4140 Thép hợp kim | 42CRMO4 | SCM440

AOBO STEEL - Nhà cung cấp thép công cụ toàn cầu đáng tin cậy

Thép hợp kim 4140 là thép hợp kim Cr-Mo đa năng có độ bền, độ dẻo dai và khả năng làm cứng tốt, phù hợp với các điều kiện sử dụng khắc nghiệt vừa phải sau khi xử lý nhiệt thích hợp. Nó được phân loại với Crom và Molypden là các nguyên tố hợp kim chính.

1. Thành phần hóa học của thép hợp kim 4140

Cacbon (C): Phạm vi từ 0,38% đến 0,43%. Hàm lượng carbon cao hơn so với thép 4130 góp phần làm tăng khả năng tôi luyện và độ bền của thép.
Mangan (Mn): Thông thường trong phạm vi từ 0,75% đến 1,00%.
Silic (Si): Thông thường nằm trong khoảng từ 0,15% đến 0,35%.
Crom (Cr): Phạm vi từ 0,80% đến 1,10%. Một số tiêu chuẩn có thể hiển thị phạm vi từ 0,90% đến 1,20%.
Molypden (Mo): Nói chung là 0,15% đến 0,25%. Các tiêu chuẩn khác có thể liệt kê 0,15% đến 0,30%. Molypden giúp tạo ra cấu trúc vi mô mịn mong muốn sau khi gia công nóng và xử lý nhiệt.
Phốt pho (P): Tối đa 0,035%.
Lưu huỳnh (S): Tối đa là 0,040%. Một số tiêu chuẩn cụ thể có thể liệt kê tối đa là 0,035%.

2. Tính chất vật lý

Tính chất vật lý của thép hợp kim 4140 (42CrMo4) so với nhiệt độ

Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Độ dẫn nhiệt (W/m·K)	Nhiệt dung riêng trung bình (kJ/kg·K)	Hệ số giãn nở tuyến tính trung bình (x 10⁻⁶ K⁻¹)	Mật độ (kg/m³)	Mô đun Young (x 10⁵ MPa)
20	68	46.71	472.91	11.28	7848.2	211.6
100	212	46.06	486.33	11.67	7820.7	203.1
200	392	45.59	499.21	12.32	7790.2	197.5
300	572	43.47	519.18	12.85	7757.4	193.7
400	752	40.7	543.45	13.37	7722.3	188.6
500	932	37.67	570.3	13.9	7684.7	180.2
600	1112	34.63	599.31	14.42	7644.5	167.0

3. Tính chất cơ học

Các tính chất cơ học của thép hợp kim 4140 có thể được điều chỉnh đáng kể thông qua xử lý nhiệt. Quá trình phổ biến nhất, tôi và ram, được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận máy móc, bình chịu áp suất và các ứng dụng kết cấu để tăng cường độ bền kéo, độ bền kéo và độ dai va đập vượt trội so với trạng thái cán, ủ hoặc chuẩn hóa.

3.1 Thép 4140 đã tôi và tôi luyện

Khi thép 4140 được tôi dầu và sau đó được ram ở nhiều nhiệt độ khác nhau, các tính chất cơ học của nó thay đổi theo dự đoán. Điều này cho phép kiểm soát chính xác các đặc tính cuối cùng của thép để đáp ứng các nhu cầu vận hành cụ thể. Dưới đây là tóm tắt các tính chất cơ học điển hình đạt được ở các nhiệt độ ram khác nhau:

Bảng 1: Tính chất cơ học điển hình của thép hợp kim 4140 được tôi dầu và tôi luyện

Nhiệt độ tôi luyện	Độ bền kéo (MPa)	Giới hạn chảy (MPa)	Độ giãn dài (%)	Giảm Diện Tích (%)	Độ cứng (HB)
205 °C (400 °F)	1965 – 1980	1740 – 1860	11	39 – 42	520 – 578
260 °C (500 °F)	1860	1650	11	44	534
315 °C (600 °F)	1720 – 1760	1570 – 1620	11.5 – 12	44 – 46	490 – 495
425 °C (800 °F)	1450 – 1500	1340 – 1365	14 – 15	48 – 50	429 – 440
540 °C (1000 °F)	1150 – 1240	1050 – 1160	17 – 17.5	53 – 55	341 – 360
595 °C (1100 °F)	1020	910	19	58	311
650 °C (1200 °F)	900 – 1020	790 – 860	20 – 21	60 – 61	277 – 290
705 °C (1300 °F)	810 – 860	690 – 740	23	63 – 65	235 – 250

Lưu ý: Giá trị có thể thay đổi tùy theo phương pháp nghiền cụ thể và sự khác biệt nhỏ về thành phần. HB biểu thị Độ cứng Brinell.

3.2 Ảnh hưởng của kích thước tiết diện (Hiệu ứng khối lượng) đến tính chất của thép 4140

Điều quan trọng là phải xem xét kích thước tiết diện hoặc khối lượng của thành phần thép 4140 trong quá trình xử lý nhiệt, đặc biệt là khi hướng đến mức độ bền cao. AISI 4140 không phải là thép tôi sâu, nghĩa là các tiết diện lớn hơn có thể không đạt được độ cứng hoặc độ bền xuyên suốt như các tiết diện nhỏ hơn khi trải qua cùng một quá trình xử lý nhiệt.

Bảng sau đây minh họa tác động của đường kính thanh thép lên các tính chất cơ học của thép 4140 được tôi dầu ở nhiệt độ 845 °C (1550 °F) và ram ở nhiệt độ 540 °C (1000 °F):

Bảng 2: Ảnh hưởng của đường kính thanh thép đến tính chất cơ học của thép 4140 (tôi luyện ở nhiệt độ 540 °C / 1000 °F)

Đường kính thanh	Độ bền kéo (MPa)	Giới hạn chảy (MPa)	Độ giãn dài (%)	Giảm Diện Tích (%)	Độ cứng bề mặt (HB)
25 mm (1 in.)	1140	985	15	50	335
50 mm (2 inch)	920	750	18	55	202
75 mm (3 in.)	860	655	19	55	293

Hiểu được hiệu ứng khối lượng này rất quan trọng để thiết kế các thành phần hoạt động đáng tin cậy.

3.3 Tính chất cơ học của thép 4140 trong các điều kiện khác

Bên cạnh quá trình tôi và ram, thép hợp kim 4140 có thể được cung cấp hoặc xử lý trong các điều kiện khác:

3.3.1 Thép 4140 ủ

Ủ, bao gồm việc nung thép ở nhiệt độ từ 830 °C đến 870 °C (1525 °F đến 1600 °F) sau đó làm nguội chậm trong lò, tạo ra vật liệu mềm hơn, dẻo hơn. Điều kiện này thường được ưu tiên cho các hoạt động gia công tiếp theo.

Thép 4140 cán nóng, ủ: Thường có giới hạn chảy khoảng 434 MPa (63 ksi) và giới hạn kéo là 620 MPa (90 ksi), với độ giãn dài khoảng 27%.
Thép 4140 kéo nguội, ủ: Nhìn chung có độ bền cao hơn, với độ bền kéo điển hình là 620 MPa (90 ksi) và độ bền kéo là 703 MPa (102 ksi) và độ giãn dài khoảng 18%.

3.3.2 Thép 4140 chuẩn hóa

Chuẩn hóa bao gồm việc nung thép 4140 ở nhiệt độ từ 845 °C đến 925 °C (1550 °F đến 1700 °F) sau đó làm mát bằng không khí. Quá trình này tinh chỉnh cấu trúc hạt và cải thiện tính đồng nhất. Ví dụ, một bộ phận rèn van-mũ làm bằng thép 4140, khi được chuẩn hóa ở nhiệt độ 870 °C (1600 °F) và sau đó được ram, có thể đạt được độ cứng trong khoảng từ 220 đến 240 HB.

3.4 Độ cứng của thép hợp kim 4140

Một đặc điểm chính của thép hợp kim 4140 là khả năng làm cứng tốt, tức là khả năng làm cứng bằng xử lý nhiệt. Đây là thước đo độ sâu mà thép sẽ cứng lại khi tôi. Đối với các ứng dụng chuyên biệt, các loại thép 4140H cung cấp các đặc tính làm cứng được đảm bảo, thường được xác minh bằng thử nghiệm tôi cuối Jominy, với các yêu cầu như độ cứng tối thiểu là 49 HRC ở các khoảng cách Jominy cụ thể.

4. Xử lý nhiệt

Đạt được hiệu suất cao nhất từ các ứng dụng thép hợp kim 4140 phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt chính xác và phù hợp. Là một loại thép hợp kim crom-molypden đa năng, 4140 mang lại sự kết hợp tuyệt vời giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn khi được xử lý đúng cách.

4.1 Quy trình xử lý nhiệt cho thép hợp kim 4140

Có thể áp dụng một số phương pháp xử lý nhiệt tiêu chuẩn cho thép hợp kim 4140 để đạt được nhiều tính chất cơ học. Việc lựa chọn đúng quy trình là rất quan trọng đối với ứng dụng sử dụng cuối cùng.

4.1.1 Chuẩn hóa thép 4140

Chuẩn hóa thường được sử dụng như một phương pháp xử lý điều hòa trước khi xử lý nhiệt cuối cùng hoặc để tinh chỉnh cấu trúc hạt của các thành phần đã trải qua quá trình làm mát không đồng đều từ nhiệt độ cao. Quá trình này cải thiện tính đồng nhất và các đặc tính cơ học của thép 4140.

Nhiệt độ gia nhiệt: 845°C đến 925°C (1550°F đến 1700°F). Phạm vi cụ thể phổ biến là 870°C đến 900°C (1600°F đến 1650°F).
Thời gian giữ: Tối thiểu 1 giờ hoặc 15-20 phút cho mỗi 25mm (1 inch) độ dày tối đa của phần cắt.
Làm mát: Làm mát bằng không khí.

4.1.2 Ủ thép 4140

Ủ chủ yếu được sử dụng để làm mềm thép hợp kim 4140, cải thiện khả năng gia công và giảm ứng suất bên trong. Phương pháp xử lý này tạo ra vật liệu dẻo hơn.

Nhiệt độ gia nhiệt: Thông thường là 830°C đến 870°C (1525°F đến 1600°F). Một phạm vi thay thế để đạt được độ cứng tối đa là 197 HB là 790°C đến 845°C (1450°F đến 1550°F).
Thời gian giữ: Phụ thuộc vào độ dày của mặt cắt hoặc tải lò.
Làm mát: Làm mát lò ở tốc độ được kiểm soát khoảng 15°C/h (30°F/h) xuống 480°C (900°F), sau đó làm mát bằng không khí.
Độ cứng mong đợi: Khoảng 150-200 HB trong điều kiện ủ.

4.1.3 Cầu hóa thép 4140 để tăng khả năng gia công

Quá trình cầu hóa tạo ra cấu trúc vi mô của các cacbua hình cầu bên trong ma trận ferritic, tối ưu cho khả năng gia công của thép 4140.

Nhiệt độ gia nhiệt: 760°C đến 775°C (1400°F đến 1425°F).
Thời gian giữ: 4 đến 12 giờ.
Làm mát: Làm mát chậm. Lưu ý: Quá trình hình cầu hóa hoàn toàn có thể liên quan đến austenit hóa ở nhiệt độ cao hơn Ac1 một chút hoặc ở giữa Ac1 và Ac3, sau đó làm nguội hoặc giữ rất chậm.

4.1.4 Làm cứng thép hợp kim 4140: Làm nguội và ram

Phương pháp phổ biến nhất để đạt được độ bền và độ dẻo dai cao trong thép hợp kim 4140 là thông qua dập tắt Và sự tôi luyện. Quá trình xử lý nhiệt thép hợp kim 4140 hai giai đoạn này rất quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

a. Austenit hóa (Nung nóng để làm cứng).

Nhiệt độ nung lò: 830°C đến 855°C (1525°F đến 1575°F).
Nhiệt độ gia nhiệt cảm ứng: Nhiệt độ khuyến nghị để tôi luyện bằng phương pháp cảm ứng là 870°C đến 900°C (1600°F đến 1650°F).
Phạm vi làm cứng chung: 860°C đến 885°C (1575°F đến 1625°F).
Thời gian ngâm: Nguyên tắc chung là 5 phút cho mỗi inch (25mm) của mặt cắt ngang nhỏ nhất sau khi bộ phận đạt đến nhiệt độ.

b. Làm nguội.

Môi trường tôi: Dầu là môi trường được ưa chuộng cho thép 4140. Có thể tôi bằng nước nhưng làm tăng nguy cơ nứt và biến dạng do hàm lượng cacbon trong thép; nếu sử dụng, cần hết sức thận trọng.
Bước làm nguội quan trọng: Quá trình tôi phải được bắt đầu ngay khi các bộ phận nguội đến 52°C đến 65°C (125°F đến 150°F) để tránh nứt.
Kiểm soát biến dạng: Đối với các phần phẳng hoặc hình ống, việc nhúng thẳng đứng trong quá trình làm nguội có thể giúp giảm thiểu ứng suất và biến dạng.

c. Ủ thép 4140.

Quy trình: Nung nóng phần đã tôi đến nhiệt độ cụ thể dưới điểm tới hạn (Ac1), giữ trong thời gian đủ dài, sau đó làm nguội.
Thời gian giữ: Thông thường là 2 giờ cho mỗi inch (25mm) mặt cắt ngang.
Phạm vi “Độ giòn màu xanh”: Tránh tôi thép 4140 ở nhiệt độ từ 230°C đến 370°C (450°F đến 700°F) vì điều này có thể làm giảm độ dẻo dai.

4.2 Độ cứng trong thép 4140

Độ cứng đề cập đến độ sâu mà thép có thể được làm cứng trong quá trình tôi. Crom và molypden của thép hợp kim 4140 góp phần đáng kể vào độ cứng của nó. Điều cần thiết là phải thừa nhận rằng các đặc tính cơ học, đặc biệt là ở các mặt cắt ngang lớn hơn, có thể thay đổi từ bề mặt đến lõi do sự khác biệt về tốc độ làm mát.

4.3 Xử lý nhiệt chuyên dụng cho thép hợp kim 4140

Ngoài các quy trình chính, có thể áp dụng các phương pháp xử lý khác cho thép 4140 để đáp ứng các yêu cầu cụ thể:

a. Giảm căng thẳng:

Mục đích: Giảm ứng suất bên trong do gia công, tạo hình hoặc nắn thẳng, đặc biệt là trước khi tôi cứng.
Nhiệt độ: 650°C đến 675°C (1200°F đến 1250°F). Nếu áp dụng cho vật liệu đã cứng, nhiệt độ giảm ứng suất không được vượt quá nhiệt độ tôi trước đó.

b. Làm cứng cảm ứng:

Mục đích: Một kỹ thuật làm cứng bề mặt để cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn và độ bền kéo của bề mặt, tạo ra lớp vỏ cứng trên lõi cứng hơn. Thường được sử dụng cho chốt, trục và các thành phần chịu tải cao khác sau khi tôi và tôi sơ bộ.
Nhiệt độ austenit hóa (Cảm ứng): 870°C đến 900°C (1600°F đến 1650°F).
Ủ (Cảm ứng): Bao gồm các chu kỳ rất ngắn; thời gian và nhiệt độ là yếu tố quan trọng.

c. Thấm nitơ:

Mục đích: Một quá trình làm cứng bề mặt bằng cách đưa nitơ vào bề mặt thép, tăng khả năng chống mài mòn và thường cải thiện tuổi thọ chịu mỏi. Thép 4140 dễ thấm nitơ.
Nhiệt độ: Thông thường ở mức khoảng 520°C đến 550°C (970°F đến 1020°F) trong thời gian dài trong bầu không khí giàu nitơ.

5. Ứng dụng của thép hợp kim 4140

Ứng dụng thép hợp kim 4140 được hưởng lợi hoàn toàn từ quá trình xử lý nhiệt. Các quy trình như tôi và ram phát triển nhiều tính chất cơ học.

5.1 Ứng dụng công nghiệp của thép hợp kim 4140

Các đặc tính vốn có của 4140 làm cho nó đặc biệt phù hợp với nhiều loại linh kiện khác nhau trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Sau đây là phân tích các ứng dụng thép hợp kim 4140 điển hình:

Thể loại ứng dụng	Ví dụ cụ thể	Khóa 4140 Thuộc tính được sử dụng
Linh kiện máy móc	Trục (sử dụng chính), Trục, Bánh răng, Trục chính, Khớp nối, Trục khuỷu, Thanh truyền, Nắp van, Thân kẹp, Collet	Độ bền kéo và độ bền chảy cao, Độ dẻo dai tốt, Khả năng chống mài mòn, Độ cứng vừa phải
Công cụ & Đồ gá	Jigs, Đồ gá, Giá đỡ dụng cụ, Vòng khoan, Bu lông, Đinh tán, Bộ phận băng tải	Độ bền, độ bền chắc, khả năng gia công tốt (đặc biệt là các loại đã được làm cứng trước hoặc đã được sửa đổi)
Ô tô & Hàng không vũ trụ	Trục, Trục khuỷu, Khớp lái, Các bộ phận kết cấu cường độ cao	Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng, khả năng chống mỏi, độ bền
Ngành công nghiệp dầu khí	Dụng cụ khoan giếng, Khớp nối dụng cụ, Trục bơm	Sức mạnh dưới ứng suất, khả năng chống mài mòn và ăn mòn vừa phải
Các bộ phận được làm cứng bề mặt	Các thành phần đòi hỏi độ bền bề mặt được nâng cao	Tuyệt vời cho thấm nitơ (tốt hơn 4337, 4340, 8640), Thích hợp cho cảm ứng và tôi ngọn lửa

5.2 Thiết kế thép 4140 cho các ứng dụng cụ thể

Xử lý nhiệt và độ cứng:

Khả năng làm cứng tốt là yếu tố quan trọng đối với nhiều ứng dụng thép hợp kim 4140, đảm bảo độ cứng đủ trên toàn bộ mặt cắt ngang của một bộ phận. Mặc dù không được làm cứng sâu như các hợp kim như 4340, nhưng nó mang lại sự cân bằng tuyệt vời cho nhiều kích thước thành phần. 4140 được làm cứng trước (thường là 262-321 HB) được ưa chuộng cho các bộ phận máy móc và dụng cụ do có độ bền kéo và độ bền chảy cao, sẵn sàng sử dụng, thường loại bỏ quá trình xử lý nhiệt tiếp theo của người dùng cuối.

Khả năng làm cứng bề mặt:

Đối với khả năng chống mài mòn bề mặt vượt trội, thép hợp kim 4140 cung cấp các đặc tính tuyệt vời để làm cứng bề mặt. Nó đặc biệt phù hợp để thấm nitơ, thường vượt trội hơn các loại thép chứa crom khác do hàm lượng crom cao hơn và thành phần không chứa niken. Làm cứng bề mặt bằng cảm ứng và ngọn lửa cũng là các phương pháp phổ biến để tăng cường bề mặt thành phần 4140.

Những cân nhắc về khả năng gia công:

Trong khi tiêu chuẩn 4140 có khả năng gia công hợp lý, đối với các ứng dụng ưu tiên tính dễ gia công, có các loại thép đã sửa đổi. Các phiên bản tái lưu huỳnh (ví dụ: 4140+S) và các biến thể có chì (ví dụ: 41L40) là thép hợp kim thấp cắt tự do, cung cấp khả năng gia công được cải thiện cho sản xuất khối lượng lớn.

Khả năng hàn:

Thép hợp kim 4140 có thể hàn được, nhưng bản chất tôi trong không khí và hàm lượng cacbon tương đương cao hơn đòi hỏi các quy trình cụ thể như nung nóng trước, giảm ứng suất sau khi hàn (ví dụ, ủ hoặc chuẩn hóa và ram), và vật liệu độn phù hợp để ngăn ngừa nứt và đảm bảo mối hàn chắc chắn. Thiết kế của nó tập trung vào độ bền cao thông qua xử lý nhiệt, không phải khả năng hàn tối ưu.

Các mẫu và thông số kỹ thuật có sẵn:

Để phục vụ nhiều ứng dụng thép hợp kim 4140, loại thép này có nhiều dạng khác nhau:

Phôi
Thanh (tròn, vuông, phẳng)
Thanh
Rèn
Tờ giấy
Ống
Tấm đèn

AMS (Thông số kỹ thuật vật liệu hàng không vũ trụ) cụ thể bao gồm:

AMS 6349B: Thanh chuẩn hóa
AMS 6381E, AMS 6390C: Ống cơ khí
AMS 6382K: Thanh, rèn và vòng

6. Các cấp tương đương cho thép hợp kim 4140

Châu Âu (EN/DIN): 42CrMo4 hoặc 1.7225
Nhật Bản (JIS): SCM440
Trung Quốc (GB/T): 42CrMo
Anh Quốc (BS): EN19 (hoặc 708M40/709M40)

Mở khóa hiệu suất vượt trội với thép hợp kim 4140 cao cấp

Là đối tác đáng tin cậy của bạn, Aobo Steel tận dụng hơn 20 năm rèn luyện chuyên môn để cung cấp thép hợp kim 4140 chất lượng cao, được thiết kế chính xác theo thông số kỹ thuật chính xác của bạn. Đảm bảo độ bền, độ chắc và độ tin cậy mà các ứng dụng quan trọng của bạn yêu cầu.

Sẵn sàng nâng cao dự án của bạn? Hãy điền vào mẫu dưới đây để nhận báo giá cá nhân hoặc tư vấn chuyên môn từ các chuyên gia của chúng tôi.

Sản phẩm của chúng tôi

Khám phá các sản phẩm khác của chúng tôi

D2/1.2379/SKD11

D3/1.2080/SKD1

D6/1.2436/SKD2

A2/1.23663/SKD12

O1/1.2510/SKS3

O2/1.2842

S1/1.2550

S7/1.2355

DC53

H13/1.2344/SKD61

H11/1.2343/SKD6

H21/1.2581/SKD7

L6/1.2714/SKT4

M2/1.3343/SKH51

M35/1.3243/SKH55

M42/1.3247/SKH59

P20/1.2311

P20+Ni/1.2738

420/1.2083/2Cr13

thép không gỉ 422

52100 thép chịu lực

Thép không gỉ 440C

4140/42CrMo4/SCM440

4340/34CrNiMo6/1.6582

4130

5140/42Cr4/SCR440

SCM415