1. 導入
4140 スチールは、低合金クロム - モリブデン鋼です.
強度の優れた組み合わせを提供します, 靭性, そして耐摩耗性, 産業用アプリケーションを要求する理想的な候補者となっています.
この記事で説明します 4140 複数の技術的視点からの合金鋼, 化学組成も含めて, 機械的挙動, 熱処理反応, 被削性, 腐食性能, および一般的な用途.
2. の化学組成 4140 合金鋼
のユニークなパフォーマンス 4140 合金鋼 慎重に制御された化学組成に由来します:
| 要素 | 重さ % | 鋼の特性における役割 |
|---|---|---|
| 炭素 (C) | 0.38–0.43 | 強度と硬化性を向上させます |
| クロム (Cr) | 0.8–1.1 | 硬度を向上させます, 耐摩耗性, と腐食 |
| マンガン (ん) | 0.75–1.0 | 靭性と脱酸化を強化します |
| モリブデン (モー) | 0.15–0.25 | クリープ抵抗と硬化の深さを強化します |
| シリコン (そして) | 0.15–0.35 | 強度を高めます, タフネスをわずかに改善します |
| リン (P) | ≤ 0.035 | 通常、腹部を減らすために最小限に抑えられます |
| 硫黄 (S) | ≤ 0.04 | 加工性のために追加されましたが、靭性を減らすことができます |
同様の合金と比較して 4130 (低炭素) そして 4340 (より高いニッケル), 4140 バランスの強さと機械制度, 多くの構造用途向けの実用的で費用対効果の高いソリューションにする.
3. の物理的特性 4140 鋼鉄
| 財産 | 価値 | ユニット | 注意事項 |
|---|---|---|---|
| 密度 | 7.85 | g/cm3 | 低合金鋼の典型 |
| 弾性率 (E) | 〜205 | GPa | 張力と圧縮の剛性 |
| せん断弾性率 (G) | 〜80 | GPa | ねじれアプリケーションに役立ちます |
| ポアソン比 | 0.27–0.30 | – | 横ひずみと軸ひずみの比率 |
| 熱伝導率 | 42.6 | W/m・K | で 100 ℃; 高温ではわずかに減少します |
| 比熱容量 | 475 | J/kg・K | 室温でおおよそ |
| 電気抵抗率 | 205 | nω・m (ナノオームメートル) | 純粋な鉄よりも高い; 銅と比較した導電率が低い |
| 熱膨張係数 | 〜12.0 | µm/m・k (20–100°Cの範囲) | サーマルサイクリングまたは寸法の安定性の設計に重要です |
| 融点 | 1416–1471 | ℃ | 合金要素のため、より狭い範囲 |
4. の機械的特性 4140 鋼鉄
AISI 4140 その優れた機械的強度で知られている汎用性の高いクロム - モリブデン合金鋼です, 靭性, 耐疲労性.
これら 4140 鋼の特性は、熱処理状態によって大きく異なる場合があります (例えば, 焼きなましされた, 正規化, 焼き入れされた, または和らげられます).
機械的特性テーブル
| 財産 | 焼き鈍し | クエンチ & 気性 (Q&T) | ユニット | 注意事項 |
|---|---|---|---|---|
| 降伏強さ | 〜655 MPa | まで 1,600 MPa | MPa (メガパスカル) | Q&Tは強度を大幅に改善します |
| 〜95 ksi | 〜232 ksi | クシ (インペリアル) | ||
| 抗張力 | 850–1,000 MPa | 1,000–1,100 MPa | MPa | さまざまな熱処理後の典型的な範囲 |
| 123–145 ksi | 145–160 ksi | クシ | ||
| 破断伸び | 25–30％ | 12–18％ | % | アニール状態のより高い延性 |
| 面積の削減 | 〜50％ | 〜45％ | % | 延性と形成性の指標 |
| 硬度 (ロックウェルc) | 18–28 HRC | 最大50〜55 HRC | HRC | クエンチと焼き菓子に非常に反応します |
| Charpy V-notchの靭性 | >54 J (焼きなましされた) | 20–35 j (Q&高硬度でt) | ジュール | インパクトロードアプリケーションのパフォーマンス |
| 疲労強度 (持久力制限) | 〜420 MPa | まで 700 MPa | MPa | 表面仕上げと読み込みサイクルに依存します |
| 弾性率 (E) | 〜205 GPA | – | GPa | 剛性は条件全体で一定のままです |
5. の熱処理挙動 4140 合金鋼
AISI 4140 合金鋼は、さまざまな熱処理プロセスに非常に反応します, 特定のエンジニアリングアプリケーションに合わせた幅広い機械的特性を実現できるように.
そのクロムとモリブデンの含有量は、その難解性を高めます, クエンチングおよび焼き戻し操作に特に適しています.
一般的な熱処理プロセス
| プロセス | 典型的な温度範囲 (℃) | 目的 |
|---|---|---|
| アニーリング | 760–790°C | 穀物構造を改良します, 鋼を柔らかくします, 加工性が向上します |
| 正規化 | 870–900°C | 均一性を高めます, 構造を改良します, 機械的な一貫性を高めます |
| 焼入れ | 〜845–875°C, その後、オイル/水/ポリマークエンチが続きます | 高い硬度と強度のためにマルテンサイト構造を生成します |
| テンパリング | 400–650℃ (クエンチ後) | 硬度を調整します, 内部ストレスを和らげます, 延性を改善します & 靭性 |
| 東部の抑制 | 260〜400°Cまでクエンチします, 変換するまで保持します | ベイナイト構造を生成します, 歪みを減らします, バランスの強さの粘さ |
6. の加工性と製造 4140 鋼鉄
被削性
材料 4140 スチールは、アニール状態で適度な機械加工性を示し、硬度が高まるにつれてより挑戦的になります.
アニール状態で (通常、18〜22 hrc), 高速スチールまたはカーバイドツールで機械加工できます, 良好な表面仕上げと許容可能なツール寿命をもたらします.
しかし, 鋼が消し止めされ、より高い硬度レベルに和らげられたら (30〜50 HRCなど), その加工性は低下します.
この段階では, カーバイドツール, 切断速度が低い, そして、剛性マシンのセットアップは、ツールの摩耗や一部の歪みを避けるために不可欠になります.
のために CNC旋削加工, フライス加工, または掘削操作, 適切な冷却方法（特に洪水クーラント）を使用して、熱を放散し、チップの避難を改善します.
掘削が一生懸命 4140 多くの場合、セクションではコバルトまたは炭化物の先端のツールが必要です, 硬化した部品をタップすることは、従来の切断タップではなく、糸のフライス材やタップの形成の恩恵を受ける可能性があります.
溶接
溶接 4140 鋼は、その高い硬化性とひび割れのリスクのために注意が必要です.
これらのリスクを軽減する, ワークピースを予熱すること - 同様に厚さに応じて200〜400°Cに - 強くお勧めします.
約200〜300°Cのインターパス温度を維持することは、熱ショックと水素誘発性亀裂を防ぐのに役立ちます.
溶接後, 約600〜650°Cでコンポーネントを緩和することは、延性を回復し、残留ストレスを軽減するのに役立ちます.
E8018-B2やER80S-D2などの低水素電極は、通常、フィラー材料に使用され、互換性を確保し、気孔率を低下させます.
重要なアプリケーションで, 溶接後の熱治療 (PWHT) 溶接ゾーンの完全性と靭性を維持するために必要です.
冷たくて熱い形成
4140 合金鋼は、アニールされた状態で冷たく機能することができます, 低炭素鋼と比較してより高い強度はその延性を制限します.
描画やスワージングなどのコールドフォーミングプロセスは可能ですが、より高い力を必要とし、その後の熱処理を必要とする残留応力を誘発する可能性があります.
ホットワーキング, 鍛造とホットローリングを含む, 鋼にとってより有利です 4140.
理想的な鍛造温度範囲は900°Cから1200°Cの間です, 材料は通常850°Cを超えて仕上げられています.
ホットフォーミングの後, 穀物構造を改良し、最終的な機械加工または熱処理のために鋼を準備するために正規化またはアニーリングが推奨されます.
7. の腐食抵抗 4140 鋼鉄
その間 4140 合金鋼は機械的強度に優れています, 固有の腐食抵抗がありません.
湿度または海洋環境で, 保護されていない限り、それは容易に酸化します. これに対抗するために, 次のような表面処理:
- 窒化処理 表面硬化と酸化抵抗のため
- 黒い酸化物コーティング 光腐食保護用
- 電気めっきまたは絵画 高湿度環境で
8. 一般的なフォームと標準
4140 合金鋼は、多様な産業用アプリケーションに対応するために、さまざまな商業形式で利用できます.
さまざまな形状での可用性, その優れた機械的特性と熱処理的汎用性と組み合わせて, 標準およびカスタム製造コンポーネントの両方で人気のある選択肢になります.
の共通形式 4140 鋼鉄
製造業者と製造業者は入手できます 4140 多数の形の鋼, 目的の使用と必要な処理に応じて:
- 丸棒: 一般的にシャフトに使用されます, ピン, 歯車, とファスナー, 丸いバーは、最も頻繁に供給されるスチールの1つです 4140 機械加工と熱処理における汎用性のため.
- 平らなバーとプレート: ツールに最適です, コンポーネントを着用します, 大きな表面接触領域を必要とする構造部品.
これらのフォームは、火炎切断や水ジェット加工にも適しています. - 鍛造リングとディスク: ベアリングレースなどの高強度回転機械で使用されます, カップリング, とフランジ.
- 中空のバーとチューブ: 強度を維持しながら、減量を必要とするアプリケーションで好まれます, 油圧シリンダーや圧力含有部品など.
- ブロックとビレット: カスタム加工と大規模な鍛造コンポーネントに適しています. これらは通常、ダイキングや重い産業用具で使用されます.
業界の基準と指定 4140 鋼鉄
| 標準組織 | 指定 | 地域/国 | 説明 |
|---|---|---|---|
| ASTM | ASTM A29 | 米国 | 炭素と合金の鋼の温めバーの一般的な仕様 |
| ASTM | ASTM A322 | 米国 | 機械的アプリケーションで使用される合金鋼バーの仕様 |
| ASTM | ASTM A519 | 米国 | シームレスな炭素および合金鋼の機械式チューブの仕様 |
サエ |
サエ 4140 | 米国 | 自動車およびエンジニアリング用途向けのクロム - モリブデン低合金鋼 |
| AISI | AISI 4140 | 米国 | 一般的に使用されているSAEに沿った指定 4140 |
| で / から | 1.7225 / 42CRMO4 | ヨーロッパ / ドイツ | ENに基づく欧州同等物 10083 クエンチとテンパー鋼用 |
| 彼 | SCM440 | 日本 | 高強度合金鋼に相当する日本 |
| GB | 42CRMO | 中国 | 同様の機械的特性と同等の中国語 |
9. の応用 4140 合金鋼
鋼鉄 4140 強度を必要とするアプリケーションの頼りになる資料です, 靭性, 疲労と衝撃の負荷の下で耐性を吸収します:
- 自動車: 歯車, クランクシャフト, ネクタイロッド, 車軸
- 航空宇宙: 着陸装置コンポーネント, アクチュエータ
- 油 & ガス: 襟を掘削します, 油圧破砕部品
- 製造業: マンドレル, 死ぬ, 金型, ツールホルダー
ケーススタディ: 比較疲労テストで, 鋼 4140 Q&Tギアシャフトが実証されました 10X寿命 軟鋼から作られた同様のデザインの, その長期的な価値を強調します.
10. の利点と制限 4140 合金鋼
利点:
- 高い 強さと重み 構造用途の比率
- 素晴らしい 耐摩耗性 硬化後
- 汎用性の高い熱処理 応答
- 複数のフォームと標準で容易に利用できます
制限事項:
- には適していません 腐食性環境 表面保護なし
- 必要 慎重な溶接 ひび割れを避けるための慣行
- より高いコスト 普通の炭素鋼よりも複雑です
11. 結論
4140 合金鋼は、機械的強度の魅力的なブレンドを提供します, 靭性, そして耐摩耗性, パフォーマンスが批判的なエンジニアリングアプリケーションで不可欠なものにします.
適切に熱処理され、保護されている場合, 要求の厳しい運用条件の下で、例外的なサービスライフを提供します.
航空宇宙用かどうか, エネルギー, またはツーリングコンポーネント, 材料 4140 鉄鋼は、現代の製造において最も信頼できる有能な材料の1つであり続けています.
その行動と処理の要件を理解しているエンジニアは、その可能性を完全に活用できます.
これ 高品質が必要な場合は、製造ニーズに最適です 4140 鋼部品.
