4140 Stal stopowa | 42CRMO4 | SCM440

4. Obróbka cieplna

Osiągnięcie szczytowej wydajności w zastosowaniach stali stopowej 4140 zależy od precyzyjnej i odpowiedniej obróbki cieplnej. Jako wszechstronna stal stopowa chromowo-molibdenowa, 4140 oferuje doskonałe połączenie wytrzymałości, twardości i odporności na zużycie po prawidłowej obróbce. 

4.1 Procesy obróbki cieplnej stali stopowej 4140

Do stali stopowej 4140 można zastosować kilka standardowych obróbek cieplnych, aby uzyskać szeroki zakres właściwości mechanicznych. Wybór właściwego procesu jest kluczowy dla końcowego zastosowania.

4.1.1 Normalizowanie stali 4140

Normalizacja jest często stosowana jako obróbka kondycjonująca przed końcową obróbką cieplną lub w celu udoskonalenia struktury ziarna komponentów, które przeszły nierównomierne chłodzenie z wysokich temperatur. Proces ten poprawia jednorodność i właściwości mechaniczne stali 4140.

• Temperatura ogrzewania: 845°C do 925°C (1550°F do 1700°F). Typowy zakres to 870°C do 900°C (1600°F do 1650°F).
• Czas utrzymywania: Minimum 1 godzina lub 15-20 minut na każde 25 mm (1 cal) maksymalnej grubości przekroju.
• Chłodzenie: Chłodzenie powietrzem.

4.1.2 Wyżarzanie stali 4140

Wyżarzanie jest stosowane głównie w celu zmiękczenia stali stopowej 4140, co poprawia jej obrabialność i łagodzi naprężenia wewnętrzne. Ta obróbka powoduje, że materiał jest bardziej ciągliwy.

• Temperatura ogrzewania: Zwykle 830°C do 870°C (1525°F do 1600°F). Alternatywny zakres dla osiągnięcia maksymalnej twardości 197 HB to 790°C do 845°C (1450°F do 1550°F).
• Czas utrzymywania: zależy od grubości przekroju i obciążenia pieca.
• Chłodzenie: Piec schładzany jest z kontrolowaną szybkością około 15°C/h (30°F/h) do temperatury 480°C (900°F), a następnie następuje chłodzenie powietrzem.
• Oczekiwana twardość: Około 150-200 HB w stanie wyżarzonym.

4.1.3 Sferoidyzacja stali 4140 w celu zwiększenia obrabialności

Sferoidyzacja powoduje powstanie mikrostruktury kulistych węglików w matrycy ferrytycznej, optymalnej dla obrabialności stali 4140.

• Temperatura grzania: 760°C do 775°C (1400°F do 1425°F).
• Czas trzymania: od 4 do 12 godzin.
• Chłodzenie: Powolne chłodzenie. Uwaga: Pełne sferoidyzowanie może obejmować austenityzowanie w temperaturach nieznacznie wyższych niż Ac1 lub w połowie zakresu między Ac1 i Ac3, a następnie bardzo powolne chłodzenie lub przetrzymywanie.

4.1.4 Hartowanie stali stopowej 4140: hartowanie i odpuszczanie

Najpopularniejszą metodą uzyskiwania wysokiej wytrzymałości i twardości stali stopowej 4140 jest gaszenie I ruszenieTa dwuetapowa obróbka cieplna stali stopowej 4140 jest kluczowa w przypadku wymagających zastosowań.

a. Austenityzowanie (nagrzewanie w celu hartowania). 

• Temperatura nagrzewania pieca: 830°C do 855°C (1525°F do 1575°F).
• Temperatura nagrzewania indukcyjnego: Do hartowania indukcyjnego zaleca się temperaturę od 870°C do 900°C (od 1600°F do 1650°F).
• Ogólny zakres hartowania: 860°C do 885°C (1575°F do 1625°F).
• Czas namaczania: Ogólną wytyczną jest 5 minut na każdy cal (25 mm) najmniejszego przekroju po osiągnięciu przez część odpowiedniej temperatury.

b. Hartowanie. 

• Medium hartownicze: Olej jest preferowanym medium dla stali 4140. Hartowanie w wodzie jest możliwe, ale zwiększa ryzyko pęknięć i odkształceń ze względu na zawartość węgla w stali; jeśli jest stosowane, należy zachować szczególną ostrożność.
• Krytyczny etap po hartowaniu: Odpuszczanie należy rozpocząć natychmiast po ostygnięciu części do temperatury 52°C–65°C (125°F–150°F), aby zapobiec pęknięciom.
• Kontrola odkształceń: W przypadku profili płaskich lub rurowych, pionowe zanurzenie podczas hartowania może pomóc zminimalizować naprężenia i odkształcenia.

c. Hartowanie stali 4140.

• Proces: Podgrzać zahartowaną część do określonej temperatury poniżej punktu krytycznego (Ac1), wytrzymywać przez wystarczająco długi czas, a następnie schłodzić.
• Czas utrzymywania: Zwykle 2 godziny na cal (25 mm) przekroju.
• Zakres „kruchości niebieskiej”: Należy unikać odpuszczania stali 4140 w temperaturze od 230°C do 370°C (od 450°F do 700°F), ponieważ może to skutkować obniżeniem jej wytrzymałości.

4.2 Hartowność stali 4140

Hartowność odnosi się do głębokości, do której stal może być hartowana podczas hartowania. Chrom i molibden stali stopowej 4140 znacząco przyczyniają się do jej hartowności. Należy pamiętać, że właściwości mechaniczne, szczególnie w większych przekrojach, mogą się różnić od powierzchni do rdzenia ze względu na różnice w szybkości chłodzenia. 

4.3 Specjalistyczne obróbki cieplne stali stopowej 4140

Oprócz procesów podstawowych, stal 4140 można poddawać innym rodzajom obróbki, aby spełnić szczególne wymagania:

a. Łagodzenie stresu:

• Cel: Redukcja naprężeń wewnętrznych powstających w wyniku obróbki skrawaniem, formowania lub prostowania, zwłaszcza przed hartowaniem.
• Temperatura: 650°C do 675°C (1200°F do 1250°F). W przypadku zastosowania do utwardzonego materiału, temperatura odprężania nie może przekraczać poprzedniej temperatury odpuszczania.

b. Hartowanie indukcyjne:

• Cel: Technika hartowania powierzchni w celu znacznego zwiększenia odporności na zużycie i granicy plastyczności powierzchni, tworząc twardą powłokę na twardszym rdzeniu. Często stosowana do sworzni, wałów i innych elementów o dużej wytrzymałości po pierwotnym hartowaniu i odpuszczaniu.
• Temperatura austenityzacji (indukcja): 870°C do 900°C (1600°F do 1650°F).
• Hartowanie (indukcja): obejmuje bardzo krótkie cykle; czas i temperatura mają kluczowe znaczenie.

c. Azotowanie:

• Cel: Proces hartowania powierzchni, który polega na wprowadzeniu azotu do powierzchni stali, co zwiększa odporność na zużycie i często wydłuża trwałość zmęczeniową. Stal 4140 łatwo poddaje się azotowaniu.
• Temperatura: Zwykle od 520°C do 550°C (od 970°F do 1020°F) przez dłuższy czas w atmosferze bogatej w azot.