AISI 4000 Serienstahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen

AISI 4000 Serie Stahl ist eine Kategorie von legierten Stählen, die sich hauptsächlich durch ihren mittleren Kohlenstoffgehalt und das Vorhandensein von Legierungselementen wie Chrom, Molybdän und Silizium auszeichnen. Diese Serie wird als mittlerer Kohlenstoff-Legierungsstahl klassifiziert, der typischerweise einen Kohlenstoffgehalt von 0,30 % bis 0,50 % aufweist. Die primären Legierungselemente in der 4000er-Serie verbessern die Härtbarkeit, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit des Stahls, was ihn für verschiedene ingenieurtechnische Anwendungen geeignet macht.

Umfassende Übersicht

Der AISI 4000 Serie Stahl ist bemerkenswert für sein Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Duktilität und Verschleißfestigkeit. Die Zugabe von Chrom verbessert die Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit, während Molybdän zur erhöhten Festigkeit bei hohen Temperaturen beiträgt. Silizium wird oft hinzugefügt, um die Entgasung des Stahls während des Schmelzprozesses zu verbessern und seine Festigkeit zu erhöhen.

Schlüsselmerkmale:
- Härtbarkeit: Das Vorhandensein von Chrom und Molybdän ermöglicht eine tiefere Härtung während der Wärmebehandlung.
- Verschleißfestigkeit: Die Legierungselemente tragen zur überlegenen Verschleißfestigkeit bei, was ihn ideal für hochbelastbare Anwendungen macht.
- Zähigkeit: Der mittlere Kohlenstoffgehalt sorgt für ein gutes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität.

Vorteile:
- Exzellente Verschleißfestigkeit und Zähigkeit.
- Gute Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit bei ordnungsgemäßer Behandlung.
- Vielseitige Anwendungen in verschiedenen Branchen.

Einschränkungen:
- Anfälligkeit für Korrosion im Vergleich zu rostfreien Stählen.
- Erfordert eine sorgfältige Wärmebehandlung, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen.

Historisch gesehen war die 4000er-Serie in der Automobil- und Fertigungsindustrie von Bedeutung, wo ihre Eigenschaften für Komponenten wie Zahnräder, Achsen und andere hochbelastbare Anwendungen genutzt werden.

Alternative Namen, Standards und Äquivalente

Standardorganisation	Bezeichnung/Grad	Land/Region des Ursprungs	Bemerkungen
UNS	K41400	USA	Nächstes Äquivalent zu AISI 4140
AISI/SAE	4140	USA	Häufig verwendet für hochfeste Anwendungen
ASTM	A829	USA	Speziifikation für legierten Stahl
EN	42CrMo4	Europa	Ähnliche Eigenschaften mit geringfügigen Zusammensetzungsunterschieden
JIS	SCM440	Japan	Äquivalent mit leichten Variationen in der Zusammensetzung

Die obige Tabelle hebt verschiedene Standards und Äquivalente für AISI 4000 Serie Stahl hervor. Besonders hervorzuheben ist, dass während Grades wie AISI 4140 und EN 42CrMo4 oft als äquivalent angesehen werden, sie subtile Unterschiede in der Zusammensetzung aufweisen können, die die Leistung in spezifischen Anwendungen wie Härtbarkeit und Zähigkeit beeinträchtigen können.

Schlüsseleigenschaften

Chemische Zusammensetzung

Element (Symbol und Name)	Prozentrange (%)
C (Kohlenstoff)	0,30 - 0,50
Cr (Chrom)	0,80 - 1,10
Mo (Molybdän)	0,15 - 0,25
Si (Silizium)	0,15 - 0,40
Mn (Mangan)	0,60 - 0,90
P (Phosphor)	≤ 0,035
S (Schwefel)	≤ 0,040

Die primären Legierungselemente in AISI 4000 Serie Stahl spielen entscheidende Rollen:
- Chrom: Verbessert Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit.
- Molybdän: Verbessert die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und trägt zur Zähigkeit bei.
- Silizium: Hilft bei der Entgasung und erhöht die Festigkeit.

Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Prüftemperatur	Typischer Wert/Bereich (metrisch)	Typischer Wert/Bereich (imperial)	Referenzstandard für die Prüfmethoden
Zugfestigkeit	Ausgeglüht	Raumtemperatur	620 - 850 MPa	90 - 123 ksi	ASTM E8
Streckgrenze (0,2% Offset)	Ausgeglüht	Raumtemperatur	350 - 550 MPa	51 - 80 ksi	ASTM E8
Dehnung	Ausgeglüht	Raumtemperatur	20 - 30%	20 - 30%	ASTM E8
Härte (Brinell)	Vergütet	Raumtemperatur	200 - 300 HB	200 - 300 HB	ASTM E10
Schlagfestigkeit	Vergütet	-20°C (-4°F)	30 - 50 J	22 - 37 ft-lbf	ASTM E23

Die mechanischen Eigenschaften von AISI 4000 Serie Stahl machen ihn geeignet für Anwendungen, die hohe Festigkeit und Zähigkeit erfordern. Die Kombination aus Zug- und Streckgrenze ermöglicht eine effektive Leistung unter mechanischer Belastung, während der Prozentsatz der Dehnung auf eine gute Duktilität hinweist, die für Umformprozesse unerlässlich ist.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Wert (metrisch)	Wert (imperial)
Dichte	Raumtemperatur	7,85 g/cm³	0,284 lb/in³
Schmelzpunkt/-bereich	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Wärmeleitfähigkeit	Raumtemperatur	45 W/m·K	31 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Spezifische Wärmekapazität	Raumtemperatur	460 J/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Elektrische Widerstandsfähigkeit	Raumtemperatur	0,0000017 Ω·m	0,0000017 Ω·ft

Wichtige physikalische Eigenschaften wie Dichte und Schmelzpunkt sind entscheidend für Anwendungen in Hochtemperaturumgebungen. Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie gut das Material Wärme ableiten kann, was in Anwendungen wie Automobilkomponenten von wesentlicher Bedeutung ist.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosives Mittel	Konzentrat. (%)	Temperatur (°C/°F)	Widerstandsgrad	Bemerkungen
Chloride	3-5	20-60°C (68-140°F)	Ausreichend	Risiko von Grübchenkorrosion
Schwefelsäure	10-20	20-40°C (68-104°F)	Schlecht	Nicht empfohlen
Meerwasser	-	20-30°C (68-86°F)	Ausreichend	Anfällig für Korrosion
Atmosphärisch	-	-	Gut	Moderate Beständigkeit

AISI 4000 Serie Stahl zeigt eine moderate Korrosionsbeständigkeit, insbesondere unter atmosphärischen Bedingungen. Er ist jedoch anfällig für Grübchenbildung in Chloridumgebungen und sollte in sauren Bedingungen vermieden werden. Im Vergleich zu rostfreien Stählen wie AISI 304, die eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bieten, ist die 4000er-Serie weniger geeignet für Anwendungen, die rauen Bedingungen ausgesetzt sind.

Hitzebeständigkeit

Eigenschaft/Grenze	Temperatur (°C)	Temperatur (°F)	Bemerkungen
Maximale Dauerbetriebstemperatur	400°C	752°F	Geeignet für längere Exposition
Maximale intermittierende Betriebstemperatur	500°C	932°F	Kurzzeitige Exposition ohne Verschlechterung
Skalierungstemperatur	600°C	1112°F	Oxidationsrisiko über diesem Limit
Berücksichtigung der Kriechfestigkeit	400°C	752°F	Beginnt bei erhöhten Temperaturen abzubauen

Die Hitzebeständigkeit von AISI 4000 Serie Stahl ermöglicht eine gute Leistung in Anwendungen mit moderaten bis hohen Temperaturen. Es muss jedoch darauf geachtet werden, eine längere Exposition gegenüber Temperaturen über 400°C zu vermeiden, da dies zu Oxidation und Verlust der mechanischen Eigenschaften führen kann.

Fabrikationseigenschaften

Schweißbarkeit

Schweißverfahren	Empfohlene Füllmetall (AWS-Klassifikation)	Typisches Schutzgas/Flux	Bemerkungen
MIG	ER70S-6	Argon + CO2-Gemisch	Gut für dünne Abschnitte
TIG	ER70S-2	Argon	Vorheizen erforderlich
Elektrode	E7018	-	Geeignet für dickere Abschnitte

AISI 4000 Serie Stahl ist im Allgemeinen schweißbar, jedoch wird häufig empfohlen, vorzuwärmen, um das Risiko von Rissbildung zu minimieren. Eine Nachbehandlung nach dem Schweißen kann die Eigenschaften des Schweißbereichs weiter verbessern.

Bearbeitbarkeit

Bearbeitungsparameter	AISI 4140	Benchmark-Stahl (AISI 1212)	Bemerkungen/Tipps
Relativer Bearbeitungsindex	70 %	100 %	Moderate Bearbeitbarkeit
Typische Schnittgeschwindigkeit	30-50 m/min	60-80 m/min	Verwenden Sie Hartmetallwerkzeuge

Die Bearbeitbarkeit von AISI 4000 Serie Stahl ist moderat und macht ihn geeignet für verschiedene Bearbeitungsoperationen. Optimale Bedingungen beinhalten die Verwendung von Hartmetallwerkzeugen und geeigneten Schnittgeschwindigkeiten, um die gewünschten Oberflächenbeschaffenheiten zu erreichen.

Umformbarkeit

AISI 4000 Serie Stahl zeigt eine gute Umformbarkeit, insbesondere im ausgeglühten Zustand. Kaltumformung ist möglich, jedoch muss darauf geachtet werden, übermäßige Kaltverfestigung zu vermeiden. Der minimale Biegeradius sollte während der Umformoperationen berücksichtigt werden, um Rissbildung zu verhindern.

Wärmebehandlung

Behandlungsprozess	Temperaturbereich (°C/°F)	Typische Haltezeit	Kühlmethode	Primärer Zweck / Erwartetes Ergebnis
Glühen	600 - 700 °C (1112 - 1292 °F)	1-2 Stunden	Luft	Weichmachen, Verbesserung der Duktilität
Härten	800 - 900 °C (1472 - 1652 °F)	30 Minuten	Öl oder Wasser	Härten
Abschrecken	400 - 600 °C (752 - 1112 °F)	1 Stunde	Luft	Reduzierung der Sprödigkeit, Verbesserung der Zähigkeit

Die Wärmebehandlungsprozesse wirken sich erheblich auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften von AISI 4000 Serie Stahl aus. Das Härten erhöht die Härte, während das Tempern die Sprödigkeit verringert, was ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität ermöglicht.

Typische Anwendungen und Endverwendungen

Industrie/Sektor	Beispiel für spezifische Anwendung	Wichtige Stahleigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden	Grund für die Auswahl
Automobil	Zahnräder	Hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit	Haltbarkeit unter Belastung
Fertigung	Wellen	Zähigkeit, Bearbeitbarkeit	Leichtigkeit der Fertigung
Luftfahrt	Triebwerkskomponenten	Hitzebeständigkeit, Festigkeit	Leistung bei hohen Temperaturen
Bau	Strukturelle Komponenten	Festigkeit, Duktilität	Tragfähigkeit

Weitere Anwendungen sind:
- Werkzeugbau und Formen
- Befestigungen
- Landwirtschaftliche Maschinen

Die Auswahl von AISI 4000 Serie Stahl für diese Anwendungen wird von seinen mechanischen Eigenschaften bestimmt, die die erforderliche Stärke und Haltbarkeit in anspruchsvollen Umgebungen bieten.

Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke

Merkmal/Eigenschaft	AISI 4000 Serie Stahl	AISI 4140	AISI 316 Edelstahl	Kurzfristige Vor- und Nachteile oder Kompromissnote
Schlüsselmechanische Eigenschaft	Moderate Festigkeit	Hohe Festigkeit	Moderate Festigkeit	4140 bietet höhere Festigkeit
Schlüsselkorrosionsaspekt	Ausreichend	Ausreichend	Exzellent	316 ist überlegen in Bezug auf Korrosion
Schweißbarkeit	Gut	Moderate	Exzellent	316 ist leichter zu schweißen
Bearbeitbarkeit	Moderate	Moderate	Gut	316 ist schwieriger zu bearbeiten
Umformbarkeit	Gut	Ausreichend	Gut	4000er Serie ist leichter zu formen
Ungefähre relative Kosten	Moderat	Moderat	Höher	4000er Serie ist kostengünstig
Typische Verfügbarkeit	Häufig	Häufig	Häufig	Alle Grades sind weit verbreitet

Bei der Auswahl von AISI 4000 Serie Stahl sollten Überlegungen hinsichtlich Kosten-Nutzen, Verfügbarkeit und den spezifischen mechanischen und korrosiven Eigenschaften angestellt werden, die für die Anwendung erforderlich sind. Obwohl er ein gutes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit bietet, könnten Alternativen wie AISI 4140 oder rostfreie Stähle für spezifische Umgebungen oder Leistungsanforderungen geeigneter sein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass AISI 4000 Serie Stahl ein vielseitiges Material mit einem breiten Anwendungsspektrum in verschiedenen Branchen ist. Seine einzigartigen Eigenschaften, kombiniert mit sorgfältiger Berücksichtigung von Fertigungs- und Behandlungsprozessen, machen ihn zu einer wertvollen Wahl für Ingenieure und Hersteller.