O aço-liga 4140 é um aço-liga versátil de Cr-Mo que oferece boa resistência, tenacidade e temperabilidade, tornando-o adequado para condições de serviço moderadamente severas após tratamento térmico adequado. É classificado com cromo e molibdênio como seus principais elementos de liga.
1. Aplicações
- Componentes de máquinas: eixos (uso primário), eixos, engrenagens, fusos, acoplamentos, virabrequins, bielas, tampas de válvulas, corpos de mandris, pinças
- Ferramentas e acessórios: gabaritos, acessórios, porta-ferramentas, colares de perfuração, parafusos, pinos, peças de transporte
- Automotivo e aeroespacial: eixos, virabrequins, juntas de direção, peças estruturais de alta resistência
- Indústria de petróleo e gás: ferramentas de perfuração de fundo de poço, juntas de ferramentas, eixos de bombas
- Peças de superfície endurecida: componentes que exigem maior durabilidade da superfície
2. Composição do aço 41401
| Carbono (C) | Manganês (Mn) | Silício (Si) | Cromo (Cr) | Molibdênio (Mo) | Fósforo (P) | Enxofre (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. Propriedades físicas
Propriedades físicas do aço de liga 4140 sob diferentes temperaturas
| Temperatura (°C) | Temperatura (°F) | Condutividade térmica (W/m·K) | Capacidade térmica específica média (kJ/kg·K) | Coeficiente Médio de Expansão Linear (x 10⁻⁶ K⁻¹) | Densidade (kg/m³) | Módulo de Young (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. Propriedades Mecânicas
As propriedades do aço 4140 podem ser significativamente adaptadas por meio de tratamento térmico. A têmpera e o revenimento podem melhorar a resistência ao escoamento, a resistência à tração e a tenacidade ao entalhe do metal 4140.
4.1 Metal 4140 temperado e revenido
Quando o aço 4140 é temperado em óleo e revenido a diversas temperaturas, suas propriedades mecânicas mudam previsivelmente. Isso permite um controle preciso sobre as características finais do aço para atender a requisitos operacionais específicos. Abaixo, um resumo das propriedades mecânicas típicas obtidas em diferentes temperaturas de revenimento:
| Temperatura de têmpera | 4140 Resistência à Tração (MPa) | 4140 Limite de escoamento (MPa) | Alongamento (%) | Redução de Área (%) | Dureza (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 Influência do tamanho da seção (efeito de massa) nas propriedades do material 4140
É importante considerar o tamanho da seção, ou massa, do componente de aço 4140 durante a especificação do tratamento térmico, especialmente quando se busca altos níveis de resistência. O AISI 4140 não é um aço de têmpera profunda e, sob as mesmas condições de tratamento térmico, seções transversais maiores podem não atingir a mesma dureza ou resistência geral que seções transversais menores.
A tabela a seguir ilustra o efeito do diâmetro da barra 4140 nas propriedades mecânicas do aço 4140 temperado em óleo a 845 °C (1550 °F) e revenido a 540 °C (1000 °F):
Efeito do diâmetro da barra nas propriedades mecânicas do aço 4140 (temperado a 540 °C / 1000 °F)
| Diâmetro da barra | Resistência à tração (MPa) | Resistência ao escoamento (MPa) | Alongamento (%) | Redução de Área (%) | Dureza de superfície (HB) |
| 25 mm (1 pol.) | 1140 | 985 | 15 | 50 | 335 |
| 50 mm (2 pol.) | 920 | 750 | 18 | 55 | 202 |
| 75 mm (3 pol.) | 860 | 655 | 19 | 55 | 293 |
4.3 Propriedades mecânicas do aço 4140 recozido
O recozimento também é dividido em dois estágios: laminação a quente e trefilação a frio.
| Condição | Resistência ao escoamento | Resistência à tracção | Alongamento |
| Laminado a quente, recozido | 454 MPa (65 ksi) | 620 MPa (90 ksi) | ~27% |
| Trefilado a frio, recozido | 620 MPa (90 ksi) | 703 MPa (102 ksi) | ~18% |
4.4 Soldagem de aço 41402
O aço 4140 possui alta temperabilidade. Ao soldar o aço 4140, a zona afetada pelo calor (ZTA) e o metal de solda podem resfriar rapidamente, levando à formação de martensita dura e quebradiça. Essa martensita é suscetível a trincas por hidrogênio, o que pode levar a altas tensões internas e redução da ductilidade, dificultando o processo de soldagem. Recomendamos a soldagem na condição recozida do aço 4140 sempre que possível e a realização de tratamento térmico após a soldagem para mitigar os riscos associados à sua alta temperabilidade.
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5. Tratamento térmico
5.1 Normalizando
A normalização é um processo de tratamento térmico usado para refinar o tamanho dos grãos, obter uma estrutura uniforme e melhorar a usinabilidade para obter a dureza necessária.
A faixa de temperatura de normalização é 870-900°C (1600-1650°F). Mantenha esta temperatura por pelo menos 1 hora ou 15 a 20 minutos por 25 mm (1 polegada) de espessura máxima da seção. Após a espera, resfrie o material no ar até a temperatura ambiente. Dureza 4140 após a normalização é 150-200 HB.
5.2 Recozimento
Recozimento é usado principalmente para amolecer o aço e aliviar tensões, preparando-o assim para o processamento subsequente, como a usinagem.
A temperatura de recozimento é 830-870 °C (1525-1600 °F). O tempo de espera depende da espessura da seção ou da carga do forno. Com base nos mais de 20 anos de experiência da Aobo Steel no setor, o tempo de espera é: 1 hora para cada 25 mm (1 polegada) de espessura de seção, com 0,5 hora adicional adicionada para cada 25 mm (1 polegada) adicional de espessura. Após a espera, o material é resfriado no forno a uma taxa de aproximadamente 15 °C/h (30 °F/h) até 480 °C (900 °F) e depois resfriado a ar. A dureza de 4140 após recozimento é 150-200 HB.
5.3 Têmpera (endurecimento)
O endurecimento envolve o aquecimento do aço para formar austenita, seguido de resfriamento rápido para transformá-lo em martensita, aumentando assim a dureza e a resistência 4140.
A temperatura de austenitização varia de 860 a 885 °C (1550 a 1660 °F). Com base em nossa experiência, recomendamos uma temperatura de 855 °C (1575 °F)Evite o uso de temperaturas excessivamente altas, pois isso pode resultar em tamanho excessivo de grão de austenita e fragilidade da martensita. O tempo de imersão é 5 minutos por polegada da menor seção transversal, ou até que a peça esteja completamente encharcada. O meio de têmpera é óleo.
5.4 Têmpera
O revenimento deve ser realizado imediatamente quando a temperatura do aço 4140 atingir 52-65°C (125-150°F).
A faixa de temperatura de têmpera é 200-700°C (400-1300°F)A temperatura que normalmente usamos é 175°C (350°F). O tempo de retenção determina a dureza do aço 4140. Nosso tempo de retenção padrão é 2 horas por polegada (25 mm) de seção transversal. É importante evitar temperamento fraco.
O aço 4140 geralmente não requer revenimento secundário, mas múltiplos ciclos de revenimento podem refinar a estrutura do grão para aumentar a tenacidade. A temperatura para o segundo revenimento deve ser 14°C (25°F) mais baixo do que a primeira temperatura de revenimento para manter a dureza original do material 4140.
Nós fazemos NÃO sugerem revenimento dentro da faixa de temperatura de 230–370°C (450–700°F), pois essa faixa de temperatura pode causar “fragilidade azul”. A microestrutura do aço 4140 temperado e revenido é normalmente martensita revenida.
5.5 Esferoidização
A esferoidização produz uma microestrutura de carbonetos globulares em uma matriz ferrítica, o que melhora a usinabilidade. A temperatura de esferoidização é 760-775°C (1400-1425°F), com um tempo de espera de 4 a 12 horas, seguido de resfriamento lento.
A esferoidização também pode ser alcançada por meio de manutenção prolongada logo abaixo da temperatura Ae1, aquecendo e resfriando alternadamente entre temperaturas logo acima de Ac1 e logo abaixo de Ar1, ou por aquecimento logo acima de Ac1 seguido de resfriamento ou manutenção muito lentos no forno. Para a esferoidização completa, as temperaturas de austenitização ficam ligeiramente acima da temperatura Ac1, ou aproximadamente no meio entre Ac1 e Ac3.
6. Equivalente
- Europa (EN/DIN): 42CrMo4 ou 1.7225
- Japão (JIS): SCM440
- China (GB/T): 42CrMo
- Grã-Bretanha (BS): EN19 (ou 708M40/709M40)
- ASM Internacional. (1991). Manual ASM, Volume 4: Tratamento Térmico (p. 496). ASM Internacional. ↩︎
- Jenney, CL e O'Brien, A. (Eds.). (2000). Manual de Soldagem, Nona Edição, Volume 1: Ciência e Tecnologia da Soldagem (p. 141). Sociedade Americana de Soldagem. ↩︎
Perguntas frequentes
Não, o aço 4140 não é classificado como aço inoxidável.
O aço 4140 é utilizado em uma ampla gama de peças submetidas a esforços mecânicos, especialmente aquelas que se beneficiam de tratamento térmico ou processos de têmpera superficial. Seus usos específicos incluem:
Componentes de máquinas: Vários componentes de máquinas, máquinas, vasos de pressão e aplicações estruturais.
Eixos e eixos: virabrequins, eixos de transmissão, eixos de comando, sem-fins, eixos ferroviários e eixos de engenharia.
Peças de máquinas e ferramentas: fusos, engrenagens, parafusos, cilindros, camisas de cilindro, cames, virabrequins, chavetas, canos de rifle e esferas de moinho de bolas.
Componentes de superfície endurecida: peças que exigem endurecimento da superfície por chama, endurecimento da superfície por indução (por exemplo, eixos, peças críticas de injeção de combustível) e superfícies de dentes duras em engrenagens.
Fixadores: Parafusos, porcas e outros fixadores.
Peças de desgaste: Componentes que exigem alta resistência do núcleo e boa tenacidade, apresentando boa resistência ao desgaste.
Aplicações automotivas e industriais: virabrequins automotivos, bielas para motores, componentes para a indústria de celulose e papel e peças de fornos operando abaixo de 400°C.
O 4140 é explicitamente classificado como um aço de liga devido à sua composição química específica, incluindo cromo e molibdênio, que são adicionados para atingir propriedades desejadas além daquelas dos aços carbono simples.
O equivalente chinês do aço AISI/SAE 4140 é 42CrMo
Sim, o 4140 é de fato um aço comumente forjado e pode ser encontrado em formas forjadas.
O aço recomendado para facas é aço inoxidável martensítico ou aço especial de alto carbono para ferramentas. 4140 NÃO é adequado.
Sim, o aço 4140 pode dobrar, e seu tratamento térmico e propriedades mecânicas influenciam sua capacidade de fazer isso.
Sim, o aço 4140 pode enferrujar. Por ser uma liga ferrosa (à base de ferro), o aço 4140 é propenso à ferrugem, especialmente na presença de umidade e oxigênio, e normalmente requer medidas de proteção para uso externo prolongado.
Sim, o 4140 é classificado como um aço de baixa liga.
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P20+Ni/1,2738
420/1.2083/2Cr13
422 aço inoxidável
Aço para rolamentos 52100
Aço inoxidável 440C
4140/42CrMo4/SCM440
4340/34CrNiMo6/1,6582
4130
5140/42Cr4/SCR440
SCM415
