Legovaná ocel 4140 je všestranná chrom-molybdenová legovaná ocel, která nabízí dobrou pevnost, houževnatost a kalitelnost, díky čemuž je po vhodném tepelném zpracování vhodná pro středně náročné provozní podmínky. Je klasifikována s chromem a molybdenem jako hlavními legujícími prvky.

1. Aplikace

• Strojní součásti: Hřídele (primární použití), Nápravy, Ozubená kola, Vřetena, Spojky, Klikové hřídele, Ojnice, Kryty ventilů, Tělesa upínačů, Kleštiny
• Nástroje a upínací přípravky: Přípravky, Upínací přípravky, Držáky nástrojů, Vrtací límce, Šrouby, Svorníky, Díly dopravníků
• Automobilový a letecký průmysl: Nápravy, klikové hřídele, řídicí čepy, vysoce pevné konstrukční díly
• Ropný a plynárenský průmysl: Vrtací nástroje, Klouby nástrojů, Hřídele čerpadel
• Povrchově kalené díly: Součásti vyžadující zvýšenou odolnost povrchu

2. Složení oceli 4140¹

uhlík (C)	mangan (Mn)	křemík (Si)	Chrom (Cr)	molybden (Mo)	fosfor (P)	síra (S)
0,38 – 0,43	0,75 – 1,00	0,15 – 0,35	0,80 – 1,10	0,15 – 0,25	≤ 0,035	≤ 0,040

3. Fyzikální vlastnosti

Fyzikální vlastnosti legované oceli 4140 za různých teplot

Teplota (°C)	Teplota (°F)	Tepelná vodivost (W/m·K)	Průměrná měrná tepelná kapacita (kJ/kg·K)	Průměrný koeficient lineární roztažnosti (x 10⁻⁶ K⁻¹)	Hustota (kg/m³)	Youngův modul pružnosti (x 10⁵ MPa)
20	68	46.71	472.91	11.28	7848.2	211.6
100	212	46.06	486.33	11.67	7820.7	203.1
200	392	45.59	499.21	12.32	7790.2	197.5
300	572	43.47	519.18	12.85	7757.4	193.7
400	752	40.7	543.45	13.37	7722.3	188.6
500	932	37.67	570.3	13.9	7684.7	180.2
600	1112	34.63	599.31	14.42	7644.5	167.0

4. Mechanické vlastnosti

Vlastnosti oceli 4140 lze výrazně upravit tepelným zpracováním. Kalení a popouštění může zlepšit mez kluzu, pevnost v tahu a vrubovou houževnatost kovu 4140.

4.1 Kalený a popouštěný kov 4140

Když je ocel 4140 kalena v oleji a poté popouštěna při různých teplotách, její mechanické vlastnosti se předvídatelně mění. To umožňuje přesnou kontrolu nad konečnými vlastnostmi oceli tak, aby splňovaly specifické provozní požadavky. Níže je uveden souhrn typických mechanických vlastností dosažených při různých teplotách popouštění:

Teplota temperování	4140 Pevnost v tahu (MPa)	4140 Mez kluzu (MPa)	Prodloužení (%)	Zmenšení plochy (%)	Tvrdost (HB)
205 °C (400 °F)	1965 – 1980	1740 – 1860	11	39 – 42	520 – 578
260 °C (500 °F)	1860	1650	11	44	534
315 °C (600 °F)	1720 – 1760	1570 – 1620	11,5 – 12	44 – 46	490 – 495
425 °C (800 °F)	1450 – 1500	1340 – 1365	14 – 15	48 – 50	429 – 440
540 °C (1000 °F)	1150 – 1240	1050 – 1160	17 – 17,5	53 – 55	341 – 360
595 °C (1100 °F)	1020	910	19	58	311
650 °C (1200 °F)	900 – 1020	790 – 860	20 – 21	60 – 61	277 – 290
705 °C (1300 °F)	810 – 860	690 – 740	23	63 – 65	235 – 250

4.2 Vliv velikosti průřezu (hmotnostní efekt) na vlastnosti materiálu 4140

Při specifikaci tepelného zpracování je důležité zvážit velikost průřezu nebo hmotnost ocelové součásti 4140, zejména při snaze o dosažení vysokých úrovní pevnosti. AISI 4140 není ocel určená k hlubokému kalení a za stejných podmínek tepelného zpracování nemusí větší průřezy dosáhnout stejné celkové tvrdosti nebo pevnosti jako menší průřezy.

Následující tabulka ilustruje vliv průměru tyče 4140 na mechanické vlastnosti oceli 4140 kalené v oleji z 845 °C (1550 °F) a popouštěné při 540 °C (1000 °F):

Vliv průměru tyče na mechanické vlastnosti oceli 4140 (popuštěné při 540 °C / 1000 °F)

Průměr tyče	Pevnost v tahu (MPa)	Mez kluzu (MPa)	Prodloužení (%)	Zmenšení plochy (%)	Tvrdost povrchu (HB)
25 mm (1 palec)	1140	985	15	50	335
50 mm (2 palce)	920	750	18	55	202
75 mm (3 palce)	860	655	19	55	293

4.3 Mechanické vlastnosti žíhané oceli 4140

Žíhání se také dělí na dva stupně: válcování za tepla a tažení za studena.

Stav	Mez kluzu	Pevnost v tahu	Prodloužení
Válcované za tepla, žíhané	454 MPa (65 ksi)	620 MPa (90 ksi)	~27%
Tažené za studena, žíhané	620 MPa (90 ksi)	703 MPa (102 ksi)	~18%

4.4 Svařování oceli 4140²

Ocel 4140 má vysokou prokalitelnost. Při svařování oceli 4140 se tepelně ovlivněná zóna (HAZ) a svarový kov mohou rychle ochladit, což vede k tvorbě tvrdého a křehkého martenzitu. Tento martenzit je náchylný k vodíkovému praskání, což může vést k vysokému vnitřnímu napětí a snížené tažnosti, což ztěžuje proces svařování. Doporučujeme svařovat v žíhaném stavu oceli 4140, kdykoli je to možné, a po svařování provést tepelné zpracování, aby se zmírnila rizika spojená s její vysokou prokalitelností.

5. Tepelné zpracování

5.1 Normalizace

Normalizace je proces tepelného zpracování používaný ke zjemnění velikosti zrna, dosažení jednotné struktury a zlepšení obrobitelnosti pro dosažení požadované tvrdosti. 

Normalizační teplotní rozsah je 870–900 °C (1600–1650 °F). Při této teplotě se udržuje alespoň 1 hodina nebo 15 až 20 minut na každých 25 mm (1 palec) maximální tloušťky průřezu. Po udržení se materiál na vzduchu ochladí na pokojovou teplotu. Tvrdost oceli 4140 po normalizaci je 150–200 HB.

5.2 Žíhání

Žíhání se používá především ke změkčení oceli a uvolnění pnutí, čímž se připravuje na následné zpracování, jako je obrábění.

Teplota žíhání se pohybuje od 830 do 870 °C (1525 až Doba výdrže závisí na tloušťce profilu nebo zatížení pece. Na základě více než 20 let zkušeností společnosti Aobo Steel v oboru je doba výdrže: 1 hodina na každých 25 mm (1 palec) tloušťky profilu s dodatečnými 0,5 hodinami na každých dalších 25 mm (1 palec) tloušťky. Po výdrži se materiál ochladí v peci rychlostí přibližně 15 °C/h (30 °F/h) až na 480 °C (900 °F) a poté se ochladí na vzduchu. Tvrdost oceli 4140 po žíhání je 150-200 HB.

5.3 Kalení

Kalení zahrnuje zahřátí oceli za vzniku austenitu a následné rychlé ochlazení za účelem jeho přeměny na martenzit, čímž se zvyšuje tvrdost a pevnost oceli 4140. 

Austenitizační teplota se pohybuje v rozmezí od 860 do 885 °C (1550 až 1660 °F). Na základě našich zkušeností doporučujeme teplotu 855 °C (1575 °F). Vyhněte se používání nadměrně vysokých teplot, protože to může vést k nadměrné velikosti zrn austenitu a křehkosti martenzitu. Doba namáčení je 5 minut na palec nejmenšího průřezu nebo dokud není díl důkladně namáčen. Kalícím médiem je olej.

5.4 Popouštění

Popouštění musí být provedeno ihned, jakmile teplota oceli 4140 dosáhne 52–65 °C (125–150 °F).

Teplotní rozsah popouštění je 200–700 °C (400–1300 °F). Běžně používaná teplota je 175 °C (350 °F). Doba výdrže určuje tvrdost oceli 4140. Naše standardní doba výdrže je 2 hodiny na palec (25 mm) průřezu. Je důležité zabránit podpopouštění.
Ocel 4140 obvykle nevyžaduje sekundární popouštění; vícenásobné popouštěcí cykly však mohou zjemnit strukturu zrna a dále zvýšit houževnatost. Teplota pro druhé popouštění by měla být o 14 °C (25 °F) nižší než teplota prvního popouštění, aby se zachovala původní tvrdost materiálu 4140.
Nedoporučujeme popouštění v teplotním rozsahu 230–370 °C (450–700 °F), protože tento teplotní rozsah může způsobit “modrou křehkost”. Mikrostruktura kalené a popouštěné oceli 4140 je typicky popouštěný martenzit.

5.5 Sféroidizace

Sferoidizace vytváří mikrostrukturu globulárních karbidů ve feritické matrici, což zlepšuje obrobitelnost. Teplota sferoidizace je 760–775 °C (1400–1425 °F) s dobou výdrže 4 až 12 hodin, po níž následuje pomalé ochlazování.

Sferoidizace lze také dosáhnout prodlouženým udržováním těsně pod teplotou Ae1, střídavým ohřevem a chlazením mezi teplotami těsně nad Ac1 a těsně pod Ar1, nebo ohřevem těsně nad Ac1 následovaným velmi pomalým chlazením v peci nebo udržováním na teplotě těsně pod Ar1. Pro úplnou sferoidizaci jsou austenitizační teploty mírně nad teplotou Ac1 nebo přibližně v polovině mezi Ac1 a Ac3.

6. Ekvivalent

• Evropa (EN/DIN): 42CrMo4 nebo 1.7225
• Japonsko (JIS): SCM440
• Čína (VB/T): 42CrMo
• Velká Británie (BS): EN19 (nebo 708M40/709M40)

1. Mezinárodní ASM. (1991). Příručka ASM, svazek 4: Tepelné zpracování (str. 496). ASM International. ↩︎
2. Jenney, CL, & O'Brien, A. (Eds.). (2000). Příručka svářečství, deváté vydání, 1. svazek: Věda a technologie svářečství (str. 141). Americká svářečská společnost. ↩︎

FAQ