Aço-liga 4140 | 42CRMO4 | SCM440

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Aço de liga 4140 é Um aço de liga Cr-Mo versátil 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 4140

Carbono (C)Manganês (Mn)Silício (Si)Cromo (Cr)Molibdênio (Mo)Fósforo (P)Enxofre (S)
0.38 – 0.430.75 – 1.000.15 – 0.350.80 – 1.100.15 – 0.25≤ 0,035≤ 0,040

[Referência: ASM International. (1991). Manual ASM, Volume 4: Tratamento Térmico (p. 496). ASM Internacional.]

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 o limite de 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.

CondiçãoResistência ao escoamentoResistência à tracçãoAlongamento
Laminado a quente, recozido454 MPa (65 ksi)620 MPa (90 ksi)~27%
Trefilado a frio, recozido620 MPa (90 ksi)703 MPa (102 ksi)~18%

4.4 Soldagem de aço 4140

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. Referência: 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.

Aço de liga 4140

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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

O recozimento é usado principalmente para amolecer o aço e aliviar tensões, preparando-o para processamento subsequente, como 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 Resfriamento (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)

Perguntas frequentes

1. O aço 4140 é inoxidável?
Não, o aço 4140 não é classificado como aço inoxidável.

2. Para que é usado o aço 4140?
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 da máquina: Vários componentes de máquinas, maquinário, 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℃.

3. O aço 4140 é um aço carbono ou de liga?
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.

4. Qual é o equivalente chinês do aço 4140?
O equivalente chinês do aço AISI/SAE 4140 é 42CrMo

5. O aço 4140 é forjado?
Sim, o 4140 é de fato um aço comumente forjado e pode ser encontrado em formas forjadas.

6. O aço 4140 é bom para facas? 
O aço recomendado para facas é aço inoxidável martensítico ou aço especial de alto carbono para ferramentas. 4140 NÃO é adequado.

7. O aço 4140 dobra?
Sim, o aço 4140 pode dobrar, e seu tratamento térmico e propriedades mecânicas influenciam sua capacidade de fazer isso.

8. O 4140 pode enferrujar?
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.

9. O 4140 é um aço de baixa liga?
Sim, o 4140 é classificado como um aço de baixa liga.

 

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