فولاذ السبائك 4130: الخصائص والتطبيقات

يُصنف فولاذ السبائك 4130 كفولاذ متوسط الكربون ومنخفض السبائك وفقًا لنظام AISI. يُبرز تصنيفه عناصر السبائك الأساسية: الكروم (حوالي 1%) والموليبدينوم (حوالي 0.20%). يوفر هذا الفولاذ متعدد الاستخدامات مزيجًا متينًا من القوة والمتانة وقابلية اللحام.

1. التركيب الكيميائي لسبائك الفولاذ 4130

التركيب الكيميائي النموذجي للفولاذ 4130 (حسب النسبة المئوية للوزن) هو:

• الكربون (C):28-0.33% (يوفر توازنًا بين القوة والليونة)
• المنغنيز (Mn):40-0.60% (يساهم في الصلابة والقوة)
• السيليكون (Si):20-0.35% (يعمل كمزيل للأكسدة ويمكن أن يزيد القوة)
• الكروم (Cr):80-1.10% (يحسن القدرة على التصلب ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل)
• الموليبدينوم (Mo):15-0.25% (يعزز القدرة على التصلب والقوة في درجات الحرارة العالية ويقاوم هشاشة التصلب)
• الفوسفور (P) والكبريت (S): تم الحفاظ عليها منخفضة (عادةً ما تكون الحد الأقصى 0.030-0.040% لكل منهما)
• النحاس (Cu): قد يكون موجودًا (حتى 0.35% في بعض المواصفات)

2. خصائص التصلب

4130 هو فولاذ سبائكي مُصلد بالماء، ذو قابلية تصلد تتراوح بين منخفضة ومتوسطة. هذا يعني أن تحقيق الصلابة الكاملة من خلال التبريد يتطلب دراسة متأنية لسُمك المقطع. عادةً ما تكون هناك حاجة إلى مقاطع أرق أو أوساط تبريد أكثر فعالية (مثل الماء) مقارنةً بالفولاذ ذي قابلية التصلد العالية. يوضح القطر الحرج المثالي (DI) ذلك؛ على سبيل المثال، عند درجة حرارة نوعية تبلغ 0.29% C، و1.02% Cr، و0.15% Mo، تم حساب القطر الحرج المثالي (DI) بمقدار 68.3 مم (2.69 بوصة).

3. المعالجة الحرارية لسبائك الفولاذ 4130

AISI 4130 هو فولاذ متوسط الكربون ومنخفض السبائك متعدد الاستخدامات، معروف بقوته ومتانته وقابليته للحام. عناصر السبائك الرئيسية فيه هي الكروم والموليبدينوم. للاستفادة الكاملة من إمكانيات فولاذ 4130 وتخصيص خصائصه الميكانيكية لتطبيقات محددة، تُعد المعالجة الحرارية الدقيقة أمرًا أساسيًا. تتيح استجابة فولاذ 4130 لمختلف الدورات الحرارية طيفًا واسعًا من خصائص الأداء.

3.1 عمليات المعالجة الحرارية الشائعة لـ 4130

استنادًا إلى الخبرة الواسعة في الصناعة والبيانات الفنية، تحدد شركة Aobo Steel المعالجات الحرارية الأساسية المطبقة على الفولاذ 4130:

3.1.1 التطبيع

• موضوعي: لتحسين بنية حبيبات الفولاذ، وتحسين التوحيد وتعزيز قابلية التصنيع بعد التشكيل أو الدرفلة.
• عملية: سخّن الفولاذ بالتساوي إلى درجة حرارة تتراوح بين 870 و925 درجة مئوية (1600 و1700 درجة فهرنهايت). يتراوح هذا النطاق بين 55 و85 درجة مئوية (100 و150 درجة فهرنهايت) فوق الحد الأعلى لدرجة الحرارة الحرجة (Ac3)، مما يضمن التحول الكامل إلى أوستينيت. ثبته في درجة الحرارة المناسبة لضمان نفاذ الحرارة، عادةً لمدة ساعة واحدة لكل 25 مم (بوصة واحدة) من أقصى سمك، مع تحديد مدة ثبات أدنى غالبًا. بَرّده في الهواء الساكن إلى درجة حرارة الغرفة.
• ما بعد التطبيع: من الشائع معالجة الفولاذ 4130 الطبيعي عند درجات حرارة تبلغ 480 درجة مئوية (900 درجة فهرنهايت) أو أعلى لتحقيق متطلبات قوة الخضوع المحددة.

3.1.2 التلدين

• موضوعي: لإنتاج أنعم حالة ممكنة للصلب 4130، وتعظيم اللدونة لعمليات مثل التشكيل البارد أو التصنيع المعقد.
• عملية: سخّن الفولاذ إلى درجة حرارة تتراوح بين 830 و870 درجة مئوية (1525 إلى 1600 درجة فهرنهايت). ثبّت درجة الحرارة لمدة تعتمد على حجم المقطع أو حمل الفرن. والأهم من ذلك، برّد ببطء شديد داخل الفرن، عادةً بمعدل لا يتجاوز 15 درجة مئوية في الساعة (30 درجة فهرنهايت في الساعة)، حتى تصل إلى حوالي 480 درجة مئوية (900 درجة فهرنهايت). يمكن أن يستمر التبريد في الهواء عند درجة حرارة أقل من هذه. يُعزز هذا التبريد البطيء والمُتحكم به تكوين بنية دقيقة من البيرليت الناعم والخشن.

3.1.3 التبريد والتصلب (التصلب)

• موضوعي: لتطوير قوة عالية وصلابة ومتانة، وهي الحالة الأكثر شيوعًا للتطبيقات الهيكلية لـ 4130.
• الأوستنيت: سخّن الفولاذ بالتساوي حتى يصل إلى درجة حرارة الأوستنيت المناسبة. تتراوح هذه الدرجة عادةً بين 855 و865 درجة مئوية (1575 إلى 1600 درجة فهرنهايت)، حسب التركيب الدقيق وحجم المقطع. اتركه عند درجة الحرارة المناسبة لفترة كافية لإتمام عملية الأوستنيت.
• الإطفاء: تبريد الفولاذ بسرعة من درجة حرارة الأوستنيت. نظرًا لصلابة الفولاذ 4130 المنخفضة إلى المتوسطة، يجب اختيار وسط التبريد (الماء، الزيت، أو البوليمر) بعناية بناءً على سُمك مقطع المكون والخصائص النهائية المطلوبة. يوفر الماء تبريدًا أسرع وصلابة أعلى في المقاطع الرقيقة، ولكنه يزيد من خطر التشوه. التبريد بالزيت شائع في المقاطع المتوسطة. يُعد تحقيق معدل التبريد الحرج، وخاصةً خلال نطاق التحويل عند حوالي 540 درجة مئوية (1000 درجة فهرنهايت)، أمرًا بالغ الأهمية للحصول على بنية مارتنسيتية بالكامل، وخاصةً في المقاطع الأكثر سُمكًا.
• التلطيف: أعد تسخين الفولاذ المُخمّد (المُصلّب) إلى درجة حرارة محددة أقل من درجة الحرارة الحرجة الدنيا (Ac1). تتراوح درجات حرارة التطبيع للفولاذ 4130 عادةً بين 205 و705 درجات مئوية (400 و1300 درجة فهرنهايت). يُحفظ الفولاذ عند درجة حرارة التطبيع (عادةً لمدة ساعتين على الأقل)، ثم يُبرّد (عادةً في الهواء). يُقلّل التطبيع من هشاشة المارتنسيت المُخمّد، ويُحقق التوازن النهائي بين الصلابة والقوة والمتانة. تُعطي درجات حرارة التطبيع المنخفضة قوة وصلابة أعلى، بينما تزيد درجات الحرارة المرتفعة من اللدونة والمتانة على حساب القوة.

3.2 اعتبارات قابلية التصلب

تُعدّ قابلية تصلب فولاذ 4130 عاملاً حاسماً، إذ تصف قدرة الفولاذ على التصلب من خلال مقطعه العرضي أثناء عملية التبريد.

• يتمتع الفولاذ 4130 بقدرة صلابة منخفضة إلى متوسطة مقارنة بالفولاذ ذي السبائك الأعلى.
• سُمك المقطع: تعتمد الصلابة المُمكنة وعمق التصلب بشكل كبير على حجم المُكوّن. تبرد المقاطع السميكة ببطء أكبر، خاصةً عند النواة، مما قد يؤدي إلى بنية مجهرية أقل تجانسًا وصلابة نواة أقل من السطح.
• القطر الحرج المثالي (DI): تشير هذه القيمة المحسوبة (مثلًا، حوالي 68 مم أو حوالي 2.7 بوصة لتركيبة نموذجية في ظروف مثالية) إلى القطر الأقصى النظري الذي يمكن تصلده حتى المركز في حالة تبريد مثالي. تُحقق النتائج العملية باستخدام تبريد أقل حدة (مثل الزيت والبوليمر) تصلبًا على أعماق أقل.
• شدة الإطفاء: يعد الاختيار الدقيق لعملية الإطفاء أمرًا حيويًا لتحقيق الخصائص المطلوبة دون التسبب في التشقق أو التشوه المفرط، خاصة عند مقارنتها بالفولاذ عالي الكربون مثل 4140، والتي تتمتع بقدرة أكبر على التصلب ولكنها أيضًا معرضة لخطر أكبر للتشقق الناتج عن الإطفاء.

3.3 تخفيف التوتر

• موضوعي: لتقليل الضغوط الداخلية الناجمة عن عمليات التصنيع مثل التشغيل الآلي الثقيل أو التشكيل البارد أو اللحام، والتي يتم إجراؤها غالبًا قبل التصلب النهائي أو على الأجزاء الطبيعية/المُلَدَّسة.
• عملية: سخّن الفولاذ بالتساوي حتى تصل درجة حرارته عادةً إلى ما بين 650 و675 درجة مئوية (1200 و1250 درجة فهرنهايت). اتركه لمدة كافية (مثلاً، ساعة واحدة لكل بوصة من السُمك)، ثم برّده ببطء (عادةً في الفرن أو في الهواء).
• ملاحظة هامة: إذا تم تخفيف التوتر بعد في عمليات الإخماد والتكييف، يجب الحفاظ على درجة حرارة تخفيف الإجهاد أقل من درجة حرارة التكييف الأصلية (عادةً ما تكون أقل بمقدار 15 درجة مئوية أو 25 درجة فهرنهايت على الأقل) لتجنب التأثير سلبًا على الخصائص الميكانيكية التي تم إنشاؤها مسبقًا.

4. نظرة عامة على الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية النهائية لفولاذ 4130 بشكل مباشر على المعالجة الحرارية المُطبقة. توفر ظروف التبريد والتسخين نطاقًا واسعًا من قيم قوة الشد، ومقاومة الخضوع، والاستطالة، والصلابة.

من المهم أن نأخذ في الاعتبار تأثير الكتلة: حيث تبرد المقاطع العرضية الأكبر بشكل أبطأ أثناء التبريد، مما يؤدي إلى انخفاض الصلابة والقوة في القلب مقارنة بالسطح أو مقارنة بالأقسام الأصغر التي تتلقى نفس المعالجة الحرارية.

الخصائص الميكانيكية النموذجية للفولاذ 4130 المعالج حرارياً

درجة حرارة التلطيف		قوة الشد		قوة المردود		الاستطالة في 50 مم (2 بوصة)، %	انخفاض في المساحة، %	الصلابة، HB	إيزود إمباكت إنرجي
درجة مئوية	درجة فهرنهايت	ميجا باسكال	كسي	ميجا باسكال	كسي				ج	قدم-رطل
الماء مطفأ ومخفف
205	400	1765	256	1520	220	10	33	475	18	13
260	500	1670	242	1430	208	11.5	37	455	14	10
315	600	1570	228	1340	195	13	41	425	14	10
370	700	1475	214	1250	182	15	45	400	20	15
425	800	1380	200	1170	170	16.5	49	375	34	25
540	1000	1170	170	1000	145	20	56	325	81	60
650	1200	965	140	830	120	22	63	270	135	100
زيت مطفأ ومخفف
205	400	1550	225	1340	195	11	38	450	—	—
260	500	1500	218	1275	185	11.5	40	440	—	—
315	600	1420	206	1210	175	12.5	43	418	—	—
370	700	1320	192	1120	162	14.5	48	385	—	—

تأثير الكتلة على الخصائص النموذجية للفولاذ 4130 المعالج حرارياً

حجم الشريط	قوة الشد	قوة الخضوع	الاستطالة في 50 مم (2 بوصة)، %	انخفاض في المساحة، %	صلابة السطح، HB
مم	ميجا باسكال	كسي	ميجا باسكال	كسي	%
25	1040	151	880	128	18
50	740	107	570	83	20
75	710	103	540	78	22

المصدر: دليل ASM

5. التطبيقات الشائعة

بفضل أداءه الموثوق به، يتم استخدام الفولاذ 4130 في العديد من الصناعات:

• مكونات السيارات (على سبيل المثال، المحاور)
• الأجزاء الهيكلية التي تتطلب قوة وصلابة جيدة
• الأعمدة والتروس والمحامل التي تحتاج إلى مقاومة جيدة للتعب والتآكل (غالبًا في ظروف معتدلة)
• التطبيقات التي تتطلب صلابة عالية (في الظروف الكروية)
• عمليات تصلب شعاع الإلكترون

على الرغم من عدم تصنيفها كأداة أساسية للصلب، فإن تعدد استخداماتها يجعلها مادة شائعة في غرف الأدوات.

6. مكافئات المعايير الدولية

يتوافق الفولاذ 4130 مع التسميات في العديد من المعايير الدولية:

• ASTM: A322، A29/A29M
• SAE: ج404
• JIS (اليابان): SCM 425، SCM 430