Stal stopowa 4130: Właściwości i zastosowania

Stal stopowa 4130 jest klasyfikowana jako stal średniowęglowa, niskostopowa w systemie AISI. Jej oznaczenie podkreśla jej główne pierwiastki stopowe: chrom (ok. 1%) i molibden (ok. 0,20%). Ta wszechstronna stal oferuje solidne połączenie wytrzymałości, twardości i spawalności.

1. 4130 stal stopowa Skład chemiczny

Typowy skład chemiczny stali 4130 (w procentach wagowych) jest następujący:

• Węgiel (C):28-0.33% (Zapewnia równowagę wytrzymałości i ciągliwości)
• Mangan (Mn):40-0.60% (Wpływa na hartowność i wytrzymałość)
• Krzem (Si):20-0,35% (Działa jako odtleniacz i może zwiększać wytrzymałość)
• Chrom (Cr):80-1.10% (Poprawia hartowność, odporność na korozję i odporność na zużycie)
• Molibden (Mo):15-0,25% (zwiększa hartowność i wytrzymałość w wysokiej temperaturze oraz zapobiega kruchości odpuszczania)
• Fosfor (P) i siarka (S): Utrzymywane na niskim poziomie (zwykle maks. 0,030–0,040% każdy)
• Miedź (Cu): Może być obecny (do 0,35% w niektórych specyfikacjach)

2. Charakterystyka hartowności

4130 to hartowana w wodzie stal stopowa o niskiej do średniej hartowności. Oznacza to, że osiągnięcie pełnej twardości poprzez hartowanie wymaga starannego rozważenia grubości przekroju. Cieńsze przekroje lub bardziej agresywne środki hartownicze (takie jak woda) są zazwyczaj potrzebne niż stale o wyższej hartowności. Idealna średnica krytyczna (DI) to ilustruje; na przykład ciepło właściwe z 0,29% C, 1,02% Cr i 0,15% Mo obliczyło DI wynoszące 68,3 mm (2,69 cala).

3. Obróbka cieplna stali stopowej 4130

AISI 4130 to niezwykle wszechstronna stal średniowęglowa, niskostopowa, znana ze swojej wytrzymałości, twardości i spawalności. Jej kluczowymi elementami stopowymi są chrom i molibden. Aby w pełni wykorzystać możliwości stali 4130 i dostosować jej właściwości mechaniczne do konkretnych zastosowań, niezbędna jest precyzyjna obróbka cieplna. Reakcja stali 4130 na różne cykle termiczne umożliwia szerokie spektrum charakterystyk wydajności.

3.1 Typowe procesy obróbki cieplnej dla 4130

Bazując na bogatym doświadczeniu branżowym i danych technicznych, Aobo Steel przedstawia podstawowe metody obróbki cieplnej stosowane w przypadku stali 4130:

3.1.1 Normalizacja

• Cel: Udoskonalenie struktury ziarnistej stali, zwiększenie jej jednorodności i polepszenie obrabialności po kuciu lub walcowaniu.
• Proces: Podgrzej stal równomiernie do temperatury pomiędzy 870°C i 925°C (1600°F do 1700°F). Ten zakres wynosi około 55°C do 85°C (100°F do 150°F) powyżej górnej temperatury krytycznej (Ac3), zapewniając całkowitą przemianę w austenit. Utrzymuj w tej temperaturze przez odpowiedni czas, aby zapewnić penetrację ciepła, zwykle 1 godzinę na 25 mm (1 cal) maksymalnej grubości, z minimalnym czasem utrzymywania często określanym. Schłódź w spokojnym powietrzu do temperatury pokojowej.
• Postnormalizacja: Powszechną praktyką jest odpuszczanie normalizowanej stali 4130 w temperaturze 480°C (900°F) lub wyższej w celu uzyskania określonych wymagań dotyczących granicy plastyczności.

3.1.2 Wyżarzanie

• Cel: Aby uzyskać możliwie najmiększą strukturę stali 4130, maksymalizując ciągliwość w takich operacjach, jak formowanie na zimno lub złożona obróbka skrawaniem.
• Proces: Podgrzej stal do temperatury pomiędzy 830°C a 870°C (1525°F do 1600°F). Utrzymuj temperaturę przez czas zależny od rozmiaru sekcji lub obciążenia pieca. Co najważniejsze, schładzaj bardzo powoli w piecu, zazwyczaj z szybkością nieprzekraczającą 15°C na godzinę (30°F na godzinę), do około 480°C (900°F). Poniżej tej temperatury chłodzenie może być kontynuowane w powietrzu. To kontrolowane, powolne chłodzenie sprzyja tworzeniu miękkiej, grubej mikrostruktury perlitu.

3.1.3 Hartowanie i odpuszczanie

• Cel: Aby uzyskać wysoką wytrzymałość, twardość i odporność, najczęściej stosuje się stal 4130 w zastosowaniach konstrukcyjnych.
• Austenityzowanie: Podgrzej stal równomiernie do odpowiedniej temperatury austenityzacji. Zazwyczaj wynosi ona od 855°C do 865°C (od 1575°F do 1600°F), w zależności od dokładnego składu i rozmiaru przekroju. Utrzymuj w tej temperaturze wystarczająco długo, aby uzyskać całkowitą austenityzację.
• Gaszenie: Szybkie chłodzenie stali z temperatury austenityzacji. Ze względu na niską do średniej hartowność 4130, medium hartownicze (woda, olej lub polimer) musi być starannie dobrane w oparciu o grubość przekroju elementu i pożądane właściwości końcowe. Woda zapewnia szybsze chłodzenie i wyższą twardość w cieńszych przekrojach, ale zwiększa ryzyko odkształcenia. Hartowanie olejowe jest powszechne w przypadku przekrojów o średniej twardości. Osiągnięcie krytycznej szybkości chłodzenia, zwłaszcza w zakresie transformacji około 540°C (1000°F), jest kluczowe dla uzyskania w pełni martenzytycznej struktury, szczególnie w grubszych przekrojach.
• Ruszenie: Podgrzej hartowaną (utwardzoną) stal do określonej temperatury poniżej dolnej temperatury krytycznej (Ac1). Temperatury odpuszczania dla 4130 zwykle mieszczą się w zakresie od 205°C do 705°C (400°F do 1300°F). Trzymaj w temperaturze odpuszczania (zwykle co najmniej 2 godziny), a następnie ostudź (zwykle w powietrzu). Odpuszczanie zmniejsza kruchość hartowanego martenzytu i ustala ostateczną równowagę twardości, wytrzymałości i wytrzymałości. Niższe temperatury odpuszczania zapewniają wyższą wytrzymałość i twardość, podczas gdy wyższe temperatury zwiększają ciągliwość i wytrzymałość kosztem wytrzymałości.

3.2 Rozważania dotyczące hartowności

Hartowność stali 4130 jest czynnikiem krytycznym. Opisuje ona zdolność stali do hartowania się w przekroju poprzecznym podczas hartowania.

• Stal 4130 charakteryzuje się niską lub średnią hartownością w porównaniu do stali wysokostopowych.
• Grubość przekroju: Osiągalna twardość i głębokość utwardzania w dużym stopniu zależą od rozmiaru komponentu. Grubsze sekcje stygną wolniej, szczególnie w rdzeniu, co potencjalnie skutkuje mniej jednolitą mikrostrukturą i niższą twardością rdzenia niż powierzchnia.
• Idealna średnica krytyczna (DI): Ta obliczona wartość (np. ~68 mm lub ~2,7 cala dla typowej kompozycji w idealnych warunkach) wskazuje teoretyczną maksymalną średnicę, która może zostać zahartowana do środka przy idealnym hartowaniu. Praktyczne wyniki przy mniej surowych hartowaniach (olej, polimer) zapewnią hartowanie do płytszych głębokości.
• Stopień hartowania: Staranny dobór procesu hartowania ma kluczowe znaczenie dla uzyskania pożądanych właściwości bez powodowania pęknięć lub nadmiernych odkształceń, szczególnie w porównaniu ze stalami o wyższej zawartości węgla, takimi jak 4140, które mają większą hartowność, ale jednocześnie większe ryzyko pękania hartowniczego.

3.3 Łagodzenie stresu

• Cel: Aby zmniejszyć naprężenia wewnętrzne wywołane przez procesy produkcyjne, takie jak obróbka skrawaniem, formowanie na zimno lub spawanie, często wykonywane zanim ostatecznego hartowania lub na częściach normalizowanych/wyżarzanych.
• Proces: Podgrzej stal równomiernie do temperatury zazwyczaj pomiędzy 650°C i 675°C (1200°F do 1250°F). Trzymaj przez wystarczający czas (np. 1 godzinę na cal grubości), a następnie powoli schładzaj (zwykle w piecu lub na powietrzu).
• Ważna uwaga: Jeśli wykonuje się łagodzenie stresu Po podczas hartowania i odpuszczania temperatura odprężania musi być utrzymywana poniżej pierwotnej temperatury odpuszczania (zwykle co najmniej o 15°C lub 25°F niższa), aby nie doszło do negatywnego wpływu na wcześniej ustalone właściwości mechaniczne.

4. Przegląd właściwości mechanicznych

Końcowe właściwości mechaniczne stali 4130 zależą bezpośrednio od zastosowanej obróbki cieplnej. Warunki hartowania i odpuszczania oferują szeroki zakres osiągalnych wartości wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności, wydłużenia i twardości.

Ważne jest, aby wziąć pod uwagę efekt masy: większe przekroje stygną wolniej podczas hartowania, co skutkuje niższą twardością i wytrzymałością rdzenia w porównaniu z powierzchnią lub w porównaniu z mniejszymi przekrojami poddawanymi takiej samej obróbce cieplnej.

Typowe właściwości mechaniczne stali 4130 poddanej obróbce cieplnej

Temperatura hartowania		Wytrzymałość na rozciąganie		Wytrzymałość na rozciąganie		Wydłużenie o 50 mm (2 cale), %	Redukcja powierzchni, %	Twardość, HB	Energia uderzeniowa Izoda
°C	°F	MPa	ksi	MPa	ksi				J	stopa-funt
Hartowane i odpuszczane w wodzie
205	400	1765	256	1520	220	10	33	475	18	13
260	500	1670	242	1430	208	11.5	37	455	14	10
315	600	1570	228	1340	195	13	41	425	14	10
370	700	1475	214	1250	182	15	45	400	20	15
425	800	1380	200	1170	170	16.5	49	375	34	25
540	1000	1170	170	1000	145	20	56	325	81	60
650	1200	965	140	830	120	22	63	270	135	100
Hartowane i odpuszczane w oleju
205	400	1550	225	1340	195	11	38	450	—	—
260	500	1500	218	1275	185	11.5	40	440	—	—
315	600	1420	206	1210	175	12.5	43	418	—	—
370	700	1320	192	1120	162	14.5	48	385	—	—

Wpływ masy na typowe właściwości stali 4130 poddanej obróbce cieplnej

Rozmiar paska	Wytrzymałość na rozciąganie	Wytrzymałość na rozciąganie	Wydłużenie o 50 mm (2 cale), %	Redukcja powierzchni, %	Twardość powierzchniowa, HB
mm	MPa	ksi	MPa	ksi	%
25	1040	151	880	128	18
50	740	107	570	83	20
75	710	103	540	78	22

Źródło: ASM HANDBOOK

5. Typowe zastosowania

Ze względu na swoje niezawodne właściwości użytkowe stal 4130 jest wykorzystywana w wielu gałęziach przemysłu:

• Komponenty samochodowe (np. osie)
• Elementy konstrukcyjne wymagające dobrej wytrzymałości i odporności
• Wały, koła zębate i łożyska wymagające dobrej odporności na zmęczenie i zużycie (często w warunkach odpuszczonych)
• Zastosowania wymagające wysokiej wytrzymałości (w warunkach sferoidycznych)
• Procesy hartowania wiązką elektronów

Mimo że nie jest klasyfikowana jako podstawowa stal narzędziowa, jej wszechstronność sprawia, że jest powszechnie stosowanym materiałem w narzędziowniach.

6. Odpowiedniki norm międzynarodowych

Stal 4130 odpowiada oznaczeniom zawartym w kilku normach międzynarodowych:

• ASTM: A322, A29/A29M
• SAE: J404
• JIS (Japonia): SCM 425, SCM 430