AISI 4140 is een Amerikaanse standaardkwaliteit chroom-molybdeenstaal. Het equivalent van 4140-staal is in China 42CrMo, in Duitsland 42CrMo4 en in Japan SCM440-gelegeerd staal. Het kenmerkt zich door een hoge sterkte, hoge taaiheid en een goede hardbaarheid. Vanwege het gematigde koolstofgehalte en de rijke legeringselementen wordt het vaak warmtebehandeld om martensitisch gelegeerd staal met een hogere hardheid te verkrijgen. 4140 chroom-molybdeenstaal voldoet ruimschoots aan de toepassingsvereisten voor zwaar belaste draagcomponenten. Hieronder zal ik de eigenschappen en bewerkingsprocessen van AISI 4140-staal toelichten.
Eigenschappen van AISI 4140-staal
Om dit onderwerp op een meer wetenschappelijke manier te behandelen, zal ik het toelichten aan de hand van de eigenschappen van metalen, waarbij ik vooral inga op de mechanische eigenschappen, fysische eigenschappen, chemische eigenschappen, corrosiebestendigheid en bewerkingsprocessen.
Chemische samenstelling van AISI 4140
AISI 4140 wordt ook wel laaggelegeerd 4140-chromoly-staal genoemd. De chemische samenstelling bestaat voornamelijk uit de volgende elementen:
Koolstof (C): Samenstelling 0,38%-0,43%, behoort tot het groepje van staalsoorten met een gemiddeld koolstofgehalte en is de bepalende factor die bepaalt of 4140-koolstofstaal kan worden gehard en getemperd.
Mangaan (Mn): Samenstelling 0,75%-1,00%; dit verbetert vooral de hardbaarheid van staal, verfijnt de korrelstructuur en kan bovendien met zwavel reageren tot MnS, waardoor de door zwavel veroorzaakte warmbreuk wordt verminderd en de warmverwerkbaarheid van AISI 4140-staal wordt verbeterd.
Chroom (Cr): Samenstelling 0,80%-1,10%; dit kan de hardbaarheid, slijtvastheid en oxidatiebestendigheid van 4140-materiaal verbeteren door de vorming van stabiele carbiden, waardoor de matrix wordt versterkt en de corrosiebestendigheid van AISI 4140-staal wordt verbeterd; het presteert met name goed in oxiderende omgevingen.
Molybdeen (Ma): Gehalte 0,15%-0,25%, is een belangrijk legeringselement in AISI 4140, dat de hardbaarheid aanzienlijk verbetert, de broosheid bij temperen effectief onderdrukt, de sterkte en hardheid van 4140 chroom-molybdeenstaal bij hoge temperaturen verhoogt en tegelijkertijd de corrosiebestendigheid van het staal verbetert, met name de weerstand tegen chloridecorrosie.
Silicium (Ja): Samenstelling 0,15%-0,35%; fungeert voornamelijk als deoxidatiemiddel, en een kleine hoeveelheid ervan kan de sterkte van 4140-staal verbeteren.
Fosfor (P) en zwavel (S): Het fosforgehalte bedraagt ≤0,035% en het zwavelgehalte ≤0,040%; beide zijn onzuiverheden die streng moeten worden gecontroleerd. Een te hoog fosforgehalte vermindert de slagvastheid en verlaagt de overgangstemperatuur naar koudbroosheid van staal, terwijl een te hoog zwavelgehalte warmbroosheid veroorzaakt en de ductiliteit van staal vermindert.
Dankzij deze chemische samenstelling met evenwichtige verhoudingen beschikt 4140 CrMo-staal over uitstekende algemene eigenschappen op het gebied van sterkte, taaiheid, hardbaarheid en corrosiebestendigheid, waardoor het geschikt is voor de vervaardiging van mechanische onderdelen die bestand zijn tegen zware belastingen en schokken.
Mechanische eigenschappen van AISI 4140
AISI 4140 is een constructiestaal van een chroom-molybdeenlegering met een gemiddeld koolstofgehalte. Na afkoelen en ontlaten warmtebehandeling, het heeft uitstekende mechanische eigenschappen. Hieronder volgen de mechanische prestatie-indicatoren van 4140-staal in gehard en getemperd toestand:
Treksterkte van 4140-staal: ≥1080 MPa. 1080 MPa is tevens de typische waarde voor de maximale treksterkte van 4140-staal in de toestand na temperen bij hoge temperatuur. Bij temperen bij lage temperatuur zal de treksterkte zelfs nog hoger zijn.
Vloeigrens van AISI 4140: ≥650–1100 MPa.
Rek van AISI 4140: ≥12%, wat aangeeft dat het materiaal een goed plastisch vervormingsvermogen heeft. Dit is gebaseerd op het testresultaat van een proefstuk met een afmeting van 25 mm.
Vormverlies van gehard en getemperd 4140-staal: ≥45%, wat het vermogen van het materiaal weergeeft om plastische vervorming te weerstaan voordat breuk optreedt.
Slagtaaiheid van AISI 4140: ≥63 J (20 °C), wat het vermogen van het materiaal weergeeft om stootbelastingen te weerstaan.
Er moet worden opgemerkt dat de specifieke mechanische eigenschappen kunnen variëren, afhankelijk van de warmtebehandelingsprocessen, de zuiverheid van het materiaal en de omgevingstemperatuur. Zo zal het gebruik van verschillende afkoelingsmedia (oliekoeling, waterkoeling) of ontlaattemperaturen bijvoorbeeld van invloed zijn op de verhouding tussen sterkte, taaiheid en hardheid van het materiaal.
Fysische eigenschappen van AISI 4140
De dichtheid van staal 4140 bedraagt ongeveer 7,85 g/cm³, vergelijkbaar met die van gewoon koolstofstaal.
Het smeltpunt ligt tussen ongeveer 1420 en 1450 °C, met lichte variaties afhankelijk van de samenstelling.
De warmtegeleidbaarheid bedraagt bij kamertemperatuur ongeveer 45-50 W/(m·K) en neemt af naarmate de temperatuur stijgt.
De soortelijke warmtecapaciteit bedraagt bij kamertemperatuur ongeveer 460 J/(kg·K), wat wijst op een matig vermogen om warmte op te nemen en af te geven.
De elasticiteitsmodulus bedraagt ongeveer 210-215 GPa, wat de stijfheid van het materiaal bij elastische vervorming weergeeft.
De Poisson-coëfficiënt ligt rond de 0,28-0,30 en geeft de verhouding weer tussen de transversale rek en de longitudinale rek onder belasting.
Wat de magnetische eigenschappen betreft, is AISI 4140-gelegeerd staal ferromagnetisch en kan het worden gemagnetiseerd, waardoor het geschikt is voor toepassingen waarbij magnetische functionaliteit vereist is.
Er dient te worden opgemerkt dat de bovenstaande prestatiegegevens typische waarden zijn en dat de werkelijke waarden kunnen afwijken als gevolg van specifieke productieprocessen, parameters voor de warmtebehandeling en materiaalpartijen.
Hardheid van 4140-staal:
Gegloeide toestand: ≤217 HB
Geharde en getemperde toestand: 22-35 HRC (afhankelijk van de tempertemperatuur)
Door de tempertemperatuur tijdens het harden en temperen aan te passen, kan de hardheid van 4140-staal worden gewijzigd. Zo neemt de hardheid bijvoorbeeld af na temperen bij hoge temperatuur.
Corrosiebestendigheid van 4140-staal
De corrosiebestendigheid van 4140-staal vertoont de volgende kenmerken:
Basiscorrosiebestendigheid
Aangezien AISI 4140 een chroom-molybdeenlegering is, kan het chroom (gehalte 0,8%-1,1%) een dichte passiveringslaag van chroomoxide op het staaloppervlak vormen, waardoor het materiaal in algemene zwak zure en alkalische omgevingen een zekere mate van corrosiebestendigheid biedt.
Resistentie tegen specifieke media
In omgevingen met een geringe hoeveelheid chloride-ionen (zoals gewoon zeewater of vochtige omgevingen met zoutnevel) is de corrosiebestendigheid van 4140 CrMo-staal relatief beperkt. Na langdurige blootstelling kan er lichte roestvorming optreden, maar het materiaal zal doorgaans niet snel door corrosie defect raken.
In sterk zure, sterk basische of omgevingen met een hoge concentratie aan chloride-ionen (zoals geconcentreerd zoutzuur, geconcentreerd zwavelzuur of zeewater met een hoog zoutgehalte) neemt de corrosiebestendigheid aanzienlijk af, waardoor aanvullende anticorrosiemaatregelen nodig zijn (zoals schilderen, verzinken, verchromen of het aanbrengen van anticorrosiecoatings).
Effect van warmtebehandeling
Na een afhardings- en ontlaatbehandeling (afharden + ontlaten) wordt de microstructuur van AISI 4140 gelijkmatiger en is de corrosiebestendigheid relatief verbeterd ten opzichte van de onbehandelde toestand, maar het materiaal kan nog steeds niet tippen aan roestvrij staal (zoals 304 en 316 roestvrij staal).
Opmerking: Wanneer AISI 4140-staal wordt gebruikt in sterk corrosieve omgevingen, is een corrosiewerende oppervlaktebehandeling of materiaalaanpassing vereist.
Veelgebruikte bewerkingsprocessen voor AISI 4140
De belangrijkste bewerkingsprocessen voor AISI 4140 zijn onder meer:
1. Smeedproces voor 4140-staal
Het wordt onderverdeeld in vrij smeden en matrijssmeden. Vrij smeden wordt voornamelijk gebruikt voor de verwerking van AISI 4140-materiaal in kleine series. Het hameren en extruderen vindt plaats bij 1100-1200 °C, waardoor het interne kristalrooster van AISI 4140-materiaal wordt verfijnd en vervormd, wat de taaiheid en sterkte verbetert.
Bij het matrijssmeden wordt de verwarmde AISI 4140-staaf in een matrijs geplaatst en wordt er vanuit verschillende richtingen druk op de matrijs uitgeoefend om de staaf te vormen.
2. Warmtebehandeling van 4140-staal
Afkoelen en ontlaten: Dit is de meest gebruikte warmtebehandelingsmethode voor 4140-staal. Het afschrikken in olie vindt plaats bij 830-860 °C om de martensitische structuur van AISI 4140 te verkrijgen, gevolgd door temperen bij hoge temperatuur (500-650 °C) om een getemperde martensiet- of getemperde sorbiet-structuur te verkrijgen, waarbij een evenwicht wordt gevonden tussen hoge sterkte en taaiheid.
Normaliseren: Voor AISI 4140 wordt het materiaal verwarmd tot 850-880 °C en vervolgens aan de lucht afgekoeld. Dit proces wordt toegepast om de korrels te verfijnen, de structuur te homogeniseren en interne spanningen weg te nemen. Het wordt doorgaans toegepast na het smeden of walsen. De genormaliseerde vloeigrens van 4140-staal ligt ruwweg in het bereik van 700-900 MPa.
Gloeien: Verhit tot 680-720 °C en vervolgens in de oven afgekoeld om de hardheid van AISI 4140 te verminderen en de bewerkbaarheid te verbeteren; geschikt voor onderdelen die vervolgens CNC frezen.
3. Verspaning
Draaien, frezen, boren, tappen, enz.: Deze bewerkingen worden doorgaans uitgevoerd na het harden en ontlaten of normaliseren van 4140-gelegeerd staal. De snijgereedschappen die worden gebruikt voor de bewerking van AISI 4140-staal zijn over het algemeen hardmetalen gereedschappen of CBN-/keramische gereedschappen. Het toerental van de spil wordt ingesteld op basis van de warmtebehandelingsconditie van het 4140-werkstuk. De volgende bewerkingsparameters zijn samengevat op basis van de ervaring van onze operators van de Weldo vierassige machines:
De hardheid van gegloeid 4140-legeringsstaal is relatief laag, en het toerentalbereik van de spil ligt doorgaans tussen 150 en 200 m/min;
De hardheid van gehard en getemperd staal van de legering 4140 is matig, bij een snelheidsbereik van 100-150 m/min;
De hardheid van gehard AISI 4140-staal is relatief hoog, en het snelheidsbereik van het gereedschap ligt tussen 80 en 120 m/min;
De gereedschapsvoeding is ingesteld op 0,04-0,2, en de overhang van het gereedschap mag niet te groot zijn om trillingen te voorkomen. Koelvloeistof wordt gebruikt om warmte van het werkstuk af te voeren en de slijtage van het gereedschap te verminderen.
Slijpen: Wordt gebruikt voor de nabewerking van grotere oppervlakken of series oppervlakken van onderdelen van AISI 4140, ter verbetering van de oppervlakteafwerking en de maatnauwkeurigheid. Wordt vaak toegepast voor de eindbewerking van assen, tandwielen en andere onderdelen.
4. Oppervlaktebehandeling
De oppervlaktebehandeling van AISI 4140-werkstukken kan worden onderverdeeld in corrosiebescherming en roestpreventie, oppervlakteversterking en esthetische behandeling.
Corrosiebescherming en roestpreventie:
Fosfateren, zwart oxideren, verzinken, verchromen
Bij staalsoort 4140 wordt doorgaans gebruikgemaakt van mangaanfosfatering, wat een betere temperatuurbestendigheid en slijtvastheid biedt. Deze staalsoort wordt voornamelijk gebruikt voor bewerkte onderdelen, assen en tandwielen, waarna een behandeling met olie-onderdompeling of spuitlakken volgt.
De zwartoxidebehandeling voor 4140 is goedkoop en de filmlaag van micron-niveau heeft geen invloed op de afmetingen.
De verzinkbehandeling voor gehard en getemperd 4140-staal wordt voornamelijk toegepast voor onderdelen voor buitengebruik, bevestigingsmiddelen en machines voor de aardolie-industrie.
Toepassingen van 4140-staal na afkoelen, ontlaten en verchromen zijn onder meer hydraulische cilinders, zuigerstangen en matrijzen, met als voordeel dat de coating uitstekend hecht.
Oppervlakteversterking:
Nitrierbehandeling: Na een warmtebehandeling van 4140-staal door middel van afkoelen en ontlaten, gevolgd door een nitrierbehandeling, wordt de vermoeidheidsweerstand met meer dan 50% verbeterd. Dit staal wordt voornamelijk gebruikt in tandwielen, krukassen, lagerzittingen en schroeven.
Inductieharden: Hoge efficiëntie, geschikt voor het oppervlakteharden van grote series onderdelen van 4140-staal, zoals assen, tandwielen, pennen, enz.
Laserharding: Lokale verhitting met hoge energie en zelfkoeling voor onderdelen van AISI 4140, met geringe vervorming, geschikt voor het plaatselijk versterken van precisieonderdelen en complexe holtes.
Kogelstralen: Behandeling na het harden en ontlaten van 4140, waarbij een deel van de interne spanning in het werkstuk wordt afgebouwd, de vermoeidheidsweerstand wordt verbeterd en scheurvorming wordt voorkomen; wordt voornamelijk toegepast bij krukassen, drijfstangen, veren, enz.
Uiterlijke behandeling:
Polijsten: AISI 4140 is geschikt voor zowel mechanisch polijsten als elektrolytisch polijsten. Elektrolytisch polijsten levert een betere oppervlakteafwerking op, met een RA-waarde van ≤0,2, waardoor het geschikt is voor de bewerking van complexe 4340-onderdelen.
PVD-coating: Verhoogt de oppervlaktehardheid van 4140 en verlaagt de wrijvingscoëfficiënt. Assen en wrijvingsonderdelen zijn veelvoorkomende toepassingen van 4140-staal.
Veelvoorkomende vormen van AISI 4140-staal
4140-staalplaat
Staalplaten van het type 4140 bestaan voornamelijk uit warmgewalste platen, koudgewalste platen en geëgaliseerde platen. De specificaties van 4140-staal variëren in dikte van 0,1 mm tot 300 mm, waarbij de breedte en lengte naar wens kunnen worden aangepast. Ze zijn geschikt voor de vervaardiging van matrijzen, constructiedelen, drukvaten, enz.
4140-staalstaaf
Bij een bezoek aan onze leveranciers van 4140-staalstaven ziet u vaak warmgewalste ronde staven, koudgetrokken ronde staven en gesmede ronde staven uit de voorraad 4140-staalstaven. De diameters variëren van enkele millimeters tot honderden millimeters; deze staven worden vaak gebruikt voor de productie van assen, tandwielen, bouten en andere mechanische onderdelen.
4140-staalbuis
Waaronder 4140 naadloze buizen en gelaste buizen, met diverse specificaties wat betreft buitendiameter en wanddikte. Deze worden veelvuldig gebruikt bij olieboringen, chemische pijpleidingen, mechanische aandrijvingen en andere toepassingen, en voldoen aan de eisen op het gebied van sterkte, corrosiebestendigheid en afdichtingsprestaties.
4140 Smeedstukken
4140 kan volgens specifieke eisen tot op maat gemaakte vormen worden gesmeed, zoals tandwielruwstukken, krukassen, drijfstangen en andere bewerkte onderdelen van 4140-gelegeerd staal, met een uniforme kristalstructuur, een goede taaiheid en een zekere slagvastheid.
4140 staaldraad
Draad met een kleine diameter kan worden gebruikt voor de productie van veren, staalkabels, lasmaterialen, enz. Het heeft een goede elasticiteit en sterkte. De lasbaarheid van 4140-staal ligt op een gemiddeld tot laag niveau. Voor het lassen van 4140-staal is voorverwarming vereist. Het wordt aanbevolen om te kiezen voor gasbeschermd lassen of handbooglassen, en lasprocessen te vermijden waarbij gemakkelijk waterstof vrijkomt.
Conclusie
Hierboven zijn de volledige materiaaleigenschappen van AISI 4140-staal beschreven, evenals de gangbare vormen waarin dit staal als grondstof wordt geleverd. Als u meer wilt weten of een offerte aanvragen Voor staalbewerkingsdiensten kunt u gerust contact met ons opnemen via Weldo Machining.
Veelgestelde vragen
Hoe moet AISI 4140-gelegeerd staal worden gehard en getemperd?
Verwarm AISI 4140 tot 810-850 °C voor austenitisering en houd deze temperatuur aan; laat het materiaal vervolgens in olie afkoelen en voer daarna een hoge-temperatuur- (of lage-temperatuur-) ontlaten uit om martensiet te verkrijgen. Dit proces wordt doorgaans ‘afkoelen en ontlaten’ genoemd.
Kan AISI 4140-koolstofstaal in water worden afgekoeld?
AISI 4140 mag niet met water worden afgekoeld. Zelfs kleine onderdelen zijn gevoelig voor afkoelscheuren op de dwarsdoorsneden van de onderdelen. Waterafkoeling is ten strengste verboden voor grote AISI 4140-onderdelen, dikwandige onderdelen en complexe onderdelen. Snelle afkoeling kan scheurvorming en ernstige vervorming veroorzaken, met als gevolg dat werkstukken moeten worden afgedankt.
In de meeste gevallen worden werkstukken van AISI 4140 in olie gehard. De afkoelsnelheid van olie is relatief gematigd, waardoor een beter evenwicht kan worden gevonden tussen het hardingseffect en het beperken van vervorming.
Is 4140 roestvrij staal?
Aangezien het chroomgehalte van 4140-gelegeerd staal doorgaans 0,80%-1,10% bedraagt, wat aanzienlijk lager is dan de norm voor roestvrij staal van minimaal 10,5%, beschikt het niet over de unieke corrosiebestendigheid van roestvrij staal. Daarom is 4140-staal geen roestvrij staal.
