Thép hợp kim 4130: Tính chất và ứng dụng

Thép hợp kim 4130 được phân loại là thép hợp kim thấp, cacbon trung bình theo hệ thống AISI. Tên gọi của nó làm nổi bật các nguyên tố hợp kim chính: crom (khoảng 1%) và molypden (khoảng 0,20%). Loại thép đa năng này mang đến sự kết hợp chắc chắn giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng hàn.

1. Thành phần hóa học của thép hợp kim 4130

Thành phần hóa học điển hình của thép 4130 (theo phần trăm trọng lượng) là:

• Cacbon (C):28-0.33% (Cung cấp sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo)
• Mangan (Mn):40-0.60% (Góp phần làm tăng độ cứng và độ bền)
• Silic (Si):20-0.35% (Hoạt động như chất khử oxy và có thể tăng cường độ)
• Crom (Cr):80-1.10% (Cải thiện khả năng làm cứng, chống ăn mòn và chống mài mòn)
• Molypden (Mo):15-0.25% (Tăng cường khả năng làm cứng và độ bền nhiệt độ cao và chống giòn do tôi luyện)
• Phốt pho (P) và Lưu huỳnh (S): Giữ ở mức thấp (thường tối đa 0,030-0,040% mỗi cái)
• Đồng (Cu): Có thể có (lên đến 0,35% trong một số thông số kỹ thuật)

2. Đặc điểm độ cứng

4130 là thép hợp kim tôi nước có độ cứng từ thấp đến trung bình. Điều này có nghĩa là để đạt được độ cứng hoàn toàn thông qua quá trình tôi cần phải cân nhắc cẩn thận về độ dày của tiết diện. Các tiết diện mỏng hơn hoặc môi trường tôi mạnh hơn (như nước) thường cần thiết hơn so với các loại thép có độ cứng cao hơn. Đường kính tới hạn lý tưởng (DI) minh họa cho điều này; ví dụ, nhiệt dung riêng với 0,29% C, 1,02% Cr và 0,15% Mo đã tính toán được DI là 68,3 mm (2,69 in.).

3. Xử lý nhiệt thép hợp kim 4130

AISI 4130 là loại thép hợp kim thấp, cacbon trung bình có tính linh hoạt cao, được biết đến với độ bền, độ dẻo dai và khả năng hàn. Các nguyên tố hợp kim chính của nó là crom và molypden. Để tận dụng tối đa khả năng của thép 4130 và điều chỉnh các tính chất cơ học của nó cho các ứng dụng cụ thể, thì việc xử lý nhiệt chính xác là điều cần thiết. Phản ứng của 4130 với các chu kỳ nhiệt khác nhau cho phép có một phổ rộng các đặc tính hiệu suất.

3.1 Các quy trình xử lý nhiệt phổ biến cho 4130

Dựa trên kinh nghiệm sâu rộng trong ngành và dữ liệu kỹ thuật, Aobo Steel phác thảo các phương pháp xử lý nhiệt chính áp dụng cho thép 4130:

3.1.1 Chuẩn hóa

• Khách quan: Để tinh chỉnh cấu trúc hạt của thép, cải thiện tính đồng nhất và tăng khả năng gia công sau khi rèn hoặc cán.
• Quá trình: Làm nóng thép đồng đều đến nhiệt độ từ 870°C đến 925°C (1600°F đến 1700°F). Khoảng nhiệt độ này xấp xỉ 55°C đến 85°C (100°F đến 150°F) trên nhiệt độ tới hạn trên (Ac3), đảm bảo chuyển đổi hoàn toàn thành austenit. Giữ ở nhiệt độ trong thời gian đủ để đảm bảo nhiệt thấm vào, thường là 1 giờ cho mỗi 25mm (1 inch) độ dày tối đa, với thời gian giữ tối thiểu thường được chỉ định. Làm nguội trong không khí tĩnh đến nhiệt độ phòng.
• Hậu chuẩn hóa: Thông thường, thép 4130 được tôi luyện ở nhiệt độ 480°C (900°F) hoặc cao hơn để đạt được yêu cầu về giới hạn chảy cụ thể.

3.1.2 Ủ

• Khách quan: Tạo ra trạng thái mềm nhất có thể cho thép 4130, tối đa hóa độ dẻo cho các hoạt động như tạo hình nguội hoặc gia công phức tạp.
• Quá trình: Làm nóng thép đến nhiệt độ từ 830°C đến 870°C (1525°F đến 1600°F). Giữ ở nhiệt độ đó trong thời gian tùy thuộc vào kích thước tiết diện hoặc tải lò. Quan trọng là làm nguội rất chậm trong lò, thường ở tốc độ không quá 15°C một giờ (30°F một giờ), xuống khoảng 480°C (900°F). Dưới nhiệt độ này, có thể tiếp tục làm nguội trong không khí. Việc làm nguội chậm có kiểm soát này thúc đẩy sự hình thành của một cấu trúc vi mô perlit mềm, thô.

3.1.3 Làm nguội và ram (làm cứng)

• Khách quan: Để phát triển độ bền, độ cứng và độ dẻo dai cao, điều kiện phổ biến nhất cho các ứng dụng kết cấu của 4130.
• Austenit hóa: Làm nóng thép đồng đều đến nhiệt độ austenit hóa thích hợp. Nhiệt độ này thường nằm trong khoảng từ 855°C đến 865°C (1575°F đến 1600°F), tùy thuộc vào thành phần chính xác và kích thước tiết diện. Giữ ở nhiệt độ đủ lâu để austenit hóa hoàn toàn.
• Làm nguội: Làm nguội nhanh thép từ nhiệt độ austenit hóa. Do khả năng làm cứng từ thấp đến trung bình của 4130, môi trường làm nguội (nước, dầu hoặc polyme) phải được lựa chọn cẩn thận dựa trên độ dày của phần cấu thành và các đặc tính cuối cùng mong muốn. Nước làm nguội nhanh hơn và độ cứng cao hơn ở các phần mỏng hơn nhưng làm tăng nguy cơ biến dạng. Làm nguội bằng dầu là phổ biến đối với các phần vừa phải. Đạt được tốc độ làm nguội tới hạn, đặc biệt là thông qua phạm vi biến đổi khoảng 540°C (1000°F), là điều cần thiết để có được cấu trúc martensitic hoàn toàn, đặc biệt là ở các phần dày hơn.
• Làm nguội: Làm nóng lại thép đã tôi (đã tôi cứng) đến nhiệt độ cụ thể dưới nhiệt độ tới hạn thấp hơn (Ac1). Nhiệt độ tôi luyện đối với 4130 thường nằm trong khoảng từ 205°C đến 705°C (400°F đến 1300°F). Giữ ở nhiệt độ tôi luyện (thường ít nhất 2 giờ), sau đó làm nguội (thường là trong không khí). Tôi luyện làm giảm độ giòn của martensit đã tôi và thiết lập sự cân bằng cuối cùng của độ cứng, độ bền và độ dai. Nhiệt độ tôi luyện thấp hơn tạo ra độ bền và độ cứng cao hơn, trong khi nhiệt độ cao hơn làm tăng độ dẻo và độ dai nhưng lại làm giảm độ bền.

3.2 Cân nhắc về khả năng tôi luyện

Độ cứng của thép 4130 là một yếu tố quan trọng. Nó mô tả khả năng cứng của thép thông qua mặt cắt ngang của nó trong quá trình tôi.

• Thép 4130 có khả năng làm cứng ở mức thấp đến trung bình so với các loại thép hợp kim cao hơn.
• Độ dày của phần: Độ cứng có thể đạt được và độ sâu của quá trình tôi cứng phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của thành phần. Các phần dày hơn nguội chậm hơn, đặc biệt là ở lõi, có khả năng dẫn đến cấu trúc vi mô kém đồng đều hơn và độ cứng lõi thấp hơn bề mặt.
• Đường kính tới hạn lý tưởng (DI): Giá trị tính toán này (ví dụ, ~68 mm hoặc ~2,7 inch đối với thành phần điển hình trong điều kiện lý tưởng) cho biết đường kính tối đa lý thuyết có thể được làm cứng đến tận tâm khi tôi hoàn toàn. Kết quả thực tế với quá trình tôi ít nghiêm trọng hơn (dầu, polyme) sẽ đạt được độ cứng ở độ sâu nông hơn.
• Mức độ làm nguội: Việc lựa chọn cẩn thận quy trình làm nguội là rất quan trọng để đạt được các đặc tính mong muốn mà không gây nứt hoặc biến dạng quá mức, đặc biệt khi so sánh với các loại thép có hàm lượng cacbon cao hơn như 4140, có khả năng làm cứng cao hơn nhưng cũng có nguy cơ nứt khi tôi nguội cao hơn.

3.3 Giảm căng thẳng

• Khách quan: Để giảm ứng suất bên trong gây ra bởi các quá trình sản xuất như gia công nặng, tạo hình nguội hoặc hàn, thường được thực hiện trước quá trình tôi luyện cuối cùng hoặc trên các bộ phận đã được chuẩn hóa/ủ.
• Quá trình: Làm nóng thép đồng đều đến nhiệt độ thường nằm trong khoảng từ 650°C đến 675°C (1200°F đến 1250°F). Giữ trong thời gian đủ lâu (ví dụ, 1 giờ cho mỗi inch độ dày), sau đó làm nguội chậm (thường là trong lò nung hoặc không khí).
• Lưu ý quan trọng: Nếu việc giảm căng thẳng được thực hiện sau đó Trong quá trình làm nguội và ram, nhiệt độ giải phóng ứng suất phải được giữ thấp hơn nhiệt độ ram ban đầu (thường thấp hơn ít nhất 15°C hoặc 25°F) để tránh ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc tính cơ học đã được thiết lập trước đó.

4. Tổng quan về tính chất cơ học

Các tính chất cơ học cuối cùng của thép 4130 phụ thuộc trực tiếp vào quá trình xử lý nhiệt được áp dụng. Các điều kiện tôi và ram cung cấp nhiều giá trị độ bền kéo, độ bền chảy, độ giãn dài và độ cứng có thể đạt được.

Điều quan trọng là phải xem xét hiệu ứng khối lượng: mặt cắt ngang lớn hơn sẽ nguội chậm hơn trong quá trình tôi, dẫn đến độ cứng và độ bền ở lõi thấp hơn so với bề mặt hoặc so với các mặt cắt nhỏ hơn được xử lý nhiệt tương tự.

Tính chất cơ học điển hình của thép 4130 đã qua xử lý nhiệt

Nhiệt độ tôi luyện		Độ bền kéo		Sức chịu lực		Độ giãn dài 50 mm (2 in.), %	Giảm Diện Tích, %	Độ cứng, HB	Năng lượng va chạm Izod
°C	°F	MPa	ksi	MPa	ksi				J	ft-lb
Nước đã được làm nguội và tôi luyện
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
Dầu được làm nguội và tôi luyện
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	—	—

Tác động của khối lượng đến tính chất điển hình của thép 4130 đã qua xử lý nhiệt

Kích thước thanh	Độ bền kéo	Sức chịu lực	Độ giãn dài 50 mm (2 in.), %	Giảm diện tích, %	Độ cứng bề mặt, HB
mm	MPa	ksi	MPa	ksi	%
25	1040	151	880	128	18
50	740	107	570	83	20
75	710	103	540	78	22

Nguồn: SỔ TAY ASM

5. Ứng dụng phổ biến

Nhờ hiệu suất đáng tin cậy, thép 4130 được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau:

• Linh kiện ô tô (ví dụ: trục)
• Các bộ phận kết cấu đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai tốt
• Trục, bánh răng và ổ trục cần có khả năng chống mỏi và mài mòn tốt (thường trong điều kiện tôi luyện)
• Các ứng dụng đòi hỏi độ dẻo dai cao (trong điều kiện hình cầu)
• Quá trình tôi luyện chùm tia điện tử

Mặc dù không được phân loại là thép công cụ chính, nhưng tính linh hoạt của nó khiến nó trở thành vật liệu phổ biến trong các kho dụng cụ.

6. Tiêu chuẩn quốc tế tương đương

Thép 4130 tương ứng với các ký hiệu trong một số tiêu chuẩn quốc tế:

• Tiêu chuẩn ASTM: A322, A29/A29M
• SAE: J404
• JIS (Nhật Bản): SCM 425, SCM 430