4130 Alaşımlı Çelik: Özellikler ve Uygulamalar

4130 alaşımlı çelik, AISI sistemine göre orta karbonlu, düşük alaşımlı çelik olarak sınıflandırılır. Tanımı, birincil alaşım elementlerini vurgular: krom (yaklaşık 1%) ve molibden (yaklaşık 0.20%). Bu çok yönlü çelik, sağlamlık, tokluk ve kaynaklanabilirliğin sağlam bir kombinasyonunu sunar.

1. 4130 alaşımlı çelik Kimyasal Bileşim

4130 çeliğinin tipik kimyasal bileşimi (ağırlık yüzdesi olarak) şöyledir:

• Karbon (C):28-0.33% (Dayanıklılık ve süneklik arasında denge sağlar)
• Manganez (Mn):40-0.60% (Sertleşebilirliğe ve mukavemete katkıda bulunur)
• Silisyum (Si):20-0.35% (Deoksidan görevi görür ve mukavemeti artırabilir)
• Krom (Cr):80-1.10% (Sertleşebilirliği, korozyon direncini ve aşınma direncini artırır)
• Molibden (Mo):15-0.25% (Sertleştirilebilirliği ve yüksek sıcaklık dayanımını artırır ve temperleme gevrekleşmesine karşı koyar)
• Fosfor (P) ve Kükürt (S): Düşük tutulur (genellikle her biri maksimum 0.030-0.040%)
• Bakır (Cu): Mevcut olabilir (bazı özelliklerde 0.35%'ye kadar)

2. Sertleştirilebilirlik Özellikleri

4130, düşük ila orta sertleştirilebilirliğe sahip su sertleştirme alaşımlı bir çeliktir. Bu, söndürme yoluyla tam sertliğe ulaşmanın kesit kalınlığının dikkatli bir şekilde değerlendirilmesini gerektirdiği anlamına gelir. Genellikle daha yüksek sertleştirilebilirliğe sahip çeliklerden daha ince kesitler veya daha agresif söndürme ortamları (su gibi) gerekir. İdeal kritik çap (DI) bunu gösterir; örneğin, 0,29% C, 1,02% Cr ve 0,15% Mo'luk bir özgül ısı, 68,3 mm'lik (2,69 inç) bir DI hesapladı.

3. 4130 Alaşımlı Çeliklerin Isıl İşlemi

AISI 4130, mukavemeti, tokluğu ve kaynaklanabilirliği ile bilinen, oldukça çok yönlü, orta karbonlu, düşük alaşımlı bir çeliktir. Başlıca alaşım elementleri krom ve molibdendir. 4130 çeliğinin yeteneklerinden tam olarak yararlanmak ve mekanik özelliklerini belirli uygulamalara göre uyarlamak için hassas ısıl işlem şarttır. 4130'un çeşitli termal döngülere verdiği yanıt, geniş bir performans özellikleri yelpazesine olanak tanır.

3.1 4130 için Yaygın Isıl İşlem Prosesleri

Aobo Steel, kapsamlı sektör deneyimi ve teknik verilere dayanarak, 4130 çeliğine uygulanabilen birincil ısıl işlemleri şöyle özetlemektedir:

3.1.1 Normalleştirme

• Amaç: Çeliğin tane yapısını iyileştirmek, düzgünlüğünü artırmak ve dövme veya haddeleme sonrası işlenebilirliğini iyileştirmek.
• İşlem: Çeliği 870°C ile 925°C (1600°F ile 1700°F) arasındaki bir sıcaklığa eşit şekilde ısıtın. Bu aralık, üst kritik sıcaklığın (Ac3) yaklaşık 55°C ile 85°C (100°F ile 150°F) üzerindedir ve ostenite tam dönüşümü sağlar. Genellikle maksimum kalınlığın her 25 mm'si (1 inç) için 1 saat olmak üzere, ısı nüfuzunu sağlamak için yeterli süre boyunca bu sıcaklıkta tutun ve genellikle belirtilen bir minimum tutma süresi kullanın. Durgun havada oda sıcaklığına soğutun.
• Post-Normalleştirme: Belirli akma dayanımı gereksinimlerini karşılamak için normalize edilmiş 4130 çeliğinin 480°C (900°F) veya daha yüksek sıcaklıklarda temperlenmesi yaygın bir uygulamadır.

3.1.2 Tavlama

• Amaç: 4130 çeliğinin mümkün olan en yumuşak koşulunu elde etmek, soğuk şekillendirme veya karmaşık işleme gibi işlemler için sünekliği en üst düzeye çıkarmak.
• İşlem: Çeliği 830°C ile 870°C (1525°F ile 1600°F) arasındaki bir sıcaklığa ısıtın. Kesit boyutuna veya fırın yüküne bağlı olarak bir süre bu sıcaklıkta tutun. Kritik olarak, fırın içinde çok yavaş bir şekilde soğutun, tipik olarak saatte 15°C'yi (saatte 30°F) aşmayan bir hızda, yaklaşık 480°C'ye (900°F) kadar. Bu sıcaklığın altında, soğutma havada devam edebilir. Bu kontrollü yavaş soğutma, yumuşak, kaba bir perlit mikro yapısının oluşumunu destekler.

3.1.3 Söndürme ve Tavlama (Sertleştirme)

• Amaç: 4130'un yapısal uygulamalarda en sık karşılaşılan koşulu olan yüksek mukavemet, sertlik ve tokluğu geliştirmek.
• Austenitleme: Çeliği uygun ostenitleme sıcaklığına eşit şekilde ısıtın. Bu, tam bileşime ve kesit boyutuna bağlı olarak genellikle 855°C ile 865°C (1575°F ila 1600°F) arasındadır. Tam ostenitleme için yeterince uzun süre bu sıcaklıkta tutun.
• Söndürme: Çeliği ostenitleme sıcaklığından hızla soğutun. 4130'un düşük ila orta sertleştirilebilirliği nedeniyle, söndürme ortamı (su, yağ veya polimer) bileşenin kesit kalınlığına ve istenen son özelliklere göre dikkatlice seçilmelidir. Su, daha ince kesitlerde daha hızlı soğutma ve daha yüksek sertlik sağlar ancak bozulma riskini artırır. Yağ söndürme, orta kesitler için yaygındır. Özellikle 540°C (1000°F) civarındaki dönüşüm aralığı boyunca kritik soğutma hızına ulaşmak, özellikle daha kalın kesitlerde tam martensitik bir yapı elde etmek için hayati önem taşır.
• Tavlama: Söndürülmüş (sertleştirilmiş) çeliği, alt kritik sıcaklığın (Ac1) altındaki belirli bir sıcaklığa tekrar ısıtın. 4130 için temperleme sıcaklıkları genellikle 205°C ila 705°C (400°F ila 1300°F) arasındadır. Temperleme sıcaklığında tutun (genellikle en az 2 saat), sonra soğutun (genellikle havada). Temperleme, söndürülmüş martensitin kırılganlığını azaltır ve sertlik, mukavemet ve tokluğun nihai dengesini oluşturur. Daha düşük temperleme sıcaklıkları daha yüksek mukavemet ve sertlik sağlarken, daha yüksek sıcaklıklar mukavemet pahasına sünekliği ve tokluğu artırır.

3.2 Sertleştirilebilirlik Hususları

4130 çeliğinin sertleştirilebilirliği kritik bir faktördür. Bu, çeliğin söndürme sırasında kesiti boyunca sertleşme yeteneğini tanımlar.

• 4130, yüksek alaşımlı çeliklere kıyasla düşük ila orta sertleştirilebilirliğe sahiptir.
• Kesit Kalınlığı: Elde edilebilir sertlik ve sertleştirme derinliği büyük ölçüde bileşenin boyutuna bağlıdır. Daha kalın kesitler, özellikle çekirdekte daha yavaş soğur ve bu da potansiyel olarak daha az düzgün bir mikro yapıya ve yüzeyden daha düşük çekirdek sertliğine neden olur.
• İdeal Kritik Çap (DI): Bu hesaplanan değer (örneğin, ideal koşullar altında tipik bir bileşim için ~68 mm veya ~2,7 inç), mükemmel bir söndürme altında merkeze kadar sertleştirilebilecek teorik maksimum çapı gösterir. Daha az şiddetli söndürmelerle (yağ, polimer) pratik sonuçlar, daha sığ derinliklere kadar sertleşmeyi sağlayacaktır.
• Söndürme Şiddeti: Çatlama veya aşırı bozulmaya neden olmadan istenen özellikleri elde etmek için söndürme işleminin dikkatli bir şekilde seçilmesi hayati önem taşır, özellikle de aşağıdaki gibi daha yüksek karbonlu çeliklerle karşılaştırıldığında: 4140, daha fazla sertleştirilebilirliğe sahip olmakla birlikte, aynı zamanda söndürme çatlağı riski daha yüksektir.

3.3 Stresi Azaltma

• Amaç: Ağır işleme, soğuk şekillendirme veya kaynak gibi üretim süreçlerinin neden olduğu iç gerilimleri azaltmak için sıklıkla gerçekleştirilir önce son sertleştirme veya normalize edilmiş/tavlanmış parçalarda.
• İşlem: Çeliği genellikle 650°C ile 675°C (1200°F ile 1250°F) arasındaki bir sıcaklığa eşit şekilde ısıtın. Yeterli süre tutun (örneğin, her inç kalınlık için 1 saat), ardından yavaş bir soğutma yapın (genellikle fırında veya havada).
• Önemli Not: Eğer stres giderici yapılırsa sonrasında Söndürme ve temperlemede, gerilim giderme sıcaklığı, daha önce belirlenmiş mekanik özelliklerin olumsuz etkilenmesini önlemek için orijinal temperleme sıcaklığının altında (genellikle en az 15°C veya 25°F daha düşük) tutulmalıdır.

4. Mekanik Özelliklere Genel Bakış

4130 çeliğinin nihai mekanik özellikleri doğrudan uygulanan ısıl işleme bağlıdır. Söndürülmüş ve temperlenmiş koşullar, geniş bir yelpazede elde edilebilir çekme dayanımı, akma dayanımı, uzama ve sertlik değerleri sunar.

Kütle etkisini hesaba katmak önemlidir: daha büyük kesitler, söndürme sırasında daha yavaş soğur ve bu da çekirdekte yüzeye veya aynı ısıl işlemi gören daha küçük kesitlere kıyasla daha düşük sertlik ve mukavemete neden olur.

Isıl işlem görmüş 4130 çeliğin tipik mekanik özellikleri

Tavlama Sıcaklığı		Çekme Dayanımı		Akma Dayanımı		50 mm (2 inç) cinsinden uzama, %	Alanda Azalma, %	Sertlik, HB	İzod Etki Enerjisi
°C	°F	MPa	ksı	MPa	ksı				J	ft-lb
Su ile söndürülmüş ve temperlenmiş
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
Yağla söndürülmüş ve temperlenmiş
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	—	—

Kütlenin ısıl işlem görmüş 4130 çeliğinin tipik özellikleri üzerindeki etkileri

Bar boyutu	Çekme dayanımı	Verim gücü	50 mm (2 inç) cinsinden uzama, %	Alanda azalma, %	Yüzey sertliği, HB
mm	MPa	ksı	MPa	ksı	%
25	1040	151	880	128	18
50	740	107	570	83	20
75	710	103	540	78	22

Kaynak: ASM EL KİTABI

5. Ortak Uygulamalar

Güvenilir performans profili sayesinde 4130 çeliği çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır:

• Otomotiv bileşenleri (örneğin akslar)
• İyi mukavemet ve tokluk gerektiren yapısal parçalar
• İyi yorulma ve aşınma direncine ihtiyaç duyan miller, dişliler ve yataklar (genellikle temperlenmiş koşullarda)
• Yüksek tokluk gerektiren uygulamalar (küreselleştirilmiş koşullarda)
• Elektron ışını sertleştirme işlemleri

Birincil takım çeliği olarak sınıflandırılmasa da, çok yönlülüğü onu takımhanelerde yaygın bir malzeme haline getirir.

6. Uluslararası Standartlar Eşdeğerleri

4130 çeliği çeşitli uluslararası standartlardaki tanımlamalara karşılık gelmektedir:

• ASTM: A322, A29/A29M
• SAE: J404
• JIS (Japonya): SCM425, SCM430