4140 stal przegląd techniczny

Stal 4140 to wszechstronna stal niskostopowa o średniej zawartości węgla. Zawiera chrom i molibden jako główne pierwiastki stopowe. Stal ta jest znana z dobrej hartowności, co pozwala jej osiągnąć wysoką wytrzymałość i twardość poprzez procesy obróbki cieplnej, takie jak hartowanie i odpuszczanie. Jest powszechnie stosowana w zastosowaniach wymagających dobrej równowagi wytrzymałości i wytrzymałości, takich jak wały, koła zębate i inne elementy maszyn. Może być poddawana różnym obróbkom cieplnym, w tym wyżarzaniu w celu zmiękczenia, normalizowaniu w celu poprawy mikrostruktury i umiarkowanej wytrzymałości oraz hartowaniu, a następnie odpuszczaniu w celu uzyskania pożądanych właściwości mechanicznych.

1. Skład chemiczny

Węgiel (C)	Mangan (Mn)	Fosfor (P)	Siarka (S)	Krzem (Si)	Chrom (Cr)	Molibden (Mo)
0.38% – 0.43%	0.75% – 1.00%	≤ 0,035% (maks.)	≤ 0,040% (maks.)	0.15% – 0.35%	0.80% – 1.10%	0.15% – 0.25%

2. Zastosowania

Na podstawie swoich właściwości stal 4140 znajduje zastosowanie w różnych wymagających elementach inżynieryjnych ze względu na dobrą hartowność, wysoki potencjał wytrzymałości i twardości oraz przyzwoity poziom wytrzymałości po odpowiedniej obróbce cieplnej. Oto zestawienie zastosowań na podstawie tych właściwości:

2.1 Elementy wymagające wysokiej wytrzymałości i twardości (uzyskanej poprzez hartowanie i odpuszczanie):

• Statycznie i dynamicznie obciążone części silników i maszyn samochodowych, takie jak wały korbowe. Wysoka twardość uzyskana po hartowaniu sprawia, że nadaje się do tych wymagających zastosowań.
• Części maszyn o dużych przekrojach, w których po rafinacji można uzyskać wysoką wytrzymałość. Dobra hartowność umożliwia hartowanie na wskroś w znacznych grubościach.
• Komponenty przeznaczone do średnio-trudnych warunków pracy, w których wymagana jest równowaga pomiędzy wytrzymałością i wytrzymałością.
• Koła zębate wymagające gruntownego hartowania w celu uzyskania odpowiedniej wytrzymałości i odporności na zużycie.
• Sworznie i wały w różnych zastosowaniach inżynieryjnych, gdzie wysoka wytrzymałość i wytrzymałość są kluczowe. W przypadku zastosowań o większym obciążeniu można je hartować i odpuszczać, aby uzyskać wytrzymałość rdzenia w zakresie 100–140 kgf/mm².
• Od elementów wymaga się odporności na zużycie, dzięki czemu nadają się do hartowania powierzchniowego, np. płomieniowego i indukcyjnego.
• Części samochodowe o dużym zapotrzebowaniu, takie jak osie, korzystają z jego wytrzymałości i hartowalności.
• Rury ze stali stopowej do zastosowań ogólnych i konstrukcyjnych, w których korzystna jest wytrzymałość po obróbce cieplnej.
• Pręty i odkuwki przeznaczone do różnych celów inżynieryjnych są często poddawane obróbce cieplnej w celu uzyskania określonego poziomu wytrzymałości.

2.2 Elementy wymagające twardości powierzchni i odporności na zużycie (osiągnięte poprzez azotowanie lub hartowanie indukcyjne):

• Koła zębate wymagające głębokiej obudowy i twardości powierzchni poniżej 60 HRC mogą być wykonane ze stali 4140 i poddane azotowaniu.
• Koła zębate i inne komponenty korzystają z hartowania indukcyjnego, które zapewnia twardą, odporną na zużycie warstwę powierzchniową.

2.3 Zastosowania narzędzi:

Mimo że stal 4140 nie jest uważana przede wszystkim za stal narzędziową, jest popularna w narzędziowniach do różnych zastosowań wymagających umiarkowanej hartowności oraz dobrej wytrzymałości i ciągliwości.

3. Właściwości fizyczne

3.1 Wytrzymałość na rozciąganie stali 4140

Stan	Wytrzymałość na rozciąganie (MPa)	Wytrzymałość na rozciąganie (ksi)
Wyżarzony	434-620	63-90
Znormalizowany	Może wynosić od 483 do 690 w zależności od zawartości węgla	Może wynosić od 70,0 do 100,0 w zależności od zawartości węgla
Hartowane i odpuszczane w temperaturze 205 °C (400 °F)	1965-1980	285-287
Hartowane i odpuszczane w temperaturze 425 °C (800 °F)	1450-1500	210-217
Hartowane i odpuszczane w temperaturze 540 °C (1000 °F)	1140-1240	165-180
Hartowane i odpuszczane w temperaturze 650 °C (1200 °F)	900-1020	130-148
Ciągnione na zimno i wyżarzane	Około 620-703	Około 90-102
Rysowane w temperaturze 1000°F (540°C)	Około 903-1054	Około 131-153

3.2 Wytrzymałość na rozciąganie (0,2% Offset) stali 4140

Stan	Wytrzymałość na rozciąganie (MPa)	Wytrzymałość na rozciąganie (ksi)
Wyżarzony	Około 201-434 w zależności od zawartości węgla	Około 29,1-63 w zależności od zawartości węgla
Znormalizowany	Może wynosić od 247 do 355 w zależności od zawartości węgla	Może wynosić od 35,8 do 51,5 w zależności od zawartości węgla
Hartowane i odpuszczane w temperaturze 205 °C (400 °F)	1740-1860	252-270
Hartowane i odpuszczane w temperaturze 425 °C (800 °F)	1340-1365	195-198
Hartowane i odpuszczane w temperaturze 540 °C (1000 °F)	985-1160	143-168
Hartowane i odpuszczane w temperaturze 650 °C (1200 °F)	790-860	114-125
Ciągnione na zimno i wyżarzane	Około 620-703	Około 90-102
Rysowane w temperaturze 1000°F (540°C)	Około 903-1054	Około 131-153

3.3 Właściwości ciągliwości (wydłużenie i zmniejszenie powierzchni) stali 4140

Własność	Stan	Wartość
Wydłużenie (w 50 mm/2 cale)	Wyżarzony	Zwykle około 18-27%
Wydłużenie (w 50 mm/2 cale)	Hartowane i odpuszczane	Maleje wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania. Na przykład może wynosić od 11% (przy 205 °C/400 °F) do 23% (przy 705 °C/1300 °F)
Zmniejszenie powierzchni	Hartowane i odpuszczane	Ogólnie rzecz biorąc, waha się od 39% do 65% w zależności od temperatury odpuszczania

3.4 Twardość stali 4140

Stan	Wartość twardości
Wyżarzony	Około 185 HB
W stanie schłodzonym	Może osiągnąć około 601 HB
Hartowane i odpuszczane	W dużym stopniu różni się w zależności od temperatury odpuszczania, od około 578 HB (~53 HRC) w temperaturze 205 °C (400 °F) do 235 HB (~24 HRC) w temperaturze 705 °C (1300 °F)

3.5 Wytrzymałość na uderzenia stali 4140

Własność	Stan	Obserwacja / Wartość
Siła uderzenia	Hartowane i odpuszczane	Zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania.
Energia uderzeniowa Izoda	Hartowane i odpuszczane	Na przykład energia uderzenia Izoda może wynosić od 15 J (11 ft·lb) w temperaturze 205 °C (400 °F) do 136 J (100 ft·lb) w temperaturze 705 °C (1300 °F).
Charpy V-karb	Hartowane i odpuszczane	Wartości również wykazują podobną tendencję [jak Izod].

3.6 Wytrzymałość zmęczeniowa stali 4140

Stan	Obserwacja / Wartość
Ogólny	Wrażliwy na karby i przejścia w częściach maszyn poddawanych obciążeniom zmęczeniowym.
Hartowane i odpuszczane (twardość 46-50 HRC)	Wytrzymałość zmęczeniowa przy obrotowym zginaniu może wynosić około 270 MPa (39 ksi).
Śrutowanie (po kontroli jakości)	Śrutowanie może znacząco zwiększyć wytrzymałość zmęczeniową.

3.7 Inne właściwości mechaniczne stali 4140

Własność	Stan	Wartość
Moduł sprężystości	Napięcie	Około 115 GPa (17 × 10⁶ psi)
Wytrzymałość na ścinanie	Pręt hartowniczy H04	Może wynosić od 200 do 205 MPa (29–32 ksi) w zależności od średnicy.

4. Obróbka cieplna

4.1 Wyżarzanie:Ten proces jest stosowany w celu zmiękczenia stali, poprawy obrabialności i złagodzenia naprężeń wewnętrznych. Ogólne kroki wyżarzania stali 4140 to:

• Ogrzewanie: Podgrzej stal 4140 do temperatury 830–870 °C (1525–1600 °F), zapewniając równomierne ogrzewanie w całym przekroju. W przypadku stali stopowych zaleca się zazwyczaj powolne ogrzewanie, aby zminimalizować naprężenia cieplne3.
• Utrzymywanie (namaczanie): Utrzymywanie tej temperatury przez wystarczający okres. Czas utrzymywania zależy zazwyczaj od grubości przekroju części lub obciążenia pieca.
• Chłodzenie: Powoli schładzaj stal w piecu z szybkością około 15 °C/h (30 °F/h) do około 480 °C (900 °F), a następnie schładzaj powietrzem do temperatury pokojowej. To powolne chłodzenie pozwala na utworzenie bardziej miękkiej mikrostruktury. Maksymalna twardość osiągalna po wyżarzaniu wynosi około 197 HB4. Metody wyżarzania izotermicznego, obejmujące kontrolowane chłodzenie do określonego zakresu temperatur i utrzymywanie przed ostatecznym chłodzeniem, mogą być również stosowane w celu uzyskania przeważnie perlitycznej struktury.

4.2 Normalizacja: Ta obróbka udoskonala strukturę ziarna, poprawia jednorodność i zwiększa wytrzymałość i twardość w porównaniu do stanu wyżarzonego. Kroki są następujące:

• Ogrzewanie: Podgrzej stal 4140 do zakresu temperatur od 845 do 925 °C (od 1550 do 1700 °F), co stanowi około 55 do 85 °C (od 100 do 150 °F) powyżej jej górnej temperatury transformacji. Zapewnia to całkowitą transformację w austenit. Wspomniałeś o określonej temperaturze normalizacji 1600°F (około 870°C), która mieści się w tym zakresie.
• Utrzymywanie: Utrzymywanie w tej temperaturze przez co najmniej 1 godzinę lub 15 do 20 minut na każde 25 mm (1 cal) maksymalnej grubości przekroju. Umożliwia to utworzenie jednorodnego austenitu.
• Chłodzenie: Schłodź stal w spokojnym powietrzu do temperatury pokojowej. Szybsze tempo chłodzenia w porównaniu z wyżarzaniem skutkuje drobniejszą strukturą perlityczną i wyższą twardością.

Stal 4140 normalizowana w temperaturze 1600 °F (870 °C) będzie miała udoskonaloną strukturę ziarna, co zwiększy jej wytrzymałość i twardość w porównaniu do stanu kutego lub walcowanego na gorąco. Służy jako powszechna przygotowawcza obróbka cieplna przed późniejszym hartowaniem i odpuszczaniem w celu uzyskania końcowych pożądanych właściwości mechanicznych dla konkretnych zastosowań w Twojej fabryce. Dokładna twardość po normalizacji będzie zależeć od wymiarów części i osiągniętej szybkości chłodzenia. Pamiętaj, że ten znormalizowany stan jest często etapem pośrednim, a dalsza obróbka cieplna, taka jak odpuszczanie, jest zazwyczaj wymagana w celu zoptymalizowania równowagi wytrzymałości, ciągliwości i wytrzymałości dla zamierzonych warunków eksploatacji.

4.3 Hartowanie (odpuszczanie):Ten proces ma na celu uzyskanie twardej struktury martenzytycznej. Obejmuje on:

• Podgrzewanie wstępne (opcjonalne, ale zalecane): W przypadku stali 4140 korzystne może być podgrzanie wstępne do temperatury ok. 650 °C (1200 °F) przez 10–15 minut, zwłaszcza w przypadku skomplikowanych kształtów, w celu zmniejszenia szoku termicznego i zminimalizowania odkształceń.
• Austenityzowanie: Podgrzanie stali do temperatury austenityzacji, zwykle w zakresie od 845 do 925 °C (1550 do 1700 °F). Niektóre źródła podają temperaturę 855 °C (1575 °F). Utrzymanie w tej temperaturze przez wystarczający czas namaczania, aby zapewnić całkowitą przemianę w austenit, która zależy od grubości przekroju (np. dodać 5 minut na każdy cal najmniejszego przekroju poprzecznego po osiągnięciu temperatury austenityzacji). Nadmierne namaczanie, szczególnie w wyższych temperaturach, może prowadzić do niepożądanego wzrostu ziaren austenitu.
• Hartowanie: Szybkie schłodzenie stali z temperatury austenityzacji w odpowiednim urządzeniu do hartowania. W przypadku stali 4140 hartowanie w oleju jest najczęstszą i najbardziej zalecaną metodą osiągnięcia hartowania przy jednoczesnym zminimalizowaniu ryzyka pękania związanego z szybszymi urządzeniami do hartowania, takimi jak woda. Jednak hartowanie w wodzie może być stosowane w przypadku większych przekrojów w zależności od wymagań dotyczących hartowności. Skuteczność hartowania zależy od temperatury urządzenia do hartowania. Jeśli weźmiesz stal 4140 wyżarzaną w temperaturze 1600 °F, a następnie hartujesz ją w oleju z odpowiedniej temperatury austenityzacji, uzyskasz wysoką twardość i wytrzymałość charakterystyczną dla martenzytu, ale materiał będzie kruchy o niskiej ciągliwości i wytrzymałości. Późniejszy proces hartowania będzie konieczny w przypadku większości zastosowań inżynieryjnych.

4.4 Hartowanie: Utwardzony martenzyt jest na ogół kruchy i zawiera naprężenia wewnętrzne. Odpuszczanie jest wykonywane w celu zmniejszenia kruchości, złagodzenia tych naprężeń i poprawy wytrzymałości przy zachowaniu wystarczającej twardości i wytrzymałości. Kroki są następujące:

• Ogrzewanie: Podgrzej zahartowaną stal do określonej temperatury odpuszczania, która zawsze jest niższa od temperatury austenityzacji. Temperatura odpuszczania stali 4140 zwykle mieści się w zakresie od 205 do 705 °C (400 do 1300 °F), w zależności od pożądanych właściwości mechanicznych. Ważne jest, aby odpuszczanie nastąpiło, gdy tylko części osiągną temperaturę 52 do 65 °C (125 do 150 °F) po hartowaniu, aby zapobiec pękaniu. Odpuszczanie w zakresie od 230 do 370 °C (450 do 700 °F) jest na ogół unikane w przypadku stali 4140, aby zapobiec kruchości niebieskiej.
• Utrzymywanie: Utrzymywanie w temperaturze odpuszczania przez określony czas, zwykle 1 do 2 godzin18 lub 2 godziny na cal (25 mm) przekroju poprzecznego. Umożliwia to dyfuzję węgla i pierwiastków stopowych oraz tworzenie odpuszczonego martenzytu o pożądanych właściwościach.
• Chłodzenie: Schłodzić do temperatury pokojowej w powietrzu lub przez hartowanie w wodzie lub oleju. Szybkość chłodzenia po odpuszczaniu zwykle nie jest krytyczna. Często można zastosować drugi cykl odpuszczania w nieco niższej temperaturze.

4.5 Sferoidyzacja: Jest to specjalistyczny proces wyżarzania, który wytwarza mikrostrukturę węglików kulistych w matrycy ferrytycznej, co skutkuje maksymalną miękkością i poprawioną formowalnością. W przypadku stali 4140 można to osiągnąć poprzez podgrzanie do temperatury 760–775 °C (1400–1425 °F) i wytrzymywanie przez 4–12 godzin, a następnie powolne chłodzenie.

4.6 Utwardzanie powierzchni:Aby zwiększyć odporność na zużycie przy jednoczesnym zachowaniu twardszego rdzenia, stal 4140 można poddać procesom hartowania powierzchni, takim jak:

• Hartowanie indukcyjne: Polega ono na szybkim nagrzaniu warstwy powierzchniowej do temperatury austenityzacji za pomocą cewki indukcyjnej, a następnie hartowaniu. Tworzy to twardą powłokę powierzchniową. Po hartowaniu indukcyjnym zwykle wykonuje się odpuszczanie.
• Azotowanie: Jest to proces termochemiczny, który wprowadza azot do powierzchni stali w stosunkowo niskich temperaturach, tworząc twarde związki azotkowe i poprawiając odporność na zużycie i zmęczenie. Przed azotowaniem często wykonuje się odpuszczanie.

5. 4140 w porównaniu ze stalą D2

• Stal 4140 to Twój koń roboczy do elementów konstrukcyjnych i maszynowych wymagających dobrej równowagi wytrzymałości i twardości z umiarkowaną odpornością na zużycie, którą można zwiększyć. Oferuje wszechstronność dzięki różnym obróbkom cieplnym, w tym hartowaniu powierzchniowemu.
• Stal D2 jest Twoim wyborem do zastosowań narzędziowych wymagających wysokiej odporności na ścieranie i stabilności wymiarowej podczas hartowania. Wyższa zawartość węgla i chromu zapewnia niezbędne twarde węgliki dla odporności na zużycie, ale odbywa się to kosztem niższej wytrzymałości w porównaniu do 4140.
• Podsumowując, 4140 jest prawdopodobnie lepszym wyborem dla części maszyn, które wymagają wysokiej wytrzymałości i odporności. Jeśli masz do czynienia z narzędziami, które wymagają wyjątkowej odporności na zużycie i ścieranie, stal D2 będzie bardziej odpowiednia.

6. Stal 4140 kontra 4130

• Stal 4140 charakteryzuje się wyższą zawartością węgla, co skutkuje większą hartownością, wytrzymałością i twardością po obróbce cieplnej w porównaniu do stali 4130. Zazwyczaj jest hartowana w oleju.
• Stal 4130 ma niższą zawartość węgla, co prowadzi do niższej do średniej hartowności i ogólnie niższej wytrzymałości i twardości niż 4140 po podobnych obróbkach cieplnych. Często jest hartowana w wodzie.
• Podsumowując, jeśli najważniejsza jest większa wytrzymałość, 4140 jest zazwyczaj preferowanym wyborem. Jeśli wystarczająca jest umiarkowana wytrzymałość z potencjalnie lepszą spawalnością lub obrabialnością, a rozmiar przekroju stanowi znaczące ograniczenie dla hartowania, można rozważyć 4130.

7. Wpływ temperatury odpuszczania na właściwości stali 4140

8. 7075 aluminium w porównaniu ze stalą 4140

• 4140 stalowy pręt oferuje większą wytrzymałość i twardość niż aluminium 7075, a także dobrą wytrzymałość. Jest również gęstszy i łatwiejszy do spawania (z zachowaniem środków ostrożności). Wymaga obróbki cieplnej, aby uzyskać optymalne właściwości i jest podatny na korozję.
• 7075 aluminium billet zapewnia znacznie niższą gęstość przy wysokiej wytrzymałości, co czyni go korzystnym w zastosowaniach wrażliwych na wagę. Ma dobrą odporność na korozję, ale ogólnie jest trudniejszy do spawania. Jego wytrzymałość jest osiągana poprzez określone hartowanie cieplne.

9. Stal 4140 na noże

Stal 4140 można poddać obróbce cieplnej, aby uzyskać wymaganą twardość ostrza noża, ale jej brak właściwości nierdzewnych sprawia, że jest to mniej konwencjonalny wybór niż stale specjalnie zaprojektowane do sztućców. Jeśli potrzebujesz noża odpornego na korozję, lepiej byłoby zbadać stopy stali nierdzewnej. Jeśli wytrzymałość i wytrzymałość są podstawowymi wymaganiami, a korozję można kontrolować, można rozważyć stal 4140, ale kluczowa będzie staranna obróbka cieplna.