1. Wstęp
4140 Stal to stal chromu o niskim poziomie chromu.
Oferuje doskonałe połączenie siły, wytrzymałość, i odporność na zużycie, czyniąc go idealnym kandydatem do wymagających zastosowań przemysłowych.
Ten artykuł bada 4140 stal stopowa z wielu perspektyw technicznych, łącznie z jego składem chemicznym, Zachowanie mechaniczne, Odpowiedź na obróbkę cieplną, skrawalność, Wydajność korozji, i powszechne zastosowania.
2. Skład chemiczny 4140 Stal stopowa
Unikalna wydajność 4140 stal stopowa pochodzi ze starannie kontrolowanej składu chemicznego:
| Element | Waga % | Rola we właściwościach stalowych |
|---|---|---|
| Węgiel (C) | 0.38–0,43 | Zwiększa siłę i stwardnienie |
| Chrom (Kr) | 0.8–1.1 | Poprawia twardość, odporność na zużycie, i korozja |
| Mangan (Mn) | 0.75–1.0 | Zwiększa wytrzymałość i odtlenienie |
| Molibden (Pon) | 0.15–0,25 | Zwiększa odporność na pełzanie i głębokość stwardnienia |
| Krzem (I) | 0.15–0,35 | Zwiększa siłę, Nieco poprawia wytrzymałość |
| Fosfor (P) | ≤ 0.035 | Zazwyczaj zminimalizowane w celu zmniejszenia kruchości |
| Siarka (S) | ≤ 0.04 | Dodano dla maszyny, ale może zmniejszyć wytrzymałość |
W porównaniu z podobnymi stopami, takimi jak 4130 (niższy węgiel) I 4340 (Wyższy nikiel), 4140 Równoważy siłę i możliwość maszyny, czyniąc go praktycznym i opłacalnym rozwiązaniem dla wielu zastosowań strukturalnych.
3. Właściwości fizyczne 4140 Stal
| Nieruchomość | Wartość | Jednostka | Notatki |
|---|---|---|---|
| Gęstość | 7.85 | g/cm3 | Typowe dla stali o niskiej ścianie |
| Moduł sprężystości (mi) | ~ 205 | GPa | Sztywność napięcia i kompresji |
| Moduł ścinania (G) | ~ 80 | GPa | Przydatne w aplikacjach skrętnych |
| Współczynnik Poissona | 0.27–0,30 | – | Stosunek szczepu poprzecznego do odkształcenia osiowego |
| Przewodność cieplna | 42.6 | W/m·K | Na 100 °C; nieznacznie zmniejsza się wraz z wyższymi temperaturami |
| Specyficzna pojemność cieplna | 475 | J/kg·K | Przybliżone w temperaturze pokojowej |
| Oporność elektryczna | 205 | nω · m (Nano-Ohm Meters) | Wyższe niż czyste żelazo; Niska przewodność w porównaniu do miedzi |
| Współczynnik rozszerzalności cieplnej | ~ 12.0 | µm/m · k (20–100 ° C Zakres) | Ważne w projektowaniu cykli termicznych lub stabilności wymiarowej |
| Temperatura topnienia | 1416–1471 | °C | Węższy zasięg ze względu na elementy stopowe |
4. Właściwości mechaniczne 4140 Stal
AISI 4140 jest wszechstronną stalą stopową chromu-molibdenową znaną z doskonałej wytrzymałości mechanicznej, wytrzymałość, i odporność na zmęczenie.
Te 4140 Właściwości stalowe mogą się znacznie różnić w zależności od stanu obróbki cieplnej (np., wyżarzane, znormalizowane, wygaszony, lub hartowane).
Tabela właściwości mechanicznych
| Nieruchomość | Wyżarzone | Wygaszone & Hartowany (Q&T) | Jednostka | Notatki |
|---|---|---|---|---|
| Siła plonu | ~ 655 MPa | Aż do 1,600 MPa | MPa (megapaskale) | Q&T znacznie poprawia siłę |
| ~ 95 ksi | ~ 232 ksi | ksi (cesarski) | ||
| Wytrzymałość na rozciąganie | 850–1000 MPa | 1,000–1,100 MPa | MPa | Typowy zasięg po różnych obróbkach cieplnych |
| 123–145 ksi | 145–160 ksi | ksi | ||
| Wydłużenie przy zerwaniu | 25–30% | 12–18% | % | Wyższa plastyczność w stanie wyżarzonym |
| Zmniejszenie obszaru | ~ 50% | ~ 45% | % | Wskaźnik plastyczności i tworzenia |
| Twardość (Rockwell c) | 18–28 HRC | Do 50–55 HRC | HRC | Wysoce wrażliwe na gaszenie i temperowanie |
| Charpy V-notch wytrzymałość | >54 J (wyżarzane) | 20–35 J. (Q&T przy wysokiej twardości) | Dżule | Wydajność w aplikacjach ładowania uderzenia |
| Siła zmęczenia (Limit wytrzymałości) | ~ 420 MPa | Aż do 700 MPa | MPa | Zależne od wykończenia powierzchni i cykli ładowania |
| Moduł sprężystości (mi) | ~ 205 GPA | – | GPa | Sztywność pozostaje stała w różnych warunkach |
5. Zachowanie obróbki cieplnej 4140 Stal stopowa
AISI 4140 Stalowa stal jest wysoce reaguje na różne procesy oczyszczania cieplnego, umożliwiając osiągnięcie szerokiego spektrum właściwości mechanicznych dostosowanych do określonych zastosowań inżynierskich.
Jego zawartość chromu i molibdenu zwiększają jego twardość, sprawiając, że jest to szczególnie odpowiednie do operacji hartowania i temperamentu.
Powszechne procesy oczyszczania cieplnego
| Proces | Typowy zakres temperatur (°C) | Zamiar |
|---|---|---|
| Wyżarzanie | 760–790 ° C. | Udaje strukturę ziarna, zmiękcza stal, poprawia maszyna |
| Normalizowanie | 870–900 ° C. | Zwiększa jednolitość, udoskonala strukturę, zwiększa spójność mechaniczną |
| Hartowanie | ~ 845–875 ° C., a następnie hartowanie oleju/wody/polimeru | Wytwarza strukturę martenzytyczną dla wysokiej twardości i siły |
| Ruszenie | 400–650°C (Post-Quench) | Dostosowuje twardość, łagodzi stres wewnętrzny, poprawia plastyczność & wytrzymałość |
| Wschodnie temperowanie | Zatrzymaj się do 260–400 ° C., Trzymaj aż do transformacji | Wytwarza strukturę bainityczną, zmniejsza zniekształcenie, Równoważy siłę |
6. Machowanie i wytwarzanie 4140 Stal
Skrawalność
Tworzywo 4140 Stal wykazuje umiarkowaną próby w stanie wyżarzonym i staje się trudniejsze wraz ze wzrostem twardości.
W stanie wyżarzonym (Zazwyczaj około 18–22 HRC), Można go obrobić za pomocą narzędzi stalowych lub węglika, dając dobre wykończenia powierzchni i dopuszczalna żywotność narzędzia.
Jednakże, Gdy stal zostanie wygaszona i złagodzona do wyższych poziomów twardości (takie jak 30–50 HRC), Jego maszyna maleje.
Na tym etapie, Narzędzia do węglików, niższe prędkości cięcia, a sztywne konfiguracje maszyn stają się niezbędne, aby uniknąć zużycia narzędzia i zniekształceń części.
Dla Toczenie CNC, przemiał, lub operacje wiercenia, Stosując odpowiednie metody chłodzenia - szczególnie zalewające chłód - pomocy rozpraszają ciepło i poprawiają ewakuację układów.
Wiercenie mocniejsze 4140 Sekcje często wymagają narzędzi kobaltu lub węglików, podczas gdy stukanie stwardniałych części może skorzystać z frezowania nici lub tworzenia kranów, a nie konwencjonalnych kranów cięcia.
Spawalniczy
Spawalniczy 4140 Stal wymaga ostrożności ze względu na wysoką stwardnienie i ryzyko pękania.
Aby ograniczyć te ryzyko, Podgrzewanie przedmiotu - typowo do 200–400 ° C w zależności od grubości - jest zdecydowanie zalecane.
Utrzymanie temperatury międzypasskiej około 200–300 ° C pomaga zapobiegać wstrząsowi termicznemu i pęknięciu indukowanym wodorem.
Po spawaniu, Wytwianie składnika w około 600–650 ° C pomaga przywrócić plastyczność i zmniejszyć naprężenia resztkowe.
Elektrody o niskiej hajdrogu, takie jak E8018-B2 lub ER80S-D2, są zwykle stosowane do materiału wypełniającego w celu zapewnienia kompatybilności i zmniejszenia porowatości.
W krytycznych aplikacjach, Po spalonym obróbce cieplnej (PWHT) jest konieczne, aby utrzymać integralność i wytrzymałość strefy spawanej.
Formowanie zimne i gorące
4140 Stalowa stal może być przeziębia w stanie wyżarzonym, Chociaż jego wyższa wytrzymałość w porównaniu ze stalami o niskiej zawartości węgla ogranicza jego ciągliwość.
Procesy tworzenia zimna, takie jak rysowanie i swingowanie, są możliwe, ale wymagają wyższych sił i mogą wywoływać naprężenia resztkowe, które wymagają późniejszego obróbki cieplnej.
Gorąca praca, w tym kucie i walka z gorącym, jest bardziej korzystny dla stali 4140.
Idealny zakres temperatur kucia wynosi od 900 ° C do 1200 ° C, z materiałem zwykle wykończonym powyżej 850 ° C.
Po gorącym formowaniu, Zaleca się normalizację lub wyżarzanie do udoskonalenia struktury ziarna i przygotowania stali do ostatecznego obróbki obróbki lub ciepła.
7. Odporność na korozję 4140 Stal
Chwila 4140 stal stopowa wyróżnia się wytrzymałością mechaniczną, Brakuje nieodłącznego odporności na korozję.
W środowisku wilgotnym lub morskim, łatwo utlenia się, chyba że jest chroniony. Aby to przeciwdziałać, Zabiegi powierzchniowe, takie jak:
- Azotowanie do stwardnienia powierzchniowego i odporności na utlenianie
- Powłoka z tlenku czarnego dla lekkiej ochrony korozji
- Galwanizacja lub malowanie w środowiskach o wysokiej zdolności
8. Wspólne formy i standardy
4140 Alloy Steel jest dostępna w wielu różnych formach komercyjnych, aby pomieścić różnorodne zastosowania przemysłowe.
Jego dostępność w różnych kształtach, w połączeniu z doskonałymi właściwościami mechanicznymi i wszechstronnością obróbki cieplnej, czyni go popularnym wyborem zarówno w komponentach standardowych, jak i wykonanych na zamówienie.
Wspólne formy 4140 Stal
Producenci i producenci mogą uzyskać 4140 stal w wielu formach, w zależności od zamierzonego użycia i wymaganego przetwarzania:
- Okrągłe pręty: Powszechnie używane do wałków, szpilki, koła zębate, i elementy złączne, Okrągłe pręty są jedną z najczęściej dostarczanych form stali 4140 Ze względu na ich wszechstronność w obróbce obróbki i ciepła.
- Płaskie pręty i talerze: Idealny do oprzyrządowania, nosić komponenty, i części strukturalne wymagające dużych obszarów styku powierzchni.
Formy te są również odpowiednie do cięcia płomienia lub przetwarzania odrzutowca wodnego. - Wykute pierścienie i dyski: Stosowane w obrotowych maszynach o wysokiej wytrzymałości, takie jak rasy łożyska, sprzęgła, i kołnierze.
- Puste pręty i rurki: Preferowane w zastosowaniach wymagających zmniejszenia masy ciała przy jednoczesnym utrzymaniu siły, takie jak cylindry hydrauliczne i części zawierające ciśnienie.
- Bloki i kęsy: Nadaje się do niestandardowych obróbki i dużych kute komponenty. Są one zwykle stosowane w urządzeniu do tworzenia i ciężkich wyposażenia przemysłowego.
Standardy i oznaczenia branżowe dla 4140 Stal
| Standardowa organizacja | Oznaczenie | Region/kraj | Opis |
|---|---|---|---|
| ASTM | ASTM A29 | Stany Zjednoczone | Ogólna specyfikacja batonów stali węglowych i stopowych |
| ASTM | ASTM A322 | Stany Zjednoczone | Specyfikacja dla stalowych słupków stosowanych w aplikacjach mechanicznych |
| ASTM | ASTM A519 | Stany Zjednoczone | Specyfikacja do płynnej rurki mechanicznej stalowej i stalowej |
SAE |
SAE 4140 | Stany Zjednoczone | Stal niskopomorowych chromu-molibdenum do zastosowań motoryzacyjnych i inżynierskich |
| AISI | AISI 4140 | Stany Zjednoczone | Powszechnie używane oznaczenie wyrównane z SAE 4140 |
| W / Z | 1.7225 / 42CRMO4 | Europa / Niemcy | Europejski odpowiednik w ramach EN 10083 do hartowania i stali temperamentu |
| ON | SCM440 | Japonia | Japoński odpowiednik stali stopowej o wysokiej wytrzymałości |
| GB | 42Crmo | Chiny | Chiński odpowiednik podobnych właściwości mechanicznych |
9. Zastosowania 4140 Stal stopowa
Stal 4140 jest materiałem na aplikacje wymagające siły, wytrzymałość, i odporność na zmęczenie i obciążenie wstrząsu:
- Automobilowy: koła zębate, wały korbowe, Rodki, osie
- Lotnictwo: elementy podwozia, siłowniki
- Olej & Gaz: kołnierze wiertła, Części szczelinowania hydraulicznego
- Produkcja: Mandrels, umiera, formy, uchwyty na narzędzia
Studium przypadku: W porównawczym teście zmęczeniowym, stal 4140 Q&Wykazano wałek przekładni 10x żywotność podobnego projektu wykonanego ze stali miękkiej, podkreślając jego długoterminową wartość.
10. Zalety i ograniczenia 4140 Stal stopowa
Zalety:
- Wysoki Siła do masy stosunek zastosowań strukturalnych
- Doskonały odporność na zużycie Po stwardnieniu
- Wszechstronne obróbka cieplna odpowiedź
- Łatwo dostępne w wielu formach i standardach
Ograniczenia:
- Nie nadaje się do środowiska korozyjne bez ochrony powierzchni
- Wymaga staranne spawanie praktyki, aby uniknąć pękania
- Wyższy koszt i złożoność niż zwykłe stale węglowe
11. Wniosek
4140 Stalowa stal oferuje atrakcyjną mieszankę siły mechanicznej, wytrzymałość, i odporność na zużycie, czyniąc go niezbędnym w aplikacjach inżynierii krytycznej wydajności.
Po prawidłowym obróbce cieplnej i chronionej, zapewnia wyjątkową żywotność usług w wymagających warunkach pracy.
Czy dla przemysłu lotniczego, energia, lub komponenty narzędzi, tworzywo 4140 Stal pozostaje jednym z najbardziej zaufanych i zdolnych materiałów z nowoczesnej produkcji.
Inżynierowie, którzy rozumieją jego wymagania dotyczące zachowania i przetwarzania, mogą w pełni wykorzystać swój potencjał.
TEN jest idealnym wyborem dla twoich potrzeb produkcyjnych, jeśli potrzebujesz wysokiej jakości 4140 części stalowe.
