5140 Stahl: Eigenschaften und Hauptanwendungen
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5140 Stahl wird als mittelkohlenstoffhaltiger legierter Stahl eingestuft, der hauptsächlich für seine Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit bekannt ist. Er gehört zur AISI/SAE 5000-Serie und wird häufig in Anwendungen verwendet, die hohe Festigkeit und gute Ermüdungsbeständigkeit erfordern. Die Hauptlegierungselemente im 5140 Stahl umfassen Chrom (Cr), Mangan (Mn) und Kohlenstoff (C), die seine mechanischen Eigenschaften und Leistungsmerkmale erheblich beeinflussen.
Umfassender Überblick
5140 Stahl enthält typischerweise etwa 0,38% bis 0,43% Kohlenstoff, 0,75% bis 1,00% Mangan und 0,90% bis 1,20% Chrom. Die Zugabe von Chrom verbessert die Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit, während Mangan zur Festigkeit und Zähigkeit beiträgt. Der Kohlenstoffgehalt sorgt für Härte und Festigkeit, wodurch 5140 Stahl für verschiedene anspruchsvolle Anwendungen geeignet ist.
Wesentliche Merkmale:
- Hohe Festigkeit: 5140 Stahl weist eine ausgezeichnete Zug- und Streckgrenze auf, die ihn für schwere Anwendungen geeignet macht.
- Gute Zähigkeit: Er behält die Zähigkeit auch bei niedrigeren Temperaturen, was für die strukturelle Integrität entscheidend ist.
- Verschleißfestigkeit: Die Legierungselemente tragen zu seiner Fähigkeit bei, Verschleiß zu widerstehen, was ihn ideal für Komponenten macht, die Reibung und Abrieb ausgesetzt sind.
Vorteile:
- Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, einschließlich hoher Zugfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit.
- Gute Zerspanbarkeit und Schweißbarkeit, die vielseitige Fertigungsoptionen ermöglichen.
- Geeignet für Wärmebehandlungsprozesse, die seine Leistung in verschiedenen Anwendungen verbessern.
Einschränkungen:
- Moderate Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu rostfreien Stählen, was in korrosiven Umgebungen Schutzbeschichtungen erforderlich macht.
- Erfordert sorgfältige Wärmebehandlung zur Erreichung der gewünschten mechanischen Eigenschaften, was die Bearbeitung komplizieren kann.
Historisch wurde 5140 Stahl aufgrund seines günstigen Verhältnisses von Festigkeit und Zähigkeit in der Automobil- und Luftfahrtindustrie für Komponenten wie Zahnräder, Wellen und Achsen weit verbreitet eingesetzt.
Alternative Namen, Standards und Entsprechungen
| Normierende Organisation | Bezeichnung/Grad | Land/Region des Ursprungs | Bemerkungen/Hinweise |
|---|---|---|---|
| UNS | G51400 | USA | Nächste Entsprechung zu AISI 5140 |
| AISI/SAE | 5140 | USA | Allgemein verwendete Bezeichnung |
| ASTM | A29/A29M | USA | Normenspezifikation für legierte Stähle |
| EN | 42CrMo4 | Europa | Geringsfügige technische Unterschiede |
| DIN | 1.7035 | Deutschland | Ähnliche Eigenschaften, in Europa verwendet |
| JIS | SCM440 | Japan | Entsprechung mit leichten Variationen in der Zusammensetzung |
Die Unterschiede zwischen äquivalenten Graden können die Auswahl basierend auf spezifischen Leistungsanforderungen beeinflussen. Während 42CrMo4 und SCM440 ähnlich sind, können ihre Reaktionen auf Wärmebehandlungen unterschiedlich sein, was die Härte und Zähigkeit betrifft.
Wesentliche Eigenschaften
Chemische Zusammensetzung
| Element (Symbol und Name) | Prozentsatzbereich (%) |
|---|---|
| C (Kohlenstoff) | 0,38 - 0,43 |
| Mn (Mangan) | 0,75 - 1,00 |
| Cr (Chrom) | 0,90 - 1,20 |
| Si (Silizium) | 0,15 - 0,40 |
| P (Phosphor) | ≤ 0,035 |
| S (Schwefel) | ≤ 0,040 |
Die Hauptrolle von Kohlenstoff im 5140 Stahl besteht darin, die Härte und Festigkeit durch Wärmebehandlung zu erhöhen. Chrom verbessert die Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit, während Mangan zur Gesamtzähigkeit und Festigkeit beiträgt. Silizium wird hinzugefügt, um die Entgasung während der Stahlerzeugung zu verbessern.
Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Typischer Wert/Bereich (metrisch) | Typischer Wert/Bereich (imperial) | Referenzstandard für Prüfmethoden |
|---|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Abgeschreckt & Vergütet | 850 - 1000 MPa | 123 - 145 ksi | ASTM E8 |
| Streckgrenze (0,2% Offset) | Abgeschreckt & Vergütet | 650 - 850 MPa | 94 - 123 ksi | ASTM E8 |
| Dehnung | Abgeschreckt & Vergütet | 15 - 20% | 15 - 20% | ASTM E8 |
| Härte (HRC) | Abgeschreckt & Vergütet | 28 - 34 HRC | 28 - 34 HRC | ASTM E18 |
| Schlagfestigkeit | Charpy-V-Nut, -20°C | 30 - 50 J | 22 - 37 ft-lbf | ASTM E23 |
Die Kombination aus hoher Zug- und Streckgrenze sowie guter Dehnung macht 5140 Stahl für Anwendungen geeignet, die Widerstand gegen mechanische Belastung und strukturelle Integrität erfordern. Seine Zähigkeit bei niedrigeren Temperaturen ist besonders vorteilhaft für Komponenten, die dynamischen Lasten ausgesetzt sind.
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Wert (metrisch) | Wert (imperial) |
|---|---|---|---|
| Dichte | Raumtemperatur | 7,85 g/cm³ | 0,284 lb/in³ |
| Schmelzpunkt | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Wärmeleitfähigkeit | Raumtemperatur | 45 W/m·K | 31 BTU·in/(hr·ft²·°F) |
| Speicherfähigkeit | Raumtemperatur | 460 J/kg·K | 0,11 BTU/lb·°F |
| Elektrischer Widerstand | Raumtemperatur | 0,0000017 Ω·m | 0,0000017 Ω·in |
Die Dichte von 5140 Stahl zeigt eine erhebliche Masse, die zu seiner Festigkeit beiträgt. Der Schmelzpunkt ist relativ hoch, was eine gute Leistung bei erhöhten Temperaturen ermöglicht. Die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität sind wichtig für Anwendungen, die thermischen Zyklen unterliegen.
Korrosionsbeständigkeit
| Korrosives Mittel | Konzentrazion (%) | Temperatur (°C) | Beständigkeitsbewertung | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Chloride | Variiert | Umgebung | Ausreichend | Empfindlich gegenüber Pitting |
| Schwefelsäure | niedrig | Umgebung | Schwach | Nicht empfohlen |
| Alkalische Lösungen | Variiert | Umgebung | Ausreichend | Moderate Beständigkeit |
| Atmosphärisch | - | Umgebung | Gut | Benötigt Schutzbeschichtungen |
5140 Stahl weist eine moderate Korrosionsbeständigkeit, insbesondere bei atmosphärischen Bedingungen, auf. Er ist jedoch anfällig für Pitting in Chlorid-Umgebungen und sollte in sauren Bedingungen ohne Schutzmaßnahmen nicht verwendet werden. Im Vergleich zu rostfreien Stählen wie 304 oder 316 ist die Korrosionsbeständigkeit von 5140 erheblich geringer, was ihn weniger geeignet für marine oder stark korrosive Anwendungen macht.
Hitzebeständigkeit
| Eigenschaft/Grenzwert | Temperatur (°C) | Temperatur (°F) | Hinweise |
|---|---|---|---|
| Maximale Dauertemperatur | 400 °C | 752 °F | Geeignet für moderate Hitze |
| Maximale intermittierende Betriebstemperatur | 500 °C | 932 °F | Nur kurzzeitige Exposition |
| Skalierungstemperatur | 600 °C | 1112 °F | Oxidationsrisiko über dieser Temperatur |
| Überlegungen zur Kriechfestigkeit | 400 °C | 752 °F | Beginn der Verschlechterung bei dieser Temperatur |
Bei erhöhten Temperaturen behält 5140 Stahl seine guten mechanischen Eigenschaften bis zu etwa 400 °C (752 °F). Darüber hinaus kann es zu Oxidation und Festigkeitsverlust kommen. Dies macht ihn für Anwendungen geeignet, bei denen die Hitzebelastung begrenzt ist.
Fertigungseigenschaften
Schweißbarkeit
| Schweißverfahren | Empfohlenes Füllmetall (AWS-Klassifikation) | Typisches Schutzgas/Flussmittel | Hinweise |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Argon + CO2 | Gut für dünne Abschnitte |
| TIG | ER80S-Ni | Argon | Vorwärmen erforderlich |
| Elektrode | E7018 | - | Geeignet für dickere Abschnitte |
5140 Stahl wird allgemein als schweißbar angesehen, aber Vorwärmen wird empfohlen, um Rissbildung zu vermeiden. Eine Nachbehandlung des Schweißbereichs kann die Eigenschaften des Schweißbereichs verbessern und die Integrität gewährleisten.
Zerspanbarkeit
| Zerspanungsparameter | 5140 Stahl | AISI 1212 | Hinweise/Tipps |
|---|---|---|---|
| Relativer Zerspanungsindex | 60 | 100 | 5140 ist weniger zerspanbar als 1212 |
| Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen) | 40 m/min | 60 m/min | Werkzeuge für bessere Ergebnisse anpassen |
Die Zerspanbarkeit kann aufgrund der Härte von 5140 Stahl herausfordernd sein, sodass angemessene Werkzeuge und Schnittgeschwindigkeiten erforderlich sind, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Umformbarkeit
5140 Stahl weist eine moderate Umformbarkeit auf. Das Kaltumformen ist möglich, aber das Warmumformen ist für komplexe Formen besser geeignet, um eine Werkhärtung zu vermeiden. Biegeradien sollten sorgfältig berechnet werden, um Rissbildung zu verhindern.
Wärmebehandlung
| Behandlungsprozess | Temperaturbereich (°C) | Typische Haltezeit | Kühlmethode | Primäres Ziel / Erwünschtes Ergebnis |
|---|---|---|---|---|
| Glühen | 600 - 700 | 1 - 2 Stunden | Luft | Weichmachen, Verbesserung der Zähigkeit |
| Abschrecken | 800 - 850 | 30 Minuten | Öl oder Wasser | Härten |
| Vergüten | 400 - 600 | 1 Stunde | Luft | Verringerung der Sprödigkeit, Verbesserung der Zähigkeit |
Wärmebehandlungsprozesse beeinflussen die Mikrostruktur von 5140 Stahl erheblich, indem sie ihn während des Abschreckens von Austenit in Martensit umwandeln, was die Härte steigert. Das Vergüten ermöglicht ein Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit.
Typische Anwendungen und Endverwendungen
| Industrie/Sektor | Beispiel für spezifische Anwendung | Wesentliche Stahl Eigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden | Grund für die Auswahl (kurz) |
|---|---|---|---|
| Automobil | Zahnräder | Hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit | Wesentlich für Haltbarkeit |
| Luftfahrt | Wellen | Zähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit | Kritisch für Sicherheit |
| Maschinenbau | Achsen | Hohe Zugfestigkeit, Schlagfestigkeit | Erforderlich für hohe Lasten |
| Werkzeuge | Schneidwerkzeuge | Härte, Verschleißfestigkeit | Notwendig für Langlebigkeit |
Weitere Anwendungen umfassen:
* - Kurbelwellen
* - Verbindungselemente
* - Strukturkomponenten in Maschinen
5140 Stahl wird für diese Anwendungen aufgrund seiner ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften ausgewählt, die Zuverlässigkeit und Leistung unter Belastung gewährleisten.
Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke
| Merkmal/Eigenschaft | 5140 Stahl | AISI 4140 | AISI 4340 | Kurznotiz zu Pro/Contra oder Abwägung |
|---|---|---|---|---|
| Wichtige mechanische Eigenschaft | Hohe Festigkeit | Moderate Festigkeit | Sehr hohe Festigkeit | 5140 bietet ein Gleichgewicht von Festigkeit und Zähigkeit |
| Wichtiger Korrosionsaspekt | Ausreichend | Schwach | Ausreichend | 5140 ist besser als 4140, aber nicht so gut wie 4340 |
| Schweißbarkeit | Gut | Moderat | Schlecht | 5140 ist einfacher zu schweißen als 4340 |
| Zerspanbarkeit | Moderat | Schlecht | Schlecht | 5140 ist zerspanbarer als beide Alternativen |
| Umformbarkeit | Moderat | Schlecht | Schlecht | 5140 erlaubt bessere Umformmöglichkeiten |
| Ungefähre relative Kosten | Moderat | Moderat | Höher | Kostenwirksam für seine Eigenschaften |
| Typische Verfügbarkeit | Verbreitet | Verbreitet | Weniger verbreitet | 5140 ist in verschiedenen Formen weit verbreitet erhältlich |
Bei der Auswahl von 5140 Stahl umfassen die Überlegungen seine mechanischen Eigenschaften, Verfügbarkeit und Kostenwirksamkeit. Seine moderate Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit machen ihn für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet, während die Zerspanbarkeit in einigen Fällen ein begrenzender Faktor sein kann. Das Verständnis der spezifischen Anforderungen der Anwendung ist entscheidend für die optimale Materialauswahl.