فولاذ السبائك 4140 هو فولاذ سبائك كروم-موليبيديوم متعدد الاستخدامات، يتميز بقوة وصلابة وصلابة عالية، مما يجعله مناسبًا لظروف الخدمة القاسية المتوسطة بعد المعالجة الحرارية المناسبة. يُصنف هذا الفولاذ مع الكروم والموليبدينوم كعنصرين أساسيين في سبائكه.

1. التطبيقات

• مكونات الآلات: الأعمدة (الاستخدام الأساسي)، المحاور، التروس، المغازل، الوصلات، أعمدة الكرنك، قضبان التوصيل، أغطية الصمامات، أجسام المخرطة، المشابك
• الأدوات والتجهيزات: أدوات التثبيت، وحاملات الأدوات، وأطواق الحفر، والمسامير، والدبابيس، وأجزاء الناقل
• السيارات والفضاء: المحاور، أعمدة الكرنك، مفاصل التوجيه، الأجزاء الهيكلية عالية القوة
• صناعة النفط والغاز: أدوات الحفر في الآبار، وصلات الأدوات، أعمدة المضخات
• الأجزاء المقواة السطحية: المكونات التي تتطلب متانة سطحية محسنة

2. تركيبة الفولاذ 4140¹

الكربون (C)	المنجنيز (Mn)	السيليكون (Si)	الكروم (Cr)	الموليبدينوم (Mo)	الفوسفور (P)	الكبريت (S)
0.38 – 0.43	0.75 – 1.00	0.15 – 0.35	0.80 – 1.10	0.15 – 0.25	≤ 0.035	≤ 0.040

3. الخصائص الفيزيائية

الخصائص الفيزيائية لسبائك الفولاذ 4140 تحت درجات حرارة مختلفة

درجة الحرارة (°م)	درجة الحرارة (°ف)	الموصلية الحرارية (وات/م·ك)	متوسط السعة الحرارية النوعية (كيلوجول/كجم·كلفن)	متوسط معامل التمدد الخطي (x 10⁻⁶ K⁻¹)	الكثافة (كجم/م³)	معامل يونغ (x 10⁵ ميجا باسكال)
20	68	46.71	472.91	11.28	7848.2	211.6
100	212	46.06	486.33	11.67	7820.7	203.1
200	392	45.59	499.21	12.32	7790.2	197.5
300	572	43.47	519.18	12.85	7757.4	193.7
400	752	40.7	543.45	13.37	7722.3	188.6
500	932	37.67	570.3	13.9	7684.7	180.2
600	1112	34.63	599.31	14.42	7644.5	167.0

4. الخصائص الميكانيكية

يمكن تعديل خصائص فولاذ 4140 بشكل ملحوظ من خلال المعالجة الحرارية. يُحسّن التبريد والتصلب من قوة الخضوع، ومقاومة الشد، ومتانة الشق في معدن 4140.

4.1 معدن 4140 مطفأ ومُقسّى

عند تبريد فولاذ 4140 بالزيت، ثم معالجته بدرجات حرارة مختلفة، تتغير خصائصه الميكانيكية بشكل متوقع. هذا يُمكّن من التحكم الدقيق في الخصائص النهائية للفولاذ لتلبية متطلبات التشغيل المحددة. فيما يلي ملخص للخصائص الميكانيكية النموذجية المحققة عند درجات حرارة معالجة مختلفة:

درجة حرارة التلطيف	4140 قوة الشد (ميجا باسكال)	4140 قوة الخضوع (ميجا باسكال)	الاستطالة (%)	تقليل المساحة (%)	الصلابة (HB)
205 درجة مئوية (400 درجة فهرنهايت)	1965 – 1980	1740 – 1860	11	39 – 42	520 – 578
260 درجة مئوية (500 درجة فهرنهايت)	1860	1650	11	44	534
315 درجة مئوية (600 درجة فهرنهايت)	1720 – 1760	1570 – 1620	11.5 – 12	44 – 46	490 – 495
425 درجة مئوية (800 درجة فهرنهايت)	1450 – 1500	1340 – 1365	14 – 15	48 – 50	429 – 440
540 درجة مئوية (1000 درجة فهرنهايت)	1150 – 1240	1050 – 1160	17 – 17.5	53 – 55	341 – 360
595 درجة مئوية (1100 درجة فهرنهايت)	1020	910	19	58	311
650 درجة مئوية (1200 درجة فهرنهايت)	900 – 1020	790 – 860	20 – 21	60 – 61	277 – 290
705 درجة مئوية (1300 درجة فهرنهايت)	810 – 860	690 – 740	23	63 – 65	235 – 250

4.2 تأثير حجم المقطع (تأثير الكتلة) على خصائص المادة 4140

من المهم مراعاة حجم مقطع أو كتلة مكون الفولاذ 4140 أثناء تحديد مواصفات المعالجة الحرارية، خاصةً عند السعي لتحقيق مستويات قوة عالية. فولاذ AISI 4140 ليس فولاذًا شديد التصلب، وفي ظل نفس ظروف المعالجة الحرارية، قد لا تحقق المقاطع العرضية الأكبر نفس الصلابة أو القوة الكلية للمقاطع العرضية الأصغر.

يوضح الجدول التالي تأثير قطر 4140 بار على الخصائص الميكانيكية للفولاذ 4140 المطفأ بالزيت عند درجة حرارة 845 درجة مئوية (1550 درجة فهرنهايت) والمخفف عند درجة حرارة 540 درجة مئوية (1000 درجة فهرنهايت):

تأثير قطر القضيب على الخواص الميكانيكية للفولاذ 4140 (المُقسّى عند 540 درجة مئوية / 1000 درجة فهرنهايت)

قطر الشريط	قوة الشد (ميجا باسكال)	قوة الخضوع (MPa)	الاستطالة (%)	تقليل المساحة (%)	صلابة السطح (HB)
25 ملم (1 بوصة)	1140	985	15	50	335
50 ملم (2 بوصة)	920	750	18	55	202
75 ملم (3 بوصة)	860	655	19	55	293

4.3 الخصائص الميكانيكية للفولاذ 4140 المُلدَّن

وتنقسم عملية التلدين أيضًا إلى حالتين: الدرفلة الساخنة والسحب البارد.

الحالة	قوة المردود	قوة الشد	استطالة
مدرفل على الساخن، مُلَدَّن	454 ميجا باسكال (65 كيلو باسكال)	620 ميجا باسكال (90 كيلو باسكال)	~27%
مسحوب على البارد، مُلَدَّن	620 ميجا باسكال (90 كيلو باسكال)	703 ميجا باسكال (102 كيلو باسكال)	~18%

4.4 لحام الفولاذ 4140²

يتميز فولاذ 4140 بصلابة عالية. عند لحام فولاذ 4140، قد تبرد المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) ومعدن اللحام بسرعة، مما يؤدي إلى تكوين مارتنسيت صلب وهش. هذا المارتنسيت عرضة للتشقق الهيدروجيني، مما قد يؤدي إلى إجهادات داخلية عالية وانخفاض في اللدونة، مما يزيد من صعوبة عملية اللحام. نوصي باللحام في حالة التلدين فولاذ 4140 كلما أمكن، وإجراء المعالجة الحرارية بعد اللحام لتقليل المخاطر المرتبطة بصلابته العالية.

5. المعالجة الحرارية

5.1 التطبيع

التطبيع هو عملية معالجة حرارية تستخدم لتحسين حجم الحبوب، وتحقيق بنية موحدة، وتحسين القدرة على التصنيع للحصول على الصلابة المطلوبة. 

يتراوح نطاق درجة حرارة التطبيع بين 870 و900 درجة مئوية (1600 و1650 درجة فهرنهايت). يُحفظ عند هذه الدرجة لمدة ساعة على الأقل، أو من 15 إلى 20 دقيقة لكل 25 مم (بوصة واحدة) من أقصى سمك للمقطع. بعد التطبيع، يُترك المعدن ليبرد في الهواء حتى يصل إلى درجة حرارة الغرفة. تتراوح صلابة 4140 بعد التطبيع بين 150 و200 HB.

5.2 التلدين

يتم استخدام التلدين في المقام الأول لتليين الفولاذ وتخفيف الضغوط، وبالتالي تحضيره للمعالجة اللاحقة، مثل التصنيع.

درجة حرارة التلدين تتراوح من 830 إلى 870 درجة مئوية (1525 إلى يعتمد وقت التثبيت على سُمك المقطع أو حمل الفرن. بناءً على خبرة شركة Aobo Steel التي تزيد عن 20 عامًا في هذا المجال، فإن وقت التثبيت هو: ساعة واحدة لكل 25 مم (بوصة واحدة) من سُمك المقطع، مع إضافة 0.5 ساعة إضافية لكل 25 مم (بوصة واحدة) إضافية من السُمك. بعد التثبيت، تُبرَّد المادة في الفرن بمعدل 15 درجة مئوية/ساعة تقريبًا (30 درجة فهرنهايت/ساعة) حتى تصل إلى 480 درجة مئوية (900 درجة فهرنهايت)، ثم تُبرَّد بالهواء. تتراوح صلابة 4140 بعد التلدين بين 150 و200 HB.

5.3 التبريد

تتضمن عملية التصلب تسخين الفولاذ لتكوين الأوستينيت، يليه التبريد السريع لتحويله إلى مارتنسيت، وبالتالي زيادة صلابة وقوة 4140. 

تتراوح درجة حرارة الأوستينيت بين 860 و885 درجة مئوية (1550 و1660 درجة فهرنهايت). بناءً على خبرتنا، نوصي بدرجة حرارة 855 درجة مئوية (1575 درجة فهرنهايت). تجنب استخدام درجات حرارة عالية جدًا، فقد يؤدي ذلك إلى زيادة حجم حبيبات الأوستينيت وهشاشة المارتنسيت. مدة النقع 5 دقائق لكل بوصة من أصغر مقطع عرضي، أو حتى ينقع الجزء تمامًا. وسيط التبريد هو الزيت.

5.4 التلطيف

يجب إجراء عملية التلطيف فورًا عندما تصل درجة حرارة الفولاذ 4140 إلى 52-65 درجة مئوية (125-150 درجة فهرنهايت).

تتراوح درجة حرارة المعالجة الحرارية بين ٢٠٠ و٧٠٠ درجة مئوية (٤٠٠ و١٣٠٠ درجة فهرنهايت). درجة الحرارة المستخدمة عادةً هي ١٧٥ درجة مئوية (٣٥٠ درجة فهرنهايت). يُحدد زمن التثبيت صلابة الفولاذ ٤١٤٠. زمن التثبيت القياسي لدينا هو ساعتان لكل بوصة (٢٥ مم) من المقطع العرضي. من المهم تجنب المعالجة الحرارية المنخفضة.
لا يتطلب فولاذ 4140 عادةً عملية تقسية ثانوية؛ ومع ذلك، يُمكن لدورات تقسية متعددة تحسين بنية الحبيبات لتعزيز متانتها. يجب أن تكون درجة حرارة التقسية الثانية أقل بـ 14 درجة مئوية (25 درجة فهرنهايت) من درجة حرارة التقسية الأولى للحفاظ على صلابة مادة 4140 الأصلية.
لا ننصح بالمعالجة الحرارية ضمن نطاق درجة حرارة يتراوح بين ٢٣٠ و٣٧٠ درجة مئوية (٤٥٠ و٧٠٠ درجة فهرنهايت)، لأن هذا النطاق قد يُسبب "هشاشة زرقاء". عادةً ما يكون التركيب الدقيق للفولاذ ٤١٤٠ المُخمّد والمُعالج حراريًا من المارتنسيت المُعالج حراريًا.

5.5 كروية

تُنتج عملية التكوير بنية مجهرية من الكربيدات الكروية في مصفوفة حديدية، مما يُحسّن قابلية التشغيل. تتراوح درجة حرارة التكوير بين 760 و775 درجة مئوية (1400 و1425 درجة فهرنهايت)، مع مدة تثبيت تتراوح بين 4 و12 ساعة، يليها تبريد بطيء.

يمكن أيضًا تحقيق التكوير عن طريق الإبقاء لفترة أطول تحت درجة حرارة Ae1 بقليل، أو بالتسخين والتبريد بالتناوب بين درجتي حرارة أعلى بقليل من Ac1 وأقل بقليل من Ar1، أو بالتسخين فوق Ac1 بقليل متبوعًا بتبريد بطيء جدًا في الفرن أو الإبقاء عند درجة حرارة أقل بقليل من Ar1. للحصول على كروية كاملة، تكون درجات حرارة الأوستنيت أعلى بقليل من درجة حرارة Ac1، أو في منتصف المسافة تقريبًا بين Ac1 وAc3.

6. المكافئ

• أوروبا (EN/DIN): 42CrMo4 أو 1.7225
• اليابان (JIS): إس سي إم 440
• الصين (GB/T): 42CrMo
• بريطانيا العظمى (BS): EN19 (أو 708M40/709M40)

1. ASM الدولية. (1991). دليل ASM، المجلد 4: المعالجة الحرارية (ص 496). ASM الدولية. ↩︎
2. جيني، CL، وأوبراين، A. (محرران). (2000). دليل اللحام، الطبعة التاسعة، المجلد 1: علم وتكنولوجيا اللحام (ص 141). جمعية اللحام الأمريكية. ↩︎

التعليمات