인성, 기계 가공성 및 내피로성이 균형 있게 조합되어야 하는 많은 범용 엔지니어링 부품에 적합합니다, AISI 4140 가 더 다재다능하고 널리 사용되는 선택입니다. 대구경 샤프트, 다운홀 유전 부품, 고강도 단조 부품 등 더 높은 강도, 더 높은 경화성, 약간 더 높은 담금질 또는 템퍼링 경도가 우선시되는 경우에 적합합니다. AISI 4145 (및 그 변형/고탄소 변형)이 선호되는 경우가 많습니다. 이 두 합금은 밀접하게 관련된 크롬-몰리브덴 강이지만 탄소와 가공의 작은 차이로 인해 뚜렷한 성능 절충이 발생하므로 소재 선택 시 이를 고려해야 합니다.
빠른 기술 스냅샷 및 경영진 비교
AISI 4140과 AISI 4145는 모두 크롬-몰리브덴 저합금강인 AISI/SAE 4000 시리즈에 속합니다. 이들은 동일한 주요 합금 원소(Cr, Mo, Mn, Si)를 공유하므로 기본 야금학은 비슷하지만 다음과 같은 차이점이 있습니다. 4145는 일반적으로 명목 탄소 함량이 더 높습니다. 보다 탄소 함량이 높습니다. 탄소 함량이 높으면 인성 및 가공성이 약간 감소하는 대신 강도와 경화성이 증가합니다. 실제로 4145는 주어진 담금질 및 템퍼링 일정에 대해 더 높은 관통 경화 수준에 도달할 수 있으며, 이는 큰 단면과 고응력 부품에 유용합니다.
화학 성분(일반적인 범위와 그 의미)
아래는 두 등급에 대해 일반적으로 보고되는 공칭 성분입니다. 생산자는 약간 다른 분석을 제공할 수 있으며 표준 또는 "변형된" 변형이 존재할 수 있습니다(예: 4145H, 4145M). 구매 로트에 대한 정확한 화학 성분은 공장 인증서를 참조하세요.
일반적인 화학 성분(공칭 범위, wt%)
| 요소 | AISI 4140(일반) | AISI 4145(일반) |
|---|---|---|
| 탄소(C) | 0.38 - 0.43 | 0.43 - 0.48 |
| 크롬(Cr) | 0.80 - 1.10 | 0.80 - 1.10 |
| 몰리브덴(Mo) | 0.15 - 0.25 | 0.15 - 0.25 |
| 망간(Mn) | 0.60 - 1.00 | 0.75 - 1.00 |
| 실리콘(Si) | 0.15 - 0.35 | 0.15 - 0.30 |
| 유황(S) | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| 인(P) | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| 철(Fe) | balance | balance |
가장 의미 있는 차이점은 카본 윈도우입니다. 탄소가 높을수록 담금질 및 템퍼링 후 인장 강도와 잠재 경도가 증가하며, 경화성이 약간 증가하고 목표 경도에 도달하는 데 필요한 단면 크기가 줄어듭니다. 이러한 특성 때문에 직경이 큰 부품과 무거운 단조 부품에 4145 변형을 선택하는 경우가 많습니다.
열처리 후 기계적 특성 및 미세 구조
기계적 값은 열처리, 섹션 크기 및 공급업체 가공에 따라 달라집니다. 아래의 일반적인 범위는 지침으로만 사용해야 하며, 항상 밀 테스트 보고서가 필요하고 중요한 부품의 경우 승인 테스트를 수행해야 합니다.
대표적인 기계적 특성(담금질 및 템퍼링 상태, 표시 범위)
| 속성 | AISI 4140(QT 일반) | AISI 4145(QT 일반) |
|---|---|---|
| 인장 강도(MPa) | 750 - 1,350(성질에 따라 다름) | 800 - 1,500 |
| 항복 강도(0.2% 오프셋, MPa) | ~500 - 1,200 | ~550 - 1,250 |
| 연신율 (%) | 10 - 20 | 8 - 18 |
| 면적 감소(%) | 30 - 60 | 25 - 55 |
| 경도(경화/템퍼링 후 HRC) | 20 - 60(넓은 범위) | 25 - 62(넓은 구간에서 더 높은 HRC 달성 가능) |
미세 구조: 오스테나이트화 및 급속 담금질 후 두 강철은 냉각 속도에 따라 탄화물이 잔류된 마르텐사이트를 형성합니다. 템퍼링은 탄화물 침전 및 템퍼링 변형을 통해 경도를 낮추고 인성을 개선합니다. 4145는 탄소 함량이 높은 경향이 있으므로 주어진 템퍼링 온도에서 마르텐사이트 경도는 4140보다 높습니다.
경화성, 열처리 실습 및 가공 참고 사항
경화성
경화성은 담금질 중 단면을 통해 마르텐사이트를 형성하는 강철의 능력을 나타냅니다. 4145의 탄소 함량이 약간 더 높을수록 경화성과 깊이에서 달성할 수 있는 경도가 증가합니다. 깊은 경도가 필요한 대형 섹션(샤프트, 다운홀 공구 부품)의 경우 이 특성이 결정적인 역할을 하는 경우가 많습니다.
일반적인 열처리 창
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오스테나이트화(공통): 섹션 크기 및 공급업체 권장 사항에 따라 800 - 860°C(1475 - 1580°F)입니다.
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담금질 매체: 두 합금 모두 오일 담금질이 일반적이며, 얇은 부분이나 왜곡을 최소화해야 하는 경우 폴리머 담금질 또는 제어 가스 냉각이 사용되기도 합니다.
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성질: 목표 경도/인성 트레이드오프에 도달하기 위해 선택한 템퍼링 온도(예: 200-650°C). 템퍼링 온도가 높을수록 강도는 감소하지만 인성은 증가합니다. 4145는 중요한 서비스를 위해 특정 온도 범위에서 취성을 방지하기 위해 신중한 템퍼링이 필요한 경우가 많습니다.
실무 참고: 4145는 석유 및 가스 및 중장비에 많이 사용되기 때문에 공급업체는 지정된 경도에 맞게 담금질 및 템퍼링된 상태로 납품하는 경우가 많습니다. 4145의 일반적인 공급 경도 범위는 일부 다운홀 강재의 경우 30-36 HRC이지만, 필요한 경우 더 높은 경도 수준으로 가공할 수 있습니다.
제품 형태, 공급 조건 및 표준
일반적인 공급 양식:
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원형 막대(연삭, 연마 또는 단조)
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샤프트 및 커플링용 단조품 및 빌릿
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특정 특수 용도를 위한 튜브 및 케이스
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일부 공장의 플랫 플레이트 및 바 스톡
이러한 등급을 참조하는 일반적인 표준 및 사양에는 SAE/AISI 목록, 튜브 및 케이싱에 대한 다양한 ASTM 참조, 다운홀 구성 요소에 대한 유전 재료 사양이 포함됩니다. 일부 분야에서는 성능 향상을 위해 화학 또는 가공을 조정하는 수정된 형태(4145H, 4145M)를 참조하기도 합니다. 공급업체는 종종 UNS 번호를 인용합니다: 4140 → UNS G41400, 4145 → UNS G41450.
용접, 가공 및 표면 처리 고려 사항
용접
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특히 4145는 탄소와 경화성이 높기 때문에 용접 전 예열을 통해 열 구배를 줄이고 균열을 방지하는 것이 좋습니다. 일반적인 예열: 두께와 조인트 설계에 따라 150-300°C. 고강도 또는 중요 부품의 경우 용접 후 열처리(PWHT)가 의무화될 수 있습니다.
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저수소 소모품을 사용하고 승인된 용접 절차를 따르세요. 담금질 및 템퍼링된 상태에서 용접할 경우 PWHT는 인성을 회복할 수 있습니다.
가공
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두 강종 모두 어닐링 상태에서는 기계 가공성이 상당히 우수하지만 경도가 높을수록 기계 가공성이 감소합니다. 4145의 탄소 함량이 약간 높기 때문에 고경도 소재는 가공이 더 까다로울 수 있습니다. 적절한 툴링, 절삭유, 속도가 필수적입니다.
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담금질 및 템퍼링 후 엄격한 치수 제어가 필요한 경우 황삭 가공, 열처리 후 최종 마감 가공을 수행합니다.
표면 처리
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이러한 크롬-몰리브덴 벌크 합금에는 일반적으로 침탄 처리가 적용되지 않으며, 일반적으로 관통 경화 처리를 통해 경화됩니다. 일반적인 표면 처리에는 질화(일부 사용 조건의 경우), 샷 피닝, 국부 마모 표면의 유도 경화, 필요 시 부식 방지를 위한 도금/코팅이 포함됩니다.
애플리케이션 중심 선택 - 4140 또는 4145를 선택해야 하는 경우
AISI 4140을 선택할 경우:
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이 부품은 중간에서 높은 강도와 함께 인성과 연성의 균형 잡힌 조합이 필요합니다.
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기계 가공성과 마감 비용 효율성이 최우선 과제입니다.
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구성 요소는 동적 하중, 피로 또는 비틀림 응력(많은 산업에서 샤프트, 기어, 스핀들, 패스너)의 영향을 받습니다.
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다양한 밀 공급 형태와 확립된 가공/열처리 관행으로 광범위하게 표준화되고 널리 사용 가능한 등급을 선호합니다.
AISI 4145를 선택할 경우:
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특히 큰 단면에서는 더 높은 경화성과 약간 더 높은 달성 가능한 경도가 필요합니다.
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담금질/템퍼링 후 더 견고하고 높은 강도의 미세 구조가 유용한 서비스(고강도 샤프트, 유전 시추 부품, 다운홀 공구)에는 지속적으로 높은 정적 하중이나 마모가 발생합니다.
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한 공급업체는 석유 및 가스 사양 또는 단조 애플리케이션에 맞는 열처리 및 인증 4145를 제공합니다.
품질 관리, 테스트 및 검사
중요한 구성 요소의 경우 요구 사항 및 검토를 수행합니다:
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밀 인증서 실제 화학 분석을 통해
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경도 맵 열처리 후 섹션 전체에 걸쳐(목표 HRC 또는 HB 확인).
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인장 및 충격 테스트 (Charpy V-노치)를 적절한 온도에서 동적 서비스를 제공합니다.
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비파괴 검사 단조품 및 용접 어셈블리용 (UT, MPI).
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금속학적 검사 를 통해 입자 크기, 강화 마르텐사이트 분포, 과도한 내포물이나 분리와 같은 중대한 결함이 없는지 확인합니다.
석유 및 가스 다운홀 사용의 경우 프로젝트 사양에 따라 추가적인 피로 또는 파단 역학 테스트가 필요할 수 있습니다.
나란히 비교 표
요약 비교(의사 결정 매트릭스)
| 기준 | AISI 4140 | AISI 4145 |
|---|---|---|
| 일반적인 탄소 | 보통(0.38-0.43) | 약간 높음(0.43~0.48) |
| 경화성 | Good | 더 좋음(큰 섹션에 유용) |
| 인성 | 약간 높음 | 비슷한 경도에서 약간 낮은 경도 |
| 가공성(어닐링) | Good | 양호(하지만 더 어려운 등급은 가공하기 어려움) |
| 일반적인 용도 | 샤프트, 기어, 핀, 일반 엔지니어링 | 무거운 샤프트, 드릴링 공구, 대형 단조품 |
| 열처리 제어 | 잘 확립된 | 일부 용도의 경우 신중한 템퍼링이 필요합니다. |
| 가용성 | 매우 광범위하게 사용 가능 | 널리 사용 가능, 많은 밀에서 다양한 변형 제공 |
일반적인 열처리 처리 참고 사항(빠른 참조)
| 프로세스 단계 | 4140 일반 | 4145 일반 |
|---|---|---|
| 오스테나이트화 | 800-860°C | 800-860°C |
| 퀜치 | 오일(일반) | 오일(일반적으로), 더 큰 섹션은 조심스럽게 담금질해야 함) |
| 성질 | 목표 경도에 따라 200-650°C | 200-650°C; 필요한 경우 더 높은 온도를 선택하여 인성을 회복합니다. |
실용적인 선택 체크리스트
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확인 필요한 경도 그리고 그 경도가 두께를 통해 달성되어야 하는지 여부입니다.
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검토 디자인 단면단면이 클수록 경화성이 높아집니다.
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정의 서비스 로드 유형동적 피로와 충격은 4140의 인성에 유리하고, 정적 또는 마모가 심한 하중은 4145의 강도에 유리할 수 있습니다.
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공급업체에 다음 사항을 요청하십시오. 밀 인증 화학 및 열처리 기록이 있습니다.
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용접이 필요한 경우 다음을 포함하세요. 예열/PWHT 요구 사항 를 그림으로 표시합니다.
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중요 부품의 경우 예상 서비스 온도에서 Charpy 충격 테스트를 수행해야 합니다.
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석유 및 가스의 경우 관련 업계 사양 및 추적성 준수 여부를 확인합니다.
자주 묻는 질문
Q1: 4140과 4145는 서로 호환되나요?
짧은 답변: 중요하지 않은 부품의 경우 유사하며 때로는 교체할 수 있지만 동일하지는 않습니다. 중요 부품의 경우 대체하기 전에 화학적, 기계적 특성 및 열처리 인증을 확인하세요.
Q2: 인장 시험에서 어느 등급이 더 강한가요?
비슷한 템퍼링 조건에서 4145는 탄소 함량이 높아 인장 강도가 약간 더 높은 경향이 있지만 실제 강도는 템퍼링, 담금질 및 단면 크기에 따라 크게 달라집니다.
Q3: 대구경 샤프트에는 어떤 등급이 더 적합합니까?
4145는 경화성이 향상되어 큰 단면으로 높은 경도와 강도가 필요할 때 자주 선호됩니다.
Q4: 하나의 강철을 용접하는 것이 더 쉬운가요?
4140은 일반적으로 탄소 함량이 약간 낮기 때문에 용접하기가 약간 더 쉬운 것으로 간주됩니다. 예열과 적절한 소모품을 사용하면 둘 다 용접할 수 있지만 서비스가 중요한 경우에는 PWHT가 필요할 수 있습니다.
Q5: 두 등급을 동일한 용광로 사이클에서 열처리할 수 있나요?
예, 오스테나이트화 온도는 비슷하지만 템퍼링 및 담금질 제어는 특정 등급 및 단면 크기에 맞게 조정해야 목표 특성에 도달할 수 있습니다.
Q6: 자동차 부품에는 어떤 등급이 더 많이 사용되나요?
4140은 우수한 물성과 비용 효율성으로 인해 기어, 샤프트, 패스너와 같은 자동차 부품에 널리 사용됩니다.
Q7: 4145는 석유 및 가스 애플리케이션에 사용되나요?
예, 4145와 그 변형 제품은 강도와 경화성이 높아 다운홀 및 시추 공구에 일반적으로 사용되며 많은 공급업체에서 유전 인증을 받은 4145 변형을 생산합니다.
Q8: 주의해야 할 일반적인 장애 모드에는 어떤 것이 있나요?
고강도, 고경도 부품의 경우 취성 파단, 취성 취화, 용접 부위의 수소 보조 균열, 표면 또는 표면 하부 피로가 주요 관심사입니다. 적절한 테스트와 설계 마진이 필수적입니다.
Q9: EN 또는 다른 시스템에도 표준에 상응하는 표준이 있나요?
예, 4140은 EN 42CrMo4/1.7225에 가깝게 매핑됩니다. 정확한 등가물은 구성 및 필요한 기계적 특성에 따라 상호 참조가 필요합니다.
Q10: 도면의 재질은 어떻게 지정해야 하나요?
정확한 등급(AISI 4140 또는 AISI 4145), 필요한 열처리 조건(예: QT ~ 40-45 HRC), 필요한 테스트(UT, 경도 매핑, Charpy, 인장), 추적성/밀 인증 요건을 지정합니다. 해당되는 경우 용접 지침을 포함하세요.
구매 주문에 대한 테스트 및 검사 체크리스트
P.O. 또는 기술 사양을 작성할 때는 요구 사항이 있습니다:
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전체 화학 분석 및 열처리 기록이 포함된 공장 인증서.
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단면 전체에 걸친 경도 검증(샤프트의 경우 최소 3개 지점).
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지정된 기계적 테스트(주변 환경에서의 인장, 동적 서비스의 경우 Charpy V-노치).
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대형 단조품 및 중요 부품을 위한 NDT.
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열 및 배치까지 추적할 수 있습니다.
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석유 및 가스 관련 산업별 인증서(해당되는 경우).
실제 사례 예시
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고강도 변속기 샤프트(산업용 크레인): 베어링의 마모와 높은 접촉 응력을 견디기 위해 더 깊은 관통 경화가 필요한 설계에는 4145를 선택합니다. 충분한 인성을 유지하기 위해 최종 성질의 균형을 유지합니다.
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고속 스핀들(공작 기계): 높은 인성, 열처리 후 치수 안정성 및 동적 피로 저항성이 필수적인 경우 4140을 선택하십시오.
권장 사항 닫기
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재료 화학, 단면 크기, 열처리 능력, 계획된 QC가 하나의 의사 결정 체인을 형성하는 시스템 결정으로 간주합니다.
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지정된 열처리 및 섹션에 대한 대표적인 기계적 특성 데이터를 공장에 요청하세요. 공표된 명목상의 값에만 의존하지 마세요.
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미션 크리티컬 구성 요소의 경우 전체 NDT 및 기계적 테스트를 수행하고 잔류 응력 및 예상 피로 수명에 대한 유한 요소 분석을 고려해야 합니다.
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현지에서 열처리 능력이 제한되어 있는 경우, 이미 지정된 담금질 및 템퍼링 상태로 납품된 소재를 검증된 인증서와 함께 조달하세요.
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