Сталь 40Х13: характеристики, аналоги, твёрдость и применение

Класс и химический состав 40Х13

Марка читается так: 40 — около 0,40 % углерода (по стандарту 0,36–0,45 %), Х13 — около 13 % хрома. Прежнее обозначение — 4Х13. ГОСТ 5632-2014 относит 40Х13 к мартенситному классу, порядковый номер марки 1-18. По назначению это только коррозионно-стойкая сталь: в графах «жаростойкая» и «жаропрочная» таблицы 1 у неё прочерк. У 12Х13 и 20Х13 стандарт допускает и применение как жаропрочных.

Марочник сталей и сплавов до сих пор приводит состав по ГОСТ 5632-72: углерод 0,35–0,44 %, кремний и марганец — до 0,60 %. Если сертификат ссылается на старую редакцию, пределы по этим элементам в нём другие — сверяйте, по какому стандарту указан анализ плавки. Чем 40Х13 отличается от 20Х13 и 30Х13 и что общего у мартенситных сталей — в статье о сталях 20Х13, 30Х13 и 40Х13.

Аналоги: AISI 420, 1.4031, 1.4034 и SUS420J2

Марочник сталей и сплавов называет для 40Х13 зарубежные аналоги, но оговаривает, что среди них есть и точные, и ближайшие. Сравнение по стандартам показывает: полного совпадения нет ни с одной маркой.

• AISI 420. ASTM A276 задаёт только нижний предел углерода — 0,15 %. Под это обозначение попадает и металл с 0,2 % углерода, то есть уровня 20Х13. Высокоуглеродистый вариант производители выпускают под названием 420HC: у Ulbrich это та же UNS S42000 с типичным составом 0,40–0,45 % углерода. Отдельной марки 420HC в ASTM нет.
• 1.4031 и 1.4034. Диапазон углерода 40Х13 делят две европейские марки: 1.4031 покрывает 0,36–0,42 %, 1.4034 — 0,43–0,50 %. Хрома в обеих 12,5–14,5 %, против 12–14 % по ГОСТ, серы — не более 0,015 %.
• SUS420J2. Углерод 0,26–0,40 %: с 40Х13 японская марка пересекается только в интервале 0,36–0,40 %, а по середине диапазона ближе к 30Х13.

Плавка с 0,38 % углерода, 13,0 % хрома и серой не выше 0,015 % отвечает и 40Х13, и 1.4031, и AISI 420, и SUS420J2. Плавка с 0,44 % углерода — уже 40Х13 и 1.4034, но не 1.4031 и не SUS420J2. Поэтому при замене марки в заказе указывают диапазон углерода, а соответствие проверяют по сертификату с анализом плавки. Сводная таблица соответствия марок — в статье об аналогах нержавейки.

Твёрдость, механические и физические свойства

ГОСТ 5949-2018 требует поставлять сортовой прокат мартенситных сталей термически обработанным — отожжённым или отпущенным. Прочность, текучесть и ударную вязкость 40Х13 стандарт не контролирует (п. 7.1.7). Вместо них он нормирует две характеристики: твёрдость HB в поставке и твёрдость HRC на образцах после закалки и отпуска.

Перевод HB в HRC ориентировочный, по таблицам ASTM E140: 481 HB соответствует примерно 50 HRC, 560 HB — примерно 55 HRC. Как твёрдость распределяется по другим маркам нержавейки — в статье о твёрдости нержавеющей стали.

Горячекатаный тонкий лист из 40Х13 ГОСТ 5582-75 разрешает не термообрабатывать, если он выдерживает нормы таблицы.

Плотность и физические свойства

Плотность 40Х13 по марочнику сталей и сплавов — 7650 кг/м³ при 20 °C; при 500 °C она снижается до 7510 кг/м³. Для 1.4031 и 1.4034 европейские данные дают 7,7 г/см³. Аустенитная 12Х18Н10Т с плотностью 7,9 г/см³ тяжелее примерно на 3 %.

Пример расчёта при 7,65 г/см³: лист толщиной 1 мм весит 7,65 кг на квадратный метр, круг Ø 20 мм — 2,40 кг на метр. В калькуляторе веса металлопроката для 40Х13 заложено 7,68 г/см³ — разница с марочником 0,4 %, на заказ это практически не влияет.

Магнитность. 40Х13 магнитится и в отожжённом, и в закалённом состоянии. Магнитом её не отличить от 20Х13, 12Х13 или AISI 430 — марку подтверждает сертификат или спектральный анализ. Почему одни нержавейки магнитятся, а другие нет, — в статье магнитится ли нержавейка.

Термообработка: отжиг, закалка, низкий отпуск

Свойства 40Х13 определяет термообработка. ГОСТ 5632-2014 прямо указывает, что сталь применяют после закалки и низкого отпуска, со шлифованной и полированной поверхностью. Ориентир для режимов — критические точки: по марочнику Ac1 = 800 °C, Ar1 = 780 °C.

• Отжиг. Тонкий лист по ГОСТ 5582-75 отжигают или отпускают при 740–800 °C. Для AISI 420 справочные данные дают полный отжиг при 840–900 °C с медленным охлаждением в печи и промежуточный — при 735–785 °C. Круг в поставке — отожжённый или отпущенный — имеет 143–229 HB: в этом состоянии его обрабатывают резанием.
• Закалка. ГОСТ 5949-2018 рекомендует нагрев до 1000–1050 °C и охлаждение в масле. Сталь закаливается и на воздухе: ASTM A276 для AISI 420 требует не менее 50 HRC после нагрева до 995 °C и охлаждения на воздухе.
• Низкий отпуск. 200–300 °C с охлаждением на воздухе или в масле по ГОСТ 5949-2018. После него сталь даёт не менее 50 HRC. Для AISI 420 CarTech указывает около 52 HRC после отпуска при 149–204 °C.
• Опасный интервал. AZoM не рекомендует отпускать AISI 420 при 425–600 °C. CarTech ограничивает отпуск 427 °C: выше падает коррозионная стойкость.

Отожжённое состояние — рабочее только для обработки: изделие доводят до размера, затем закаливают и отпускают. Поставщик нержавеющей 420HC Ulbrich подчёркивает, что в отожжённом виде такую сталь не применяют.

Коррозионная стойкость

Хрома в 40Х13 12–14 %, молибдена и азота нет, поэтому индекс питтингостойкости PREN равен содержанию хрома — 12–14. Стойкость умеренная и сильно зависит от состояния. Наибольшая — после закалки с низким отпуском и полировки; в отожжённом виде стойкость ниже.

AZoM отмечает риск точечной коррозии, если на поверхности долго остаются неотмытые пищевые продукты. Поверхность должна быть чистой: без окалины, смазки и посторонних частиц. После изготовления деталей CarTech рекомендует очистку или пассивацию. Для морской воды и хлоридов 40Х13 не подходит — какие марки туда берут, разобрано в статье о нержавейке для морской воды.

Применение: инструмент, пружины, валы, ножи

ГОСТ 5632-2014 в приложении А даёт для 30Х13 и 40Х13 общий перечень изделий. Марочник и зарубежные данные для AISI 420 дополняют его.

• Режущий инструмент — ножи, ножницы, лезвия, хирургический и стоматологический инструмент (ГОСТ 5632-2014, CarTech).
• Мерительный инструмент — линейки, калибры, мерные ленты (ГОСТ 5632-2014, марочник, CarTech).
• Пружины и рессоры — по марочнику для работы при температурах до 400–450 °C. CarTech не рекомендует AISI 420 для пружин и сильно нагруженных деталей при отрицательных температурах.
• Детали насосов и арматуры — валы насосов, игольчатые и шариковые обратные клапаны, клапанные пластины компрессоров, карбюраторные иглы (ГОСТ 5632-2014, CarTech, Continental Steel).
• Детали на износ — шарикоподшипники, шестерни, кулачки, оси (марочник, CarTech).
• Формы для пластмасс — полируются до зеркала и не требуют хромирования (CarTech).
• Предметы домашнего обихода (ГОСТ 5632-2014).

40Х13 для ножей

Для клинков 40Х13 закаливают и отпускают при низкой температуре: по ГОСТ 5949-2018 твёрдость — не менее 50 HRC, по справочным данным — до 52–55 HRC. Кромку затем шлифуют и полируют: это требование ГОСТ 5632-2014 и условие наибольшей коррозионной стойкости. Если нужна более высокая твёрдость и больше хрома, выбирают 95Х18.

Нож из 40Х13 магнитится — это свойство марки, а не признак подделки. Держать его лучше сухим и чистым: остатки пищи на клинке могут дать точечную коррозию.

Сварка и обработка

Марочник сталей и сплавов указывает, что для сварных конструкций 40Х13 не применяется. Причина — сталь закаливается на воздухе: зона сварки превращается в хрупкий мартенсит и склонна к трещинам. CarTech пишет, что AISI 420 по этой причине сваривают редко, но при соблюдении режима шов получается.

• Подогрев. 150–320 °C по данным AZoM, 149–204 °C по данным CarTech.
• После сварки — термообработка при 610–760 °C (AZoM) или отжиг при 732–788 °C с выдержкой 6–8 часов и охлаждением на воздухе (CarTech).
• Присадка. 420 — если шов должен быть прочным, как основной металл; 309 — если нужен пластичный шов.

Обработка резанием. Режут и сверлят 40Х13 в отожжённом состоянии. По данным CarTech, из-за высокого углерода AISI 420 обрабатывается как высокоуглеродистая инструментальная сталь, стружка вязкая и длинная. AZoM отмечает, что выше 30 HRC обработка становится трудной. Для автоматной обработки есть вариант 420F с улучшенной обрабатываемостью. Как выбрать сверло и режимы — в статье о сверлении нержавейки.

Горячая и холодная обработка. Для AISI 420 CarTech даёт ковку при 1097–1204 °C, не ниже 900 °C, с медленным охлаждением и последующим отжигом: на воздухе поковка может треснуть. Холодная высадка и гибка возможны только после отжига на максимальную мягкость, и то умеренно.

Сортамент и стандарты

Требования к прокату задают разные стандарты. Химический состав во всех случаях — по ГОСТ 5632.

Горячекатаный тонкий лист по ГОСТ 5582-75 выпускают толщиной 1,5–3,9 мм, холоднокатаный — 0,5–3,9 мм. В перечень марок толстолистовой стали по ГОСТ 7350-77 40Х13 не входит: толстый лист этой марки по этому стандарту не выпускают.

В нашем каталоге 40Х13 — это круг диаметром от 5 до 230 мм, в том числе холоднотянутый. Он собран в разделе круг AISI 420 вместе с 20Х13 и 30Х13. В заявке укажите марку, диаметр, длину, стандарт и состояние поставки. Если 40Х13 заменяют импортной AISI 420, оговорите углерод не ниже 0,36 % — иначе можно получить металл уровня 20Х13.