Tổng quan kỹ thuật thép 4140

Thép 4140 là loại thép hợp kim thấp cacbon trung bình đa năng. Thép này chứa crom và molypden là các nguyên tố hợp kim chính. Loại thép này được biết đến với khả năng làm cứng tốt, cho phép đạt được độ bền và độ cứng cao thông qua các quy trình xử lý nhiệt như làm nguội và ram. Thép này thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi sự cân bằng tốt giữa độ bền và độ dẻo dai, chẳng hạn như trục, bánh răng và các thành phần máy móc khác. Thép có thể được xử lý nhiệt khác nhau, bao gồm ủ để làm mềm, chuẩn hóa để cải thiện cấu trúc vi mô và độ bền vừa phải, và làm cứng sau đó ram để đạt được các tính chất cơ học mong muốn.

1. Thành phần hóa học

Cacbon (C)	Mangan (Mn)	Phốt pho (P)	Lưu huỳnh (S)	Silic (Si)	Crom (Cr)	Molipđen (Mo)
0.38% – 0.43%	0.75% – 1.00%	≤ 0,035% (tối đa)	≤ 0,040% (tối đa)	0.15% – 0.35%	0.80% – 1.10%	0.15% – 0.25%

2. Ứng dụng

Dựa trên các đặc tính của nó, thép 4140 được ứng dụng trong nhiều thành phần kỹ thuật đòi hỏi khắt khe do khả năng làm cứng tốt, độ bền và độ cứng tiềm năng cao, và độ dẻo dai tốt khi được xử lý nhiệt đúng cách. Sau đây là phân tích các ứng dụng dựa trên các đặc tính này:

2.1 Các thành phần yêu cầu độ bền và độ cứng cao (đạt được thông qua quá trình làm nguội và ram):

• Các bộ phận chịu tải tĩnh và động của động cơ ô tô và máy móc, chẳng hạn như trục khuỷu. Độ cứng cao đạt được sau khi tôi luyện làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe này.
• Các bộ phận máy có mặt cắt ngang lớn, có thể đạt được độ bền cao sau khi tinh chế. Khả năng tôi luyện tốt cho phép tôi luyện xuyên suốt ở độ dày đáng kể.
• Linh kiện dùng cho điều kiện hoạt động khắc nghiệt ở mức trung bình, cần có sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai.
• Các bánh răng cần được tôi cứng để đạt được độ bền và khả năng chống mài mòn cần thiết.
• Chốt và trục trong nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau, nơi mà độ bền và độ dẻo dai cao là rất quan trọng. Đối với các ứng dụng có tải trọng cao hơn, nó có thể được làm cứng và ram để đạt được độ bền lõi trong khoảng 100-140 kgf/mm².
• Các thành phần cần có khả năng chống mài mòn, phù hợp với các kỹ thuật làm cứng bề mặt như làm cứng bằng ngọn lửa và cảm ứng.
• Các bộ phận ô tô có nhu cầu cao như trục xe, được hưởng lợi từ độ bền và khả năng làm cứng của nó.
• Ống thép hợp kim dùng cho các ứng dụng chung và kết cấu, có lợi thế về độ bền sau khi xử lý nhiệt.
• Các thanh và vật rèn cho nhiều mục đích kỹ thuật khác nhau thường được xử lý nhiệt đến mức độ bền nhất định.

2.2 Các thành phần yêu cầu độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn (đạt được thông qua quá trình thấm nitơ hoặc làm cứng cảm ứng):

• Các bánh răng yêu cầu vỏ sâu và độ cứng bề mặt dưới 60 HRC có thể được chế tạo từ thép 4140 và xử lý thấm nitơ.
• Bánh răng và các bộ phận khác được hưởng lợi từ quá trình tôi cảm ứng để có lớp bề mặt cứng, chống mài mòn.

2.3 Ứng dụng dụng cụ:

Mặc dù không được coi là thép công cụ, 4140 vẫn được ưa chuộng trong kho dụng cụ cho nhiều ứng dụng khác nhau đòi hỏi độ cứng vừa phải, độ bền và độ dẻo dai tốt.

3. Tính chất vật lý

3.1 Độ bền kéo của thép 4140

Tình trạng	Độ bền kéo (MPa)	Độ bền kéo (ksi)
Ủ	434-620	63-90
Chuẩn hóa	Có thể dao động từ 483 đến 690 tùy thuộc vào hàm lượng carbon	Có thể dao động từ 70,0 đến 100,0 tùy thuộc vào hàm lượng carbon
Làm nguội & tôi luyện ở nhiệt độ 205 °C (400 °F)	1965-1980	285-287
Làm nguội & tôi luyện ở nhiệt độ 425 °C (800 °F)	1450-1500	210-217
Làm nguội & tôi luyện ở nhiệt độ 540 °C (1000 °F)	1140-1240	165-180
Làm nguội & tôi luyện ở nhiệt độ 650 °C (1200 °F)	900-1020	130-148
Kéo nguội và ủ	Khoảng 620-703	Khoảng 90-102
Vẽ ở nhiệt độ 1000°F (540 °C)	Khoảng 903-1054	Khoảng 131-153

3.2 Giới hạn chảy (Độ lệch 0,2%) của thép 4140

Tình trạng	Giới hạn chảy (MPa)	Giới hạn chảy (ksi)
Ủ	Khoảng 201-434 tùy thuộc vào hàm lượng carbon	Khoảng 29,1-63 tùy thuộc vào hàm lượng carbon
Chuẩn hóa	Có thể dao động từ 247 đến 355 tùy thuộc vào hàm lượng carbon	Có thể dao động từ 35,8 đến 51,5 tùy thuộc vào hàm lượng carbon
Làm nguội & tôi luyện ở nhiệt độ 205 °C (400 °F)	1740-1860	252-270
Làm nguội & tôi luyện ở nhiệt độ 425 °C (800 °F)	1340-1365	195-198
Làm nguội & tôi luyện ở nhiệt độ 540 °C (1000 °F)	985-1160	143-168
Làm nguội & tôi luyện ở nhiệt độ 650 °C (1200 °F)	790-860	114-125
Kéo nguội và ủ	Khoảng 620-703	Khoảng 90-102
Vẽ ở nhiệt độ 1000°F (540 °C)	Khoảng 903-1054	Khoảng 131-153

3.3 Tính chất dẻo (Độ giãn dài và giảm diện tích) của thép 4140

Tài sản	Tình trạng	Giá trị
Độ giãn dài (50 mm/2 in.)	Ủ	Thông thường khoảng 18-27%
Độ giãn dài (50 mm/2 in.)	Làm nguội & tôi luyện	Giảm khi nhiệt độ tôi luyện tăng. Ví dụ, nó có thể dao động từ 11% (ở 205 °C/400 °F) đến 23% (ở 705 °C/1300 °F)
Giảm Diện Tích	Làm nguội & tôi luyện	Nhìn chung dao động từ 39% đến 65% tùy thuộc vào nhiệt độ tôi luyện

3.4 Độ cứng của thép 4140

Tình trạng	Giá trị độ cứng
Ủ	Khoảng 185 HB
Đã dập tắt	Có thể đạt khoảng 601 HB
Làm nguội & tôi luyện	Thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ tôi luyện, từ khoảng 578 HB (~53 HRC) ở 205 °C (400 °F) xuống đến 235 HB (~24 HRC) ở 705 °C (1300 °F)

3.5 Độ bền va đập của thép 4140

Tài sản	Tình trạng	Quan sát / Giá trị
Sức mạnh tác động	Làm nguội & tôi luyện	Tăng theo nhiệt độ tôi luyện.
Năng lượng va chạm Izod	Làm nguội & tôi luyện	Ví dụ, năng lượng va chạm Izod có thể dao động từ 15 J (11 ft·lb) ở 205 °C (400 °F) đến 136 J (100 ft·lb) ở 705 °C (1300 °F).
Charpy V-notch	Làm nguội & tôi luyện	Các giá trị cũng cho thấy xu hướng tương tự [với Izod].

3.6 Độ bền mỏi của thép 4140

Tình trạng	Quan sát / Giá trị
Tổng quan	Nhạy cảm với khía và chuyển tiếp trên các bộ phận máy chịu tải trọng mỏi.
Đã tôi và ram (Độ cứng 46-50 HRC)	Độ bền mỏi khi uốn quay có thể đạt khoảng 270 MPa (39 ksi).
Shot Peened (sau Q&T)	Phun bi có thể làm tăng đáng kể độ bền chịu mỏi.

3.7 Các tính chất cơ học khác của thép 4140

Tài sản	Tình trạng	Giá trị
Mô đun đàn hồi	Căng thẳng	Khoảng 115 GPa (17 × 10⁶ psi)
Sức mạnh cắt	Thanh tôi H04	Có thể dao động từ 200-205 MPa (29-32 ksi) tùy thuộc vào đường kính.

4. Xử lý nhiệt

4.1 Ủ:Quy trình này được sử dụng để làm mềm thép, cải thiện khả năng gia công và giảm ứng suất bên trong. Các bước chung để ủ thép 4140 là:

• Làm nóng: Làm nóng thép 4140 đến 830 đến 870 °C (1525 đến 1600 °F), đảm bảo làm nóng đồng đều trên toàn bộ phần. Làm nóng chậm thường được khuyến nghị cho thép hợp kim để giảm thiểu ứng suất nhiệt3.
• Giữ (Ngâm): Duy trì nhiệt độ này trong một thời gian đủ dài. Thời gian giữ thường phụ thuộc vào độ dày của phần hoặc tải lò.
• Làm nguội: Làm nguội chậm thép trong lò với tốc độ khoảng 15 °C/h (30 °F/h) xuống khoảng 480 °C (900 °F), sau đó làm nguội bằng không khí đến nhiệt độ phòng. Làm nguội chậm này cho phép hình thành cấu trúc vi mô mềm hơn. Độ cứng tối đa có thể đạt được sau khi ủ là khoảng 197 HB4. Các phương pháp ủ đẳng nhiệt, bao gồm làm nguội có kiểm soát đến một phạm vi nhiệt độ cụ thể và giữ trước khi làm nguội cuối cùng, cũng có thể được sử dụng để thu được cấu trúc chủ yếu là perlit.

4.2 Chuẩn hóa: Phương pháp xử lý này tinh chỉnh cấu trúc hạt, cải thiện tính đồng nhất và tăng cường độ bền và độ cứng so với trạng thái ủ. Các bước là:

• Làm nóng: Làm nóng thép 4140 đến phạm vi nhiệt độ từ 845 đến 925 °C (1550 đến 1700 °F), cao hơn khoảng 55 đến 85 °C (100 đến 150 °F) so với nhiệt độ biến đổi trên của nó. Điều này đảm bảo biến đổi hoàn toàn thành austenit. Đối với nhiệt độ chuẩn hóa cụ thể, bạn đã đề cập đến 1600 °F (khoảng 870 °C), nằm trong phạm vi này.
• Giữ: Giữ ở nhiệt độ này trong tối thiểu 1 giờ hoặc 15 đến 20 phút cho mỗi 25 mm (1 inch) độ dày phần tối đa. Điều này cho phép hình thành austenit đồng nhất.
• Làm nguội: Làm nguội thép trong không khí tĩnh đến nhiệt độ phòng. Tốc độ làm nguội nhanh hơn so với ủ, tạo ra cấu trúc perlit mịn hơn và độ cứng cao hơn.

Thép 4140 được chuẩn hóa ở nhiệt độ 1600 °F (870 °C) sẽ thể hiện cấu trúc hạt tinh tế, cải thiện độ bền và độ cứng so với trạng thái rèn hoặc cán nóng. Nó đóng vai trò là quá trình xử lý nhiệt chuẩn bị thông thường trước khi làm cứng và ram tiếp theo để đạt được các tính chất cơ học mong muốn cuối cùng cho các ứng dụng cụ thể của nhà máy bạn. Độ cứng chính xác sau khi chuẩn hóa sẽ phụ thuộc vào kích thước của bộ phận và tốc độ làm mát đạt được. Hãy nhớ rằng trạng thái chuẩn hóa này thường là bước trung gian và xử lý nhiệt tiếp theo, chẳng hạn như ram, thường là cần thiết để tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo và độ dai cho các điều kiện dịch vụ dự định.

4.3 Làm cứng (làm nguội):Quá trình này nhằm mục đích đạt được cấu trúc martensitic cứng. Nó bao gồm:

• Làm nóng trước (Tùy chọn nhưng được khuyến nghị): Đối với thép 4140, việc làm nóng trước ở nhiệt độ khoảng 650 °C (1200 °F) trong 10 đến 15 phút có thể mang lại lợi ích, đặc biệt đối với các hình dạng phức tạp, để giảm sốc nhiệt và giảm thiểu biến dạng.
• Austenitizing: Làm nóng thép đến nhiệt độ austenitizing, thường trong khoảng từ 845 đến 925 °C (1550 đến 1700 °F). Một số nguồn chỉ định nhiệt độ là 855 °C (1575 °F). Giữ ở nhiệt độ này trong thời gian ngâm đủ để đảm bảo chuyển đổi hoàn toàn thành austenite, tùy thuộc vào độ dày của phần (ví dụ, thêm 5 phút cho mỗi inch của mặt cắt ngang nhỏ nhất sau khi đạt đến nhiệt độ austenitizing). Ngâm quá mức, đặc biệt là ở nhiệt độ cao hơn, có thể dẫn đến sự phát triển hạt austenite không mong muốn.
• Làm nguội: Làm nguội nhanh thép từ nhiệt độ austenit hóa trong chất làm nguội phù hợp. Đối với thép 4140, làm nguội bằng dầu là phương pháp phổ biến nhất và được khuyến nghị để đạt được độ cứng trong khi giảm thiểu nguy cơ nứt liên quan đến chất làm nguội nhanh hơn như nước. Tuy nhiên, tôi nguội bằng nước có thể được sử dụng cho các phần lớn hơn tùy thuộc vào yêu cầu về độ cứng. Hiệu quả của quá trình làm nguội phụ thuộc vào nhiệt độ chất làm nguội. Nếu bạn lấy thép 4140 ủ ở 1600 °F rồi làm nguội bằng dầu từ nhiệt độ austenit hóa thích hợp, bạn sẽ đạt được độ cứng và độ bền cao đặc trưng của martensite, nhưng vật liệu sẽ giòn với độ dẻo và độ dai thấp. Một quá trình tôi tiếp theo sẽ là cần thiết cho hầu hết các ứng dụng kỹ thuật.

4.4 Làm nguội: Martensite cứng thường giòn và chứa ứng suất bên trong. Tôi luyện được thực hiện để giảm độ giòn, giảm các ứng suất này và cải thiện độ dẻo dai trong khi vẫn giữ được độ cứng và độ bền đủ. Các bước là:

• Làm nóng: Làm nóng lại thép đã tôi đến nhiệt độ tôi cụ thể, luôn thấp hơn nhiệt độ austenit hóa. Nhiệt độ tôi của thép 4140 thường nằm trong khoảng từ 205 đến 705 °C (400 đến 1300 °F), tùy thuộc vào các đặc tính cơ học mong muốn. Điều quan trọng là phải tôi ngay khi các bộ phận đạt đến 52 đến 65 °C (125 đến 150 °F) sau khi tôi để tránh nứt. Tôi thường tránh tôi ở nhiệt độ từ 230 đến 370 °C (450 đến 700 °F) đối với thép 4140 để tránh giòn màu xanh.
• Giữ: Giữ ở nhiệt độ tôi trong một thời gian cụ thể, thường là 1 đến 2 giờ18 hoặc 2 giờ cho mỗi inch (25 mm) mặt cắt ngang. Điều này cho phép khuếch tán các nguyên tố cacbon và hợp kim và hình thành martensite tôi với các đặc tính mong muốn.
• Làm mát: Làm mát đến nhiệt độ phòng trong không khí hoặc bằng cách làm nguội trong nước hoặc dầu. Tốc độ làm mát sau khi tôi luyện thường không quan trọng. Thường thì có thể sử dụng chu kỳ tôi luyện thứ hai ở nhiệt độ thấp hơn một chút.

4.5 Hình cầu hóa: Đây là một quá trình ủ chuyên biệt tạo ra cấu trúc vi mô của cacbua hình cầu trong ma trận ferritic, tạo ra độ mềm tối đa và khả năng định hình được cải thiện. Đối với thép 4140, điều này có thể đạt được bằng cách nung nóng đến 760 đến 775 °C (1400 đến 1425 °F) và giữ trong 4 đến 12 giờ, sau đó làm nguội chậm.

4.6 Làm cứng bề mặt:Để tăng khả năng chống mài mòn trong khi vẫn duy trì lõi cứng hơn, thép 4140 có thể trải qua các quá trình làm cứng bề mặt như:

• Làm cứng cảm ứng: Quá trình này bao gồm việc làm nóng nhanh lớp bề mặt đến nhiệt độ austenit hóa bằng cuộn cảm ứng, sau đó là làm nguội. Quá trình này tạo ra lớp vỏ bề mặt cứng. Sau khi làm cứng cảm ứng, quá trình ram thường được thực hiện.
• Thấm nitơ: Đây là quá trình nhiệt hóa học đưa nitơ vào bề mặt thép ở nhiệt độ tương đối thấp, tạo thành hợp chất nitride cứng và cải thiện khả năng chống mài mòn và chống mỏi. Tôi luyện trước khi thấm nitơ thường được thực hiện.

5. 4140 so với thép D2

• Thép 4140 là vật liệu chủ lực của bạn cho các thành phần kết cấu và máy móc đòi hỏi sự cân bằng tốt giữa độ bền và độ dẻo dai với khả năng chống mài mòn vừa phải có thể được tăng cường. Nó cung cấp tính linh hoạt thông qua nhiều phương pháp xử lý nhiệt khác nhau, bao gồm cả làm cứng bề mặt.
• Thép D2 là lựa chọn của bạn cho các ứng dụng gia công đòi hỏi khả năng chống mài mòn cao và độ ổn định về kích thước trong quá trình tôi luyện. Hàm lượng carbon và crom cao hơn cung cấp các cacbua cứng cần thiết để chống mài mòn, nhưng điều này phải trả giá bằng độ bền thấp hơn so với 4140.
• Tóm lại, 4140 có thể là lựa chọn tốt hơn cho các bộ phận máy cần độ bền và độ dẻo dai cao. Nếu bạn đang xử lý các dụng cụ đòi hỏi khả năng chống mài mòn và mài mòn đặc biệt, thì thép D2 sẽ phù hợp hơn.

6. Thép 4140 so với thép 4130

• Thép 4140 có hàm lượng carbon cao hơn, dẫn đến khả năng làm cứng, độ bền và độ cứng cao hơn sau khi xử lý nhiệt so với thép 4130. Thép này thường được tôi trong dầu.
• Thép 4130 có hàm lượng cacbon thấp hơn, dẫn đến khả năng làm cứng thấp hơn đến trung bình và thường có độ bền và độ cứng thấp hơn 4140 sau khi xử lý nhiệt tương tự. Nó thường được làm nguội bằng nước.
• Tóm lại, nếu độ bền cao hơn là tối quan trọng, 4140 thường là lựa chọn được ưu tiên. Nếu độ bền vừa phải với khả năng hàn hoặc khả năng gia công tốt hơn là đủ và kích thước tiết diện là một hạn chế đáng kể đối với quá trình tôi, 4130 có thể được xem xét.

7. Ảnh hưởng của nhiệt độ tôi luyện đến tính chất của thép 4140

8. Nhôm phôi 7075 so với thép 4140

• Phôi thép 4140 có độ bền và độ cứng cao hơn nhôm 7075, cùng với độ dẻo dai tốt. Nó cũng đặc hơn và dễ hàn hơn (với các biện pháp phòng ngừa). Nó cần được xử lý nhiệt để đạt được các đặc tính tối ưu và dễ bị ăn mòn.
• Phôi nhôm 7075 có mật độ thấp hơn đáng kể với độ bền cao, giúp nó có lợi thế trong các ứng dụng nhạy cảm với trọng lượng. Nó có khả năng chống ăn mòn tốt nhưng nhìn chung khó hàn hơn. Độ bền của nó đạt được thông qua các mức độ xử lý nhiệt cụ thể.

9. Thép 4140 cho dao

Thép 4140 có thể được xử lý nhiệt để đạt được độ cứng cần thiết cho lưỡi dao, nhưng do không có đặc tính chống gỉ nên nó ít được lựa chọn hơn so với các loại thép được thiết kế riêng cho dao kéo. Nếu bạn cần một con dao chống ăn mòn, bạn sẽ được phục vụ tốt hơn bằng cách khám phá các hợp kim thép không gỉ. Nếu độ bền và độ dẻo dai là yêu cầu chính và có thể kiểm soát được tình trạng ăn mòn, có thể cân nhắc 4140, nhưng việc chú ý cẩn thận đến quá trình xử lý nhiệt sẽ rất quan trọng.