Сталь 40ХН2МА — состав, два варианта свойств по ГОСТ 4543, отпускная хрупкость и зарубежные марки

Что означает марка

По правилам п. 4.2 ГОСТ 4543-2016 40 — средний углерод около 0,40 %, Х — хром, Н2 — никель: цифра после буквы показывает примерное содержание в целых процентах. М — молибден, без цифры — до 1,5 %. А в конце — высококачественная сталь: к составу и макроструктуре требования выше, чем у качественной (п. 4.1).

Рядом стоит марка 40ХН — без молибдена, с меньшим никелем и без буквы «А». О ней — в статье «Сталь 40ХН». Здесь — только 40ХН2МА и то, что следует из её состава.

Химический состав

Состав по ковшовой пробе — таблица 1 ГОСТ 4543-2016, сера и фосфор — таблица 2. Для сравнения — 40ХН, 38Х2Н2МА и европейская 34CrNiMo6 по EN 10083-3 (из паспорта Deutsche Edelstahlwerke):

Главное, что видно из таблицы: по хрому и никелю 34CrNiMo6 ближе к 38Х2Н2МА, чем к 40ХН2МА. К зарубежным маркам вернёмся в конце статьи.

Зачем никель и молибден

Прокаливаемость. По обзору D. S. MacKenzie легирующие элементы, в том числе никель и хром, замедляют диффузию углерода. Перлит не успевает образоваться, и мартенсит получается при меньшей скорости охлаждения — то есть глубже в сечении. Вклад каждого элемента оценивают множителями к «идеальному критическому диаметру» по методике ASTM A255. Поэтому 40ХН2МА выбирают, когда прокаливаемость 40Х или 40ХН для сечения детали уже недостаточна.

Вязкость. По нормам ГОСТ 4543-2016 после улучшения на заготовке 25 мм ударная вязкость KCU не менее 59 Дж/см² у 40Х, 69 у 40ХН и 78 или 98 у 40ХН2МА — в зависимости от варианта свойств. Это сравнение норм, а не чистый вклад никеля: режимы отпуска у марок разные (500 °C у 40Х и 40ХН, 620 °C у 40ХН2МА).

Отпускная хрупкость. Молибден уменьшает склонность к ней — подробно в отдельном разделе ниже.

Термообработка и два варианта свойств

Режим образцов по таблице 8 — улучшение: закалка с 850 °C в масле и отпуск при 620 °C с охлаждением в воде или масле. Нормы на заготовке сечением 25 мм:

Вариант 1 — на прочность, вариант 2 — на вязкость и пластичность. Вариант указывает заказчик; если его нет в заказе, выбирает изготовитель (примечание 11). Поэтому «40ХН2МА по ГОСТ 4543» без номера варианта — неполное требование.

Ещё два пункта, специфичных для этой марки:

• KCV. 40ХН2МА дополнительно испытывают на ударный изгиб на образцах с V-образным надрезом (KCV). Нормы стандарт не задаёт — фактические результаты заносят в документ о качестве (п. 7.1.7.2).
• Твёрдость в поставке. В отожжённом или высокоотпущенном состоянии, а горячекатаный и кованый прокат и после нормализации с высоким отпуском, — не более 269 HB (таблица 6). Для калиброванного проката в состояниях ОТ и ВО и для состояния Н+ВО допускается на 15 HB больше.

Допуски режима по примечанию 1: закалка ±15 °C, высокий отпуск ±50 °C.

Отпускная хрупкость: почему важно охлаждение после отпуска

Отпускная хрупкость — снижение ударной вязкости легированной стали после отпуска. По статье Строительной энциклопедии (по Гуляеву) её два вида:

• Необратимая — при отпуске в интервале около 250–400 °C. Улучшаемую сталь в этом интервале не отпускают, так что для 40ХН2МА она актуальна мало.
• Обратимая — при медленном охлаждении в интервале 650–450 °C или выдержке в нём. После быстрого охлаждения склонная к ней сталь сохраняет нормальную вязкость. Уже развившуюся хрупкость устраняют повторным нагревом выше 650 °C и быстрым охлаждением.

Высокий отпуск 40ХН2МА при 620 °C лежит как раз в опасном интервале. Развитию обратимой хрупкости, по той же статье, способствуют марганец, хром, никель и фосфор, а добавка 0,3–0,5 % молибдена её уменьшает. В 40ХН2МА молибдена 0,15–0,25 % — меньше этого уровня. Отсюда практический вывод: охлаждение после отпуска — в воде или масле, как в таблице 8, а не с печью.

Коварство этой хрупкости в том, что обычный контроль её не видит. По той же статье при комнатной температуре на растяжение она почти не влияет; она проявляется на надрезанных образцах и при низких температурах. Поэтому для ответственных деталей смотрят на ударную вязкость, а для «северного исполнения» стандарт позволяет заказать KCU при −60 °C с долей вязкой составляющей в изломе (п. 7.2.49).

Крупные сечения

Нормы таблицы 8 относятся к образцам от проката до 80 мм. Для 80–150 мм допускается снижение удлинения на 2 абс. %, сужения на 5 абс. % и ударной вязкости на 10 %, для сечений свыше 150 мм — на 3 абс. %, 10 абс. % и 15 % (примечание 9). Для проката толще 100 мм испытания можно вести на перекованной пробе 90–100 мм (примечание 10).

Полос прокаливаемости для 40ХН2МА в ГОСТ 4543 нет: для таких марок нормированную прокаливаемость (ПР3) задают по отдельным нормативным документам (п. 7.2.65). Как свойства улучшенной стали этого типа падают с ростом сечения, хорошо видно по нормам EN 10083-3 для 34CrNiMo6 из паспорта DEW:

Для крупной детали из 40ХН2МА это значит: требование к свойствам задают для сечения детали — твёрдостью или прочностью в указанном месте — и проверяют на детали или на пробе. Для заготовок 30–300 мм можно заказать ультразвуковой контроль внутренних дефектов по ГОСТ 21120 (п. 7.2.55).

Сварка и обработка резанием

Сварка. Оценка по углеродному эквиваленту — формула п. 7.2 ГОСТ 19281-2014:

Пример. Середины диапазонов 40ХН2МА: C 0,405; Mn 0,65; Si 0,27; Cr 0,75; Ni 1,45 %. Медь условно 0,10 %, фосфор 0,012 %, ванадия нет.

Cэкв = 0,405 + 0,108 + 0,011 + 0,150 + 0,036 + 0,008 + 0,006 ≈ 0,72 %. Молибден формула не учитывает.

Для проката с гарантией свариваемости ГОСТ 19281 ограничивает Cэкв значениями не более 0,43–0,51 % в зависимости от класса прочности (п. 5.2.1.2) — 40ХН2МА намного выше. DEW пишет о близкой по составу 34CrNiMo6, что сталь сваривается с трудом и в сварных конструкциях её применять не следует. Детали из 40ХН2МА проектируют цельными; если сварка неизбежна при ремонте, подогрев, материалы и термообработку назначает технолог.

Обработка резанием. Черновую обработку ведут в состоянии поставки — до 269 HB. По варианту 1 временное сопротивление образцов после улучшения — не ниже 1080 Н/мм²; чистовые переходы планируют под фактическую твёрдость детали после термообработки и с учётом коробления. Маршрут — в статье «Термообработка стали».

Как заказать прокат

В заказе на прокат из 40ХН2МА по ГОСТ 4543-2016 указывают:

1. Марку, стандарт и вариант свойств — 1 или 2 (примечание 11 к таблице 8).
2. Сортамент и размер — круг по ГОСТ 2590, кованый круг по ГОСТ 1133 и т. п.
3. Состояние поставки — ТО (твёрдость не более 269 HB) или без термообработки.
4. Группу качества поверхности — для горячекатаного и кованого проката 1ГП, 2ГП или 3ГП.
5. Дополнительные требования ссылкой на пункты раздела 7.2: УЗК (п. 7.2.55), KCU при −60 °C для северного исполнения (п. 7.2.49), маркировка концов краской (п. 7.2.69; для 40ХН2МА — фиолетовый и чёрный).

При приёмке в документе о качестве проверьте состав по таблице 1, результаты испытаний после улучшения образцов по выбранному варианту и фактические значения KCV.

Масса. Отдельной записи 40ХН2МА в справочнике MetalGuide нет. Для конструкционных сталей калькулятор массы металла берёт плотность, принятую в ГОСТ на сортамент для расчёта теоретической массы, — считайте массу, выбрав 40Х.

Где применяют и чем заменить

ГОСТ 4543 относит такой прокат к конструкциям общего назначения после термообработки и деталей не перечисляет. Производители близкой по составу 34CrNiMo6 описывают её назначение так: DEW — детали со сквозной закалкой в автомобилестроении и общем машиностроении с высокими требованиями к прочности и вязкости, например крепёж; Saarstahl — высоконагруженные детали автомобилей и двигателей с прочностью 1000–1300 Н/мм². Первоисточника с перечнем деталей именно из 40ХН2МА мы не нашли. Из норм ГОСТ 4543 следует общий принцип: её выбирают, когда 40Х или 40ХН по прокаливаемости в сечении детали или по ударной вязкости уже не подходят.

Зарубежные марки — только для сравнения:

• 34CrNiMo6 (1.6582) по EN 10083-3. Углерода меньше (0,30–0,38 %), хрома и никеля больше (по 1,30–1,70 %). DEW в паспорте этой стали сопоставляет её с российской 38Х2Н2МА, и по хрому и никелю это совпадение видно в таблице выше.
• SAE 4340 / 4337. DEW и Saarstahl указывают их как сопоставимые с 34CrNiMo6. Состав SAE 4340 мы по первоисточнику не сверяли — при замене берите его из SAE J404 или ASTM A29 и сравнивайте с таблицей 1 ГОСТ 4543.