Стали 40Х13 и 95Х18: состав, закалка, твёрдость и применение

Что общего у двух марок

По ГОСТ 5632-2014 нержавеющей считается сталь с хромом не менее 10,5 % и углеродом не более 1,2 %. Обе марки попадают в раздел мартенситного класса — сталей с основной структурой мартенсита. Класс условный: его определяют по структуре небольшого образца, охлаждённого на воздухе после нагрева выше 900 °C.

Разница — в углероде. В ряду хромистых мартенситных сталей 20Х13 → 30Х13 → 40Х13 он растёт при том же хроме 12–14 %, а с ним растёт твёрдость после закалки. 95Х18 выделяется: углерода около 1 % и хрома 17–19 %. О конструкционной 20Х13, которую применяют после закалки с высоким отпуском, — отдельная статья «Сталь 20Х13»; здесь — две «твёрдые» марки.

Химический состав по ГОСТ 5632-2014

Состав по маркировочному анализу — таблица 1 стандарта:

Остаточные элементы ограничены общими пунктами раздела 6: титана — не более 0,20 %, меди — не более 0,30 %, никеля в хромистых сталях до 20 % хрома — до 0,60 %. Никель и молибден в эти марки не вводят.

Состояние поставки и твёрдость

Сортовой прокат — круг, квадрат, полосу, калиброванные прутки и серебрянку — поставляют по ГОСТ 5949-2018 (действует с 1 февраля 2019 года). Прокат мартенситного класса по примечанию к п. 7.1.5 поставляют только термически обработанным — отожжённым или отпущенным. Твёрдость в этом состоянии по таблице 1:

• 40Х13 — 143–229 HB;
• 95Х18 — не более 269 HB.

Механические свойства на растяжение у 40Х13 и 95Х18 стандарт не контролирует. Вместо них п. 7.1.6.2 нормирует твёрдость HRC на образцах, вырезанных из термически обработанных заготовок. Это и есть приёмочный критерий металла: он показывает, набирает ли плавка нужную твёрдость при штатном режиме.

Закалка и отпуск

Рекомендуемые режимы для образцов — таблица 2 ГОСТ 5949-2018:

Что добавляют паспорта производителей:

• Растворение карбидов. Для X39Cr13 (1.4031) Deutsche Edelstahlwerke указывает закалку с 950–1050 °C на воздухе или в масле и требует выдержки, достаточной, чтобы карбиды перешли в раствор. После закалки и отпуска при 200 °C твёрдость 1.4031 — не выше 52 HRC, у X46Cr13 (1.4034) — не выше 55 HRC.
• Интервал 400–600 °C. Для 1.4031 производитель прямо советует его обходить из-за выделения нежелательных фаз. Промежуточную твёрдость отпуском в этом интервале не получают.
• Отпуск сразу. Для 440C (BÖHLER N695) — закалка с 1000–1050 °C с выдержкой 15–30 мин после прогрева, охлаждение примерно до 30 °C и отпуск сразу — при 100–200 °C, не менее 2 ч и из расчёта 1 ч на 20 мм толщины. Достижимая твёрдость — 58–60 HRC.

Остаточный аустенит. У высокоуглеродистых сталей температура конца мартенситного превращения лежит ниже 0 °C, и после закалки в структуре остаётся аустенит, который снижает твёрдость (лекции ТПУ). Для этого применяют обработку холодом сразу после закалки с последующим низким отпуском; прирост обычно 1–4 HRC. ТПУ называет её для деталей подшипников, точных механизмов и мерительного инструмента — это как раз область 95Х18. Нужна ли она конкретной детали, решает термист.

Как переводить HRC в HV и HB и почему твёрдость меряют на образце, а не на тонкой кромке, — в статье «Твёрдость HRC, HB, HV».

Коррозионная стойкость и отпуск

Приложение А ГОСТ 5632-2014 для 30Х13 и 40Х13 оговаривает: сталь применяют после закалки и низкого отпуска со шлифованной и полированной поверхностью. Для 95Х18 — после закалки с низким отпуском.

Паспорт 1.4034 объясняет, почему так. Хром связывается углеродом в карбиды, рядом с ними образуются обеднённые хромом участки. Поэтому в отожжённом или перегретом при отпуске состоянии сталь, где важна коррозия, применять не следует. Лучшая стойкость — у закалённой стали с полированной поверхностью.

Пределы стойкости по паспортам 1.4031 и 1.4034:

• Среды. Стойкость хорошая в умеренно агрессивных средах без хлоридов — мыла, моющие средства, органические кислоты; у 1.4034 — ещё вода и пар.
• Хлориды. Стойкость паспорта обещают только в средах без хлоридов, поэтому морская вода, рассолы и хлорсодержащая мойка — не для этих марок.
• МКК. 1.4034 не стойка к межкристаллитной коррозии ни в состоянии поставки, ни после сварки.

Резание, шлифование и сварка

Резание. Обрабатываемость мартенситных нержавеющих сталей определяется твёрдостью: 1.4031 и 1.4034, по данным производителя, режутся как углеродистые стали той же твёрдости. У 1.4034 обрабатываемость оценена как плохая, у 1.4031 — как средняя. Основной съём делают в состоянии поставки (отжиг или отпуск), оставляя припуск на коробление при закалке.

Шлифование. Окончательные размеры и кромку получают шлифованием после закалки и отпуска — этого требует и ГОСТ 5632 для лучшей коррозионной стойкости. Отпуск был низким, 200–300 °C, поэтому прижог, нагревающий поверхность выше температуры отпуска, отпускает её и снижает твёрдость. Режим шлифования и охлаждение подбирают так, чтобы прижогов не было.

Сварка. Производитель 1.4034 пишет, что её обычно не сваривают, иногда паяют, и оценивает свариваемость как плохую; 1.4031, по его данным, как правило, не сваривают. Если без неразъёмного соединения не обойтись, выбирают пайку или механическое крепление, а технологию согласуют с термистом. Для сварных деталей с умеренной коррозией подходит 20Х13 с подогревом и отпуском, для агрессивных сред — аустенитные стали.

Где применяют и что выбрать

Назначение по приложению А ГОСТ 5632-2014:

Практический выбор:

• Нужна наибольшая твёрдость и износостойкость — 95Х18: выше твёрдость и хром, но сложнее термообработка — возможен остаточный аустенит.
• Нужна кромка средней твёрдости, пружинящий элемент, мерительный инструмент — 40Х13.
• Нужна прочность вала или оси при ударной нагрузке — не эти марки, а 20Х13 после улучшения.
• Нужна износостойкость без требований к коррозии — сравните с инструментальными сталями: выбор марок там шире.

Масса заготовки

Плотность в паспортах производителей: 7,70 кг/дм³ у X39Cr13 (1.4031) и 7,7 кг/дм³ у 440C (BÖHLER N695). Эти значения, 7700 кг/м³, приняты для 40Х13 и 95Х18 в калькуляторе массы металла. Это плотность ближайших аналогов: в ГОСТ 5632-2014 плотности нет.

Пример. Круг 95Х18 диаметром 30 мм, длина 1 м: m = 3,1416 · 0,030² / 4 · 1 · 7700 ≈ 5,44 кг. По плотности углеродистой стали 7850 кг/м³ вышло бы 5,55 кг — на 2 % больше.

Аналоги

Точных аналогов нет — сравнивайте по составу.

• 40Х13 ↔ X39Cr13 (1.4031) — ближайшая марка по EN 10088-3: углерод 0,36–0,42 %, хром 12,5–14,5 % по паспорту производителя. Более углеродистая X46Cr13 (1.4034) — 0,43–0,50 % C. Обе производитель соотносит с AISI 420: одно обозначение покрывает марки с разным углеродом, поэтому «420» без указания углерода замену не определяет.
• 95Х18 ↔ AISI 440C / X105CrMo17 (1.4125) — по назначению ближе всего. Но у 440C есть молибден: типовой состав BÖHLER N695 — 1,05 % C, 16,7 % Cr, 0,5 % Mo. В 95Х18 молибдена нет, а углерода 0,90–1,00 %.

Для ответственной детали замену согласует конструктор по сертификату на конкретную плавку и по нормам твёрдости после термообработки.