Technický přehled oceli 4140

Ocel 4140 je všestranná středně uhlíková nízkolegovaná ocel. Jako hlavní legující prvky obsahuje chrom a molybden. Tato ocel je známá svou dobrou prokalitelností, která jí umožňuje dosáhnout vysoké pevnosti a tvrdosti pomocí procesů tepelného zpracování, jako je kalení a popouštění. Běžně se používá v aplikacích vyžadujících dobrou rovnováhu mezi pevností a houževnatostí, jako jsou hřídele, ozubená kola a další součásti strojů. Může být podroben různým tepelným úpravám, včetně žíhání pro změkčení, normalizace pro zlepšení mikrostruktury a střední pevnosti a kalení s následným popouštěním pro dosažení požadovaných mechanických vlastností.

1. Chemické složení

uhlík (C)	mangan (Mn)	fosfor (P)	síra (S)	křemík (Si)	Chrom (Cr)	molybden (Mo)
0.38% – 0.43%	0.75% – 1.00%	≤ 0,0351 TP3T (max.)	≤ 0,040% (max.)	0.15% – 0.35%	0.80% – 1.10%	0.15% – 0.25%

2. Aplikace

Na základě svých vlastností nachází ocel 4140 uplatnění v různých náročných strojírenských součástech díky své dobré prokalitelnosti, vysokému potenciálu pevnosti a tvrdosti a slušné úrovni houževnatosti při správném tepelném zpracování. Zde je rozpis aplikací založený na těchto vlastnostech:

2.1 Součásti vyžadující vysokou pevnost a tvrdost (dosažené kalením a temperováním):

• Staticky a dynamicky zatěžované části motorů a strojů automobilů, např. klikové hřídele. Vysoká tvrdost dosažená po kalení jej předurčuje pro tyto náročné aplikace.
• Strojní díly s velkými průřezy, kde lze po zušlechtění dosáhnout vysoké pevnosti. Jeho dobrá prokalitelnost umožňuje prokalování ve významných tloušťkách.
• Komponenty pro středně náročné provozní podmínky, kde je zapotřebí vyvážení pevnosti a houževnatosti.
• Ozubená kola, která vyžadují průběžné kalení k dosažení potřebné pevnosti a odolnosti proti opotřebení.
• Čepy a hřídele v různých strojírenských aplikacích, kde je rozhodující vysoká pevnost a houževnatost. Pro aplikace s vyšším zatížením může být kaleno a popouštěno, aby se dosáhlo pevnosti jádra v rozsahu 100-140 kgf/mm².
• Komponenty vyžadují odolnost proti opotřebení, takže jsou vhodné pro techniky povrchového kalení, jako je kalení plamenem a indukční kalení.
• Vysoce žádané automobilové díly, jako jsou nápravy, těžící ze své pevnosti a prokalitelnosti.
• Trubky z legované oceli pro všeobecné a konstrukční aplikace, kde je výhodná její pevnost po tepelném zpracování.
• Tyče a výkovky pro různé strojírenské účely jsou často tepelně zpracovány na specifické úrovně pevnosti.

2.2 Součásti vyžadující povrchovou tvrdost a odolnost proti opotřebení (dosahované nitridací nebo indukčním kalením):

• Ozubená kola vyžadující hluboké pouzdro a tvrdost povrchu pod 60 HRC mohou být vyrobena z oceli 4140 a podrobena nitridaci.
• Ozubená kola a další součásti těží z indukčního kalení pro tvrdou povrchovou vrstvu odolnou proti opotřebení.

2.3 Aplikace nástrojů:

I když není 4140 primárně považována za nástrojovou ocel, je oblíbená v nástrojárně pro různé aplikace vyžadující střední prokalitelnost a dobrou pevnost a houževnatost.

3. Fyzikální vlastnosti

3.1 Pevnost v tahu oceli 4140

Stav	Pevnost v tahu (MPa)	Pevnost v tahu (ksi)
Žíhaný	434-620	63-90
Normalizované	Může se pohybovat od 483 do 690 v závislosti na obsahu uhlíku	Může se pohybovat od 70,0 do 100,0 v závislosti na obsahu uhlíku
Kaleno a temperováno při 205 °C (400 °F)	1965-1980	285-287
Kaleno a temperováno při 425 °C (800 °F)	1450-1500	210-217
Kaleno a temperováno při 540 °C (1000 °F)	1140-1240	165-180
Kaleno a temperováno při 650 °C (1200 °F)	900-1020	130-148
Tažené za studena a žíhané	Přibližně 620-703	Přibližně 90-102
Taženo při 1000 °F (540 °C)	Přibližně 903-1054	Přibližně 131-153

3,2 Mez kluzu (0,21 TP3T offset) oceli 4140

Stav	Mez kluzu (MPa)	Mez kluzu (ksi)
Žíhaný	Přibližně 201-434 v závislosti na obsahu uhlíku	Přibližně 29,1-63 v závislosti na obsahu uhlíku
Normalizované	Může se pohybovat od 247 do 355 v závislosti na obsahu uhlíku	Může se pohybovat od 35,8 do 51,5 v závislosti na obsahu uhlíku
Kaleno a temperováno při 205 °C (400 °F)	1740-1860	252-270
Kaleno a temperováno při 425 °C (800 °F)	1340-1365	195-198
Kaleno a temperováno při 540 °C (1000 °F)	985-1160	143-168
Kaleno a temperováno při 650 °C (1200 °F)	790-860	114-125
Tažené za studena a žíhané	Přibližně 620-703	Přibližně 90-102
Taženo při 1000 °F (540 °C)	Přibližně 903-1054	Přibližně 131-153

3.3 Vlastnosti tažnosti (prodloužení a zmenšení plochy) oceli 4140

Vlastnictví	Stav	Hodnota
Prodloužení (v 50 mm/2 palce)	Žíhaný	Typicky kolem 18-27%
Prodloužení (v 50 mm/2 palce)	Kalené a temperované	Snižuje se s rostoucí teplotou temperování. Například se může pohybovat od 11% (při 205 °C/400 °F) do 23% (při 705 °C/1300 °F)
Snížení plochy	Kalené a temperované	Obecně se pohybuje od 39% do 65% v závislosti na teplotě popouštění

3.4 Tvrdost oceli 4140

Stav	Hodnota tvrdosti
Žíhaný	Přibližně 185 HB
As-Quenched	Může dosáhnout přibližně 601 HB
Kalené a temperované	Široce se mění s teplotou temperování, od přibližně 578 HB (~53 HRC) při 205 °C (400 °F) až po 235 HB (~24 HRC) při 705 °C (1300 °F)

3.5 Rázová houževnatost oceli 4140

Vlastnictví	Stav	Pozorování / Hodnota
Rázová síla	Kalené a temperované	Zvyšuje se s rostoucí teplotou temperování.
Energie dopadu Izod	Kalené a temperované	Energie nárazu Izod se například může pohybovat od 15 J (11 ft·lb) při 205 °C (400 °F) do 136 J (100 stop·lb) při 705 °C (1300 °F).
Charpy V-zářez	Kalené a temperované	Hodnoty také vykazují podobný trend [jako Izod].

3.6 Únavová pevnost oceli 4140

Stav	Pozorování / Hodnota
Generál	Citlivé na vruby a přechody na strojních částech vystavených únavovému zatížení.
Kalené a temperované (tvrdost 46-50 HRC)	Únavová pevnost při rotačním ohýbání může být kolem 270 MPa (39 ksi).
Shot Peened (po Q&T)	Brokování může výrazně zvýšit únavovou pevnost.

3.7 Další mechanické vlastnosti oceli 4140

Vlastnictví	Stav	Hodnota
Elastický modul	Napětí	Přibližně 115 GPa (17 × 10⁶ psi)
Pevnost ve smyku	H04 temperovací tyč	Může se pohybovat od 200-205 MPa (29-32 ksi) v závislosti na průměru.

4. Tepelné zpracování

4.1 Žíhání: Tento proces se používá ke změkčení oceli, zlepšení obrobitelnosti a uvolnění vnitřního pnutí. Obecné kroky pro žíhání oceli 4140 jsou:

• Zahřívání: Zahřejte ocel 4140 na 830 až 870 °C (1525 až 1600 °F), čímž zajistíte rovnoměrné zahřátí v celé sekci. U legovaných ocelí se obecně doporučuje pomalé zahřívání, aby se minimalizovalo tepelné namáhání3.
• Udržení (namáčení): Tuto teplotu udržujte po dostatečnou dobu. Doba výdrže typicky závisí na tloušťce dílu nebo na zatížení pece.
• Chlazení: Pomalu ochlaďte ocel v peci rychlostí přibližně 15 °C/h (30 °F/h) až na přibližně 480 °C (900 °F), poté ochlaďte vzduchem na pokojovou teplotu. Toto pomalé chlazení umožňuje vytvoření měkčí mikrostruktury. Maximální tvrdost dosažitelná po žíhání je kolem 197 HB4. K získání převážně perlitické struktury lze také použít metody izotermického žíhání, zahrnující řízené chlazení na určitý teplotní rozsah a udržování před konečným ochlazením.

4.2 Normalizace: Tato úprava zjemňuje strukturu zrna, zlepšuje jednotnost a zvyšuje pevnost a tvrdost ve srovnání s žíhaným stavem. Postup je následující:

• Zahřívání: Zahřejte ocel 4140 na teplotní rozsah 845 až 925 °C (1550 až 1700 °F), což je přibližně o 55 až 85 °C (100 až 150 °F) nad její horní transformační teplotou. Tím je zajištěna úplná přeměna na austenit. Pro konkrétní normalizační teplotu jste uvedli 1600 °F (přibližně 870 °C), což spadá do tohoto rozsahu.
• Udržení: Udržujte při této teplotě minimálně 1 hodinu nebo 15 až 20 minut na 25 mm (1 palec) maximální tloušťky řezu. To umožňuje tvorbu homogenního austenitu.
• Chlazení: Ocel ochlaďte v klidném vzduchu na pokojovou teplotu. Vyšší rychlost ochlazování ve srovnání s žíháním vede k jemnější perlitické struktuře a vyšší tvrdosti.

Ocel 4140 normalizovaná na 1600 °F (870 °C) bude vykazovat zjemněnou strukturu zrna, zlepšující pevnost a tvrdost ve srovnání s kovaným nebo za tepla válcovaným stavem. Slouží jako běžné přípravné tepelné zpracování před následným kalením a popouštěním pro dosažení konečných požadovaných mechanických vlastností pro specifické aplikace vaší továrny. Přesná tvrdost po normalizaci bude záviset na rozměrech součásti a dosažené rychlosti ochlazování. Pamatujte, že tento normalizovaný stav je často mezikrokem a pro optimalizaci rovnováhy pevnosti, tažnosti a houževnatosti pro zamýšlené provozní podmínky je obvykle vyžadováno další tepelné zpracování, jako je temperování.

4.3 Kalení (kalení): Tento proces má za cíl dosáhnout tvrdé martenzitické struktury. To zahrnuje:

• Předehřev (volitelné, ale doporučené): U oceli 4140 může být prospěšné předehřátí na přibližně 650 °C (1200 °F) po dobu 10 až 15 minut, zejména u složitých tvarů, aby se snížil tepelný šok a minimalizovalo se zkreslení.
• Austenitizace: Zahřejte ocel na austenitizační teplotu, typicky v rozmezí 845 až 925 °C (1550 až 1700 °F). Některé zdroje uvádějí teplotu 855 °C (1575 °F). Při této teplotě držte po dostatečnou dobu namáčení, aby byla zajištěna úplná transformace na austenit, která závisí na tloušťce řezu (např. přidejte 5 minut na každý palec nejmenšího průřezu po dosažení austenitizační teploty). Přemáčení, zejména při vyšších teplotách, může vést k nežádoucímu růstu austenitového zrna.
• Kalení: Rychle ochlaďte ocel z austenitizační teploty ve vhodném kalu. U oceli 4140 je kalení v oleji nejběžnější a doporučovanou metodou k dosažení kalení při minimalizaci rizika praskání spojeného s rychlejším kalením jako je voda. V závislosti na požadavcích na prokalitelnost však lze u větších profilů použít kalení vodou. Účinnost kalení závisí na teplotě kalení. Pokud vezmete ocel 4140 žíhanou na 1600 °F a poté ji kalíte v oleji z příslušné austenitizační teploty, dosáhnete vysoké tvrdosti a pevnostní charakteristiky martenzitu, ale materiál bude křehký s nízkou tažností a houževnatostí. Následný proces temperování by byl nezbytný pro většinu technických aplikací.

4.4 Temperování: Kalený martenzit je obecně křehký a obsahuje vnitřní pnutí. Popouštění se provádí za účelem snížení křehkosti, zmírnění těchto pnutí a zlepšení houževnatosti při zachování dostatečné tvrdosti a pevnosti. Postup je následující:

• Ohřev: Zahřejte kalenou ocel na určitou popouštěcí teplotu, která je vždy pod austenitizační teplotou. Teplota popouštění pro ocel 4140 se typicky pohybuje od 205 do 705 °C (400 až 1300 °F), v závislosti na požadovaných mechanických vlastnostech. Je důležité, aby k temperování došlo, jakmile díly po kalení dosáhnou 52 až 65 °C (125 až 150 °F), aby se zabránilo praskání. Popouštění mezi 230 a 370 °C (450 a 700 °F) se u oceli 4140 obecně vyhýbá, aby se zabránilo modré křehkosti.
• Výdrž: Udržujte při temperovací teplotě po určitou dobu, obvykle 1 až 2 hodiny18 nebo 2 hodiny na palec (25 mm) průřezu. To umožňuje difúzi uhlíku a legujících prvků a tvorbu temperovaného martenzitu s požadovanými vlastnostmi.
• Chlazení: Ochlaďte na pokojovou teplotu na vzduchu nebo zchlazením ve vodě nebo oleji. Rychlost chlazení po temperování obvykle není kritická. Často může být použit druhý temperovací cyklus při mírně nižší teplotě.

4.5 Sferoidizace: Jedná se o specializovaný proces žíhání, který vytváří mikrostrukturu globulárních karbidů ve feritické matrici, což má za následek maximální měkkost a zlepšenou tvarovatelnost. U oceli 4140 toho lze dosáhnout zahřátím na 760 až 775 °C (1400 až 1425 °F) a držením po dobu 4 až 12 hodin, po kterém následuje pomalé chlazení.

4.6 Povrchové kalení: Pro zvýšení odolnosti proti opotřebení při zachování tužšího jádra může ocel 4140 projít procesy povrchového kalení, jako jsou:

• Indukční kalení: Jedná se o rychlé zahřátí povrchové vrstvy na austenitizační teplotu pomocí indukční cívky s následným kalením. Tím vznikne pouzdro s tvrdým povrchem. Po indukčním kalení se obvykle provádí popouštění.
• Nitridace: Jedná se o termochemický proces, který zavádí dusík do povrchu oceli při relativně nízkých teplotách, vytváří tvrdé nitridové sloučeniny a zlepšuje odolnost proti opotřebení a únavě. Před nitridací se často provádí temperování.

5. Ocel 4140 Vs D2

• Ocel 4140 je vaším tahounem pro konstrukční a strojní součásti vyžadující dobrou rovnováhu pevnosti a houževnatosti se střední odolností proti opotřebení, kterou lze zvýšit. Nabízí všestrannost prostřednictvím různých tepelných úprav, včetně povrchového kalení.
• ocel D2 je váš cíl pro nástrojové aplikace vyžadující vysokou odolnost proti oděru a rozměrovou stabilitu během kalení. Jeho vyšší obsah uhlíku a chrómu poskytuje potřebné tvrdé karbidy pro odolnost proti opotřebení, ale je to za cenu nižší houževnatosti ve srovnání s 4140.
• Stručně řečeno, 4140 je pravděpodobně lepší volbou pro strojní součásti, které vyžadují vysokou pevnost a houževnatost. Pokud máte co do činění s nástroji, které vyžadují mimořádnou odolnost proti opotřebení a otěru, byla by vhodnější ocel D2.

6. Ocel 4140 Vs 4130

• Ocel 4140 má vyšší obsah uhlíku, což má za následek větší prokalitelnost, pevnost a tvrdost po tepelném zpracování ve srovnání s ocelí 4130. Obvykle se kalí v oleji.
• Ocel 4130 má nižší obsah uhlíku, což vede k nižší až střední prokalitelnosti a obecně nižší pevnosti a tvrdosti než ocel 4140 po podobných tepelných zpracováních. Často se hasí vodou.
• Stručně řečeno, pokud je prvořadá vyšší pevnost, je obecně preferovanou volbou 4140. Pokud je dostatečná střední pevnost s potenciálně lepší svařitelností nebo obrobitelností a velikost průřezu je významným omezením pro kalení, lze zvážit 4130.

7. Vliv popouštěcí teploty na vlastnosti oceli 4140

8. Hliník 7075 vs. ocel 4140

• Ocelový předvalek 4140 nabízí vyšší potenciál pevnosti a tvrdosti než hliník 7075, spolu s dobrou houževnatostí. Je také hustší a snadněji svařitelný (s opatrností). Pro dosažení optimálních vlastností vyžaduje tepelné zpracování a je náchylný ke korozi.
• Hliníkový předvalek 7075 poskytuje výrazně nižší hustotu s vysokou pevností, což je výhodné v aplikacích citlivých na hmotnost. Má dobrou odolnost proti korozi, ale obecně je náročnější na svařování. Jeho pevnosti je dosaženo specifickým tepelným zpracováním.

9. 4140 ocel na nože

Ocel 4140 může být tepelně zpracována pro dosažení potřebné tvrdosti pro čepel nože, ale její nedostatek nerezových vlastností ji činí méně konvenční volbou než oceli speciálně určené pro příbory. Pokud požadujete nůž odolný proti korozi, lépe by vám posloužilo prozkoumání slitin nerezové oceli. Pokud jsou primárními požadavky pevnost a houževnatost a lze koroze zvládnout, lze uvažovat o 4140, ale zásadní bude pečlivá pozornost tepelnému zpracování.