Стали 45 и 40Х — отличия, термообработка и что выбрать для вала

Что это за марки

Сталь 45 — среднеуглеродистая конструкционная сталь по ГОСТ 1050-2013. Число в марке — среднее содержание углерода в сотых долях процента. В таблице 1 стандарта она отнесена к нелегированным специальным сталям.

40Х — конструкционная легированная сталь по ГОСТ 4543-2016: 40 — углерод около 0,40 %, Х — хром до 1,5 % (по стандарту 0,80–1,10 %). Подробнее о правилах обозначения — в статье «Маркировка сталей».

Обе стали предназначены прежде всего для деталей, которые работают после термообработки.

Химический состав

Для 40Х указаны нормы качественной стали. Если сера и фосфор не выше 0,025 %, сталь относят к высококачественной и в марке добавляют букву А — 40ХА (таблица 2 ГОСТ 4543).

Механические свойства и термообработка

Стандарты нормируют свойства на образцах после определённой термообработки. Для стали 45 базовые нормы — после нормализации (ГОСТ 1050, таблица 4): σт ≥ 355 Н/мм², σв ≥ 600 Н/мм², относительное удлинение δ5 ≥ 16 %, сужение ψ ≥ 40 %.

По заказу для стали 45 нормируют свойства после закалки с отпуском (таблица 10). Значения зависят от размера проката:

Для 40Х таблица 8 ГОСТ 4543 задаёт режим и нормы: закалка 860 °C в масле, отпуск 500 °C с охлаждением в воде или масле, заготовка 25 мм. Нормы: σт ≥ 785 Н/мм², σв ≥ 980 Н/мм², δ5 ≥ 10 %, ψ ≥ 45 %, KCU ≥ 59 Дж/см².

Прокаливаемость: почему 40Х для крупных сечений

При закалке сердцевина массивной детали остывает медленнее поверхности. Если сталь недостаточно прокаливается, в центре не образуется структура закалки, и после отпуска прочность к сердцевине падает. Таблица 10 ГОСТ 1050 это показывает: у стали 45 с ростом размера проката от 16 до 100 мм нормы предела текучести снижаются с 490 до 375 Н/мм².

Хром в 40Х повышает прокаливаемость. При том же диаметре зона со структурой улучшения у неё глубже, свойства по сечению ровнее.

Закалка ТВЧ

Когда нужна твёрдая износостойкая поверхность — шейки валов под подшипники, шлицы, зубья — применяют поверхностную закалку токами высокой частоты. Сердцевина остаётся вязкой, обычно после предварительного улучшения.

Стандарты учитывают этот сценарий:

• ГОСТ 1050 (п. 7.2.29) позволяет заказать прокат из стали 45 для деталей под ТВЧ с ограниченным обезуглероженным слоем: не более 1,5 % диаметра на сторону (индекс 1С) или 0,5 % (2С). Обезуглероженный слой после закалки даёт пониженную твёрдость поверхности, поэтому для ТВЧ это важное требование.
• ГОСТ 4543 в примечаниях к таблице 8 оговаривает, что нормализацию перед закалкой для металлопродукции под ТВЧ проводят с согласия заказчика.

Глубину слоя и твёрдость поверхности задают на чертеже, режим подбирает термист под геометрию детали и индуктор.

Обрабатываемость и сварка

Обрабатываемость резанием определяется прежде всего состоянием поставки и твёрдостью. Нормы твёрдости в состоянии поставки:

• 45 (ГОСТ 1050, таблица 6, при заказе с нормируемой твёрдостью): горячекатаная без термообработки — не более 229 HB, после отжига или высокого отпуска — не более 197 HB;
• 40Х (ГОСТ 4543, таблица 6): после отжига, высокого отпуска или нормализации с высоким отпуском — не более 217 HB.

Черновую обработку удобнее вести в отожжённом состоянии. После улучшения на высокую твёрдость режимы резания приходится снижать — это закладывают в технологию и сроки.

Сварка обеих сталей требует отдельной технологии. Для ориентира: по формуле углеродного эквивалента из ГОСТ 19281 у стали 45 при средних значениях состава (без учёта остаточных элементов) получается около 0,58 %, у 40Х — около 0,71 %. Это заметно выше 0,43–0,46 %, при которых ГОСТ 19281 считает свариваемость гарантированной. Режим сварки, подогрев и последующую термообработку назначает технолог.

Что выбрать: валы, оси, шестерни

Производитель стали 41Cr4 — ближайшего европейского аналога 40Х — относит её к деталям привода: коленчатым валам, осям, поворотным кулакам, деталям рулевого управления. Для деталей, где 40Х не хватает прочности или прокаливаемости, переходят на стали с молибденом или никелем — это отдельный расчёт.

Аналоги

Аналоги для сталей 45 и 40Х есть в конвертере марок стали. Для 40Х взята 41Cr4: её типовой состав по паспорту Saarstahl — C 0,42 %, Cr 1,05 % — близок к 40Х, а SAE 5140 производитель указывает как международное обозначение 41Cr4. Все аналоги приближённые: у 40Х по ГОСТ хрома 0,80–1,10 %, и типовой хром 41Cr4 лежит у верхней границы этого диапазона. Для ответственных деталей сверяйте состав и нормы свойств по стандартам.

Массу заготовки для вала или шестерни посчитайте в калькуляторе массы металла.