1. مقدمة
4140 الصلب عبارة عن فولاذ من الصلب الكروم-موليبدينوم منخفضة.
إنه يوفر مزيجًا ممتازًا من القوة, صلابة, وارتداء المقاومة, جعلها مرشحًا مثاليًا للمطالبة بالطلب الصناعي.
هذا المقال يستكشف 4140 سبائك الصلب من وجهات نظر فنية متعددة, بما في ذلك تركيبته الكيميائية, السلوك الميكانيكي, استجابة المعالجة الحرارية, القدرة على التصنيع, أداء التآكل, والاستخدامات الشائعة.
2. التركيب الكيميائي ل 4140 سبائك الصلب
الأداء الفريد ل 4140 سبائك الصلب ينشأ من تركيبه الكيميائي الذي يتم التحكم فيه بعناية:
| عنصر | وزن % | دور في خصائص الصلب |
|---|---|---|
| الكربون (ج) | 0.38-0.43 | يعزز القوة والتصلب |
| الكروم (كر) | 0.8-1.1 | يحسن الصلابة, مقاومة التآكل, والتآكل |
| المنغنيز (من) | 0.75-1.0 | يعزز الصلابة وإزالة الأكسدة |
| الموليبدينوم (شهر) | 0.15-0.25 | يعزز مقاومة الزحف وعمق التصلب |
| السيليكون (و) | 0.15-0.35 | يزيد من القوة, يحسن الصلابة قليلا |
| الفوسفور (ص) | ≥ 0.035 | عادةً ما يتم تقليلها للحد من الحضور |
| الكبريت (س) | ≥ 0.04 | يضاف إلى القابلية للآلات ولكن يمكن أن يقلل من المتانة |
مقارنة بالسبائك المماثلة مثل 4130 (كربون أقل) و 4340 (النيكل الأعلى), 4140 يوازن القوة والقابلية للآلات, جعلها حلاً عمليًا وفعالًا من حيث التكلفة للعديد من التطبيقات الهيكلية.
3. الخصائص الفيزيائية 4140 فُولاَذ
| ملكية | قيمة | وحدة | ملحوظات |
|---|---|---|---|
| كثافة | 7.85 | جم/سم3 | نموذجي بالنسبة إلى الفولاذ المنخفض |
| معامل المرونة (ه) | ~ 205 | المعدل التراكمي | الصلابة في التوتر والضغط |
| معامل القص (ز) | ~ 80 | المعدل التراكمي | مفيد للتطبيقات الالتوائية |
| نسبة بواسون | 0.27-0.30 | - | نسبة السلالة المستعرضة إلى سلالة محورية |
| الموصلية الحرارية | 42.6 | ث / م · ك | في 100 درجة مئوية; يتناقص قليلاً مع ارتفاع درجات الحرارة |
| السعة الحرارية المحددة | 475 | ي/كجم·ك | تقريبي في درجة حرارة الغرفة |
| المقاومة الكهربائية | 205 | nΩ · م (نانو أوم متر) | أعلى من الحديد النقي; الموصلية المنخفضة مقارنة بالنحاس |
| معامل التمدد الحراري | ~ 12.0 | ميكرون/م · ك (20-100 درجة مئوية النطاق) | مهم في التصميم لركوب الدراجات الحرارية أو الاستقرار الأبعاد |
| نقطة الانصهار | 1416-1471 | درجة مئوية | نطاق أضيق بسبب عناصر صناعة السبائك |
4. الخصائص الميكانيكية من 4140 فُولاَذ
إيسي 4140 هو فولاذ من سبائك الكروم-موليبدينوم متعددة الاستخدامات معروف بقوة ميكانيكية ممتازة, صلابة, ومقاومة التعب.
هؤلاء 4140 يمكن أن تختلف خصائص الصلب اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على حالة المعالجة الحرارية الخاصة بهم (على سبيل المثال, صلب, تطبيع, مروي, أو خفف).
جدول الخصائص الميكانيكية
| ملكية | صلب | مغوّل & خفف (س&ت) | وحدة | ملحوظات |
|---|---|---|---|---|
| قوة العائد | ~ 655 ميجا باسكال | حتى 1,600 MPa | MPa (ميجاباسكال) | س&T يحسن القوة بشكل كبير |
| ~ 95 KSI | ~ 232 KSI | ksi (إمبراطوري) | ||
| قوة الشد | 850-1000 ميجا باسكال | 1,000-1100 ميجا باسكال | MPa | النطاق النموذجي بعد العلاجات الحرارية المختلفة |
| 123-145 KSI | 145-160 KSI | ksi | ||
| استطالة عند الاستراحة | 25-30 ٪ | 12-8 ٪ | % | ليونة أعلى في الدولة الصلب |
| انخفاض في المنطقة | ~ 50 ٪ | ~ 45 ٪ | % | مؤشر ليونة وقابلية التكوين |
| صلابة (روكويل ج) | 18-28 HRC | ما يصل إلى 50-55 HRC | لجنة حقوق الإنسان | استجابة للغاية للتخفيف والتهدئة |
| شاربي الخامس من الصلابة | >54 ج (صلب) | 20-35 ي (س&ر في صلابة عالية) | جول | الأداء في تطبيقات تحميل التأثير |
| قوة التعب (حد التحمل) | ~ 420 ميجا باسكال | حتى 700 MPa | MPa | يعتمد على الانتهاء من السطح ودورات التحميل |
| معامل المرونة (ه) | ~ 205 GPA | - | المعدل التراكمي | لا تزال الصلابة ثابتة عبر الظروف |
5. سلوك المعالجة الحرارية من 4140 سبائك الصلب
إيسي 4140 الصلب سبيكة يستجيب للغاية لمجموعة متنوعة من عمليات معالجة الحرارة, السماح لها بتحقيق مجموعة واسعة من الخصائص الميكانيكية المصممة لتطبيقات هندسية محددة.
محتوى الكروم والموليبدينوم الخاص به يعزز من صلابة, جعلها مناسبة بشكل خاص لإخماد العمليات.
عمليات معالجة الحرارة الشائعة
| عملية | نطاق درجة الحرارة النموذجي (درجة مئوية) | غاية |
|---|---|---|
| الصلب | 760-790 درجة مئوية | صقل بنية الحبوب, ينعم الصلب, يحسن القابلية للآلات |
| التطبيع | 870-900 درجة مئوية | يزيد من التوحيد, صقل الهيكل, يعزز الاتساق الميكانيكي |
| التبريد | ~ 845-875 درجة مئوية, يليه زيت/ماء/بوليمر إخماد | ينتج هيكل مارتينيسي لارتفاع صلابة وقوة |
| هدأ | 400-650 درجة مئوية (ما بعد الطاولة) | يضبط الصلابة, يخفف من الإجهاد الداخلي, يحسن ليونة & صلابة |
| التهدئة الشرقية | إخماد إلى 260-400 درجة مئوية, امسك حتى التحول | ينتج بنية bainitic, يقلل من التشويه, أرصدة القوة |
6. القابلية للآلات وتصنيع 4140 فُولاَذ
القدرة على التصنيع
مادة 4140 يعرض الصلب قابلية معتدلة في حالتها الصلب ويصبح أكثر تحديا مع زيادة الصلابة.
في حالة الصلب (عادة حوالي 18-22 HRC), يمكن تشكيلها بأدوات فولاذية عالية السرعة أو كربيد, تسفر عن التشطيبات السطحية الجيدة وحياة الأداة المقبولة.
لكن, بمجرد إخماد الصلب وتهدئة مستويات الصلابة الأعلى (مثل 30-50 HRC), قابلية الآلات تنخفض.
في هذه المرحلة, أدوات كربيد, سرعات القطع المنخفضة, وأصبحت إعدادات الماكينة الصلبة ضرورية لتجنب ارتداء الأدوات والتشويه الجزئي.
ل تحول باستخدام الحاسب الآلي, طحن, أو عمليات الحفر, باستخدام طرق التبريد المناسبة - خاصة تبريد الفيضان - تبدد الحرارة الحرارة وتحسين إخلاء الرقائق.
الحفر أكثر صعوبة 4140 غالبًا ما تتطلب الأقسام أدوات الكوبالت أو كربيد, في حين أن النقر على الأجزاء المتصلب قد يستفيد من طحن الخيوط أو تشكيل الصنابير بدلاً من صنابير القطع التقليدية.
لحام
لحام 4140 يتطلب الصلب توخي الحذر بسبب قدرته العالية وخطر التكسير.
لتخفيف هذه المخاطر, ينصح بشدة بتسخين الشغل - بشكل عام إلى 200 إلى 400 درجة مئوية اعتمادًا على السمك -.
يساعد الحفاظ على درجة حرارة interpass حوالي 200-300 درجة مئوية في منع الصدمة الحرارية والتكسير الناجم عن الهيدروجين.
بعد اللحام, إن تخفيف الإجهاد يساعد المكون في حوالي 600 إلى 650 درجة مئوية في استعادة ليونة وتقليل الضغوط المتبقية.
عادةً ما يتم استخدام أقطاب الأقطاب المنخفضة الهيدروجين مثل E8018-B2 أو ER80S-D2 لمواد الحشو لضمان التوافق وتقليل المسامية.
في التطبيقات الحرجة, معالجة حرارة ما بعد الدفعة (PWHT) ضروري للحفاظ على نزاهة وصباقة المنطقة الملحومة.
تشكيل بارد وساخن
4140 يمكن أن يكون الصلب من سبائك البرودة في حالته الصلب, على الرغم من أن قوتها الأعلى مقارنةً بالفولاذ المنخفض الكربون تحد من لياقتها.
عمليات تكوين البرد مثل الرسم والتخفيف ممكنة ولكن تتطلب قوى أعلى وقد تحفز الضغوط المتبقية التي تتطلب العلاج الحراري اللاحق.
العمل الساخن, بما في ذلك التزوير والتداول الساخن, أكثر ملاءمة للصلب 4140.
يتراوح نطاق درجة حرارة التزوير المثالي بين 900 درجة مئوية و 1200 درجة مئوية, مع المادة عادة ما تكون فوق 850 درجة مئوية.
بعد تشكيل ساخن, يوصى بتطبيع أو الصلب لتحسين بنية الحبوب وإعداد الفولاذ للآلة النهائية أو المعالجة الحرارية.
7. مقاومة التآكل 4140 فُولاَذ
بينما 4140 سبائك الصلب يتفوق في القوة الميكانيكية, يفتقر إلى مقاومة التآكل المتأصلة.
في البيئات الرطبة أو البحرية, يتأكسد بسهولة ما لم يتم حمايته. لمواجهة هذا, العلاجات السطحية مثل:
- نيترة لتصلب السطح ومقاومة الأكسدة
- طلاء الأكسيد الأسود لحماية تآكل الضوء
- الطلاء الكهربائي أو الرسم في بيئات الرطوبة العالية
8. الأشكال والمعايير الشائعة
4140 يتوفر Alloy Steel في مجموعة واسعة من الأشكال التجارية لاستيعاب التطبيقات الصناعية المتنوعة.
توافرها في أشكال مختلفة, جنبا إلى جنب مع خصائصه الميكانيكية الممتازة وتنوع المعالجة الحرارية, يجعلها خيارًا شائعًا في كل من المكونات القياسية والمخصصة المخصصة.
أشكال شائعة من 4140 فُولاَذ
يمكن للمصنعين والمصنعين الحصول على 4140 الصلب بأشكال عديدة, اعتمادًا على الاستخدام المقصود والمعالجة المطلوبة:
- الحانات المستديرة: شائع الاستخدام في الأعمدة, دبابيس, التروس, والسحابات, القضبان المستديرة هي واحدة من أكثر أشكال الصلب توفيرها بشكل متكرر 4140 بسبب تعدد استخداماتها في الآلات والمعالجة الحرارية.
- قضبان مسطحة وألواح: مثالي للأدوات, ارتداء المكونات, والأجزاء الهيكلية التي تتطلب مناطق التلامس السطحية الكبيرة.
هذه النماذج مناسبة أيضًا لقطع اللهب أو معالجة نفاثات المياه. - حلقات وأقراص مزورة: تستخدم في الآلات الدوارة عالية القوة مثل الأجناس المحمل, وصلات, والشفاه.
- قضبان وأنابيب جوفاء: المفضل في التطبيقات التي تتطلب تقليل الوزن مع الحفاظ على القوة, مثل الأسطوانات الهيدروليكية والأجزاء المحتوية على الضغط.
- الكتل والبليتس: مناسبة للآلات المخصصة والمكونات المزورة الكبيرة. وتستخدم هذه عادةً في صناعة القالب والمعدات الصناعية الثقيلة.
معايير الصناعة والتعيينات ل 4140 فُولاَذ
| المنظمة القياسية | تعيين | المنطقة/البلد | وصف |
|---|---|---|---|
| أستم | ASTM A29 | الولايات المتحدة | مواصفات عامة لأشرطة الساخنة من الكربون والسبائك الفولاذ |
| أستم | ASTM A322 | الولايات المتحدة | مواصفات لأشرطة الفولاذ المطبوعة المستخدمة في التطبيقات الميكانيكية |
| أستم | ASTM A519 | الولايات المتحدة | مواصفات للأنابيب الميكانيكية الكربونية والسبائك السلس |
ساي |
ساي 4140 | الولايات المتحدة | Chromium-Molybdenum الفولاذ المنخفض من جميع الأدوات للتطبيقات للسيارات والهندسة |
| إيسي | إيسي 4140 | الولايات المتحدة | التعيين شائع الاستخدام يتماشى مع SAE 4140 |
| في / من | 1.7225 / 42CRMO4 | أوروبا / ألمانيا | المكافئ الأوروبي تحت en 10083 للإخماد والمزاج الفولاذ |
| هو | SCM440 | اليابان | ما يعادل اليابان للصلب عالي القوة |
| غيغابايت | 42CRMO | الصين | مكافئ صيني مع خصائص ميكانيكية مماثلة |
9. تطبيقات 4140 سبائك الصلب
فُولاَذ 4140 هي مادة الانتقال في التطبيقات التي تتطلب القوة, صلابة, وارتداء المقاومة تحت التعب وتحميل الصدمة:
- السيارات: التروس, أعمدة الكرنك, قضبان التعادل, المحاور
- الفضاء الجوي: مكونات معدات الهبوط, المحركات
- زيت & الغاز: أطواق الحفر, أجزاء التكسير الهيدروليكية
- تصنيع: مغزل, يموت, قوالب, أصحاب الأدوات
دراسة حالة: في اختبار التعب المقارن, الصلب 4140 س&أظهر رمح التروس 10x العمر من تصميم مماثل مصنوع من الفولاذ الطري, تسليط الضوء على قيمتها طويلة الأجل.
10. مزايا وقيود 4140 سبائك الصلب
المزايا:
- عالي قوة إلى الوزن نسبة التطبيقات الهيكلية
- ممتاز مقاومة التآكل بعد التصلب
- المعالجة الحرارية متعددة الاستخدامات إجابة
- متوفر بسهولة في أشكال ومعايير متعددة
القيود:
- غير مناسب ل بيئات تآكل بدون حماية السطح
- يتطلب لحام دقيق الممارسات لتجنب التكسير
- تكلفة أعلى والتعقيد من فولاذ الكربون العادي
11. خاتمة
4140 يوفر Alloy Steel مزيجًا مقنعًا من القوة الميكانيكية, صلابة, وارتداء المقاومة, جعلها لا غنى عنها في تطبيقات الهندسة الحرجة للأداء.
عندما يتم معالجة الحرارة وحمايتها بشكل صحيح, يوفر عمر خدمة استثنائي في ظل ظروف التشغيل الصعبة.
سواء للفضاء, طاقة, أو مكونات الأدوات, مادة 4140 لا يزال الصلب أحد أكثر المواد الموثوق بها والقدرة في التصنيع الحديث.
يمكن للمهندسين الذين يفهمون سلوكهم ومتطلبات المعالجة أن يسخروا إمكاناته بالكامل.
هذا هو الخيار الأمثل لاحتياجات التصنيع الخاصة بك إذا كنت بحاجة إلى جودة عالية 4140 أجزاء الصلب.
