نظرة عامة تقنية على الفولاذ 4140

فولاذ 4140 هو فولاذ منخفض السبائك متوسط الكربون ومتعدد الاستخدامات. يحتوي على الكروم والموليبدينوم كعنصري سبائك رئيسيين. يُعرف هذا الفولاذ بصلابته العالية، مما يسمح له بتحقيق قوة وصلابة عاليتين من خلال عمليات المعالجة الحرارية مثل التبريد والتسخين. يُستخدم عادةً في التطبيقات التي تتطلب توازنًا جيدًا بين القوة والمتانة، مثل أعمدة الدوران والتروس ومكونات الآلات الأخرى. يمكن إخضاعه لمعالجات حرارية متنوعة، بما في ذلك التلدين للتليين، والتطبيع لتحسين البنية المجهرية وقوة متوسطة، والتصلب متبوعًا بالتسخين لتحقيق الخصائص الميكانيكية المطلوبة.

1. التركيب الكيميائي

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

2. التطبيقات

بناءً على خصائصه، يُستخدم فولاذ 4140 في العديد من المكونات الهندسية الصعبة، بفضل صلابته العالية، وقوته العالية، وإمكانية صلابته، ومتانته الجيدة عند معالجته حرارياً بشكل صحيح. فيما يلي تفصيل للتطبيقات بناءً على هذه الخصائص:

2.1 المكونات التي تتطلب قوة وصلابة عالية (يتم تحقيقها من خلال التبريد والتصلب):

• أجزاء مُحمّلة بشكل ثابت وديناميكي في محركات السيارات والآلات، مثل أعمدة الكرنك. صلابتها العالية بعد التصلب تجعلها مناسبة لهذه التطبيقات الصعبة.
• قطع آلات ذات مقاطع عرضية كبيرة، حيث يمكن الحصول على قوة عالية بعد التكرير. صلابتها الجيدة تسمح بالتصلب التام بسماكات كبيرة.
• مكونات لظروف الخدمة الشديدة المتوسطة حيث تكون هناك حاجة إلى التوازن بين القوة والصلابة.
• التروس التي تتطلب التصلب الكامل لتحقيق القوة اللازمة ومقاومة التآكل.
• تُستخدم المسامير والأعمدة في تطبيقات هندسية متنوعة، حيث تُعد القوة والمتانة العالية أمرًا بالغ الأهمية. وللتطبيقات عالية التحمل، يُمكن تقسيتها ومعالجتها حراريًا لتحقيق قوة تحمل مركزية تتراوح بين 100 و140 كجم/م².
• تتطلب المكونات مقاومة للتآكل، مما يجعلها مناسبة لتقنيات تصلب السطح مثل التصلب باللهب والتصلب الحثي.
• أجزاء السيارات ذات الطلب المرتفع مثل المحاور، والتي تستفيد من قوتها وقدرتها على الصلابة.
• أنابيب الفولاذ السبائكي للتطبيقات العامة والبنيوية، حيث تكون قوتها بعد المعالجة الحرارية مفيدة.
• غالبًا ما تتم معالجة القضبان والمسبوكات لأغراض هندسية مختلفة بالحرارة إلى مستويات قوة محددة.

2.2 المكونات التي تتطلب صلابة السطح ومقاومة التآكل (يتم تحقيقها من خلال النترتة أو التصلب الحثي):

• يمكن تصنيع التروس التي تتطلب غلافًا عميقًا وصلابة سطحية أقل من 60 HRC من الفولاذ 4140 وتعريضها للنيتريد.
• تستفيد التروس والمكونات الأخرى من التصلب الحثي للحصول على طبقة سطحية صلبة ومقاومة للتآكل.

2.3 تطبيقات الأدوات:

على الرغم من عدم اعتباره في المقام الأول فولاذًا للأدوات، إلا أن 4140 يحظى بشعبية في غرفة الأدوات لمختلف التطبيقات التي تتطلب صلابة معتدلة وقوة وصلابة جيدة.

3. الخصائص الفيزيائية

3.1 قوة الشد للفولاذ 4140

الحالة	قوة الشد (ميجا باسكال)	قوة الشد (ksi)
ملدن	434-620	63-90
مُطَبَّع	يمكن أن يتراوح من 483 إلى 690 اعتمادًا على محتوى الكربون	يمكن أن يتراوح من 70.0 إلى 100.0 اعتمادًا على محتوى الكربون
مُخمَّد ومُقوَّى عند درجة حرارة 205 درجة مئوية (400 درجة فهرنهايت)	1965-1980	285-287
مُخمَّد ومُقوَّى عند درجة حرارة 425 درجة مئوية (800 درجة فهرنهايت)	1450-1500	210-217
مُخمَّد ومُقوَّى عند درجة حرارة 540 درجة مئوية (1000 درجة فهرنهايت)	1140-1240	165-180
مُخمَّد ومُقوَّى عند درجة حرارة 650 درجة مئوية (1200 درجة فهرنهايت)	900-1020	130-148
مسحوب على البارد ومُلَدَّس	حوالي 620-703	حوالي 90-102
تم رسمها عند 1000 درجة فهرنهايت (540 درجة مئوية)	حوالي 903-1054	حوالي 131-153

3.2 قوة الخضوع (إزاحة 0.2%) للفولاذ 4140

الحالة	قوة الخضوع (MPa)	قوة الخضوع (ksi)
ملدن	حوالي 201-434 اعتمادًا على محتوى الكربون	حوالي 29.1-63 حسب محتوى الكربون
مُطَبَّع	يمكن أن يتراوح من 247 إلى 355 اعتمادًا على محتوى الكربون	يمكن أن يتراوح من 35.8 إلى 51.5 اعتمادًا على محتوى الكربون
مُخمَّد ومُقوَّى عند درجة حرارة 205 درجة مئوية (400 درجة فهرنهايت)	1740-1860	252-270
مُخمَّد ومُقوَّى عند درجة حرارة 425 درجة مئوية (800 درجة فهرنهايت)	1340-1365	195-198
مُخمَّد ومُقوَّى عند درجة حرارة 540 درجة مئوية (1000 درجة فهرنهايت)	985-1160	143-168
مُخمَّد ومُقوَّى عند درجة حرارة 650 درجة مئوية (1200 درجة فهرنهايت)	790-860	114-125
مسحوب على البارد ومُلَدَّس	حوالي 620-703	حوالي 90-102
تم رسمها عند 1000 درجة فهرنهايت (540 درجة مئوية)	حوالي 903-1054	حوالي 131-153

3.3 خصائص اللدونة (الاستطالة والتخفيض في المساحة) للفولاذ 4140

ملكية	الحالة	القيمة
الاستطالة (50 مم/2 بوصة)	ملدن	عادة حوالي 18-27%
الاستطالة (50 مم/2 بوصة)	مُطفأ ومُخفف	تنخفض مع زيادة درجة حرارة التبريد. على سبيل المثال، تتراوح من 11% (عند 205 درجة مئوية/400 درجة فهرنهايت) إلى 23% (عند 705 درجة مئوية/1300 درجة فهرنهايت).
انخفاض في المساحة	مُطفأ ومُخفف	يتراوح عمومًا من 39% إلى 65% اعتمادًا على درجة حرارة التلطيف

3.4 صلابة الفولاذ 4140

الحالة	قيمة الصلابة
ملدن	حوالي 185 HB
كما تم إخماده	يمكن أن تصل إلى حوالي 601 HB
مُطفأ ومُخفف	يختلف على نطاق واسع مع درجة حرارة التلطيف، من حوالي 578 HB (~53 HRC) عند 205 درجة مئوية (400 درجة فهرنهايت) إلى 235 HB (~24 HRC) عند 705 درجة مئوية (1300 درجة فهرنهايت)

3.5 قوة تأثير الفولاذ 4140

ملكية	الحالة	الملاحظة / القيمة
قوة التأثير	مُطفأ ومُخفف	يزداد مع زيادة درجة الحرارة.
إيزود إمباكت إنرجي	مُطفأ ومُخفف	على سبيل المثال، يمكن أن تتراوح طاقة تأثير إيزود من 15 جول (11 قدم·رطل) عند 205 درجة مئوية (400 درجة فهرنهايت) إلى 136 جول (100 قدم·رطل) عند 705 درجة مئوية (1300 درجة فهرنهايت).
شاربي على شكل حرف V	مُطفأ ومُخفف	وتظهر القيم أيضًا اتجاهًا مشابهًا [لإيزود].

3.6 قوة التعب للفولاذ 4140

الحالة	الملاحظة / القيمة
عام	حساسة للشق والانتقال في أجزاء الآلة المعرضة لتحميل التعب.
مُطفأ ومُقسّى (صلابة 46-50 HRC)	يمكن أن تصل قوة التعب تحت الانحناء الدوراني إلى حوالي 270 ميجا باسكال (39 كيلو باسكال).
طلقة مطروقة (بعد Q&T)	يمكن أن يؤدي قذف الرصاص إلى زيادة قوة التعب بشكل كبير.

3.7 خصائص ميكانيكية أخرى للفولاذ 4140

ملكية	الحالة	القيمة
معامل المرونة	توتر	حوالي 115 جيجا باسكال (17 × 10⁶ رطل لكل بوصة مربعة)
قوة القص	قضيب تخفيف الحرارة H04	يمكن أن يتراوح من 200 إلى 205 ميجا باسكال (29 إلى 32 كيلوبوصة مربعة) اعتمادًا على القطر.

4. المعالجة الحرارية

4.1 التلدينتُستخدم هذه العملية لتليين الفولاذ، وتحسين قابليته للتشغيل الآلي، وتخفيف الضغوط الداخلية. الخطوات العامة لتليين الفولاذ 4140 هي:

• التسخين: سخّن فولاذ 4140 إلى درجة حرارة تتراوح بين 830 و870 درجة مئوية (1525 و1600 درجة فهرنهايت)، مع ضمان تسخين متساوٍ في جميع أنحاء المقطع. يُنصح عمومًا بالتسخين البطيء لفولاذ السبائك لتقليل الإجهادات الحرارية.
• النقع: حافظ على هذه الدرجة من الحرارة لفترة كافية. يعتمد وقت النقع عادةً على سُمك مقطع القطعة أو حمل الفرن.
• التبريد: يُبرَّد الفولاذ ببطء في الفرن بمعدل ١٥ درجة مئوية/ساعة تقريبًا (٣٠ درجة فهرنهايت/ساعة) حتى يصل إلى حوالي ٤٨٠ درجة مئوية (٩٠٠ درجة فهرنهايت)، يليه تبريد بالهواء إلى درجة حرارة الغرفة. يسمح هذا التبريد البطيء بتكوين بنية مجهرية أكثر ليونة. تبلغ أقصى صلابة يمكن تحقيقها بعد التلدين حوالي ١٩٧ درجة فهرنهايت. يمكن أيضًا استخدام طرق التلدين المتساوية الحرارة، التي تتضمن تبريدًا مُتحكمًا به إلى نطاق درجة حرارة محدد، والانتظار قبل التبريد النهائي، للحصول على بنية بيرليتية في الغالب.

4.2 التطبيع:تحسّن هذه المعالجة بنية الحبيبات، وتحسّن تجانسها، وتزيد من قوتها وصلابتها مقارنةً بالحالة الملدّنة. الخطوات هي:

• التسخين: يُسخّن الفولاذ 4140 إلى نطاق درجة حرارة يتراوح بين 845 و925 درجة مئوية (1550 و1700 درجة فهرنهايت)، أي ما يزيد بحوالي 55 إلى 85 درجة مئوية (100 إلى 150 درجة فهرنهايت) عن درجة حرارة تحوله العليا. هذا يضمن التحول الكامل إلى أوستينيت. بالنسبة لدرجة حرارة التطبيع المحددة، ذكرتَ 1600 درجة فهرنهايت (حوالي 870 درجة مئوية)، والتي تقع ضمن هذا النطاق.
• التثبيت: يُحفظ عند هذه الدرجة من الحرارة لمدة ساعة على الأقل أو من ١٥ إلى ٢٠ دقيقة لكل ٢٥ مم (بوصة واحدة) من أقصى سمك للمقطع. هذا يسمح بتكوين أوستينيت متجانس.
• التبريد: تبريد الفولاذ في الهواء الساكن إلى درجة حرارة الغرفة. سرعة التبريد، مقارنةً بالتلدين، تُنتج بنية بيرليتية أدق وصلابة أعلى.

يُظهر فولاذ 4140 المُعَيَّر عند درجة حرارة 1600 درجة فهرنهايت (870 درجة مئوية) بنية حبيبية مُحسَّنة، مما يُحسِّن من قوته وصلابته مقارنةً بحالته المُشكَّلة بالطرق أو المدرفلة على الساخن. يُستخدم هذا كمعالجة حرارية تحضيرية شائعة قبل التصلب والتخمير اللاحقين لتحقيق الخواص الميكانيكية النهائية المطلوبة لتطبيقات مصنعك الخاصة. تعتمد الصلابة الدقيقة بعد التطبيع على أبعاد القطعة ومعدل التبريد المُحدَّد. تذكَّر أن هذه الحالة المُعَيَّرة غالبًا ما تكون خطوة وسيطة، وعادةً ما تكون هناك حاجة إلى معالجات حرارية إضافية، مثل التخمير، لتحسين توازن القوة والليونة والمتانة لظروف الخدمة المطلوبة.

4.3 التصلب (التبريد)تهدف هذه العملية إلى الحصول على بنية مارتنسيتية صلبة. وتتضمن:

• التسخين المسبق (اختياري ولكن موصى به): بالنسبة للفولاذ 4140، يمكن أن يكون التسخين المسبق عند حوالي 650 درجة مئوية (1200 درجة فهرنهايت) لمدة 10 إلى 15 دقيقة مفيدًا، وخاصة بالنسبة للأشكال المعقدة، لتقليل الصدمات الحرارية وتقليل التشوه.
• الأوستنيتية: يُسخّن الفولاذ إلى درجة حرارة الأوستنيتية، والتي تتراوح عادةً بين 845 و925 درجة مئوية (1550 و1700 درجة فهرنهايت). تُحدد بعض المصادر درجة حرارة 855 درجة مئوية (1575 درجة فهرنهايت). يُحفظ الفولاذ عند هذه الدرجة لفترة نقع كافية لضمان تحوله الكامل إلى أوستنيت، ويعتمد ذلك على سُمك المقطع (مثلاً، أضف 5 دقائق لكل بوصة من أصغر مقطع عرضي بعد الوصول إلى درجة حرارة الأوستنيتية). قد يؤدي الإفراط في النقع، وخاصةً عند درجات الحرارة المرتفعة، إلى نمو غير مرغوب فيه لحبيبات الأوستنيت.
• الإخماد: تبريد الفولاذ بسرعة من درجة حرارة الأوستنيت باستخدام مُخمِّد مناسب. بالنسبة لفولاذ 4140، يُعدّ الإخماد بالزيت الطريقة الأكثر شيوعًا والموصى بها لتحقيق التصلب مع تقليل خطر التشقق المرتبط بالمُخمِّدات السريعة مثل الماء. مع ذلك، يُمكن استخدام الإخماد بالماء للأجزاء الأكبر حجمًا حسب متطلبات التصلب. تعتمد فعالية الإخماد على درجة حرارة المُخمِّد. إذا تم تخمير فولاذ 4140 عند درجة حرارة 1600 درجة فهرنهايت، ثم تم إخماده بالزيت من درجة حرارة الأوستنيت المناسبة، فستحصل على صلابة وقوة عالية تُميز المارتنسيت، ولكن ستكون المادة هشة وذات ليونة وصلابة منخفضتين. ستكون عملية التطبيع اللاحقة ضرورية لمعظم التطبيقات الهندسية.

4.4 التلطيفالمارتنسيت المُصلَّب هشٌّ عمومًا، ويحتوي على إجهادات داخلية. تُجرى عملية التطبيع لتقليل الهشاشة، وتخفيف هذه الإجهادات، وتحسين المتانة مع الحفاظ على صلابة ومتانة كافٍين. الخطوات هي:

• التسخين: يُعاد تسخين الفولاذ المُخمّد إلى درجة حرارة تلطيف محددة، والتي تكون دائمًا أقل من درجة حرارة الأوستنيت. تتراوح درجة حرارة تلطيف فولاذ 4140 عادةً بين 205 و705 درجات مئوية (400 و1300 درجة فهرنهايت)، وذلك حسب الخواص الميكانيكية المطلوبة. من الضروري إجراء التلطيف بمجرد وصول الأجزاء إلى درجة حرارة تتراوح بين 52 و65 درجة مئوية (125 و150 درجة فهرنهايت) بعد التلطيف لمنع التشقق. يُتجنب تلطيف فولاذ 4140 عادةً بين 230 و370 درجة مئوية (450 و700 درجة فهرنهايت) لمنع الهشاشة الزرقاء.
• التثبيت: يُحفظ عند درجة حرارة التلطيف لمدة محددة، عادةً من ساعة إلى ساعتين (18) أو ساعتين لكل بوصة (25 مم) من المقطع العرضي. يسمح هذا بانتشار الكربون وعناصر السبائك وتكوين مارتنسيت مُخفف بالخصائص المطلوبة.
• التبريد: يُبرَّد إلى درجة حرارة الغرفة في الهواء أو بالتبريد في الماء أو الزيت. عادةً ما لا يكون معدل التبريد بعد التطبيع حرجًا. في كثير من الأحيان، قد تُستخدم دورة تطبيع ثانية بدرجة حرارة أقل قليلًا.

4.5 كرويةهذه عملية تلدين متخصصة تُنتج بنية مجهرية من الكربيدات الكروية في مصفوفة حديدية، مما يُحسّن ليونة الفولاذ 4140 وقابليته للتشكيل. بالنسبة للفولاذ 4140، يُمكن تحقيق ذلك بالتسخين إلى درجة حرارة تتراوح بين 760 و775 درجة مئوية (1400 و1425 درجة فهرنهايت) والإبقاء عليه لمدة تتراوح بين 4 و12 ساعة، يليها تبريد بطيء.

4.6 تصلب السطح:لتعزيز مقاومة التآكل مع الحفاظ على قلب أكثر صلابة، يمكن أن يخضع الفولاذ 4140 لعمليات تصلب السطح مثل:

• التصلب بالحث: يتضمن تسخين الطبقة السطحية بسرعة إلى درجة حرارة الأوستنيت باستخدام ملف حث، يليه إخماد. يؤدي هذا إلى تكوين غلاف سطح صلب. بعد التصلب بالحث، تُجرى عادةً عملية التطبيع.
• النترتة: عملية كيميائية حرارية تُدخل النيتروجين إلى سطح الفولاذ عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا، مما يُشكل مركبات نيتريد صلبة، ويُحسّن مقاومة التآكل والتعب. غالبًا ما تُجرى عملية التطبيع قبل النترتة.

5. 4140 مقابل الفولاذ D2

• يُعد فولاذ 4140 الخيار الأمثل للمكونات الهيكلية والآلية التي تتطلب توازنًا جيدًا بين القوة والمتانة مع مقاومة متوسطة للتآكل قابلة للتحسين. يوفر فولاذ 4140 تنوعًا في الاستخدامات من خلال معالجات حرارية متنوعة، بما في ذلك تصلب الأسطح.
• فولاذ D2 هو خيارك الأمثل لتطبيقات التشكيل التي تتطلب مقاومة عالية للتآكل وثباتًا بعديًا أثناء التصلب. يوفر محتواه العالي من الكربون والكروم الكربيدات الصلبة اللازمة لمقاومة التآكل، ولكن هذا يأتي على حساب متانة أقل مقارنةً بـ 4140.
• باختصار، يُعدّ الفولاذ 4140 الخيار الأمثل لقطع الآلات التي تتطلب قوة ومتانة عاليتين. أما إذا كنت تتعامل مع أدوات تتطلب مقاومة استثنائية للتآكل والتآكل، فسيكون الفولاذ D2 هو الأنسب.

6. 4140 مقابل 4130 الفولاذ

• يحتوي الفولاذ 4140 على نسبة كربون أعلى، مما يؤدي إلى صلابة وقوة وصلابة أكبر بعد المعالجة الحرارية مقارنة بالفولاذ 4130. وعادة ما يتم تبريده بالزيت.
• يتميز فولاذ 4130 بمحتوى كربون أقل، مما يؤدي إلى قابلية تصلب منخفضة إلى متوسطة، وقوة وصلابة أقل عمومًا من فولاذ 4140 بعد معالجات حرارية مماثلة. وغالبًا ما يُبرّد بالماء.
• باختصار، إذا كانت القوة العالية ضرورية، فإن 4140 هو الخيار الأمثل عمومًا. أما إذا كانت القوة المتوسطة مع إمكانية اللحام أو التشغيل الآلي أفضل، وكان حجم المقطع عائقًا كبيرًا أمام التصلب، فيمكن النظر في 4130.

7. تأثير درجة حرارة التلطيف على خصائص الفولاذ 4140

8. سبائك الألومنيوم 7075 مقابل الفولاذ 4140

• تتميز كتلة الفولاذ 4140 بقوة وصلابة أعلى من الألومنيوم 7075، بالإضافة إلى متانة جيدة. كما أنها أكثر كثافةً وأسهل لحامًا (مع اتخاذ الاحتياطات اللازمة). تتطلب معالجة حرارية لتحقيق خصائصها المثلى، وهي عرضة للتآكل.
• تتميز كتلة الألومنيوم 7075 بكثافة منخفضة للغاية ومتانة عالية، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الحساسة للوزن. تتميز بمقاومتها الجيدة للتآكل، إلا أن لحامها عادةً ما يكون أكثر صعوبة. تتحقق متانتها من خلال المعالجة الحرارية الخاصة.

9. فولاذ 4140 للسكاكين

يمكن معالجة فولاذ 4140 حراريًا لتحقيق الصلابة اللازمة لشفرة السكين، إلا أن افتقاره لخصائص مقاومة للصدأ يجعله خيارًا أقل شيوعًا من الفولاذ المصمم خصيصًا لأدوات المائدة. إذا كنت ترغب في سكين مقاوم للتآكل، فمن الأفضل لك استكشاف سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ. إذا كانت القوة والمتانة هما الشرطان الأساسيان، وكان من الممكن التحكم في التآكل، فيمكن النظر في فولاذ 4140، ولكن الاهتمام الدقيق بالمعالجة الحرارية أمر بالغ الأهمية.