Tehnični pregled jekla 4140

Jeklo 4140 je vsestransko srednjeogljično nizkolegirano jeklo. Vsebuje krom in molibden kot glavna legirna elementa. To jeklo je znano po dobri kaljivosti, kar mu omogoča doseganje visoke trdnosti in trdote s postopki toplotne obdelave, kot sta kaljenje in popuščanje. Običajno se uporablja v aplikacijah, ki zahtevajo dobro ravnovesje med trdnostjo in žilavostjo, kot so gredi, zobniki in drugi deli strojev. Lahko se podvrže različnim toplotnim obdelavam, vključno z žarjenjem za mehčanje, normaliziranjem za izboljšano mikrostrukturo in zmerno trdnostjo ter kaljenjem, ki mu sledi popuščanje za dosego želenih mehanskih lastnosti.

1. Kemična sestava

Ogljik (C)	Mangan (Mn)	fosfor (P)	Žveplo (S)	Silicij (Si)	Krom (Cr)	molibden (Mo)
0.38% – 0.43%	0.75% – 1.00%	≤ 0,035% (največ)	≤ 0,040% (največ)	0.15% – 0.35%	0.80% – 1.10%	0.15% – 0.25%

2. Aplikacije

Na podlagi svojih lastnosti najde jeklo 4140 uporabo v različnih zahtevnih inženirskih komponentah zaradi svoje dobre kaljivosti, visoke trdnosti in potenciala trdote ter primerne ravni žilavosti ob ustrezni toplotni obdelavi. Tukaj je razčlenitev aplikacij na podlagi teh lastnosti:

2.1 Komponente, ki zahtevajo visoko trdnost in trdoto (doseženo s kaljenjem):

• Statično in dinamično obremenjeni deli avtomobilskih motorjev in strojev, kot so ročične gredi. Zaradi visoke trdote, dosežene po utrjevanju, je primeren za te zahtevne aplikacije.
• Strojni deli z velikimi prečnimi prerezi, kjer je po izboljšanju mogoče doseči visoko trdnost. Njegova dobra kaljivost omogoča prekaljenje v velikih debelinah.
• Komponente za zmerno težke pogoje uporabe, kjer je potrebno ravnovesje med močjo in žilavostjo.
• Zobniki, ki zahtevajo kaljenje, da dosežejo potrebno trdnost in odpornost proti obrabi.
• Zatiči in gredi v različnih inženirskih aplikacijah, kjer sta visoka trdnost in žilavost ključni. Za zahtevnejše aplikacije ga je mogoče utrditi in popustiti, da se doseže trdnost jedra v območju 100–140 kgf/mm².
• Komponente zahtevajo odpornost proti obrabi, zaradi česar je primeren za tehnike površinskega utrjevanja, kot sta plamensko in indukcijsko kaljenje.
• Avtomobilski deli, po katerih je veliko povpraševanja, kot so osi, ki izkoristijo svojo trdnost in sposobnost kaljenja.
• Cevi iz legiranega jekla za splošno in strukturno uporabo, kjer je njihova trdnost po toplotni obdelavi ugodna.
• Palice in odkovki za različne inženirske namene so pogosto toplotno obdelani do določenih stopenj trdnosti.

2.2 Komponente, ki zahtevajo površinsko trdoto in odpornost proti obrabi (doseženo z nitriranjem ali indukcijskim kaljenjem):

• Zobniki, ki zahtevajo globoko ohišje in površinsko trdoto pod 60 HRC, so lahko izdelani iz jekla 4140 in izpostavljeni nitriranju.
• Zobniki in druge komponente imajo koristi od indukcijskega kaljenja za trdo površinsko plast, odporno proti obrabi.

2.3 Aplikacije orodja:

Čeprav se 4140 primarno ne šteje za orodno jeklo, je priljubljeno v orodjarni za različne aplikacije, ki zahtevajo zmerno kaljivost ter dobro trdnost in žilavost.

3. Fizikalne lastnosti

3.1 Natezna trdnost jekla 4140

Pogoj	Natezna trdnost (MPa)	Natezna trdnost (ksi)
Žarjeno	434-620	63-90
Normalizirano	Lahko se giblje od 483 do 690, odvisno od vsebnosti ogljika	Lahko se giblje od 70,0 do 100,0, odvisno od vsebnosti ogljika
Kaljeno in kaljeno pri 205 °C (400 °F)	1965-1980	285-287
Kaljeno in kaljeno pri 425 °C (800 °F)	1450-1500	210-217
Kaljeno in kaljeno pri 540 °C (1000 °F)	1140-1240	165-180
Kaljeno in kaljeno pri 650 °C (1200 °F)	900-1020	130-148
Hladno vlečeno in žarjeno	Približno 620-703	Približno 90-102
Vlečeno pri 1000 °F (540 °C)	Približno 903-1054	Približno 131-153

3.2 Meja tečenja (odmik 0,2%) jekla 4140

Pogoj	Meja tečenja (MPa)	Meja tečenja (ksi)
Žarjeno	Približno 201-434, odvisno od vsebnosti ogljika	Približno 29,1-63, odvisno od vsebnosti ogljika
Normalizirano	Lahko se giblje od 247 do 355, odvisno od vsebnosti ogljika	Lahko se giblje od 35,8 do 51,5, odvisno od vsebnosti ogljika
Kaljeno in kaljeno pri 205 °C (400 °F)	1740-1860	252-270
Kaljeno in kaljeno pri 425 °C (800 °F)	1340-1365	195-198
Kaljeno in kaljeno pri 540 °C (1000 °F)	985-1160	143-168
Kaljeno in kaljeno pri 650 °C (1200 °F)	790-860	114-125
Hladno vlečeno in žarjeno	Približno 620-703	Približno 90-102
Vlečeno pri 1000 °F (540 °C)	Približno 903-1054	Približno 131-153

3.3 Lastnosti duktilnosti (raztezek in zmanjšanje površine) jekla 4140

Lastnina	Pogoj	Vrednost
Raztezek (v 50 mm/2 in.)	Žarjeno	Običajno okoli 18-27%
Raztezek (v 50 mm/2 in.)	Kaljeno in kaljeno	Z zvišanjem temperature kaljenja se zmanjša. Na primer, lahko sega od 11% (pri 205 °C/400 °F) do 23% (pri 705 °C/1300 °F)
Zmanjšanje površine	Kaljeno in kaljeno	Na splošno se giblje od 39% do 65%, odvisno od temperature kaljenja

3.4 Trdota jekla 4140

Pogoj	Vrednost trdote
Žarjeno	Približno 185 HB
Kot gašeno	Lahko doseže približno 601 HB
Kaljeno in kaljeno	Zelo se spreminja glede na temperaturo kaljenja, od približno 578 HB (~53 HRC) pri 205 °C (400 °F) do 235 HB (~24 HRC) pri 705 °C (1300 °F)

3.5 Udarna trdnost jekla 4140

Lastnina	Pogoj	Opazovanje / vrednost
Udarna trdnost	Kaljeno in kaljeno	Povečuje se z naraščajočo temperaturo kaljenja.
Izod Impact Energy	Kaljeno in kaljeno	Izodova energija udarca se lahko na primer giblje od 15 J (11 ft·lb) pri 205 °C (400 °F) do 136 J (100 ft·lb) pri 705 °C (1300 °F).
Charpy V-zareza	Kaljeno in kaljeno	Tudi vrednosti kažejo podoben trend [kot Izod].

3.6 Utrujalna trdnost jekla 4140

Pogoj	Opazovanje / vrednost
Splošno	Občutljivo na zareze in prehode na strojnih delih, ki so izpostavljeni utrujenostni obremenitvi.
Kaljeno in kaljeno (trdota 46-50 HRC)	Utrujalna trdnost pri rotacijskem upogibanju je lahko okoli 270 MPa (39 ksi).
Peened (po Q&T)	Peeniranje lahko znatno poveča odpornost proti utrujanju.

3.7 Druge mehanske lastnosti jekla 4140

Lastnina	Pogoj	Vrednost
Modul elastičnosti	Napetost	Približno 115 GPa (17 × 10⁶ psi)
Strižna trdnost	H04 kaljena palica	Lahko sega od 200-205 MPa (29-32 ksi), odvisno od premera.

4. Toplotna obdelava

4.1 Žarjenje: Ta postopek se uporablja za mehčanje jekla, izboljšanje obdelovalnosti in razbremenitev notranjih napetosti. Splošni koraki za žarjenje jekla 4140 so:

• Ogrevanje: jeklo 4140 segrejte na 830 do 870 °C (1525 do 1600 °F), pri čemer zagotovite enakomerno segrevanje celotnega dela. Za legirana jekla se na splošno priporoča počasno segrevanje, da se zmanjšajo toplotne obremenitve3.
• Zadrževanje (namakanje): To temperaturo vzdržujte dovolj dolgo. Čas zadrževanja je običajno odvisen od debeline preseka dela ali obremenitve peči.
• Hlajenje: Počasi ohladite jeklo v peči s hitrostjo približno 15 °C/h (30 °F/h) do približno 480 °C (900 °F), čemur sledi zračno hlajenje na sobno temperaturo. To počasno ohlajanje omogoča nastanek mehkejše mikrostrukture. Največja trdota, ki jo je mogoče doseči po žarjenju, je okoli 197 HB4. Za pridobitev pretežno perlitne strukture se lahko uporabijo tudi metode izotermnega žarjenja, ki vključujejo nadzorovano hlajenje na določeno temperaturno območje in zadrževanje pred končnim hlajenjem.

4.2 Normalizacija: Ta obdelava izboljša zrnato strukturo, izboljša enotnost in poveča trdnost in trdoto v primerjavi z žarjenim stanjem. Koraki so:

• Ogrevanje: jeklo 4140 segrejte na temperaturno območje od 845 do 925 °C (1550 do 1700 °F), kar je približno 55 do 85 °C (100 do 150 °F) nad njegovo zgornjo temperaturo transformacije. To zagotavlja popolno pretvorbo v avstenit. Za določeno normalizacijsko temperaturo ste omenili 1600 °F (približno 870 °C), ki spada v to območje.
• Držanje: Držite pri tej temperaturi najmanj 1 uro ali 15 do 20 minut na 25 mm (1 palec) največje debeline reza. To omogoča tvorbo homogenega avstenita.
• Hlajenje: Ohladite jeklo v mirnem zraku na sobno temperaturo. Hitrejša hitrost ohlajanja v primerjavi z žarjenjem povzroči bolj fino perlitno strukturo in večjo trdoto.

Jeklo 4140, normalizirano pri 1600 °F (870 °C), bo pokazalo rafinirano zrnato strukturo, izboljšano trdnost in trdoto v primerjavi s svojim kovanim ali vroče valjanim stanjem. Služi kot običajna pripravljalna toplotna obdelava pred naknadnim kaljenjem in popuščanjem, da se dosežejo končne želene mehanske lastnosti za posebne aplikacije v vaši tovarni. Natančna trdota po normalizaciji bo odvisna od dimenzij dela in dosežene hitrosti ohlajanja. Ne pozabite, da je to normalizirano stanje pogosto vmesni korak in da je nadaljnja toplotna obdelava, kot je popuščanje, običajno potrebna za optimizacijo ravnovesja trdnosti, duktilnosti in žilavosti za predvidene pogoje uporabe.

4.3 Utrjevanje (Kaljenje): Cilj tega postopka je doseči trdo martenzitno strukturo. Vključuje:

• Predgretje (izbirno, vendar priporočeno): Za jeklo 4140 je lahko predgretje pri približno 650 °C (1200 °F) za 10 do 15 minut koristno, zlasti pri zapletenih oblikah, da se zmanjša toplotni šok in zmanjša popačenje.
• Avstenitizacija: Jeklo segrejte na temperaturo avstenitizacije, običajno v območju od 845 do 925 °C (1550 do 1700 °F). Nekateri viri navajajo temperaturo 855 °C (1575 °F). Zadržite pri tej temperaturi dovolj časa namakanja, da zagotovite popolno pretvorbo v avstenit, ki je odvisen od debeline preseka (npr. dodajte 5 minut na vsak palec najmanjšega preseka, potem ko dosežete temperaturo avstenitizacije). Prekomerno namakanje, zlasti pri višjih temperaturah, lahko povzroči neželeno rast avstenitnih zrn.
• Kaljenje: Hitro ohladite jeklo s temperature avstenitizacije v ustreznem sredstvu za kaljenje. Za jeklo 4140 je kaljenje v olju najpogostejša in priporočena metoda za doseganje utrjevanja ob hkratnem zmanjšanju tveganja razpok, povezanega s hitrejšimi sredstvi za kaljenje, kot je voda. Vendar pa se kaljenje z vodo lahko uporabi za večje odseke, odvisno od zahtev glede utrjevanja. Učinkovitost kaljenja je odvisna od temperature kaljenja. Če vzamete jeklo 4140, žarjeno pri 1600 °F, in ga nato kalite v olju pri ustrezni temperaturi avstenitizacije, boste dosegli visoko trdoto in trdnost, značilno za martenzit, vendar bo material krhek z nizko duktilnostjo in žilavostjo. Za večino inženirskih aplikacij bi bil potreben naknadni postopek kaljenja.

4.4 Kaljenje: Utrjen martenzit je na splošno krhek in vsebuje notranje napetosti. Kaljenje se izvaja za zmanjšanje krhkosti, razbremenitev teh napetosti in izboljšanje žilavosti ob ohranjanju zadostne trdote in trdnosti. Koraki so:

• Ogrevanje: Ponovno segrejte kaljeno jeklo na določeno temperaturo popuščanja, ki je vedno pod temperaturo avstenitizacije. Temperatura popuščanja za jeklo 4140 se običajno giblje od 205 do 705 °C (400 do 1300 °F), odvisno od želenih mehanskih lastnosti. Bistveno je, da se kaljenje izvede takoj, ko deli dosežejo 52 do 65 °C (125 do 150 °F) po kaljenju, da preprečimo razpoke. Pri jeklu 4140 se na splošno izogibamo kaljenju med 230 in 370 °C (450 in 700 °F), da preprečimo modro krhkost.
• Vzdrževanje: Vzdržujte pri temperaturi kaljenja določen čas, običajno 1 do 2 uri18 ali 2 uri na palec (25 mm) prečnega prereza. To omogoča difuzijo ogljika in legirnih elementov ter tvorbo kaljenega martenzita z želenimi lastnostmi.
• Hlajenje: Ohladite na sobno temperaturo na zraku ali s kaljenjem v vodi ali olju. Hitrost hlajenja po kaljenju običajno ni kritična. Pogosto se lahko uporabi drugi cikel kaljenja pri nekoliko nižji temperaturi.

4.5 Sferoidizacija: To je specializiran postopek žarjenja, ki proizvaja mikrostrukturo globularnih karbidov v feritni matrici, kar ima za posledico največjo mehkobo in izboljšano sposobnost oblikovanja. Pri jeklu 4140 je to mogoče doseči s segrevanjem na 760 do 775 °C (1400 do 1425 °F) in vztrajanjem 4 do 12 ur, čemur sledi počasno ohlajanje.

4.6 Površinsko utrjevanje: Za izboljšanje odpornosti proti obrabi ob ohranjanju tršega jedra lahko jeklo 4140 opravi površinsko utrjevanje, kot so:

• Indukcijsko kaljenje: To vključuje hitro segrevanje površinske plasti na temperaturo avstenitizacije z uporabo indukcijske tuljave, čemur sledi kaljenje. To ustvari ohišje s trdo površino. Po indukcijskem kaljenju se običajno izvede popuščanje.
• Nitriranje: To je termokemični postopek, ki uvaja dušik na površino jekla pri relativno nizkih temperaturah, pri čemer nastanejo trde nitridne spojine in izboljša odpornost proti obrabi in utrujenosti. Pogosto se izvaja kaljenje pred nitriranjem.

5. 4140 Vs D2 jeklo

• Jeklo 4140 je vaš delovni konj za strukturne in strojne komponente, ki zahtevajo dobro ravnovesje med trdnostjo in žilavostjo z zmerno odpornostjo proti obrabi, ki jo je mogoče izboljšati. Ponuja vsestranskost z različnimi toplotnimi obdelavami, vključno s površinskim utrjevanjem.
• D2 jeklo je vaša izbira za aplikacije orodij, ki zahtevajo visoko odpornost proti obrabi in dimenzijsko stabilnost med kaljenjem. Njegova višja vsebnost ogljika in kroma zagotavlja potrebne trde karbide za odpornost proti obrabi, vendar je to posledica nižje žilavosti v primerjavi s 4140.
• Če povzamemo, je 4140 verjetno boljša izbira za strojne dele, ki potrebujejo visoko trdnost in žilavost. Če imate opravka z orodjem, ki zahteva izjemno odpornost proti obrabi in abraziji, bi bilo primernejše jeklo D2.

6. 4140 proti 4130 jeklu

• Jeklo 4140 ima večjo vsebnost ogljika, kar ima za posledico večjo kaljivost, trdnost in trdoto po toplotni obdelavi v primerjavi z jeklom 4130. Običajno je kaljeno v olju.
• Jeklo 4130 ima nižjo vsebnost ogljika, kar vodi do nižje do vmesne kaljivosti in na splošno nižjo trdnost in trdoto kot jeklo 4140 po podobni toplotni obdelavi. Pogosto se gaši z vodo.
• Če povzamemo, če je višja trdnost najpomembnejša, je 4140 na splošno prednostna izbira. Če je zmerna trdnost s potencialno boljšo varljivostjo ali obdelovalnostjo zadostna in je velikost preseka pomembna omejitev za utrjevanje, se lahko razmisli o 4130.

7. Vpliv temperature popuščanja na lastnosti jekla 4140

8. Aluminij 7075 v primerjavi z jeklom 4140

• Jeklena gredica 4140 ponuja večjo moč in potencial trdote kot aluminij 7075, skupaj z dobro žilavostjo. Je tudi gostejši in ga je lažje variti (s previdnostnimi ukrepi). Zahteva toplotno obdelavo, da doseže optimalne lastnosti, in je dovzeten za korozijo.
• Aluminijasta gredica 7075 zagotavlja bistveno manjšo gostoto z visoko trdnostjo, zaradi česar je ugodna pri aplikacijah, ki so občutljive na težo. Ima dobro odpornost proti koroziji, vendar je na splošno težje variti. Njegova trdnost je dosežena s posebnimi temperaturami toplotne obdelave.

9. 4140 jeklo za nože

Jeklo 4140 je mogoče toplotno obdelati, da se doseže potrebna trdota za rezilo noža, vendar je zaradi pomanjkanja nerjavnih lastnosti manj običajna izbira kot jekla, posebej zasnovana za jedilni pribor. Če potrebujete nož, odporen proti koroziji, bi bilo bolje, če raziščete zlitine iz nerjavnega jekla. Če sta trdnost in žilavost primarni zahtevi in je korozijo mogoče obvladati, bi lahko razmislili o 4140, vendar bo skrbna pozornost toplotni obdelavi ključnega pomena.