Legovaná ocel 4340 je významným typem středně uhlíkové nízkolegované oceli a je uznávána jako ultravysokopevnostní ocel. Často je považována za standard, s nímž se porovnávají jiné ultravysokopevnostní oceli. Označení UNS (Unified Numbering System) pro legovanou ocel 4340 je G43400. Mezinárodně odpovídá normám jako SNB23-1-5 nebo SNB24-1-5 v Japonsku a 34CrNiMo6 v Evropě. Je také označena číslem AMS (Aerospace Material Specification) 6414.

1. Aplikace

Letadla a kosmonautika: Díly letadel. Podvozek letadla. Díly draku letadla. Ojnice
Strojní součásti: Ozubená kola. Pastorky. Hřídele. Klikové hřídele a pístní tyče pro motory. Drážkování
Spojovací materiál: Šrouby. Vruty. Svorníky
Konstrukční prvky: Tlakové nádoby. Rámy horských kol

2. Složení oceli 4340¹

uhlík (C)	Chrom (Cr)	nikl (Ni)	molybden (Mo)	mangan (Mn)	křemík (Si)	fosfor (P)	síra (S)
0,38 – 0,43%	0,70 – 0,90%	1,65 – 2,00%	0,20 – 0,30%	0,60 – 0,80%	0,20 – 0,35%	≤ 0,0351 TP3T (max.)	≤ 0,040% (max.)

3. Vlastnosti legované oceli 4340

3.1 Mechanické vlastnosti

Legovaná ocel 4340 vykazuje vynikající pevnost, dobrou tažnost a vynikající houževnatost, stejně jako odolnost proti únavě a tečení. Její popouštěcí vlastnosti po kalení jsou zhruba srovnatelné s vlastnostmi uhlíkové oceli. Mechanické vlastnosti jsou výrazně ovlivněny teplotou popouštění po kalení v oleji.

Následující tabulka uvádí vlastnosti oceli 4340 za různých podmínek kalení a popouštění v oleji.

Teplota temperování	Pevnost v tahu (MPa / ksi)	Mez kluzu (MPa / ksi)	Tvrdost (HB / HRC)	Rázová houževnatost
205 °C (400 °F)	~1980 / ~287	~1860 / ~270	~520HB / ~53HRC	Relativně nižší
425 °C (800 °F)	~1500 / ~217	~1365 / ~198	~440HB / ~46HRC	Mírný
540 °C (1000 °F)	~1150 / ~167	~1050 / ~152	~360HB/~39HRC	Výrazně vyšší
650 °C (1200 °F)	~1020 / ~148	~860 / ~125	~290HB / ~31HRC	Vysoký

Po kalení a popouštění vytváří legovaná ocel AISI 4340 mikrostrukturu lamelového martenzitu. Během rychlého ochlazování je tvorba martenzitu doprovázena objemovou expanzí. V závislosti na rychlosti ochlazování se mohou tvořit i další mikrostruktury, například bainit.

3.2 Obrobitelnost

Obrobitelnost oceli AISI 4340 je obecně hodnocena jako 55% pro tažený materiál a 45% pro žíhaný materiál, v porovnání s ocelí B1112 (hodnocenou jako 100%). Pro optimální obrobitelnost se doporučuje částečně sféroidizovaná mikrostruktura, dosažená normalizací a následným popouštěním.

3.3 Svařitelnost

Ocel 4340 má vynikající svařitelnost a lze ji svařovat plynovým nebo obloukovým svařováním. Jelikož se jedná o ocel kalitelnou na vzduchu, vyžaduje také určitá ochranná opatření. Ocel AISI 4340 se svařuje obtížněji než běžná uhlíková ocel a během svařování je nutné předehřátí materiálu a regulace mezivrstvé teploty. Kromě toho by se po svařování mělo co nejdříve provést žíhání nebo normalizační zpracování s následným popouštěním. 

3.4 Nitridace

Ocel AISI 4340 lze snadno nitridovat a tento proces často zlepšuje její únavovou životnost. Zatímco ocel 4140 díky vyššímu obsahu chromu a bezniklovému složení obecně vykazuje lepší nitridační vlastnosti, u oceli 4340 se během prvních 24 hodin nitridace stále vyvíjí těžší nitridační povrch než u oceli 8640. Typické nitridační teploty pro ocel 4340 se pohybují od 510 °C do 550 °C (950 °F až 1020 °F). Na základě aplikací nitridované oceli 4340 pro výrobu ozubených kol našimi zákazníky se tvrdost jádra obvykle pohybuje od 38 do 42 HRC.

3.5 Potenciální problémy a bezpečnostní opatření při zpracování

Uživatelé materiálu 4340 by si měli být vědomi potenciálních problémů:

• Praskání: Kalení vodou výrazně zvyšuje riziko praskání.
• Vodíkové křehnutí: To může být problém, pokud je ocel tepelně zpracovávána na velmi vysoké pevnosti v tahu (nad přibližně 1400 MPa / 200 ksi). Po procesech, jako je moření nebo pokovování, doporučujeme vypalování.
• Praskání v důsledku koroze v důsledku napětí: Ocel AISI 4340 vykazuje nízkou odolnost proti praskání v důsledku koroze v důsledku napětí, zejména při popouštění na vysoké pevnosti v tahu (1 500 až 1 950 MPa / 220 až 280 ksi).
• Mezikrystalová zlomenina: Citlivost je ovlivněna nečistotami a přítomností vodíku.
• Zkřehnutí za stálého působení: To je u této slitiny známý jev.

4. Tepelné zpracování

Tepelné zpracování oceli 4340 zahrnuje několik klíčových procesů, z nichž každý ovlivňuje její konečnou mikrostrukturu a mechanické vlastnosti:

4.1 Kování

Teplota kování je 1065 až 1230 °C (1950 až 2250 °F)Po kování lze díly chladit vzduchem v suchém prostředí nebo nejlépe v peci. Mez tečení oceli 4340 se může při poklesu teploty kování za tepla o 55 °C (100 °F) zvýšit přibližně o 15%. 

4.2 Normalizace

Normalizace může zlepšit mikrostrukturu oceli 4340 po nerovnoměrném ochlazení za vysokých teplot. Tento proces je použitelný i pro výkovky, válcované výrobky a odlitky z legované oceli.

Ocel 4340 se zahřeje na teplotu o 55 až 85 °C (100 až 150 °F) vyšší než je teplota fázové transformace (845 až 900 °C), při které se původní mikrostruktura zcela rozpustí na austenit. Materiál se poté ochladí na pokojovou teplotu na vzduchu.

4.3 Žíhání

Žíhací teplota oceli 4340 je 790–845 °C (1450–1550 °F) s maximální tvrdostí oceli 4340 po žíhání 223 HB.

4.4 Kalení

Ocel 4340 zahřejte na teplotu austenitické transformace, která se pohybuje v rozmezí od 800 do 845 °C (1475 až 1550 °F). Obvykle volíme austenitizační teplotu 845 °C (1550 °F). Nechte namočené přibližně 15 minut na každých 25 mm (1 palec) průřezu s minimální dobou výdrže 150 minut, po které následuje žíhání. U tenkovrstvých průřezů z oceli 4340 se žíhání provádí žíháním na vzduchu. U kruhových průřezů o průměru nepřesahujícím 75 mm (3 palce) lze použít kalení v oleji.

 Diagram izotermické transformace oceli 4340 obsahující 0,42% C, 0,78% Mn, 1,79% Ni, 0,80% Cr a 0,33% Mo. [Zdroj: Z knihy The Making, Shaping and Treating of Steels, 9. vydání, tamtéž.]

4.5 Popouštění

Popouštění účinně snižuje křehkost nepopuštěného martenzitu. Teploty popouštění se pohybují od 200 do 650 °C (400 až 1200 °F) pro dosažení požadované úrovně pevnosti a mohou dosáhnout až 705 °C (1300 °F).

Pro ocel AISI 4340 kalené v oleji při 845 °C (1550 °F) důrazně doporučujeme popouštěcí teplotu 425 °C (800 °F). Pro ocel 4340 kalené ve vodě doporučujeme popouštěcí teplotu 650 °C (1200 °F).

Změna tvrdosti s teplotou popouštění oceli 4340. Všechny vzorky byly kalené v oleji z teploty 845 °C (1550 °F) a popouštěné po dobu 2 hodin při dané teplotě. AQ, po kalení.².

4.6 Zmírnění stresu

Tento krok je navržen tak, aby snížil zbytkové napětí vznikající při procesech, jako je rovnání, tváření nebo obrábění. Uvolnění napětí u oceli 4340 se provádí před kalením při teplotě 650 až 675 °C (1200 až 1250 °F). U kalené oceli 4340 by teplota pro uvolnění napětí neměla překročit předchozí teplotu popouštění. 

4.7 Sféroidizace

Účelem sféroidizační úpravy je vytvoření sféroidní karbidové mikrostruktury ve feritové matrici, která změkčuje ocel. Maximální teplota pro sféroidizační úpravu oceli 4340 je 760–775 °C (1400–1425 °F). Částečně sféroidizovaná struktura se získá normalizací a následným popouštěním při 650 °C (1200 °F).

5. Ekvivalentní jakosti oceli 4340

Země/oblast	Ekvivalentní stupeň
Amerika	AISI/SAE 4340
Japonsko	JIS SNCM439
Čína	GB 40CrNiMoA
EU	EN 34CrNiMo6 (1,6582)

1. Mezinárodní ASM. (1991). Příručka ASM, svazek 4: Tepelné zpracování (str. 496). ASM International. ↩︎
2. Mezinárodní ASM. (1991). Příručka ASM, svazek 4: Tepelné zpracování (str. 506). ASM International. ↩︎

FAQ