4340 Steel Tehnični pregled

Tehnični pregled jekla 4340: jeklo 4340 je priljubljeno nizkolegirano jeklo s srednje vsebnostjo ogljika. Znan je po svoji visoki trdnosti, globoki kaljivosti in žilavosti, doseženi s postopki toplotne obdelave, kot sta kaljenje in popuščanje. To jeklo običajno vsebuje legirne elemente, kot so krom, nikelj in molibden, in se pogosto uporablja v aplikacijah, ki zahtevajo zmerno težke pogoje uporabe, vključno s komponentami, kot so zobniki, zobniki in gredi.

1. Kemična sestava

Ogljik (C)	Krom (Cr)	Nikelj (Ni)	molibden (Mo)	Mangan (Mn)	Silicij (Si)	fosfor (P)	Žveplo (S)
0.38 – 0.43%	0.70 – 0.90%	1.65 – 2.00%	0.20 – 0.30%	0.60 – 0.80%	0.15 – 0.35%	≤ 0,035% (največ)	≤ 0,040% (največ)

2. Mehanske lastnosti jekla 4340

Tipične mehanske lastnosti jekla 4340 po kaljenju v olju pri 845 °C (1550 °F) in popuščanju pri različnih temperaturah

Temperatura kaljenja	Natezna trdnost	Moč tečenja	Raztezek v 50 mm (2 in.)	Zmanjšanje površine	Trdota	Izod Impact Energy
205 °C (400 °F)	Pribl. 1980 MPa (287 ksi)	Pribl. 1860 MPa (270 ksi)	Približno 11%	Približno 39%	Pribl. 520 HB (≈ 53 HRC)	Približno 20 J (15 ft·lb)
425 °C (800 °F)	Pribl. 1500 MPa (217 ksi)	Pribl. 1365 MPa (198 ksi)	Približno 14%	Približno 48%	Pribl. 440 HB (≈ 46 HRC)	Približno 16 J (12 ft·lb)
650 °C (1200 °F)	Pribl. 1020 MPa (148 ksi)	Pribl. 860 MPa (125 ksi)	Približno 20%	Približno 60%	Pribl. 290 HB (≈ 31 HRC)	Približno 100 J (74 ft·lb)

3. 4340 jeklene aplikacije

• Zobniki, zobniki in gredi: Zaradi visoke trdnosti in žilavosti jekla 4340 se pogosto uporablja za izdelavo zobnikov in zobnikov, ki morajo prenesti velike količine navora in udarne obremenitve. Uporablja se tudi za izdelavo gredi za druge stroje, kjer sta bistvena odpornost na utrujenost in torzijsko obremenitev.
• Sestavni deli letal: Sposobnost toplotno obdelanega jekla 4340, da doseže visoko razmerje med trdnostjo in težo, omogoča uporabo v posebnih strukturah letal, kot so komponente podvozja in deli letalskega ogrodja, kjer okvara v ekstremnih pogojih ni možnost. Pomembno je omeniti, da moramo za letala zahtevati stroga testiranja in nadzor kakovosti, kot je prečno preskušanje mehanskih lastnosti.
• Avtomobilski deli: Nekatere aplikacije za jeklo 4340 lahko vključujejo avtomobilske dele z velikim povpraševanjem, kjer sta moč in vzdržljivost pomembni, kot so nekatere vrste osi in komponent vzmetenja.
• Orodja in matrice: Čeprav 4340 običajno ni primarno »orodno jeklo«, kot so visokoogljična ali hitrorezna jekla, je lahko njegova kombinacija trdnosti in žilavosti uporabna za nekatere aplikacije orodij, kot so prijemalne matrice in matrice za kovanje, predvsem za krajše proizvodne serije ali manj zahtevne storitve, kjer ekstremna odpornost proti obrabi ni najpomembnejša.
• Komponente naftne in plinske industrije: Zaradi dobre trdnosti in žilavosti je jeklo 4340 primerno tudi za nekatere sestavne dele naftne in plinske industrije, ki so v težkih okoljih in visoko obremenjenih delih. Na primer, lahko se uporablja v cevovodih in ventilih za zbiranje in rafiniranje nafte
• Uporaba ležajev: 52100 se pogosto uporablja za ležaje, toda za nekatere aplikacije z strožjo toleranco ali nižjo zmogljivostjo bi še vedno veljal 4340, zlasti v naogljičenem stanju, kjer je potrebno ravnovesje med trdnostjo in žilavostjo.
• Vijaki in pritrdilni elementi visoke trdnosti: Jeklo 4340 je zaradi svoje zmogljivosti za visoke ravni trdnosti, ki jih je mogoče doseči s toplotno obdelavo, kandidat za vijake in pritrdilne elemente visoke trdnosti v kritičnih ali visokoobremenjenih scenarijih.
• Stroji in strukturne komponente: 4340 se običajno uporablja kot strojno jeklo visoke trdnosti, čeprav se lahko uporablja tudi v številnih strukturnih in mehanskih komponentah, kjer se zahtevata zmerna do visoka trdnost in dobra žilavost. Primeri so lahko deli za težko opremo, industrijske stroje ali drugo visoko zahtevno inženirstvo.

4. Toplotna obdelava

4.1 Predgretje

Ta korak je koristen za omejitev toplotnega šoka jekla v naslednji visokotemperaturni stopnji avstenitizacije. Izboljša splošno enakomernost segrevanja in zmanjša možnost pokanja, zlasti na območjih komponent s kompleksno geometrijo ali različnimi prerezi. Za jeklo 4340 bi bila običajna temperatura predgretja 1200 °F (650 °C) za kratek čas, da se del segreje na enotno temperaturo. Ta korak lahko pomaga tudi pri sprostitvi nekaterih napetosti, povzročenih med predhodnimi proizvodnimi procesi, kot je strojna obdelava.

4.2 Avstenitizacija

Avstenitizacija je ključni postopek in je sestavljen iz segrevanja jekla na izbrano visoko temperaturo, ki je običajno v razponu od 1500 do 1575 °F (815 do 855 °C) in zadrževanja pri tej temperaturi dovolj časa namakanja, da omogoči mikrostrukturi pretvorbo 100% v avstenit. Debelina odsekov bo določila specifično temperaturo avstenitizacije in zadrževalno dobo. Cilj je doseči homogeno avstenitno strukturo pred naslednjo stopnjo.

4.3 Kaljenje

Po avstenitizaciji je treba jeklo dovolj hitro ohladiti, da se avstenit pretvori v martenzit, visoko trdno in pogosto krhko fazo. Kaljenje v olju je najpogostejša metoda za jeklo 4340 za doseganje dobrega ravnovesja trdote in zmanjšanje deformacij in razpok. Pri večjih odsekih (npr. s premerom večjim od 75 mm (3 in)) se lahko uporabi kaljenje z vodo, da se doseže utrjevanje, čeprav to močno poveča verjetnost razpok. Pomembno je omeniti, da se lahko ravnanje dela, če je potrebno zaradi popačenja med kaljenjem, pogosto izvede, medtem ko je temperatura jekla še vedno nad približno 400 °F (205 °C).

4.4 Kaljenje

Kaljeno jeklo 4340 ima popolnoma martenzitno strukturo, ki je običajno preveč krhka za večino inženirskih aplikacij. Po kaljenju je treba kaljeno jeklo popustiti, običajno s ponovnim segrevanjem na nižjo temperaturo, na splošno med 300 do 1300 °F (150 do 705 °C), in ga vzdrževati pri tej temperaturi določen čas (običajno vsaj 2 uri na palec prečnega prereza), preden se ohladi na sobno temperaturo. Kot smo že omenili, temperatura popuščanja neposredno vpliva na dosežene mehanske lastnosti. Na splošno nižje temperature popuščanja povzročijo večjo trdnost in trdoto, medtem ko višje temperature povzročijo večjo duktilnost in žilavost. Za nekatere aplikacije se včasih lahko uporabi dvojni temper.

4.5 Lajšanje stresa (neobvezno, priporočeno)

Za zmanjšanje preostalih napetosti zaradi strojne obdelave, oblikovanja ali varjenja razmislite o obdelavi za lajšanje napetosti pred postopkom kaljenja (da se izognete čezmernemu popačenju med kaljenjem) ali po kaljenju (vendar pod temperaturo popuščanja, da ne vplivate na trdoto popuščanja). Za jeklo bi bilo običajno temperaturno območje za sprostitev napetosti od 650 do 675 °C (1200 do 1250 °F), pri čemer je čas zadrževanja odvisen od debeline profila.

4.6 Obdelava pod ničlo (neobvezno)

Če je dimenzijska stabilnost izjemnega pomena, se komponente lahko po kaljenju in pred popuščanjem izpostavijo obdelavi pod ničlo (v hladilniku na -87 do -60 °C ali -125 do -75 °F), da se preostali avstenit pretvori v martenzit. Sledi popuščanje, da dobimo končne želene lastnosti in zmanjšamo krhkost novo nastalega martenzita.

5. Kakšna je razlika med jeklom 4140 in 4340?

Ključna razlika med 4140 in 4340 je v dodatku niklja v 4340, kar skupaj z nekoliko višjo vsebnostjo molibdena v nekaterih specifikacijah vodi do izboljšane kaljivosti, višje trdnosti in izboljšane žilavosti v primerjavi z 4140. Zaradi tega je 4340 bolj primeren za aplikacije z večjimi obremenitvami in večje velikosti komponent. Pri izbiri med obema je ključnega pomena upoštevati posebne zahteve glede mehanskih lastnosti in dimenzije dela v povezavi z lastnostmi kaljivosti vsakega razreda jekla.