1. Zavedenie
4140 oceľ je nízkolegovaná chróm-molybdénová oceľ.
Ponúka vynikajúcu kombináciu sily, tvrdosť, a odolnosť proti opotrebeniu, čo z neho robí ideálneho kandidáta pre náročné priemyselné aplikácie.
Tento článok skúma 4140 legovanej ocele z viacerých technických hľadísk, vrátane jeho chemického zloženia, mechanické správanie, odozva tepelného spracovania, machináovateľnosť, korózny výkon, a bežné použitie.
2. Chemické zloženie 4140 Zliatinová oceľ
Jedinečný výkon 4140 legovanej ocele pochádza z jeho starostlivo kontrolovaného chemického zloženia:
| Prvok | Váha % | Úloha vo vlastnostiach ocele |
|---|---|---|
| Uhlík (C) | 0.38–0,43 | Zvyšuje pevnosť a vytvrditeľnosť |
| Chróm (Cr) | 0.8-1.1 | Zlepšuje tvrdosť, odpor, a korózia |
| Mangán (Mn) | 0.75–1.0 | Zvyšuje húževnatosť a deoxidáciu |
| Molybdén (Mí) | 0.15–0,25 | Zvyšuje odolnosť proti tečeniu a hĺbku vytvrdnutia |
| Kremík (A) | 0.15–0,35 | Zvyšuje silu, mierne zlepšuje húževnatosť |
| Fosfor (P) | ≤ 0.035 | Typicky minimalizované, aby sa znížilo krehnutie |
| Síra (Siež) | ≤ 0.04 | Pridáva sa kvôli obrobiteľnosti, ale môže znížiť húževnatosť |
V porovnaní s podobnými zliatinami ako 4130 (nižší uhlík) a 4340 (vyšší nikel), 4140 vyrovnáva pevnosť a opracovateľnosť, čo z neho robí praktické a nákladovo efektívne riešenie pre mnohé konštrukčné aplikácie.
3. Fyzikálne vlastnosti 4140 Oceľ
| Majetok | Hodnota | Jednotka | Poznámky |
|---|---|---|---|
| Hustota | 7.85 | g/cm³ | Typické pre nízkolegované ocele |
| Modul elasticity (E) | ~205 | GPA | Tuhosť v ťahu a stlačení |
| Šmykový modul (G) | ~ 80 | GPA | Užitočné pre torzné aplikácie |
| Poissonov pomer | 0.27–0,30 | - | Pomer priečnej deformácie k axiálnej deformácii |
| Tepelná vodivosť | 42.6 | W/m · k | Na 100 ° C; s vyššími teplotami mierne klesá |
| Špecifická tepelná kapacita | 475 | J/kg·K | Približne pri izbovej teplote |
| Elektrický odpor | 205 | nΩ·m (nano-ohm metre) | Vyššie ako čisté železo; nízka vodivosť v porovnaní s meďou |
| Koeficient tepelnej expanzie | ~12,0 | um/m-K (20Rozsah -100°C) | Dôležité pri navrhovaní pre tepelné cyklovanie alebo rozmerovú stabilitu |
| Miesto topenia | 1416–1471 | ° C | Užší rozsah v dôsledku legujúcich prvkov |
4. Mechanické vlastnosti 4140 Oceľ
Aisi 4140 je všestranná chróm-molybdénová legovaná oceľ známa svojou vynikajúcou mechanickou pevnosťou, tvrdosť, a únavový odpor.
Tieto 4140 vlastnosti ocele sa môžu výrazne líšiť v závislosti od podmienok ich tepelného spracovania (Napr., žíhané, normalizované, uhasený, alebo temperované).
Tabuľka mechanických vlastností
| Majetok | Žíhané | Uhasené & Temperované (Otázka&Tón) | Jednotka | Poznámky |
|---|---|---|---|---|
| Výnosová sila | ~655 MPa | Až 1,600 MPA | MPA (megapascalov) | Otázka&T výrazne zlepšuje silu |
| ~95 ksi | ~232 ksi | ksi (cisársky) | ||
| Pevnosť v ťahu | 850– 1000 MPa | 1,000– 1 100 MPa | MPA | Typický rozsah po rôznych tepelných úpravách |
| 123-145 ksi | 145-160 ksi | ksi | ||
| Predĺženie pri prestávke | 25– 30 % | 12–18 % | % | Vyššia ťažnosť v žíhanom stave |
| Zníženie plochy | ~50 % | ~ 45% | % | Ukazovateľ ťažnosti a tvárnosti |
| Tvrdosť (Rockwell C) | 18-28 HRC | Až 50–55 HRC | HRC | Vysoko reaguje na kalenie a temperovanie |
| Charpy V-Notch Húževnatosť | >54 J (žíhané) | 20– 35 J (Otázka&T pri vysokej tvrdosti) | Jouly | Výkon v aplikáciách s nárazovým zaťažením |
| Sila únavy (Limit výdrže) | ~420 MPa | Až 700 MPA | MPA | V závislosti od povrchovej úpravy a zaťažovacích cyklov |
| Modul elasticity (E) | ~205 GPa | - | GPA | Tuhosť zostáva konštantná za všetkých podmienok |
5. Správanie tepelného spracovania 4140 Zliatinová oceľ
Aisi 4140 legovaná oceľ veľmi dobre reaguje na rôzne procesy tepelného spracovania, čo mu umožňuje dosiahnuť široké spektrum mechanických vlastností prispôsobených špecifickým inžinierskym aplikáciám.
Obsah chrómu a molybdénu zvyšuje jeho vytvrditeľnosť, vďaka čomu je obzvlášť vhodný pre operácie kalenia a popúšťania.
Bežné procesy tepelného spracovania
| Spracovanie | Typický rozsah teplôt (° C) | Účel |
|---|---|---|
| Žíhanie | 760–790 °C | Vylepšuje štruktúru zŕn, zmäkčuje oceľ, Zlepšuje machinabilitu |
| Normalizácia | 870–900 °C | Zvyšuje jednotnosť, zjemňuje štruktúru, zvyšuje mechanickú konzistenciu |
| Zhasnutie | ~845-875°C, nasledované ochladením olej/voda/polymér | Vytvára martenzitickú štruktúru pre vysokú tvrdosť a pevnosť |
| Temperovanie | 400–650 ° C (post-kalenie) | Upravuje tvrdosť, zmierňuje vnútorný stres, Zlepšuje ťažnosť & tvrdosť |
| Austomerovanie | Uhaste na 260–400 °C, držať až do transformácie | Vytvára bainitickú štruktúru, znižuje skreslenie, vyrovnáva pevnosť a húževnatosť |
6. Obrobiteľnosť a výroba 4140 Oceľ
Machináovateľnosť
Materiál 4140 oceľ vykazuje miernu obrobiteľnosť vo svojom žíhanom stave a stáva sa náročnejšou so zvyšujúcou sa tvrdosťou.
V žíhanom stave (zvyčajne okolo 18–22 HRC), možno ho opracovať nástrojmi z rýchloreznej ocele alebo tvrdokovu, poskytuje dobrú povrchovú úpravu a prijateľnú životnosť nástroja.
Však, akonáhle je oceľ kalená a popúšťaná na vyššiu úroveň tvrdosti (napríklad 30–50 HRC), znižuje sa jeho obrobiteľnosť.
V tejto fáze, nástroje z karbidu, nižšie rezné rýchlosti, a pevné nastavenia stroja sa stávajú nevyhnutnými, aby sa zabránilo opotrebovaniu nástroja a deformácii dielu.
Pre CNC sústruženie, mletie, alebo vŕtacie operácie, používanie správnych metód chladenia – najmä zaplavenia chladiacej kvapaliny – pomáha odvádzať teplo a zlepšuje odvod triesok.
Ťažšie vŕtanie 4140 profily často vyžadujú nástroje s kobaltovými alebo karbidovými hrotmi, zatiaľ čo pri závitovaní kalených častí môže byť výhodnejšie frézovanie závitov alebo tvarovanie závitníkov namiesto konvenčných rezných závitníkov.
Zváranie
Zváranie 4140 oceľ vyžaduje opatrnosť kvôli jej vysokej prekaliteľnosti a riziku praskania.
Na zmiernenie týchto rizík, dôrazne sa odporúča predhriatie obrobku – zvyčajne na 200–400 °C v závislosti od hrúbky.
Udržiavanie interpass teploty okolo 200–300 °C pomáha predchádzať tepelnému šoku a praskaniu spôsobenému vodíkom.
Po zváraní, odľahčenie komponentu pri teplote približne 600–650 °C pomáha obnoviť ťažnosť a znížiť zvyškové napätia.
Elektródy s nízkym obsahom vodíka, ako napríklad E8018-B2 alebo ER80S-D2, sa zvyčajne používajú ako výplňový materiál na zabezpečenie kompatibility a zníženie pórovitosti..
V kritických aplikáciách, tepelné spracovanie po zváraní (Pwht) je potrebné na zachovanie celistvosti a húževnatosti zváranej zóny.
Tvarovanie za studena a za tepla
4140 legovaná oceľ môže byť spracovaná za studena v žíhanom stave, hoci jeho vyššia pevnosť v porovnaní s nízkouhlíkovými oceľami obmedzuje jeho ťažnosť.
Procesy tvárnenia za studena, ako je ťahanie a kovanie, sú možné, ale vyžadujú vyššie sily a môžu vyvolať zvyškové napätia, ktoré si vyžadujú následné tepelné spracovanie.
Práca za tepla, vrátane kovania a valcovania za tepla, je priaznivejší pre oceľ 4140.
Ideálny rozsah teploty kovania je medzi 900 °C a 1200 °C, s materiálom typicky dokončeným pri teplote vyššej ako 850 °C.
Po tvarovaní za tepla, normalizácia alebo žíhanie sa odporúča na zjemnenie štruktúry zŕn a prípravu ocele na konečné obrábanie alebo tepelné spracovanie.
7. Odolnosť proti korózii 4140 Oceľ
Zatiaľ čo 4140 legovaná oceľ vyniká mechanickou pevnosťou, chýba jej vlastná odolnosť proti korózii.
Vo vlhkom alebo morskom prostredí, ľahko oxiduje, pokiaľ nie je chránený. Aby som tomu čelil, povrchové úpravy ako napr:
- Nitridácia pre povrchové spevnenie a odolnosť proti oxidácii
- Povlak z čierneho oxidu na ľahkú ochranu proti korózii
- Galvanické pokovovanie alebo lakovanie v prostredí s vysokou vlhkosťou
8. Spoločné formuláre a normy
4140 legovaná oceľ je dostupná v širokej škále komerčných foriem, aby vyhovovala rôznym priemyselným aplikáciám.
Jeho dostupnosť v rôznych tvaroch, v kombinácii s jeho vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami a všestrannosťou tepelného spracovania, robí z neho obľúbenú voľbu v štandardných aj na mieru vyrábaných komponentoch.
Bežné formy 4140 Oceľ
Výrobcovia a spracovatelia môžu získať 4140 oceľ v mnohých formách, v závislosti od zamýšľaného použitia a požadovaného spracovania:
- Okrúhle tyče: Bežne sa používa na hriadele, špendlíky, ozubené kolesá, a spojovacích prvkov, kruhové tyče sú jednou z najčastejšie dodávaných foriem ocele 4140 vďaka ich všestrannosti pri obrábaní a tepelnom spracovaní.
- Ploché tyče a taniere: Ideálne na náradie, opotrebované komponenty, a konštrukčné diely vyžadujúce veľké povrchové kontaktné plochy.
Tieto formy sú vhodné aj na rezanie plameňom alebo spracovanie vodným lúčom. - Kované prstene a disky: Používa sa vo vysoko pevných rotačných strojoch, ako sú ložiskové krúžky, spojky, a príruby.
- Duté tyče a rúrky: Uprednostňuje sa v aplikáciách vyžadujúcich zníženie hmotnosti pri zachovaní pevnosti, ako sú hydraulické valce a časti obsahujúce tlak.
- Bloky a predvalky: Vhodné pre zákazkové obrábanie a veľké kované komponenty. Zvyčajne sa používajú v lisovacích a ťažkých priemyselných zariadeniach.
Priemyselné normy a označenia pre 4140 Oceľ
| Štandardná organizácia | Označenie | Región/Krajina | Opis |
|---|---|---|---|
| ASTM | ASTM A29 | Spojené štáty americké | Všeobecná špecifikácia pre tyče tvárnené za tepla z uhlíkových a legovaných ocelí |
| ASTM | ASTM A322 | Spojené štáty americké | Špecifikácia pre tyče z legovanej ocele používané v mechanických aplikáciách |
| ASTM | ASTM A519 | Spojené štáty americké | Špecifikácia pre bezšvíkové mechanické rúry z uhlíkovej a legovanej ocele |
SAE |
SAE 4140 | Spojené štáty americké | Chróm-molybdénová nízkolegovaná oceľ pre automobilové a strojárske aplikácie |
| Aisi | Aisi 4140 | Spojené štáty americké | Bežne používané označenie v súlade s SAE 4140 |
| V / Od | 1.7225 / 42CrMO4 | Európe / Nemecko | Európsky ekvivalent podľa EN 10083 pre kalené a temperované ocele |
| ON | SCM440 | Japonsko | Japonský ekvivalent pre vysokopevnostnú legovanú oceľ |
| GB | 42CrMo | Čína | Čínsky ekvivalent s podobnými mechanickými vlastnosťami |
9. Žiadosti 4140 Zliatinová oceľ
Oceľ 4140 je ideálnym materiálom pre aplikácie vyžadujúce pevnosť, tvrdosť, a odolnosť proti opotrebovaniu pri únave a rázovom zaťažení:
- Automobilový: ozubené kolesá, kľukové hriadeľ, spojovacie tyče, nápravy
- Letectvo: komponenty podvozku, aktuátory
- Olej & Plyn: vŕtacie objímky, časti hydraulického štiepenia
- Výroba: tŕne, zomrieť, formy, držiaky nástrojov
Prípadová štúdia: V porovnávacom únavovom teste, oceľ 4140 Otázka&T ozubený hriadeľ demonštrovaný 10x životnosť podobného dizajnu z mäkkej ocele, zdôrazňujúc jeho dlhodobú hodnotu.
10. Výhody a obmedzenia 4140 Zliatinová oceľ
Výhody:
- Vysoký pomer sily k hmotnosti pomer pre konštrukčné aplikácie
- Vynikajúci odpor po vytvrdnutí
- Všestranné tepelné spracovanie odpoveď
- Ľahko dostupné vo viacerých formách a štandardoch
Obmedzenia:
- Nevhodné pre korozívne prostredie bez povrchovej ochrany
- Vyžaduje starostlivé zváranie postupy, aby sa zabránilo praskaniu
- Vyššie náklady a zložitosť ako obyčajné uhlíkové ocele
11. Záver
4140 legovaná oceľ ponúka presvedčivú zmes mechanickej pevnosti, tvrdosť, a odolnosť proti opotrebeniu, vďaka čomu je nepostrádateľný v technických aplikáciách kritických z hľadiska výkonu.
Pri správnej tepelnej úprave a ochrane, poskytuje výnimočnú životnosť v náročných prevádzkových podmienkach.
Či už pre letectvo, energia, alebo súčasti nástrojov, materiál 4140 oceľ zostáva jedným z najdôveryhodnejších a najschopnejších materiálov v modernej výrobe.
Inžinieri, ktorí rozumejú jeho správaniu a požiadavkám na spracovanie, dokážu naplno využiť jeho potenciál.
Tak je ideálna voľba pre vaše výrobné potreby, ak potrebujete kvalitnú kvalitu 4140 oceľové diely.
