AISI 4140 — это американский стандартный класс хром-молибденовой стали. Эквивалент стали 4140 в России — 42CrMo, в Германии — 42CrMo4, а в Японии — легированная сталь SCM440. Она обладает высокой прочностью, высокой твердостью и хорошей закаливаемостью. Благодаря умеренному содержанию углерода и богатому легирующему составу, её также часто термически обрабатывают для получения мартенситной легированной стали с более высокой твердостью. Сталь 4140 хром-молибденовая легко соответствует требованиям применения тяжелонагруженных несущих компонентов. Ниже я объясню характеристики и процессы обработки стали AISI 4140.
Свойства стали AISI 4140
Чтобы более научно представить этот материал, я объясню его в соответствии с свойствами металлов, включая механические свойства, физические свойства, химические свойства, коррозионную стойкость и процессы обработки.
Химический состав AISI 4140
AISI 4140 также называется низколегированной хром-молибденовой сталью 4140. Ее химические элементы в основном включают следующее:
Углерод (C): содержание 0.38%-0.43%, относится к среднеуглеродистой стали и является ключевым элементом, определяющим возможность закалки и отпусков 4140.
Марганец (Mn): содержание 0.75%-1.00%, в основном улучшает закаливаемость стали, рафинирует зерна, а также может соединяться с серой для образования MnS, уменьшая горячую хрупкость, вызванную серой, и улучшая горячую обработку стали AISI 4140.
Хром (Cr): содержание 0.80%-1.10%, может улучшать закаливаемость, износостойкость и окислительную стойкость материала 4140, образуя стабильные карбиды для укрепления матрицы и повышения коррозионной стойкости стали AISI 4140, особенно в окислительных средах.
Молибден (Mo): содержание 0.15%-0.25%, является ключевым легирующим элементом в AISI 4140, значительно повышает закаливаемость, эффективно подавляет отпускную хрупкость, повышает прочность и твердость хром-молибденовой стали 4140 при высоких температурах, а также улучшает коррозионную стойкость стали, особенно сопротивление хлоридной коррозии.
Кремний (Si): содержание 0.15%-0.35%, в основном выступает в роли дегазатора, и небольшое количество может повысить прочность стали 4140.
Фосфор (P) и Сера (S): Содержание фосфора ≤0.035%, содержание серы ≤0.040%, оба являются элементами примесей и требуют строгого контроля. Избыточное содержание фосфора снизит ударную вязкость и температуру перехода хрупкости при холодной закалке стали, в то время как избыточное содержание серы вызовет горячую хрупкость и снизит пластичность стали.
Эти химические составы с разумными пропорциями обеспечивают 4140 CrMo сталь отличными комплексными свойствами по прочности, ударной вязкости, закаливаемости и коррозионной стойкости, что делает её подходящей для изготовления механических деталей, выдерживающих тяжелые нагрузки и удары.
Механические свойства AISI 4140
AISI 4140 — это среднеуглеродистая хром-молибденовая легированная конструкционная сталь. После закалки и отпуска термическая обработка, она обладает отличными механическими свойствами. Ниже приведены показатели механической прочности стали 4140 в закаленном и отпущенном состоянии:
Прочность на растяжение стали 4140: ≥1080 МПа. 1080 МПа — это также типичное значение предела прочности при растяжении стали 4140 в условиях высокотемпературного отпуска. При использовании низкотемпературного отпуска её прочность на растяжение будет еще выше.
Предел текучести AISI 4140: ≥650–1100 МПа.
Удлинение AISI 4140: ≥12%, что свидетельствует о хорошей способности материала к пластической деформации. Это основано на результате испытания образца размером 25 мм.
Уменьшение площади закаленной и отпущенной стали 4140: ≥45%, отражая способность материала выдерживать пластическую деформацию до разрушения.
Ударная вязкость AISI 4140: ≥63 Дж (20°C), что отражает способность материала сопротивляться ударным нагрузкам.
Следует отметить, что конкретные механические свойства могут варьироваться в зависимости от процессов термообработки, чистоты материала и окружающей температуры. Например, использование различных сред закалки (масляное охлаждение, водяное охлаждение) или температур отпуска повлияет на баланс прочности, ударной вязкости и твердости материала.
Физические свойства AISI 4140
Плотность стали 4140 составляет около 7,85 г/см³, что похоже на обычную углеродистую сталь.
Температура плавления составляет около 1420-1450°C, с небольшими вариациями в зависимости от состава.
Теплопроводность составляет около 45-50 Вт/(м·К) при комнатной температуре, уменьшаясь с ростом температуры.
Удельная теплоемкость составляет около 460 Дж/(кг·К) при комнатной температуре, что указывает на умеренную способность поглощать и отдавать тепло.
Модуль упругости составляет около 210-215 ГПа, отражая жесткость материала при упругой деформации.
Отношение Пуассона составляет около 0,28-0,30, что указывает на соотношение поперечной деформации к продольной при напряжении.
Что касается магнитных свойств, сплав AISI 4140 является ферромагнитным и может намагничиваться, что делает его пригодным для применения в устройствах, требующих магнитных функций.
Следует отметить, что приведённые выше данные о характеристиках являются типичными значениями, и фактические показатели могут различаться в зависимости от конкретных производственных процессов, параметров термической обработки и партий материалов.
Твердость стали 4140:
Аналоговое состояние: ≤217 HB
Закалённое и отпущенное состояние: 22-35 HRC (в зависимости от температуры отпуска)
Регулируя температуру отпуска при закалке и отпуске, можно изменять твердость стали 4140. Например, твердость уменьшается после высокотемпературного отпуска.
Коррозионная стойкость стали 4140
Характеристики коррозионной стойкости стали 4140 включают:
Базовая коррозионная стойкость
Поскольку AISI 4140 является хром-молибденовым сплавом, элемент хром (содержание 0.8%-1.1%) образует плотную пассивационную плёнку из хромовой оксидной пленки на поверхности стали, обеспечивая определённую коррозионную стойкость в слабых кислотных и щелочных средах.
Стойкость к конкретным средам
В средах с небольшим содержанием ионов хлора (например, обычная морская вода или влажный соляной туман), коррозионная стойкость стали CrMo 4140 относительно ограничена. Возможна лёгкая ржавчина при длительном воздействии, но обычно это не приводит к быстрому разрушению из-за коррозии.
В сильнокислых, сильносодержащих щелочных или высококонцентрированных ионных средах (например, концентрированный хлороводород, концентрированная серная кислота или морская вода с высоким содержанием соли) её коррозионная стойкость значительно снижается, и требуются дополнительные меры против коррозии (например, покраска, гальванизация, хромирование или использование антикоррозийных покрытий).
Эффект термической обработки
После закалки и отпуска (закалка + отпуск) микроструктура AISI 4140 становится более однородной, и коррозионная стойкость относительно улучшается по сравнению с необработанным состоянием, однако она всё ещё не может сравниться с нержавеющими сталями (такими как 304 и 316 нержавеющая сталь).
Примечание: при использовании стали AISI 4140 в агрессивных коррозионных средах требуется антикоррозийная обработка поверхности или модификация материала.
Распространённые процессы механической обработки AISI 4140
Основные процессы механической обработки AISI 4140 включают следующее:
1. Процесс ковки стали 4140
Он делится на свободное ковку и штамповую ковку. Свободное ковку в основном используют для обработки материала AISI 4140 малыми партиями. Молотьба и extrusion выполняются при температуре 1100-1200°C, что позволяет усовершенствовать и деформировать внутреннюю кристаллическую решетку материала AISI 4140, повышая его твердость и прочность.
Штамповая ковка заключается в помещении нагретого заготовки AISI 4140 в форму и применении давления с разных сторон формы для формирования заготовки.
2. Термическая обработка стали 4140
Закалка и отпуск: это наиболее распространенный метод термической обработки стали 4140. Закалка в масле проводится при температуре 830-860°C для получения мартенситной структуры AISI 4140, за которым следует высокотемпературный отпуск при 500-650°C для получения отпускного мартенсита или отпускной сорбитовой структуры, что обеспечивает баланс высокой прочности и ударной вязкости.
Нормализация: нагрев до 850-880°C с последующим воздушным охлаждением для AISI 4140. Используется для уточнения зерен, гомогенизации структуры и снятия внутреннего напряжения. Обычно применяется после ковки или прокатки. Нормализованная прочность на разрыв стали 4140 примерно составляет 700-900 МПа.
Отпуск: нагрев до 680-720°C с последующим отпуском в печи для снижения твердости AISI 4140 и улучшения обрабатываемости, подходит для деталей, требующих последующей обработки. Фрезерование с ЧПУ.
3. Обработка металла
Токарная обработка, фрезерование, сверление, нарезание резьбы и т.д.: обычно выполняются после закалки и отпуска или нормализации сплава стали 4140. Режущие инструменты для обработки стали AISI 4140 обычно — карбидные или CBN/керамические. Скорость вращения шпинделя устанавливается в зависимости от состояния термической обработки заготовки 4140. Ниже приведены параметры обработки, основанные на опыте операторов четырехосевого станка Weldo:
Твердость отпущенной сплавной стали 4140 относительно низкая, диапазон скорости шпинделя обычно составляет 150-200 м/мин;
Твердость закаленной и отпущенной сплавной стали 4140 умеренная, диапазон скорости составляет 100-150 м/мин;
Твердость закаленной стали AISI 4140 относительно высокая, диапазон скорости инструмента — 80-120 м/мин;
Подача инструмента устанавливается в диапазоне 0.04-0.2, а свес инструмента не должен быть слишком длинным, чтобы избежать вибраций. Используется охлаждающая жидкость для отвода тепла от заготовки и снижения износа инструмента.
Шлифовка: используется для финальной обработки больших поверхностей или партии поверхностей деталей из AISI 4140, улучшая качество поверхности и точность размеров. Обычно применяется для окончательной обработки валов, шестерен и других деталей.
4. Поверхностная обработка
Обработка поверхности заготовок из AISI 4140 делится на защиту от коррозии и предотвращение ржавчины, упрочнение поверхности и эстетическую обработку.
Защита от коррозии и предотвращение ржавчины:
Фосфатирование, черное оксидирование, гальванизация, хромирование
Для 4140 обычно используют марганцевое фосфатирование, которое обладает лучшей термостойкостью и износостойкостью, применяется в основном для обработанных деталей, валов и шестерен, после чего следует погружение в масло или окраска распылением.
Обработка черным оксидом для 4140 имеет низкую стоимость, а микронный слой пленки не влияет на размеры.
Гальваническая обработка для закаленной и отпущенной стали 4140 в основном используется для наружных деталей, крепежных элементов и нефтяного оборудования.
Применение стали 4140 после закалки, отпуска и хромирования включает гидравлические цилиндры, поршневые штоки и формы, с преимуществом прочного сцепления покрытия.
Повышение прочности поверхности:
Обработка нитрированием: После закалки и отпуска термическая обработка стали 4140 с последующим нитрированием повышает её усталостную прочность более чем на 50%, широко используется в шестернях, коленчатых валах, посадочных местах подшипников и винтах.
Индукционная закалка: Высокая эффективность, подходит для поверхностной закалки большого количества деталей из стали 4140, таких как валы, шестерни, штифты и т.д.
Лазерная закалка: Высокоэнергетическое локальное нагревание и самохолодждение для деталей из AISI 4140, с малой деформацией, подходит для локального укрепления прецизионных деталей и сложных полостей.
Обработка ударным воздействием / пескоструй: Обработка после закалки и отпуска 4140, снимающая часть внутреннего напряжения заготовки, повышающая усталостную прочность и предотвращающая трещины, применяется в основном для коленчатых валов, шатунов, пружин и т.д.
Обработка поверхности:
Полировка: AISI 4140 поддерживает как механическую, так и электролитическую полировку. Электролитическая полировка обеспечивает лучший финиш поверхности, достигая RA≤0.2, подходит для обработки сложных деталей из 4340.
Покрытие PVD: Улучшает твердость поверхности 4140 и снижает коэффициент трения. Валы и фрикционные компоненты — распространённое применение стали 4140.
Распространённые формы стали AISI 4140
Лист из стали 4140
Листы из стали 4140 включают горячекатаные, холоднокатаные и выравненные листы. Технические характеристики стали 4140 варьируются по толщине от 0,1 мм до 300 мм, ширина и длина могут быть настроены по требованиям. Они подходят для изготовления форм, конструкционных деталей, сосудов под давлением и т.д.
Пруток из стали 4140
При посещении наших поставщиков прутков из стали 4140 вы можете часто увидеть горячекатаные круглые прутки, холоднотянутые круглые прутки и кованые круги из стали 4140. Диаметры варьируются от нескольких миллиметров до сотен миллиметров, обычно используются для изготовления валов, шестерен, болтов и других механических деталей.
Труба из стали 4140
Включая бесшовные трубы и сварные трубы из 4140, с различными характеристиками внешнего диаметра и толщины стенки. Обычно используются в нефтяной добыче, химических трубопроводах, механической передаче и других областях, соответствуют требованиям по прочности, коррозионной стойкости и герметичности.
Ковка из стали 4140
4140 может быть кован в индивидуальные формы в соответствии с конкретными требованиями, такие как заготовки для шестерен, коленчатых валов, шатунов и других механических деталей из сплава 4140, с однородной кристаллической структурой, хорошей твердостью и определенной ударной вязкостью.
Проволока из стали 4140
Тонкоденная проволока может использоваться для изготовления пружин, стальных канатов, сварочных материалов и т.д. Обладает хорошей эластичностью и прочностью. Свариваемость стали 4140 находится на среднем или низком уровне. Перед сваркой стали 4140 рекомендуется предварительный нагрев. Рекомендуется использовать газосварку или ручную дуговую сварку и избегать процессов сварки, которые легко вызывают водородную пористость.
Заключение
Выше охватывает полные характеристики материала стали AISI 4140, а также ее распространенные формы сырья. Если вы хотите узнать больше или получить коммерческое предложение на услуги по обработке стали, пожалуйста, свяжитесь с нами по Обработка Weldo.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
Как закалить и отпустить легированную сталь AISI 4140?
Разогрейте AISI 4140 до 810-850°C для аустенитизации и выдержки, затем охладите в масле для закалки, после чего проведите высокотемпературное (или низкотемпературное) отпускание для получения мартенсита. Этот процесс обычно называется закалкой и отпуском.
Можно ли закаливать сталь AISI 4140 водой?
AISI 4140 нельзя закаливать водой. Даже небольшие детали склонны к появлению трещин при закалке в поперечных сечениях деталей. Строго запрещается закалка водой для крупных деталей AISI 4140, толстостенных деталей и сложных деталей. Быстрое охлаждение может вызвать трещины, сильную деформацию и привести к браку заготовок.
В большинстве случаев заготовки AISI 4140 закаливают маслом. Скорость охлаждения масляной среды относительно умеренная, что позволяет лучше сбалансировать эффект закалки и контроль деформации.
Является ли 4140 нержавеющей сталью
Поскольку содержание хрома в сплаве стали 4140 обычно составляет 0,80-1,10%, что значительно ниже стандарта нержавеющей стали не менее 10,5%, она не обладает уникальной коррозионной стойкостью нержавеющей стали. Поэтому сталь 4140 не является нержавеющей сталью.
