4120 الفولاذ: الخصائص والتطبيقات الرئيسية

يتم تصنيف الفولاذ 4120 بأنه فولاذ سبائكي متوسط الكربون، يعرف بشكل أساسي بقدرته الممتازة على المعالجة الحرارية وقوته. تشمل العناصر السبائكية الأساسية في فولاذ 4120 الكروم (Cr) والموليبدينوم (Mo)، والتي تعزز خصائصه الميكانيكية ومقاومته للاحتكاك. وغالبًا ما يُستخدم هذا الدرجة من الفولاذ في التطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومتانة، مما يجعله مناسبًا للمكونات المعرضة لأحمال وضغوط ثقيلة.

نظرة شاملة

يوضح فولاذ 4120 خصائص ملحوظة مثل قابلية المعالجة الجيدة، وقابلية اللحام، والقدرة على المعالجة الحرارية لتحقيق مستويات الصلابة المطلوبة. تشمل خصائصه الأساسية قوة شد يمكن أن تصل إلى 1،000 ميجا باسكال (145 ksi) عند معالجته حراريًا بشكل صحيح، إلى جانب قابلية جيدة للانطباع ومقاومة للصدمات.

المزايا:
- قوة عالية: توفر العناصر السبائكية قوة ومتانة محسّنة.
- قدرة جيدة على الصلابة: يمكن معالجته حراريًا لتحقيق مستويات صلابة عالية.
- تطبيقات متعددة الاستخدامات: مناسب لمجموعة من التطبيقات الهندسية، بما في ذلك التروس والمحاور وغيرها من المكونات الحرجة.

القيود:
- مقاومة للتآكل: ليست مقاومة للتآكل مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، مما قد يحد من استخدامه في بعض البيئات.
- التكلفة: عمومًا أكثر تكلفة من الفولاذ منخفض الكربون بسبب العناصر السبائكية.

تاريخيًا، تم استخدام فولاذ 4120 في صناعات السيارات والطيران، حيث تعتبر خصائصه الميكانيكية حاسمة للأداء والسلامة. قوته في السوق متينة، وغالبًا ما يُعتبر الخيار المثالي للمصنعين الذين يحتاجون إلى مواد موثوقة ودائمة.

أسماء بديلة، معايير، وما يعادل

المنظمة القياسية	التسمية/الدرجة	الدولة/المنطقة الأصلية	ملاحظات/ملاحظات
UNS	G41200	الولايات المتحدة الأمريكية	الأقرب مكافئ لـ AISI 4140
AISI/SAE	4120	الولايات المتحدة الأمريكية	اختلافات تركيبية طفيفة عن AISI 4140
ASTM	A29/A29M	الولايات المتحدة الأمريكية	مواصفة عامة للفولاذ السبائكي
EN	1.7218	أوروبا	يعادل 4120 مع اختلافات طفيفة
DIN	42CrMo4	ألمانيا	خصائص مماثلة، وغالبًا ما يُستخدم بالتبادل
JIS	SCM420	اليابان	درجة قابلة للمقارنة مع اختلافات طفيفة

تتفاوت الاختلافات بين فولاذ 4120 وما يعادله، مثل AISI 4140، بشكل رئيسي في النسب المحددة للعناصر السبائكية، مما يمكن أن يؤثر على إمكانية المعالجة الحرارية والصلابة. على سبيل المثال، يحتوي 4140 عمومًا على محتوى كربون أعلى، مما قد يعزز صلابته ولكنه يمكن أيضًا أن يقلل من قابلية الانحناء.

الخصائص الرئيسية

التركيب الكيميائي

العنصر (الرمز والاسم)	النسبة المئوية (٪)
C (الكربون)	0.18 - 0.22
Mn (المنغنيز)	0.60 - 0.90
Cr (الكروم)	0.80 - 1.10
Mo (الموليبدينوم)	0.15 - 0.25
Si (السيليكون)	0.15 - 0.40
P (الفوسفور)	≤ 0.035
S (الكبريت)	≤ 0.040

الأدوار الرئيسية للعناصر السبائكية الأساسية في فولاذ 4120 هي كما يلي:
- الكروم (Cr): يعزز إمكانية المعالجة الحرارية ويحسن مقاومة التآكل.
- الموليبدينوم (Mo): يزيد القوة عند درجات حرارة مرتفعة ويعزز المتانة.
- المنغنيز (Mn): يحسن إمكانية المعالجة الحرارية ويساهم في القوة العامة للفولاذ.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/الحرارة	درجة حرارة الاختبار	القيمة/النطاق النموذجي (مترية)	القيمة/النطاق النموذجي (إمبراطوري)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	مبرد ومُعالج	درجة حرارة الغرفة	850 - 1،000 ميجا باسكال	123 - 145 ksi	ASTM E8
قوة الخضوع (0.2٪ انحراف)	مبرد ومُعالج	درجة حرارة الغرفة	650 - 850 ميجا باسكال	94 - 123 ksi	ASTM E8
التمدد	مبرد ومُعالج	درجة حرارة الغرفة	15 - 20٪	15 - 20٪	ASTM E8
الصلابة (روكويل C)	مبرد ومُعالج	درجة حرارة الغرفة	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
قوة الصدمة	Notched Charpy V	-20°C (-4°F)	30 - 50 J	22 - 37 ft-lbf	ASTM E23

يجعل الجمع بين هذه الخصائص الميكانيكية فولاذ 4120 مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات التي تتضمن أحمال ديناميكية وبيئات ذات ضغط عالٍ، مثل مكونات السيارات والطيران. تسمح له قواه العالية من الشد والانحناء، إلى جانب قابلية جيدة للانطباع، بمقاومة تشوه كبير قبل الفشل.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (مترية)	القيمة (إمبراطورية)
الكثافة	-	7.85 جرام/سم³	0.284 رطل/إنش³
نقطة الانصهار/النطاق	-	1،540 - 1،600 °م	2،804 - 2،912 °ف
التوصيل الحراري	20°C	45 واط/م·ك	31 BTU·إنش/(ساعة·قدم²·°ف)
السعة الحرارية النوعية	20°C	0.46 كيلوجول/كجم·ك	0.11 BTU/رطل·°ف
معامل التمدد الحراري	20-100°C	11.5 x 10⁻⁶ /ك	6.36 x 10⁻⁶ /°ف

تعد الأهمية العملية للكثافة وخصائص الحرارة لفولاذ 4120 حاسمة في التطبيقات التي تكون فيها الوزن وإدارة الحرارة أمرين حاسمين. تسهم كثافته العالية نسبيًا في قوته، بينما تسمح له توصيله الحراري بالتخلص الفعال من الحرارة في البيئات عالية الأداء.

مقاومة التآكل

العامل المسبب للتآكل	التركيز (٪)	درجة الحرارة (°م/°ف)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
الكليوريدات	3-5٪	25°C (77°F)	جيدة	خطر التآكل النقطي
حمض الكبريتيك	10٪	25°C (77°F)	ضعيفة	غير موصى به
هيدروكسيد الصوديوم	50٪	25°C (77°F)	جيدة	عرضة لتشققات التآكل الناتجة عن الضغط

يظهر فولاذ 4120 مقاومة متوسطة للتآكل، خاصة في البيئات التي تحتوي على الكلورايدات، حيث قد يتعرض للتآكل النقطي. بالمقارنة مع الفولاذ المقاوم للصدأ مثل 304 أو 316، التي تقدم مقاومة ممتازة للتآكل، فإن 4120 أقل ملاءمة للتطبيقات في البيئات شديدة التآكل.

من حيث القابلية للتأثر، يمكن أن يواجه 4120 تحديات مثل تشققات التآكل الناتجة عن الضغط (SCC) في البيئات القلوية، وهي اعتبارات حاسمة للتطبيقات في المعالجة الكيميائية أو البيئات البحرية.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°م)	درجة الحرارة (°ف)	ملاحظات
حد أقصى لدرجة حرارة الخدمة المستمرة	400°C	752°F	مناسب للحرارة المعتدلة
حد أقصى لدرجة حرارة الخدمة المتقطعة	500°C	932°F	تعرض قصير الأمد فقط
درجة حرارة التساقط	600°C	1،112°F	خطر الأكسدة بعد ذلك

عند درجات حرارة مرتفعة، يحتفظ فولاذ 4120 بقوته ولكنه قد يبدأ في فقدان الصلابة والمتانة إذا تعرض لفترات طويلة. تعتبر مقاومته للأكسدة متوسطة، ويجب اتخاذ الحذر لتجنب التساقط في التطبيقات عالية الحرارة.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن الملحق الموصى به (تصنيف AWS)	الغاز/الفلكس الدرع النموذجي	ملاحظات
MIG	ER70S-6	أرجون/CO2	يفضل التسخين المسبق
TIG	ER70S-2	أرجون	يتطلب معالجة حرارية بعد اللحام
عصا	E7018	-	مناسب للأقسام السميكة

يعتبر فولاذ 4120 بشكل عام قابلًا للحام، ولكن يُوصى غالبًا بالتسخين المسبق لتجنب التشققات. يمكن أن تعزز المعالجة الحرارية بعد اللحام الخصائص الميكانيكية لوصلة اللحام، مما يضمن سلامة الهيكل.

قابلية المعالجة

معامل المعالجة	[فولاذ 4120]	[AISI 1212]	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية المعالجة النسبي	60٪	100٪	4120 أكثر تحدياً في المعالجة
سرعة القطع النموذجية (دوران)	40-60 م/دقيقة	80-100 م/دقيقة	استخدم أدوات كربيد لتحقيق أفضل النتائج

قابلية معالجة فولاذ 4120 متوسطة. تتطلب اختيارًا دقيقًا لأدوات القطع والمعلمات لتحقيق النتائج المثلى. قد تتآكل أدوات الصلب عالي السرعة بسرعة، لذلك تُفضل أدوات الكربيد غالبًا.

قابلية التشكيل

يظهر فولاذ 4120 قابلية جيدة للتشكيل، مما يسمح بعمليات التشكيل البارد والساخن. ومع ذلك، يجب توخي الحذر لتجنب التصلب الزائد، الذي يمكن أن يؤدي إلى التشققات أثناء عمليات التشكيل. يجب أخذ نصف القطر الأدنى للانحناء في الاعتبار بناءً على سمك المادة.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°م/°ف)	مدة النقع النموذجية	طريقة التبريد	الغرض الأساسي / النتيجة المتوقعة
التسخين	600 - 700 / 1،112 - 1،292	1 - 2 ساعة	هواء	تليين، تحسين القابلية للانطباع
التبريد	850 - 900 / 1،562 - 1،652	30 دقيقة	زيت/ماء	صلابة
التحضير	400 - 600 / 752 - 1،112	1 ساعة	هواء	تقليل الهشاشة، تحسين المتانة

أثناء المعالجة الحرارية، يخضع فولاذ 4120 لتحولات معدنولوجية هامة. يزيد التبريد من الصلابة من خلال تكوين المارتنزيت، بينما يسمح التحضير بتعديل الصلابة والمتانة، مما يخلق توازنًا مناسبًا لمجموعة من التطبيقات.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على التطبيق المحدد	الخصائص الرئيسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار (باختصار)
السيارات	التروس	قوة عالية، متانة	أساسية للأداء
الطيران	مكونات الهبوط	مقاومة عالية للتعب	حرجة للسلامة
النفط والغاز	أدوات الحفر	مقاومة للاحتكاك، متانة	بيئات ذات ضغط عالٍ
الآلات الثقيلة	المحاور	قوة، قابلية المعالجة	ديمومة تحت الحمل

تشمل التطبيقات الأخرى لفولاذ 4120:
- المكونات الهيكلية في الآلات
- المثبتات والصواميل
- تطبيقات الأدوات

يعود اختيار فولاذ 4120 في هذه التطبيقات بشكل رئيسي إلى خصائصه الميكانيكية الممتازة، التي توفر الموثوقية والأداء تحت الظروف الصعبة.

اعتبارات مهمة، معايير الاختيار، وأفكار إضافية

الميزة/الخاصية	[فولاذ 4120]	[AISI 4140]	[AISI 4340]	ملاحظة قصيرة عن المزايا أو العيوب أو اختلافات المقايضة
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	قوة عالية	صلابة أعلى	متانة أعلى	تقدم 4140 قدرة معالجة أفضل
الجوانب الرئيسية للتآكل	متوسطة	ضعيفة	جيدة	تمتلك 4340 مقاومة أفضل للتآكل
قابلية اللحام	جيدة	متوسطة	عادلة	قد تتطلب 4140 مزيدًا من العناية في اللحام
قابلية المعالجة	متوسطة	جيدة	عادلة	4140 أكثر سهولة في المعالجة
قابلية التشكيل	جيدة	متوسطة	عادلة	4140 لديه قابلية تشكيل أقل
التكلفة النسبية التقريبية	متوسطة	أعلى	أعلى	تختلف التكلفة حسب العناصر السبائكية
التوفر النموذجي	شائع	شائع	أقل شيوعًا	يمكن أن يختلف التوفر حسب المنطقة

عند اختيار فولاذ 4120، تشمل الاعتبارات خصائصه الميكانيكية وفعالية تكلفته وتوفره. بينما يوفر توازنًا جيدًا بين القوة والمتانة، قد تكون البدائل مثل AISI 4140 أو 4340 أكثر ملاءمة حسب متطلبات التطبيق المحددة. بالإضافة إلى ذلك، يجب تقييم عوامل السلامة وظروف البيئة لضمان الأداء الأمثل وطول عمر المكونات المصنوعة من هذه الدرجة من الفولاذ.