AISI 4140 est une norme américaine de l'acier au chrome moly. L'équivalent de l'acier 4140 en France est 42CrMo, en Allemagne est 42CrMo4, et au Japon est l'acier allié SCM440. Il présente une haute résistance, une grande ténacité et une bonne trempabilité. En raison de sa teneur modérée en carbone et de ses éléments d'alliage riches, il est également couramment traité thermiquement pour produire un acier allié martensitique avec une dureté plus élevée. L'acier chromoly 4140 peut facilement répondre aux exigences des composants soumis à des charges lourdes. Ci-dessous, je vais expliquer les caractéristiques et les processus d'usinage de l'acier AISI 4140.
Propriétés de l'acier AISI 4140
Pour présenter ce matériau de manière plus scientifique, je vais l'expliquer selon les propriétés des métaux, comprenant principalement les propriétés mécaniques, physiques, chimiques, la résistance à la corrosion et les processus d'usinage.
Composition chimique de l'AISI 4140
L'AISI 4140 est également appelé acier chromoly 4140 à faible alliage. Ses éléments chimiques principaux comprennent :
Carbone (C): Contenu 0,38%-0,43%, appartient à l'acier au carbone moyen, et est l'élément clé qui détermine si l'acier au carbone 4140 peut être quenché et revenu.
Manganèse (Mn): Contenu 0,75%-1,00%, améliore principalement la trempabilité de l'acier, affine les grains, et peut également se combiner avec le soufre pour former du MnS, réduisant la fragilité à chaud causée par le soufre et améliorant la performance à chaud de l'acier AISI 4140.
Chrome (Cr): Contenu 0,80%-1,10%, peut améliorer la trempabilité, la résistance à l'usure et la résistance à l'oxydation du matériau 4140, en formant des carbures stables pour renforcer la matrice et améliorer la résistance à la corrosion de l'acier AISI 4140, notamment en environnement oxydant.
Molibdène (Mo): Contenu 0,15%-0,25%, est un élément d'alliage clé dans l'AISI 4140, améliorant significativement la trempabilité, supprimant efficacement la fragilité de revenu, renforçant la résistance et la dureté de l'acier chromoly 4140 à haute température, tout en améliorant la résistance à la corrosion de l'acier, notamment la résistance à la corrosion par chlorure.
Silicium (Si): Contenu 0,15%-0,35%, agit principalement comme désoxidant, et une petite quantité peut améliorer la résistance de l'acier 4140.
Phosphore (P) et Soufre (S): Teneur en phosphore ≤0,035%, teneur en soufre ≤0,040%, les deux sont des éléments d'impureté et doivent être strictement contrôlés. Une teneur excessive en phosphore réduira la ténacité d'impact et la température de transition de fragilité à froid de l'acier, tandis qu'une teneur excessive en soufre provoquera une fragilité à chaud et réduira la ductilité de l'acier.
Ces compositions chimiques avec des proportions raisonnables confèrent à l'acier 4140 CrMo d'excellentes propriétés globales en résistance, ténacité, trempabilité et résistance à la corrosion, le rendant adapté à la fabrication de pièces mécaniques résistant à des charges lourdes et à des exigences d'impact.
Propriétés mécaniques de l'AISI 4140
L'AISI 4140 est un acier allié de structure en chrome-molybdène à carbone moyen. Après trempe et revenu traitement thermique, il possède d'excellentes propriétés mécaniques. Voici les indicateurs de performance mécanique de l'acier 4140 en condition trempée et revenu :
Résistance à la traction de l'acier 4140 : ≥1080 MPa. 1080 MPa est également la valeur typique de la résistance à la traction ultime de l'acier 4140 en condition de revenu à haute température. Si un revenu à basse température est utilisé, sa résistance à la traction sera encore plus élevée.
Limite d'élasticité de l'AISI 4140 : ≥650–1100 MPa.
Allongement de l'AISI 4140 : ≥12%, indiquant que le matériau possède une bonne capacité de déformation plastique. Cela est basé sur le résultat du test d'un échantillon de 25 mm de taille de blank.
Réduction de la section de l'acier 4140 trempé et revenu : ≥45%, reflétant la capacité du matériau à résister à la déformation plastique avant la fracture.
Ténacité à l'impact de l'AISI 4140 : ≥63 J (20°C), reflétant la capacité du matériau à résister aux charges d'impact.
Il convient de noter que les propriétés mécaniques spécifiques peuvent varier en fonction des processus de traitement thermique, de la pureté du matériau et de la température ambiante. Par exemple, l'utilisation de différents milieux de trempe (refroidissement à l'huile, refroidissement à l'eau) ou de températures de revenu influencera l'équilibre entre résistance, ténacité et dureté du matériau.
Propriétés physiques de l'AISI 4140
La densité de l'acier 4140 est d'environ 7,85 g/cm³, similaire à celle de l'acier au carbone ordinaire.
Le point de fusion est d'environ 1420-1450°C, avec de légères variations selon la composition.
La conductivité thermique est d'environ 45-50 W/(m·K) à température ambiante, diminuant avec l'augmentation de la température.
La capacité calorifique spécifique est d'environ 460 J/(kg·K) à température ambiante, indiquant une capacité modérée d'absorption et de libération de chaleur.
Le module d'élasticité est d'environ 210-215 GPa, reflétant la rigidité du matériau lors de la déformation élastique.
Le coefficient de Poisson est d'environ 0,28-0,30, indiquant le rapport de la déformation transversale à la déformation longitudinale sous contrainte.
En termes de propriétés magnétiques, l'acier allié AISI 4140 est ferromagnétique et peut être magnétisé, ce qui le rend adapté aux applications nécessitant une fonctionnalité magnétique.
Il convient de noter que les données de performance ci-dessus sont des valeurs typiques, et que les valeurs réelles peuvent varier en raison de processus de production spécifiques, de paramètres de traitement thermique et de lots de matériaux.
Dureté de l'acier 4140:
Condition annealée : ≤217 HB
Condition trempée et revenu : 22-35 HRC (selon la température de revenu)
En ajustant la température de revenu lors du trempage et du revenu, la dureté de l'acier 4140 peut être modifiée. Par exemple, la dureté diminue après un revenu à haute température.
Résistance à la corrosion de l'acier 4140
La résistance à la corrosion de l'acier 4140 présente les caractéristiques suivantes :
Résistance à la corrosion de base
Étant donné que l'AISI 4140 est un matériau allié au chrome-molybdène, l'élément chrome (contenu 0,8%-1,1%) peut former un film passivant dense d'oxyde de chrome à la surface de l'acier, offrant une certaine résistance à la corrosion dans des environnements faibles en acides et en bases en général.
Résistance à des milieux spécifiques
Dans des environnements contenant une petite quantité d'ions chlorure (comme l'eau de mer ordinaire ou des environnements de brouillard salin humide), la résistance à la corrosion de l'acier CrMo 4140 est relativement limitée. Une légère rouille peut apparaître après une exposition prolongée, mais elle ne provoque généralement pas de défaillance rapide due à la corrosion.
Dans des environnements fortement acides, fortement alcalins ou à haute concentration en ions chlorure (comme l'acide chlorhydrique concentré, l'acide sulfurique concentré ou l'eau de mer à haute salinité), sa résistance à la corrosion diminue considérablement, et des mesures anti-corrosion supplémentaires sont nécessaires (telles que la peinture, la galvanisation, le chromage ou l'utilisation de revêtements anti-corrosion).
Effet du traitement thermique
Après un traitement de trempe et de revenu (trempe + revenu), la microstructure de l'AISI 4140 devient plus uniforme, et la résistance à la corrosion s'améliore relativement par rapport à l'état non traité, mais elle ne peut toujours pas être comparée à celle des aciers inoxydables (tels que l'acier inoxydable 304 et 316).
Remarque : Lorsqu'on utilise l'acier AISI 4140 dans des environnements fortement corrosifs, un traitement de surface anti-corrosion ou une modification du matériau est nécessaire.
Procédés d'usinage courants de l'AISI 4140
Les principaux procédés d'usinage de l'AISI 4140 comprennent les suivants :
1. Processus de forgeage de l'acier 4140
Il est divisé en forgeage libre et forgeage en matrice. Le forgeage libre est principalement utilisé pour le traitement du matériau AISI 4140 en petites séries. Le martelage et l'extrusion sont effectués à 1100-1200°C, permettant de raffiner et de déformer le réseau cristallin interne du matériau AISI 4140, améliorant la ténacité et la résistance.
Le forgeage en matrice consiste à placer le lingot chauffé en AISI 4140 dans un moule et à appliquer une pression depuis différentes directions du moule pour former le lingot.
2. Traitement thermique de l'acier 4140
Trempe et revenu : C'est la méthode de traitement thermique la plus couramment utilisée pour l'acier 4140. La trempe à l'huile est effectuée à 830-860°C pour obtenir la structure martensitique de l'AISI 4140, suivie d'un revenu à haute température entre 500 et 650°C pour obtenir une structure martensitique ou sorbitique trempée, équilibrant haute résistance et ténacité.
Normalisation : Chauffé à 850-880°C puis refroidi à l'air pour l'AISI 4140. Elle est utilisée pour affiner les grains, homogénéiser la structure et libérer les contraintes internes. Elle est couramment utilisée après le forgeage ou le laminage. La limite d'élasticité normalisée de l'acier 4140 est approximativement comprise entre 700 et 900 MPa.
Recuit : Chauffé à 680-720°C puis refroidi au four pour réduire la dureté de l'AISI 4140 et améliorer la machinabilité, adapté aux pièces nécessitant une finition ultérieure. Fraisage CNC.
3. Usinage
Tournage, fraisage, perçage, taraudage, etc. : Ces opérations sont généralement effectuées après la trempe et le revenu ou la normalisation de l'acier allié 4140. Les outils de coupe utilisés pour l'usinage de l'acier AISI 4140 sont généralement en carbure ou en CBN/céramique. La vitesse de rotation est réglée en fonction de l'état du traitement thermique de la pièce en 4140. Les paramètres d'usinage suivants sont résumés d'après l'expérience de nos opérateurs de la machine à quatre axes Weldo :
La dureté de l'acier allié 4140 recuit est relativement faible, et la plage de vitesse de rotation est généralement de 150-200 m/min ;
La dureté de l'acier allié 4140 trempé et revenu est modérée, avec une plage de vitesse de 100-150 m/min ;
La dureté de l'acier 4140 trempé est relativement élevée, et la plage de vitesse de l'outil est de 80-120 m/min ;
L'avance de l'outil est réglée entre 0,04 et 0,2, et le porte-outil ne doit pas être trop long pour éviter les vibrations. Un liquide de refroidissement est utilisé pour dissiper la chaleur de la pièce et réduire l'usure de l'outil.
Rectification : Utilisée pour la finition de surfaces plus grandes ou de surfaces en série de pièces en AISI 4140, améliorant la finition de surface et la précision dimensionnelle. Couramment utilisée pour la dernière étape d'usinage des arbres, engrenages et autres pièces.
4. Traitement de surface
Le traitement de surface des pièces en AISI 4140 se divise en protection contre la corrosion et prévention de la rouille, renforcement de surface et traitement esthétique.
Protection contre la corrosion et prévention de la rouille:
Phosphatation, oxyde noir, galvanisation, chromage
Le 4140 utilise couramment la phosphatation au manganèse, qui offre une meilleure résistance à la température et à l'usure, principalement pour les pièces usinées, arbres et engrenages, suivi d'une immersion dans l'huile ou d'une peinture en spray.
Le traitement à l'oxyde noir pour le 4140 est peu coûteux, et la couche de film au micron n'affecte pas les dimensions.
Traitement de galvanisation pour l'acier 4140 trempé et revenu principalement utilisé pour les pièces extérieures, les fixations et la machinerie pétrolière.
Les applications de l'acier 4140 après trempe, revenu et chromage comprennent les cylindres hydrauliques, les tiges de piston et les moules, avec l'avantage d'une excellente adhérence de la couche.
Renforcement de la surface:
Traitement de nitruration : Après un traitement thermique de trempe et revenu de l'acier 4140, suivi d'un traitement de nitruration, sa résistance à la fatigue est améliorée de plus de 50%, principalement utilisé dans les engrenages, arbres à cames, sièges de roulements et vis.
Cémentation par induction : Haute efficacité, adaptée à la trempe en surface d'une grande quantité de pièces en acier 4140, telles que arbres, engrenages, goupilles, etc.
Cémentation laser : Chauffage local à haute énergie et refroidissement automatique pour les pièces en AISI 4140, avec peu de déformation, adaptée au renforcement local des pièces de précision et des cavités complexes.
Trempe par projection / sablage : Traitement après trempe et revenu de l'acier 4140, libérant une partie des contraintes internes de la pièce, améliorant la résistance à la fatigue et la prévention des fissures, principalement utilisé pour les arbres à cames, bielles, ressorts, etc.
Traitement de l'apparence:
Polissage : L'acier 4140 supporte à la fois le polissage mécanique et le polissage électrolytique. Le polissage électrolytique offre une meilleure finition de surface, atteignant RA≤0,2, adapté à l'usinage de pièces complexes en 4340.
Revêtement PVD : Améliore la dureté de surface de l'acier 4140 et réduit le coefficient de frottement. Les arbres et composants de friction sont des utilisations courantes de l'acier 4140.
Formes courantes de l'acier AISI 4140
Plaque d'acier 4140
Les plaques d'acier 4140 comprennent principalement des plaques laminées à chaud, laminées à froid et de nivellement. Les spécifications de l'acier 4140 varient en épaisseur de 0,1 mm à 300 mm, avec une largeur et une longueur personnalisables selon les besoins. Elles conviennent à la fabrication de moules, pièces structurelles, récipients sous pression, etc.
Barre d'acier 4140
Lors de la visite de nos fournisseurs de barres en acier 4140, vous pouvez souvent voir des barres rondes laminées à chaud, des barres rondes tirées à froid et des rondes forgées en stock d'acier 4140. Les diamètres varient de quelques millimètres à plusieurs centaines de millimètres, couramment utilisées pour la fabrication d'arbres, engrenages, boulons et autres pièces mécaniques.
Tube en acier 4140
Comprend des tubes sans soudure 4140 et des tubes soudés, avec diverses spécifications de diamètre extérieur et d'épaisseur de paroi. Couramment utilisé dans le forage pétrolier, les pipelines chimiques, la transmission mécanique et d'autres domaines, répondant aux exigences de résistance, résistance à la corrosion et étanchéité.
Forgeages en 4140
L'acier 4140 peut être forgé en formes personnalisées selon des exigences spécifiques, telles que les blanks d'engrenages, arbres à cames, bielles, et autres pièces usinées en acier allié 4140, avec une structure cristalline uniforme, une bonne ténacité et une certaine résistance à l'impact.
Fil d'acier 4140
Les fils de petit diamètre peuvent être utilisés pour la fabrication de ressorts, câbles en acier, matériaux de soudure, etc. Ils ont une bonne élasticité et résistance. La soudabilité de l'acier 4140 est à un niveau moyen à faible. Un préchauffage est nécessaire avant la soudure de l'acier 4140. Il est recommandé de choisir la soudure à l'arc manuelle ou la soudure sous gaz protecteur, et d'éviter les procédés de soudure qui génèrent facilement de l'hydrogène.
Conclusion
Ce qui précède couvre les caractéristiques complètes du matériau de l'acier AISI 4140, ainsi que ses formes brutes courantes. Si vous souhaitez en savoir plus ou obtenir un devis pour des services d'usinage de l'acier, n'hésitez pas à nous contacter à Weldo Machining.
FAQ
Comment tremper et revenu un acier allié AISI 4140 ?
Chauffer l'AISI 4140 à 810-850°C pour l'austénitisation et le maintien, puis le tremper à l'huile pour le refroidissement, suivi d'un revenu à haute température (ou à basse température) pour obtenir la martensite. Ce procédé est couramment appelé trempe et revenu.
L'acier au carbone AISI 4140 peut-il être trempé à l'eau ?
L'AISI 4140 ne peut pas être trempé à l'eau. Même de petites pièces sont susceptibles de présenter des fissures de trempe au niveau des sections transversales des pièces. La trempe à l'eau est strictement interdite pour les grandes pièces en AISI 4140, les pièces à paroi épaisse et les pièces complexes. Un refroidissement rapide peut provoquer des fissures, des déformations importantes, et entraîner la mise au rebut des pièces.
Dans la plupart des cas, les pièces en AISI 4140 sont trempées à l'huile. La vitesse de refroidissement du milieu huile est relativement modérée, ce qui permet de mieux équilibrer l'effet de durcissement et le contrôle de la déformation.
L'acier inoxydable 4140 est-il
Parce que la teneur en chrome de l'acier allié 4140 est généralement de 0,80 à 1,10 TP3T, ce qui est bien inférieur à la norme de l'acier inoxydable d'au moins 10,5 TP3T, il ne possède pas la résistance à la corrosion unique de l'acier inoxydable. Par conséquent, l'acier 4140 n'est pas de l'acier inoxydable.
