Prezentare tehnică din oțel 4140

Oțelul 4140 este un oțel versatil cu carbon mediu slab aliat. Conține crom și molibden ca elemente de aliere principale. Acest oțel este cunoscut pentru călibilitatea sa bună, permițându-i să obțină rezistență și duritate ridicate prin procese de tratament termic, cum ar fi călirea și revenirea. Este utilizat în mod obișnuit în aplicații care necesită un echilibru bun de rezistență și duritate, cum ar fi arbori, angrenaje și alte componente ale mașinilor. Poate fi supus la diferite tratamente termice, inclusiv recoacere pentru înmuiere, normalizare pentru microstructură îmbunătățită și rezistență moderată și întărire urmată de revenire pentru a obține proprietățile mecanice dorite.

1. Compoziția chimică

Carbon (C)	Mangan (Mn)	Fosfor (P)	sulf (S)	Siliciu (Si)	Crom (Cr)	Molibden (Mo)
0.38% – 0.43%	0.75% – 1.00%	≤ 0,035% (maximum)	≤ 0,040% (maximum)	0.15% – 0.35%	0.80% – 1.10%	0.15% – 0.25%

2. Aplicații

Pe baza proprietăților sale, oțelul 4140 își găsește aplicații în diverse componente de inginerie pretențioase datorită capacității sale bune de întărire, rezistență ridicată și potențial de duritate și un nivel decent de duritate atunci când este tratat termic corespunzător. Iată o defalcare a aplicațiilor pe baza acestor proprietăți:

2.1 Componente care necesită rezistență și duritate ridicate (obținute prin călire și călire):

• Piese încărcate static și dinamic ale motoarelor și mașinilor auto, cum ar fi arborii cotit. Duritatea ridicată obținută după întărire îl face potrivit pentru aceste aplicații solicitante.
• Piese de mașină cu secțiuni transversale mari unde se poate obține o rezistență ridicată după rafinare. Întărirea sa bună permite călirea totală la grosimi semnificative.
• Componente pentru condiții de funcționare moderat severe în care este necesar un echilibru între rezistență și duritate.
• Angrenaje care necesită prin călire pentru a obține rezistența și rezistența la uzură necesare.
• Ştifturi şi arbori în diverse aplicaţii de inginerie, unde rezistenţa şi tenacitatea ridicate sunt cruciale. Pentru aplicații cu sarcini mai mari, acesta poate fi călit și revenit pentru a obține rezistențe ale miezului în intervalul 100-140 kgf/mm².
• Componentele necesită rezistență la uzură, ceea ce îl face potrivit pentru tehnici de întărire a suprafeței, cum ar fi călirea la flacără și prin inducție.
• Piese de automobile la cerere mare, cum ar fi osii, beneficiind de rezistența și călibilitatea sa.
• Tuburi din oțel aliat pentru aplicații generale și structurale, unde rezistența sa după tratamentul termic este avantajoasă.
• Barele și piesele forjate pentru diferite scopuri de inginerie sunt adesea tratate termic la niveluri de rezistență specifice.

2.2 Componente care necesită duritate la suprafață și rezistență la uzură (obținută prin nitrurare sau călire prin inducție):

• Angrenajele care necesită o carcasă adâncă și o duritate a suprafeței sub 60 HRC pot fi fabricate din oțel 4140 și supuse nitrurării.
• Angrenajele și alte componente beneficiază de călirea prin inducție pentru un strat de suprafață dur, rezistent la uzură.

2.3 Aplicații de scule:

Deși nu este considerat în primul rând un oțel pentru scule, 4140 este popular în sala de scule pentru diverse aplicații care necesită călibilitate moderată și rezistență și tenacitate bune.

3. Proprietăți fizice

3.1 Rezistența la tracțiune a oțelului 4140

Stare	Rezistența la tracțiune (MPa)	Rezistența la tracțiune (ksi)
Recoaptă	434-620	63-90
Normalizat	Poate varia de la 483 la 690, în funcție de conținutul de carbon	Poate varia de la 70,0 la 100,0 în funcție de conținutul de carbon
Calit și revenit la 205 °C (400 °F)	1965-1980	285-287
Calit și revenit la 425 °C (800 °F)	1450-1500	210-217
Calit și revenit la 540 °C (1000 °F)	1140-1240	165-180
Calit și revenit la 650 °C (1200 °F)	900-1020	130-148
Trase la rece și recoacete	Aproximativ 620-703	Aproximativ 90-102
Trasat la 1000°F (540°C)	Aproximativ 903-1054	Aproximativ 131-153

3.2 Limita de curgere (0,2% Offset) a oțelului 4140

Stare	Limita de curgere (MPa)	Limita de curgere (ksi)
Recoaptă	Aproximativ 201-434 în funcție de conținutul de carbon	Aproximativ 29,1-63 în funcție de conținutul de carbon
Normalizat	Poate varia de la 247 la 355, în funcție de conținutul de carbon	Poate varia de la 35,8 la 51,5, în funcție de conținutul de carbon
Calit și revenit la 205 °C (400 °F)	1740-1860	252-270
Calit și revenit la 425 °C (800 °F)	1340-1365	195-198
Calit și revenit la 540 °C (1000 °F)	985-1160	143-168
Calit și revenit la 650 °C (1200 °F)	790-860	114-125
Trase la rece și recoacete	Aproximativ 620-703	Aproximativ 90-102
Trasat la 1000°F (540°C)	Aproximativ 903-1054	Aproximativ 131-153

3.3 Proprietăți de ductilitate (alungire și reducere în suprafață) ale oțelului 4140

Proprietate	Stare	Valoare
Alungire (în 50 mm/2 in.)	Recoaptă	De obicei, în jurul valorii de 18-27%
Alungire (în 50 mm/2 in.)	stins și temperat	Scade odata cu cresterea temperaturii de revenire. De exemplu, poate varia de la 11% (la 205 °C/400 °F) la 23% (la 705 °C/1300 °F)
Reducerea suprafeței	stins și temperat	În general variază de la 39% la 65%, în funcție de temperatura de revenire

3.4 Duritatea oțelului 4140

Stare	Valoarea durității
Recoaptă	Aproximativ 185 HB
Așa cum se stinge	Poate ajunge la aproximativ 601 HB
stins și temperat	Variază foarte mult în funcție de temperatura de temperare, de la aproximativ 578 HB (~53 HRC) la 205 °C (400 °F) până la 235 HB (~24 HRC) la 705 °C (1300 °F)

3.5 Rezistența la impact a oțelului 4140

Proprietate	Stare	Observație/Valoare
Rezistența la impact	stins și temperat	Crește odată cu creșterea temperaturii de temperare.
Izod Impact Energy	stins și temperat	De exemplu, energia de impact Izod poate varia de la 15 J (11 ft·lb) la 205 °C (400 °F) la 136 J (100 ft·lb) la 705 °C (1300 °F).
Crestătură în V Charpy	stins și temperat	Valorile arată, de asemenea, o tendință similară [cu Izod].

3.6 Rezistența la oboseală a oțelului 4140

Stare	Observație/Valoare
General	Sensibilă la crestătură și tranziție pe piesele mașinii supuse sarcinilor de oboseală.
Calit și revenit (duritate 46-50 HRC)	Rezistența la oboseală la încovoiere rotativă poate fi de aproximativ 270 MPa (39 ksi).
Shot Peened (după Q&T)	Shot peening poate crește semnificativ rezistența la oboseală.

3.7 Alte proprietăți mecanice ale oțelului 4140

Proprietate	Stare	Valoare
Modulul elastic	Tensiune	Aproximativ 115 GPa (17 × 10⁶ psi)
Rezistența la forfecare	H04 tijă de temperare	Poate varia între 200-205 MPa (29-32 ksi) în funcție de diametru.

4. Tratament termic

4.1 Recoacere: Acest proces este utilizat pentru a înmuia oțelul, pentru a îmbunătăți prelucrabilitatea și pentru a reduce tensiunile interne. Etapele generale pentru recoacerea oțelului 4140 sunt:

• Încălzire: Încălziți oțelul 4140 la 830 până la 870 °C (1525 până la 1600 °F), asigurând o încălzire uniformă în toată secțiunea. În general, încălzirea lentă este recomandată pentru oțelurile aliate pentru a minimiza solicitările termice3.
• Menținere (Îmuiere): Mențineți această temperatură pentru o perioadă suficientă. Timpul de menținere depinde de obicei de grosimea secțiunii piesei sau de sarcina cuptorului.
• Răcire: Răciți lent oțelul în cuptor la o viteză de aproximativ 15 °C/h (30 °F/h) până la aproximativ 480 °C (900 °F), urmată de răcire cu aer la temperatura camerei. Această răcire lentă permite formarea unei microstructuri mai moi. Duritatea maximă care poate fi atinsă după recoacere este de aproximativ 197 HB4. Metodele de recoacere izotermă, care implică răcirea controlată la un anumit interval de temperatură și menținerea înainte de răcirea finală, pot fi de asemenea utilizate pentru a obține o structură predominant perlitică.

4.2 Normalizare: Acest tratament rafinează structura cerealelor, îmbunătățește uniformitatea și crește rezistența și duritatea în comparație cu starea de recoacere. Pașii sunt:

• Încălzire: Încălziți oțelul 4140 la un interval de temperatură de la 845 la 925 °C (1550 la 1700 °F), care este cu aproximativ 55 la 85 °C (100 la 150 °F) peste temperatura sa superioară de transformare. Aceasta asigură transformarea completă în austenită. Pentru o anumită temperatură de normalizare, ați menționat 1600 ° F (aproximativ 870 ° C), care se încadrează în acest interval.
• Menținere: Țineți la această temperatură timp de minim 1 oră sau 15 până la 20 de minute pe 25 mm (1 inch) de grosime maximă a secțiunii. Acest lucru permite formarea de austenită omogenă.
• Răcire: Răciți oțelul în aer calm la temperatura camerei. Viteza de răcire mai rapidă, în comparație cu recoacere, are ca rezultat o structură perlitică mai fină și o duritate mai mare.

Oțelul 4140 normalizat la 1600 °F (870 °C) va prezenta o structură de cereale rafinată, îmbunătățind rezistența și duritatea în comparație cu starea forjată sau laminată la cald. Acesta servește ca un tratament termic pregătitor comun înainte de călirea și revenirea ulterioară pentru a obține proprietățile mecanice finale dorite pentru aplicațiile specifice fabricii dumneavoastră. Duritatea exactă după normalizare va depinde de dimensiunile piesei și de viteza de răcire atinsă. Amintiți-vă că această stare normalizată este adesea o etapă intermediară și, de obicei, este necesar un tratament termic suplimentar, cum ar fi călirea, pentru a optimiza echilibrul de rezistență, ductilitate și tenacitate pentru condițiile de serviciu prevăzute.

4.3 Întărire (călire): Acest proces are ca scop realizarea unei structuri martensitice dure. Aceasta implică:

• Preîncălzire (opțional, dar recomandată): pentru oțelul 4140, o preîncălzire la aproximativ 650 °C (1200 °F) timp de 10 până la 15 minute poate fi benefică, în special pentru forme complexe, pentru a reduce șocul termic și a minimiza distorsiunea.
• Austenitizare: Încălziți oțelul la temperatura de austenitizare, de obicei în intervalul de la 845 la 925 °C (1550 la 1700 °F). Unele surse specifică o temperatură de 855 °C (1575 °F). Țineți la această temperatură pentru un timp suficient de înmuiat pentru a asigura transformarea completă în austenită, care depinde de grosimea secțiunii (de exemplu, adăugați 5 minute pentru fiecare inch de cea mai mică secțiune transversală după atingerea temperaturii de austenitizare). Înmuierea excesivă, în special la temperaturi mai ridicate, poate duce la creșterea nedorită a boabelor de austenită.
• Călire: Răciți rapid oțelul de la temperatura de austenitizare într-un agent de călire adecvat. Pentru oțelul 4140, călirea cu ulei este cea mai obișnuită și recomandată metodă pentru a obține călirea, minimizând în același timp riscul de fisurare asociat cu agenți de călire mai rapidi, cum ar fi apa. Cu toate acestea, călirea cu apă poate fi utilizată pentru secțiuni mai mari, în funcție de cerințele de întărire. Eficacitatea stingerii depinde de temperatura de stingere. Dacă luați oțel 4140 recoapt la 1600 ° F și apoi îl stingeți cu ulei de la temperatura de austenitizare corespunzătoare, veți obține o duritate și o rezistență ridicată caracteristice martensitei, dar materialul va fi fragil cu ductilitate și duritate scăzute. Un proces de revenire ulterior ar fi necesar pentru majoritatea aplicațiilor de inginerie.

4.4 Revenirea: Martensita întărită este în general fragilă și conține tensiuni interne. Călirea este efectuată pentru a reduce fragilitatea, a ameliora aceste solicitări și pentru a îmbunătăți duritatea, păstrând în același timp duritatea și rezistența suficientă. Pașii sunt:

• Încălzire: Reîncălziți oțelul călit la o temperatură specifică de revenire, care este întotdeauna sub temperatura de austenitizare. Temperatura de revenire pentru oțelul 4140 variază de obicei între 205 și 705 °C (400 până la 1300 °F), în funcție de proprietățile mecanice dorite. Este esențial ca revenirea să aibă loc de îndată ce piesele ajung la 52 până la 65 °C (125 până la 150 °F) după călire, pentru a preveni fisurarea. Călirea între 230 și 370 °C (450 și 700 °F) este în general evitată pentru oțelul 4140 pentru a preveni fragilitatea albastră.
• Menținere: Țineți la temperatura de revenire pentru un anumit timp, de obicei 1 până la 2 ore18 sau 2 ore pe inch (25 mm) de secțiune transversală. Acest lucru permite difuzarea carbonului și a elementelor de aliere și formarea martensitei temperate cu proprietățile dorite.
• Răcire: Se răcește la temperatura camerei în aer sau prin stingere în apă sau ulei. Viteza de răcire după revenire nu este de obicei critică. Adesea, poate fi folosit un al doilea ciclu de temperare la o temperatură puțin mai scăzută.

4.5 Sferoidizarea: Acesta este un proces de recoacere specializat care produce o microstructură de carburi globulare într-o matrice feritică, rezultând moliciune maximă și formabilitate îmbunătățită. Pentru oțelul 4140, acest lucru se poate realiza prin încălzire la 760 până la 775 °C (1400 până la 1425 °F) și menținere timp de 4 până la 12 ore, urmată de răcire lentă.

4.6 Întărirea suprafeței: Pentru a spori rezistența la uzură, menținând în același timp un miez mai dur, oțelul 4140 poate suferi procese de întărire la suprafață, cum ar fi:

• Întărire prin inducție: Aceasta implică încălzirea rapidă a stratului de suprafață la temperatura de austenitizare folosind o bobină de inducție, urmată de călire. Acest lucru creează o carcasă cu suprafață dură. După călirea prin inducție, se efectuează de obicei călirea.
• Nitrurare: Acesta este un proces termochimic care introduce azot în suprafața oțelului la temperaturi relativ scăzute, formând compuși de nitrură tari și îmbunătățind rezistența la uzură și oboseală. Revenirea înainte de nitrurare este adesea efectuată.

5. 4140 Vs oțel D2

• Oțelul 4140 este calul de lucru pentru componentele structurale și de mașini care necesită un echilibru bun de rezistență și duritate cu rezistență moderată la uzură care poate fi îmbunătățită. Oferă versatilitate prin diferite tratamente termice, inclusiv întărirea suprafeței.
• otel D2 este alegerea dumneavoastră pentru aplicațiile de scule care necesită rezistență ridicată la abraziune și stabilitate dimensională în timpul călirii. Conținutul său mai mare de carbon și crom oferă carburile dure necesare pentru rezistența la uzură, dar acest lucru vine cu prețul unei durități mai mici în comparație cu 4140.
• În rezumat, 4140 este probabil cea mai bună alegere pentru piesele de mașini care au nevoie de rezistență și tenacitate ridicate. Dacă aveți de-a face cu scule care necesită o rezistență excepțională la uzură și abraziune, oțelul D2 ar fi mai potrivit.

6. 4140 Vs 4130 otel

• Oțelul 4140 posedă un conținut mai mare de carbon, rezultând o călibilitate, rezistență și duritate mai mari după tratamentul termic, comparativ cu 4130. Este de obicei stins cu ulei.
• Oțelul 4130 are un conținut mai scăzut de carbon, ceea ce duce la o călire mai mică până la intermediară și, în general, o rezistență și duritate mai scăzute decât 4140 după tratamente termice similare. Este adesea stins cu apă.
• În rezumat, dacă o rezistență mai mare este primordială, 4140 este în general alegerea preferată. Dacă o rezistență moderată cu o sudabilitate sau o prelucrabilitate potențial mai bună este suficientă și dimensiunea secțiunii este o constrângere semnificativă pentru călire, ar putea fi luată în considerare 4130.

7. Efectul temperaturii de revenire asupra proprietăților oțelului 4140

8. Aluminiu 7075 tăgle vs oțel 4140

• Tagla de oțel 4140 oferă un potențial de rezistență și duritate mai mare decât aluminiul 7075, împreună cu o rezistență bună. De asemenea, este mai dens și mai ușor de sudat (cu precauții). Necesită tratament termic pentru a-și atinge proprietățile optime și este susceptibil la coroziune.
• Tagla de aluminiu 7075 oferă o densitate semnificativ mai mică cu rezistență ridicată, făcându-l avantajos în aplicațiile sensibile la greutate. Are o rezistență bună la coroziune, dar este în general mai dificil de sudat. Rezistența sa este obținută prin tempere specifice de tratament termic.

9. 4140 otel pentru cutite

Oțelul 4140 poate fi tratat termic pentru a obține duritatea necesară pentru o lamă de cuțit, dar lipsa proprietăților sale inoxidabile îl face o alegere mai puțin convențională decât oțelurile concepute special pentru tacâmuri. Dacă aveți nevoie de un cuțit rezistent la coroziune, ați fi mai bine servit prin explorarea aliajelor de oțel inoxidabil. Dacă rezistența și tenacitatea sunt cerințele principale și coroziunea poate fi gestionată, 4140 ar putea fi luat în considerare, dar o atenție deosebită la tratamentul termic va fi crucială.