Сталь 40Х: характеристики, расшифровка маркировки, состав и свойства сплава

Сталь 40Х – марка легированной стали с примесью хрома, что указанно в маркировке буквой Х – хром. Отличается высокой прочностью и устойчивости к коррозии. Это свойство обеспечивает примесь хрома, который окисляется при контакте с воздухом образуя оксидную пленку. Она защищает сталь от контакта с кислородом, что не дает ей ржаветь. Хром – редкоземельный металл, поэтому стоимость стали марки 40Х немного выше аналогов без хромовой примеси.

Расшифровка маркировки

Число в названии стали 40Х указывает на процентную массовую долю углерода (C) в составе материала. Эта марка в среднем содержит 0,4% углерода на грамм, согласно ГОСТ 4543-2016 доля элемента в составе стали находится в пределах 0,36-0,44 %. Буквенный символ является аббревиатурой и первой буквой названия легирующего элемента, Х – хром (Cr), его массовая доля в составе находится в пределах 0,8 – 1,1 %.

Характеристики марки

Представленная марка входит в группу так называемых конструкционных легированных типов стали. Содержание добавок, которые усиливают механические свойства сплава, повышает устойчивость к коррозии. При этом, она уступает по антикоррозийным свойствам привычной нержавейке. Углерод в составе придает материалу высокую прочность и твердость. Хром эти свойства увеличивает. Однако, из-за своего состава данная сталь плохо поддается сварке. Также является флокеночувствительной. К тому же, она склонна к хрупкости отпускного типа.

Ковать данный материал можно при 1250-800 градусов по Цельсию. Охлаждать сталь после ковки рекомендуется только естественным путем, на воздухе. Применение воды для данной цели нерационально из-за высокой флокеночувствительности марки.

Флокеные дефекты возникают при охлаждении стали 40Х в водной среде, так как природа данного дефекта связана именно с повышенным содержанием водорода. Поэтому рекомендуется проводить охлаждение на открытом воздухе. Флокены являются дефектами внутреннего строения стали в виде пятен серебристо-белого цвета. Их наличие в строении ухудшают пластичность и вязкость стали, делают ее менее прочной. Это приводит понижению срока службы изделия, внезапным поломкам и авариям на ключевых узлах.

Химический состав

Основная доля массы состава стали приходится на железо (Fe) – до 97%, 0,4% приходится на углерод и до 1,1% на хром. Помимо основных компонентов присутствуют доли:

• марганца (Mn) – до 0,5-0,8%;
• кремния (Si) – 0,17-0,37%;
• фосфора (P) – не более 0,035%;
• никеля (Ni) – не более 0,3% ;
• серы (S) – не выше 0,035%;
• азот (N) – не более 0,008%;
• меди (Cu) – не более 0,3%.

Физико-механические свойства

Представленные ниже в таблице свойства не постоянны. Влияние на них оказывает температура материала. Чем она выше, тем больше возрастают удельное сопротивление, коэффициент линейного расширения и удельная теплоемкость. При этом нагревание снижает плотность, модуль упругости и коэффициент теплопроводности. Эти качества используют в тех сферах применения металла, где они могут сделать материал выгоднее и эффективнее.

Модуль Юнга или модуль упругости стали 40Х при температуре 20°C равен 214000 Мпа.

Отдельно стоит выделить показатель удельного электросопротивление, равный 218 нОм*м, при температуре 20°С. Благодаря этому показателю материал плохо проводит электричество. Данный параметр дает возможность производить из металла детали для устройств в местах с расположением электрооборудования без дополнительной изоляции, так как разорвать дугу при коротком замыкании не составит больших проблем.

Технологические свойства

Сталь 40Х относится к трудносвариваемым материалам с высокой флокеночувствительностью и склонностью к отпускной хрупкости. Соответственно, она чрезвычайно требовательна к технологии обработки и других манипуляций с материалом. Так, чтобы препятствовать растрескиванию и появлению в структуре флокенов, необходимо соблюдать строгий температурный режим при выплавке, ковке и работе с материалом. Аналогичным образом решается и склонность материала к отпускной хрупкости – вероятность возникновения дефектов стремится к нулю при соблюдении технологии термообработки.

Сварка и ковка

Марка пригодна для ручной дуговой и аргонодуговой сварки. Чтобы прочность шва, полученного в результате сварки, была выше, рекомендуется проводить подогрев и последующую термообработку. При использовании в сварочных работах электродуговой сварки применяются вольфрамовые электроды. Допускается контактная сварка точечным методом, однако при этом необходимо строго следить за тем, чтобы температура не выходила за пределы допустимого диапазона.

Материал поддается ковке при температурах начала в 1250 градусов Цельсия и окончанием в 850 градусов. Охлаждать изделие необходимо строго в воздушной среде, потому что при водяном охлаждении сталь трескается и возникает риск возникновения флокенов.

Обработка стали 40Х

Термическая обработка материала призвана оптимизировать и улучшить структуру поверхности сплава и сделать надежнее процесс дальнейшей сварки изделий. Так как изначальная заготовка сваривается плохо, сплав при помощи термической обработки делают более универсальным: улучшают его технологические свойства. Для этих целей применяют несколько видов обработки.

Закалка

Закаляют сталь 40Х при температуре 840-875°С, охлаждают в масляной среде. Данная технологическая обработка дает возможность значительно улучшить поверхностную структуру изделия. Это делает металл пригодным для электродуговой, шлаковой и точечной сварки. Масло используется для мягкого охлаждения стали при его закалке.

Охлаждение

Данный технологический процесс также осуществляется в масляной среде. Еще один возможный вариант – остужать продукт на открытом воздухе. Охлаждать сталь 40Х в воде не рекомендуется, потому что при резком водном охлаждении образуются флокены – дефекты в виде трещин, которые не видны снаружи, однако снижают однородность внутренней структуры изделия.

Отпуск

Технологический процесс направлен на устранение внутреннего напряжения. Если технология соблюдена, твердость изделия повышается. Она увеличивается до 217 НВ, при снижении внутреннего напряжения материала. Если закалка требует температуры 860 градусов Цельсия, то для отпуска достаточно 500 градусов, а среда охлаждения, по ГОСТ 4543-2016, может быть как масло так и вода. Как итог – улучшаются технические свойства стали, она становится податливой к сварке, устраняются производственные дефекты структуры. Однако, несмотря на улучшение свариваемости металла, свариваемый участок необходимо предварительно разогреть.

Особенности термообработки

Термическая обработка материала требует учитывать специфику сплава, в частности:

1. Химический состав.
2. Температуру плавления.
3. Критические точки нагрева.
4. Наличие и процентное содержание примесей.

Для максимальной оптимизации технических свойств сплава, ГОСТ 4543-2016 предписывает оптимальные температурные режимы работы. Так для закалки требуется масляная среда и рабочая температура в 860 градусов, а для отпуска 500°C и среда охлаждения вода или масло. На выходе получается увеличение показателей твердости стали до 217 Мпа, прочностного предела на разрыв в 980Н/м² и ударной вязкости до 59 джоулей на сантиметр квадратный.

Применение

Материал применяется во многих сферах промышленности и народного хозяйства. Из данной марки стали изготавливают ключевые узлы механизмов и устройств, на которых приходится значительная нагрузка. Так из стали 40Х могут изготавливать осевые и коленчатые валы, шестерни, болты, рейки, втулки и другие детали повышенной прочности. Благодаря огромному запасу прочности данные детали имеют исключительный срок эксплуатации, поэтому используются в узлах, не предполагающих регулярный ремонт и замену.

Из металлопрокатной заготовки изготавливаются:

• роторы для паровых турбин;
• отопительные трубы;
• различные валы;
• запчасти крепежа;
• фурнитура.

Листовая заготовка пригодна для штамповки и подходит для применения как горячего, так и холодного технологического метода. Нередко листовая сталь 40Х выступает материалом для изготовления корпусной обшивки механизмов и каркасных изделий. Так, например, из нее изготавливаются детали основных частей арматуры атомных станций. Поставляется данный продукт в виде кускового металла, который дальнейшем обрабатывают горячим штампованием. Предел температурного применения данной заготовки не превышает +500 градусов.

Еще одна сфера, где задействуется сплав, – это производство медицинских инструментов. В частности, из нее делают скальпели. Она не ржавеет и отличается твердостью, достигаемой за счет большого содержания углерода. Поэтому клинок скальпеля получается очень острым и долго не тупится. Кроме того, за ним легко ухаживать и поддерживать в стерильном состоянии.

Аналоги 40Х

У представленной марки стали много аналогов как отечественного, так и зарубежного производства. Минимум шесть аналогов производится только на территории России: 38ХА; 40ХС; 40ХР; 40ХФ; 45Х и 40ХН. Данные аналоги практически идентичны по физико-механическим свойствам рассматриваемой марки стали 40Х. Однако присутствуют отличия. Так сталь 45Х содержит повышенный процент углерода и выделяется большей твердостью. А стали марок ХС, ХР, ХФ и ХН выделяются наличием дополнительных примесей, например, добавлением никеля.

Из зарубежных аналогов идентичную сталь можно найти в:

• Англии – 37Cr4, 41Cr4, 530A36, 530A40, 530H36, 530H40, 530M40.
• Испании – 37Cr4, 38Cr4, 38Cr4DF, 41Cr4, 41Cr4DF, 42Cr4, F.1201, F.1202, F.1210, F.1211.
• США – 5135, 5140, 5140H, 5140RH, G51350, G51400, H51350, H51400.
• Германии – 1.7034, 1.7035, 1.7045, 37Cr4, 41Cr4, 41CrS4, 42Cr4.
• Японии – SCr435, SCr435H, SCr440, SCr440H.
• Франции – 37Cr4, 38C4, 38C4FF, 41Cr4, 42C4, 42C4TS.
• Китае – 35Cr, 38CrA, 40Cr, 40CrA, 40CrH, 45Cr, 45CrH, ML38CrA, ML40Cr.
• Швеции – 2245.
• Чехии – 14140.

Цена в России

Цена изделия варьируется от 43 до 160 рублей за кг. Так самое дешевое изделие представляет собой горячекатаный круг размерами от 10 до 100 мм. Наиболее дорогое изделие представлено аналогичным кругом, но с размерами заготовки от 310 до 500мм, их называю поковками. Производство материала регулируется ГОСТ 2590-88 – стержень с круглым сечением. Поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали соответствует ГОСТ 8479-70.