4140 강: 특성, 경도 및 열처리

4140강이란 무엇인가요?

4140은 중탄소 크롬-몰리브덴 합금강(AISI/SAE 4140)으로 가장 널리 사용되는 기계구조용 강 중 하나입니다. 약 0.40% 탄소, 1% 크롬, 0.2% 몰리브덴이 강도, 인성 및 경화능의 균형을 제공하므로, 단일 강종으로 열처리를 통해 다양한 강도 수준을 구현할 수 있습니다.

국제적으로 동일한 강재는 EN/DIN 규격의 42CrMo4(1.7225), JIS 규격의 SCM440, GB 규격의 42CrMo, UNS 규격의 G41400으로 판매됩니다. 화학 성분 한도는 유사하지만 동일하지는 않으며, 그 차이는 아래의 대응 강종 표에 정리되어 있습니다.

소재 선정에서 중요한 점이 하나 있습니다. 4140은 합금 구조용 강이지 공구강이 아닙니다. 주 용도는 하중을 받고 피로에 저항하는 샤프트, 기어, 액슬, 볼트, 커플링 및 기계 부품입니다. 내마모성과 높은 작업 경도가 중요한 절단, 블랭킹, 성형 공구용으로는 설계되지 않았습니다. 이 경계를 아는 것이 오래가는 부품과 조기에 파손되는 부품을 가르는 차이입니다.

4140 카드 다운로드, 414 KB

화학적 조성

요소	AISI 4140 (중량 %)	42CrMo4 / EN (중량 %)	GB 42CrMo (중량 %)
Carbon (C)	0.38–0.43	0.38–0.45	0.38–0.45
망간 (Mn)	0.75–1.00	0.60–0.90	0.50–0.80
규소 (Si)	0.15–0.35	최대 0.40	0.17–0.37
크롬 (Cr)	0.80–1.10	0.90–1.20	0.90–1.20
몰리브덴 (Mo)	0.15–0.25	0.15–0.30	0.15–0.25
인(P)	최대 0.035	최대 0.035	최대 0.035
황(S)	최대 0.040	최대 0.035	최대 0.035

크롬과 몰리브덴이 4140을 1045와 같은 탄소강과 구별하는 요소입니다. 크롬은 경화능과 내마모성을 높이고, 몰리브덴은 경화능을 더욱 향상시키며 중간 온도에서 강도를 유지하고 가역적 템퍼 취성을 억제합니다. 두 원소의 조합으로 탄소강보다 두꺼운 단면도 더 균일하게 경화할 수 있습니다.

템퍼링 반응 및 기계적 특성

4140은 단일 고정 상태로 사용되는 경우가 드뭅니다. 동일한 봉재가 30 HRC 부근의 인성 있는 샤프트가 될 수도 있고 50 HRC 이상의 경질 내마모 표면이 될 수도 있으며, 이를 결정하는 것은 템퍼링 온도뿐입니다. 아래 표는 845–870 °C에서 유냉한 25 mm 봉재의 표준 템퍼링 반응입니다.

뜨임	인장 강도	항복 강도	경도 HB (~HRC)
205 °C	1965 MPa	1740 MPa	578 (55)
260 °C	1860 MPa	1650 MPa	534 (53)
315 °C	1720 MPa	1570 MPa	495 (50)
370 °C	1590 MPa	1460 MPa	461 (47)
425 °C	1450 MPa	1340 MPa	429 (45)
480 °C	1300 MPa	1210 MPa	388 (41)
540 °C	1150 MPa	1050 MPa	341 (37)
595 °C	1020 MPa	910 MPa	311 (34)
650 °C	900 MPa	790 MPa	277 (30)
705 °C	810 MPa	690 MPa	235 (22)

값은 대표값이며 보증 최소값이 아닙니다. 경도는 원자료에 HB로 표기되어 있으며, 괄호 안의 HRC 값은 환산값입니다. 인증된 특성은 항상 규정된 단면 치수와 명시된 시험 위치에 연계되어야 합니다.

단면 치수별 경도

오일 담금질 후 표면 경도는 봉재 크기가 커질수록 낮아집니다. 4140은 경화능이 보통 수준이기 때문입니다. 얇은 단면에서는 담금질로 거의 완전한 마르텐사이트가 형성되지만, 대략 75–100 mm를 넘으면 중심부는 도달하지 못합니다.

봉재 직경	HRC	HB (약)	상태
13 mm (0.5 in)	57	596	담금질 직후
25 mm (1 in)	55	560	담금질 직후
50 mm (2 in)	49	469	담금질 직후
25 mm (1 in)	—	335	540 °C 템퍼링
50 mm (2 in)	—	202	540 °C 템퍼링

마지막 두 행이 핵심입니다. 동일한 템퍼링 온도에서 25 mm 봉재는 335 HB, 50 mm 봉재는 202 HB가 나옵니다. 단면 전체가 경화되어야 하는 부품에서는 이 수치가 강종이나 공정을 결정합니다. 템퍼링 시간을 늘려도 이 차이는 좁혀지지 않습니다.

상태별 경도:

어닐링 처리됨: 197 HB. 연하고 절삭 가공이 가능하며, 봉재가 통상 공급되는 상태입니다.
노멀라이징: 241–302 HB.
오일 담금질 및 템퍼링: 229–341 HB, 템퍼링 온도와 단면에 따라 결정됩니다.
예비 경화 공급: 템퍼링 범위의 상한, 대략 300 HB (약 30 HRC).
유도, 화염 또는 질화 표면: 경화층은 심부보다 훨씬 단단하지만, 하중 용량은 여전히 심부가 결정합니다.

상응 강종

동일한 강재가 다른 명칭으로 유통되며, 화학 성분 한계도 동일하지 않습니다. 가장 많이 달라지는 범위는 망간입니다. AISI 4140은 0.75–1.00%, SCM440은 0.60–0.85%, GB 42CrMo는 0.50–0.80%입니다.

표준	등급	화학 성분 (wt %)
ASTM A29/A29M-03	4140 (G41400)	C 0.38–0.43 · Mn 0.75–1.00 · Si 0.15–0.35 · Cr 0.80–1.10 · Mo 0.15–0.25 · P 0.035 · S 0.040
SAE J404 JUN00	4140 (G41400)	C 0.38–0.43 · Mn 0.75–1.00 · Si 0.15–0.35 · Cr 0.80–1.10 · Mo 0.15–0.25 · P 0.030 · S 0.040
JIS G4053:2003	SCM 440	C 0.38–0.43 · Mn 0.60–0.85 · Si 0.15–0.35 · Cr 0.90–1.20 · Mo 0.15–0.30 · P 0.030 · S 0.030
EN 10083-1:1991	42CrMo4 (1.7225)	C 0.38–0.45 · Mn 0.60–0.90 · Si 0.40 max · Cr 0.90–1.20 · Mo 0.15–0.30 · P 0.035 · S 0.035
EN 10083-1:1991	42CrMoS4 (1.7227)	C 0.38–0.45 · Mn 0.60–0.90 · Si 0.40 max · Cr 0.90–1.20 · Mo 0.15–0.30 · S 0.020–0.040
GB(중국)	42CrMo	C 0.38–0.45 · Mn 0.50–0.80 · Si 0.17–0.37 · Cr 0.90–1.20 · Mo 0.15–0.25

이는 가장 근접한 강종이며 호환 부품이 아닙니다. 망간과 황 범위가 다르고, 각 규격이 허용하는 경화능 범위도 다릅니다. 한 강종을 다른 강종으로 대체하기 전에 구매 규격의 화학 성분 허용 오차와 해당 단면 크기에서 부품이 도달해야 하는 경도를 확인하십시오. 화학 성분을 충족하는 강종도 경도에는 미달할 수 있습니다.

열처리

정규화: 845–925 °C로 가열하고 공랭합니다. 이는 경화 또는 기계 가공 전에 결정립을 미세화하고 조직을 균일하게 합니다.

가열 냉각: 830–870 °C로 가열하여 유지한 후 약 15 °C/h로 480 °C까지 노냉하고 공랭합니다. 결과는 197 HB 부근의 연하고 절삭 가공이 가능한 조직입니다.

경화: 830–870 °C에서 오스테나이트화하고 오일에서 담금질합니다. 오일이 표준입니다. 수냉은 복잡한 형상에서 균열 위험을 높여 거의 사용되지 않으며, 사용할 경우 오스테나이트화 온도를 815–845 °C로 낮춥니다. 최소 1시간 또는 단면 25 mm당 15–20분 유지합니다.

담금질: 두 가지 범위를 사용합니다. 최대 강도를 위해서는 175–230 °C, 그 외에는 385–705 °C로 항복강도 1380 MPa 미만까지 가능합니다. 최종 특성은 담금질이 아니라 템퍼링 온도가 결정합니다.

취성화 효과 중 두 가지는 주목할 만합니다.

강화된 마르텐사이트 취성 — 4140은 통상 230–370 °C(청열취성 구간)에서 템퍼링하지 않습니다. 이 구간에서는 충격 인성이 급격히 떨어지기 때문입니다.
가역적 템퍼 취성 — 고온 템퍼링 후 375–575 °C를 거치며 서서히 냉각되는 두꺼운 단면에서 발생할 수 있으며, 인 및 유사 불순물과 관련이 있습니다. 4140의 몰리브덴은 이러한 경향을 감소시키며, 템퍼링 온도에서의 더 빠른 냉각은 이를 추가로 억제합니다.

4140의 용접

4140은 사전 인증된 용접용 강재가 아닙니다. 접합부에 대한 용접 절차서를 작성하고 인증해야 하며, 아래 네 가지 제어 사항은 선택 사항이 아닙니다.

마르텐사이트 시작 온도 이상으로 예열: 290 °C (550 °F). 해당 수준 이상에서는 열영향부가 미템퍼링 마르텐사이트 대신 베이나이트로 변태하며, 이것이 균열의 원인입니다.
예열 온도를 층간 온도로 유지하십시오. 부품이 이 온도 아래로 떨어지면 중단하고 재가열하십시오.
저수소 공정과 저수소 용접 재료는 필수입니다. 수소는 저온 균열의 또 다른 원인입니다.
후열은 부품에 적용된 템퍼링 온도보다 28 °C (50 °F) 이상 높지 않게 하십시오. 미템퍼링 열영향부를 실온으로 냉각하는 것이 바로 보수를 균열로 바꾸는 원인입니다.

4140의 절삭 가공

187–229 HB의 어닐링 상태에서 4140은 AISI 1212를 100%로 볼 때 약 65% 의 절삭 속도로 가공됩니다. 이는 일반적인 합금강 등급이며 어려운 등급이 아닙니다 — 경도 상태가 수치를 변화시킵니다.

어닐링 (187–229 HB): 가장 빠른 상태이며, 이후 열처리되는 부품의 경우 이 상태에서 가공하십시오.
담금질 및 템퍼링 (229–341 HB): 낮은 속도, 더 강성인 셋업, 더 많은 공구 마모. 예비 경화 상태에서 가공하면 이후 열처리로 인한 변형과 스케일을 피할 수 있습니다.
4140으로 절삭 가공되는 일반적인 부품: 커넥팅 로드, 크랭크샤프트, 스티어링 너클, 액슬, 기어, 스터드, 고강도 볼트, 공구 홀더 및 생크.

4140 또는 공구강? 용도에 맞는 재질 선택하기

4140과 공구강은 일부 경도 범위에서 겹치므로 가격만으로 서로 대체하려는 유혹이 있습니다. 올바른 선택은 부품이 견뎌야 하는 조건에서 비롯됩니다.

4140은 부품이 절삭이나 마모보다 하중과 피로를 받는 경우 더 나은 선택입니다: 샤프트, 기어, 아버, 홀더, 볼스터 및 구조용 기계 부품. 공구강보다 인성이 높고 훨씬 저렴하며, 용접이 더 용이하고, 더 다양한 크기와 형태로 공급됩니다. 극한의 마모 수명과 58+ HRC가 요구되지 않는다면 공구강에 비용을 지불하는 것은 아무 이득이 없습니다.

공구강은 파손 모드가 마모, 날 유지력 또는 열인 경우 올바른 선택입니다. 4140은 고탄화물 등급만큼 절삭 날을 유지하거나 연마성 다이 마모에 저항하지 못하며, 약 400 °C 이상에서 강도가 빠르게 저하됩니다. 세 가지 경계를 명확히 그을 가치가 있습니다:

절삭 및 블랭킹 공구 4140이 갖지 못한 경도 (60+ HRC)와 탄화물 부피가 필요합니다. D2 또는 A2는 마모 다이에서 훨씬 오래 지속됩니다.
~400 °C 이상의 열간 가공 공구 4140이 갖지 못한 H13의 고온 경도가 필요합니다.
58HRC 이상의 경도를 견뎌야 하는 모든 부품 실제 단면에서의 이는 4140에게 불가능한데, 해당 단면 크기에서 안정적으로 도달할 수 없기 때문입니다.

성질	4140	D2	H13	A2
최대 경도(실제)	~50–55 HRC	58–62 HRC	44–52 HRC	57–62 HRC
내마모성	낮은	훌륭한	보통의	좋은
고온 경도	낮음 (400 °C 미만)	낮은	우수 (~600 °C까지)	낮은
인성	좋은	보통의	좋은	보통의
상대적 비용	낮은	높은	높은	중상
초경 합금 부피	없음	높은 (크롬 탄화물)	낮음(합금 탄화물)	중간 정도 (크롬 탄화물)

표준 및 참고 자료

4140 및 그 등가재는 ASTM A29/A29M 및 SAE J404 (봉재의 화학 조성), ASTM A322 (빌릿 및 봉재), EN 10083-1 (42CrMo4), JIS G4053 (SCM440) 및 GB/T 3077 (42CrMo)에 규정되어 있습니다. 인증된 기계적 성질은 항상 명시된 표준, 단면 크기 및 시험 위치와 연계되어야 합니다.

이 페이지의 데이터:

기계적 성질 및 열처리 실무 — ASM Handbook Vol. 4, Heat Treating, 4140 항목.
단면 크기별 경도, 어닐링 / 노멀라이징 / 템퍼링 범위, 절삭성 등급 — Cutting Data for Turning of Steel, AISI 4140 장.
등가 등급 및 화학 조성 — Handbook of Comparative World Steel Standards (ASTM DS 67B), Cr-Mo 강 표.
용접 실무 — ASM Handbook Vol. 6, Welding, Brazing and Soldering.
AISI 4140 참고 카드, PDF 2페이지, 414 KB. PDF는 영어로 제공됩니다. 동일한 표를 인쇄용으로 제공합니다.