4140 çelik teknik genel bakış

4140 çeliği, çok yönlü orta karbonlu düşük alaşımlı bir çeliktir. Başlıca alaşım elementleri olarak krom ve molibden içerir. Bu çelik, söndürme ve temperleme gibi ısıl işlem süreçleriyle yüksek mukavemet ve sertlik elde etmesini sağlayan iyi sertleştirilebilirliğiyle bilinir. Şaftlar, dişliler ve diğer makine bileşenleri gibi mukavemet ve tokluk arasında iyi bir denge gerektiren uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Yumuşatma için tavlama, iyileştirilmiş mikro yapı ve orta mukavemet için normalleştirme ve istenen mekanik özellikleri elde etmek için sertleştirme ve ardından temperleme dahil olmak üzere çeşitli ısıl işlemlere tabi tutulabilir.

1. Kimyasal bileşim

Karbon (C)	Manganez (Mn)	Fosfor (P)	Sülfür (S)	Silisyum (Si)	Krom (Cr)	Molibden (Mo)
0.38% – 0.43%	0.75% – 1.00%	≤ 0,035% (maks)	≤ 0,040% (maks)	0.15% – 0.35%	0.80% – 1.10%	0.15% – 0.25%

2. Uygulamalar

Özelliklerine dayanarak, 4140 çeliği iyi sertleştirilebilirliği, yüksek mukavemet ve sertlik potansiyeli ve uygun şekilde ısıl işlem gördüğünde makul bir tokluk seviyesi nedeniyle çeşitli zorlu mühendislik bileşenlerinde uygulamalar bulur. İşte bu özelliklere dayalı uygulamaların bir dökümü:

2.1 Yüksek Mukavemet ve Sertlik Gerektiren Bileşenler (Söndürme ve Tavlama ile Elde Edilen):

• Krank milleri gibi araba motorları ve makinelerinin statik ve dinamik olarak yüklenen parçaları. Sertleştirmeden sonra elde edilen yüksek sertlik, bu zorlu uygulamalar için uygun hale getirir.
• Rafine edildikten sonra yüksek mukavemet elde edilebilen büyük kesitli makine parçaları. İyi sertleştirilebilirliği, önemli kalınlıklarda tam sertleştirmeye olanak tanır.
• Mukavemet ve tokluğun dengelenmesinin gerekli olduğu orta-şiddetli servis koşulları için bileşenler.
• Gerekli mukavemeti ve aşınma direncini elde etmek için tam sertleştirmeye ihtiyaç duyan dişliler.
• Yüksek mukavemet ve tokluğun kritik önem taşıdığı çeşitli mühendislik uygulamalarındaki pimler ve miller. Daha yüksek görev uygulamaları için, 100-140 kgf/mm² aralığında çekirdek mukavemetleri elde etmek için sertleştirilebilir ve temperlenebilir.
• Parçaların aşınmaya karşı dayanıklı olması, alev ve indüksiyon sertleştirme gibi yüzey sertleştirme tekniklerine uygun olmasını sağlar.
• Mukavemetinden ve sertleştirilebilirliğinden yararlanılarak aks gibi yüksek talep gören otomobil parçaları.
• Isıl işlem sonrası mukavemeti avantajlı olan genel ve yapısal uygulamalara yönelik alaşımlı çelik borular.
• Çeşitli mühendislik amaçlarına yönelik çubuklar ve dövme parçalar genellikle belirli mukavemet seviyelerine kadar ısıl işleme tabi tutulur.

2.2 Yüzey Sertliği ve Aşınma Direnci Gerektiren Bileşenler (Nitrürleme veya Endüksiyon Sertleştirme ile Elde Edilen):

• Derin bir kasa ve 60 HRC'nin altında yüzey sertliği gerektiren dişliler 4140 çelikten üretilebilir ve nitrürleme işlemine tabi tutulabilir.
• Dişliler ve diğer bileşenler, sert ve aşınmaya dayanıklı bir yüzey tabakası elde etmek için indüksiyonla sertleştirmeden faydalanırlar.

2.3 Takım Uygulamaları:

Öncelikle bir takım çeliği olarak kabul edilmese de 4140, orta düzeyde sertleştirilebilirlik ve iyi mukavemet ve tokluk gerektiren çeşitli uygulamalar için takımhanede popülerdir.

3. Fiziksel özellikler

3.1 4140 Çeliklerin Çekme Dayanımı

Durum	Çekme Dayanımı (MPa)	Çekme Dayanımı (ksi)
Tavlanmış	434-620	63-90
Normalleştirilmiş	Karbon içeriğine bağlı olarak 483 ile 690 arasında değişebilir	Karbon içeriğine bağlı olarak 70.0 ile 100.0 arasında değişebilir
205 °C'de (400 °F) Söndürülmüş ve Temperlenmiş	1965-1980	285-287
Söndürülmüş ve Temperlenmiş @ 425 °C (800 °F)	1450-1500	210-217
540 °C'de (1000 °F) Söndürülmüş ve Temperlenmiş	1140-1240	165-180
650 °C'de (1200 °F) Söndürülmüş ve Temperlenmiş	900-1020	130-148
Soğuk Çekilmiş ve Tavlanmış	Yaklaşık 620-703	Yaklaşık 90-102
1000°F (540 °C) sıcaklıkta çekilmiştir	Yaklaşık 903-1054	Yaklaşık 131-153

3.2 4140 Çelik Akma Dayanımı (0.2% Ofset)

Durum	Akma Dayanımı (MPa)	Akma Dayanımı (ksi)
Tavlanmış	Karbon içeriğine bağlı olarak yaklaşık 201-434	Karbon içeriğine bağlı olarak yaklaşık 29.1-63
Normalleştirilmiş	Karbon içeriğine bağlı olarak 247 ile 355 arasında değişebilir	Karbon içeriğine bağlı olarak 35,8 ile 51,5 arasında değişebilir
205 °C'de (400 °F) Söndürülmüş ve Temperlenmiş	1740-1860	252-270
Söndürülmüş ve Temperlenmiş @ 425 °C (800 °F)	1340-1365	195-198
540 °C'de (1000 °F) Söndürülmüş ve Temperlenmiş	985-1160	143-168
650 °C'de (1200 °F) Söndürülmüş ve Temperlenmiş	790-860	114-125
Soğuk Çekilmiş ve Tavlanmış	Yaklaşık 620-703	Yaklaşık 90-102
1000°F (540 °C) sıcaklıkta çekilmiştir	Yaklaşık 903-1054	Yaklaşık 131-153

3.3 4140 Çeliklerin Süneklik Özellikleri (Alan Uzaması ve Azalması)

Mülkiyet	Durum	Değer
Uzama (50 mm/2 inç)	Tavlanmış	Genellikle 18-27% civarında
Uzama (50 mm/2 inç)	Söndürülmüş ve Temperlenmiş	Artan temperleme sıcaklığıyla azalır. Örneğin, 11% (205 °C/400 °F'de) ile 23% (705 °C/1300 °F'de) arasında değişebilir
Alanda Azalma	Söndürülmüş ve Temperlenmiş	Genellikle temperleme sıcaklığına bağlı olarak 39% ile 65% arasında değişir

3.4 4140 Çelik Sertliği

Durum	Sertlik Değeri
Tavlanmış	Yaklaşık 185 HB
Söndürülmüş	Yaklaşık 601 HB'ye ulaşabilir
Söndürülmüş ve Temperlenmiş	Tavlama sıcaklığına bağlı olarak büyük ölçüde değişir; 205 °C'de (400 °F) yaklaşık 578 HB'den (~53 HRC) 705 °C'de (1300 °F) 235 HB'ye (~24 HRC) kadar düşer

3.5 4140 Çeliklerin Darbe Dayanımı

Mülkiyet	Durum	Gözlem / Değer
Darbe Gücü	Söndürülmüş ve Temperlenmiş	Temperleme sıcaklığının artmasıyla artar.
İzod Etki Enerjisi	Söndürülmüş ve Temperlenmiş	Örneğin, Izod darbe enerjisi 205 °C'de (400 °F) 15 J (11 ft·lb) ile 705 °C'de (1300 °F) 136 J (100 ft·lb) arasında değişebilir.
Charpy V çentiği	Söndürülmüş ve Temperlenmiş	Değerler de [İzod'a] benzer bir eğilim gösteriyor.

3.6 4140 Çeliklerin Yorulma Dayanımı

Durum	Gözlem / Değer
Genel	Yorulma yüküne maruz kalan makine parçalarında çentik ve geçişlere karşı hassastır.
Söndürülmüş ve Temperlenmiş (Sertlik 46-50 HRC)	Dönen bükme altında yorulma dayanımı 270 MPa (39 ksi) civarında olabilir.
Shot Peened (Q&T'den sonra)	Bilyalı püskürtme, yorulma dayanımını önemli ölçüde artırabilir.

3.7 4140 Çeliklerin Diğer Mekanik Özellikleri

Mülkiyet	Durum	Değer
Elastik Modül	Tansiyon	Yaklaşık 115 GPa (17 × 10⁶ psi)
Kesme Dayanımı	H04 temper çubuğu	Çapına bağlı olarak 200-205 MPa (29-32 ksi) arasında değişebilir.

4. Isıl işlem

4.1 Tavlama: Bu işlem çeliği yumuşatmak, işlenebilirliği iyileştirmek ve iç gerilimleri gidermek için kullanılır. 4140 çeliğini tavlamanın genel adımları şunlardır:

• Isıtma: 4140 çeliğini 830 ila 870 °C'ye (1525 ila 1600 °F) ısıtın ve tüm kesitte eşit ısıtma sağlayın. Alaşımlı çelikler için termal gerilimleri en aza indirmek için genellikle yavaş ısıtma önerilir3.
• Bekletme (Islatma): Bu sıcaklığı yeterli bir süre boyunca koruyun. Bekletme süresi genellikle parçanın kesit kalınlığına veya fırın yüküne bağlıdır.
• Soğutma: Çeliği fırında yaklaşık 15 °C/saat (30 °F/saat) hızında yavaşça 480 °C'ye (900 °F) kadar soğutun, ardından oda sıcaklığına kadar hava soğutması yapın. Bu yavaş soğutma daha yumuşak bir mikro yapının oluşmasını sağlar. Tavlamadan sonra elde edilebilecek maksimum sertlik yaklaşık 197 HB4'tür. Belirli bir sıcaklık aralığına kontrollü soğutma ve son soğutmadan önce tutmayı içeren izotermal tavlama yöntemleri de baskın olarak perlitik bir yapı elde etmek için kullanılabilir.

4.2 Normalleştirme: Bu işlem tane yapısını iyileştirir, düzgünlüğü iyileştirir ve tavlanmış duruma kıyasla mukavemeti ve sertliği artırır. Adımlar şunlardır:

• Isıtma: 4140 çeliğini 845 ila 925 °C (1550 ila 1700 °F) sıcaklık aralığına ısıtın, bu da üst dönüşüm sıcaklığının yaklaşık 55 ila 85 °C (100 ila 150 °F) üzerindedir. Bu, ostenite tam dönüşümü garanti eder. Belirli bir normalleştirme sıcaklığı için, bu aralığa denk gelen 1600 °F'den (yaklaşık 870 °C) bahsettiniz.
• Tutma: Bu sıcaklıkta en az 1 saat veya 25 mm (1 inç) maksimum kesit kalınlığı başına 15 ila 20 dakika tutun. Bu, homojen ostenit oluşumuna olanak tanır.
• Soğutma: Çeliği durgun havada oda sıcaklığına soğutun. Tavlamaya kıyasla daha hızlı soğutma hızı, daha ince bir perlitik yapı ve daha yüksek sertlik ile sonuçlanır.

1600 °F (870 °C) sıcaklıkta normalize edilen 4140 çeliği, dövülmüş veya sıcak haddelenmiş haline kıyasla mukavemet ve sertliğini artıran rafine bir tane yapısı sergileyecektir. Fabrikanızın özel uygulamaları için nihai istenen mekanik özellikleri elde etmek üzere sonraki sertleştirme ve temperlemeden önce yaygın bir hazırlık ısıl işlemi görevi görür. Normalizasyondan sonraki kesin sertlik, parçanın boyutlarına ve elde edilen soğutma hızına bağlı olacaktır. Bu normalize edilmiş durumun genellikle ara bir adım olduğunu ve temperleme gibi daha fazla ısıl işlemin, genellikle amaçlanan servis koşulları için mukavemet, süneklik ve tokluk dengesini optimize etmek için gerekli olduğunu unutmayın.

4.3 Sertleştirme (Söndürme): Bu işlem sert martensitik bir yapı elde etmeyi amaçlar. Şunları içerir:

• Ön Isıtma (İsteğe Bağlıdır ancak Önerilir): 4140 çeliği için, özellikle karmaşık şekiller için, termal şoku azaltmak ve bozulmayı en aza indirmek amacıyla, yaklaşık 650 °C'de (1200 °F) 10 ila 15 dakika ön ısıtma yapmak faydalı olabilir.
• Austenitleme: Çeliği, genellikle 845 ila 925 °C (1550 ila 1700 °F) aralığında olan ostenitleme sıcaklığına ısıtın. Bazı kaynaklar 855 °C (1575 °F) sıcaklık belirtir. Bu sıcaklıkta, ostenite tam dönüşümü sağlamak için yeterli bir ıslatma süresi tutun; bu, kesit kalınlığına bağlıdır (örneğin, ostenitleme sıcaklığına ulaştıktan sonra en küçük kesitin her bir inç'i için 5 dakika ekleyin). Aşırı ıslatma, özellikle daha yüksek sıcaklıklarda, istenmeyen ostenit tane büyümesine yol açabilir.
• Söndürme: Çeliği uygun bir söndürme maddesinde ostenitleme sıcaklığından hızla soğutun. 4140 çeliği için, su gibi daha hızlı söndürme maddeleriyle ilişkili çatlama riskini en aza indirirken sertleştirme elde etmek için en yaygın ve önerilen yöntem yağ söndürmedir. Ancak, sertleştirilebilirlik gereksinimlerine bağlı olarak daha büyük bölümler için su söndürme kullanılabilir. Söndürmenin etkinliği söndürme maddesi sıcaklığına bağlıdır. 1600 °F'de tavlanmış 4140 çeliği alır ve ardından uygun ostenitleme sıcaklığından yağ söndürme yaparsanız, martensitin yüksek sertlik ve mukavemet karakteristiğine ulaşırsınız, ancak malzeme düşük süneklik ve toklukla kırılgan olur. Çoğu mühendislik uygulaması için daha sonra bir tavlama işlemi gerekli olacaktır.

4.4 Temperleme: Sertleştirilmiş martensit genellikle gevrektir ve iç gerilimler içerir. Tavlama, gevrekliği azaltmak, bu gerilimleri gidermek ve yeterli sertlik ve mukavemeti korurken tokluğu iyileştirmek için yapılır. Adımlar şunlardır:

• Isıtma: Söndürülmüş çeliği, her zaman ostenitleme sıcaklığının altında olan belirli bir tavlama sıcaklığına kadar tekrar ısıtın. 4140 çeliği için tavlama sıcaklığı, istenen mekanik özelliklere bağlı olarak genellikle 205 ila 705 °C (400 ila 1300 °F) arasında değişir. Çatlamayı önlemek için, parçalar söndürmeden sonra 52 ila 65 °C'ye (125 ila 150 °F) ulaşır ulaşmaz tavlamanın yapılması kritik önem taşır. Mavi kırılganlığı önlemek için 4140 çeliği için genellikle 230 ila 370 °C (450 ve 700 °F) arasında tavlamadan kaçınılır.
• Tutma: Belirli bir süre boyunca temperleme sıcaklığında tutma, tipik olarak 1 ila 2 saat18 veya 2 saat her bir inç (25 mm) kesit için. Bu, karbon ve alaşım elementlerinin difüzyonuna ve istenen özelliklere sahip temperlenmiş martensit oluşumuna olanak tanır.
• Soğutma: Havada veya su veya yağda söndürme yoluyla oda sıcaklığına soğutun. Temperlemeden sonraki soğutma hızı genellikle kritik değildir. Genellikle, biraz daha düşük bir sıcaklıkta ikinci bir temperleme döngüsü kullanılabilir.

4.5 Küreselleştirme: Bu, ferritik bir matriste küresel karbürlerin bir mikro yapısını üreten ve maksimum yumuşaklık ve gelişmiş şekillendirilebilirlik ile sonuçlanan özel bir tavlama işlemidir. 4140 çeliği için bu, 760 ila 775 °C'ye (1400 ila 1425 °F) ısıtılarak ve 4 ila 12 saat bekletilerek ve ardından yavaşça soğutularak elde edilebilir.

4.6 Yüzey Sertleştirme:Daha sert bir çekirdeği korurken aşınma direncini artırmak için 4140 çeliği şu gibi yüzey sertleştirme işlemlerine tabi tutulabilir:

• Endüksiyon Sertleştirme: Bu, bir endüksiyon bobini kullanılarak yüzey tabakasının hızla ostenitleme sıcaklığına ısıtılmasını ve ardından söndürülmesini içerir. Bu, sert bir yüzey kılıfı oluşturur. Endüksiyon sertleştirmesinden sonra genellikle tavlama yapılır.
• Nitrürleme: Bu, çeliğin yüzeyine nispeten düşük sıcaklıklarda nitrojen sokan, sert nitrür bileşikleri oluşturan ve aşınma ve yorulma direncini artıran bir termokimyasal işlemdir. Nitrürlemeden önce genellikle temperleme yapılır.

5. 4140 Vs D2 çeliği

• 4140 çelik, orta düzeyde aşınma direnciyle iyi bir güç ve tokluk dengesi gerektiren yapısal ve makine bileşenleri için iş gücünüzdür. Yüzey sertleştirme dahil olmak üzere çeşitli ısıl işlemlerle çok yönlülük sunar.
• D2 çelik sertleştirme sırasında yüksek aşınma direnci ve boyutsal kararlılık gerektiren takımlama uygulamaları için tercihinizdir. Daha yüksek karbon ve krom içeriği, aşınma direnci için gerekli sert karbürleri sağlar, ancak bu, 4140'a kıyasla daha düşük tokluk pahasına gelir.
• Özetle, 4140 yüksek mukavemet ve tokluğa ihtiyaç duyan makine parçaları için muhtemelen daha iyi bir seçimdir. Aşınmaya ve yıpranmaya karşı olağanüstü direnç gerektiren takımlarla uğraşıyorsanız, D2 çeliği daha uygun olacaktır.

6. 4140 ve 4130 çelik

• 4140 çeliği, 4130'a kıyasla ısıl işlemden sonra daha yüksek karbon içeriğine sahiptir ve bu da daha fazla sertleştirilebilirlik, mukavemet ve sertlik sağlar. Genellikle yağda söndürülür.
• 4130 çeliği daha düşük karbon içeriğine sahiptir, bu da daha düşük ila orta sertleştirilebilirliğe ve benzer ısıl işlemlerden sonra genellikle 4140'tan daha düşük mukavemet ve sertliğe yol açar. Genellikle su ile söndürülür.
• Özetle, daha yüksek mukavemet önemliyse, 4140 genellikle tercih edilen seçimdir. Potansiyel olarak daha iyi kaynaklanabilirlik veya işlenebilirlik ile orta mukavemet yeterliyse ve kesit boyutu sertleştirme için önemli bir kısıtlamaysa, 4130 düşünülebilir.

7. Temperleme Sıcaklığının 4140 Çelik Özellikleri Üzerindeki Etkisi

8. 7075 kütük alüminyum ve 4140 çelik

• 4140 çelik kütüğü, 7075 alüminyumdan daha yüksek mukavemet ve sertlik potansiyelinin yanı sıra iyi tokluk sunar. Ayrıca daha yoğundur ve daha kolay kaynaklanabilir (önlemlerle). Optimum özelliklerine ulaşmak için ısıl işlem gerektirir ve korozyona karşı hassastır.
• 7075 alüminyum kütüğü, yüksek mukavemetle önemli ölçüde daha düşük bir yoğunluk sağlar ve bu da onu ağırlığa duyarlı uygulamalarda avantajlı hale getirir. İyi bir korozyon direncine sahiptir ancak genellikle kaynaklanması daha zordur. Mukavemeti, belirli ısıl işlem temperlemeleriyle elde edilir.

9. Bıçaklar için 4140 çelik

4140 çeliği, bir bıçak ağzı için gerekli sertliği elde etmek için ısıyla işlenebilir, ancak paslanmazlık özelliğinin olmaması onu çatal bıçak takımı için özel olarak tasarlanmış çeliklerden daha az geleneksel bir seçim haline getirir. Korozyona dayanıklı bir bıçağa ihtiyacınız varsa, paslanmaz çelik alaşımlarını keşfetmeniz daha iyi olur. Güç ve tokluk birincil gerekliliklerse ve korozyon yönetilebiliyorsa, 4140 düşünülebilir, ancak ısıl işleme dikkat etmek çok önemli olacaktır.