Круг 40Х: Сталь конструкционная легированная хромистая. Полный технический анализ
Круг 40Х представляет собой один из наиболее распространенных видов калиброванного и горячекатаного проката из конструкционной легированной стали. Маркировка расшифровывается следующим образом: цифра 40 указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента (около 0.40%), а буква «Х» обозначает легирование хромом, содержание которого обычно составляет 0.8-1.1%. Данная марка относится к группе сталей, предназначенных для изготовления деталей, подвергающихся улучшению (закалке с высоким отпуском), что позволяет достичь оптимального сочетания высокой прочности, достаточной пластичности и вязкости.
Химический состав (по ГОСТ 4543-2017)
Точный химический состав является фундаментальным параметром, определяющим технологические и механические свойства круга 40Х. Состав регламентирован государственными стандартами и может незначительно варьироваться у разных производителей в пределах установленных норм.
| Элемент | Содержание, % | Влияние на свойства |
|---|---|---|
| Углерод (C) | 0.36 — 0.44 | Определяет базовую прочность и твердость. Обеспечивает способность к упрочнению при закалке. |
| Кремний (Si) | 0.17 — 0.37 | Повышает упругость, прочность, улучшает прокаливаемость. Является раскислителем. |
| Марганец (Mn) | 0.50 — 0.80 | Повышает прокаливаемость, снижает риск перегрева, борется с вредным влиянием серы. |
| Хром (Cr) | 0.80 — 1.10 | Ключевой легирующий элемент. Значительно повышает прокаливаемость, способствует образованию карбидов, увеличивает стойкость к износу и сопротивление усталости. |
| Никель (Ni) | до 0.30 | Допустимая примесь. Повышает вязкость и прочность. |
| Медь (Cu) | до 0.30 | Допустимая примесь. |
| Сера (S) | не более 0.035 | Вредная примесь. Снижает пластичность и вязкость, способствует красноломкости. |
| Фосфор (P) | не более 0.035 | Вредная примесь. Повышает хладноломкость, снижает пластичность. |
Основные механические свойства в состоянии поставки и после термообработки
Свойства круга 40Х кардинально зависят от состояния, в котором он поставляется (горячекатаный, калиброванный, отожженный) и, главным образом, от последующей термообработки. В состоянии поставки (без термообработки) сталь имеет структуру сорбита или феррито-перлита и относительно невысокие показатели прочности.
Свойства после улучшения (закалка + высокий отпуск)
Оптимальные свойства достигаются после термоулучшения: закалка в масле с температуры 840-860°C и последующий высокий отпуск при 500-600°C. Это обеспечивает структуру сорбита отпуска.
| Параметр | Значение (мин.) | Примечания |
|---|---|---|
| Предел прочности (σв) | 800 МПа | Фактически может достигать 900-1000 МПа. |
| Предел текучести (σ0.2) | 650 МПа | Важнейший параметр для расчета конструкций. |
| Относительное удлинение (δ5) | 12% | Показатель пластичности. |
| Относительное сужение (ψ) | 45% | Показатель пластичности. |
| Ударная вязкость (KCU) | 0.5 МДж/м² | Показатель сопротивления динамическим нагрузкам. |
| Твердость по Бринеллю (HB) | 235-262 HB | Соответствует 22-25 HRC. |
Технологические свойства и особенности обработки
- Обрабатываемость резанием: В отожженном состоянии (твердость 179-207 HB) сталь 40Х обрабатывается хорошо. После улучшения (твердость ~250 HB) обрабатываемость удовлетворительная, требует применения твердосплавного инструмента.
- Свариваемость: Ограниченно свариваемая. Требует предварительного подогрева до 200-300°C и последующего отпуска. Рекомендуется для изготовления сварных конструкций только после последующей полной термообработки. Наиболее применимы РДС и АДС под флюсом.
- Склонность к флокенообразованию: Имеет умеренную склонность. Крупногабаритный прокат требует контролируемого охлаждения после прокатки или ковки.
- Прокаливаемость: Благодаря хрому, прокаливаемость стали 40Х выше, чем у углеродистых сталей. Сквозная прокаливаемость в масле достигается для сечений до 25-30 мм.
- Валопроводы и оси: Валы редукторов, насосов, турбин средних мощностей, шпиндели, оси, пальцы, штоки, не требующие предельно высокой поверхностной твердости.
- Крепежные изделия: Ответственный крепеж высокого класса прочности (болты, шпильки, гайки класса прочности 8.8 и выше), работающий при повышенных температурах (до 400-450°C).
- Зубчатые колеса (шестерни): Цилиндрические и конические шестерни средних размеров и нагрузок, после улучшения или поверхностной закалки ТВЧ.
- Детали арматуры и трубопроводных систем: Шпиндели задвижек, штоки клапанов, элементы силовых приводов.
- Инструмент: Слесарно-монтажный инструмент (ключи, клещи), штампы холодной штамповки простой формы.
Основные области применения круга 40Х в энергетике и смежных отраслях
Круг 40Х используется для изготовления ответственных деталей, работающих под значительными нагрузками, в условиях циклического нагружения и умеренного износа.
Поставка и сортамент
Круг 40Х поставляется по ГОСТ 2590-2006 (горячекатаный) и ГОСТ 7417-75 (калиброванный). Диаметр горячекатаного круга: от 5 до 270 мм. Диаметр калиброванного круга (прутка): от 3 до 100 мм. Калиброванный прокат имеет более точные размеры, лучшее качество поверхности и часто поставляется в нагартованном или отожженном состоянии для улучшения обрабатываемости. Также возможна поставка по ТУ или иностранным стандартам (например, DIN 41Cr4, AISI 5140).
Альтернативные и аналогичные марки сталей
| Страна/Стандарт | Аналог | Примечания |
|---|---|---|
| Германия (DIN) | 1.7035, 41Cr4 | Практически полный аналог. |
| США (AISI/SAE) | 5140 | Близкий аналог, возможны незначительные отклонения по составу. |
| Япония (JIS) | SCr440(H) | Близкий аналог. |
| ЕС (EN) | 1.7035 | Полный аналог. |
Для случаев, когда требуются более высокие прочностные характеристики или прокаливаемость, рассматривают стали с дополнительным легированием: 40ХГ, 40ХН, 40ХФА, 38ХА. При возможности снижения прочности, но для улучшения обрабатываемости резанием, могут применяться свинцовистые аналоги (например, 40ХС).
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем отличается круг 40Х от круга 45?
Сталь 45 – углеродистая качественная конструкционная сталь (около 0.45% С). Ключевое отличие – отсутствие хрома. Это приводит к существенно более низкой прокаливаемости (сквозная прокалка в воде только для сечений до 10-12 мм), меньшей прочности и износостойкости после термообработки. Круг 40Х, благодаря легированию, обеспечивает лучший комплекс механических свойств в сечениях до 30-40 мм и чаще применяется для более ответственных деталей.
Какую термообработку обязательно проводить для деталей из круга 40Х?
Для реализации потенциала стали обязательной является операция улучшения (закалка+высокий отпуск). Поставка в состоянии «без термообработки» (горячекатаный прокат) предназначена для последующей механической обработки и окончательной термообработки заказчиком. Для некоторых некритичных деталей или для улучшения обрабатываемости может применяться предварительный отжиг.
Каковы предельные рабочие температуры для круга 40Х?
После улучшения сталь 40Х может длительно работать при температурах до 400-450°C без значительного снижения механических свойств (явление отпускной хрупкости требует учета). При температурах выше 500°C прочность начинает резко падать. Для низких температур предел хладностойкости (ударная вязкость более 0.3 МДж/м²) составляет около -20°C, что ограничивает ее применение в условиях арктического климата без специальных мер.
Можно ли использовать круг 40Х для изготовления сварных конструкций?
Да, но с существенными ограничениями. Свариваемость стали 40Х – ограниченная. Рекомендуется дуговая сварка с предварительным подогревом до 200-300°C и обязательным последующим высоким отпуском для снятия закалочных напряжений в зоне термического влияния. Конструкции, работающие под динамическими и вибрационными нагрузками, требуют особого подхода к проектированию сварных швов.
Что означает обозначение «40Х-Ш» в сортаменте?
Индекс «Ш» означает, что сталь произведена и поставляется для последующей переработки в подшипники (шариковых и роликовых). Сталь 40Х-Ш (или ШХ) имеет более жесткие требования по содержанию неметаллических включений, карбидной неоднородности и полосчатости по микроструктуре, что обеспечивает высокую контактную выносливость и износостойкость. Обычный круг 40Х таких требований не имеет.
Как правильно выбрать режим резания при обработке круга 40Х после улучшения?
При твердости 230-260 HB рекомендуется использовать твердосплавный инструмент (например, марки Т5К10, Т15К6 для черновой и получистовой обработки, ВК8 для обработки поверхностей без удара). Скорость резания – средняя (70-120 м/мин при точении), подача умеренная. Необходимо обеспечить эффективное охлаждение эмульсией для отвода тепла и предотвращения наклепа. Для получения высокой чистоты поверхности на чистовых операциях может потребоваться применение инструмента с износостойкими покрытиями (TiN, TiAlN).