4130 Legirano jeklo: Lastnosti in uporaba

Legirano jeklo 4130 je po sistemu AISI razvrščeno kot srednjeogljično nizkolegirano jeklo. Njegova oznaka poudarja njegove primarne legirne elemente: krom (približno 1%) in molibden (približno 0,20%). To vsestransko jeklo nudi trdno kombinacijo trdnosti, žilavosti in varljivosti.

1. Kemična sestava legiranega jekla 4130

Tipična kemična sestava jekla 4130 (masni odstotek) je:

• Ogljik (C):28-0.33% (zagotavlja ravnovesje med trdnostjo in duktilnostjo)
• Mangan (Mn):40-0.60% (prispeva k utrjenosti in trdnosti)
• Silicij (Si):20-0,35% (deluje kot dezoksidant in lahko poveča moč)
• Krom (Cr):80-1.10% (izboljša kaljivost, odpornost proti koroziji in odpornost proti obrabi)
• molibden (Mo):15-0,25% (izboljša kaljivost in visokotemperaturno trdnost ter se upira temperamentni krhkosti)
• Fosfor (P) in žveplo (S): Ohranja nizko (običajno največ 0,030-0,040% vsak)
• Baker (Cu): Lahko je prisoten (do 0,35% v nekaterih specifikacijah)

2. Značilnosti utrjevanja

4130 je legirano jeklo, ki se utrjuje v vodi, z nizko do srednjo kaljivostjo. To pomeni, da doseganje polne trdote s kaljenjem zahteva skrbno upoštevanje debeline profila. Na splošno so potrebni tanjši profili ali bolj agresivni mediji za kaljenje (kot je voda) kot jekla z večjo kaljivostjo. Idealni kritični premer (DI) to ponazarja; na primer, specifična toplota z 0,29% C, 1,02% Cr in 0,15% Mo je izračunala DI 68,3 mm (2,69 in.).

3. Toplotna obdelava legiranega jekla 4130

AISI 4130 je zelo vsestransko srednjeogljično nizkolegirano jeklo, znano po svoji trdnosti, žilavosti in varljivosti. Njegova ključna legirna elementa sta krom in molibden. Da bi v celoti izkoristili zmogljivosti jekla 4130 in prilagodili njegove mehanske lastnosti za posebne aplikacije, je bistvena natančna toplotna obdelava. Odziv 4130 na različne toplotne cikle omogoča širok spekter značilnosti delovanja.

3.1 Običajni postopki toplotne obdelave za 4130

Na podlagi obsežnih industrijskih izkušenj in tehničnih podatkov Aobo Steel opisuje primarno toplotno obdelavo, ki se uporablja za jeklo 4130:

3.1.1 Normalizacija

• Cilj: Za izboljšanje zrnate strukture jekla, izboljšanje enotnosti in izboljšanje obdelovalnosti po kovanju ali valjanju.
• Postopek: Jeklo enakomerno segrejte na temperaturo med 870 °C in 925 °C (1600 °F do 1700 °F). To območje je približno 55 °C do 85 °C (100 °F do 150 °F) nad zgornjo kritično temperaturo (Ac3), kar zagotavlja popolno pretvorbo v avstenit. Držite pri temperaturi dovolj časa, da zagotovite prodor toplote, običajno 1 uro na 25 mm (1 palec) največje debeline, pri čemer je pogosto določen minimalni čas zadrževanja. Ohladite na mirnem zraku na sobno temperaturo.
• Po normalizaciji: Običajna praksa je, da se normalizirano jeklo 4130 kali pri temperaturah 480 °C (900 °F) ali višjih, da se dosežejo specifične zahteve glede meje tečenja.

3.1.2 Žarjenje

• Cilj: Za izdelavo najmehkejših možnih pogojev za jeklo 4130, maksimiranje duktilnosti za postopke, kot je hladno oblikovanje ali kompleksna strojna obdelava.
• Postopek: Jeklo segrejte na temperaturo med 830 °C in 870 °C (1525 °F do 1600 °F). Zadržite pri temperaturi za čas, ki je odvisen od velikosti odseka ali obremenitve peči. Bistveno je, da se zelo počasi ohladite v peči, običajno s hitrostjo, ki ne presega 15 °C na uro (30 °F na uro), do približno 480 °C (900 °F). Pod to temperaturo se lahko hlajenje nadaljuje na zraku. To nadzorovano počasno ohlajanje spodbuja nastanek mehke, grobe mikrostrukture perlita.

3.1.3 Kaljenje in popuščanje (Kaljenje)

• Cilj: Razviti visoko trdnost, trdoto in žilavost, kar je najpogostejši pogoj za strukturne aplikacije 4130.
• Avsteniziranje: Jeklo enakomerno segrejte na ustrezno temperaturo avstenitizacije. To je običajno med 855 °C in 865 °C (1575 °F do 1600 °F), odvisno od natančne sestave in velikosti odseka. Držite pri temperaturi dovolj dolgo za popolno avstenitizacijo.
• Kaljenje: Hitro ohladite jeklo s temperature avstenitizacije. Zaradi nizke do vmesne kaljivosti 4130 je treba medij za gašenje (voda, olje ali polimer) skrbno izbrati glede na debelino preseka komponente in želene končne lastnosti. Voda omogoča hitrejše hlajenje in večjo trdoto v tanjših delih, vendar povečuje tveganje za deformacijo. Kaljenje z oljem je običajno za zmerne odseke. Doseganje kritične hitrosti hlajenja, zlasti v območju transformacije okoli 540 °C (1000 °F), je bistvenega pomena za pridobitev popolnoma martenzitne strukture, zlasti v debelejših odsekih.
• Kaljenje: Ponovno segrejte kaljeno (kaljeno) jeklo na določeno temperaturo pod spodnjo kritično temperaturo (Ac1). Temperature kaljenja za 4130 se običajno gibljejo od 205 °C do 705 °C (400 °F do 1300 °F). Držite pri temperaturi kaljenja (običajno vsaj 2 uri), nato ohladite (običajno na zraku). Kaljenje zmanjša krhkost kaljenega martenzita in vzpostavi končno ravnovesje trdote, trdnosti in žilavosti. Nižje temperature popuščanja dajejo večjo trdnost in trdoto, medtem ko višje temperature povečajo duktilnost in žilavost na račun trdnosti.

3.2 Premisleki o utrjevanju

Kaljivost jekla 4130 je kritičen dejavnik. Opisuje sposobnost jekla, da se med kaljenjem utrdi skozi svoj presek.

• 4130 ima nizko do srednjo kaljivost v primerjavi z visoko legiranimi jekli.
• Debelina reza: Dosegljiva trdota in globina utrjevanja sta močno odvisni od velikosti komponente. Debelejši odseki se ohlajajo počasneje, zlasti v jedru, kar lahko povzroči manj enakomerno mikrostrukturo in nižjo trdoto jedra od površine.
• Idealni kritični premer (DI): Ta izračunana vrednost (npr. ~68 mm ali ~2,7 palca za tipično sestavo v idealnih pogojih) kaže teoretični največji premer, ki ga je mogoče utrditi do središča pri popolnem kaljenju. Praktični rezultati z manj strogim kaljenjem (olje, polimer) bodo dosegli utrjevanje do manjših globin.
• Resnost kaljenja: Skrbna izbira postopka kaljenja je ključnega pomena za doseganje želenih lastnosti brez povzročanja razpok ali prekomernega popačenja, zlasti v primerjavi z jekli z večjo vsebnostjo ogljika, kot je 4140, ki imajo večjo kaljivost, vendar tudi večje tveganje za razpoke pri gašenju.

3.3 Lajšanje stresa

• Cilj: Za zmanjšanje notranjih napetosti, ki jih povzročajo proizvodni postopki, kot so težka strojna obdelava, hladno oblikovanje ali varjenje, ki se pogosto izvajajo prej končno utrjevanje ali na normalizirane/žarjene dele.
• Postopek: Jeklo enakomerno segrejte na temperaturo, običajno med 650 °C in 675 °C (1200 °F do 1250 °F). Držite dovolj časa (npr. 1 uro na palec debeline), čemur sledi počasno ohlajanje (običajno v peči ali na zraku).
• Pomembna opomba: Če se izvaja razbremenitev po pri kaljenju in popuščanju je treba temperaturo za razbremenitev vzdrževati pod prvotno temperaturo popuščanja (običajno vsaj 15 °C ali 25 °F nižje), da preprečimo negativen vpliv na predhodno ugotovljene mehanske lastnosti.

4. Pregled mehanskih lastnosti

Končne mehanske lastnosti jekla 4130 so neposredno odvisne od uporabljene toplotne obdelave. Kaljeni in popuščeni pogoji ponujajo širok razpon dosegljivih vrednosti natezne trdnosti, meje tečenja, raztezka in trdote.

Pomembno je upoštevati masni učinek: večji prerezi se med kaljenjem ohlajajo počasneje, kar ima za posledico nižjo trdoto in trdnost jedra v primerjavi s površino ali v primerjavi z manjšimi odseki, ki so bili obdelani z enako toploto.

Tipične mehanske lastnosti toplotno obdelanega jekla 4130

Temperatura kaljenja		Natezna trdnost		Moč tečenja		Raztezek v 50 mm (2 in.), %	Zmanjšanje površine, %	Trdota, HB	Izod Impact Energy
°C	°F	MPa	ksi	MPa	ksi				J	ft-lb
Voda kaljena in kaljena
205	400	1765	256	1520	220	10	33	475	18	13
260	500	1670	242	1430	208	11.5	37	455	14	10
315	600	1570	228	1340	195	13	41	425	14	10
370	700	1475	214	1250	182	15	45	400	20	15
425	800	1380	200	1170	170	16.5	49	375	34	25
540	1000	1170	170	1000	145	20	56	325	81	60
650	1200	965	140	830	120	22	63	270	135	100
Olje kaljeno in temperirano
205	400	1550	225	1340	195	11	38	450	—	—
260	500	1500	218	1275	185	11.5	40	440	—	—
315	600	1420	206	1210	175	12.5	43	418	—	—
370	700	1320	192	1120	162	14.5	48	385	—	—

Učinki mase na značilne lastnosti toplotno obdelanega jekla 4130

Velikost palice	Natezna trdnost	Meja tečenja	Raztezek v 50 mm (2 in.), %	Zmanjšanje površine, %	Površinska trdota, HB
mm	MPa	ksi	MPa	ksi	%
25	1040	151	880	128	18
50	740	107	570	83	20
75	710	103	540	78	22

Vir: ASM HANDBOOK

5. Pogoste aplikacije

Zahvaljujoč zanesljivemu profilu delovanja se jeklo 4130 uporablja v različnih panogah:

• Avtomobilske komponente (npr. osi)
• Strukturni deli, ki zahtevajo dobro trdnost in žilavost
• Gredi, zobniki in ležaji potrebujejo dobro odpornost proti utrujenosti in obrabi (pogosto v kaljenih pogojih)
• Aplikacije, ki zahtevajo visoko žilavost (v sferoidiziranih pogojih)
• Postopki kaljenja z elektronskim žarkom

Čeprav ni klasificirano kot primarno orodno jeklo, je zaradi svoje vsestranskosti običajen material v orodjarnah.

6. Enakovredni mednarodni standardi

Jeklo 4130 ustreza oznakam v več mednarodnih standardih:

• ASTM: A322, A29/A29M
• SAE: J404
• JIS (Japonska): SCM 425, SCM 430