Acciaio 40Cr: Equivalenti, proprietà, grado, trattamento termico

Il 40Cr è un acciaio strutturale al cromo, a medio tenore di carbonio, ampiamente specificato per parti che richiedono un equilibrio di forza, tenacità e resistenza all'usura dopo la tempra e il rinvenimento. È comunemente considerato equivalente al DIN 41Cr4 / W. Nr. 1.7035 e all'AISI/SAE 5140 in molte catene di fornitura e, se opportunamente trattato termicamente, raggiunge una buona durezza (tipicamente ~28-36 HRC dopo Q+T per sezioni comuni) e prestazioni affidabili a fatica per alberi, ingranaggi e componenti di collegamento. Usare il 40Cr quando è necessaria una moderata lega e temprabilità e seguire le linee guida EN/DIN o ASTM per i criteri di accettazione meccanica e i programmi di trattamento termico.

Che cos'è il 40Cr?

L'acciaio 40Cr è un acciaio legato al cromo a medio tenore di carbonio della famiglia cinese GB, progettato per la tempra e il rinvenimento. Combina un moderato contenuto di carbonio con il cromo per aumentare la temprabilità e la resistenza all'usura, mantenendo costi e lavorabilità ragionevoli. Questa qualità è utilizzata per componenti strutturali a medio carico che vengono successivamente trattati termicamente per ottenere un equilibrio controllato di resistenza e tenacità, come alberi, assi, giunti, ingranaggi e perni pesanti. Nella pratica internazionale, il grado viene comunemente incrociato con il 41Cr4 (DIN/Nr. 1.7035) e con il SAE/AISI 5140, anche se la chimica e le tolleranze ammesse possono variare leggermente da uno standard all'altro; verificare sempre il certificato della cartiera fornitrice per la composizione esatta e i risultati dei test meccanici.

Composizione chimica e microstruttura

Di seguito è riportata una tabella di composizione chimica pratica e sintetica che mostra gli intervalli tipici utilizzati per il 40Cr (GB) con una corrispondenza diretta alla norma DIN 41Cr4 / 1.7035 e alla comune controparte SAE. Questi intervalli sono la guida operativa utilizzata dalle cartiere e dai centri di trattamento termico. Verificare sempre il certificato della cartiera (rapporto di prova della cartiera) per il lotto effettivamente consegnato.

Tabella 1: Composizione chimica tipica (massa percentuale)

Note sulla microstruttura: Allo stato normalizzato o bonificato, la microstruttura ideale per il 40Cr è la martensite temperata (o bainite nelle sezioni più spesse), con carburi uniformemente distribuiti. Il cromo favorisce la temprabilità e affina la distribuzione dei carburi, migliorando la resistenza all'usura e la durata a fatica.

Proprietà meccaniche e prestazioni

Le proprietà meccaniche dipendono fortemente dal trattamento termico. La tabella seguente fornisce gli obiettivi delle proprietà tipiche per le condizioni più comuni utilizzate nella progettazione. Questi valori sono esempi di intervalli tipici utilizzati dai progettisti e dai trattatori termici. Per i lavori contrattuali, utilizzare i valori esatti della specifica di acquisto e del rapporto di prova del materiale.

Tabella 2: Proprietà meccaniche tipiche (valori rappresentativi)

Se confrontato con i comuni gradi occidentali come l'AISI 4140, il 40Cr mostra prestazioni sostanzialmente simili una volta controllato il trattamento termico. Le differenze nelle tolleranze delle leghe, negli oligoelementi e nella lavorazione fanno sì che nei documenti di acquisto si specifichino esplicitamente i requisiti di durezza, tenacità e fatica richiesti.

Trattamento termico: programmi ed effetti pratici

Il 40Cr è destinato alla tempra e al rinvenimento. La durezza e la tenacità sono controllate da una combinazione di temperatura di austenitizzazione, mezzo di tempra e temperatura/tempo di rinvenimento.

Tabella 3 - Finestre tipiche di trattamento termico e durezza risultante (guida pratica)

Raccomandazioni pratiche

• Per alberi, sezioni medie e parti che richiedono ~30-36 HRC, una ricetta comune è l'austenitizzazione a 830-850 °C, la tempra in olio, il rinvenimento a 500-550 °C per 1-2 ore (regolare il tempo in base alle dimensioni della sezione).

• Per i pezzi che necessitano di una maggiore tenacità a fronte di una minore resistenza, utilizzare il rinvenimento a temperature più elevate (550-650 °C) per ottenere ~20-30 HRC.

• Nel caso di pezzi sottili o di forme complesse, è necessario prestare attenzione per evitare le cricche da tempra; il raffreddamento a gradini e il controllo dello spessore della sezione sono misure comuni.

Temprabilità e dimensione della sezione: Il cromo aumenta la temprabilità. Le barre e i forgiati tipici di 40Cr possono essere temprati in olio con successo fino a diametri moderati, senza perdita di uniformità delle proprietà meccaniche. Per sezioni molto grandi, considerare la pre-tempra, la tempra a induzione o specificare gradi di lega più elevati (ad esempio 42CrMo4) se è richiesta la tempra passante.

Equivalenti e riferimenti internazionali

40Cr è una designazione regionale. Gli equivalenti riportati di seguito sono comunemente citati nelle tabelle di riferimento incrociato utilizzate dalle cartiere e dai fornitori di materiali. Tenere presente che l'equivalenza è approssimativa e l'accettazione deve basarsi sulla chimica e sulle proprietà meccaniche previste dal contratto.

Tabella 4 - Equivalenti grezzi

Note: Molti fornitori elencano nei loro cataloghi 40Cr = 41Cr4 = 5140. La variante EN può apparire come 41Cr4 o sotto le condizioni tecniche di fornitura EN 10083-3. Controllare le tolleranze per C, Cr e Mn: piccole variazioni influenzano la risposta al trattamento termico.

Confronto: 40Cr vs 4140 vs 42CrMo4

• 40Cr vs AISI/SAE 5140 / 4140: Il 40Cr e il 5140/4140 si avvicinano per contenuto di carbonio e cromo; il 4140 contiene solitamente molibdeno e livelli di Mn/Si leggermente diversi a seconda delle specifiche, che aumentano la tenacità e la resistenza alle alte temperature. Per molte parti meccaniche, il 40Cr e il 5140 sono intercambiabili se l'acquirente accetta le garanzie chimiche e meccaniche. Se l'applicazione prevede un'elevata fatica o un'esposizione a temperature elevate, è preferibile preferire il 4140 o il 42CrMo4 per un migliore bilanciamento delle leghe.

• 40Cr vs 42CrMo4: Il 42CrMo4 contiene molibdeno e un bilanciamento di lega leggermente diverso; offre una temprabilità e una tenacità superiori in sezioni di grandi dimensioni e una maggiore resistenza al rinvenimento. Utilizzare il 42CrMo4 quando è richiesta una maggiore resistenza del nucleo in sezioni spesse o una migliore resistenza agli urti.

Suggerimento per il design: Specificare nell'ordine di acquisto la durezza/durozza post-trattamento e i limiti meccanici richiesti, anziché indicare solo un grado equivalente. In questo modo si riduce il rischio quando i fornitori utilizzano chimiche leggermente diverse.

Lavorabilità, saldatura e trattamenti superficiali

Lavorabilità:
Allo stato normalizzato, il 40Cr si lavora ragionevolmente bene per una lega a medio tenore di carbonio. La lavorabilità diminuisce dopo la tempra e il rinvenimento a durezza superiore. Per le lavorazioni pesanti, normalizzare o utilizzare una ricottura intermedia prima del taglio ad alto volume. Gli inserti in metallo duro e l'attrezzatura rigida sono utili per il taglio in condizioni di maggiore resistenza.

Saldatura:
La saldatura del 40Cr richiede in molti casi un preriscaldamento e un trattamento termico post-saldatura a causa del contenuto di carbonio e della temprabilità. Per piccoli manufatti non critici, preriscaldare a 150-250 °C e utilizzare temperature di interpass controllate. Per gli assemblaggi saldati critici per la sicurezza o di grandi dimensioni, è consigliabile eseguire un trattamento di distensione o di PWHT in base al codice di saldatura applicabile. Evitare la saldatura quando il progetto prevede proprietà temprate e rinvenute uniformi nella zona saldata, a meno che non siano specificate la procedura di saldatura e la PWHT.

Trattamenti di superficie:
Le finiture più comuni includono la carburazione per le superfici soggette a usura (quando sono necessari un involucro duro e un nucleo duttile), la tempra a induzione delle zone locali, la nitrurazione per migliorare la fatica superficiale e la resistenza alla corrosione e le finiture fosfatate o galvaniche per la protezione dalla corrosione durante lo stoccaggio e l'assemblaggio.

Ispezione, test e controllo qualità

Per i componenti critici, specificare:

• Rapporto di prova del mulino (MTR) che mostra la chimica del lotto e la registrazione del trattamento termico.

• Risultati delle prove meccaniche nelle condizioni di fornitura (trazione, snervamento, allungamento, durezza).

• Valori di impatto Charpy V-notch a temperature specifiche quando la tenacità è critica.

• Controlli non distruttivi (particelle magiche, UT, radiografia) per i forgiati o le sezioni critiche.

• Accettazione metallografica per la microstruttura e la classificazione delle inclusioni (quando richiesto).

Norme come la EN 10083 (acciai da bonifica) o norme specifiche di acquisto ASTM definiscono i criteri di accettazione per molte applicazioni. Utilizzateli per definire i punti di fermo dell'ispezione e i limiti di accettazione.

Applicazioni tipiche e considerazioni ingegneristiche

Parti comuni prodotte in 40Cr:

• Alberi di trasmissione, ingranaggi di trasmissione, giunti e assali.

• Parti di macchine utensili come mandrini, perni e mandrini.

• Componenti per macchine edili, perni, boccole e collegamenti ad alta usura.

• Componenti meccanici generici che richiedono una combinazione di resistenza e tenacità dopo Q+T.

Considerazioni ingegneristiche:

• Stanchezza: Se i pezzi sono soggetti a carichi ciclici elevati, specificare i limiti di fatica o richiedere la pallinatura e la finitura superficiale controllata per aumentarne la durata.

• Indossare: Per le superfici di scorrimento/usura considerare un approccio di indurimento locale della superficie piuttosto che indurire l'intero componente.

• Effetti sulle dimensioni: Le sezioni di grandi dimensioni richiedono cicli di trattamento termico adeguati ed eventualmente gradi diversi per l'indurimento passante.

• Corrosione: Il 40Cr non è inossidabile; proteggerlo nei casi in cui la corrosione possa compromettere le prestazioni.

Lista di controllo pratica per gli acquisti

1. Specificare la condizione finale richiesta: intervallo di durezza (HRC o HB), trazione/rendimento, energia Charpy (se necessario).

2. Insistere sul rapporto di prova del mulino con i dati chimici e di trattamento termico effettivi.

3. Definire gli equivalenti consentiti e dichiarare se sono accettabili piccole deviazioni nella chimica.

4. Richiedere criteri di accettazione NDT e (se necessario) metallografici.

5. Includere i requisiti di finitura, trattamento superficiale e imballaggio.

6. Se è richiesta la saldatura, specificare la procedura di saldatura e il PWHT.

Esempio di caso

Un fornitore offre un lotto di alberi in 40Cr per attrezzature agricole. Il disegno richiede 32-36 HRC e Charpy V-notch ≥ 27 J a temperatura ambiente. L'acquirente dovrebbe richiedere: MTR completo, rapporti Charpy a campione, mappa di durezza per più alberi e un'ispezione da parte di un testimone o un controllo di laboratorio di terzi per un campione di primo livello. Se i dati mostrano una tenacità insufficiente, richiedere il rinvenimento a una temperatura più elevata per migliorare l'energia d'impatto a scapito di una certa durezza.

Standard e riferimenti autorevoli

Il 40Cr e i suoi equivalenti sono trattati in diversi standard internazionali. Quando si specifica, fare riferimento alla norma applicabile e all'edizione/data.

I principali standard e documenti di riferimento includono:

• Famiglia EN 10083 (acciai da bonifica) e varianti nazionali.

• DIN 17200 / 41Cr4 (W. Nr. 1.7035) schede tecniche per la guida meccanica e il trattamento termico.

• Schede tecniche pubblicate dal fornitore, come MatWeb, e laboratori accreditati per i dati meccanici comparativi.

• Tabelle di equivalenza pubblicate da fornitori e laboratori metallurgici affidabili.

Per l'approvvigionamento o la progettazione finale, citare sempre lo standard e la revisione esatta utilizzati nel contratto.

Domande frequenti

1. 40Cr è la stessa cosa di 5140 o 4140?
   Sono vicini ma non identici. Il 40Cr (GB) corrisponde comunemente al 41Cr4 (DIN 1.7035) e viene spesso considerato simile al SAE 5140 o all'AISI 4140. Le differenze negli oligoelementi e negli intervalli consentiti rendono essenziale la verifica dell'MTR e delle proprietà meccaniche prima dell'interscambio.

2. Quale durezza posso aspettarmi dopo la tempra e il rinvenimento?
   La durezza tipica di molti pezzi in 40Cr sottoposti a tempra e rinvenimento è di 28-36 HRC se si utilizzano le ricette comuni. La durezza finale dipende dalla temperatura di austenitizzazione, dal mezzo di tempra e dal programma di rinvenimento.

3. Il 40Cr può essere carburato?
   Sì. Il 40Cr risponde bene alla cementazione seguita da tempra e rinvenimento, producendo una superficie dura e resistente all'usura con un nucleo tenace. I parametri di processo devono essere scelti per evitare distorsioni eccessive.

4. La saldatura va bene su 40Cr?
   La saldatura richiede attenzione. Si raccomandano temperature di preriscaldamento e di interpass controllate e la PWHT può essere necessaria per i componenti critici a causa della temprabilità e del contenuto di carbonio.

5. Quando preferire il 42CrMo4 al 40Cr?
   Scegliere il 42CrMo4 quando è richiesta una maggiore tempra passante in grandi sezioni, una migliore tenacità o temperature di servizio più elevate, grazie al suo contenuto di Mo e al migliore bilanciamento della lega.

6. Quali test devo richiedere alla consegna?
   Come minimo, richiedere MTR, prove di trazione, misure di durezza e qualsiasi prova NDT o d'impatto specificata nell'ordine d'acquisto. Per le parti critiche, aggiungere la metallografia e ulteriori campionamenti meccanici.

7. In che modo la dimensione della sezione influisce sul trattamento termico?
   Le sezioni più grandi necessitano di tempi di immersione più lunghi e possono richiedere strategie di tempra diverse per evitare nuclei morbidi o austenite conservata; considerare la tempra superficiale a induzione se è impossibile un indurimento passante uniforme.

8. Il 40Cr è adatto per applicazioni ad alta temperatura?
   Il 40Cr non è una lega resistente al calore. Per la resistenza a temperature elevate, considerare acciai legati specificamente progettati per il servizio a temperatura.

9. Quali finiture vengono comunemente applicate al 40Cr?
   Carburazione, nitrurazione, tempra a induzione, rivestimento fosfatico per la protezione dalla corrosione durante lo stoccaggio e placcatura quando la protezione dalla corrosione è essenziale.

10. Come garantire una qualità costante dei fornitori?
    Utilizzare fornitori certificati, specificare standard e test, richiedere MTR tracciabili e prendere in considerazione audit periodici di terzi sui processi di trattamento termico.

Riepilogo rapido e lista di controllo finale della selezione

Il 40Cr è una lega versatile di cromo a medio tenore di carbonio, adatta a molte parti meccaniche dopo la tempra e il rinvenimento. La si può utilizzare quando sono prioritari un'alligazione moderata, una temprabilità controllata e un buon rapporto qualità-prezzo. Per le sezioni di grandi dimensioni temprate a fondo, per gli elevati carichi di fatica o per i requisiti di temperatura più elevati, valutare alternative di leghe superiori. Inserire sempre gli obiettivi meccanici, le condizioni di trattamento termico e i requisiti di ispezione nei documenti di approvvigionamento.

Riferimenti autorevoli

• Gradi equivalenti di metallo (Star Rapid) - Tabella di equivalenza in PDF per 40Cr / 5140 / 41Cr4
• Scheda tecnica dell'acciaio legato AISI 4140 - MatWeb (proprietà comparative per le leghe della serie 4000)
• 41Cr4 proprietà chimiche e meccaniche - Lucefin / scheda tecnica (riferimento DIN/EN)