بالنسبة للعديد من الأجزاء الهندسية ذات الأغراض العامة التي تتطلب مزيجًا متوازنًا من الصلابة والقدرة على التشغيل الآلي ومقاومة الإجهاد, AISI 4140 هو الخيار الأكثر تنوعًا والأكثر استخدامًا على نطاق واسع. عندما تكون القوة الأعلى، والصلابة الأكبر، والصلابة الأعلى قليلاً في حالة السحق أو التقسية هي الأولويات مثل أعمدة الأعمدة ذات الأقطار الكبيرة، ومكونات حقول النفط في قاع البئر، والأجزاء المطروقة شديدة التحمل. AISI 4145 (ومتغيراته المعدلة/العالية الكربون) في كثير من الأحيان يصبح الخيار المفضل. السبيكتان مرتبطتان ارتباطًا وثيقًا بفولاذ الكروم والموليبدينوم، ولكن تؤدي الاختلافات الصغيرة في الكربون والمعالجة إلى مفاضلات أداء متميزة ينبغي أن توجه اختيار المواد.
لمحة فنية سريعة ومقارنة تنفيذية
ينتمي كل من AISI 4140 وAISI 4145 إلى سلسلة AISI/SAE 4000 من سبائك الفولاذ منخفضة السبائك المصنوعة من الكروم والموليبدينوم. ويشتركان في نفس عناصر السبائك الرئيسية (Cr، Mo، Mn، Si) لذا فإن المعادن الأساسية متشابهة، ولكن يحتوي 4145 عادةً على محتوى اسمي أعلى من الكربون من تركيبات 4140 الشائعة. يزيد هذا الكربون الأعلى من القوة والصلابة على حساب انخفاض بسيط في الصلابة وأحيانًا قابلية التشغيل الآلي. من الناحية العملية، يعني ذلك عمليًا أن 4145 يمكن أن يصل إلى مستويات تصلب أعلى خلال جدول زمني معين للإخماد والتلطيف، وهو أمر ذو قيمة للقطاعات العرضية الكبيرة والأجزاء عالية الضغط.
التركيب الكيميائي (النطاقات النموذجية وما تعنيه)
فيما يلي التركيبات الاسمية الشائعة للرتبتين. لاحظ أن المنتجين يمكن أن يقدموا تحليلات مختلفة قليلاً، وقد توجد معايير أو متغيرات "معدلة" (على سبيل المثال 4145H، 4145M). راجع شهادات المطاحن لمعرفة التركيب الكيميائي الدقيق لأي دفعة شراء.
التركيب الكيميائي النموذجي (النطاقات الاسمية، wt%)
| العنصر | AISI 4140 (نموذجي) | AISI 4145 (نموذجي) |
|---|---|---|
| الكربون (C) | 0.38 - 0.43 | 0.43 - 0.48 |
| الكروم (Cr) | 0.80 - 1.10 | 0.80 - 1.10 |
| الموليبدينوم (Mo) | 0.15 - 0.25 | 0.15 - 0.25 |
| المنجنيز (Mn) | 0.60 - 1.00 | 0.75 - 1.00 |
| السيليكون (Si) | 0.15 - 0.35 | 0.15 - 0.30 |
| الكبريت (S) | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| الفوسفور (P) | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| الحديد (Fe) | التوازن | التوازن |
الاختلاف الأكثر أهمية هو نافذة الكربون. حيث يزيد الكربون العالي من قوة الشد والصلابة المحتملة بعد التبريد والتلطيف؛ كما أنه يزيد من الصلابة قليلاً ويقلل من حجم المقطع اللازم لتحقيق الصلابة المستهدفة. هذه الخاصية هي السبب وراء اختيار متغيرات 4145 في كثير من الأحيان للأجزاء ذات القطر الأكبر والمكونات المطروقة الثقيلة.
الخواص الميكانيكية والبنية المجهرية بعد المعالجة الحرارية
تختلف القيم الميكانيكية باختلاف المعالجة الحرارية وحجم المقطع ومعالجة المورد. وينبغي استخدام النطاقات النموذجية الواردة أدناه كدليل إرشادي فقط؛ اطلب دائمًا تقارير اختبار الطاحونة، وبالنسبة للأجزاء الحرجة، قم بإجراء اختبار القبول.
الخواص الميكانيكية التمثيلية (حالة الإخماد والتخفيف، نطاقات إرشادية)
| الممتلكات | AISI 4140 (QT نموذجي) | معيار AISI 4145 (نموذجي QT) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميجا باسكال) | 750 - 1,350 1 (حسب المزاج) | 800 - 1,500 |
| مقاومة الخضوع (إزاحة 0.2%، ميجا باسكال) | ~500 - 1,200 | ~550 - 1,250 |
| الاستطالة (%) | 10 - 20 | 8 - 18 |
| تقليل المساحة (%) | 30 - 60 | 25 - 55 |
| الصلابة (HRC بعد التصلب/التقسية) | 20 - 60 (نطاق واسع) | 25 - 62 (يمكن تحقيق درجة حرارة أعلى في المقاطع الكبيرة) |
البنية المجهرية: بعد التصلب والتبريد السريع، يشكّل كلا الفولاذين مارتينسيت مع الاحتفاظ بالكربيدات اعتمادًا على معدل التبريد. يقلل التقسية من الصلابة ويحسّن الصلابة من خلال ترسيب الكربيدات وتحولات التقسية. ونظرًا لأن 4145 يميل إلى احتوائه على نسبة أعلى من الكربون، فإن الصلابة المارتنسيتية لدرجات حرارة تقسية معينة ستكون أعلى من 4140.
القابلية للتصلب وممارسة المعالجة الحرارية وملاحظات المعالجة
الصلابة
تصف قابلية التصلب قدرة الفولاذ على تشكيل المارتينسيت من خلال مقطع أثناء التبريد. يزيد محتوى الكربون الأكبر قليلاً في 4145 من صلابة الفولاذ 4145 من الصلابة والصلابة التي يمكن تحقيقها في العمق. بالنسبة للمقاطع الكبيرة التي تتطلب حالة صلابة عميقة (الأعمدة، ومكونات أدوات قاع البئر)، غالبًا ما تكون هذه الخاصية حاسمة.
نوافذ المعالجة الحرارية النموذجية
-
أوستنيت (شائع): 800 - 860 درجة مئوية (1475 - 1580 درجة فهرنهايت) حسب حجم المقطع وتوصية المورد.
-
وسيط الإخماد: التبريد بالزيت شائع لكلا السبيكتين؛ بالنسبة للمقاطع الرقيقة أو حيث يجب تقليل التشوه إلى الحد الأدنى، يتم أحيانًا استخدام التبريد بالبوليمر أو التبريد بالغاز المتحكم فيه.
-
المزاج: درجة حرارة التقسية المختارة للوصول إلى درجة الصلابة/الصلابة المستهدفة (على سبيل المثال، 200-650 درجة مئوية). يقلل التقسية الأعلى من القوة ولكنه يزيد من الصلابة. غالبًا ما يتطلب 4145 تقسية دقيقة لتجنب التقصف في نطاقات درجات حرارة معينة للخدمة الحرجة.
ملاحظة عملية: نظرًا لاستخدام 4145 بكثافة في النفط والغاز والمعدات الثقيلة، غالبًا ما يقوم الموردون بتسليمه في حالة مروية ومخففة للصلابة المحددة. قد تتراوح نطاقات الصلابة النموذجية المورَّدة لـ 4145 بين 30-36 HRC لبعض أنواع الفولاذ في قاع البئر، على الرغم من إمكانية معالجة مستويات صلابة أعلى عند الحاجة.
نماذج المنتجات وشروط التوريد والمعايير
نماذج التوريد الشائعة:
-
قضبان دائرية (مطحونة أو مخروطة أو مطروقة)
-
المطروقات والقضبان الخاصة بالأعمدة والوصلات
-
الأنابيب والأغلفة لبعض الاستخدامات المتخصصة
-
الصفيحة المسطحة ومخزون القضبان في بعض المطاحن
تشمل المعايير والمواصفات الشائعة التي تشير إلى هذه الدرجات قوائم SAE/AISI، ومختلف مراجع ASTM للأنابيب والأغلفة، ومواصفات مواد حقول النفط لمكونات قاع البئر. كما تشير بعض الحقول أيضًا إلى النماذج المعدلة (4145H، 4145M) التي تعدل الكيمياء أو المعالجة لتحسين الأداء. غالبًا ما يقتبس الموردون أرقام UNS: 4140 → UNS G41400, 4145 → UNS G4141450.
اعتبارات اللحام والتشغيل الآلي والمعالجة السطحية
اللحام
-
يوصى بالتسخين المسبق قبل اللحام لتقليل التدرجات الحرارية ومنع التشقق، خاصةً في 4145 بسبب ارتفاع الكربون والصلابة. التسخين المسبق النموذجي: 150-300 درجة مئوية حسب السُمك وتصميم الوصلة. قد تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) إلزامية للمكونات عالية القوة أو الحرجة.
-
استخدم المواد الاستهلاكية منخفضة الهيدروجين واتبع إجراءات اللحام المعتمدة. عند اللحام في حالة اللحام في حالة التسخين والتخفيف، قد يستعيد اللحام PWHT الصلابة.
التصنيع الآلي
-
يمكن تشغيل كلا الفولاذين بشكل معقول في حالة التلدين؛ وتقل قابلية التشغيل الآلي مع زيادة الصلابة. يمكن للكربون الأعلى قليلًا في 4145 أن يجعل مخزون الصلابة العالية أكثر صعوبة في الماكينة. من الضروري استخدام الأدوات المناسبة وسائل التبريد والسرعات المناسبة.
-
عندما تكون هناك حاجة إلى التحكم الدقيق في الأبعاد بعد التسقية والتبريد، قم بإجراء المعالجة الحرارية بالماكينة الخشنة حتى البدل المسموح به، ثم قم بإجراء المعالجة الحرارية، ثم قم بإجراء المعالجة النهائية بالقطع النهائي.
المعالجات السطحية
-
لا يتم تطبيق الكربنة الهيكلية بشكل عام على سبائك الكروم والموليبدينوم السائبة هذه؛ وعادةً ما يتم تقوية السبائك من خلال معالجات التصلب. تشمل المعالجات السطحية النموذجية النيترة (لبعض ظروف الخدمة)، والتصلب بالحقن، والتصلب بالحث للأسطح المتآكلة الموضعية، والطلاء/الطلاء للحماية من التآكل عند الحاجة.
الاختيار حسب التطبيق - متى تختار 4140 أو 4145
اختر AISI 4140 عندما:
-
يتطلب الجزء مزيجًا متوازنًا من الصلابة والليونة مع قوة متوسطة إلى عالية.
-
تعتبر قابلية التصنيع الآلي وفعالية تكلفة التشطيب من الأولويات.
-
تخضع المكونات للتحميل الديناميكي أو الإجهاد الديناميكي أو الإجهاد الالتوائي (الأعمدة والتروس والمغازل والمثبتات في العديد من الصناعات).
-
أنت تفضل درجة موحدة على نطاق واسع ومتوفرة على نطاق واسع مع العديد من أشكال توريد المطاحن وممارسات التصنيع/المعالجة الحرارية المعمول بها.
اختر AISI 4145 عندما:
-
مطلوب صلابة أعلى وصلابة أعلى قليلاً يمكن تحقيقها، خاصةً في المقاطع العرضية الكبيرة.
-
تتضمن الخدمة أحمالاً أو تآكلًا ثابتًا عاليًا ومستمرًا حيث تكون البنية المجهرية الأكثر صلابة وقوة بعد التبريد/التبريد مفيدة (أعمدة الخدمة الشاقة، ومكونات حفر حقول النفط، وأدوات قاع البئر).
-
يقدم أحد الموردين 4145 في المعالجة الحرارية المتطابقة والشهادة لمواصفات النفط والغاز أو تطبيقات الحدادة.
مراقبة الجودة والاختبار والتفتيش
بالنسبة للمكونات الحرجة، اطلب ومراجعة:
-
شهادات المطاحن بالتحليل الكيميائي الفعلي.
-
خرائط الصلابة عبر المقاطع بعد المعالجة الحرارية (تحقق من HRC أو HB المستهدف).
-
اختبارات الشد والصدمات (Charpy V-notch) في درجات الحرارة المناسبة للخدمة الديناميكية.
-
الاختبارات غير المتلفة (UT، MPI) للمطروقات والتركيبات الملحومة.
-
الفحوصات المعدنية للتأكد من حجم الحبيبات وتوزيع المارتينسيت المقسّى وعدم وجود عيوب حرجة مثل الشوائب الزائدة أو الانفصال.
بالنسبة لاستخدام النفط والغاز في قاع البئر، قد تتطلب مواصفات المشروع إجراء اختبار إضافي للإجهاد أو ميكانيكا الكسر.
جداول المقارنة جنباً إلى جنب
مقارنة موجزة (مصفوفة القرار)
| المعيار | AISI 4140 | AISI 4145 |
|---|---|---|
| الكربون النموذجي | معتدل (0.38-0.43) | أعلى بقليل (0.43-0.48) |
| الصلابة | جيد | أفضل (مفيد للأقسام الكبيرة) |
| الصلابة | أعلى قليلاً | أقل قليلاً في صلابة مماثلة |
| القابلية للتشغيل الآلي (صلب) | جيد | جيد (ولكن أصعب الدرجات أصعب في الماكينة) |
| الاستخدامات النموذجية | الأعمدة، والتروس، والدبابيس، والهندسة العامة | الأعمدة الثقيلة وأدوات الحفر والمطروقات الكبيرة |
| التحكم في المعالجة الحرارية | راسخة | يتطلب تقسية دقيقة لبعض الاستخدامات |
| التوفر | متاح على نطاق واسع جداً | متوفرة على نطاق واسع؛ حيث تقدم العديد من المطاحن أنواعًا مختلفة |
ملاحظات معالجة المعالجة الحرارية النموذجية (مرجع سريع)
| خطوة العملية | 4140 نموذجي | 4145 نموذجي |
|---|---|---|
| أوستنيتيز | 800-860°C | 800-860°C |
| الإرواء | النفط (عادةً) | زيت (عادةً)؛ تتطلب الأجزاء الأكبر حجماً إخماداً دقيقاً) |
| المزاج | 200-650 درجة مئوية حسب الصلابة المستهدفة | 200-650 درجة مئوية؛ اختر درجة حرارة أعلى لاستعادة الصلابة إذا لزم الأمر |
قائمة الاختيار العملية
-
تأكيد الصلابة المطلوبة وما إذا كان يجب تحقيق تلك الصلابة من خلال السُمك.
-
المراجعة المقطع العرضي للتصميم:: المقاطع الكبيرة تفضل صلابة أعلى.
-
تعريف نوع حمل الخدمة:: يفضل الإجهاد الديناميكي والصدمات صلابة 4140؛ أما الأحمال الثابتة أو الأحمال الثقيلة المتآكلة فقد تفضل قوة 4145.
-
اسأل المورد عن شهادة المطحنة مع سجلات الكيمياء والمعالجة الحرارية.
-
إذا كان اللحام متضمنًا، فقم بتضمين متطلبات التسخين المسبق/التسخين المسبق/التسخين المسبق في الرسومات
-
بالنسبة للأجزاء الحرجة، تتطلب اختبارات صدمة تاربي عند درجة حرارة الخدمة المتوقعة.
-
بالنسبة للنفط والغاز، تأكد من الامتثال لمواصفات الصناعة ذات الصلة وإمكانية التتبع.
الأسئلة الشائعة
س1: هل 4140 و4145 قابلان للتبديل؟
إجابة مختصرة: إنها متشابهة وقابلة للتبديل في بعض الأحيان بالنسبة للأجزاء غير الحرجة، ولكنها ليست متطابقة. بالنسبة للمكونات الحرجة، تحقق من الكيمياء والخصائص الميكانيكية وشهادات المعالجة الحرارية قبل الاستبدال.
س2: ما الرتبة الأقوى في اختبارات الشد؟
في ظروف التقسية المماثلة، يميل 4145 إلى الوصول إلى قوة شد أعلى قليلًا بسبب ارتفاع الكربون، على الرغم من أن القوة الفعلية تعتمد بشكل كبير على التقسية والتبريد وحجم المقطع.
س3: ما هي الدرجة الأفضل للأعمدة ذات القطر الكبير؟
يُفضل استخدام 4145 في كثير من الأحيان عندما تكون الصلابة والقوة العالية مطلوبة من خلال المقاطع الكبيرة لأنها توفر صلابة محسنة.
س4: هل هناك فولاذ واحد أسهل في اللحام؟
يعتبر لحام 4140 بشكل عام أسهل قليلاً في اللحام بسبب انخفاض الكربون بشكل هامشي. مع التسخين المسبق والمواد الاستهلاكية المناسبة، يمكن لحام كلاهما، ولكن قد يكون لحام PWHT ضروريًا في الحالات الحرجة للخدمة.
س5: هل يمكن معالجة كلا الدرجتين بالحرارة في نفس دورة الفرن؟
نعم، لديهم درجات حرارة تقسية متشابهة، ولكن يجب ضبط التحكم في التقسية والتبريد وفقًا للدرجة المحددة وحجم المقطع للوصول إلى الخصائص المستهدفة.
س6: ما هي الدرجة الأكثر شيوعًا في قطع غيار السيارات؟
يُستخدم 4140 على نطاق واسع في مكونات السيارات مثل التروس والأعمدة والمثبتات نظرًا لخصائصه الجيدة وفعاليته من حيث التكلفة.
س7: هل يستخدم 4145 في تطبيقات النفط والغاز؟
نعم، يشيع استخدام 4145 وأشكاله المعدلة في أدوات قاع البئر وأدوات الحفر بسبب قوتها وصلابتها العالية؛ ينتج العديد من الموردين أشكال 4145 معتمدة من حقول النفط.
السؤال 8: ما هي حالات الفشل الشائعة التي يجب الانتباه لها؟
بالنسبة للأجزاء عالية القوة وعالية الصلابة: الكسر الهش، والتقصف المزاجي، والتشقق بمساعدة الهيدروجين في المناطق الملحومة، والإجهاد السطحي أو تحت السطحي هي المخاوف الرئيسية. الاختبارات المناسبة وهوامش التصميم ضرورية.
س9: هل توجد معادلات قياسية في أنظمة EN أو أنظمة أخرى؟
نعم، يتطابق 4140 بشكل وثيق مع EN 42CrMo4/1.7225. وتتطلب المعادلات الدقيقة إحالات مرجعية تبادلية بناءً على التركيب والخصائص الميكانيكية المطلوبة.
س10: كيف يمكنني تحديد المادة في الرسم؟
حدِّد الرتبة الدقيقة (AISI 4140 أو AISI 4145)، وحالة المعالجة الحرارية المطلوبة (على سبيل المثال، QT إلى 40-45 HRC)، والاختبارات المطلوبة (UT، رسم خرائط الصلابة، Charpy، الشد)، ومتطلبات التتبع/شهادة المطحنة. تضمين تعليمات اللحام إن أمكن.
قائمة الاختبار والفحص المرجعية لأوامر الشراء
عند كتابة أمر الشراء أو المواصفات الفنية، اطلب:
-
شهادة مطحنة مع سجل كامل للتحليل الكيميائي والمعالجة الحرارية.
-
التحقق من الصلابة عبر القسم (ثلاث نقاط على الأقل للأعمدة).
-
الاختبارات الميكانيكية المحددة (الشد في الظروف المحيطة، وشاربي على شكل حرف V في حالة الخدمة الديناميكية).
-
الفحص غير التعريفي للمطروقات الكبيرة والأجزاء الحرجة.
-
إمكانية التتبع إلى الحرارة والدفعة.
-
أي شهادات خاصة بصناعة النفط والغاز (إن وجدت).
أمثلة حالات عملية
-
عمود نقل الحركة للخدمة الشاقة (رافعة صناعية): اختر 4145 عندما يتطلب التصميم تصلبًا أعمق لمقاومة التآكل في المحامل وضغوط التلامس العالية. موازنة المزاج النهائي للاحتفاظ بالصلابة الكافية.
-
مغزل عالي السرعة (أداة ماكينة): اختر 4140 عندما تكون الصلابة العالية، وثبات الأبعاد بعد المعالجة الحرارية، ومقاومة الإجهاد الديناميكي ضرورية.
التوصيات الختامية
-
تعامل مع الاختيار على أنه قرار نظام: تشكل كيمياء المواد، وحجم المقطع، والقدرة على المعالجة الحرارية، ومراقبة الجودة المخطط لها سلسلة قرارات واحدة.
-
اطلب من المصنع بيانات الخصائص الميكانيكية التمثيلية للمعالجة الحرارية والقسم المحدد. لا تعتمد فقط على القيم الاسمية المنشورة.
-
بالنسبة للمكونات ذات المهام الحرجة، يجب إجراء اختبار NDT كامل واختبارات ميكانيكية والنظر في تحليل العناصر المحدودة للإجهادات المتبقية وعمر التعب المتوقع.
-
إذا كانت القدرة على المعالجة الحرارية محدودة محليًا، قم بشراء المواد التي تم تسليمها بالفعل في حالة الإخماد والتلطيف المحددة مع شهادات معتمدة.
AR 
EN 
JA 
KO 
DE 
IT 
ES