4142 فولاذ: الخصائص والتطبيقات الرئيسية نظرة عامة

الفولاذ 4142 مصنف كفولاذ سبائك متوسط الكربون، معروف بشكل أساسي بقوته الممتازة وصلابته. وهو جزء من سلسلة AISI/SAE 4000 وغالبًا ما يستخدم في التطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية للتعب ومقاومة للتآكل. تشمل العناصر الرئيسية المضافة في فولاذ 4142 الكروم (Cr) والموليبدينوم (Mo)، مما يعزز إمكانية تصلبه وخصائصه الميكانيكية العامة.

نظرة شاملة

يتميز فولاذ 4142 بمحتوى الكربون المتوسط، الذي يتراوح عادة من 0.38% إلى 0.43%، بالإضافة إلى الكروم (0.9% إلى 1.2%) والموليبدينوم (0.15% إلى 0.25%). تسهم هذه العناصر في صلابة الفولاذ وقوته ومقاومته للتآكل، مما يجعله مناسبًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات الصعبة.

تشمل الخصائص الرئيسية لفولاذ 4142:

• قوة عالية: توفر العناصر المضافة قوة سحب وعائد معززة.
• صلابة جيدة: يحتفظ بالصلابة حتى عند مستويات صلابة عالية.
• مقاومة للتآكل: يظهر الفولاذ مقاومة ممتازة للتآكل، مما يجعله مثاليًا للمكونات المعرضة للاحتكاك والتآكل.

المزايا:
- تطبيقات متعددة الاستخدامات: يستخدم عادة في تصنيع التروس والمحاور ومكونات أخرى في الصناعات السيارات والفضاء.
- قابلية المعالجة الحرارية: يمكن معالجته حراريًا لتحقيق الخصائص الميكانيكية المطلوبة، مما يعزز قابليته للاستخدام في تطبيقات متنوعة.

القيود:
- قابلية اللحام: يمكن أن تجعل وجود العناصر المضافة اللحام أكثر تحديًا، مما يتطلب تقنيات معينة ومواد تعبئة.
- التكلفة: عمومًا أغلى من الفولاذات ذات الكربون المنخفض بسبب العناصر المضافة.

تاريخياً، كان لفولاذ 4142 أهمية في تطوير المكونات عالية الأداء، خاصة في قطاع السيارات، حيث تكون القوة والمتانة أمرين بالغين الأهمية.

أسماء بديلة، معايير، ومعادلات

المنظمة القياسية	التصنيف/الدرجة	الدولة/المنطقة الأصلية	ملاحظات/ملاحظات
UNS	G41420	الولايات المتحدة الأمريكية	معادل قريب من AISI 4140 مع اختلافات طفيفة
AISI/SAE	4142	الولايات المتحدة الأمريكية	تصنيف مستخدم بشكل شائع
ASTM	A829	الولايات المتحدة الأمريكية	المواصفة القياسية للفولاذ السبيكي
EN	42CrMo4	أوروبا	معادل مع اختلافات تركيب خفيفة
DIN	1.7225	ألمانيا	خصائص مماثلة، غالبًا ما تستخدم في أوروبا
JIS	SCM440	اليابان	درجة قابلة للمقارنة مع تطبيقات مماثلة

يمكن أن تؤثر الاختلافات بين الدرجات المعادلة على الاختيار استنادًا إلى خصائص ميكانيكية معينة أو استجابة المعالجة الحرارية. على سبيل المثال، بينما يكون 4142 و4140 متشابهين، فإن 4142 بشكل عام يحتوي على محتوى كروم أعلى، مما يمكن أن يعزز من إمكانية تصلبه.

الخصائص الرئيسية

تركيبة كيميائية

العنصر (الرمز والاسم)	مدى النسبة المئوية (%)
C (الكربون)	0.38 - 0.43
Cr (الكروم)	0.9 - 1.2
Mo (الموليبدينوم)	0.15 - 0.25
Mn (المنغنيز)	0.75 - 1.0
Si (السيليكون)	0.15 - 0.40
P (الفوسفور)	≤ 0.035
S (الكبريت)	≤ 0.040

الدور الأساسي للكروم في فولاذ 4142 هو تعزيز إمكانية تصلبه ومقاومة التآكل، بينما يسهم الموليبدينوم في القوة والصلابة عند درجات حرارة مرتفعة. يساعد المنغنيز في إزالة الأكسدة ويحسن من إمكانية تصلب الفولاذ، بينما يعزز السيليكون القوة والمرونة.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الشرط/الحرارة	القيمة/المدى النموذجي (المقياس - وحدات الجهد)	القيمة/المدى النموذجي (وحدات الإمبراطورية)	المعيار المرجعي لطرق الاختبار
قوة الشد	مُبرد ومُعالج	850 - 1000 ميجا باسكال	123 - 145 ksi	ASTM E8
قوة العائد (0.2% تراجع)	مُبرد ومُعالج	700 - 850 ميجا باسكال	102 - 123 ksi	ASTM E8
التمدد	مُبرد ومُعالج	12 - 18%	12 - 18%	ASTM E8
الصلابة (روكويل C)	مُبرد ومُعالج	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
قوة التأثير (شاربي)	-40°C	30 - 50 جول	22 - 37 قدم-رطل	ASTM E23

إن الجمع بين قوة الشد العالية وقوة العائد، مع صلابة جيدة، يجعل فولاذ 4142 مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب تحميل ميكانيكي عالي وسلامة هيكلية، مثل تلك المستخدمة في مكونات السيارات والفضاء.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (المقياس - وحدات الجهد)	القيمة (وحدات الإمبراطورية)
الكثافة	-	7.85 غم/سم³	0.284 رطل/بوصة³
نقطة الانصهار	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
التوصيل الحراري	25 °C	45 واط/م·ك	31 BTU·بوصة/(ساعة·قدم²·°F)
سعة الحرارة النوعية	25 °C	0.46 كيلوجول/كجم·ك	0.11 BTU/رطل·°F
المقاومة الكهربائية	20 °C	0.00065 أوم·م	0.00038 أوم·بوصة
معامل التمدد الحراري	20 - 100 °C	11.5 x 10⁻⁶ /ك	6.4 x 10⁻⁶ /°F

تشير كثافة ونقطة انصهار فولاذ 4142 إلى ملاءمته للتطبيقات عالية الحرارة، بينما يعد توصيله الحراري وسعة حرارته النوعية أساسية لفهم سلوكه في البيئات الحرارية.

مقاومة التآكل

العميل التآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C/°F)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
الكليوريدات	3%	25 °C / 77 °F	عادل	خطر تآكل البقع
حمض الكبريتيك	10%	25 °C / 77 °F	ضعيف	غير موصى به
هيدروكسيد الصوديوم	50%	25 °C / 77 °F	عادل	خطر تشقق التآكل بسبب الضغط

يظهر فولاذ 4142 مقاومة متوسطة للتآكل، خاصة في الظروف الجوية وبعض البيئات القلوية. ومع ذلك، فهو عرضة للتآكل في البيئات الغنية بالكلوريد ويجب تجنبه في الظروف الحمضية. بالمقارنة مع الفولاذ المقاوم للصدأ مثل 304 أو 316، فإن مقاومة تآكل 4142 أقل بكثير، مما يجعله أقل ملاءمة للتطبيقات البحرية أو شديدة التآكل.

مقاومة الحرارة

خاصية/حد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
درجة حرارة خدمة مستمرة قصوى	400 °C	752 °F	مناسب للتطبيقات عالية الحرارة
درجة حرارة خدمة متقطعة قصوى	500 °C	932 °F	تعرض قصير الأجل فقط
درجة حرارة التسلق	600 °C	1112 °F	خطر الأكسدة عند درجات حرارة عالية
اعتبارات قوة الزحف	500 °C	932 °F	تبدأ في الانخفاض الكبير

يحافظ فولاذ 4142 على خصائصه الميكانيكية عند درجات حرارة مرتفعة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تشمل الحرارة. ومع ذلك، يمكن أن تحدث الأكسدة والتسلق عند درجات حرارة مرتفعة، مما يتطلب استخدام طلاءات واقية أو اختيار المواد بعناية في البيئات عالية الحرارة.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن الملحق الموصى به (تصنيف AWS)	غاز/فلوب الحماية النموذجي	ملاحظات
MIG	ER70S-6	خليط أرغون + CO2	يوصى بالتسخين المسبق
TIG	ER80S-D2	أرغون	يتطلب معالجة حرارية بعد اللحام
عصا	E7018	-	يوصى بالتسخين المسبق والمعالجة بعد اللحام

يمكن لحام فولاذ 4142 ولكن يتطلب مراعاة دقيقة للعلاج الحراري بعد اللحام لتقليل خطر التشقق. يعد اختيار المعدن الملحق أمرًا حيويًا للحفاظ على سلامة اللحام.

قابلية الآلات

معامل الآلات	فولاذ 4142	AISI 1212	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية الآلات النسبي	60%	100%	4142 أصعب في التشغيل الآلي
سرعة القطع النموذجية (التدوير)	30-50 م/دقيقة	60-80 م/دقيقة	استخدم أدوات كربيد للحصول على أفضل النتائج

يظهر فولاذ 4142 قابلية تشغيل آلي متوسطة، وغالبًا ما يتطلب سرعات قطع أبطأ وأدوات متخصصة مقارنة بالفولاذات الأكثر قابلية للتشغيل التلقائي مثل AISI 1212.

قابلية التشكيل

فولاذ 4142 ليس معروفًا بشكل خاص بقابلية تشكيله بسبب محتوى الكربون المتوسط. من الممكن تشكيله بشكل بارد ولكن قد يؤدي ذلك إلى تصلب العمل، مما يتطلب السيطرة الدقيقة على نصف قطر الانحناء وعمليات التشكيل. التشكيل الساخن أكثر قابلية ولكنه يتطلب التحكم الدقيق في درجة الحرارة لتفادي التأثيرات السلبية على الخصائص الميكانيكية.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	مدى درجة الحرارة (°C/°F)	الوقت النموذجي للتشبع	طريقة التبريد	الهدف الأساسي / النتيجة المتوقعة
التلدين	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 ساعة	هواء	تليين، تحسين اللدونة
التبريد	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	30 دقيقة	زيت أو ماء	تصلب
التقسية	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 ساعة	هواء	تقليل الهشاشة، تحسين الصلابة

تؤثر عمليات المعالجة الحرارية بشكل كبير على البنية الدقيقة لفولاذ 4142، مما يحوله من الأوستينيت إلى المارتينسيت أثناء التبريد، يلي ذلك التقسية لتحقيق توازن بين الصلابة والصلابة.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على التطبيق المحدد	الخصائص الرئيسية للفولاذ المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار (باختصار)
السيارات	التروس	قوة عالية، مقاومة للتآكل	ضروري للمتانة
الفضاء	المحاور	صلابة، مقاومة للتعب	حرج للسلامة
الآلات	المحاور الكرنك	قوة شد عالية	مطلوبة للأحمال العالية
النفط والغاز	رؤوس الحفر	مقاومة للتآكل، صلابة	تعمل في ظروف قاسية

تشمل التطبيقات الأخرى:

• الأدوات: تستخدم في تصنيع القوالب والأقماع بسبب صلابتها.
• البناء: مكونات هيكلية في الآلات الثقيلة.

يتم اختيار فولاذ 4142 لهذه التطبيقات بسبب خصائصه الميكانيكية الممتازة، والتي تضمن الموثوقية والأداء تحت الضغط.

اعتبارات مهمة، معايير الاختيار، ورؤى إضافية

الميزة/الخاصية	فولاذ 4142	AISI 4140	AISI 4340	ملاحظة ق مختصرة أو تجارية
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	قوة عالية	قوة معتدلة	قوة عالية جدًا	يقدم 4142 توازنًا بين القوة والصلابة
الجوانب الرئيسية للتآكل	معتدلة	معتدلة	ضعيف	4142 أفضل من 4340 في البيئات التآكلية
قابلية اللحام	متوسطة	متوسطة	ضعيفة	4142 أسهل لحامًا من 4340
قابلية الآلات	متوسطة	متوسطة	ضعيفة	4142 أكثر قابلية للتشغيل من 4340
التكلفة النسبية التقريبية	متوسطة	متوسطة	عالية	4142 اقتصادي للتطبيقات عالية الأداء
التوافر النموذجي	عالي	عالي	معتدل	4142 متوفرة على نطاق واسع بأشكال مختلفة

عند اختيار فولاذ 4142، تشمل الاعتبارات جدوى تكلفته، وتوافره، وملاءمته للتطبيقات المحددة. يجعله توازنه بين القوة والصلابة وقابلية اللحام المتوسطة خيارًا مفضلًا في مختلف الصناعات. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب مقاومة فائق للتآكل أو قابلية آلية، قد تكون الدرجات البديلة أكثر ملاءمة.

باختصار، فولاذ 4142 هو سبيكة متعددة الاستخدامات توفر مجموعة فريدة من الخصائص، مما يجعله مناسبًا لمجموعة واسعة من التطبيقات الصعبة. تؤكد أهميته التاريخية واستمرارية صلاحيته في الهندسة الحديثة على قيمته في اختيار المواد.