Сталь AISI 4000 серии: свойства и ключевые приложения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Сталь серии AISI 4000 — это категория легированных сталей, которую отличает среднее содержание углерода и наличие легирующих элементов, таких как хром, молибден и кремний. Эта серия классифицируется как легированная сталь со средним содержанием углерода, обычно содержащая углерод в диапазоне от 0,30% до 0,50%. Основные легирующие элементы в серии 4000 повышают закаливаемость стали, стойкость к износу и прочность, что делает ее подходящей для различных инженерных приложений.
Всеобъемлющий обзор
Сталь AISI 4000 известна своим балансом прочности, пластичности и стойкости к износу. Добавление хрома обеспечивает улучшенную закаливаемость и коррозионную стойкость, тогда как молибден способствует увеличению прочности при повышенных температурах. Кремний часто включают для улучшения десорбции углерода в процессе плавления и для повышения прочности.
Ключевые характеристики:
- Закаливаемость: Наличие хрома и молибдена позволяет глубже закалять сталь во время термической обработки.
- Стойкость к износу: Легирующие элементы способствуют превосходной стойкости к износу, что делает эту сталь идеальной для приложений с высокой нагрузкой.
- Ударная вязкость: Среднее содержание углерода обеспечивает хороший баланс между прочностью и пластичностью.
Преимущества:
- Отличная стойкость к износу и ударная вязкость.
- Хорошая обрабатываемость и свариваемость при должной термообработке.
- Универсальные приложения в различных отраслях.
Ограничения:
- Уязвимость к коррозии по сравнению с нержавеющими сталями.
- Требуется тщательная термическая обработка для достижения желаемых механических свойств.
Исторически серия 4000 была значима в автомобильной и производственной отраслях, где ее свойства используются для таких компонентов, как шестерни, оси и другие приложения с высокой нагрузкой.
Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты
| Стандартная организация | Обозначение/Группа | Страна/Регион происхождения | Заметки/Комментарий |
|---|---|---|---|
| UNS | K41400 | США | Ближайший эквивалент AISI 4140 |
| AISI/SAE | 4140 | США | Широко используется для высокопрочных приложений |
| ASTM | A829 | США | Спецификация для легированной стали |
| EN | 42CrMo4 | Европа | Похожие свойства с небольшими изменениями в составе |
| JIS | SCM440 | Япония | Эквивалент с небольшими вариациями в составе |
В приведенной выше таблице представлены различные стандарты и эквиваленты стали серии AISI 4000. Примечательно, что, хотя такие марки, как AISI 4140 и EN 42CrMo4, часто считаются эквивалентными, у них могут быть тонкие различия в составе, которые могут повлиять на характеристики в конкретных приложениях, таких как закаливаемость и ударная вязкость.
Ключевые свойства
Химический состав
| Элемент (символ и название) | Процентный диапазон (%) |
|---|---|
| C (Углерод) | 0.30 - 0.50 |
| Cr (Хром) | 0.80 - 1.10 |
| Mo (Молибден) | 0.15 - 0.25 |
| Si (Кремний) | 0.15 - 0.40 |
| Mn (Марганец) | 0.60 - 0.90 |
| P (Фосфор) | ≤ 0.035 |
| S (Сера) | ≤ 0.040 |
Основные легирующие элементы в стали серии AISI 4000 играют ключевую роль:
- Хром: Улучшает закаливаемость и коррозионную стойкость.
- Молибден: Повышает прочность при повышенных температурах и способствует ударной вязкости.
- Кремний: Способствует десорбции и увеличивает прочность.
Механические свойства
| Свойство | Состояние/Температура | Температура испытания | Типичное значение/Диапазон (метрическое) | Типичное значение/Диапазон (имперское) | Справочный стандарт для метода испытания |
|---|---|---|---|---|---|
| Предельная прочность | Отожженная | Комнатная температура | 620 - 850 МПа | 90 - 123 ksi | ASTM E8 |
| Выкрутка (0,2% смещения) | Отожженная | Комнатная температура | 350 - 550 МПа | 51 - 80 ksi | ASTM E8 |
| Удлинение | Отожженная | Комнатная температура | 20 - 30% | 20 - 30% | ASTM E8 |
| Твердость (Бринелля) | Закаленная и отпущенная | Комнатная температура | 200 - 300 HB | 200 - 300 HB | ASTM E10 |
| Ударная прочность | Закаленная и отпущенная | -20°C (-4°F) | 30 - 50 Дж | 22 - 37 фут-фунтов | ASTM E23 |
Механические свойства стали серии AISI 4000 делают ее подходящей для приложений, требующих высокой прочности и ударной вязкости. Сочетание предельной и выкрутки обеспечивает эффективное выполнение под механической нагрузкой, в то время как процент удлинения указывает на хорошую пластичность, необходимую для процессов формовки.
Физические свойства
| Свойство | Состояние/Температура | Значение (метрическое) | Значение (имперское) |
|---|---|---|---|
| Плотность | Комнатная температура | 7.85 г/см³ | 0.284 фунта/дюйм³ |
| Температура плавления/Диапазон | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Теплопроводность | Комнатная температура | 45 Вт/м·К | 31 БТЕ·дюйм/(ч·кв. фт·°F) |
| Удельная теплоемкость | Комнатная температура | 460 Дж/кг·К | 0.11 БТЕ/фунт·°F |
| Электрическое сопротивление | Комнатная температура | 0.0000017 Ом·м | 0.0000017 Ом·фут |
Ключевые физические свойства, такие как плотность и температура плавления, критически важны для приложений, связанных с высокотемпературными условиями. Теплопроводность указывает, насколько хорошо материал может рассеиать тепло, что важно в таких приложениях, как автомобильные компоненты.
Коррозионная стойкость
| Коррозионный агент | Концентрация (%) | Температура (°C/°F) | Рейтинг стойкости | Заметки |
|---|---|---|---|---|
| Хлориды | 3-5 | 20-60°C (68-140°F) | Умеренная | Риск образования раковин |
| Серная кислота | 10-20 | 20-40°C (68-104°F) | Плохая | Не рекомендуется |
| Морская вода | - | 20-30°C (68-86°F) | Умеренная | Уязвимость к коррозии |
| Атмосферные условия | - | - | Хорошая | Умеренная стойкость |
Сталь серии AISI 4000 проявляет умеренную коррозионную стойкость, особенно в атмосферных условиях. Однако она подвержена образованию раковин в среде с хлоридами и должна избегаться в кислотной среде. По сравнению с нержавеющими сталями, такими как AISI 304, которые обладают отличной коррозионной стойкостью, серия 4000 менее подходит для применения в суровых условиях.
Тепловая устойчивость
| Свойство/ limite | Температура (°C) | Температура (°F) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Максимальная температура непрерывного сервиса | 400°C | 752°F | Подходит для длительного воздействия |
| Максимальная температура прерывистого сервиса | 500°C | 932°F | Кратковременное воздействие без деградации |
| Температура масштабирования | 600°C | 1112°F | Риск окисления за пределами этого лимита |
| Учет прочности при вязкости | 400°C | 752°F | Начинает деградировать при повышенных температурах |
Тепловая устойчивость стали серии AISI 4000 позволяет ей хорошо работать в приложениях, связанных с умеренными и высокими температурами. Однако необходимо избегать длительного воздействия на температуры, превышающие 400°C, так как это может привести к окислению и потере механических свойств.
Свойства обработки
Свариваемость
| Процесс сварки | Рекомендуемый filler металл (классификация AWS) | Типичный защитный газ/флюс | Заметки |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Смесь аргона и CO2 | Хорошо для тонких секций |
| TIG | ER70S-2 | Аргон | Требуется предварительный подогрев |
| Пруток | E7018 | - | Подходит для толстых секций |
Сталь серии AISI 4000 в целом свариваема, но часто рекомендуется предварительный подогрев, чтобы минимизировать риск трещин. Тепловая обработка после сварки может дополнительно улучшить свойства сварной зоны.
Обрабатываемость
| Параметр обработки | AISI 4140 | Справочная сталь (AISI 1212) | Заметки/Советы |
|---|---|---|---|
| Относительный индекс обрабатываемости | 70% | 100% | Умеренная обрабатываемость |
| Типичная скорость резания | 30-50 м/мин | 60-80 м/мин | Используйте карбидные инструменты |
Обрабатываемость стали серии AISI 4000 умеренная, что делает ее подходящей для различных операций обработки. Оптимальные условия включают использование карбидных инструментов и подходящих скоростей резания для достижения желаемой обработки поверхности.
Формуемость
Сталь серии AISI 4000 проявляет хорошую формуемость, особенно в отожженном состоянии. Холодная формовка возможна, но необходимо избегать чрезмерной работы на упряжку. Минимальный радиус сгиба должен учитываться во время операций формовки, чтобы предотвратить трещины.
Термическая обработка
| Процесс обработки | Температурный диапазон (°C/°F) | Типичное время настаивания | Метод охлаждения | Основная цель / Ожидаемый результат |
|---|---|---|---|---|
| Отжиг | 600 - 700 °C (1112 - 1292 °F) | 1-2 часа | Воздух | Умягчение, улучшение пластичности |
| Закалка | 800 - 900 °C (1472 - 1652 °F) | 30 минут | Масло или вода | Закалка |
| Отпуск | 400 - 600 °C (752 - 1112 °F) | 1 час | Воздух | Снижение хрупкости, улучшение ударной вязкости |
Процессы термической обработки значительно влияют на микроструктуру и свойства стали серии AISI 4000. Закалка повышает твердость, в то время как отпуск снижает хрупкость, обеспечивая баланс прочности и пластичности.
Типичные применения и конечные использования
| Отрасль/Сектор | Конкретный пример применения | Ключевые свойства стали, используемые в этом приложении | Причина выбора |
|---|---|---|---|
| Автомобильная | Шестерни | Высокая прочность, стойкость к износу | Долговечность под нагрузкой |
| Производственная | Валы | Ударная вязкость, обрабатываемость | Легкость в производстве |
| Аэрокосмическая | Компоненты двигателей | Тепловая устойчивость, прочность | Производительность при высоких температурах |
| Строительная | Структурные компоненты | Прочность, пластичность | Нагрузочная способность |
Другие приложения включают:
- Инструменты и пресс-формы
- Фиксаторы
- Сельскохозяйственное оборудование
Выбор стали серии AISI 4000 для этих приложений обусловлен ее механическими свойствами, которые обеспечивают необходимую прочность и долговечность, требуемые в сложных условиях.
Важные аспекты, критерии выбора и дополнительные рекомендации
| Характеристика/Свойство | Сталь серии AISI 4000 | Сталь AISI 4140 | Нержавеющая сталь AISI 316 | Краткая заметка о преимуществах/недостатках или компромиссах |
|---|---|---|---|---|
| Ключевое механическое свойство | Умеренная прочность | Высокая прочность | Умеренная прочность | 4140 предлагает большую прочность |
| Ключевой аспект коррозии | Умеренная | Умеренная | Отличная | 316 превосходит по коррозии |
| Свариваемость | Хорошая | Умеренная | Отличная | 316 легче сваривать |
| Обрабатываемость | Умеренная | Умеренная | Хорошая | 316 сложнее обрабатывать |
| Формуемость | Хорошая | Умеренная | Хорошая | Серия 4000 легче формуется |
| Приблизительная относительная стоимость | Умеренная | Умеренная | Более высокая | Серия 4000 более экономична |
| Типичная доступность | Распространенная | Распространенная | Распространенная | Все марки широко доступны |
При выборе стали серии AISI 4000 важно учитывать соотношение цены и качества, доступность и специфические механические и коррозионные свойства, необходимые для приложения. Хотя она предлагает хорошее сочетание прочности и ударной вязкости, альтернативы, такие как AISI 4140 или нержавеющие стали, могут быть более подходящими для конкретных условий или требований к производительности.
В заключение, сталь серии AISI 4000 — это универсальный материал с широким спектром применения в различных отраслях. Ее уникальные свойства, в сочетании с тщательным учетом процессов обработки и обработки, делают ее ценным выбором как для инженеров, так и для производителей.