يُعدّ فولاذ السبائك 4340 نوعًا بارزًا من الفولاذ متوسط الكربون ومنخفض السبائك، ويُعرف بأنه فولاذ فائق القوة. وغالبًا ما يُعتبر المعيار الذي تُقارن به أنواع الفولاذ الأخرى فائقة القوة. يُطلق عليه نظام الترقيم الموحد (UNS) اسم G43400 لفولاذ السبائك 4340. ويتوافق دوليًا مع معايير مثل SNB23-1-5 أو SNB24-1-5 في اليابان، و34CrNiMo6 في أوروبا. كما يُعرّف أيضًا برقم AMS (مواصفات مواد الفضاء) 6414.

1. التطبيقات

الطائرات والفضاء: أجزاء الطائرات، معدات هبوط الطائرات، أجزاء هيكل الطائرة، قضبان التوصيل
مكونات الآلات: التروس، والجناح الصغير، والأعمدة، وأعمدة الكرنك وقضبان المكبس للمحركات، والوصلات
أدوات التثبيت: مسامير، براغي، مسامير
المكونات الهيكلية: أوعية الضغط، هياكل الدراجات الجبلية

2. تركيبة الفولاذ 4340¹

الكربون (C)	الكروم (Cr)	النيكل (ني)	الموليبدينوم (Mo)	المنجنيز (Mn)	السيليكون (Si)	الفوسفور (P)	الكبريت (S)
0.38 – 0.43%	0.70 – 0.90%	1.65 – 2.00%	0.20 – 0.30%	0.60 – 0.80%	0.20 – 0.35%	≤ 0.035% (حد أقصى)	≤ 0.040% (حد أقصى)

3. خصائص الفولاذ السبائكي 4340

3.1 الخصائص الميكانيكية

يتميز فولاذ السبائك 4340 بقوة ممتازة، ومرونته، وصلابته الفائقة، بالإضافة إلى مقاومته للتعب والزحف. وتكاد خصائصه بعد التبريد تُعادل خصائص الفولاذ الكربوني. وتتأثر الخواص الميكانيكية بشكل كبير بدرجة حرارة التبريد بعد التبريد بالزيت.

يوضح الجدول التالي خصائص مادة الفولاذ 4340 في ظروف إخماد الزيت والتلطيف المختلفة.

درجة حرارة التلطيف	قوة الشد (ميجا باسكال / كيلو باسكال)	قوة الخضوع (ميجا باسكال / كيلو بوصة مربعة)	الصلابة (HB / HRC)	صلابة التأثير
205 درجة مئوية (400 درجة فهرنهايت)	~1980 / ~287	~1860 / ~270	~520HB / ~53HRC	أقل نسبيا
425 درجة مئوية (800 درجة فهرنهايت)	~1500 / ~217	~1365 / ~198	~440HB / ~46HRC	معتدل
540 درجة مئوية (1000 درجة فهرنهايت)	~1150 / ~167	~1050 / ~152	~360HB/~39HRC	أعلى بشكل ملحوظ
650 درجة مئوية (1200 درجة فهرنهايت)	~1020 / ~148	~860 / ~125	~290HB / ~31HRC	عالي

بعد الإخماد والمعالجة الحرارية، يُشكّل فولاذ السبائك AISI 4340 بنيةً مجهريةً من المارتنسيت الشبكي. أثناء التبريد السريع، يصاحب تكوّن المارتنسيت تمددٌ في الحجم. وحسب معدل التبريد، قد تتشكل أيضًا بنى مجهرية أخرى، مثل الباينيت.

3.2 قابلية التصنيع

تُصنَّف قابلية تشغيل الفولاذ AISI 4340 عمومًا عند 55% للمواد المسحوبة على البارد و45% للمواد المُلَدَّنة، مقارنةً بالفولاذ B1112 (المُصنَّف عند 100%). لتحقيق قابلية تشغيل مثالية، يُوصى باستخدام بنية مجهرية كروية جزئيًا، تُحقَّق بالتطبيع ثم التطبيع الحراري.

3.3 قابلية اللحام

يتميز فولاذ 4340 بقابلية لحام ممتازة، ويمكن لحامه باستخدام عمليات اللحام بالغاز أو القوس. ومع ذلك، نظرًا لكونه فولاذًا مُصلدًا بالهواء، فإنه يتطلب أيضًا إجراءات وقائية معينة. يُعد لحام فولاذ AISI 4340 أصعب من لحام الفولاذ الكربوني العادي، ويلزم تسخين المادة مسبقًا والتحكم في درجة حرارة التداخل أثناء اللحام. بالإضافة إلى ذلك، يجب إجراء عملية التلدين أو التطبيع، متبوعةً بالتسخين، في أسرع وقت ممكن بعد اللحام. 

3.4 النترتة

يمكن نيترة فولاذ AISI 4340 بسهولة، وغالبًا ما تُحسّن هذه العملية من عمر إجهاده. في حين أن فولاذ 4140، نظرًا لمحتواه العالي من الكروم وتركيبته الخالية من النيكل، يُظهر عمومًا خصائص نيترة فائقة، إلا أن فولاذ 4340 يُكوّن غلافًا نيتريديًا أثقل من فولاذ 8640 خلال أول 24 ساعة من النيترة. تتراوح درجات حرارة النيترة النموذجية لفولاذ 4340 بين 510 و550 درجة مئوية (950 و1020 درجة فهرنهايت). بناءً على استخدامات عملائنا لفولاذ 4340 المُنتَرِد في تصنيع التروس، تتراوح صلابة قلبه عادةً بين 38 و42 HRC.

3.5 المشكلات المحتملة واحتياطات المعالجة

يجب على مستخدمي المادة 4340 أن يكونوا على دراية بالتحديات المحتملة:

• التشقق: يؤدي إخماد الماء إلى زيادة خطر التشقق بشكل كبير.
• هشاشة الهيدروجين: قد يُثير هذا الأمر قلقًا عند معالجة الفولاذ حراريًا لمقاومة شد عالية جدًا (أكثر من 1400 ميجا باسكال / 200 كيلو باسكال تقريبًا). ننصح بالخبز بعد عمليات مثل التخليل أو الطلاء.
• التشقق الناتج عن الإجهاد والتآكل: فولاذ AISI 4340 يظهر مقاومة ضعيفة للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي، وخاصة عندما يتم تقويته إلى قوى شد عالية (1500 إلى 1950 ميجا باسكال / 220 إلى 280 كيلو باسكال).
• الكسر بين الحبيبات: تتأثر القابلية بالشوائب ووجود الهيدروجين.
• هشاشة المزاج: وهذه ظاهرة معروفة لهذا السبائك.

4. المعالجة الحرارية

تتضمن المعالجة الحرارية للفولاذ 4340 عدة عمليات رئيسية، تؤثر كل منها على بنيته الدقيقة النهائية وخصائصه الميكانيكية:

4.1 التشكيل

درجة حرارة التشكيل هي 1065 إلى 1230 درجة مئوية (1950 إلى 2250 درجة فهرنهايت)بعد عملية التشكيل، يمكن تبريد القطع بالهواء في بيئة جافة، أو يُفضل تبريدها بالفرن. يمكن أن يزداد إجهاد تدفق الفولاذ 4340 بحوالي 15% مع انخفاض درجة حرارة التشكيل الساخن بمقدار 55 درجة مئوية (100 درجة فهرنهايت). 

4.2 التطبيع

يُمكن للتطبيع أن يُحسّن البنية الدقيقة لفولاذ 4340 بعد تبريد غير متساوٍ في درجات حرارة عالية. تُطبّق هذه العملية أيضًا على مُشكِّلات الفولاذ السبائكي، والمنتجات المدرفلة، والمسبوكات.

سخّن فولاذ 4340 إلى درجة حرارة تتراوح بين 55 و85 درجة مئوية (100 و150 درجة فهرنهايت) فوق درجة حرارة تحوله الطوري (845 إلى 900 درجة مئوية، أو 1550 إلى 1650 درجة فهرنهايت)، وعندها يذوب التركيب الدقيق الأصلي تمامًا في أوستينيت. ثم تُبرّد المادة في الهواء إلى درجة حرارة الغرفة.

4.3 التلدين

تتراوح درجة حرارة التلدين للفولاذ 4340 بين 790-845 درجة مئوية (1450-1550 درجة فهرنهايت)، مع صلابة قصوى للفولاذ 4340 تبلغ 223 HB بعد التلدين.

4.4 التبريد

يُسخّن فولاذ 4340 إلى درجة حرارة تحوله الأوستنيتي، والتي تتراوح بين 800 و845 درجة مئوية (1475 و1550 درجة فهرنهايت). عادةً ما نختار درجة حرارة أوستنيتية تبلغ 845 درجة مئوية (1550 درجة فهرنهايت). يُنقع لمدة 15 دقيقة تقريبًا لكل 25 مم (بوصة واحدة) من حجم المقطع، مع مدة ثبات لا تقل عن 150 دقيقة، يليها التلدين. بالنسبة لفولاذ 4340 ذي المقطع الرقيق، تُجرى عملية التلدين بالهواء. بالنسبة للمقاطع الدائرية التي لا يتجاوز قطرها 75 مم (3 بوصات)، يمكن استخدام التبريد بالزيت.

 مخطط التحويل المتساوي الحرارة للفولاذ 4340 يحتوي على 0.42% C، و0.78% Mn، و1.79% Ni، و0.80% Cr، و0.33% Mo. [المصدر: من كتاب صناعة وتشكيل ومعالجة الفولاذ، الطبعة التاسعة، المرجع نفسه.]

4.5 التلطيف

يُقلل التلطيف بفعالية من هشاشة المارتنسيت غير المُعالج. تتراوح درجات حرارة التلطيف بين ٢٠٠ و٦٥٠ درجة مئوية (٤٠٠ و١٢٠٠ درجة فهرنهايت) لتحقيق مستويات القوة المطلوبة، وقد تصل إلى ٧٠٥ درجات مئوية (١٣٠٠ درجة فهرنهايت).

بالنسبة لفولاذ AISI 4340 المُبرَّد بالزيت عند درجة حرارة 845 درجة مئوية (1550 درجة فهرنهايت)، نوصي بشدة بدرجة حرارة تلطيف تبلغ 425 درجة مئوية (800 درجة فهرنهايت). أما بالنسبة لفولاذ 4340 المُبرَّد بالماء، فنوصي بدرجة حرارة تلطيف تبلغ 650 درجة مئوية (1200 درجة فهرنهايت).

تباين في الصلابة مع درجة حرارة التلطيف لفولاذ 4340. خضعت جميع العينات للتلطيف بالزيت عند درجة حرارة 845 درجة مئوية (1550 درجة فهرنهايت) لمدة ساعتين عند هذه الدرجة. AQ، مُخمَّدة مسبقًا.².

4.6 تخفيف التوتر

صُممت هذه الخطوة لتقليل الإجهاد المتبقي الناتج عن عمليات مثل التسوية والتشكيل والتشغيل الآلي. يُجرى تخفيف الإجهاد لفولاذ 4340 قبل التصلب عند درجة حرارة تتراوح بين 650 و675 درجة مئوية (1200 و1250 درجة فهرنهايت). بالنسبة لمادة 4340 المُصلَّبة، يجب ألا تتجاوز درجة حرارة تخفيف الإجهاد درجة حرارة التطبيع السابقة. 

4.7 كروية

الغرض من المعالجة الكروية هو تكوين بنية مجهرية كروية من الكربيد في المصفوفة الحديدية، مما يُليّن الفولاذ. تتراوح درجة الحرارة القصوى للمعالجة الكروية لفولاذ 4340 بين 760 و775 درجة مئوية (1400 و1425 درجة فهرنهايت). يتم الحصول على بنية شبه كروية عن طريق التطبيع، يليه التطبيع عند درجة حرارة 650 درجة مئوية (1200 درجة فهرنهايت).

5. درجات الفولاذ المكافئة لـ 4340

البلد/المنطقة	الدرجة المعادلة
أمريكا	AISI/SAE 4340
اليابان	JIS SNCM439
الصين	GB 40CrNiMoA
الاتحاد الأوروبي	الإنجليزية 34CrNiMo6 (1.6582)

1. ASM الدولية. (1991). دليل ASM، المجلد 4: المعالجة الحرارية (ص 496). ASM الدولية. ↩︎
2. ASM الدولية. (1991). دليل ASM، المجلد 4: المعالجة الحرارية (ص 506). ASM الدولية. ↩︎

التعليمات