Thép 4120: Tính chất và ứng dụng chính

Thép 4120 được phân loại là thép hợp kim cacbon trung bình, chủ yếu được biết đến với khả năng làm cứng và độ bền tuyệt vời. Các nguyên tố hợp kim chính trong thép 4120 bao gồm crom (Cr) và molypden (Mo), giúp tăng cường các tính chất cơ học và khả năng chống mài mòn. Loại thép này thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cao, làm cho nó phù hợp với các thành phần chịu tải trọng và ứng suất lớn.

Tổng quan toàn diện

Thép 4120 thể hiện các đặc tính đáng kể như khả năng gia công tốt, khả năng hàn và khả năng xử lý nhiệt để đạt được mức độ cứng mong muốn. Các đặc tính vốn có của nó bao gồm độ bền kéo có thể đạt tới 1.000 MPa (145 ksi) khi được xử lý nhiệt đúng cách, cùng với độ dẻo và khả năng chống va đập tốt.

Thuận lợi:
- Độ bền cao: Các thành phần hợp kim cung cấp độ bền và độ dẻo dai được tăng cường.
- Khả năng làm cứng tốt: Có thể xử lý nhiệt để đạt được độ cứng cao.
- Ứng dụng đa năng: Thích hợp cho nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau, bao gồm bánh răng, trục và các thành phần quan trọng khác.

Hạn chế:
- Khả năng chống ăn mòn: Không có khả năng chống ăn mòn như thép không gỉ, điều này có thể hạn chế việc sử dụng trong một số môi trường nhất định.
- Chi phí: Nói chung đắt hơn thép cacbon thấp do có chứa các thành phần hợp kim.

Theo truyền thống, thép 4120 đã được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ, nơi các đặc tính cơ học của nó rất quan trọng đối với hiệu suất và sự an toàn. Vị thế thị trường của nó rất vững chắc, thường là sự lựa chọn hàng đầu cho các nhà sản xuất yêu cầu vật liệu đáng tin cậy và bền.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	G41200	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 4140
AISI/SAE	4120	Hoa Kỳ	Sự khác biệt nhỏ về thành phần so với AISI 4140
Tiêu chuẩn ASTM	A29/A29M	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn chung cho thép hợp kim
VI	1.7218	Châu Âu	Tương đương với 4120 với một số thay đổi nhỏ
ĐẠI HỌC	42CrMo4	Đức	Các tính chất tương tự, thường được sử dụng thay thế cho nhau
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SCM420	Nhật Bản	Lớp tương đương với những khác biệt nhỏ

Sự khác biệt giữa 4120 và các loại tương đương, chẳng hạn như AISI 4140, chủ yếu nằm ở tỷ lệ phần trăm cụ thể của các nguyên tố hợp kim, có thể ảnh hưởng đến khả năng tôi và độ dẻo dai. Ví dụ, 4140 thường có hàm lượng cacbon cao hơn, có thể tăng độ cứng nhưng cũng có thể làm giảm độ dẻo.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,18 - 0,22
Mn (Mangan)	0,60 - 0,90
Cr (Crom)	0,80 - 1,10
Mo (Molipden)	0,15 - 0,25
Si (Silic)	0,15 - 0,40
P (Phốt pho)	≤ 0,035
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,040

Vai trò chính của các nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép 4120 như sau:
- Crom (Cr): Tăng khả năng tôi luyện và cải thiện khả năng chống mài mòn.
- Molypden (Mo): Tăng độ bền ở nhiệt độ cao và tăng độ dẻo dai.
- Mangan (Mn): Cải thiện khả năng làm cứng và góp phần tăng cường độ tổng thể của thép.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	850 - 1.000MPa	123 - 145 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	650 - 850MPa	94 - 123 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	15-20%	15-20%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell C)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	28 - 34HRC	28 - 34HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Charpy V-notch	-20°C (-4°F)	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các đặc tính cơ học này làm cho thép 4120 đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến tải trọng động và môi trường ứng suất cao, chẳng hạn như trong các thành phần ô tô và hàng không vũ trụ. Độ bền kéo và độ bền chảy cao, cùng với độ dẻo tốt, cho phép nó chịu được biến dạng đáng kể trước khi hỏng.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	-	7,85g/cm³	0,284 lb/in³
Điểm nóng chảy/Phạm vi	-	1.540 - 1.600 °C	2.804 - 2.912 °F
Độ dẫn nhiệt	20°C	45 W/m·K	31 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Nhiệt dung riêng	20°C	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Hệ số giãn nở nhiệt	20-100°C	11,5 x 10⁻⁶ /K	6,36 x 10⁻⁶ /°F

Ý nghĩa thực tế của mật độ và tính chất nhiệt của thép 4120 là rất quan trọng trong các ứng dụng mà trọng lượng và quản lý nhiệt là quan trọng. Mật độ tương đối cao của nó góp phần tạo nên độ bền, trong khi độ dẫn nhiệt của nó cho phép tản nhiệt hiệu quả trong môi trường hiệu suất cao.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-5%	25°C (77°F)	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit sunfuric	10%	25°C (77°F)	Nghèo	Không khuyến khích
Natri Hydroxit	50%	25°C (77°F)	Hội chợ	Dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất

Thép 4120 có khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình, đặc biệt là trong môi trường có clorua, nơi nó có thể bị rỗ. So với thép không gỉ như 304 hoặc 316, có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, 4120 ít phù hợp hơn cho các ứng dụng trong môi trường có tính ăn mòn cao.

Xét về khả năng bị ăn mòn, 4120 có thể gặp phải những thách thức như nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) trong môi trường kiềm, đây là một yếu tố quan trọng cần cân nhắc khi ứng dụng trong xử lý hóa chất hoặc môi trường biển.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	400°C	752°F	Thích hợp cho nhiệt độ vừa phải
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	500°C	932°F	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	600°C	1.112°F	Nguy cơ oxy hóa vượt quá mức này

Ở nhiệt độ cao, thép 4120 vẫn giữ được độ bền nhưng có thể bắt đầu mất độ cứng và độ dẻo dai nếu tiếp xúc trong thời gian dài. Khả năng chống oxy hóa của thép này ở mức trung bình và cần cẩn thận để tránh đóng cặn trong các ứng dụng nhiệt độ cao.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
MIG	ER70S-6	Argon/CO2	Nên làm nóng trước
TIG	ER70S-2	Khí Argon	Yêu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn
Dán	E7018	-	Tốt cho các phần dày hơn

Thép 4120 thường được coi là có thể hàn được, nhưng thường được khuyến nghị gia nhiệt trước để tránh nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn cũng có thể tăng cường các đặc tính cơ học của mối hàn, đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc.

Khả năng gia công

Thông số gia công	[Thép 4120]	[AISI 1212]	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60%	100%	4120 khó gia công hơn
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	40-60 m/phút	80-100 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất

Khả năng gia công của thép 4120 ở mức trung bình. Cần lựa chọn cẩn thận các công cụ cắt và thông số để đạt được kết quả tối ưu. Các công cụ thép tốc độ cao có thể bị mòn nhanh, vì vậy các công cụ cacbua thường được ưa chuộng hơn.

Khả năng định hình

Thép 4120 có khả năng định hình tốt, cho phép thực hiện các quy trình định hình nguội và nóng. Tuy nhiên, cần phải cẩn thận để tránh làm cứng quá mức, có thể dẫn đến nứt trong quá trình định hình. Bán kính uốn tối thiểu nên được xem xét dựa trên độ dày của vật liệu.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	600 - 700 / 1.112 - 1.292	1 - 2 giờ	Không khí	Làm mềm, cải thiện độ dẻo
Làm nguội	850 - 900 / 1.562 - 1.652	30 phút	Dầu/Nước	Làm cứng
Làm nguội	400 - 600 / 752 - 1.112	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dẻo dai

Trong quá trình xử lý nhiệt, thép 4120 trải qua những biến đổi luyện kim đáng kể. Làm nguội làm tăng độ cứng thông qua sự hình thành martensite, trong khi tôi luyện cho phép điều chỉnh độ cứng và độ dẻo dai, tạo ra sự cân bằng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn (Tóm tắt)
Ô tô	Bánh răng	Độ bền cao, độ dẻo dai	Cần thiết cho hiệu suất
Hàng không vũ trụ	Các thành phần bánh đáp	Khả năng chống mỏi cao	Quan trọng cho sự an toàn
Dầu khí	Mũi khoan	Khả năng chống mài mòn, độ bền	Môi trường căng thẳng cao
Máy móc hạng nặng	Trục	Sức mạnh, khả năng gia công	Độ bền dưới tải

Các ứng dụng khác của thép 4120 bao gồm:
- Các thành phần cấu trúc trong máy móc
- Chốt và bu lông
- Ứng dụng dụng cụ

Việc lựa chọn thép 4120 trong các ứng dụng này chủ yếu là do các đặc tính cơ học tuyệt vời của nó, mang lại độ tin cậy và hiệu suất trong những điều kiện khắc nghiệt.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	[Thép 4120]	[AISI 4140]	[AISI 4340]	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Độ cứng cao hơn	Độ bền cao hơn	4140 cung cấp khả năng làm cứng tốt hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Vừa phải	Nghèo	Hội chợ	4340 có khả năng chống ăn mòn tốt hơn
Khả năng hàn	Tốt	Vừa phải	Hội chợ	4140 có thể cần phải cẩn thận hơn khi hàn
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Hội chợ	4140 dễ gia công hơn
Khả năng định hình	Tốt	Vừa phải	Hội chợ	4140 có khả năng định hình thấp hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Cao hơn	Cao hơn	Chi phí thay đổi tùy theo thành phần hợp kim
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Chung	Ít phổ biến hơn	Tính khả dụng có thể thay đổi tùy theo khu vực

Khi lựa chọn thép 4120, cần cân nhắc đến các đặc tính cơ học, hiệu quả về chi phí và tính khả dụng của nó. Mặc dù nó mang lại sự cân bằng tốt giữa độ bền và độ dẻo dai, các lựa chọn thay thế như AISI 4140 hoặc 4340 có thể phù hợp hơn tùy thuộc vào các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Ngoài ra, cần đánh giá các yếu tố an toàn và điều kiện môi trường để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ tối ưu của các thành phần được làm từ loại thép này.