4340 Przegląd techniczny stali

Przegląd techniczny stali 4340: Stal 4340 to popularna stal średniowęglowa, niskostopowa. Jest znana ze swojej wysokiej wytrzymałości, głębokiej hartowności i wytrzymałości, uzyskanych poprzez procesy obróbki cieplnej, takie jak hartowanie i odpuszczanie. Ta stal zazwyczaj zawiera pierwiastki stopowe, takie jak chrom, nikiel i molibden i jest często stosowana w zastosowaniach wymagających umiarkowanie trudnych warunków pracy, w tym w komponentach, takich jak koła zębate, wielowypusty i wały.

1. Skład chemiczny

Węgiel (C)	Chrom (Cr)	Nikiel (Ni)	Molibden (Mo)	Mangan (Mn)	Krzem (Si)	Fosfor (P)	Siarka (S)
0.38 – 0.43%	0.70 – 0.90%	1.65 – 2.00%	0.20 – 0.30%	0.60 – 0.80%	0.15 – 0.35%	≤ 0,035% (maks.)	≤ 0,040% (maks.)

2. Właściwości mechaniczne stali 4340

Typowe właściwości mechaniczne stali 4340 po hartowaniu olejowym w temperaturze 845 °C (1550 °F) i odpuszczaniu w różnych temperaturach

Temperatura hartowania	Wytrzymałość na rozciąganie	Wytrzymałość na rozciąganie	Wydłużenie o 50 mm (2 cale)	Zmniejszenie powierzchni	Twardość	Energia uderzeniowa Izoda
205 °C (400 °F)	Około 1980 MPa (287 ksi)	Około 1860 MPa (270 ksi)	Około 11%	Około 39%	Około 520 HB (≈ 53 HRC)	Około 20 J (15 ft·lb)
425 °C (800 °F)	Około 1500 MPa (217 ksi)	Około 1365 MPa (198 ksi)	Około 14%	Około 48%	Około 440 HB (≈ 46 HRC)	Około 16 J (12 ft·lb)
650 °C (1200 °F)	Około 1020 MPa (148 ksi)	Około 860 MPa (125 ksi)	Około 20%	Około 60%	Około 290 HB (≈ 31 HRC)	Około 100 J (74 ft·lb)

3. 4340 zastosowań stali

• Koła zębate, wielowypusty i wały:Wysoka wytrzymałość i odporność stali 4340 sprawia, że jest ona szeroko stosowana do produkcji kół zębatych i wielowypustów, które muszą wytrzymywać duże obciążenia momentem obrotowym i uderzeniami. Jest również stosowana do produkcji wałów do innych maszyn, w których odporność na zmęczenie i naprężenia skrętne ma zasadnicze znaczenie.
• Komponenty samolotu: Zdolność stali 4340 poddanej obróbce cieplnej do osiągania wysokich współczynników wytrzymałości do masy sprawia, że jest ona wykorzystywana w określonych strukturach samolotów, takich jak elementy podwozia i części płatowca, gdzie awaria w ekstremalnych warunkach nie wchodzi w grę. Ważne jest, aby pamiętać, że musimy wymagać rygorystycznych testów i kontroli jakości, takich jak poprzeczne testy właściwości mechanicznych, w przypadku samolotów.
• Części samochodowe:Niektóre zastosowania stali 4340 mogą obejmować części samochodowe o dużym zapotrzebowaniu, w których liczą się wytrzymałość i trwałość, np. niektóre typy osi i elementy zawieszenia.
• Narzędzia i matryce:Chociaż 4340 nie jest typową „stalą narzędziową” taką jak stale wysokowęglowe lub szybkotnące, to połączenie jej wytrzymałości i odporności może sprawić, że będzie przydatna do niektórych zastosowań narzędziowych, takich jak matryce chwytakowe i matryce do kucia matrycowego, głównie w przypadku krótszych serii produkcyjnych lub mniej wymagających zastosowań, w których ekstremalna odporność na zużycie nie jest najważniejsza.
• Komponenty przemysłu naftowego i gazowego: Dobra wytrzymałość i odporność stali 4340 sprawia, że nadaje się ona również do niektórych elementów przemysłu naftowego i gazowego, które znajdują się w trudnych warunkach i są narażone na duże obciążenia. Na przykład może być stosowana w rurociągach i zaworach do zbierania i rafinowania ropy naftowej.
• Zastosowania łożysk:52100 jest często używany do produkcji łożysk, ale w przypadku zastosowań o mniejszej tolerancji lub niższej wydajności, 4340, zwłaszcza w stanie nawęglonym, nadal może być brany pod uwagę, gdy potrzebna jest równowaga między wytrzymałością i wytrzymałością.
• Śruby i elementy złączne o wysokiej wytrzymałości:Z uwagi na możliwość uzyskania wysokiego poziomu wytrzymałości, możliwego do uzyskania poprzez obróbkę cieplną, stal 4340 doskonale nadaje się na śruby i elementy złączne o dużej wytrzymałości w warunkach krytycznych lub dużych naprężeń.
• Maszyny i elementy konstrukcyjne: 4340 jest powszechnie stosowana jako stal maszynowa o wysokiej wytrzymałości, chociaż może być również stosowana w szerokiej gamie elementów konstrukcyjnych i mechanicznych, w których wymagana jest umiarkowana do wysokiej wytrzymałości i dobra wytrzymałość. Przykładami mogą być części do ciężkiego sprzętu, maszyn przemysłowych lub innej inżynierii o wysokim zapotrzebowaniu.

4. Obróbka cieplna

4.1 Podgrzewanie wstępne

Ten krok jest przydatny do ograniczenia szoku termicznego stali w następnym etapie austenityzacji w wysokiej temperaturze. Poprawia ogólną równomierność nagrzewania i zmniejsza ryzyko pęknięć, szczególnie w obszarach komponentu o złożonej geometrii lub różnych przekrojach. W przypadku stali 4340 typowa temperatura wstępnego nagrzewania wynosiłaby 1200°F (650°C) przez krótki okres czasu, aby doprowadzić część do jednolitej temperatury. Ten krok może również pomóc rozluźnić niektóre naprężenia wywołane podczas wcześniejszych procesów produkcyjnych, takich jak obróbka skrawaniem.

4.2 Austenityzowanie

Austenityzowanie jest kluczowym procesem i polega na nagrzaniu stali do wybranej wysokiej temperatury, która zwykle mieści się w zakresie od 1500 do 1575°F (815 do 855°C) i utrzymywaniu jej w tej temperaturze przez wystarczający czas namaczania, aby umożliwić mikrostrukturze przekształcenie 100% w austenit. Grubość sekcji określi konkretną temperaturę austenityzacji i okres utrzymywania. Celem jest uzyskanie jednorodnej struktury austenitycznej przed następnym etapem.

4.3 Hartowanie

Po austenityzacji stal musi zostać schłodzona wystarczająco szybko, aby przekształcić austenit w martenzyt, fazę o wysokiej wytrzymałości i często kruchą. Hartowanie w oleju jest najczęstszą metodą dla stali 4340, aby uzyskać dobrą równowagę twardości i zminimalizować odkształcenia i pękanie. Jednak w przypadku większych przekrojów (np. o średnicy większej niż 75 mm (3 cale)) można zastosować hartowanie w wodzie, aby uzyskać hartowanie przelotowe, chociaż znacznie zwiększa to prawdopodobieństwo pękania. Ważne jest, aby wspomnieć, że prostowanie części, jeśli jest potrzebne z powodu odkształcenia podczas hartowania, często można przeprowadzić, gdy temperatura stali nadal wynosi około 400°F (205°C).

4.4 Hartowanie

Stal 4340 po hartowaniu ma całkowicie martenzytyczną strukturę, która jest zazwyczaj zbyt krucha dla większości zastosowań inżynieryjnych. Po hartowaniu zahartowana stal musi zostać odpuszczona, zwykle przez ponowne podgrzanie do niższej temperatury, zazwyczaj od 300 do 1300°F (od 150 do 705°C), utrzymując ją w tej temperaturze przez określony czas (zwykle co najmniej 2 godziny na cal przekroju), przed schłodzeniem do temperatury pokojowej. Jak wspomniano wcześniej, temperatura odpuszczania bezpośrednio wpływa na uzyskane właściwości mechaniczne. Ogólnie rzecz biorąc, niższe temperatury odpuszczania zapewniają większą wytrzymałość i twardość, podczas gdy wyższe temperatury zapewniają większą ciągliwość i wytrzymałość. W niektórych zastosowaniach czasami można zastosować podwójne odpuszczanie.

4.5 Łagodzenie stresu (opcjonalne, zalecane)

Aby zmniejszyć naprężenia szczątkowe powstałe w wyniku obróbki skrawaniem, formowania lub spawania, należy rozważyć obróbkę odprężającą przed procesem hartowania (aby uniknąć nadmiernych odkształceń podczas hartowania) lub po hartowaniu (ale poniżej temperatury odpuszczania, aby uniknąć wpływu na hartowaną twardość). W przypadku stali typowy zakres temperatur odprężania wynosi od 650 do 675°C (od 1200 do 1250°F), a czas utrzymywania zależy od grubości przekroju.

4.6 Leczenie w temperaturze poniżej zera (opcjonalnie)

Jeśli stabilność wymiarowa ma największe znaczenie, komponenty mogą zostać poddane obróbce ujemnej (schłodzone do temperatury od -87 do -60°C lub od -125 do -75°F) po hartowaniu i przed odpuszczaniem, aby przekształcić pozostały austenit w martenzyt. Następnie następuje odpuszczanie w celu uzyskania końcowych pożądanych właściwości i zmniejszenia kruchości nowo utworzonego martenzytu.

5. Jaka jest różnica pomiędzy stalą 4140 i 4340?

Kluczowa różnica między 4140 i stal 4340 polega na dodaniu niklu do 4340, co wraz z nieco wyższą zawartością molibdenu w niektórych specyfikacjach prowadzi do zwiększonej hartowności, wyższej wytrzymałości i lepszej wytrzymałości w porównaniu do 4140. Dzięki temu 4340 jest bardziej odpowiedni do zastosowań o wyższym naprężeniu i większych rozmiarów komponentów. Wybierając między tymi dwoma, ważne jest, aby wziąć pod uwagę konkretne wymagania dotyczące właściwości mechanicznych i wymiary części w odniesieniu do charakterystyk hartowności każdego gatunku stali.