4140-Stahl: Zusammensetzung, Eigenschaften, Verarbeitungsmethoden und Anwendungsfelder

Walter
8. September 2022

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Was ist 4140-Stahl?

Der 4140-Stahl ist ein mit Chrom, Molybdän und Mangan angereichertes niedriglegiertes Stahlteil, das für seine besondere Qualität bekannt ist: hohe Zähigkeit, hohe Torsionsfestigkeit und gute Ermüdungsfestigkeit. Diese Verbundstruktur bietet hervorragende Zähigkeit, Festigkeit und Verschleißfestigkeit. Durch den Prozess der Wärmebehandlung, des Glühens und Anlassens wird der Stahl für eine bestimmte Verwendung gestärkt. Aufgrund seiner Robustheit und Haltbarkeit ist 4140-Stahl eine gute Wahl für die Herstellung von Komponenten wie Zahnrädern, Achsen und Bolzen. In vielen Branchen wie der Öl- und Gasindustrie, der Landwirtschaft, der Verteidigungsindustrie und der Automobilindustrie wird er aufgrund seiner Fähigkeit, selbst unter schwierigen Bedingungen in gutem Zustand zu bleiben, häufig eingesetzt.

Wie wird 4140-Stahl nach welcher Regel benannt?

4140-Stahl wird nach dem AISI/SAE-Stahlklassifizierungssystem benannt, wobei die erste Ziffer (4) eine Molybdänlegierung bezeichnet, die zweite Ziffer (1) zusätzliche Legierungselemente wie Chrom und Molybdän angibt und die letzten beiden Ziffern (40) den Kohlenstoffgehalt des Stahls mit ungefähr 0,40% angeben. Diese Nomenklatur bietet einen schnellen Überblick über die chemische Zusammensetzung und Eigenschaften des Stahls, hebt die Verwendung von Molybdän für verbesserte Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit hervor und erleichtert die Identifizierung für Anwendungen, die robuste Materialien erfordern.

Chemische Zusammensetzung von 4140-Stahl

4140 Stahl ist ein kohlenstoffarmer, niedrig legierter Stahl mit guter Schlagfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Härtbarkeit, struktureller Zähigkeit, Festigkeit und leichter Korrosionsbeständigkeit. Obwohl er schlecht schweißbar ist, muss er beim Schmieden auf über 800 °C erhitzt werden. 4140 ist vielseitig einsetzbar, da es sich um einen natürlichen Werkzeugstahl handelt, der definitiv für Werkzeuge und Teile von Industriemaschinen verwendet wird, die großen Belastungen ausgesetzt sind, wie Kurbelwellen, Hinterachsen, Federklammern, Sammler, Zahnräder, Lenkung usw.

Komponente	Wt.%
Kohlenstoff (C)	0,38 – 0,43
Eisen (Fe)	96,785 – 97,77
Chrom (Cr)	0,75 – 1,00
Mangan (Mn)	0,60 – 0,90
Molybdän (Mo)	0,15 – 0,25
Phosphor (P)	0,0 – 0,035
Silizium (Si)	0,15 – 0,30
Schwefel (S)	0,0 – 0,04

Der Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf die Eigenschaften von 4140-Stahl

Einer der wesentlichen Faktoren, die die mechanischen Eigenschaften des 4140-Stahls mit etwa 0,401 TP3T Kohlenstoff, 0,80–1,101 TP3T Chrom, 0,15–0,251 TP3T Molybdän und 0,75–1,01 TP3T Mangan bestimmen, ist seine chemische Zusammensetzung. Kohlenstoff bietet eine Kombination aus Festigkeit und Duktilität, Chrom sorgt für zusätzliche Festigkeit, Härte, Zugfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, Molybdän verleiht Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen sowie Verschleißfestigkeit und Mangan verbessert die Härtbarkeit und verleiht Widerstand gegen Rissbildung. Dank dieser einzigartigen Legierungszusammensetzung erhält der 4140-Stahl eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit sowie die Fähigkeit, sich einer Wärmebehandlung zu unterziehen und in Anwendungen eingesetzt zu werden, die keine Schäden verursachen und bei denen die Leistung unter Belastung entscheidend ist, wie z. B. Zahnräder, Achsen und Wellen.

Mechanische Eigenschaften von 4140-Stahl

Mechanische Eigenschaften	Metrisch	Englisch
Ultimative Zugfestigkeit	1020 MPa	148000psi
Zugfestigkeit	655 MPa	95000psi
Bruchdehnung	17.7 %	17.7 %
Verringerung der Fläche	46.8 %	46.8 %
Härte, Brinell	302	302
Härte, Knoop	328	328
Härte, Rockwell B	99	99
Härte, Rockwell C	32	32
Härte, Vickers	319	319
Elastizitätsmodul	205 GPa	29700 ksi
Massenmodul	160 GPa	23200 ksi
Schermodul	80,0 GPa	11600 ksi
Poissons-Verhältnis	0.29	0.29
Bearbeitbarkeit	65 %	65 %

Physikalische Eigenschaften von 4140-Stahl

Physikalische Eigenschaften	Wert
Dichte	7,85 g/cm³
Schmelzpunkt	2.580-2.650 °F
Spezifische Wärme	1,13 x 10^-1 BTU/lb-°F
Wärmeleitfähigkeit	296 BTU-in/hr-ft^2-°F

Äquivalente Materialien: 4140-Stahl

EU	Vereinigte Staaten von Amerika	Deutschland	Frankreich	Italien	Spanien	Inter
DE	–	DIN,WNr	AFNOR	UNI	UNE	ISO
42CrMoS4 (1.7227)	4140	42CrMoS4	42CD4u	42CrMo4	40CrMo41	42CrMoS4

Der Preis von 4140 Stahl

Der Preis für 4140-Stahl schwankt etwas aufgrund von Veränderungen, die durch Faktoren wie Marktnachfrage, Rohstoffkosten, Angebotsniveau und Gesamtwirtschaft hervorgerufen werden. Dies hängt von der Form des Stahls (z. B. Stangen, Platten und Bleche), der Größe und anderen Vorgängen wie der Wärmebehandlung usw. ab. Da die Preise jederzeit variabel sind, wird empfohlen, sich an Stahllieferanten zu wenden oder aktuelle Marktberichte direkt zu studieren, um die korrekteste und aktuellste Preisgestaltung zu erhalten. Der Preis für Stahl wird in erster Linie pro Pfund oder pro metrischer Tonne berechnet, und bei Käufen großer Mengen könnten Kostensenkungen pro Einheit möglich sein. Darüber hinaus können bei der Abwicklung über die Einzelhändler Versand-, Bearbeitungs- und andere Gebühren anfallen.

Welche Einschränkungen hat 4140-Stahl?

4140-Stahl stößt trotz seiner zahlreichen Vorteile in Bezug auf Festigkeit, Zähigkeit und Vielseitigkeit an Grenzen, wie z. B. die verringerte Schweißbarkeit, die spezielle Schweißverfahren erfordert, um Risse zu verhindern, eine geringere Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu rostfreien Stählen, weshalb Schutzbeschichtungen erforderlich sind, und die technischen Probleme bei der Bearbeitung Verhalten aufgrund seiner Härte, was zu einem Anstieg der Herstellungskosten führt. Darüber hinaus erhöhen seine Legierungselemente nicht nur den Material-, sondern auch den Verarbeitungsaufwand, wodurch er teurer ist als die einfachsten Kohlenstoffstähle. Darüber hinaus sind dickere Abschnitte für homogene Eigenschaften schwieriger zu behandeln und können daher reißen, wenn sie nicht richtig temperiert werden. Darüber hinaus sind einige spezifische Größen von 4140-Stahl nicht ohne weiteres verfügbar, was kundenspezifische Optionen zeitaufwändig und kostspielig macht, was zu Verzögerungen und zusätzlichen Kosten führt. Die Abwägung dieser Faktoren gegenüber den Vorteilen ist eine wichtige Entscheidung, die für jede einzelne Anwendung getroffen werden muss.

Gängige Verarbeitungsmethoden für 4140-Stahl

Die Eigenschaften von 4140-Stahl werden durch verschiedene Verarbeitungsmethoden für verschiedene Anwendungen verbessert. Durch das Schmieden des Stahls wird die Struktur gestärkt und zäher gemacht, während das Glühen die Härte verringert und innere Spannungen beseitigt, wodurch der Stahl leichter zu bearbeiten (bearbeitbarer) ist. Durch die Normalisierung wird die Kornstruktur verfeinert, wodurch Zähigkeit und Gleichmäßigkeit verbessert werden. Das Härten, also der Prozess des Erhitzens und Abschreckens, gefolgt vom Anlassen, erhöht die Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit, verringert jedoch die Zähigkeit, um Sprödigkeit zu vermeiden. Stattdessen härtet der Aufkohlungsprozess die Oberfläche von Teilen, bei denen der Kern zäh und die Außenteile hart sein müssen. Obwohl 4140 recht robust ist, kann es mit geeigneten Werkzeugen und unter geeigneten Bedingungen bearbeitet werden. Der Prozess macht 4140-Stahl insgesamt anpassbar und erfüllt so die erwartete Leistung spezifischer Anwendungen, wie z. B. die erforderliche mechanische Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit.