AISI 4140 ist eine amerikanische Normlegierung für Chrom-Molybdän-Stahl. Das Äquivalent zu 4140 Stahl in Deutschland ist 42CrMo, in Deutschland ist es 42CrMo4, und in Japan ist es SCM440 Legierungsstahl. Es zeichnet sich durch hohe Festigkeit, hohe Zähigkeit und gute Härtefähigkeit aus. Aufgrund seines moderaten Kohlenstoffgehalts und der reichhaltigen Legierungselemente wird es auch häufig wärmebehandelt, um martensitischen Legierungsstahl mit höherer Härte zu erzeugen. 4140 Chrom-Molybdän-Stahl kann die Anforderungen an schwere, belastbare Komponenten leicht erfüllen. Im Folgenden werde ich die Eigenschaften und Bearbeitungsprozesse von AISI 4140 Stahl erklären.
Eigenschaften von AISI 4140 Stahl
Um dieses Material wissenschaftlicher vorzustellen, werde ich es anhand der Eigenschaften von Metallen erklären, hauptsächlich einschließlich mechanischer Eigenschaften, physikalischer Eigenschaften, chemischer Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Bearbeitungsprozesse.
Chemische Zusammensetzung von AISI 4140
AISI 4140 wird auch als niedriglegierter 4140 Chromoly-Stahl bezeichnet. Seine chemischen Elemente umfassen hauptsächlich die folgenden:
Kohlenstoff (C): Gehalt 0,38%-0,43%, gehört zu mittelkohlenstoffhaltigem Stahl und ist das Schlüsselfaktor, der bestimmt, ob 4140 Kohlenstoffstahl gehärtet und vergütet werden kann.
Mangan (Mn): Gehalt 0,75%-1,00%, verbessert hauptsächlich die Härtefähigkeit des Stahls, verfeinert die Körner und kann auch mit Schwefel MnS bilden, wodurch die Warmbrüchigkeit durch Schwefel reduziert und die Warmumformbarkeit von AISI 4140 Stahl verbessert wird.
Chrom (Cr): Gehalt 0,80%-1,10%, kann die Härtefähigkeit, Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit des 4140 Materials verbessern, stabile Karbide bilden, um die Matrix zu verstärken, und die Korrosionsbeständigkeit von AISI 4140 Stahl verbessern, insbesondere in oxidierenden Umgebungen.
Molybdän (Mo): Gehalt 0,15%-0,25%, ist ein Schlüssellegierungselement in AISI 4140, das die Härtefähigkeit erheblich verbessert, die Vergüthärte effektiv unterdrückt, die Festigkeit und Härte von 4140 Chrom-Molybdän-Stahl bei hohen Temperaturen erhöht und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit des Stahls, insbesondere gegen Chloridkorrosion, verbessert.
Silizium (Si): Gehalt 0,15%-0,35%, wirkt hauptsächlich als Entöler, und eine kleine Menge kann die Festigkeit von 4140 Stahl verbessern.
Phosphor (P) und Schwefel (S): Phosphorgehalt ≤0,035%, Schwefelgehalt ≤0,040%, beide sind Verunreinigungselemente und müssen streng kontrolliert werden. Übermäßiger Phosphorgehalt verringert die Zähigkeit bei Schlag und die Übergangstemperatur für Kaltbrüchigkeit des Stahls, während übermäßiger Schwefelgehalt Hitzebritt und die Duktilität des Stahls reduziert.
Diese chemischen Zusammensetzungen mit vernünftigen Verhältnissen verleihen dem 4140 CrMo-Stahl ausgezeichnete umfassende Eigenschaften in Bezug auf Festigkeit, Zähigkeit, Härteentwicklung und Korrosionsbeständigkeit, was ihn für die Herstellung mechanischer Teile geeignet macht, die schweren Belastungen und Stoßanforderungen standhalten.
Mechanische Eigenschaften von AISI 4140
AISI 4140 ist ein mittelkalibrierter Chrom-Molybdän-Legierungsstahl für den Bau. Nach dem Härten und Anlassen Wärmebehandlung, weist er hervorragende mechanische Eigenschaften auf. Die folgenden sind die mechanischen Leistungsindikatoren des 4140-Stahls im gehärteten und angelassenen Zustand:
Zugfestigkeit von 4140 Stahl: ≥1080 MPa. 1080 MPa ist auch der typische Wert der endgültigen Zugfestigkeit von 4140 Stahl im hochtemperaturgeglühten Zustand. Bei Verwendung von Niedertemperatur-Anlassen wird seine Zugfestigkeit sogar noch höher sein.
Streckgrenze von AISI 4140: ≥650–1100 MPa.
Dehnung von AISI 4140: ≥12%, was darauf hinweist, dass das Material eine gute plastische Verformungsfähigkeit besitzt. Dies basiert auf dem Testergebnis eines Probenrohling mit einer Größe von 25 mm.
Quetschung des Bereichs von gehärtetem und angelassenem 4140-Stahl: ≥45%, was die Fähigkeit des Materials widerspiegelt, plastische Verformung vor Bruch zu widerstehen.
Schlagzähigkeit von AISI 4140: ≥63 J (20°C), was die Fähigkeit des Materials widerspiegelt, Stoßbelastungen zu widerstehen.
Es ist zu beachten, dass die spezifischen mechanischen Eigenschaften je nach Wärmebehandlungsprozessen, Materialreinheit und Umgebungstemperatur variieren können. Zum Beispiel beeinflussen unterschiedliche Abschreckmedien (Ölkühlung, Wasserkühlung) oder Anlasstemperaturen das Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Zähigkeit und Härte des Materials.
Physikalische Eigenschaften von AISI 4140
Der Stahl 4140 hat eine Dichte von etwa 7,85 g/cm³, ähnlich wie gewöhnlicher Kohlenstoffstahl.
Schmelzpunkt liegt bei etwa 1420-1450°C, mit leichten Variationen je nach Zusammensetzung.
Wärmeleitfähigkeit beträgt bei Raumtemperatur etwa 45-50 W/(m·K) und nimmt mit steigender Temperatur ab.
Spezifische Wärmekapazität beträgt bei Raumtemperatur etwa 460 J/(kg·K), was auf eine mäßige Wärmeaufnahme- und -abgabefähigkeit hinweist.
Elastizitätsmodul beträgt etwa 210-215 GPa, was die Steifigkeit des Materials während elastischer Verformung widerspiegelt.
Poissonzahl liegt bei etwa 0,28-0,30, was das Verhältnis von Querdehnung zu Längsdehnung unter Belastung angibt.
In Bezug auf magnetische Eigenschaften ist AISI 4140 Legierungsstahl ferromagnetisch und kann magnetisiert werden, was ihn für Anwendungen mit magnetischer Funktionalität geeignet macht.
Es ist zu beachten, dass die oben genannten Leistungsdaten typische Werte sind und die tatsächlichen Werte aufgrund spezifischer Produktionsprozesse, Wärmebehandlungsparameter und Materialchargen variieren können.
4140 Stahlhärte:
Gelangener Zustand: ≤217 HB
Gehärteter und vergüteter Zustand: 22-35 HRC (je nach Vergütungstemperatur)
Durch Anpassen der Vergütungstemperatur während des Härten und Vergütens kann die Härte von 4140 Stahl verändert werden. Zum Beispiel nimmt die Härte nach Hochtemperaturvergütung ab.
Korrosionsbeständigkeit von 4140 Stahl
Die Korrosionsbeständigkeit von 4140 Stahl weist die folgenden Eigenschaften auf:
Grundlegende Korrosionsbeständigkeit
Da AISI 4140 ein Chrom-Molybdän-Legierungsmaterial ist, kann das Chrom-Element (Gehalt 0,8%-1,1%) eine dichte Chromoxid-Passivierungsschicht auf der Stahloberfläche bilden, die in allgemein schwachen Säure- und alkalischen Umgebungen einen gewissen Korrosionsschutz bietet.
Beständigkeit gegen spezifische Medien
In Umgebungen mit geringem Chloridionengehalt (wie gewöhnliches Meerwasser oder feuchte Salznebelumgebungen) ist die Korrosionsbeständigkeit von 4140 CrMo-Stahl relativ begrenzt. Bei langfristiger Exposition kann es zu leichter Rostbildung kommen, aber es tritt in der Regel kein schneller Korrosionsausfall auf.
In stark sauren, stark alkalischen oder hochchloridhaltigen Umgebungen (wie konzentrierte Salzsäure, konzentrierte Schwefelsäure oder hochsalzhaltiges Meerwasser) nimmt die Korrosionsbeständigkeit deutlich ab, und zusätzliche Korrosionsschutzmaßnahmen sind erforderlich (wie Lackierung, Verzinkung, Chrombeschichtung oder Verwendung von Korrosionsschutzbeschichtungen).
Wärmebehandlungseffekt
Nach dem Härten und Vergüten (Härten + Vergüten) wird die Mikrostruktur von AISI 4140 gleichmäßiger, und die Korrosionsbeständigkeit verbessert sich im Vergleich zum unbehandelten Zustand, aber sie kann nicht mit Edelstahlstählen (wie 304 und 316 Edelstahl) konkurrieren.
Hinweis: Wenn AISI 4140 in stark korrosiven Umgebungen verwendet wird, sind korrosionsbeständige Oberflächenbehandlungen oder Materialmodifikationen erforderlich.
Gängige Bearbeitungsverfahren von AISI 4140
Die wichtigsten Bearbeitungsverfahren von AISI 4140 umfassen die folgenden:
1. Schmiedeverfahren für 4140 Stahl
Es ist unterteilt in Freiformschmieden und Gesenkschmieden. Das Freiformschmieden wird hauptsächlich für die Verarbeitung von AISI 4140 Material in kleinen Chargen verwendet. Hammern und Extrudieren erfolgen bei 1100-1200°C, wodurch das innere Kristallgitter des AISI 4140 Materials verfeinert und deformiert wird, was die Zähigkeit und Festigkeit verbessert.
Gesenkschmieden setzt das erhitzte AISI 4140 Rohstück in eine Form und übt Druck aus verschiedenen Richtungen der Form aus, um das Rohstück zu formen.
2. 4140 Stahl Wärmebehandlung
Abkühlen und Anlassen: Dies ist die am häufigsten verwendete Wärmebehandlungsmethode für 4140 Stahl. Das Abschrecken im Öl erfolgt bei 830-860°C, um die martensitische Struktur von AISI 4140 zu erhalten, gefolgt von Hochtemperatur-Anlassen bei 500-650°C, um eine vergütete Martensit- oder Sorbitisstruktur zu erzielen, die hohe Festigkeit und Zähigkeit ausbalanciert.
Normalisieren: Erhitzen auf 850-880°C und anschließend Luftkühlung für AISI 4140. Es wird verwendet, um Körner zu verfeinern, die Struktur zu homogenisieren und innere Spannungen abzubauen. Es wird üblicherweise nach dem Schmieden oder Walzen eingesetzt. Die normalisierte Streckgrenze von 4140 Stahl liegt ungefähr im Bereich von 700-900 MPa.
Anlassen: Erhitzen auf 680-720°C und anschließend Ofenkühlung, um die Härte von AISI 4140 zu verringern und die Bearbeitbarkeit zu verbessern, geeignet für Teile, die anschließend bearbeitet werden müssen. CNC-Fräsen.
3. Zerspanung
Drehen, Fräsen, Bohren, Gewindeschneiden usw.: Diese werden in der Regel nach dem Abschrecken und Anlassen oder Normalisieren von 4140 Legierungsstahl durchgeführt. Die Schneidwerkzeuge für die Bearbeitung von AISI 4140 Stahl sind in der Regel Hartmetallwerkzeuge oder CBN/Keramikwerkzeuge. Die Spindeldrehzahl wird entsprechend dem Wärmebehandlungszustand des 4140 Werkstücks eingestellt. Die folgenden Bearbeitungsparameter basieren auf den Erfahrungen unserer Weldo-Vier-Achs-Maschinenbediener:
Die Härte von angelassenem 4140 Legierungsstahl ist relativ niedrig, und der Drehzahlbereich liegt in der Regel bei 150-200 m/min;
Die Härte von abgeschrecktem und angelassenem 4140 Legierungsstahl ist moderat, mit einem Geschwindigkeitsbereich von 100-150 m/min;
Die Härte von abgeschrecktem AISI 4140 Stahl ist relativ hoch, und der Werkzeuggeschwindigkeitsbereich liegt bei 80-120 m/min;
Der Werkzeugvorschub ist auf 0,04-0,2 eingestellt, und der Werkzeugüberstand sollte nicht zu lang sein, um Vibrationen zu vermeiden. Kühlmittel wird verwendet, um die Wärme vom Werkstück abzuleiten und die Werkzeugverschleißrate zu verringern.
Schleifen: Wird für die Endbearbeitung größerer Flächen oder Chargenflächen von AISI 4140 Teilen verwendet, um die Oberflächenqualität und die Maßgenauigkeit zu verbessern. Wird häufig für die Endbearbeitung von Wellen, Zahnrädern und anderen Teilen eingesetzt.
4. Oberflächenbehandlung
Die Oberflächenbehandlung von AISI 4140 Werkstücken gliedert sich in Korrosionsschutz und Rostschutz, Oberflächenverstärkung und Oberflächenveredelung.
Korrosionsschutz und Rostschutz:
Phosphatieren, Schwarzoxid, Verzinken, Chrombeschichtung
4140 verwendet häufig Manganphosphatierung, die eine bessere Temperaturbeständigkeit und Verschleißfestigkeit aufweist, hauptsächlich für bearbeitete Teile, Wellen und Zahnräder, gefolgt von Ölbad- / Spritzlackierung.
Schwarzoxidbehandlung für 4140 ist kostengünstig, und die mikrometerdicke Filmschicht beeinträchtigt die Maße nicht.
Galvanische Behandlung für vergüteten und gehärteten 4140 wird hauptsächlich für Außenbauteile, Befestigungselemente und Erdölmaschinen verwendet.
Anwendungen von 4140-Stahl nach Abschrecken, Anlassen und Chrombeschichtung umfassen Hydraulikzylinder, Kolbenstangen und Formen, mit dem Vorteil einer starken Haftung der Beschichtung.
Oberflächenhärtung:
Nitrierbehandlung: Nach dem Abschrecken und Anlassen wird 4140 Stahl wärmebehandelt und anschließend nitriert, wodurch seine Ermüdungsfestigkeit um mehr als 50 % verbessert wird, hauptsächlich verwendet in Zahnrädern, Kurbelwellen, Lagerstellen und Schrauben.
Induktionshärtung: Hohe Effizienz, geeignet für die Oberflächenhärtung großer Stückzahlen von 4140 Stahlteilen, wie Wellen, Zahnräder, Stifte usw.
Laserhärtung: Hochenergie-örtliche Erwärmung und Selbstkühlung für AISI 4140 Teile, mit geringer Verformung, geeignet für lokale Verstärkung von Präzisionsteilen und komplexen Hohlräumen.
Kugelstrahlen / Sandstrahlen: Behandlung nach dem Abschrecken und Anlassen von 4140, bei der ein Teil der inneren Spannungen des Werkstücks abgebaut wird, um Ermüdungsfestigkeit und Rissprävention zu verbessern, hauptsächlich verwendet für Kurbelwellen, Pleuel, Federn usw.
Oberflächenbehandlung:
Polieren: AISI 4140 unterstützt sowohl mechanisches Polieren als auch elektrolytisches Polieren. Das elektrolytische Polieren sorgt für eine bessere Oberflächenqualität, erreicht RA≤0,2, geeignet für die Bearbeitung komplexer 4340-Teile.
PVD-Beschichtung: Verbessert die Oberflächenhärte von 4140 und reduziert den Reibungskoeffizienten. Wellen und Reibungskomponenten sind gängige Anwendungen für 4140 Stahl.
Gängige Formen von AISI 4140 Stahl
4140 Stahlplatte
4140 Stahlplatten umfassen hauptsächlich warmgewalzte Platten, kaltgewalzte Platten und Glättplatten. Die Spezifikationen für 4140 Stahl reichen in der Dicke von 0,1 mm bis 300 mm, Breite und Länge sind nach Anforderungen anpassbar. Sie eignen sich für die Herstellung von Formen, Strukturteilen, Druckbehältern usw.
4140 Stahlstange
Beim Besuch unserer 4140 Stahlstangenlieferanten können Sie oft warmgewalzte Rundstangen, kaltgezogene Rundstangen und Schmiedestücke aus 4140 Stahl sehen. Durchmesser reichen von wenigen Millimetern bis zu mehreren Hundert Millimetern, häufig verwendet für die Herstellung von Wellen, Zahnrädern, Schrauben und anderen mechanischen Teilen.
4140 Stahlrohr
einschließlich nahtlose Rohre und geschweißte Rohre aus 4140, mit verschiedenen Außendurchmesser- und Wandstärkespezifikationen. Wird häufig in der Ölbohrung, chemischen Pipelines, mechanischer Übertragung und anderen Bereichen verwendet, erfüllt die Anforderungen an Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Dichtheit.
4140 Schmiedeteile
4140 kann entsprechend spezifischer Anforderungen in maßgeschneiderte Formen geschmiedet werden, wie Zahnradrohlinge, Kurbelwellen, Pleuel und andere bearbeitete Teile aus 4140 Legierungsstahl, mit gleichmäßiger Kristallstruktur, guter Zähigkeit und gewisser Stoßfestigkeit.
4140 Stahldraht
Feindrähtige Drähte können für die Herstellung von Federn, Stahlseil, Schweißmaterialien usw. verwendet werden. Sie besitzen gute Elastizität und Festigkeit. Die Schweißbarkeit von 4140 Stahl liegt im mittleren bis niedrigen Bereich. Vor dem Schweißen von 4140 Stahl ist Vorwärmen erforderlich. Es wird empfohlen, Gas-geschützten Schweißen oder manuellen Lichtbogenschweißen zu wählen und Prozesse zu vermeiden, die leicht Wasserstoff erzeugen.
Schlussfolgerung
Die oben genannten Punkte decken die vollständigen Materialeigenschaften von AISI 4140 Stahl sowie seine gängigen Rohstoffformen ab. Wenn Sie mehr erfahren oder ein Angebot einholen für Stahlbearbeitungsdienstleistungen, zögern Sie bitte nicht, uns unter Weldo-Bearbeitung.
FAQ
Wie härtet und temperiert man AISI 4140 Legierungsstahl?
AISI 4140 auf 810-850°C erhitzen, um austenitisch zu machen und zu halten, dann im Öl abkühlen, gefolgt von Hoch- oder Niedertemperatur-Temperierung, um Martensit zu erhalten. Dieser Prozess wird allgemein als Abschrecken und Anlassen bezeichnet.
Kann AISI 4140 Kohlenstoffstahl mit Wasser gehärtet werden?
AISI 4140 kann nicht mit Wasser gehärtet werden. Selbst kleine Teile sind anfällig für Spannungsrisse bei den Querschnitten der Teile. Wasserhärtung ist strikt verboten für große AISI 4140 Teile, dickwandige Teile und komplexe Teile. Schnelles Abkühlen kann zu Rissen, schweren Verformungen und zum Ausschuss der Werkstücke führen.
In den meisten Fällen werden AISI 4140 Werkstücke ölhärtend behandelt. Die Abkühlrate des Ölbades ist relativ moderat, was eine bessere Balance zwischen Härtewirkung und Verformungskontrolle ermöglicht.
Ist 4140 Edelstahl
Da der Chromgehalt des 4140 Legierungsstahls in der Regel bei 0,80TP3T bis 1,10TP3T liegt, was deutlich unter dem Edelstahlstandard von mindestens 10,5% liegt, besitzt er nicht die einzigartige Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl. Daher ist 4140 Stahl kein Edelstahl.
