1. Einführung
4140 Stahl ist ein niedriger Alloy-Chrom-Molybdän-Stahl.
Es bietet eine hervorragende Kombination aus Kraft, Zähigkeit, und Verschleißfestigkeit, Es ist ein idealer Kandidat für die anspruchsvolle industrielle Anwendungen.
In diesem Artikel wird untersucht 4140 Legierungsstahl aus mehreren technischen Perspektiven, einschließlich seiner chemischen Zusammensetzung, mechanisches Verhalten, Ansprechverantwortung für Wärmebehandlung, Bearbeitbarkeit, Korrosionsleistung, und gemeinsame Verwendungen.
2. Chemische Zusammensetzung von 4140 Legierter Stahl
Die einzigartige Leistung von 4140 legierter Stahl stammt aus seiner sorgfältig kontrollierten chemischen Zusammensetzung:
| Element | Gewicht % | Rolle bei Stahleigenschaften |
|---|---|---|
| Kohlenstoff (C) | 0.38–0.43 | Verstärkt Kraft und Härtebarkeit |
| Chrom (Cr) | 0.8–1.1 | Verbessert die Härte, Verschleißfestigkeit, und Korrosion |
| Mangan (Mn) | 0.75–1.0 | Fördert Zähigkeit und Desoxidation |
| Molybdän (Mo) | 0.15–0.25 | Verstärkt den Kriechwiderstand und die Härtungstiefe |
| Silizium (Und) | 0.15–0.35 | Erhöht die Stärke, verbessert die Zähigkeit leicht |
| Phosphor (P) | ≤ 0.035 | In der Regel minimiert, um Verspringer zu reduzieren |
| Schwefel (S) | ≤ 0.04 | Für die Bearbeitbarkeit hinzugefügt, kann aber die Zähigkeit verringern |
Im Vergleich zu ähnlichen Legierungen wie 4130 (niedrigerer Kohlenstoff) Und 4340 (höherer Nickel), 4140 gleicht Stärke und Verwirrbarkeit aus, Machen Sie es für viele strukturelle Anwendungen zu einer praktischen und kostengünstigen Lösung.
3. Physikalische Eigenschaften von 4140 Stahl
| Eigentum | Wert | Einheit | Notizen |
|---|---|---|---|
| Dichte | 7.85 | g/cm³ | Typisch für stähle niedrige Alloy-Stähle |
| Elastizitätsmodul (E) | ~ 205 | GPa | Steifheit in Spannung und Kompression |
| Schermodul (G) | ~ 80 | GPa | Nützlich für Torsionsanwendungen |
| Poissons Verhältnis | 0.27–0.30 | – | Verhältnis des Querauftrags zu axialem Dehnung |
| Wärmeleitfähigkeit | 42.6 | W/m·K | Bei 100 °C; nimmt mit höheren Temperaturen leicht ab |
| Spezifische Wärmekapazität | 475 | J/kg·K | Ungefähr bei Raumtemperatur |
| Elektrischer Widerstand | 205 | nω · m (Nano-Ohm-Meter) | Höher als reines Eisen; niedrige Leitfähigkeit im Vergleich zu Kupfer |
| Wärmeausdehnungskoeffizient | ~ 12.0 | µm/m · k (20–100 ° C Range) | Wichtig für die Konstruktion für thermische Radfahrer oder dimensionale Stabilität |
| Schmelzpunkt | 1416–1471 | °C | Schmaler Reichweite aufgrund von Legierungselementen |
4. Mechanische Eigenschaften von 4140 Stahl
AISI 4140 ist ein vielseitiger Chrom-Molybdän-Legierungs-Stahl, der für seine hervorragende mechanische Festigkeit bekannt ist, Zähigkeit, und Ermüdungsfestigkeit.
Diese 4140 Stahleigenschaften können je nach Wärmebehandlungsbedingung erheblich variieren (z.B., geglüht, normalisiert, abgeschreckt, oder gemildert).
Mechanische Eigenschaften Tabelle
| Eigentum | Geglüht | Gelöscht & Temperiert (Q&T) | Einheit | Notizen |
|---|---|---|---|---|
| Streckgrenze | ~ 655 MPa | Bis zu 1,600 MPa | MPa (Megapascal) | Q&T verbessert die Stärke erheblich |
| ~ 95 ksi | ~ 232 ksi | ksi (kaiserlich) | ||
| Zugfestigkeit | 850–1.000 MPa | 1,000–1.100 MPa | MPa | Typischer Bereich nach verschiedenen Wärmebehandlungen |
| 123–145 KSI | 145–160 ksi | ksi | ||
| Bruchdehnung | 25–30% | 12–18% | % | Höhere Duktilität im getemperten Staat |
| Bereichsreduzierung | ~ 50% | ~ 45% | % | Indikator für Duktilität und Formbarkeit |
| Härte (Rockwell c) | 18–28 HRC | Bis zu 50–55 HRC | HRC | Sehr reagiert auf das Löschen und Temperieren |
| Charpy V-Notch-Zähigkeit | >54 J (geglüht) | 20–35 j (Q&T bei hoher Härte) | Joule | Leistung bei Impact -Ladungsanwendungen |
| Ermüdungsfestigkeit (Ausdauergrenze) | ~ 420 MPa | Bis zu 700 MPa | MPa | Abhängig von der Oberflächenfinish- und Belastungszyklen |
| Elastizitätsmodul (E) | ~ 205 GPA | – | GPa | Die Steifheit bleibt konstant über die Bedingungen hinweg konstant |
5. Wärmebehandlungsverhalten von 4140 Legierter Stahl
AISI 4140 Legierungstahl reagiert sehr auf eine Vielzahl von Wärmebehandlungsprozessen, Ermöglichen.
Sein Chrom- und Molybdängehalt verstärken seine Härtbarkeit, Es ist besonders gut geeignet, um den Betrieb zu löschen und zu temperieren.
Häufige Wärmebehandlungsprozesse
| Verfahren | Typischer Temperaturbereich (°C) | Zweck |
|---|---|---|
| Glühen | 760–790 ° C. | Verfeinert die Getreidestruktur, Stahl weicher, verbessert die Vervollständigbarkeit |
| Normalisieren | 870–900 ° C. | Erhöht die Gleichmäßigkeit, verfeinert die Struktur, verbessert die mechanische Konsistenz |
| Abschrecken | ~ 845–875 ° C., gefolgt von Öl/Wasser/Polymer -Löschung | Erzeugt martensitische Struktur für hohe Härte und Stärke |
| Temperieren | 400–650°C (Post-Elech) | Stellt die Härte ein, Lindert interne Stress, Verbessert die Duktilität & Zähigkeit |
| Osttemperatur | Auf 260–400 ° C löschen, bis zur Transformation halten | Erzeugt eine bainitische Struktur, reduziert Verzerrungen, gleicht Kraftzusatz aus |
6. Bearbeitbarkeit und Herstellung von 4140 Stahl
Bearbeitbarkeit
Material 4140 Stahl zeigt eine mäßige maßgünstige Verarbeitbarkeit in seinem geglühten Zustand und wird mit zunehmender Härte schwieriger.
Im geglühten Zustand (Typischerweise ca. 18 bis 22 HRC), Es kann mit Hochgeschwindigkeitsstahl- oder Carbid-Werkzeugen bearbeitet werden, gute Oberflächen -Oberflächen und eine akzeptable Werkzeuglebensdauer liefern.
Jedoch, Sobald der Stahl gelöscht und auf höhere Härte gemildert ist (wie 30–50 HRC), Seine Vervollständigbarkeit nimmt ab.
In diesem Stadium, Carbid -Werkzeug, niedrigere Schneidgeschwindigkeiten, und starre Maschinen -Setups werden unerlässlich, um den Werkzeugverschleiß und eine Teilverzerrung zu vermeiden.
Für CNC-Drehen, Mahlen, oder Bohrvorgänge, Verwenden der richtigen Kühlmethoden - insbesondere des Hochwasserkühlmittels - hilft die Wärme ab und verbessert die Chip -Evakuierung.
Härter bohren 4140 Abschnitte benötigen häufig Kobalt- oder Carbid-Tools, Während das Tippen gehärtete Teile kann von Fadenmahlen profitieren oder Zapfhähne bilden, anstatt konventionelle Schneidhähne.
Schweißen
Schweißen 4140 Stahl erfordert Vorsicht auf seine hohe Härten und das Risiko eines Knackens.
Diese Risiken zu mildern, Das Vorheizen des Werkstücks - je nach Dicke bis 200–400 ° C - wird stark empfohlen.
Die Aufrechterhaltung einer Interpass-Temperatur von etwa 200–300 ° C hilft dabei.
Nach dem Schweißen, Spannungsablösende Komponente bei ca. 600–650 ° C hilft bei der Wiederherstellung der Duktilität und zur Reduzierung von Restspannungen.
Elektroden mit niedrigem Wasserstoff wie E8018-B2 oder ER80S-D2 werden typischerweise für Füllstoffmaterial verwendet, um die Kompatibilität zu gewährleisten und die Porosität zu verringern.
In kritischen Anwendungen, Wärmebehandlung nach dem Schweigen (PWHT) ist notwendig, um die Integrität und Zähigkeit der geschweißten Zone aufrechtzuerhalten.
Kalte und heiße Form
4140 Legierungstahl kann kalt sein, der in seinem geglühten Zustand bearbeitet werden kann, Obwohl seine höhere Stärke im Vergleich zu kohlenstoffarmen Stählen seine Duktilität begrenzt.
Kaltbildungsprozesse wie Zeichnen und Schwankungen sind möglich, erfordern jedoch höhere Kräfte und können Restspannungen induzieren, die eine anschließende Wärmebehandlung erfordern.
Heißes Arbeiten, einschließlich Schmieden und heißes Rollen, ist günstiger für Stahl 4140.
Der ideale Schmiedentemperaturbereich liegt zwischen 900 ° C und 1200 ° C., wobei das Material typischerweise über 850 ° C fertiggestellt ist.
Nach heißer Form, Es wird empfohlen, die Getreidestruktur zu verfeinern und den Stahl für die endgültige Bearbeitung oder Wärmebehandlung vorzubereiten oder die Stahl vorzubereiten..
7. Korrosionsresistenz von 4140 Stahl
Während 4140 Legierungstahl zeichnet sich in mechanischer Stärke aus, Es fehlt inhärente Korrosionsresistenz.
In feuchten oder marinen Umgebungen, Es oxidiert leicht, es sei denn, geschützt. Um dem entgegenzuwirken, Oberflächenbehandlungen wie z.:
- Nitrieren Für Oberflächenhärtung und Oxidationsbeständigkeit
- Schwarzoxidbeschichtung für leichte Korrosionsschutz
- Elektroplierend oder malen In Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit
8. Gemeinsame Formen und Standards
4140 Legierungstahl ist in einer Vielzahl von kommerziellen Formen erhältlich, um verschiedene industrielle Anwendungen zu erfüllen.
Seine Verfügbarkeit in verschiedenen Formen, kombiniert mit seinen hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Wärmebehandlung Vielseitigkeit, macht es zu einer beliebten Wahl sowohl in Standard- als auch in kundenspezifischen Komponenten.
Gemeinsame Formen von 4140 Stahl
Hersteller und Hersteller können erhalten 4140 Stahl in zahlreichen Formen, Abhängig von der beabsichtigten Verwendung und der erforderlichen Verarbeitung:
- Runde Stäbe: Häufig für Wellen verwendet, Stifte, Getriebe, und Verbindungselemente, Rundstangen sind eine der am häufigsten gelieferten Stahlformen 4140 Aufgrund ihrer Vielseitigkeit bei der Bearbeitung und Wärmebehandlung.
- Flachstangen und Teller: Ideal für Werkzeuge, Tragenkomponenten, und strukturelle Teile, die große Oberflächenkontaktbereiche erfordern.
Diese Formen eignen sich auch für Flammenausschnitte oder Wasserstrahlverarbeitung. - Geschmiedete Ringe und Discs: Wird in hochfesten rotierenden Maschinen wie Lagerrennen verwendet, Kupplungen, und Flansche.
- Hohlstangen und Röhrchen: Bevorzugt in Anwendungen, die Gewichtsreduzierung fordern und gleichzeitig die Stärke aufrechterhalten, wie hydraulische Zylinder und druckhaltige Teile.
- Blöcke und Knüppel: Geeignet für benutzerdefinierte Bearbeitung und große gefälschte Komponenten. Diese werden typischerweise bei der Herstellung und schwerer Industrieausrüstung verwendet.
Branchenstandards und Bezeichnungen für 4140 Stahl
| Standardorganisation | Bezeichnung | Region/Land | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| ASTM | ASTM A29 | Vereinigte Staaten | Allgemeine Spezifikation für heiß geschriebene Riegel von Kohlenstoff- und Legierungsstählen |
| ASTM | ASTM A322 | Vereinigte Staaten | Spezifikation für Legierungstahlstangen, die in mechanischen Anwendungen verwendet werden |
| ASTM | ASTM A519 | Vereinigte Staaten | Spezifikation für mechanische Schläuche mit nahtlosen Kohlenstoff- und Legierungsstahl |
SAE |
SAE 4140 | Vereinigte Staaten | Chrom-Molybdän-Low-Alloy-Stahl für Automobil- und technische Anwendungen |
| AISI | AISI 4140 | Vereinigte Staaten | Häufig verwendete Bezeichnung mit SAE ausgerichtet 4140 |
| IN / AUS | 1.7225 / 42CRMO4 | Europa / Deutschland | Europäisches Äquivalent unter en 10083 Für Quench- und Temperaturstähle |
| ER | SCM440 | Japan | Japanisches Äquivalent für hochfeste Legierungsstahl |
| GB | 42CRMO | China | Chinesisch Äquivalent mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften |
9. Anwendungen von 4140 Legierter Stahl
Stahl 4140 ist ein Anlaufmaterial in Anwendungen, die Stärke erfordern, Zähigkeit, und Tragenwiderstand unter Müdigkeit und Schockbelastung tragen:
- Automobil: Getriebe, Kurbelwellen, Stangen aus, Achsen
- Luft- und Raumfahrt: Fahrwerkskomponenten, Aktoren
- Öl & Gas: Bohrkragen, Hydraulische Bruchteile
- Herstellung: Dorns, stirbt, Formen, Werkzeughalter
Fallstudie: In einem vergleichenden Ermüdungstest, ein Stahl 4140 Q&T -Gangwelle demonstriert 10x Die Lebensdauer eines ähnlichen Designs aus Weichstahl, Hervorheben des langfristigen Wertes.
10. Vorteile und Einschränkungen von 4140 Legierter Stahl
Vorteile:
- Hoch Stärke zu Gewicht Verhältnis für strukturelle Anwendungen
- Exzellent Verschleißfestigkeit Nach dem Härten
- Vielseitige Wärmebehandlung Antwort
- Leicht in mehreren Formen und Standards erhältlich
Einschränkungen:
- Nicht geeignet für ätzende Umgebungen ohne Oberflächenschutz
- Erfordert sorgfältiges Schweißen Übungen, um das Knacken zu vermeiden
- Höhere Kosten und Komplexität als einfache Kohlenstoffstähle
11. Abschluss
4140 Legierungstahl bietet eine überzeugende Mischung aus mechanischer Stärke, Zähigkeit, und Verschleißfestigkeit, Dadurch in leistungskritischen technischen Anwendungen unverzichtbar.
Wenn richtig hitzebehandelt und geschützt, Es liefert eine außergewöhnliche Lebensdauer unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen.
Ob für die Luft- und Raumfahrt, Energie, oder Werkzeugkomponenten, Material 4140 Stahl bleibt eines der vertrauenswürdigsten und fähigsten Materialien in der modernen Herstellung.
Ingenieure, die ihre Verhaltens- und Verarbeitungsanforderungen verstehen.
DAS ist die perfekte Wahl für Ihre Fertigungsbedürfnisse, wenn Sie qualitativ hochwertige benötigen 4140 Stahlteile.
