Закалка 4140: циклы закалки и отпуска по размеру сечения

Стандартный цикл

4140 — это хромомолибденовая сталь с содержанием углерода около 0.40%, предназначенная для использования в закалённом и отпущенном состоянии:

1. Аустенитизация при примерно 840–870 °C (около 845 °C является широко используемой рабочей точкой), достаточно долго, чтобы сечение выровнялось.
2. Закалка в масле для большинства сечений; в полимере или, для простых форм в малых сечениях, в воде, где требуется дополнительная жёсткость и риск трещин контролируется. Перемешивание и правильная температура масла имеют большее значение, чем небольшие различия температуры в печи.
3. Отпуск сразу, как только деталь достигнет температуры, близкой к комнатной — задержка провоцирует закалочные трещины. Температура отпуска выбирается исходя из целевых свойств, а не по привычке.

Логика кривой отпуска

4140 в состоянии после закалки находится около середины 50-х HRC и слишком хрупка для использования. Отпуск обменивает твёрдость на вязкость по плавной кривой, приблизительно:

• Отпуск около 200 °C: всё ещё очень твёрдая и прочная, ограниченная вязкость — используется редко, для деталей, где доминирует износ.
• Около 400 °C: высокая прочность при улучшающейся вязкости; обратите внимание на общую область хрупкости отпущенного мартенсита, которую многие Cr стали показывают при более низких температурах отпуска — ответственные детали испытывают на удар, а не предполагают.
• Около 550–650 °C: классическое состояние для машиностроения — твёрдость примерно от высоких 20-х до средних 30-х HRC, с лучшим сочетанием предела текучести, пластичности и вязкости по Шарпи для валов, шестерён и высокопрочных болтов.

Точные цифры смещаются в зависимости от фактического химического состава плавки и жёсткости закалки, поэтому спецификации указывают диапазон твёрдости или прочности при растяжении и позволяют термисту выбрать температуру отпуска для его достижения.

Сквозная твёрдость по диаметру

Закаливаемость 4140 хорошая, но конечная. Как широко используемое практическое правило:

• Сечения примерно до 25–40 mm закаливаются в масле до почти полного мартенсита и отпускаются равномерно.
• В диапазоне 50–100 mm сердцевина всё больше превращается частично в бейнит: свойства поверхности и сердцевины расходятся, и гарантированные свойства в стандартах соответственно падают.
• За пределами этого относитесь к "сквозной закалке 4140" с подозрением — спрашивайте, где был вырезан образец для испытаний (поверхность, половина радиуса или сердцевина — все используемые условности), или переходите к марке с более высокой закаливаемостью, такой как 4340.

Вот почему стандарты EN и ASTM сводят свойства 42CrMo4/4140 в таблицы по расчётному сечению, и почему измерение твёрдости по сечению образца из фактического прутка стоит больше, чем каталожное значение.

Практические замечания

Нормализуйте перед закалкой, если входящая структура полосчатая или крупная от горячей прокатки. Обрабатывайте в отожжённом или предварительно закалённом (закалённом и отпущенном примерно до 28–32 HRC) состоянии для лучшей экономики цеха — предварительно закалённые плита и пруток 4140 существуют именно для того, чтобы малые партии могли полностью пропустить участок закалки.

Два контроля замыкают цикл любой работы по закалке 4140: проверьте твёрдость по рабочим поверхностям после отпуска (одно измерение на одном конце длинного вала мало что доказывает), и, когда деталь ответственна с точки зрения усталости, подтвердите, что требования спецификации к ударной нагрузке действительно были испытаны на расчётном сечении — репутация 4140 завоёвывается в диапазоне её сквозной закалки и незаметно теряется за его пределами.