4130 Legovaná ocel: Vlastnosti a použití

Legovaná ocel 4130 je klasifikována jako středně uhlíková nízkolegovaná ocel podle systému AISI. Jeho označení zdůrazňuje jeho primární legující prvky: chrom (přibližně 1%) a molybden (přibližně 0,20%). Tato všestranná ocel nabízí solidní kombinaci pevnosti, houževnatosti a svařitelnosti.

1. Legovaná ocel 4130 Chemické složení

Typické chemické složení oceli 4130 (v hmotnostních procentech) je:

• Uhlík (C):28-0,33% (Poskytuje rovnováhu mezi pevností a tažností)
• Mangan (Mn):40-0,60% (přispívá k prokalitelnosti a pevnosti)
• Křemík (Si):20-0,35% (Působí jako deoxidační činidlo a může zvýšit pevnost)
• Chrom (Cr):80-1.10% (zlepšuje kalitelnost, odolnost proti korozi a odolnost proti opotřebení)
• Molybden (Mo):15-0,25% (Zlepšuje prokalitelnost a pevnost při vysokých teplotách a odolává teplotnímu křehnutí)
• Fosfor (P) a síra (S): Udržováno na nízké úrovni (obvykle max. 0,030–0,0401 TP3T každý)
• Měď (Cu): Může být přítomen (až 0,35% v některých specifikacích)

2. Vlastnosti kalitelnosti

4130 je vodou kalitelná legovaná ocel s nízkou až střední prokalitelností. To znamená, že dosažení plné tvrdosti kalením vyžaduje pečlivé zvážení tloušťky průřezu. Obecně jsou potřeba tenčí průřezy nebo agresivnější kalicí média (jako voda) než oceli s vyšší prokalitelností. Ilustruje to ideální kritický průměr (DI); například měrné teplo s 0,291 TP3T C, 1,021 TP3T Cr a 0,151 TP3T Mo vypočítalo DI 68,3 mm (2,69 palce).

3. Tepelné zpracování legované oceli 4130

AISI 4130 je vysoce univerzální středně uhlíková nízkolegovaná ocel známá svou pevností, houževnatostí a svařitelností. Jeho klíčovými legujícími prvky jsou chrom a molybden. Aby bylo možné plně využít schopnosti oceli 4130 a přizpůsobit její mechanické vlastnosti konkrétním aplikacím, je nezbytné přesné tepelné zpracování. Odezva 4130 na různé tepelné cykly umožňuje široké spektrum výkonnostních charakteristik.

3.1 Běžné procesy tepelného zpracování pro 4130

Na základě rozsáhlých průmyslových zkušeností a technických údajů uvádí Aobo Steel primární tepelné zpracování použitelné pro ocel 4130:

3.1.1 Normalizace

• Objektivní: Pro zjemnění struktury zrna oceli, zlepšení stejnoměrnosti a zlepšení obrobitelnosti po kování nebo válcování.
• Proces: Ocel rovnoměrně zahřejte na teplotu mezi 870 °C a 925 °C (1600 °F až 1700 °F). Tento rozsah je přibližně 55 °C až 85 °C (100 °F až 150 °F) nad horní kritickou teplotou (Ac3), což zajišťuje úplnou transformaci na austenit. Udržujte při teplotě po přiměřenou dobu, aby bylo zajištěno pronikání tepla, obvykle 1 hodina na 25 mm (1 palec) maximální tloušťky, s často uváděnou minimální dobou výdrže. Ochlaďte na klidném vzduchu na pokojovou teplotu.
• Po normalizaci: Je běžnou praxí temperovat normalizovanou ocel 4130 při teplotách 480 °C (900 °F) nebo vyšších, aby se dosáhlo specifických požadavků na mez kluzu.

3.1.2 Žíhání

• Objektivní: Produkovat nejměkčí možné podmínky pro ocel 4130, maximalizovat tažnost pro operace, jako je tváření za studena nebo složité obrábění.
• Proces: Zahřejte ocel na teplotu mezi 830 °C a 870 °C (1525 °F až 1600 °F). Udržujte při teplotě po dobu závislou na velikosti sekce nebo zatížení pece. Rozhodující je, že v peci ochlazujte velmi pomalu, obvykle rychlostí nepřesahující 15 °C za hodinu (30 °F za hodinu), až na přibližně 480 °C (900 °F). Pod touto teplotou může chlazení pokračovat na vzduchu. Toto řízené pomalé chlazení podporuje tvorbu měkké, hrubé perlitové mikrostruktury.

3.1.3 Kalení a temperování (kalení)

• Objektivní: Vyvinout vysokou pevnost, tvrdost a houževnatost, což je nejběžnější podmínka pro konstrukční aplikace 4130.
• Austenitizace: Ocel rovnoměrně zahřejte na vhodnou austenitizační teplotu. To je typicky mezi 855 °C a 865 °C (1575 °F až 1600 °F), v závislosti na přesném složení a velikosti sekce. Udržujte při teplotě dostatečně dlouho pro úplnou austenitizaci.
• Kalení: Rychle ochlaďte ocel z austenitizační teploty. Vzhledem k nízké až střední prokalitelnosti 4130 musí být kalicí médium (voda, olej nebo polymer) pečlivě vybráno na základě tloušťky průřezu součásti a požadovaných konečných vlastností. Voda zajišťuje rychlejší chlazení a vyšší tvrdost v tenčích částech, ale zvyšuje riziko deformace. Kalení olejem je běžné u středně těžkých sekcí. Dosažení kritické rychlosti chlazení, zejména prostřednictvím transformačního rozsahu kolem 540 °C (1000 °F), je životně důležité pro získání plně martenzitické struktury, zejména v tlustších sekcích.
• Temperování: Znovu zahřejte kalenou (kalenou) ocel na určitou teplotu pod spodní kritickou teplotu (Ac1). Teploty temperování pro 4130 se obvykle pohybují od 205 °C do 705 °C (400 °F až 1300 °F). Udržujte při temperovací teplotě (obvykle alespoň 2 hodiny), poté ochlaďte (obvykle na vzduchu). Popouštění snižuje křehkost kaleného martenzitu a vytváří konečnou rovnováhu mezi tvrdostí, pevností a houževnatostí. Nižší teploty popouštění poskytují vyšší pevnost a tvrdost, zatímco vyšší teploty zvyšují tažnost a houževnatost na úkor pevnosti.

3.2 Úvahy o kalitelnosti

Prokalitelnost oceli 4130 je kritickým faktorem. Popisuje schopnost oceli ztvrdnout přes její průřez během kalení.

• 4130 má nízkou až střední prokalitelnost ve srovnání s vysoce legovanými ocelmi.
• Tloušťka průřezu: Dosažitelná tvrdost a hloubka kalení velmi závisí na velikosti součásti. Silnější části se ochlazují pomaleji, zejména v jádře, což může mít za následek méně rovnoměrnou mikrostrukturu a nižší tvrdost jádra než povrch.
• Ideální kritický průměr (DI): Tato vypočítaná hodnota (např. ~68 mm nebo ~2,7 palce pro typické složení za ideálních podmínek) udává teoretický maximální průměr, který lze vytvrdit až do středu při dokonalém kalení. Praktické výsledky s méně intenzivním kalením (olej, polymer) dosáhnou kalení do mělčích hloubek.
• Závažnost kalení: Pečlivý výběr procesu kalení je životně důležitý pro dosažení požadovaných vlastností, aniž by došlo k praskání nebo nadměrné deformaci, zejména ve srovnání s ocelí s vyšším obsahem uhlíku, jako je např. 4140, které mají větší prokalitelnost, ale také vyšší riziko vzniku trhlin při kalení.

3.3 Zmírnění stresu

• Objektivní: Ke snížení vnitřního pnutí vyvolaného často prováděnými výrobními procesy, jako je těžké obrábění, tváření za studena nebo svařování před konečné kalení nebo na normalizovaných/žíhaných dílech.
• Proces: Ocel rovnoměrně zahřejte na teplotu typicky mezi 650 °C a 675 °C (1200 °F až 1250 °F). Držte po dostatečně dlouhou dobu (např. 1 hodinu na palec tloušťky), poté pomalu ochlazujte (obvykle v peci nebo na vzduchu).
• Důležitá poznámka: Pokud se provádí odbourávání stresu po kalení a popouštění musí být teplota uvolňující pnutí udržována pod původní teplotou popouštění (obvykle alespoň o 15 °C nebo 25 °F nižší), aby se předešlo negativnímu ovlivnění dříve stanovených mechanických vlastností.

4. Přehled mechanických vlastností

Konečné mechanické vlastnosti oceli 4130 přímo závisí na použitém tepelném zpracování. Kalené a temperované podmínky nabízejí široký rozsah dosažitelných hodnot pevnosti v tahu, meze kluzu, tažnosti a tvrdosti.

Je důležité vzít v úvahu vliv hmoty: větší průřezy se během kalení ochlazují pomaleji, což má za následek nižší tvrdost a pevnost v jádře ve srovnání s povrchem nebo ve srovnání s menšími částmi, které prošly stejným tepelným zpracováním.

Typické mechanické vlastnosti tepelně zpracované oceli 4130

Teplota temperování		Pevnost v tahu		Mez kluzu		Prodloužení v 50 mm (2 palce), %	Zmenšení plochy, %	Tvrdost, HB	Energie dopadu Izod
°C	°F	MPa	ksi	MPa	ksi				J	ft-lb
Voda kalená a temperovaná
205	400	1765	256	1520	220	10	33	475	18	13
260	500	1670	242	1430	208	11.5	37	455	14	10
315	600	1570	228	1340	195	13	41	425	14	10
370	700	1475	214	1250	182	15	45	400	20	15
425	800	1380	200	1170	170	16.5	49	375	34	25
540	1000	1170	170	1000	145	20	56	325	81	60
650	1200	965	140	830	120	22	63	270	135	100
Olej kalený a temperovaný
205	400	1550	225	1340	195	11	38	450	—	—
260	500	1500	218	1275	185	11.5	40	440	—	—
315	600	1420	206	1210	175	12.5	43	418	—	—
370	700	1320	192	1120	162	14.5	48	385	—	—

Vliv hmoty na typické vlastnosti tepelně zpracované oceli 4130

Velikost baru	Pevnost v tahu	Mez kluzu	Prodloužení v 50 mm (2 palce), %	Zmenšení plochy, %	Tvrdost povrchu, HB
mm	MPa	ksi	MPa	ksi	%
25	1040	151	880	128	18
50	740	107	570	83	20
75	710	103	540	78	22

Zdroj: PŘÍRUČKA ASM

5. Společné aplikace

Díky svému spolehlivému profilu výkonu se ocel 4130 používá v různých průmyslových odvětvích:

• Automobilové komponenty (např. nápravy)
• Konstrukční díly vyžadující dobrou pevnost a houževnatost
• Hřídele, ozubená kola a ložiska vyžadující dobrou odolnost proti únavě a opotřebení (často v temperovaných podmínkách)
• Aplikace vyžadující vysokou houževnatost (ve sferoidizovaných podmínkách)
• Procesy kalení elektronovým paprskem

I když není klasifikována jako primární nástrojová ocel, její všestrannost z ní činí běžný materiál v nástrojárnách.

6. Ekvivalenty mezinárodních norem

Ocel 4130 odpovídá označení v několika mezinárodních normách:

• ASTM: A322, A29/A29M
• SAE: J404
• JIS (Japonsko): SCM 425, SCM 430