По своим характеристикам сталь 40Х относится к группе среднеуглеродистых конструкционных легированных сталей. Выделяется среди других хорошей способностью к термической обработке. Входит в число наиболее популярных марок металла, используемых в различных узлах машиностроительного оборудования, где необходима повышенная износостойкость. Обладает высокой стойкостью к коррозии благодаря повышенному содержанию хрома.
Характеристики
Эксплуатационные параметры для стали 40Х определяются в странах СНГ требованиями межгосударственного ГОСТ 4543-2016. В указанном стандарте также представлен состав химических элементов других её модифицированных разновидностей: 40ХПМА, 40ХМФА, 40ХФР, 40XHМА, 40XH2МА, 40ХПНМ, 40ХГТР. Данные справы очень похожи и незначительно отличаются между собой по химическому составу.
Химический состав
Рассмотрим, из чего состоит 40Х. Перечень её компонентов, можно сказать, является основой для создания других подобных сплавов. Вместе с тем, в стандарте ГОСТ 4543-2016 чётко определено следующее процентное содержание химических элементов:
- углерод, % — от 0.36 до 0.44;
- кремний, % — от 0.17 до 0.37;
- марганец, % — от 0.50 до 0.60;
- хром, % — от 0.80 до 1.10.
Хром здесь является главным легирующим элементом. Он наделяет сплав антикоррозийными свойствами, соответствующей прочностью и твёрдостью. Как видно из состава, его доля вирируется от 0.8 до 1.1 %, от общей массы.
Cстандартом допускается небольшое количество: вольфрама (до 0.20 %), молибден (до 0.11 %) и ванадий (до 0.05 %), которые не считаются легирующими металлами, так как не влияют на основные эксплуатационные характеристики. Также в ней может находиться в виде остаточных примесей до 0.03 % титана.
В приведённый выше состав также могут входить следующие остаточные элементы, наличие которых вызвано особенностями металлургического производства (данные, приведённые ниже, соответствуют стали обыкновенного качества):
- cера, % – не более 0.035;
- фосфор, % – не выше 0.025;
- медь, % – не более 0.30;
- никель, % – не выше 0.30.
По согласованию с заказчиком процентное содержание никеля и меди допускается не указывать.
Физико-механические характеристики
Соответствуют образцам после горячей прокатки или ковки (при комнатной температуре):
- плотность, кг/м3 – 7850:
- предел прочности при растяжении, МПа – 610;
- предел текучести, МПа – 480;
- относительное удлинение при растяжении – 0,30…0,45 (диапазон показателей связан с ассортиментом прокатной продукции: меньшие значения соответствуют образцам после листовой прокатки);
- модуль упругости (Юнга), ГПа – 2140;
- ударная вязкость, Дж/см2 – 160;
- твёрдость по Бринеллю, НВ – не более 217 МПа;
- коэффициент температурного расширения (при 20 до 2000С) — 11,8×10-6 град -1.
При использовании готовых изделий в условиях знакопеременных и пульсирующих нагрузок определяется также предел выносливости стали, который составляет 240 МПа.
Условия производства
40Х доступна для массовой выплавки следующими способами: кислородно-конвертерным, мартеновским, а также в электрических дуговых или индукционных печах. При небольших партиях выпуска металла повышенного качества используют методы электрошлакового или плазменно-дугового переплава. Изготовленный таким образом металл характеризуется боле жёсткими допусками на содержание вредных металлургических примесей.
Термообработка
40Х отличается хорошей прокаливаемостью, которая полностью определяется режимами термической обработки. В зависимости от последующего применения готовых изделий используют:
- закалку при 850 0С в масле, с последующим высоким отпуском (конечная твёрдость – до 240…250 НВ);
- закалку при 850 0С в масле или воде, с последующим низким отпуском (конечная твёрдость – до 510…520 НВ);
- Нормализацию на твёрдость 170…220 НВ.
Для изготовления деталей зубчатых передач может быть применена закалка ТВЧ на твёрдость 58…60 HRC, однако после струйной закалки в воде или солевых растворах хрупкость металла резко возрастает, поэтому далее проводят отпуск до 53…56 HRC.
Технологические свойства
40Х считается относительно хрупкой, поэтому рекомендуется строго придерживаться температурно-временного диапазона отпуска. Хорошо поддаётся ковке на прессах или молотах, нагрев заготовок под ковку составляет 720…7600С. При этом, перегрев сопровождается ростом размера зёрна и увеличением вероятности появления трещин при деформации.
Теплостойкость неудовлетворительна, при 150…2000С на поверхности начинает формироваться тонкая плёнка окалины из окиси железа. В результате изделия быстро ржавеют, а их применение в движущихся частях и деталях машин сопровождается резким ростом коэффициента трения.
Дополнительная обработка
Полученная при производстве сталь поступает на продажу в виде сортового проката, листов, прутов и. др. Изделия из неё, для повышения соответствующих качеств, подвергаются последующей обработке. Таким образом, при производстве готовой продукции, увеличивают её прочность и износостойкость.
Например, в зависимости от сферы дальнейшего применения, изделия из 40Х могут проходить дополнительную химико-термическую обработку (цементацию) и поверхностную закалку. С помощью процедур имплантации ионов азота на поверхностности металла получают азотированный слой толщиной до 200 мкм, благодаря которому износостойкость изготовленной продукции увеличивается в разы.
Требования к дальнейшей обработке, в этом случае, многократно возрастают, а стоимость производства увеличивается.
Маркировка
В соответствии с ГОСТ 4543-2016 в начале обозначения марки стали приводят среднее количество углерода (в десятых долях процента, т.е., 40), а затем буквенное обозначение хрома Х – единственного легирующего элемента. Дополнительно, по требованию заказчика, в конце маркировки может быть указан способ выплавки.
Аналоги
40Х – весьма распространённая по своим характеристикам. Наиболее известны следующие её зарубежные аналоги:
- США, Канада – 5140, G51400$
- Евросоюз – 1.7035, 37Cr4, 41Cr4;
- Япония – SCr440;
- КНР – 40Cr, 40CrA.
Технические требования устанавливаются национальными стандартами и стандартами DIN.
Применение
Из-за низкой теплостойкости и твёрдости в качестве охотничьих или бытовых ножей 40Х не используется. Однако находит широкое применение при изготовлении метательных ножей и дротиков. Поскольку этот вид инструмента характеризуется особенной формой заточки кромки, имеет значение высокая прочность материала и его способность хорошо противостоять ударным нагрузкам. Кроме того, она легко полируется, поэтому изделия могут быть оперативно восстановлены до своего прежнего состояния.
На предприятиях российской промышленности из данной стали производят валы, оси, зубчатые колёса и шестерни, и другую продукцию аналогичного назначения.
