Peças usinadas em aço-liga 4140: propriedades, usinagem e aplicações

Redondos de aço liga 4140

A usinagem de peças em aço-liga 4140 proporciona resistência, durabilidade e versatilidade superiores para aplicações de engenharia exigentes. Este artigo analisa as características de processamento e as propriedades de trabalho de peças usinadas em aço-liga 4140, abordando a usinabilidade do aço 4140, suas aplicações e comparações com outros materiais utilizados na usinagem CNC de aço.

A Boda fornece peças usinadas de aço-liga 4140 de precisão, entregues diretamente na sua porta, utilizando usinagem CNC de aço de última geração. Oferecemos preços competitivos, tolerâncias rigorosas e acabamentos superficiais que tornam as peças de aço duráveis ​​e confiáveis ​​para diversas aplicações.

O que é liga de aço 4140?

Quatro cartuchos de aço 4140

O aço-liga grau 4140 é um aço cromo-molibdênio. Possui baixo teor de elementos de liga e é designado pela AISI/SAE como 4140. Os elementos de liga presentes neste aço incluem cromo, molibdênio e manganês. Essa inclusão melhora a temperabilidade e as propriedades mecânicas necessárias em peças usinadas de aço-liga.

Este material está disponível nas condições temperada, normalizada, recozida e revenida, após fusão e refino, sendo posteriormente moldado. Em seu estado recozido, o material apresenta boa ductilidade, o que o torna muito adequado para conformação. No entanto, as variantes tratadas termicamente possuem maior resistência, o que as torna ideais para componentes estruturais. 

Este material é classificado como UNS G41400 e atende ou excede a especificação ASTM A29, estando também em conformidade com a norma AISI. Peças usinadas em aço-liga frequentemente utilizam este material devido às suas propriedades, proporcionando um bom equilíbrio entre custo e desempenho em diversas aplicações. lista de classes de aço-liga seleções.

Composição química do aço de liga 4140

Propriedades mecânicas de peças usinadas em aço liga 4140

Resistência do aço 4140

A resistência normalizada do aço 4140 é de aproximadamente 655 MPa para resistência à tração e 410 MPa para limite de escoamento. Quando temperado e revenido, a resistência à tração pode atingir até 1480 MPa, dependendo da temperatura de revenido. 

A resistência ao escoamento pode aumentar para até 1200 MPa. As peças usinadas em aço-liga 4140 apresentam alta resistência após o tratamento térmico. Isso ocorre devido à formação de martensita no metal. Essa característica confere aos componentes usinados, como eixos e engrenagens, a capacidade de suportar altas tensões.

Resistência à Corrosão

O aço 4140 apresenta uma resistência à corrosão ligeiramente superior à do aço carbono, principalmente devido ao seu teor de crómio, que contribui para a formação de uma camada passiva de óxido. Embora não seja tão resistente à corrosão como o aço inoxidável, esta liga ainda requer revestimentos protetores, como fosfato de zinco ou tinta, em ambientes húmidos ou corrosivos.

Dureza:

Este material possui uma dureza Brinell de 197 a 229 no estado recozido (aproximadamente 92-99 HRB). Após têmpera e revenido, a dureza pode aumentar para 28-55 HRC, dependendo da temperatura de revenido. Esse nível de dureza confere às peças usinadas de aço-liga resistência ao desgaste; no entanto, pode reduzir a usinabilidade do aço 4140 se não for devidamente controlado.

Força de fadiga

O limite de fadiga do aço 4140 é aproximadamente metade de sua resistência à tração no estado temperado e revenido. O jateamento com esferas pode aumentar esse limite de fadiga. Isso é crucial para as condições de fadiga encontradas em máquinas oscilantes, como virabrequins e eixos.

Resistência ao Impacto e Dureza

A liga 4140 apresenta excelente resistência ao impacto. Em condição temperada, ela suporta até 54 J em testes de impacto Charpy com entalhe em V. Essa liga possui alta resistência devido à presença de molibdênio, carbono e cromo, tornando-a uma escolha ideal para uso em componentes de máquinas pesadas.

Qual a usinabilidade do aço 4140 em aplicações CNC?

Perfuração em aço liga 4140

A usinabilidade do aço 4140 é estimada em cerca de 65 a 70% da de aços de usinagem livre, como o aço 1215, tornando-o adequado para usinagem CNC. Essa avaliação considera o aço recozido. A análise também leva em conta o desgaste da ferramenta, o acabamento superficial e o processo de formação de cavacos. 

A usinagem proporciona um alto acabamento superficial no estado pré-endurecido (28-32 HRC) com ferramentas de ponta de metal duro. A quebra de cavacos pode ocorrer se cavacos longos e fibrosos se emaranharem, sendo necessário o uso de quebra-cavacos. Para otimizar o processamento do aço 4140, geralmente recomenda-se o recozimento prévio. Esse processo reduz a dureza do aço. 

No entanto, em alguns casos, a peça pode exigir tratamento térmico após a usinagem. Em comparação com outras ligas, a soldabilidade do aço 4140 é moderada; a adição de enxofre em variantes como o 4140S melhora a usinabilidade. 

Velocidades de desbaste de 400 a 800 sfm em condição recozida (ou 200 a 400 sfm em condição pré-endurecida), juntamente com avanços de usinagem de 0.010 a 0.020 pol./rev, são comuns para usinagem CNC, e o fluido de corte deve ser usado para reduzir o acúmulo de calor.

Aplicações do aço-liga 4140 em peças usinadas

Setor automotivo

Peças que exigem alta resistência à fadiga, como eixos, componentes de suspensão e virabrequins, geralmente utilizam peças usinadas em aço liga 4140.

Aplicações Aeroespaciais

O aço 4140, de alta resistência e baixa liga, é utilizado pela indústria aeroespacial em estruturas não críticas ou auxiliares. Isso se deve à sua resistência sob condições extremas.

Indústria de Petróleo e Gás

Na indústria de petróleo e gás, itens como colares de perfuração, eixos de bombas e válvulas se beneficiam de sua resistência à corrosão e ao desgaste.

Máquinas Pesadas e Construção

Os equipamentos de construção utilizam aço-liga, o 4140, para melhorar a resistência a impactos.

Defesa e Armas de Fogo

Na fabricação de armas de fogo, o material 4140 é utilizado em seus componentes. Isso se deve à sua capacidade de ser reforçado e à sua adequação para itens de engenharia de precisão.

Tipos de peças em aço liga 4140

Eixos de transmissão usinados com precisão

• Eixos e eixos: São componentes cilíndricos usinados para aplicações rotacionais, oferecendo alta resistência à torção em automóveis e máquinas.
• Engrenagens e rodas dentadas: Dentes cortados com precisão proporcionam transmissão de potência eficiente, com superfícies tratadas termicamente que resistem ao desgaste.
• Parafusos e fixadores: Peças roscadas com alta resistência à tração garantem a fixação de conjuntos em aplicações estruturais.
• Colares de perfuração e porta-ferramentas: Utilizados em operações de perfuração, esses materiais resistem a forças de compressão e abrasão.
• Componentes Hidráulicos: Pistões e cilindros se beneficiam da resistência e da capacidade de endurecimento da superfície em sistemas de fluidos.
• Virabrequins e bielas: Peças do motor usinadas para balanceamento e resistência à fadiga.
• Válvulas e conexões: Usinado com precisão para controle de fluxo em tubulações, com tolerâncias rigorosas.

Considerações sobre usinagem de peças usinadas em aço-liga 4140

Blocos de aço liga 4140

Condição material: A usinabilidade do aço 4140 é melhor quando este se encontra no estado recozido (197–229 HB), melhorando a eficiência na produção de peças usinadas em aço-liga. Materiais pré-endurecidos com dureza de 28-32 HRC podem ser usinados, embora com a necessidade de ferramentas robustas e velocidades de corte mais lentas. As peças devem ser usinadas em desbaste antes do tratamento térmico. Em seguida, após o tratamento térmico, devem ser realizadas operações de usinagem de acabamento. Finalmente, deve-se realizar o alívio de tensões para reduzir a distorção.

Seleção de ferramentas: Para este processo, utilize ferramentas de corte de metal duro com ângulo de ataque positivo e revestimento. Este revestimento (por exemplo, TiN, AlTiN) ajudará a prolongar a vida útil das ferramentas de corte. O corte de metal recozido exige menos força e desgasta menos as ferramentas de corte. O aço rápido é suficiente nesse caso, mas se desgasta mais rapidamente do que se o aço fosse mais duro. Peças com cavacos fibrosos podem ser usinadas usando uma ferramenta com quebra-cavacos. O quebra-cavacos reduz o comprimento dos cavacos fibrosos longos para comprimentos menores.

Parâmetros de corte: Ao usinar peças para evitar o endurecimento superficial por trabalho a frio, utilize parâmetros de corte com altas profundidades de corte (0.100-0.300 pol.) e avanços (0.010-0.020 pol./rev.). Este material pode ser usinado a velocidades entre 400 e 800 sfm quando em estado recozido, e a velocidade pode ser reduzida para entre 200 e 400 sfm quando o material estiver pré-endurecido. O resfriamento deve ser feito com um fluido de transferência de calor para remover o calor e evitar trincas térmicas.

Técnicas de ajuste e usinagem: Certifique-se de que a máquina esteja firmemente ajustada para eliminar o máximo possível de vibrações e trepidações. Ao furar furos profundos com perfuração intermitente, é preferível remover os cavacos em vez de deixá-los acumular e causar o travamento da broca.

A furação intermitente também ajuda a evitar o superaquecimento da broca e da peça. Verifique regularmente o estado da ferramenta de corte para ver se está desgastada e faça ajustes nos dados de corte para evitar o desgaste. Verifique a cor dos cavacos produzidos e a qualidade da superfície usinada. Peças fabricadas em aço-liga 4140 devem ser submetidas a alívio de tensões após a usinagem, caso sejam críticas e precisem manter tolerâncias rigorosas.

Alternativas ao aço-liga 4140 para peças

4340 vs 4140 para peças usinadas 

Com alto teor de níquel, essa liga apresenta alta tenacidade e resistência à fadiga, especialmente quando a seção transversal do componente é grande e requer têmpera total. A liga 4340 é particularmente adequada para aplicações que envolvem cargas pesadas ou cíclicas, como trens de pouso na indústria aeroespacial, virabrequins de alta resistência ou outros componentes em ambientes extremos que necessitam de resistência a impactos e fragilidade em baixas temperaturas.

De acordo com o relatório 4340 4140 vs Em comparação, o aço 4140 oferece usinabilidade e temperabilidade suficientes para a maioria das peças usinadas de aço-liga de uso geral, com melhor soldabilidade. Para projetos com foco em custo que envolvem fabricações complexas, produção de engrenagens e eixos onde uma resistência moderada é adequada, o aço 4140 seria uma escolha apropriada.

Aço 1018 vs 4140

Uma liga de aço de baixo carbono, como a 1018, com uma composição de aproximadamente 0.18% de carbono, não requer tratamento térmico para obter suas propriedades básicas. Não é um material amplamente utilizado. Não possui alta resistência mecânica. É empregado em casos onde outros aços não podem ser conformados, usinados ou soldados. Sua usinagem é rápida, com baixo desgaste da ferramenta, proporcionando bons acabamentos superficiais e permitindo soldagem fácil sem pré-aquecimento. Exemplos de peças fabricadas por fundição de precisão incluem dispositivos de fixação, suportes, placas de base e eixos de baixa tensão, onde tanto o baixo custo quanto a facilidade de fabricação são de suma importância.

In Aço 1018 vs 4140O aço 4140 apresenta maior resistência e durabilidade após tratamento térmico, tornando-o adequado para peças usinadas em aço-liga 4140 de alta exigência. Este material pode funcionar em condições severas, porém requer melhorias na fabricação e processamento adicional.

Alumínio 7075

In Alumínio 7075 vs aço 4140O alumínio 7075 oferece uma relação resistência/peso superior e resistência natural à corrosão. Consequentemente, é adequado para aplicações com restrições de peso. O equipamento permite usinagem de alta velocidade com desgaste mínimo das ferramentas de corte, possibilitando a produção de peças com geometrias complexas e acabamentos finos. 

No entanto, a usinagem CNC personalizada pode ser realizada em velocidades mais altas. O uso desse material compósito é comum em componentes estruturais aeroespaciais. Quadros de bicicletas também utilizam esse produto. Peças automotivas são outra área de aplicação. Oferece o benefício da redução de peso sem comprometer a resistência.

Como melhorar a resistência de peças usinadas em aço-liga 4140

Aquecimento por indução em aço 4140

O aço-liga 4140 pode ser reforçado por tratamento térmico de peças usinadas. O tratamento térmico na faixa de 800-870°C, seguido de têmpera em óleo ou água, resulta na formação de martensita, o que eleva a dureza para aproximadamente 50 HRC. 

As propriedades mecânicas dessa liga podem ser ajustadas por meio de um processo conhecido como revenimento, no qual a temperatura é elevada para valores entre 400 °C e 650 °C. A uniformidade das amostras pode ser melhorada pela normalização a 870 °C. O endurecimento por indução é utilizado para aumentar a dureza superficial de uma peça, melhorando assim sua resistência ao desgaste. Além disso, a resistência à fadiga pode ser aumentada por jateamento com esferas.

Usinagem CNC Personalizada na Boda

A Boda oferece usinagem personalizada de alta qualidade para peças usinadas em aço-liga 4140. As peças usinadas da Boda atendem a diversas aplicações exigentes em vários setores. Alguns de nossos serviços pós-usinagem incluem tratamento térmico, acabamento superficial, coloração, polimento e suporte para projeto e fabricação (DFM) para escalonamento a partir de protótipos. 

As tolerâncias padrão de usinagem CNC para peças em aço-liga 4140 são tipicamente de ±0.025 mm, dependendo da complexidade geométrica. Nossa equipe de engenharia também oferece consultoria especializada e suporte na seleção de materiais. 

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Conclusão

Componentes personalizados processados ​​por profissionais serviço de aço A utilização de aço-liga 4140 na usinagem de peças é uma escolha crucial quando resistência, tenacidade e custo-benefício são importantes, tornando este material um dos melhores aços para usinagem em aplicações estruturais. Ele pode ser tratado termicamente e já foi testado em diversas aplicações estruturais, o que o torna adequado para aplicações em peças com componentes rotativos.