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
Właściwości stali 4140 można znacząco dostosować poprzez obróbkę cieplną. Hartowanie i odpuszczanie może poprawić granicę plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i udarność metalu 4140.
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.
Interesuje Cię stal stopowa 4140? Wypełnij poniższy formularz, aby skontaktować się z nami już dziś!
5. Obróbka cieplna
5.1 Normalizacja
Normalizowanie to proces obróbki cieplnej mający na celu zmniejszenie wielkości ziarna, uzyskanie jednolitej struktury i poprawę obrabialności w celu uzyskania wymaganej twardości.
Zakres temperatur normalizacyjnych wynosi 870–900°C (1600–1650°F). Wytłaczanie w tej temperaturze należy prowadzić przez co najmniej 1 godzinę lub 15–20 minut na każde 25 mm (1 cal) maksymalnej grubości przekroju. Po wytłaczaniu, materiał należy schłodzić do temperatury pokojowej na powietrzu. Twardość 4140 po normalizacji wynosi 150–200 HB.
5.2 Wyżarzanie
Wyżarzanie jest stosowane przede wszystkim w celu zmiękczenia stali i złagodzenia naprężeń, przygotowując ją tym samym do dalszej obróbki, np. obróbki skrawaniem.
Temperatura wyżarzania waha się od 830 do 870 °C (1525 do Czas wygrzewania zależy od grubości profilu lub obciążenia pieca. W oparciu o ponad 20-letnie doświadczenie firmy Aobo Steel w branży, czas wygrzewania wynosi: 1 godzinę na każde 25 mm (1 cal) grubości profilu, z dodatkowymi 0,5 godziny na każde dodatkowe 25 mm (1 cal) grubości. Po wygrzewaniu materiał jest schładzany w piecu z szybkością około 15°C/h (30°F/h) do temperatury 480°C (900°F), a następnie schładzany na powietrzu. Twardość stali 4140 po wyżarzaniu wynosi 150-200 HB.
5.3 Hartowanie
Hartowanie polega na podgrzaniu stali do postaci austenitu, a następnie szybkim schłodzeniu w celu przekształcenia jej w martenzyt, co zwiększa twardość i wytrzymałość stali 4140.
Zakres temperatur austenityzacji wynosi od 860 do 885°C (1550 do 1660°F). Na podstawie naszego doświadczenia zalecamy temperaturę 855°C (1575°F). Należy unikać stosowania zbyt wysokich temperatur, ponieważ może to prowadzić do nadmiernego rozdrobnienia ziaren austenitu i kruchości martenzytu. Czas wygrzewania wynosi 5 minut na cal najmniejszego przekroju poprzecznego lub do momentu całkowitego wygrzania elementu. Medium chłodzącym jest olej.
5.4 Hartowanie
Odpuszczanie należy wykonać natychmiast po osiągnięciu przez stal 4140 temperatury 52-65°C (125-150°F).
Zakres temperatur odpuszczania wynosi 200–700°C (400–1300°F). Zazwyczaj stosujemy temperaturę 175°C (350°F). Czas wygrzewania decyduje o twardości stali 4140. Standardowy czas wygrzewania wynosi 2 godziny na cal (25 mm) przekroju. Należy unikać niedogrzania.
Stal 4140 zazwyczaj nie wymaga wtórnego odpuszczania; jednak wielokrotne cykle odpuszczania mogą poprawić strukturę ziarna, co dodatkowo zwiększa wytrzymałość. Temperatura drugiego odpuszczania powinna być o 14°C (25°F) niższa niż temperatura pierwszego odpuszczania, aby zachować pierwotną twardość materiału 4140.
NIE zalecamy odpuszczania w zakresie temperatur 230–370°C (450–700°F), ponieważ może to powodować “kruchość na niebiesko”. Mikrostruktura hartowanej i odpuszczonej stali 4140 to zazwyczaj martenzyt odpuszczony.
5.5 Sferoidyzacja
Sferoidyzacja tworzy mikrostrukturę węglików kulistych w osnowie ferrytycznej, co poprawia skrawalność. Temperatura sferoidyzacji wynosi 760-775°C (1400-1425°F), a czas wygrzewania od 4 do 12 godzin, po czym następuje powolne chłodzenie.
Sferoidyzację można również uzyskać poprzez długotrwałe utrzymywanie temperatury tuż poniżej temperatury Ae1, naprzemienne ogrzewanie i chłodzenie w temperaturach tuż powyżej temperatury Ac1 i tuż poniżej temperatury Ar1 lub poprzez ogrzewanie tuż powyżej temperatury Ac1, a następnie bardzo powolne chłodzenie w piecu lub utrzymywanie w temperaturze tuż poniżej temperatury Ar1. Aby uzyskać pełną sferoidyzację, temperatury austenityzacji są nieznacznie wyższe od temperatury Ac1 lub mniej więcej w połowie między temperaturą Ac1 i Ac3.
6. Równoważny
- Europa (EN/DIN): 42CrMo4 Lub 1.7225
- Japonia (JIS): SCM440
- Chiny (GB/T): 42CrMo
- Wielka Brytania (BS): PL19 (lub 708M40/709M40)
- ASM Międzynarodowe. (1991). Podręcznik ASM, tom 4: Obróbka cieplna (str. 496). ASM International. ↩︎
- 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
Nie, stal 4140 nie jest klasyfikowana jako stal nierdzewna.
Stal 4140 jest wykorzystywana do szerokiej gamy części poddawanych naprężeniom mechanicznym, zwłaszcza tych, które korzystają z procesów obróbki cieplnej lub hartowania powierzchni. Jej konkretne zastosowania obejmują:
Elementy maszyn: Różne elementy maszyn, maszyny, zbiorniki ciśnieniowe i zastosowania konstrukcyjne.
Wały i osie: wały korbowe, wały napędowe, wałki rozrządu, ślimaki, osie kolejowe i wały inżynieryjne.
Części maszyn i oprzyrządowanie: wrzeciona, koła zębate, śruby, cylindry, tuleje cylindrowe, krzywki, wały korbowe, klucze, lufy karabinowe i kule do młynów kulowych.
Elementy utwardzane powierzchniowo: części wymagające utwardzania powierzchniowego płomieniem, utwardzania powierzchniowego indukcyjnego (np. osie, krytyczne części wtrysku paliwa) oraz twarde powierzchnie zębów w przekładniach.
Elementy złączne: śruby, wkręty i inne elementy złączne.
Części eksploatacyjne: elementy wymagające dużej wytrzymałości rdzenia i dobrej wytrzymałości, wykazujące dobrą odporność na zużycie.
Zastosowania w motoryzacji i przemyśle: wały korbowe w samochodach, tłoczyska silników, komponenty dla przemysłu celulozowo-papierniczego oraz części pieców pracujące w temperaturach poniżej 400°C.
Stal 4140 jest wyraźnie klasyfikowana jako stal stopowa ze względu na jej specyficzny skład chemiczny, obejmujący chrom i molibden, które są dodawane w celu uzyskania pożądanych właściwości, wykraczających poza właściwości zwykłych stali węglowych.
Chińskim odpowiednikiem stali AISI/SAE 4140 jest 42CrMo
Tak, 4140 to rzeczywiście stal powszechnie kuta i można ją znaleźć w formie odkuwek.
Zalecaną stalą na noże jest martenzytyczna stal nierdzewna lub specjalna stal narzędziowa o wysokiej zawartości węgla. Stal 4140 NIE jest odpowiednia.
Tak, stal 4140 można wyginać, a jej obróbka cieplna i właściwości mechaniczne wpływają na tę zdolność.
Tak, stal 4140 może rdzewieć. Ponieważ 4140 jest stopem żelaznym (na bazie żelaza), jest podatna na rdzewienie, szczególnie w obecności wilgoci i tlenu, i zazwyczaj wymaga środków ochronnych do długotrwałego użytkowania na zewnątrz.
Tak, 4140 jest zaliczana do stali niskostopowych.
Szukasz stali stopowej 4140?
Jako Twój zaufany partner, Aobo Steel wykorzystuje ponad 20 lat doświadczenia w kuciu, aby dostarczać najwyższej jakości stal stopową 4140, precyzyjnie zaprojektowaną zgodnie z Twoimi wymaganiami. Zapewnij wytrzymałość, trwałość i niezawodność, jakich wymagają Twoje kluczowe zastosowania.
Gotowy na udoskonalenie swojego projektu? Wypełnij poniższy formularz, aby otrzymać spersonalizowaną wycenę lub fachową konsultację od naszych specjalistów.