Stal stopowa 4140 to wszechstronna stal stopowa Cr-Mo, oferująca dobrą wytrzymałość, udarność i hartowność, dzięki czemu po odpowiedniej obróbce cieplnej nadaje się do umiarkowanie trudnych warunków eksploatacji. Chrom i molibden stanowią jej główne składniki stopowe.

1. Zastosowania

• Elementy maszyn: wały (główne zastosowanie), osie, koła zębate, wrzeciona, sprzęgła, wały korbowe, korbowody, pokrywy zaworów, korpusy uchwytów, tuleje zaciskowe
• Narzędzia i osprzęt: przyrządy montażowe, osprzęt, uchwyty narzędziowe, kołnierze wiertnicze, śruby, kołki, części przenośników
• Motoryzacja i lotnictwo: osie, wały korbowe, zwrotnice, elementy konstrukcyjne o wysokiej wytrzymałości
• Branża naftowa i gazowa: narzędzia do wiercenia otworów wiertniczych, złącza narzędziowe, wały pomp
• Części hartowane powierzchniowo: Elementy wymagające zwiększonej trwałości powierzchni

2. 4140 Skład stali¹

Węgiel (C)	Mangan (Mn)	Krzem (Si)	Chrom (Cr)	Molibden (Mo)	Fosfor (P)	Siarka (S)
0,38 – 0,43	0,75 – 1,00	0,15 – 0,35	0,80 – 1,10	0,15 – 0,25	≤ 0,035	≤ 0,040

3. Właściwości fizyczne

Właściwości fizyczne stali stopowej 4140 w różnych temperaturach

Temperatura (°C)	Temperatura (°F)	Przewodność cieplna (W/m·K)	Średnia pojemność cieplna właściwa (kJ/kg·K)	Średni współczynnik rozszerzalności liniowej (x 10⁻⁶ K⁻¹)	Gęstość (kg/m³)	Moduł Younga (x 10⁵ MPa)
20	68	46.71	472.91	11.28	7848.2	211.6
100	212	46.06	486.33	11.67	7820.7	203.1
200	392	45.59	499.21	12.32	7790.2	197.5
300	572	43.47	519.18	12.85	7757.4	193.7
400	752	40.7	543.45	13.37	7722.3	188.6
500	932	37.67	570.3	13.9	7684.7	180.2
600	1112	34.63	599.31	14.42	7644.5	167.0

4. Właściwości mechaniczne

4140 steel properties can be significantly tailored through heat treatment. Quenching and tempering can improve the yield strength, tensile strength, and notch toughness of 4140 metal.

4.1 Hartowany i odpuszczany metal 4140

Gdy stal 4140 jest hartowana w oleju, a następnie odpuszczana w różnych temperaturach, jej właściwości mechaniczne zmieniają się w przewidywalny sposób. Umożliwia to precyzyjną kontrolę nad końcowymi właściwościami stali, aby spełnić określone wymagania operacyjne. Poniżej znajduje się podsumowanie typowych właściwości mechanicznych uzyskiwanych w różnych temperaturach odpuszczania:

Temperatura hartowania	4140 Wytrzymałość na rozciąganie (MPa)	4140 Wytrzymałość na rozciąganie (MPa)	Wydłużenie (%)	Redukcja powierzchni (%)	Twardość (HB)
205 °C (400 °F)	1965 – 1980	1740 – 1860	11	39 – 42	520 – 578
260 °C (500 °F)	1860	1650	11	44	534
315 °C (600 °F)	1720 – 1760	1570 – 1620	11,5 – 12	44 – 46	490 – 495
425 °C (800 °F)	1450 – 1500	1340 – 1365	14 – 15	48 – 50	429 – 440
540 °C (1000 °F)	1150 – 1240	1050 – 1160	17 – 17,5	53 – 55	341 – 360
595 °C (1100 °F)	1020	910	19	58	311
650 °C (1200 °F)	900 – 1020	790 – 860	20 – 21	60 – 61	277 – 290
705 °C (1300 °F)	810 – 860	690 – 740	23	63 – 65	235 – 250

4.2 Wpływ rozmiaru przekroju (efekt masy) na właściwości materiału 4140

Podczas określania parametrów obróbki cieplnej ważne jest uwzględnienie rozmiaru przekroju, czyli masy, elementu ze stali 4140, zwłaszcza w przypadku dążenia do uzyskania wysokiej wytrzymałości. Stal AISI 4140 nie jest stalą głęboko hartowaną i w tych samych warunkach obróbki cieplnej większe przekroje mogą nie osiągnąć takiej samej twardości i wytrzymałości ogólnej jak mniejsze przekroje.

Poniższa tabela ilustruje wpływ średnicy pręta 4140 na właściwości mechaniczne stali 4140 hartowanej olejowo w temperaturze 845 °C (1550 °F) i odpuszczanej w temperaturze 540 °C (1000 °F):

Wpływ średnicy pręta na właściwości mechaniczne stali 4140 (odpuszczonej w temperaturze 540 °C / 1000 °F)

Średnica pręta	Wytrzymałość na rozciąganie (MPa)	Wytrzymałość na rozciąganie (MPa)	Wydłużenie (%)	Redukcja powierzchni (%)	Twardość powierzchniowa (HB)
25 mm (1 cal)	1140	985	15	50	335
50 mm (2 cale)	920	750	18	55	202
75 mm (3 cale)	860	655	19	55	293

4.3 Właściwości mechaniczne stali 4140 wyżarzanej

Wyżarzanie dzieli się również na dwa stany: walcowanie na gorąco i ciągnienie na zimno.

Stan	Wytrzymałość na rozciąganie	Wytrzymałość na rozciąganie	Wydłużenie
Walcowane na gorąco, wyżarzane	454 MPa (65 ksi)	620 MPa (90 ksi)	~27%
Ciągnione na zimno, wyżarzane	620 MPa (90 ksi)	703 MPa (102 ksi)	~18%

4.4 Spawanie stali 4140²

Stal 4140 ma wysoką hartowność. Podczas spawania stali 4140 strefa wpływu ciepła (HAZ) i metal spoiny mogą szybko się ochłodzić, co prowadzi do powstania twardego, kruchego martenzytu. Ten martenzyt jest podatny na pękanie wodorowe, co może prowadzić do dużych naprężeń wewnętrznych i zmniejszonej ciągliwości, utrudniając proces spawania. Zalecamy spawanie stali 4140 w stanie wyżarzonym, jeśli to możliwe, i wykonywanie obróbki cieplnej po spawaniu w celu złagodzenia ryzyka związanego z jej wysoką hartownością.

5. Obróbka cieplna

5.1 Normalizing

Normalizowanie to proces obróbki cieplnej mający na celu zmniejszenie wielkości ziarna, uzyskanie jednolitej struktury i poprawę obrabialności w celu uzyskania wymaganej twardości. 

The normalizing temperature range is 870-900°C (1600-1650°F). Hold at this temperature for at least 1 hour, or 15 to 20 minutes per 25 mm (1 inch) of maximum section thickness. After holding, cool the material to room temperature in the air. 4140 hardness after normalizing is 150-200 HB.

5.2 Annealing

Wyżarzanie jest stosowane przede wszystkim w celu zmiękczenia stali i złagodzenia naprężeń, przygotowując ją tym samym do dalszej obróbki, np. obróbki skrawaniem.

The annealing temperature ranges from 830 to 870 °C (1525 to 1600 °F). The holding time depends on the section thickness or furnace load. Based on Aobo Steel’s more than 20 years of industry experience, the holding time is: 1 hour for each 25 mm (1 inch) of section thickness, with an additional 0.5 hours added for each additional 25 mm (1 inch) of thickness. After holding, the material is furnace-cooled at a rate of approximately 15 °C/h (30 °F/h) down to 480 °C (900 °F) and then air-cooled. The hardness of 4140 after annealing is 150-200 HB.

5.3 Quenching

Hardening involves heating the steel to form austenite, followed by rapid cooling to transform it into martensite, thereby increasing 4140’s hardness and strength. 

The austenitizing temperature ranges from 860 to 885 °C (1550 to 1660 °F). Based on our experience, we recommend a temperature of 855 °C (1575 °F). Avoid using excessively high temperatures, as this may result in excessive austenite grain size and martensite brittleness. The soaking time is 5 minutes per inch of the smallest cross-section, or until the part is thoroughly soaked. The quenching medium is oil.

5.4 Tempering

Odpuszczanie należy wykonać natychmiast po osiągnięciu przez stal 4140 temperatury 52-65°C (125-150°F).

The tempering temperature range is 200-700°C (400-1300°F). The temperature we commonly use is 175°C (350°F). The holding time determines the steel 4140 hardness. Our standard holding time is 2 hours per inch (25 mm) of cross-section. It is important to avoid under-tempering.
4140 steel typically does not require secondary tempering; however, multiple tempering cycles can refine the grain structure to further enhance toughness. The temperature for the second tempering should be 14°C (25°F) lower than the first tempering temperature to maintain the original 4140 material hardness.
We do NOT suggest tempering within the temperature range of 230–370°C (450–700°F), as this temperature range can cause “blue brittleness.” The microstructure of quenched and tempered 4140 steel is typically tempered martensite.

5.5 Spheroidizing

Spheroidizing produces a microstructure of globular carbides in a ferritic matrix, which improves machinability. Spheroidizing temperature is 760-775°C (1400-1425°F), with a hold time of 4 to 12 hours, followed by slow cooling.

Spheroidization can also be achieved by prolonged holding just below the Ae1 temperature, by heating and cooling alternately between temperatures just above Ac1 and just below Ar1, or by heating just above Ac1 followed by very slow furnace cooling or holding at a temperature just below Ar1. For full spheroidizing, austenitizing temperatures are slightly above the Ac1 temperature, or about midway between Ac1 and Ac3.

6. Równoważny

• Europa (EN/DIN): 42CrMo4 Lub 1.7225
• Japonia (JIS): SCM440
• Chiny (GB/T): 42CrMo
• Wielka Brytania (BS): PL19 (lub 708M40/709M40)

1. ASM Międzynarodowe. (1991). Podręcznik ASM, tom 4: Obróbka cieplna (str. 496). ASM International. ↩︎
2. Jenney, CL i O'Brien, A. (red.). (2000). Podręcznik spawalniczy, wydanie dziewiąte, tom 1: Nauka i technologia spawania (s. 141). Amerykańskie Towarzystwo Spawalnicze. ↩︎

Często zadawane pytania