. Углеродный эквивалент по формуле п. 7.2 ГОСТ 19281-2014:

Пример. Середины диапазонов 40ХН: C 0,40; Mn 0,65; Si 0,27; Cr 0,60; Ni 1,20 %. Медь условно 0,10 %, фосфор 0,015 %, ванадия нет.

Cэкв = 0,40 + 0,108 + 0,011 + 0,120 + 0,030 + 0,008 + 0,008 ≈ 0,68 %. На нижних пределах состава — около 0,57 %.

Для проката повышенной прочности ГОСТ 19281 гарантирует свариваемость при углеродном эквиваленте не выше 0,43–0,46 %. 40ХН выше этого уровня при любом составе в пределах марки: среднеуглеродистая легированная сталь склонна к закалке и трещинам в зоне сварки. Поэтому детали из 40ХН проектируют как цельные — точёные, кованые, штампованные. Если сварка неизбежна (ремонт, приварка технологических элементов), подогрев, материалы и термообработку после сварки назначает технолог.

Обработка резанием. Черновую обработку ведут в состоянии поставки, до 207 HB. После улучшения твёрдость детали выше — режимы и инструмент подбирают по фактической твёрдости, а на чертеже указывают требование к твёрдости после термообработки.

Масса. Для расчёта массы проката из конструкционной стали в справочнике MetalGuide принята плотность 7850 кг/м³. Круг 40ХН диаметром 60 мм и длиной 1,5 м: m = 3,1416 · 0,060² / 4 · 1,5 · 7850 ≈ 33,3 кг. Другие размеры — в калькуляторе массы металла.

Как заказать прокат под улучшение и ТВЧ

Прокат из 40ХН по ГОСТ 4543-2016 заказывают с указанием марки, сортамента, группы качества поверхности и состояния поставки. Для деталей, которые будут улучшать и обрабатывать резанием, удобно состояние ТО: твёрдость тогда нормирована — не более 207 HB, для калиброванного проката допускается на 15 HB больше.

Если шейки вала или зубья потом закаливают ТВЧ, обратите внимание на два пункта стандарта:

• Обезуглероживание. На прокате с обточенной поверхностью и со специальной отделкой, в том числе предназначенном для закалки ТВЧ, обезуглероживание не допускается (п. 7.1.9). Обезуглероженный слой после ТВЧ даёт пониженную твёрдость поверхности.
• Нормализация перед закалкой. Стандарт в целом допускает её перед закалкой образцов, но для металлопродукции под ТВЧ — только с согласия заказчика (примечание 5 к таблице 8).

При приёмке сверьте в документе о качестве состав с таблицей 1 и результаты испытаний после термообработки образцов по режиму таблицы 8: σт, σв, δ5, ψ и KCU.

Где применяют и чем заменить

ГОСТ 4543 относит такую металлопродукцию к конструкциям общего назначения, применяемым после термообработки. Сочетание прочности после улучшения с повышенной ударной вязкостью делает 40ХН сталью для нагруженных деталей машин, которые работают с ударом и знакопеременной нагрузкой: валы, оси, шестерни, ответственный крепёж. Конкретную марку под деталь выбирает конструктор по сечению и нагрузке.

Как выбрать между соседними марками:

• 40Х — когда хватает её вязкости и сечение позволяет прокалить деталь; сравнение со сталью 45 — в статье «Стали 45 и 40Х».
• 40ХН — когда при той же прочности нужна более высокая ударная вязкость.
• 40ХН2МА — когда нужны прочность выше 785 Н/мм² по σт или ударная вязкость выше 69 Дж/см².
• 30ХГСА — если деталь сварная и термообрабатывается целиком; о ней — в статье «Сталь 30ХГСА».

Аналоги. Близкая по типу зарубежная марка — AISI 3140: ASM International в Alloy Digest описывала эту марку ещё в 1955 году как никель-хромовую сталь для закалки в масле с хорошей прокаливаемостью и вязкостью. Это приближённый аналог: пределы состава и нормы задают разные стандарты, а в действующих перечнях марок её наличие нужно проверять. В конвертере марок стали 40ХН пока нет. Замену согласует конструктор, сверяя состав и свойства после улучшения по документам на конкретную поставку.