4340 강: 특성, 경도 및 열처리
4340 강이란?
4340은 중탄소 니켈-크롬-몰리브덴 합금강(AISI/SAE 4340)입니다. 초고강도 구조용 강에 속하며 깊은 경화능, 고강도에서의 높은 인성, 우수한 피로 성능으로 평가받습니다. 대표적인 부품으로는 항공기 착륙장치, 중하중 샤프트 및 액슬, 기어, 크랭크샤프트 등 두꺼운 단면에서 높은 응력을 받는 부품이 있습니다.
니켈은 4140과 같은 크롬-몰리브덴 강과 이를 구분하는 요소입니다. 1.65~2.00%의 니켈은 인성을 높이고, 크롬 및 몰리브덴과 함께 작용하여 경화능을 단면 깊숙이까지 확장하며, 저온에서도 유용한 충격 특성을 유지합니다.
소재 선정에서 중요한 점 하나: 4340은 합금 구조용 강이지 공구강이 아닙니다. 금형 및 절삭 작업에 필요한 내마모성이나 고온 경도를 위해 설계되지 않았습니다. 금형, 펀치 또는 열간 공구용 소재를 선택하는 경우에는 아래의 공구강과의 비교가 관련이 있습니다.
4340 개요
| 성질 | 일반적인 4340 | 실무에서의 의미 |
| Steel type | 니켈-크롬-몰리브덴 합금강 | 두꺼운 단면에서 초고강도 |
| 어닐링 경도 | 217 HB | 일반적으로 기계가공 상태로 공급되는 바 |
| 담금질 상태 경도 | 13 mm에서 58 HRC, 100 mm에서 53 HRC | 단면 깊숙이까지 경도 유지 |
| 사용 경도 | 템퍼링 후 24~53 HRC | 템퍼링 온도가 수준을 결정 |
| 전체 경화 | 75 mm까지 유냉, 더 큰 단면은 수냉 | 수냉은 균열 위험을 높임 |
| 피삭성 | 187~241 HB에서 AISI 1212의 약 50% | 니켈 때문에 4140보다 낮음 |
화학적 조성
| 요소 | AISI 4340 | JIS SNCM 439 | GB 40CrNiMoA |
| Carbon (C) | 0.38–0.43 | 0.36–0.43 | 0.37–0.44 |
| 망간 (Mn) | 0.60–0.80 | 0.60–0.90 | 0.50–0.80 |
| 규소 (Si) | 0.15–0.35 | 0.15–0.35 | 0.17–0.37 |
| 니켈(Ni) | 1.65–2.00 | 1.60–2.00 | 1.25–1.65 |
| 크롬 (Cr) | 0.70–0.90 | 0.60–1.00 | 0.60–0.90 |
| 몰리브덴 (Mo) | 0.20–0.30 | 0.15–0.30 | 0.15–0.25 |
| 인(P) | 최대 0.035 | 최대 0.030 | 최대 0.035 |
| 황(S) | 최대 0.040 | 최대 0.030 | 최대 0.035 |
값은 %입니다. 전기로 재질 E4340은 동일한 범위를 사용하되 잔류 원소, 인 및 황이 각각 최대 0.025, 망간이 0.65~0.85로 더 엄격합니다. 개재물과 피로 수명이 중요한 항공우주 단조품 등에서 지정되는 버전입니다.
니켈 범위는 고객이 4340을 요청하고 제철소가 40CrNiMoA를 제안할 때 확인해야 할 수치입니다. 니켈 1.25~1.65%에서 중국 재질은 4340 범위의 하한에 위치하므로, 모든 원소가 각자의 범위 내에 있더라도 두꺼운 단면은 도면이 가정한 경도에 미치지 못할 수 있습니다.
템퍼링 반응 및 기계적 특성
4340은 사용 가능한 인성을 유지하면서 매우 높은 강도에 도달하며, 이 균형이 정의적인 특성입니다. 아래 표는 유냉한 4340의 표준 템퍼링 반응으로, 온도에서 최소 2시간 유지한 것입니다.
| 뜨임 | 강도, MPa (인장 / 항복) | 경도 HB (HRC) | 아이조드 충격, J |
| 205 °C | 1980 / 1860 | 520 (53) | 20 |
| 315 °C | 1760 / 1620 | 490 (50) | 14 |
| 425 °C | 1500 / 1365 | 440 (46) | 16 |
| 540 °C | 1240 / 1160 | 360 (39) | 47 |
| 650 °C | 1020 / 860 | 290 (31) | 100 |
| 705 °C | 860 / 740 | 250 (24) | 102 |
경도만이 아니라 충격 열을 읽으십시오. 205 °C에서 540 °C 사이에서 경도는 약 160 HB 감소하는 반면 흡수 에너지는 두 배 이상 증가합니다. 이 때문에 4340은 고강도에서 충격을 견뎌야 하는 부품에 지정됩니다.
4340을 템퍼링할 때 두 가지 취화 효과가 중요합니다:
- 강화된 마르텐사이트 취성 — 230~370 °C 범위의 특성 골짜기로, 경도는 여전히 양호해 보이지만 충격 인성이 떨어집니다.
- 가역적 템퍼 취성 — 고온 템퍼링 후 약 375~575 °C를 통한 서냉은 인이 구 오스테나이트 입계에 편석되도록 합니다. 급냉과 이중 템퍼링이 이를 제한하며, 4340의 몰리브덴은 민감성을 줄이지만 제거하지는 않습니다.
두 번째 효과 때문에 충격 또는 피로 하중을 받는 4340에는 455 °C 미만의 템퍼링이 권장되지 않습니다. 일부 항공기 부품처럼 최대 강도가 요구되는 경우에는 저온 구간을 이중 템퍼링 및 검증된 공정과 함께 사용합니다.
경화능 및 단면 크기
깊은 경화능은 엔지니어가 더 저합금 강 대신 4340을 선택하는 이유입니다. 유냉은 직경 75 mm까지의 원형 단면을 경화시키며, 더 큰 단면은 수냉이 필요하고 이는 균열 위험을 높입니다. 4140과 같은 저합금 재질은 작은 바에서는 잘 경화되지만 두꺼운 단면의 심부에서는 연화됩니다.
| 바 직경, 유냉 | 표면 경도 HRC | 경도 HB |
| 13 mm (0.5 in) | 58 | 614 |
| 25 mm (1 in) | 57 | 596 |
| 50 mm (2 in) | 56 | 577 |
| 100 mm (4 in) | 53 | 528 |
해당 범위에서의 손실은 약 5 HRC입니다. 4140에 동일한 비교를 적용하면 감소는 8 HRC에 가깝고 75 mm를 넘으면 심부가 훨씬 빠르게 떨어지며, 이것이 두 재질의 실질적인 차이입니다.
템퍼링 후에도 이점은 유지됩니다. 유냉 후 425 °C에서 템퍼링한 4340의 13, 38, 75 mm 바는 1460, 1450, 1420 MPa를 유지합니다. 수냉 후 650 °C에서 템퍼링한 75, 100, 150 mm 바는 340, 330, 322 HB에서 1055, 1035, 1000 MPa를 유지합니다.
상응 강종
| 표준 | 등급 | 화학 성분, C / Mn / Si / Cr / Ni / Mo |
| ASTM A29/A29M-03 | 4340 (G43400) | 0.38–0.43 / 0.60–0.80 / 0.15–0.35 / 0.70–0.90 / 1.65–2.00 / 0.20–0.30 |
| ASTM A29/A29M-03 | E4340 (G43406) | 0.38–0.43 / 0.65–0.85 / 0.15–0.35 / 0.70–0.90 / 1.65–2.00 / 0.20–0.30 |
| SAE J404 JUN00 | 4340 (G43400) | 0.38–0.43 / 0.60–0.80 / 0.15–0.35 / 0.70–0.90 / 1.65–2.00 / 0.20–0.30 |
| JIS G4053:2003 | SNCM 439 | 0.36–0.43 / 0.60–0.90 / 0.15–0.35 / 0.60–1.00 / 1.60–2.00 / 0.15–0.30 |
| GB(중국) | 40CrNiMoA | 0.37–0.44 / 0.50–0.80 / 0.17–0.37 / 0.60–0.90 / 1.25–1.65 / 0.15–0.25 |
DIN 1.6565 (40NiCrMo6)와 BS 817M40 (EN24)은 동일 계열에 속하며, 유럽에서 4340과 함께 가장 자주 인용되는 명칭입니다. 이들은 상호 교환 가능한 부품이 아니라 가장 근접한 등급입니다. 니켈 범위, 황 한도 및 경화능 범위가 모두 규격마다 달라지며, 화학 성분을 충족하는 등급이라도 도면에서 가정한 단면 크기에서 경도를 충족하지 못할 수 있습니다.
열처리
| 단계 | 온도 및 비고 |
| 정규화 | 870–925 °C, 최소 1시간 또는 25 mm당 15–20분 유지, 공랭 |
| 어닐링 | 830–860 °C, 유지, 약 15 °C/h로 480 °C까지 노랭, 공랭 |
| 경화 | 800–845 °C, 25 mm당 15분 유지, 25–60 °C의 따뜻한 오일에서 담금질 |
| 뜨임 | 455–650 °C에서 최소 2시간 유지, 공랭; 2회 템퍼링 권장 |
| 스트레스 해소 | 가공 후 및 경화 전 650–675 °C, 이후에는 템퍼링 온도를 초과하지 말 것 |
4140과 다르며 놓치면 비용이 발생하는 두 가지 실무 사항. 첫째, 오스테나이트화 범위가 830–870 °C 대비 800–845 °C로 더 낮으며 오일은 냉유가 아닌 온유를 사용해야 합니다. 둘째, 4340은 일반적으로 2회 템퍼링합니다. 첫 번째 템퍼링은 잔류 오스테나이트를 변태시키고, 두 번째는 인성을 회복시킵니다.
4340의 용접
4340은 사전 인증된 용접용 강재가 아닙니다. 용접 절차는 해당 조인트에 맞게 작성하고 인증해야 합니다.
- 마르텐사이트 시작 온도 이상으로 예열하여, 290 °C (550 °F), 열영향부가 미템퍼링 마르텐사이트 대신 베이나이트로 변태하도록 합니다.
- 예열을 층간 온도로 유지하고, 이보다 낮아지면 부품을 재가열하십시오.
- 저수소 공정과 저수소 소모재가 필수입니다.
- 후열은 부품에 적용한 템퍼링 온도보다 28 °C (50 °F) 이상 높지 않게 하십시오.
4340의 절삭 가공
187~241 HB의 어닐링 상태에서 4340은 AISI 1212를 100%로 볼 때 약 50% 의 속도로 가공됩니다. 이는 65%인 4140보다 느리며, 그 원인은 니켈입니다. 255~363 HB의 담금질 및 템퍼링 상태에서는 평가가 더 낮아집니다. 낮은 속도, 더 많은 공구 마모 및 더 강성이 높은 셋업을 예상해야 하지만, 이후 열처리로 인한 변형은 없습니다.
4340으로 일반적으로 가공되는 부품에는 피스톤 핀, 베어링, 기어, 공작기계 아버, 다이 블록 및 절삭 공구 섕크가 있으며, 아래에 나열된 구조용 용도도 포함됩니다.
인성 및 파괴 인성
인성은 4340이 실제로 구매되는 이유인 특성이며, 경도와 직접적으로 상충합니다. 아래 표는 동일한 강재를 세 가지 작업 경도로 나타낸 것으로, 평면 변형 파괴 인성을 충격 에너지와 함께 측정한 값입니다.
| 경도, HB | 강도, MPa | 샤르피 V-노치, J | K1c, MPa·m½ |
| 550 | 2040 | 19 | 53 |
| 430 | 1520 | 30 | 75 |
| 380 | 1290 | 42 | 110 |
행을 왼쪽에서 오른쪽으로 읽어 보십시오. 380 HB에서 550 HB로 올라가면 강도는 약 60퍼센트 높아지고 파괴 인성은 절반으로 떨어집니다. 110에서 53 MPa·m½입니다. 표의 강도 값은 경도에서 추정한 것이므로 측정 데이터가 아니라 대응 관계로 보십시오. 도면이 550 HB의 4340을 요구한다면 손상에 대한 여유가 거의 없는 부품을 요구하는 것이며, 설계가 이를 감안해야 합니다.
알아둘 만한 관련 등급: 300M은 규소로 개량된 4340으로, 규소 약 1.6퍼센트에 탄소와 몰리브덴이 약간 더 높고 소량의 바나듐이 첨가되어 있습니다. 규소는 동일한 강도에서 더 높은 템퍼링 온도를 가능하게 하여 인성을 향상시킵니다. 또한 열처리 중 탈탄 경향이 더 크므로 일반 4340보다 표면 보호가 더 중요합니다.
4340 대 4140
4140과 4340은 크롬-몰리브덴 기반을 공유하며, 차이는 니켈입니다. 4140에는 사실상 니켈이 없고, 4340에는 1.65~2.00%가 함유되어 있으며, 이 단일 첨가가 도면 검토에서 두 강재를 구분하는 요소입니다.
| 성질 | 4340 | 4140 |
| 심층 경화성 | 험준한 지형에서 탁월한 성능을 발휘합니다. | 보통의 |
| 전체 경화 | 75 mm까지 유담금질 | 75–100 mm 이상에서 심부가 연화됨 |
| 100 mm에서의 경도 | 담금질 상태 53 HRC | 전체 경화되지 않음 |
| 고강도에서의 인성 | 훌륭한 | 좋은 |
| 저온 인성 | 좋은 | 적절한 |
| 상대적 비용 | 니켈로 인해 더 높음 | 낮음 |
4140이 전체 경화할 수 없는 단면에서 전체 경도가 필요할 때, 고강도에서 최대 인성이 요구될 때, 항공기 부품 및 중하중 샤프트와 같이 피로 하중을 받는 부품일 때, 또는 저온 인성이 중요할 때 4140 대신 4340을 선택하십시오. 중간 강도의 더 얇은 단면에는 4140이 더 경제적인 답입니다.
4340 대 공구강
많은 구매자들이 이 페이지를 찾는 이유가 바로 이 점 때문이므로, 명확하게 설명하는 것이 중요합니다. 4340강은 금형 및 절삭 가공 작업에서 공구강을 대체할 수 없습니다.
| 요구 사항 | 4340 | 공구강 (D2 / H13) |
| 내마모성 | 낮은 | 탄화물 부피로 인해 높음 |
| 고온 경도 | 가난한 | 좋음(H13) |
| 엣지 유지 | 가난한 | 좋은 |
| 최대 실제 경도 | ~50–55 HRC | 58–64 HRC |
| 구조적 강도와 인성 | 훌륭한 | 보통의 |
4340은 부품이 구조용이며 상온 또는 중간 온도에서 극한의 강도와 인성이 필요할 때 우수합니다. 공구강은 부품이 내마모성, 절삭날 유지 또는 고온 경도 유지를 필요로 할 때 우수합니다. 냉간 가공 다이에는 D2 또는 A2가 적합합니다. 열간 가공 다이 또는 압출 공구에는 H13 또는 H11이 적합합니다. 이러한 역할에 4340을 사용하면 더 저렴한 다이가 아니라 조기 마모와 변형을 초래합니다.
일반적인 응용 분야
4340은 항공기 착륙 장치 및 구조용 피팅, 헬리콥터 및 파워트레인 샤프트, 중하중 액슬 및 구동 샤프트, 기어, 크랭크샤프트, 고강도 볼트 및 총열에 사용됩니다. 피로가 중요한 항공우주 부품은 종종 개재물을 줄이고 피로 수명을 높이기 위해 진공 재용해된 4340, VAR 또는 ESR로 제조되는데, 청정한 강재는 반복 하중에서 균열 개시에 더 잘 저항하기 때문입니다.
표준 및 참고 자료
4340은 봉재의 경우 ASTM A29/A29M 및 SAE J404, 빌릿 및 봉재의 경우 ASTM A322, 항공우주용 봉재 및 단조품의 경우 AMS 규격의 적용을 받습니다. 등가 등급은 JIS G4053 (SNCM439) 및 GB/T 3077 (40CrNiMoA)에 있습니다. 인증된 기계적 성질은 항상 명시된 규격, 단면 크기 및 시험 위치와 연결되어야 합니다.
이 페이지의 데이터:
- 템퍼링 반응, 질량 효과 및 열처리 실무 — ASM Handbook Vol. 4, Heat Treating, 4340 항목.
- 어닐링, 노멀라이징 및 템퍼링 경도 범위, 단면 크기별 경도, 피삭성 평가 및 대표 부품 — Cutting Data for Turning of Steel, AISI 4340 장.
- 등가 등급 및 화학 성분 — Handbook of Comparative World Steel Standards (ASTM DS 67B), Ni-Cr-Mo 강 표.
- GB 40CrNiMoA 화학 성분 — 通用钢铁材料 (중국 강재 핸드북).
- 용접 실무 — ASM Handbook Vol. 6, Welding, Brazing and Soldering.
- AISI 4340 참고 카드, PDF 2페이지, 412 KB. PDF는 영어로 제공됩니다. 동일한 표를 인쇄용으로 제공합니다.
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