Сталь 45Х — состав, термообработка, свойства по ГОСТ 4543 и прокаливаемость

Что означает марка

По правилам п. 4.2 ГОСТ 4543-2016 45 — средний углерод около 0,45 % в сотых долях процента, Х — хром. Цифры после буквы нет: хрома до 1,5 %. Буквы «А» в конце нет — это качественная сталь, фосфора и серы в ней не более 0,035 % каждого (таблица 2). Общие правила — в статье «Маркировка сталей».

Стандарт распространяется на прокат, который применяют после термической обработки (п. 1.1). Поэтому главные цифры для 45Х — не свойства «как есть», а нормы после закалки и отпуска образцов.

Химический состав: 45Х и 40Х

Состав по анализу ковшовой пробы — таблица 1, сера и фосфор — таблица 2:

Две марки различаются только углеродом, и диапазоны перекрываются: плавка 45Х у нижнего предела и плавка 40Х у верхнего почти одинаковы. По согласованию с изготовителем 45Х, как и 40Х, можно заказать с кремнием 0,10–0,37 % (п. 7.2.6).

Термообработка и нормы свойств

Режим образцов для 45Х по таблице 8 — улучшение: закалка с 840 °C в масле и отпуск при 520 °C с охлаждением в воде или масле. Для сравнения — 40Х из той же таблицы:

По нормам у 45Х σт и σв на 50 Н/мм² выше, чем у 40Х, а ударная вязкость и удлинение ниже. Режимы образцов у марок немного разные, так что это сравнение норм, а не чистый эффект углерода. Если деталь работает с ударом, разницу в KCU надо учитывать при выборе марки.

Что важно при чтении таблицы — по примечаниям к ней:

• Допуски режима. Температура закалки — ±15 °C, высокого отпуска — ±50 °C (примечание 1).
• Малые сечения. Прокат тоньше 25 мм термообрабатывают в полном сечении (примечание 2).
• Крупные сечения. Нормы относятся к прокату до 80 мм. Для 80–150 мм допускается снижение удлинения на 2 абс. %, сужения на 5 абс. % и ударной вязкости на 10 %, свыше 150 мм — на 3 абс. %, 10 абс. % и 15 % (примечание 9).

Нормы подтверждают качество плавки на образце, а не свойства вашей детали. Твёрдость или прочность детали после её собственной термообработки задают на чертеже и проверяют отдельно.

Состояние поставки. Горячекатаный и кованый прокат поставляют термически обработанным (ТО) или без обработки (п. 7.1.5). В отожжённом или высокоотпущенном состоянии, а горячекатаный и кованый — и после нормализации с высоким отпуском, прокат 45Х имеет твёрдость не более 229 HB; у 40Х — не более 217 HB (таблица 6). Калиброванному прокату в состояниях ОТ и ВО, а горячекатаному и кованому в состоянии Н+ВО допускается на 15 HB больше. Без термообработки твёрдость не нормируют.

Прокаливаемость: полосы по приложению Б

Нормы таблицы 8 получены на заготовке 25 мм. В более крупном сечении сердцевина при закалке остывает медленнее, и мартенсита там может не получиться. Насколько глубоко сталь закаливается, показывает прокаливаемость. Механизм, по обзору D. S. MacKenzie: легирующие элементы, в том числе хром, замедляют диффузию углерода, перлит не успевает образоваться, и мартенсит появляется при меньшей скорости охлаждения.

Для 45Х ГОСТ 4543-2016 даёт то, чего нет для многих марок, — полосы прокаливаемости. Прокаливаемость определяют торцовой закалкой по ГОСТ 5657 (п. 9.14): образец охлаждают с торца и измеряют твёрдость HRC по длине. Таблица Б.1 задаёт для каждого расстояния от торца максимум и минимум твёрдости — это и есть полоса.

Несколько точек марочных полос из таблицы Б.1:

Верхние границы у марок близки, а нижняя граница 45Х по всей длине образца до 30 мм выше, чем у 40Х, — на 3,5–7,5 HRC. То есть «худшая» по прокаливаемости плавка 45Х в этой зоне закаливается на большую твёрдость, чем «худшая» плавка 40Х. Кроме марочной, стандарт даёт суженную полосу — для 45Х она на 1,5 мм от торца составляет 54–58 HRC, на 12 мм — 40–49,5 HRC.

Как этим пользоваться:

• Заказ. Требование ПР1 — прокаливаемость в пределах марочной или суженной полосы — указывают по п. 7.2.63. Другие пределы по длине образца можно согласовать отдельно (п. 7.2.66).
• Переход к диаметру. Рисунок А.6 приложения А показывает для 45Х, какому диаметру проката после объёмной закалки в воде и в масле соответствует та же твёрдость, что на данном расстоянии от торца. Снимайте значения с рисунка в официальном тексте стандарта.
• Без требования. Если ПР1 в заказе нет, прокаливаемость не нормирована.
• Испытание. Даже при ПР1 изготовитель по примечанию к п. 9.14 вправе не проводить торцовую закалку, если гарантирует соответствие нормам. Нужны фактические результаты — оговорите это при заказе.

Закалка ТВЧ и поверхность проката

Если поверхность детали из 45Х закаливают токами высокой частоты, для проката под ТВЧ в стандарте есть два пункта:

• 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 заниженную твёрдость поверхности.
• Нормализация. Перед закалкой образцов стандарт в целом допускает нормализацию, но для металлопродукции под ТВЧ — только с согласия заказчика (примечание 5 к таблице 8).

Как выбирать глубину слоя и контролировать результат — в статье «Закалка ТВЧ».

Сварка и обработка резанием

Сварка. ГОСТ 4543 свариваемость не нормирует. Оценка — по углеродному эквиваленту из п. 7.2 ГОСТ 19281-2014:

Пример. Середины диапазонов 45Х: C 0,45; Mn 0,65; Si 0,27; Cr 0,95 %. Остаточные никель и медь условно по 0,10 %, фосфор 0,015 %, ванадия нет.

Cэкв = 0,45 + 0,108 + 0,011 + 0,190 + 0,003 + 0,008 + 0,008 ≈ 0,78 %. На нижних пределах состава без остаточных элементов — около 0,66 %.

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). 45Х далеко за этим уровнем: в зоне термического влияния возможны закалочные структуры и холодные трещины. Поэтому детали из 45Х делают точёными, коваными или штампованными. Если сварка неизбежна — ремонт или приварка технологического элемента, — подогрев, материалы и термообработку после сварки назначает технолог.

Обработка резанием. Черновую обработку удобно вести в состоянии поставки ТО — до 229 HB. После улучшения твёрдость детали выше, поэтому чистовые переходы планируют с учётом коробления и фактической твёрдости. Маршрут «черновая — термообработка — чистовая» разобран в статье «Термообработка стали».

Как заказать прокат

В заказе на сортовой прокат из 45Х по ГОСТ 4543-2016 указывают:

1. Марку и стандарт — 45Х, ГОСТ 4543-2016.
2. Сортамент и размер — например, круг по ГОСТ 2590.
3. Состояние поставки — ТО (твёрдость тогда нормирована — не более 229 HB) или без термообработки.
4. Группу качества поверхности — 1ГП, 2ГП или 3ГП для горячекатаного и кованого проката, Б или В для калиброванного (п. 4.3); обточенную поверхность — ОБТ.
5. Дополнительные требования ссылкой на пункты раздела 7.2: ПР1 — прокаливаемость по марочной или суженной полосе (п. 7.2.63), кремний 0,10–0,37 % (п. 7.2.6), маркировку концов прутков краской (п. 7.2.69; для 45Х по таблице 12 — зелёный и жёлтый).

При приёмке сверьте в документе о качестве состав с таблицей 1 и результаты механических испытаний после термообработки образцов по режиму таблицы 8. Если заказывали ПР1 — результаты торцовой закалки или гарантию изготовителя.

Масса. Отдельной записи 45Х в справочнике MetalGuide нет. Для конструкционных сталей калькулятор массы металла берёт плотность, принятую в ГОСТ на сортамент для расчёта теоретической массы, — считайте массу 45Х, выбрав 40Х.

Где применяют и чем заменить

ГОСТ 4543 относит такой прокат к конструкциям общего назначения, применяемым после термообработки, и конкретных деталей не перечисляет. Первоисточника с перечнем типовых деталей из 45Х мы не нашли, поэтому список применений не приводим. Из норм стандарта следует другое: 45Х выбирают, когда после улучшения нужна прочность выше, чем у 40Х, а меньшая ударная вязкость допустима. Марку под конкретную деталь выбирает конструктор по сечению, нагрузке и требованиям к вязкости.

Как выбрать между соседними марками по нормам ГОСТ 4543-2016:

• 40Х — когда достаточно σт 785 Н/мм² и нужна большая ударная вязкость (59 Дж/см²). Сравнение со сталью 45 — в статье «Стали 45 и 40Х».
• 45Х — когда нужна прочность выше, чем у 40Х, и можно допустить KCU 49 Дж/см².
• 40ХН — при той же прочности, что у 40Х, но с KCU 69 Дж/см²; о ней — в статье «Сталь 40ХН».
• 40ХН2МА — когда нужны одновременно высокая прочность и вязкость, в том числе в крупном сечении; о ней — в статье «Сталь 40ХН2МА».