4140 vs 4340: porównanie prętów ze stali stopowej

Różnica w składzie chemicznym

4140 (EN 1.7225 / 42CrMo4, JIS SCM440) to stal chromowo-molibdenowa o zawartości około 0.40% C, 1% Cr i 0.2% Mo. 4340 (EN 1.6582 / 34CrNiMo6, JIS SNCM439) zachowuje tę samą bazę i dodaje 1.65–2.0% niklu, przy nieco wyższej zawartości molibdenu.

Co daje nikiel

• Udarność: nikiel obniża temperaturę przejścia w stan kruchy i podnosi wartości udarności Charpy'ego, szczególnie w dużych przekrojach oraz w temperaturach pracy poniżej zera.
• Hartowność: 4340 hartuje się na wskroś w znacznie większych przekrojach umownych — tam, gdzie wał ze stali 4140 przy dużych średnicach może zahartować się jedynie do głębokości warstwy utwardzonej, 4340 może osiągnąć docelową twardość i wytrzymałość w całym rdzeniu.
• Zmęczenie: przy równej wytrzymałości na rozciąganie 4340 zwykle wykazuje lepszą wytrzymałość zmęczeniową i odporność na pękanie, dlatego występuje w podwoziach lotniczych, śrubach o wysokiej wytrzymałości oraz odpowiedzialnych częściach obrotowych.

Typowe zakresy wytrzymałości po ulepszaniu cieplnym pokrywają się (mniej więcej 850–1200 MPa w zależności od odpuszczania i przekroju), dlatego wybór rzadko dotyczy nominalnej wytrzymałości — dotyczy udarności przy tej wytrzymałości.

Koszt i dostępność

4340 zwykle kosztuje wyraźnie więcej za kilogram — często o 30–60% więcej niż 4140 w zależności od rynku i postaci — a składy magazynują mniej wymiarów. Obróbka skrawaniem i spawanie są porównywalne; obie stale wymagają podgrzewania wstępnego i kontrolowanych procedur podczas spawania.

Reguła decyzyjna

Domyślnie wybieraj 4140 do wałów, kół zębatych, tłoczysk hydraulicznych, śrub i maszyn ogólnego przeznaczenia: pokrywa większość zadań inżynierskich w najlepszej cenie. Przejdź na 4340, gdy konstrukcja jest krytyczna pod względem pękania, przekrój jest duży, praca odbywa się w niskiej temperaturze lub specyfikacja (lotnictwo, obronność, sport motorowy najwyższej klasy) ją wskazuje. Płacenie za nikiel tam, gdzie obciążenia są łagodne, nie przynosi nic wymiernego.

Praca z oboma gatunkami

Obie stale są dostarczane w stanie wyżarzonym, normalizowanym lub wstępnie hartowanym (ulepszonym cieplnie) i obie reagują na tę samą praktykę hartowania — hartowanie w oleju lub polimerze z temperatury mniej więcej 830–870 °C, z odpuszczaniem do wymaganej wytrzymałości. 4340 wymaga nieco większej staranności: jej wyższa hartowność czyni ją bardziej wrażliwą na intensywność chłodzenia w cienkich przekrojach i bardziej podatną na pęknięcia hartownicze przy ostrych zmianach przekroju, a kontrola odwęglenia ma znaczenie, ponieważ jej przewaga zmęczeniowa znika przy miękkiej warstwie powierzchniowej. Hartowanie indukcyjne i płomieniowe dobrze sprawdza się w przypadku 4140; 4340 jest częściej stosowana po hartowaniu na wskroś lub azotowaniu. Na atestacie należy porównywać wartości udarności w wymaganej temperaturze badania, a nie same wyniki rozciągania w temperaturze pokojowej — to właśnie tam oba gatunki rzeczywiście się różnią, a wytop 4140 spełniający jedynie specyfikację wytrzymałości na rozciąganie nie dorówna udarnością wytopowi 4340 w dużej, zimnej, obciążonej udarowo części.

Uwaga dotycząca odpowiedników

Parowanie w systemie EN odzwierciedla parowanie w systemie AISI: 42CrMo4 (1.7225) jest bliskim odpowiednikiem 4140, 34CrNiMo6 (1.6582) jest odpowiednikiem 4340, a JIS SCM440 / SNCM439 kierują się tym samym schematem. Zastępowanie między systemami jest w tej rodzinie rutynowe, z zastrzeżeniem kontroli atestów opisanych powyżej.