40ХН — конструкционная легированная хромоникелевая сталь с повышенной прокаливаемостью и умеренной чувствительностью к отпускной хрупкости. Марка применяется для валов, осей, зубчатых колёс, шпинделей, штоков и крепёжных деталей, где требуется сочетание прочности, выносливости и ударной вязкости при разумной технологичности. Ключ к ресурсу этой стали — корректное «улучшение» (закалка + высокий отпуск), аккуратная нормализация для выравнивания структуры, управляемые режимы ТВЧ для поверхностного упрочнения и строгий контроль при сварке и ковке.
Норматив и состав
Химический состав регламентируется действующей редакцией стандарта на легированные конструкционные стали. Для 40ХН характерен диапазон углерода около 0,40% с легированием хромом и никелем, что обеспечивает понижение критических точек и развитие мартенситного превращения в более широком интервале сечений.
| Элемент | % | Функция |
|---|---|---|
| C | 0,36–0,44 | Твёрдость, прочность |
| Cr | 0,45–0,75 | Прокаливаемость, карбиды |
| Ni | 1,0–1,4 | Вязкость, прокаливаемость |
| Mn | 0,5–0,8 | Дезокс., прокаливаемость |
| Si | 0,17–0,37 | Прочность матрицы |
| P, S | ≤0,035 | Хладноломкость |
| Cu | ≤0,30 | Допустимая примесь |
Критические точки
Никель понижает температуры фазовых превращений, поэтому рабочие окна 40ХН смещены вниз относительно чисто хромистых сталей той же углеродистости.
| Параметр | °C | Замечание |
|---|---|---|
| Ac1 | ≈735 | Старт аустенитизации |
| Ac3/Acm | ≈768 | Полная аустенитизация |
| Ar1/Ar3 | ≈660/≈700 | Обратное превращение |
| Ms | ≈305 | Старт мартенсита |
Ковка и заготовка
- Диапазон ковки: начало ≈1250 °C, конец ≈830 °C; избегать пережога и глубокой сетки карбидов.
- Охлаждение поковок: до 50 мм — воздух; 51–200 мм — мульда; 200+ мм — с печью.
- Перед мехобработкой — нормализация или смягчающий отжиг для выравнивания структуры и твёрдости.
Базовые режимы термообработки
| Цель | Нагрев | Выдержка | Охлаждение | Результат | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| Нормализация | 870–910 °C | по сечению | воздух | Мелкое зерно, выравнивание | Перед сваркой/мехобработкой |
| Закалка | 820–860 °C | 10–40 мин | масло/полимер | Мартенситная матрица | Для крупных — двуступенчатый нагрев |
| Отпуск высокий | 540–600 °C | 1–3 ч | воздух | «Улучшение» | Баланс σ–δ–KCU |
| Отжиг смягчающий | 800–820 °C → 650 °C | медленно | с печью | Снижение HB | Перед резанием |
| Снятие напряжений | 550–600 °C | 0,5–2 ч | с печью/воздух | Стабилизация формы | После сварки/ТО |
| ТВЧ закалка | ~900–980 °C | секунды | распыл/масло | Закалённый слой | Отпуск 180–220 °C |
Свойства после улучшения
Ниже — ориентиры для проката после нормализации, закалки и высокого отпуска. Фактические показатели зависят от эквивалентного диаметра, состава плавки и параметров печи/охлаждения.
| Сечение | σ0.2, МПа | σв, МПа | HB |
|---|---|---|---|
| ≈40 мм | ~780 | ~960 | ~300–325 |
| ≈80 мм | ~730 | ~920 | ~300 |
| ≈120 мм | ~710 | ~910 | ~300 |
Сварка и отпускная хрупкость
- Свариваемость ограниченная: обязательный подогрев ≈100–120 °C, малотепловые технологии, межслойной температуры придерживаться расчётной.
- После сварки — местный или общий отпуск/низкотемпературное снятие напряжений.
- Склонность к отпускной хрупкости требует избегать длительной выдержки в диапазоне ≈300–450 °C и обеспечивать ускоренное прохождение через этот интервал при охлаждении с высоких отпусков.
ТВЧ и поверхностное упрочнение
Для зубчатых колёс, шеек валов и посадочных мест применяют нагрев ТВЧ с последующим распылительным охлаждением и низким отпуском 180–220 °C. Глубина закалённого слоя подбирается по расчёту выносливости; контроль — микротвёрдость по глубине, макроотпечаток и металлография на шлифах.
Процессные карты (примеры)
Вал Ø60–80 мм, классическая схема улучшения
| Этап | Параметры | Контроль |
|---|---|---|
| Нормализация | 880–900 °C, воздух | Зерно, HB 180–220 |
| Закалка | 840–860 °C, масло/полимер | Трещины — нет, деформации |
| Отпуск | 560–590 °C, 2 ч | HB 285–320, размеры |
| Снятие напр. | 550–570 °C, 1 ч | Стрелы прогиба |
Зубчатое колесо, ТВЧ
| Этап | Параметры | Контроль |
|---|---|---|
| Нагрев ТВЧ | ~920–960 °C, секунды | Темп., глубина слоя |
| Охлаждение | распыл/масло | Трещины, геометрия |
| Отпуск | 180–200 °C, 1–2 ч | HRC поверхности |
Контроль качества
| Показатель | Метод | Ориентиры |
|---|---|---|
| Твёрдость | HB/HRC | После улучшения HB ≈ 280–320 |
| Прочность | Стат. испыт. | σв ~ 900–1000 МПа |
| Вязкость | KCU/KCV | По ТЗ и температуре |
| Структура | Металлография | Сорбит отпуска, без перегрева |
| Деформации | Геометрия | Стрелы/овальность в допуске |
Типичные ошибки
- Перегрев при закалке → укрупнение зерна, повышенный γост, падение вязкости; держать нагрев в узком окне.
- Вода для массивов → риск трещин; предпочтительно масло/полимер, ступенчатые нагревы.
- Задержка в 300–450 °C → отпускная хрупкость; исключать длительные выдержки и обеспечить ускоренное охлаждение.
- Отсутствие подогрева при сварке → холодные трещины; обязателен подогрев и последующая термообработка.
- Нерегламентированная атмосфера → обезуглероживание; использовать контролируемые среды, соблюдать припуски на шлифование.
Заключение
40ХН раскрывает потенциал в широком диапазоне сечений при грамотно выстроенной цепочке «нормализация → закалка → высокий отпуск» и аккуратном применении ТВЧ для зубчатых и посадочных поверхностей. Сварка допустима лишь с подогревом и обязательным снятием напряжений. Критичны стабильная термометрия, контролируемые охлаждающие среды и дисциплина по исключению отпускной хрупкости. При соблюдении этих принципов марка обеспечивает предсказуемый ресурс, высокую выносливость и технологичность в серийном производстве.