Tinjauan teknis baja 4140

Baja 4140 adalah baja paduan rendah karbon sedang yang serbaguna. Baja ini mengandung kromium dan molibdenum sebagai unsur paduan utamanya. Baja ini dikenal karena sifat pengerasannya yang baik, sehingga memungkinkannya mencapai kekuatan dan kekerasan tinggi melalui proses perlakuan panas seperti pendinginan dan tempering. Baja ini umumnya digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan keseimbangan kekuatan dan ketangguhan yang baik, seperti poros, roda gigi, dan komponen mesin lainnya. Baja ini dapat mengalami berbagai perlakuan panas, termasuk annealing untuk pelunakan, normalisasi untuk meningkatkan struktur mikro dan kekuatan sedang, dan pengerasan yang diikuti dengan tempering untuk mencapai sifat mekanis yang diinginkan.

1. Komposisi kimia

Karbon (C)	Mangan (Mn)	Fosfor (P)	Belerang (S)	Silikon (Si)	Kromium (Cr)	Molibdenum (Mo)
0.38% – 0.43%	0.75% – 1.00%	≤ 0,035% (maks)	≤ 0,040% (maks)	0.15% – 0.35%	0.80% – 1.10%	0.15% – 0.25%

2. Aplikasi

Berdasarkan sifat-sifatnya, baja 4140 dapat diaplikasikan dalam berbagai komponen teknik yang menuntut karena sifat pengerasannya yang baik, kekuatan dan potensi kekerasan yang tinggi, serta tingkat ketangguhan yang baik jika diberi perlakuan panas yang tepat. Berikut adalah rincian aplikasi berdasarkan sifat-sifat tersebut:

2.1 Komponen yang Memerlukan Kekuatan dan Kekerasan Tinggi (Dicapai melalui Pendinginan dan Tempering):

• Komponen mesin dan perkakas mobil yang dibebani secara statis dan dinamis, seperti poros engkol. Kekerasan tinggi yang dicapai setelah pengerasan membuatnya cocok untuk aplikasi yang menuntut ini.
• Komponen mesin dengan penampang melintang besar yang dapat menghasilkan kekuatan tinggi setelah penyempurnaan. Kemampuan pengerasannya yang baik memungkinkan pengerasan menyeluruh pada ketebalan yang signifikan.
• Komponen untuk kondisi servis yang cukup berat di mana dibutuhkan keseimbangan antara kekuatan dan ketangguhan.
• Roda gigi yang memerlukan pengerasan menyeluruh untuk mencapai kekuatan dan ketahanan aus yang diperlukan.
• Pin dan poros dalam berbagai aplikasi teknik, yang membutuhkan kekuatan dan ketangguhan tinggi. Untuk aplikasi tugas berat, dapat dikeraskan dan ditempa untuk mencapai kekuatan inti dalam kisaran 100-140 kgf/mm².
• Komponen memerlukan ketahanan terhadap keausan, membuatnya cocok untuk teknik pengerasan permukaan seperti pengerasan api dan induksi.
• Komponen otomotif yang banyak diminati, seperti as, diuntungkan oleh kekuatan dan kemampuan pengerasannya.
• Tabung baja paduan untuk aplikasi umum dan struktural, di mana kekuatannya setelah perlakuan panas menguntungkan.
• Batangan dan tempaan untuk berbagai keperluan teknik sering kali diberi perlakuan panas hingga tingkat kekuatan tertentu.

2.2 Komponen yang Memerlukan Kekerasan Permukaan dan Ketahanan Aus (Dicapai melalui Nitriding atau Pengerasan Induksi):

• Roda gigi yang memerlukan casing dalam dan kekerasan permukaan di bawah 60 HRC dapat dibuat dari baja 4140 dan mengalami nitriding.
• Roda gigi dan komponen lainnya mendapat manfaat dari pengerasan induksi untuk lapisan permukaan yang keras dan tahan aus.

2.3 Aplikasi Perkakas:

Meskipun tidak dianggap sebagai baja perkakas, 4140 populer di ruang peralatan untuk berbagai aplikasi yang memerlukan pengerasan sedang dan kekuatan serta ketangguhan yang baik.

3. Sifat Fisik

3.1 Kekuatan Tarik Baja 4140

Kondisi	Kekuatan Tarik (MPa)	Kekuatan Tarik (ksi)
Anil	434-620	63-90
Dinormalkan	Dapat berkisar dari 483 hingga 690 tergantung pada kandungan karbon	Dapat berkisar dari 70,0 hingga 100,0 tergantung pada kandungan karbon
Didinginkan & Ditempa pada suhu 205 °C (400 °F)	1965-1980	285-287
Didinginkan & Ditempa pada suhu 425 °C (800 °F)	1450-1500	210-217
Didinginkan & Ditempa pada suhu 540 °C (1000 °F)	1140-1240	165-180
Didinginkan & Ditempa pada suhu 650 °C (1200 °F)	900-1020	130-148
Ditarik Dingin dan Dianil	Sekitar 620-703	Sekitar 90-102
Digambar pada suhu 1000°F (540 °C)	Sekitar 903-1054	Sekitar 131-153

3.2 Kekuatan Luluh (Offset 0,2%) Baja 4140

Kondisi	Kekuatan Luluh (MPa)	Kekuatan Luluh (ksi)
Anil	Sekitar 201-434 tergantung pada kandungan karbon	Sekitar 29,1-63 tergantung pada kandungan karbon
Dinormalkan	Dapat berkisar dari 247 hingga 355 tergantung pada kandungan karbon	Dapat berkisar antara 35,8 hingga 51,5 tergantung pada kandungan karbon
Didinginkan & Ditempa pada suhu 205 °C (400 °F)	1740-1860	252-270
Didinginkan & Ditempa pada suhu 425 °C (800 °F)	1340-1365	195-198
Didinginkan & Ditempa pada suhu 540 °C (1000 °F)	985-1160	143-168
Didinginkan & Ditempa pada suhu 650 °C (1200 °F)	790-860	114-125
Ditarik Dingin dan Dianil	Sekitar 620-703	Sekitar 90-102
Digambar pada suhu 1000°F (540 °C)	Sekitar 903-1054	Sekitar 131-153

3.3 Sifat Duktilitas (Perpanjangan & Pengurangan Luas) Baja 4140

Properti	Kondisi	Nilai
Perpanjangan (dalam 50 mm/2 in.)	Anil	Biasanya sekitar 18-27%
Perpanjangan (dalam 50 mm/2 in.)	Dipadamkan & Ditempa	Berkurang seiring dengan meningkatnya suhu tempering. Misalnya, dapat berkisar dari 11% (pada 205 °C/400 °F) hingga 23% (pada 705 °C/1300 °F)
Pengurangan Luas	Dipadamkan & Ditempa	Umumnya berkisar antara 39% hingga 65% tergantung pada suhu tempering

3.4 Kekerasan Baja 4140

Kondisi	Nilai Kekerasan
Anil	Sekitar 185 HB
Seperti yang sudah dipadamkan	Dapat mencapai sekitar 601 HB
Dipadamkan & Ditempa	Sangat bervariasi dengan suhu temper, dari sekitar 578 HB (~53 HRC) pada 205 °C (400 °F) hingga 235 HB (~24 HRC) pada 705 °C (1300 °F)

3.5 Kekuatan Dampak Baja 4140

Properti	Kondisi	Pengamatan / Nilai
Kekuatan Dampak	Dipadamkan & Ditempa	Meningkat seiring dengan meningkatnya suhu temper.
Dampak Energi Izod	Dipadamkan & Ditempa	Misalnya, energi tumbukan Izod dapat berkisar dari 15 J (11 ft·lb) pada suhu 205 °C (400 °F) hingga 136 J (100 ft·lb) pada suhu 705 °C (1300 °F).
Takik berbentuk V Charpy	Dipadamkan & Ditempa	Nilai-nilai juga menunjukkan tren yang serupa [dengan Izod].

3.6 Kekuatan Lelah Baja 4140

Kondisi	Pengamatan / Nilai
Umum	Peka terhadap takik dan transisi pada bagian mesin yang mengalami beban lelah.
Dipadamkan & Ditempa (Kekerasan 46-50 HRC)	Kekuatan lelah pada tekukan putar dapat mencapai sekitar 270 MPa (39 ksi).
Ditembak (setelah Q&T)	Shot peing dapat meningkatkan kekuatan lelah secara signifikan.

3.7 Sifat Mekanik Lain dari Baja 4140

Properti	Kondisi	Nilai
Modulus Elastisitas	Ketegangan	Sekitar 115 GPa (17 × 10⁶ psi)
Kekuatan Geser	Batang temper H04	Dapat berkisar antara 200-205 MPa (29-32 ksi) tergantung pada diameternya.

4. Perlakuan panas

4.1 Anil: Proses ini digunakan untuk melunakkan baja, meningkatkan kemampuan mesin, dan menghilangkan tekanan internal. Langkah-langkah umum untuk annealing baja 4140 adalah:

• Pemanasan: Panaskan baja 4140 hingga 830 hingga 870 °C (1525 hingga 1600 °F), pastikan pemanasan merata di seluruh bagian. Pemanasan lambat umumnya direkomendasikan untuk baja paduan guna meminimalkan tekanan termal3.
• Penahanan (Perendaman): Pertahankan suhu ini selama periode yang cukup. Waktu penahanan biasanya bergantung pada ketebalan bagian atau beban tungku.
• Pendinginan: Dinginkan baja secara perlahan di dalam tungku dengan kecepatan sekitar 15 °C/jam (30 °F/jam) hingga mencapai suhu sekitar 480 °C (900 °F), diikuti dengan pendinginan udara hingga mencapai suhu ruangan. Pendinginan yang lambat ini memungkinkan terbentuknya struktur mikro yang lebih lunak. Kekerasan maksimum yang dapat dicapai setelah anil adalah sekitar 197 HB4. Metode anil isotermal, yang melibatkan pendinginan terkendali hingga kisaran suhu tertentu dan penahanan sebelum pendinginan akhir, juga dapat digunakan untuk memperoleh struktur yang didominasi perlit.

4.2 Normalisasi: Perlakuan ini memperbaiki struktur butiran, meningkatkan keseragaman, dan meningkatkan kekuatan dan kekerasan dibandingkan dengan keadaan anil. Langkah-langkahnya adalah:

• Pemanasan: Panaskan baja 4140 hingga kisaran suhu 845 hingga 925 °C (1550 hingga 1700 °F), yang kira-kira 55 hingga 85 °C (100 hingga 150 °F) di atas suhu transformasi atasnya. Ini memastikan transformasi lengkap menjadi austenit. Untuk suhu normalisasi tertentu, Anda menyebutkan 1600°F (kira-kira 870°C), yang termasuk dalam kisaran ini.
• Penahanan: Pertahankan pada suhu ini minimal selama 1 jam atau 15 hingga 20 menit per 25 mm (1 inci) ketebalan penampang maksimum. Hal ini memungkinkan terbentuknya austenit yang homogen.
• Pendinginan: Dinginkan baja di udara tenang hingga mencapai suhu ruangan. Laju pendinginan yang lebih cepat, dibandingkan dengan anil, menghasilkan struktur perlit yang lebih halus dan kekerasan yang lebih tinggi.

Baja 4140 yang dinormalisasi pada suhu 1600 °F (870 °C) akan menunjukkan struktur butiran yang lebih halus, meningkatkan kekuatan dan kekerasan dibandingkan dengan keadaan saat ditempa atau digulung panas. Baja ini berfungsi sebagai perlakuan panas persiapan umum sebelum pengerasan dan tempering berikutnya untuk mencapai sifat mekanis akhir yang diinginkan untuk aplikasi spesifik pabrik Anda. Kekerasan yang tepat setelah normalisasi akan bergantung pada dimensi komponen dan laju pendinginan yang dicapai. Ingatlah bahwa keadaan normalisasi ini sering kali merupakan langkah peralihan, dan perlakuan panas lebih lanjut, seperti tempering, biasanya diperlukan untuk mengoptimalkan keseimbangan kekuatan, keuletan, dan ketangguhan untuk kondisi layanan yang diinginkan.

4.3 Pengerasan (Quenching): Proses ini bertujuan untuk mendapatkan struktur martensit yang keras. Proses ini melibatkan:

• Pemanasan Awal (Opsional tetapi Direkomendasikan): Untuk baja 4140, pemanasan awal sekitar 650 °C (1200 °F) selama 10 hingga 15 menit dapat bermanfaat, terutama untuk bentuk yang rumit, guna mengurangi kejutan termal dan meminimalkan distorsi.
• Austenitisasi: Panaskan baja hingga mencapai suhu austenitisasi, biasanya dalam kisaran 845 hingga 925 °C (1550 hingga 1700 °F). Beberapa sumber menetapkan suhu 855 °C (1575 °F). Pertahankan suhu ini selama waktu perendaman yang cukup untuk memastikan transformasi lengkap menjadi austenit, yang bergantung pada ketebalan penampang (misalnya, tambahkan 5 menit untuk setiap inci penampang terkecil setelah mencapai suhu austenitisasi). Perendaman yang berlebihan, terutama pada suhu yang lebih tinggi, dapat menyebabkan pertumbuhan butiran austenit yang tidak diinginkan.
• Pendinginan: Dinginkan baja dengan cepat dari suhu austenitisasi dalam pendingin yang sesuai. Untuk baja 4140, pendinginan oli adalah metode yang paling umum dan direkomendasikan untuk mencapai pengerasan sekaligus meminimalkan risiko retak yang terkait dengan pendinginan yang lebih cepat seperti air. Namun, pendinginan air dapat digunakan untuk bagian yang lebih besar tergantung pada persyaratan pengerasan. Efektivitas pendinginan bergantung pada suhu pendingin. Jika Anda mengambil baja 4140 yang dianil pada suhu 1600 °F dan kemudian mendinginkannya dengan oli dari suhu austenitisasi yang sesuai, Anda akan mencapai kekerasan dan kekuatan tinggi yang merupakan karakteristik martensit, tetapi material tersebut akan getas dengan keuletan dan ketangguhan yang rendah. Proses tempering berikutnya akan diperlukan untuk sebagian besar aplikasi teknik.

4.4 Temperatur: Martensit yang dikeraskan umumnya getas dan mengandung tegangan internal. Tempering dilakukan untuk mengurangi kerapuhan, menghilangkan tegangan tersebut, dan meningkatkan ketangguhan sambil mempertahankan kekerasan dan kekuatan yang memadai. Langkah-langkahnya adalah:

• Pemanasan: Panaskan kembali baja yang telah didinginkan hingga suhu tempering tertentu, yang selalu di bawah suhu austenitisasi. Suhu tempering untuk baja 4140 biasanya berkisar antara 205 hingga 705 °C (400 hingga 1300 °F), tergantung pada sifat mekanis yang diinginkan. Sangat penting bahwa tempering dilakukan segera setelah komponen mencapai suhu 52 hingga 65 °C (125 hingga 150 °F) setelah pendinginan untuk mencegah keretakan. Tempering antara 230 dan 370 °C (450 dan 700 °F) umumnya dihindari untuk baja 4140 guna mencegah kerapuhan biru.
• Penahanan: Penahanan pada suhu tempering selama waktu tertentu, biasanya 1 hingga 2 jam18 atau 2 jam per inci (25 mm) penampang melintang. Hal ini memungkinkan terjadinya difusi karbon dan elemen paduan serta pembentukan martensit temper dengan sifat yang diinginkan.
• Pendinginan: Dinginkan hingga suhu ruangan di udara atau dengan pendinginan dalam air atau oli. Laju pendinginan setelah tempering biasanya tidak terlalu penting. Sering kali, siklus tempering kedua pada suhu yang sedikit lebih rendah dapat digunakan.

4.5 Pembulatan ke atas: Ini adalah proses anil khusus yang menghasilkan struktur mikro karbida globular dalam matriks feritik, sehingga menghasilkan kelembutan maksimum dan kemampuan bentuk yang lebih baik. Untuk baja 4140, hal ini dapat dicapai dengan pemanasan hingga 760 hingga 775 °C (1400 hingga 1425 °F) dan penahanan selama 4 hingga 12 jam, diikuti dengan pendinginan lambat.

4.6 Pengerasan Permukaan:Untuk meningkatkan ketahanan aus sambil mempertahankan inti yang lebih kuat, baja 4140 dapat menjalani proses pengerasan permukaan seperti:

• Pengerasan Induksi: Proses ini melibatkan pemanasan cepat lapisan permukaan hingga mencapai suhu austenitisasi menggunakan kumparan induksi, diikuti dengan pendinginan. Proses ini menghasilkan casing permukaan yang keras. Setelah pengerasan induksi, biasanya dilakukan tempering.
• Nitriding: Ini adalah proses termokimia yang memasukkan nitrogen ke permukaan baja pada suhu yang relatif rendah, membentuk senyawa nitrida keras dan meningkatkan ketahanan terhadap keausan dan kelelahan. Tempering sebelum nitriding sering dilakukan.

5. 4140 Vs baja D2

• Baja 4140 adalah andalan Anda untuk komponen struktural dan permesinan yang membutuhkan keseimbangan kekuatan dan ketangguhan yang baik dengan ketahanan aus sedang yang dapat ditingkatkan. Baja ini menawarkan fleksibilitas melalui berbagai perlakuan panas, termasuk pengerasan permukaan.
• Baja D2 adalah pilihan utama Anda untuk aplikasi perkakas yang menuntut ketahanan abrasi tinggi dan stabilitas dimensi selama pengerasan. Kandungan karbon dan kromiumnya yang lebih tinggi menyediakan karbida keras yang diperlukan untuk ketahanan aus, tetapi ini mengorbankan ketangguhan yang lebih rendah dibandingkan dengan 4140.
• Singkatnya, 4140 kemungkinan merupakan pilihan yang lebih baik untuk komponen mesin yang membutuhkan kekuatan dan ketangguhan tinggi. Jika Anda berurusan dengan perkakas yang membutuhkan ketahanan luar biasa terhadap keausan dan abrasi, baja D2 akan lebih sesuai.

6. 4140 Vs 4130 baja

• Baja 4140 memiliki kandungan karbon yang lebih tinggi, sehingga menghasilkan kekerasan, kekuatan, dan daya tahan yang lebih baik setelah perlakuan panas dibandingkan dengan baja 4130. Baja ini biasanya didinginkan dengan minyak.
• Baja 4130 memiliki kandungan karbon yang lebih rendah, sehingga menghasilkan tingkat kekerasan yang rendah hingga sedang dan kekuatan serta kekerasan yang umumnya lebih rendah daripada baja 4140 setelah perlakuan panas yang serupa. Baja ini sering kali didinginkan dengan air.
• Singkatnya, jika kekuatan yang lebih tinggi adalah yang terpenting, 4140 umumnya merupakan pilihan yang lebih disukai. Jika kekuatan sedang dengan kemampuan las atau kemampuan mesin yang berpotensi lebih baik sudah mencukupi dan ukuran penampang merupakan kendala signifikan untuk pengerasan, 4130 dapat dipertimbangkan.

7. Pengaruh Tempering terhadap Sifat Baja 4140

8. Aluminium billet 7075 vs baja 4140

• Billet baja 4140 menawarkan kekuatan dan potensi kekerasan yang lebih tinggi daripada aluminium 7075, beserta ketangguhan yang baik. Billet baja ini juga lebih padat dan lebih mudah dilas (dengan tindakan pencegahan). Billet baja ini memerlukan perlakuan panas untuk mencapai sifat optimalnya dan rentan terhadap korosi.
• Billet aluminium 7075 memiliki kepadatan yang jauh lebih rendah dengan kekuatan tinggi, sehingga menguntungkan dalam aplikasi yang sensitif terhadap berat. Billet ini memiliki ketahanan korosi yang baik tetapi umumnya lebih sulit untuk dilas. Kekuatannya dicapai melalui perlakuan panas tertentu.

9. Baja 4140 untuk pisau

Baja 4140 dapat diolah dengan panas untuk mencapai kekerasan yang dibutuhkan untuk bilah pisau, tetapi kurangnya sifat antikarat membuatnya menjadi pilihan yang kurang konvensional dibandingkan baja yang secara khusus dirancang untuk peralatan makan. Jika Anda memerlukan pisau yang tahan korosi, Anda akan lebih terbantu dengan mengeksplorasi paduan baja antikarat. Jika kekuatan dan ketangguhan merupakan persyaratan utama dan korosi dapat diatasi, baja 4140 dapat dipertimbangkan, tetapi perhatian cermat terhadap pengolahan panas akan sangat penting.