Visão geral técnica do aço 4340

Visão geral técnica do aço 4340: O aço 4340 é um aço popular de médio carbono e baixa liga. É conhecido por sua alta resistência, temperabilidade profunda e tenacidade, obtidas por meio de processos de tratamento térmico como têmpera e revenimento. Este aço normalmente contém elementos de liga como cromo, níquel e molibdênio e é frequentemente utilizado em aplicações que exigem condições de serviço moderadamente severas, incluindo componentes como engrenagens, estrias e eixos.

1. Composição química

2. Propriedades mecânicas do aço 4340

As propriedades mecânicas típicas do aço 4340 após têmpera em óleo a 845 °C (1550 °F) e revenimento em várias temperaturas

3. 4340 aplicações de aço

• Engrenagens, estrias e eixosA alta resistência e tenacidade do aço 4340 o tornam amplamente utilizado na fabricação de engrenagens e estrias que devem suportar grandes quantidades de torque e cargas de impacto. Também é empregado na fabricação de eixos para outras máquinas onde a resistência à fadiga e ao estresse torcional são essenciais.
• Componentes de aeronaves: A capacidade do aço 4340 tratado termicamente de atingir altas relações resistência-peso o torna utilizado em estruturas específicas de aeronaves, como componentes do trem de pouso e partes da fuselagem, onde falhas em condições extremas não são uma opção. É importante observar que precisamos exigir testes e controle de qualidade rigorosos, como testes transversais de propriedades mecânicas, para aeronaves.
• Peças automotivas:Algumas aplicações do aço 4340 podem incluir peças automotivas de alta demanda, onde resistência e durabilidade são importantes, como certos tipos de eixos e componentes de suspensão.
• Ferramentas e Matrizes:Embora o 4340 não seja normalmente um “aço para ferramentas” primário, como aços de alto carbono ou de alta velocidade, sua combinação de resistência e tenacidade pode torná-lo útil para algumas aplicações de ferramentas, como matrizes de garras e matrizes de forjamento, principalmente para execuções de produção mais curtas ou serviços menos severos, onde a resistência extrema ao desgaste não é fundamental.
• Componentes da indústria de petróleo e gás: A boa resistência e tenacidade do aço 4340 também o tornam adequado para alguns componentes da indústria de petróleo e gás que trabalham em ambientes difíceis e peças de alto estresse. Por exemplo, pode ser usado em tubulações e válvulas para coleta e refino de petróleo.
• Aplicações de rolamentos: : O 52100 é frequentemente usado para rolamentos, mas para algumas aplicações com tolerâncias mais rigorosas ou desempenho mais baixo, o 4340, especialmente em condições cementadas, ainda seria considerado, onde um equilíbrio entre resistência e tenacidade é necessário.
• Parafusos e fixadores de alta resistência: Devido à sua capacidade de atingir altos níveis de resistência por meio de tratamento térmico, o aço 4340 é um candidato para parafusos e fixadores de alta resistência em cenários críticos ou de alto estresse.
• Máquinas e componentes estruturais: O aço 4340 é comumente usado como aço de alta resistência para máquinas, embora também possa ser utilizado em uma ampla variedade de componentes estruturais e mecânicos que exigem resistência moderada a alta e boa tenacidade. Exemplos disso podem ser peças para equipamentos pesados, máquinas industriais ou outras engenharias de alta demanda.

4. Tratamento térmico

4.1 Pré-aquecimento

Esta etapa é útil para limitar o choque térmico no aço na etapa seguinte de austenitização em alta temperatura. Ela melhora a uniformidade geral do aquecimento e reduz as chances de trincas, particularmente em áreas do componente com geometrias complexas ou seções transversais variáveis. Para o aço 4340, uma temperatura de pré-aquecimento comum seria de 650 °C (1200 °F) por um curto período de tempo para uniformizar a temperatura da peça. Esta etapa também pode ajudar a aliviar algumas tensões induzidas durante processos de fabricação anteriores, como a usinagem.

4.2 Austenitização

A austenitização é o processo principal e consiste em aquecer o aço a uma temperatura elevada selecionada, geralmente na faixa de 815 a 855 °C (1500 a 1575 °F), e mantê-lo nessa temperatura por um tempo de imersão suficiente para permitir que a microestrutura transforme o 100% em austenita. A espessura das seções determinará a temperatura específica de austenitização e o período de retenção. O objetivo é obter uma estrutura austenítica homogênea antes da próxima etapa.

4.3 Têmpera

Após a austenitização, o aço precisa ser resfriado com rapidez suficiente para converter a austenita em martensita, uma fase de alta resistência e frequentemente quebradiça. A têmpera em óleo é o método mais comum para o aço 4340, visando atingir um bom equilíbrio de dureza e minimizar distorções e trincas. Para seções maiores, no entanto (por exemplo, maiores que 75 mm (3 pol) de diâmetro), a têmpera em água pode ser utilizada para obter têmpera completa, embora isso aumente significativamente a probabilidade de trincas. É importante mencionar que o endireitamento da peça, se necessário devido à distorção durante a têmpera, pode frequentemente ser realizado enquanto a temperatura do aço ainda estiver acima de cerca de 205 °C (400 °F).

4.4 Têmpera

O aço 4340 temperado possui uma estrutura totalmente martensítica, que normalmente é muito frágil para a maioria das aplicações de engenharia. Após a têmpera, o aço endurecido deve ser revenido, geralmente por reaquecimento a uma temperatura mais baixa, geralmente entre 150 e 705 °C (300 a 1300 °F), mantendo-o nessa temperatura por um período específico (normalmente pelo menos 2 horas por polegada de seção transversal), antes de resfriar à temperatura ambiente. Como mencionado anteriormente, a temperatura de revenimento influencia diretamente as propriedades mecânicas obtidas. Geralmente, temperaturas de revenimento mais baixas produzem maior resistência e dureza, enquanto temperaturas mais altas produzem maior ductilidade e tenacidade. Para algumas aplicações, um revenimento duplo pode, às vezes, ser usado.

4.5 Alívio do estresse (opcional, recomendado)

Para reduzir tensões residuais de usinagem, conformação ou soldagem, considere um tratamento de alívio de tensões antes do processo de têmpera (para evitar distorção excessiva durante a têmpera) ou após a têmpera (mas abaixo da temperatura de revenimento para evitar afetar a dureza revenida). Para aço, uma faixa comum de temperatura de alívio de tensões seria de 650 a 675 °C (1200 a 1250 °F), com um tempo de espera dependendo da espessura da seção.

4.6 Tratamento Subzero (Opcional)

Se a estabilidade dimensional for de extrema importância, os componentes podem ser submetidos a um tratamento abaixo de zero (refrigerados a -87 a -60 °C ou -125 a -75 °F) após a têmpera e antes do revenimento para converter a austenita restante em martensita. Isso é seguido pelo revenimento para obter as propriedades finais desejadas e reduzir a fragilidade da martensita recém-formada.

5. Qual é a diferença entre o aço 4140 e o 4340?

A principal diferença entre 4140 e o aço 4340 reside na adição de níquel ao aço 4340, que, juntamente com um teor ligeiramente maior de molibdênio em algumas especificações, resulta em maior temperabilidade, maior resistência e tenacidade em comparação ao aço 4140. Isso torna o aço 4340 mais adequado para aplicações de maior tensão e componentes de tamanhos maiores. Ao escolher entre os dois, é vital considerar os requisitos específicos de propriedades mecânicas e as dimensões da peça em relação às características de temperabilidade de cada tipo de aço.