Термическая обработка стали 40Х: экспертное руководство для технологов - MetallurgPro

Сталь 40Х — широко применяемая конструкционная легированная хромистая сталь (аналог 40Cr/5140) для валов, осей, зубчатых колёс, шпилек, штоков, муфт и деталей общего машиностроения. Баланс 0,4% C и ~1% Cr обеспечивает хорошую прокаливаемость и способность к поверхностному упрочнению при приемлемой вязкости после высокого отпуска. Ключ к ресурсу 40Х — корректная цепочка «нормализация → закалка → высокий отпуск» с дисциплиной по выбору температуры, выдержки и среды, а также грамотное применение ТВЧ/нитрирования.

Норматив и химический состав

Состав и качество регулируются действующими редакциями стандарта на легированные конструкционные стали и сортамент проката. Ниже — сводные рамки по составу (мас. %).

Элемент	%	Роль
C	0,36–0,44	Прочность/твёрдость
Cr	0,80–1,10	Прокаливаемость, карбиды
Mn	0,50–0,80	Дезокс., прокаливаемость
Si	0,17–0,37	Прочность матрицы
Ni	≤0,30	Допустимая примесь
P, S	≤0,035 (тип.)	Хладноломкость
Cu	≤0,30	Допустимая примесь

По качеству стали (обыкновенная/качественная/высококачественная) ужесточаются нормы по S и P; для отдельных исполнений могут устанавливаться уточнённые пределы по Si и следам Mo, V.

Критические точки и ковка

Параметр	°C	Комментарий
Ac₁	≈743	Начало аустенитизации
Ac₃	≈780–815	Полная аустенитизация
Ar₁/Ar₃	≈693/≈730	Обратные точки
Ковка	≈1250 → 800	Начало → конец деформации

Режимы нагрева строят с запасом к Ac₃ для равномерной аустенитизации и контролем роста зерна. Перегрев ведёт к огрублению зерна и снижению ударной вязкости; недогрев — к недорастворению карбидов и недобору твёрдости после закалки.

Базовые режимы термообработки

Цель	Нагрев	Выдержка	Охлажд.	Результат	Применение
Нормализация	860–900 °C	по сечению	Воздух	Мелкое зерно, выравнивание	Перед сваркой/мехобработкой
Закалка	830–860 °C	10–40 мин	Масло/полимер*	Мартенситная матрица	Базовая операция «улучшения»
Отпуск высокий	540–600 °C	1–3 ч	Воздух	Сорбит отпуска, баланс σ–δ–KCU	«Улучшение» деталей
Отжиг смягчающий	750–780 °C → 680–700 °C	медленно	С печью	HB↓ для резания	Перед ЧПУ/шлиф.
Снятие напряжений	520–600 °C	0,5–2 ч	С печью/воздух	Стабилизация формы	После сварки/ТО
ТВЧ закалка	~900–980 °C	секунды	Распыл/масло	Поверхн. слой HRC 50–58	Зубья, шейки валов

*Для тонких сечений допустимо интенсивное воздушное охлаждение; для массивных — масло/полимер предпочтительнее воды, чтобы снизить риск трещин.

Отпуск: ориентиры по твёрдости

t отпуска	Время	Ориентир HRC
200–250 °C	1–2 ч	~48–52
300–350 °C	1–2 ч	~43–48
500–550 °C	1–3 ч	~28–35
560–600 °C	1–3 ч	~25–32

Для ресурса в ударно-циклических нагрузках предпочтителен высокий отпуск 560±20 °C; длительные выдержки в зоне 300–450 °C нежелательны из-за отпускной хрупкости и риска снижения ударной вязкости.

Свойства после улучшения (ориентиры)

Сечение	σ_0.2, МПа	σ_в, МПа	HB
~40 мм	~700–760	~900–980	~285–320
~80 мм	~660–720	~880–950	~270–310
~120 мм	~620–700	~850–930	~260–300

Фактические цифры зависят от состава плавки, состояния поставки, эквивалентного диаметра и реальных кривых нагрева/охлаждения конкретной печи.

Выбор среды закалки

Среда	Плюсы	Риски
Масло	Умеренная интенсивность Хорошо для средних сечений	Дым/пожароопасность Неравномерность при крупных партиях
Полимер	Регулируемая интенсивность Снижение трещиноопасности	Контроль концентрации/температуры Стабильность ванны
Вода	Максимальная интенсивность Для мелких сечений/ТВЧ	Риск трещин/коробления Пара/«кипящее» пленочное охлаждение

ТВЧ и поверхностное упрочнение

40Х хорошо отвечает на ТВЧ: глубина упрочнённого слоя задаётся частотой и скоростью сканирования, типовой диапазон твёрдости поверхности 50–58 HRC, подслой — троостит/сорбит отпуска. Для зубчатых венцов, шеек валов и кулачков применяют быстрый распылительный охлад и низкий отпуск 180–220 °C (1–2 ч) для снятия внутренних напряжений без значимого снижения HRC.

Нитроцементация и нитрирование

Процесс	t, °C	Время	Слой	Эффект
Нитроцементация	560–590	2–6 ч	0,2–0,6 мм	Износ/усталость ↑, коррозия ↑
Газ. нитрирование	500–540	10–30 ч	0,2–0,5 мм	Твёрдый нитридный слой, микропрофиль

Перед химико-термической обработкой — улучшение и высокотемпературный отпуск; после — минимальный низкий отпуск по требованию чертежа.

Сварка и последующая термообработка

Свариваемость 40Х — ограниченная; необходим подогрев 150–250 °C и межслойная температура по расчёту, предпочтительно малотепловые процессы.
После сварки — местный отпуск/снятие напряжений 520–600 °C (0,5–2 ч); при ответственных узлах — нормализация с последующим отпуском по расчёту.
Контроль — УЗК/РК, карта твёрдости (металл шва/ЗТВ/осн. металл), геометрические деформации.

Процессные карты: примеры

Вал Ø60–80 мм, «улучшение»

Этап	Параметры	Контроль
Нормализация	880–900 °C, воздух	Зерно, HB 180–220
Закалка	840–860 °C, масло/полимер	Трещин нет, деформации в допуске
Отпуск	560–590 °C, 2 ч	HB 280–320; σ_в ~ 900–980 МПа

Зубчатое колесо, ТВЧ

Этап	Параметры	Контроль
Нагрев ТВЧ	~920–960 °C, секунды	Глубина слоя по макро/микро
Охлаждение	Распыл/масло	Отсутствие сетки трещин
Отпуск	180–200 °C, 1–2 ч	HRC 50–58 по поверхности

Нитроцементация улучшенного штока

Этап	Параметры	Контроль
База	Закалка 840–860 °C → отпуск 560–580 °C	HB 280–320
НЦ-обработка	560–590 °C, 3–6 ч	Толщина 0,3–0,5 мм
Финиш	Низкий отпуск 180–200 °C	Износ/усталость по ТЗ

Контроль качества после ТО

Показатель	Метод	Критерий
Твёрдость	HB/HRC	После улучшения HB ≈ 280–320
Механика	σ_0.2, σ_в, δ	По ТЗ/сечению
Структура	Металлография	Сорбит отпуска, без перегрева
Деформации	Измерит. контроль	Стрелы/овальность в допуске
Поверхность	Капилляр/ВИК	Сетчатых трещин нет

Типичные ошибки и как их избежать

Перегрев при аустенитизации → укрупнение зерна, падение KCU. Решение: нагрев в узком окне 830–860 °C, выдержка по сечению, термопары в массиве.
Вода для массивных деталей → трещины/коробление. Решение: масло/полимер, контроль температуры и перемешивания, ступенчатый нагрев.
Долгая выдержка 300–450 °C → отпускная хрупкость. Решение: исключать «долгие полки», ускорять прохождение опасного интервала.
Отсутствие снятия напряжений после сварки → холодные трещины, дрейф геометрии. Решение: подогрев, межслойный контроль, отпуск 520–600 °C.
Игнорирование обезуглероживания при печной ТО → мягкая корка. Решение: защитные атмосферы/упаковка, припуски под шлифование.

Заключение

40Х надёжно закрывает широкий спектр задач при корректной термообработке. Универсальная стратегия — нормализация для выравнивания, закалка 830–860 °C в масло/полимер и высокий отпуск 560±20 °C до HB ~ 280–320. Для поверхностной выносливости — ТВЧ (HRC 50–58) с низким отпуском; для сочетания износа и коррозионной стойкости — нитроцементация/нитрирование после улучшения. Соблюдение температурных окон Ac₁/Ac₃, грамотный выбор среды и дисциплина по охлаждению обеспечивают прогнозируемые свойства и ресурс детали.