Technický přehled oceli 4340

Ocel 4340 Technický přehled: Ocel 4340 je oblíbená nízkolegovaná ocel se středním obsahem uhlíku. Je známý svou vysokou pevností, hlubokou prokalitelností a houževnatostí, dosažené procesy tepelného zpracování, jako je kalení a popouštění. Tato ocel obvykle obsahuje legující prvky, jako je chrom, nikl a molybden, a často se používá v aplikacích vyžadujících středně náročné provozní podmínky, včetně součástí, jako jsou ozubená kola, drážky a hřídele.

1. Chemické složení

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%	0.15 – 0.35%	≤ 0,0351 TP3T (max.)	≤ 0,040% (max.)

2. Mechanické vlastnosti oceli 4340

Typické mechanické vlastnosti oceli 4340 po kalení v oleji od 845 °C (1550 °F) a popouštění při různých teplotách

Teplota temperování	Pevnost v tahu	Mez kluzu	Prodloužení v 50 mm (2 palce)	Snížení plochy	Tvrdost	Energie dopadu Izod
205 °C (400 °F)	Přibl. 1980 MPa (287 ksi)	Přibl. 1860 MPa (270 ksi)	Kolem 11%	Kolem 39%	Přibl. 520 HB (≈ 53 HRC)	Přibližně 20 J (15 ft·lb)
425 °C (800 °F)	Přibl. 1500 MPa (217 ksi)	Přibl. 1365 MPa (198 ksi)	Kolem 14%	Kolem 48%	Přibl. 440 HB (≈ 46 HRC)	Přibližně 16 J (12 ft·lb)
650 °C (1200 °F)	Přibl. 1020 MPa (148 ksi)	Přibl. 860 MPa (125 ksi)	Kolem 20%	Kolem 60%	Přibl. 290 HB (≈ 31 HRC)	Přibližně 100 J (74 ft·lb)

3. 4340 ocelových aplikací

• Ozubená kola, drážky a hřídele: Díky vysoké pevnosti a houževnatosti oceli 4340 je široce používána k výrobě ozubených kol a drážkování, které musí vydržet velké množství točivého momentu a rázového zatížení. Používá se také k výrobě hřídelí pro další stroje, kde je zásadní odolnost proti únavě a torznímu namáhání.
• Součásti letadel: Tepelně zpracovaná ocel 4340 díky své schopnosti dosahovat vysokých poměrů pevnosti k hmotnosti ji umožňuje použití ve specifických leteckých konstrukcích, jako jsou součásti podvozku a části draku letadla, kde selhání za extrémních podmínek není možné. Je důležité si uvědomit, že u letadel musíme vyžadovat přísné testování a kontrolu kvality, jako je příčné testování mechanických vlastností.
• Automobilové díly: Některé aplikace pro ocel 4340 mohou zahrnovat automobilové díly s vysokou poptávkou, kde je důležitá pevnost a odolnost, jako jsou určité typy náprav a součástí zavěšení.
• Nástroje a zápustky: Ačkoli 4340 není typicky primární „nástrojová ocel“, jako jsou oceli s vysokým obsahem uhlíku nebo rychlořezné oceli, její kombinace pevnosti a houževnatosti ji může učinit užitečnou pro některé nástrojové aplikace, jako jsou zápustky pro uchopení a zápustkové kování, především pro kratší výrobní série nebo méně náročný provoz, kde extrémní odolnost proti opotřebení není prvořadá.
• Komponenty pro ropný a plynárenský průmysl: Dobrá pevnost a houževnatost oceli 4340 ji také činí vhodnou pro některé součásti ropného a plynárenského průmyslu, které jsou v náročných prostředích a vysoce namáhané díly. Například by mohl být použit v potrubí a ventilech pro shromažďování a rafinaci ropy
• Aplikace ložisek: 52100 se často používá pro ložiska, ale pro některé aplikace s užší tolerancí nebo nižším výkonem by bylo stále možné uvažovat o 4340, zejména v nauhličovaném stavu, kde je zapotřebí vyvážení pevnosti a houževnatosti.
• Vysokopevnostní šrouby a spojovací prvky: Ocel 4340 je díky své kapacitě pro vysokou pevnost dosažitelnou tepelným zpracováním kandidátem na vysokopevnostní šrouby a spojovací prvky v kritických nebo vysoce namáhaných scénářích.
• Stroje a konstrukční součásti: 4340 se běžně používá jako vysokopevnostní strojní ocel, i když může být také použita v široké škále konstrukčních a mechanických součástí, kde je vyžadována střední až vysoká pevnost a dobrá houževnatost. Příkladem mohou být díly pro těžká zařízení, průmyslové stroje nebo jiné strojírenství s vysokou poptávkou.

4. Tepelné zpracování

4.1 Předehřívání

Tento krok je užitečný pro omezení tepelného šoku na ocel v následujícím stupni vysokoteplotní austenitizace. Zlepšuje celkovou rovnoměrnost ohřevu a snižuje možnost praskání, zejména v oblastech součásti se složitou geometrií nebo proměnlivými průřezy. Pro ocel 4340 by běžná teplota předehřívání byla 1200 °F (650 °C) po krátkou dobu, aby se díl dostal na stejnoměrnou teplotu. Tento krok může také pomoci uvolnit některá napětí vyvolaná během předchozích výrobních procesů, jako je obrábění.

4.2 Austenitizace

Austenitizace je klíčový proces a spočívá v zahřátí oceli na zvolenou vysokou teplotu, která je obvykle v rozmezí 1500 až 1575 °F (815 až 855 °C) a udržení na této teplotě po dostatečnou dobu namáčení, aby mohla mikrostruktura přeměnit 100% na austenit. Tloušťka sekcí bude určovat specifickou austenitizační teplotu a dobu zdržení. Cílem je dosáhnout homogenní austenitické struktury před dalším stupněm.

4.3 Kalení

Po austenitizaci se ocel musí dostatečně rychle ochladit, aby se austenit přeměnil na martenzit, což je vysoce pevná a často křehká fáze. Kalení do oleje je u oceli 4340 nejběžnější metodou pro dosažení dobré rovnováhy tvrdosti a minimalizaci deformací a praskání. U větších sekcí (např. o průměru větším než 75 mm (3 palce)) však může být použito kalení vodou, aby se dosáhlo prostřednictvím kalení, i když to značně zvyšuje pravděpodobnost praskání. Je důležité zmínit, že rovnání součásti, pokud je potřeba kvůli deformaci během kalení, může být často provedeno, když je teplota oceli stále nad přibližně 400 °F (205 °C).

4.4 Temperování

Ocel 4340 zušlechtěná jako kalená má zcela martenzitickou strukturu, která je pro většinu strojírenských aplikací obvykle příliš křehká. Po kalení musí být kalená ocel popuštěna, obvykle opětovným zahřátím na nižší teplotu, obecně mezi 300 až 1300 °F (150 až 705 °C), přičemž se na této teplotě udržuje po určitou dobu (obvykle alespoň 2 hodiny na palec průřezu), před ochlazením na pokojovou teplotu. Jak již bylo zmíněno dříve, teplota popouštění přímo ovlivňuje dosažené mechanické vlastnosti. Obecně platí, že nižší popouštěcí teploty produkují vyšší pevnost a tvrdost, zatímco vyšší teploty produkují větší tažnost a houževnatost. U některých aplikací lze někdy použít dvojí temperování.

4.5 Uvolnění stresu (volitelné, doporučené)

Chcete-li snížit zbytková napětí z obrábění, tváření nebo svařování, zvažte ošetření uvolňující napětí před procesem kalení (aby se zabránilo nadměrnému zkreslení během kalení) nebo po kalení (ale pod teplotou popouštění, aby se zabránilo ovlivnění popouštěné tvrdosti). Pro ocel by byl běžný teplotní rozsah odlehčení pnutí 650 až 675 °C (1200 až 1250 °F), s dobou výdrže v závislosti na tloušťce průřezu.

4.6 Subzero léčba (volitelné)

Pokud je rozměrová stabilita nanejvýš důležitá, mohou být součásti po kalení a před temperováním podrobeny zpracování pod nulou (zchlazené na -87 až -60 °C nebo -125 až -75 °F), aby se zbylý austenit přeměnil na martenzit. Poté následuje temperování pro získání konečných požadovaných vlastností a snížení křehkosti nově vytvořeného martenzitu.

5. Jaký je rozdíl mezi ocelí 4140 a 4340?

Klíčový rozdíl mezi 4140 a oceli 4340 spočívá v přidání niklu do oceli 4340, což spolu s mírně vyšším obsahem molybdenu v některých specifikacích vede k lepší prokalitelnosti, vyšší pevnosti a zlepšené houževnatosti ve srovnání s ocelí 4140. Díky tomu je 4340 vhodnější pro aplikace s vyšším namáháním a větší velikosti součástí. Při výběru mezi těmito dvěma je důležité vzít v úvahu specifické požadavky na mechanické vlastnosti a rozměry součásti ve vztahu k vlastnostem prokalitelnosti každé třídy oceli.