بررسی خواص و مشخصات فولاد Mo40
فولاد Mo40 که در استاندارد AISI به آن 4140 نیز گفته می شود یکی از گریدهای پرکاربرد فولاد است که به گروه فولادهای کم آلیاژ تعلق دارد. فولاد Mo40 حاوی عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن و منگنز است. این عناصر باعث ایجاد استحکام کششی بالا به همراه مقاومت قابل قبول به خوردگی و سایش در این گرید فولادی شده اند. از فولاد AISI 4140 به طور گسترده در ساخت تجهیزات و وسایلی که در معرض سایش قرار دارند مانند انواع چرخ دنده، شفت و غلتک استفاده می شود.
گریدهای مختلف فولاد
فولاد یکی از آلیاژهای بسیار پرکاربرد آهن است که در فرم ابتدایی از ترکیب آهن و کربن ساخته می شود. اما می توان عناصر دیگری به فولاد نیز اضافه کرد و یا حتی درصد کربن را در ساختار آن کم و زیاد کرد. با انجام این کار گریدهای مختلفی از فولاد تو.لید می شود که هر کدام ویژگی هایی متمایز از سایر گریدها دارند. جالب است بدانید تا کنون بیش از 3500 گرید مختلف فولاد ساخته شده است. هر چند تمام این گریدها از نظر صنعتی کاربرد ندارد اما برخی از آن ها به دلیل ویژگی های فیزیکی و شیمیایی و همچنین هزینه تولید کمتر بیشتر در صنایع مختلف کاربرد دارند. یکی از انواع این فولادهای کاربرد فولاد گرید 4140 است که در این مقاله به معرفی آن خواهیم پرداخت.
آنچه در این مقاله مطالعه خواهید کرد:
- فولاد Mo40
- نام گذاری گرید 4140
- فولاد Mo40 یا 4140 چگونه ساخته می شود؟
- مشخصات فولاد AISI 4140
- کاربردهای فولاد Mo40
- زنگ زدگی فولاد 4140
- جوشکاری فولاد 4140
فولاد Mo40
فولاد Mo40 در رده فولادهای کم آلیاژ قرار دارد که در استاندارد AISI (انجمن آهن و فولاد آمریکا) با نام فولاد 4140 شناخته می شود.
در مورد فولادهای آلیاژی باید گفت که بسته به میزان عناصر آلیاژی که در ساخت آن ها به کار رفته است می توانند کم آلیاژ یا آلیاژ بالا باشند. در فولادهای کم آلیاژ کمتر از 10 درصد عناصر آلیاژی مانندکروم و نیکل و ... به کار رفته است و به طور گسترده ای برای ساخت انواع لوله، بدنه خودرو و هواپیما و ... به کار برده می شوند.
فولاد 4140 شامل عناصر آلیاژی کروم، مولیبدن و منگنز است و در بسیاری از صنایع به دلیل برخورداری از چقرمگی و استحکام خستگی بالا و همچنین مقاومت به ضربه و سایش مورد استفاده قرار می گیرد. لازم به ذکر است که کمتر گریدی از نظر کاربرد و مفید بودن با فولاد Mo40 قابل رقابت است.
نام گذاری گرید 4140
در هر استاندارد برای نامگذاری گریدهای مختلف فولادی از نشانه ها و سیستم های مختلفی استفاده می شود. به عنوان مثال در استاندارد AISI به گرید فولادی که در حال معرفی آن هستیم 4140 گفته می شود. بهتر است بدانیم که هر عدد به چه معناست.
عدد 4: نشان می دهد که فولاد 4140، در ساختار خود مولبیدن دارد و این میزان مولیبدن از آنچه در سایر گریدها مانند سری 1XXX وجود دارد بیشتر است.
عدد 1: نشان می دهد که فولاد 4140 حاوی کروم نیز می باشد و مقدار کروم آن از فولادهای 46XX بیشتر است.
عدد 40: عدد 40 نیز برای ایجاد تمایز بین این فولاد با سایر فولادهای سری 41XX به کار می رود.
نکته: به فولاد 4140 از آنجا که حاوی مولیبدن می باشد Mo40 نیز گفته می شود.
در استاندارد DIN آلمان فولاد AISI 4140 از طریق کد 1.7225 معرفی می شود.
فولاد Mo40 یا 4140 چگونه ساخته می شود؟
فولاد Mo40 از قرار دادن آهن به همراه کربن و سایر عناصر آلیاژی در یک کوره الکتریکی یا اکسیژن تولید می شود. عناصر آلیاژی اصلی که در فولاد 4140 به کار می رود شامل موارد زیر است:
- کروم
- منگنز
- مولیبدن
پس از آنکه آهن به همراه عناصر آلیاژی به صورت مذاب ترکیب شدند اجازه داده می شود تا سرد شود. ممکن است پس از آن عملیات آنیلینگ نیز چندین بار اجرا شود.
پس از انجام عملیات آنیلینگ فولاد مجددا حرارت داده شده و ذوب می شود تا بتوان آن را از طریق سرد کاری یا گرم کاری به شکل دلخواه درآورد. البته عملیات دیگری نیز ممکن است برای تغییر ویژگی ها مکانیکی و اصلاح ساختار این فولاد روی آن انجام شود.
مشخصات فولاد AISI 4140
در ادامه به مشخصات مکانیکی و شیمیایی فولاد Mo40 اشاره خواهد شد.
فولاد AISI 4140 یک فولاد کم‌آلیاژی با ترکیب کروم و مولیبدن است که به دلیل استحکام بالا، سختی مناسب و مقاومت در برابر سایش، در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فولاد دارای مقدار 0.38 تا 0.43 درصد کربن است که باعث بهبود سخت‌پذیری آن می‌شود. همچنین وجود کروم (0.8 تا 1.1 درصد) مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون را افزایش داده و مولیبدن (0.15 تا 0.25 درصد) باعث بهبود چقرمگی و کاهش شکنندگی می‌شود.
4140 در شرایط مختلف عملیات حرارتی از جمله نرماله کردن، سختکاری و تنش‌زدایی قابل استفاده است. در عملیات نرماله کردن، فولاد تا 870-900 درجه سانتی‌گراد گرم شده و در هوا سرد می‌شود تا ساختار یکنواخت و استحکام بهینه‌ای به دست آید. در سختکاری، قطعه تا 830-860 درجه سانتی‌گراد گرم شده و سپس در روغن یا آب کوئنچ می‌شود. پس از آن، با تمپر در 500-700 درجه سانتی‌گراد، استحکام و چقرمگی فولاد بهینه می‌شود.
این فولاد در صنعت خودروسازی، نفت و گاز، ساخت ابزار و قالب، صنایع هوافضا و نظامی کاربرد گسترده‌ای دارد. قطعاتی مانند میل‌لنگ، چرخ‌دنده، محورها، شفت‌ها و بدنه‌های تحت فشار اغلب از این فولاد ساخته می‌شوند. ماشینکاری آن نسبتاً آسان است، اما برای جوشکاری، نیاز به پیش‌گرم (200-400 درجه سانتی‌گراد) و تنش‌زدایی پس از جوشکاری (550-700 درجه سانتی‌گراد) دارد.
با وجود مقاومت مناسب در برابر خوردگی، این فولاد زنگ‌نزن نیست و در شرایط مرطوب یا خورنده، باید با روش‌هایی مانند روکش‌دهی، گالوانیزه کردن یا روغن‌کاری محافظت شود. در مجموع، فولاد 4140 به دلیل ترکیب عالی از سختی، چقرمگی و مقاومت به سایش، یکی از پرکاربردترین فولادهای آلیاژی در صنایع مختلف است.
ویژگی های مکانیکی فولاد 4140
فولاد Mo40 نوعی فولاد آلیاژیست و خواص آن علاوه بر آهن و کربن به سایر عناصری که در آن به کار رفته است نیز بستگی دارد. در AISI با اضافه کردن کروم، مولیبدن و منگنز استحکام و سختی پذیری فولادها را افزایش می دهند. اضافه کردن مولیبدن و کروم به فولاد AISI 4104 باعث شده است که به عنوان یک فولاد Chromoly (فولادی حاصل از ترکیب کروم و مولیبدن) شناخته شود.
در بررسی فولادها برخی پارامترهای مکانیکی حائز اهمیت هستند. این پارامترها به همراه مقدار آن ها در جدول زیر آورده شده است.
| ویژگی | متریک | امپریال |
| استحکام کشش | 655 MPa | 95000 PSI |
| استحکام تسلیم | 415 MPa | 20300 PSI |
| مدول توده یا حجم | 140 GPa | 20300 KSI |
| مدول برشی | 80 GPa | 11600 KSI |
| مدول الاستیک | 190 – 210 GPa | 26557-30458 KSI |
| نسبت پوآسون | 0.27-0.3 | 0.37-0.3 |
| درصد افزایش طول | 25.7 % | 25.7 % |
| سختی برینل | 197 | 197 |
| قابلیت ماشین کاری | 65 | 65 |
ویژگی های شیمیایی فولاد Mo40
در جدول ترکیبات شیمیایی فولاد Mo40 به همراه درصد آن ها آورده شده است.
| آهن | فسفر % | گوگرد % | مولیبدن % | سیلیسیم % | منگنز % | کروم % | کربن % |
| تعادل | حداکثر 0.035 | حداکثر 0.04 | 0.15-0.25 | 0.15-0.3 | 0.75-1 | 0.8-1.1 | 0.38-0.43 |
وجود کروم و مولیبدن در ساختار این گرید از فولاد باعث می شود تا در برابر خوردگی از مقاومت بالایی برخوردار باشد. مولیبدن از فولاد در برابر خوردگی به وسیله ی یون های کلرید محافظتمی کند. منگنز در فولاد AISI 4140 باعث افزایش سختی پذیری می شود و به عنوان یک اکسیژن زدا به کار به کار می رود. در فولادهای آلیاژی منگنز می تواند با گوگرد نیز ترکیب شود و قابلیت ماشینکاری را بهبود ببخشد و فرایند کربن دهی را مؤثر تر کند.
کاربردهای فولاد Mo40
توجه به سایش در کاربرد فولادها بسیار اهمیت دارد. سایش زمانی رخ می دهد که دو قطعه در تماس مداوم با یکدیگر باشند به مرور زمان مواد از سطح آن ها برداشته می شود. از جمله قطعاتی که در تماس مداوم قرار دارند می توان به چرخ دنده ها یا غلتک ها اشاره کرد. بنابراین در هنگام ساخت این قطعات باید از گریدهای فولادی استفاده شود که مقاومت بالاتری در برابر سایش دارند. یکی از این گریدهای مقاوم در برابر سایش فولاد Mo40 است.
فولاد Mo40 به دلیل مقاومت بالا در برابر سایش، چقرمگی و مقاومت در برابر ضربه ی خوب و همچنین استحکام خستگی قابل قبول برای ساخت وسایلی که در معرض سایش و ضربه و مداوم قرار دارند مناسب است. از این رو از آن در ساخت تجهیزات و سایل زیر بسیار استفاده می شود:
- انواع غلتک در صنایع مختلف
- شاتون
- انواع چرخ دنده
- سازه های هواپیما
- انواع پیچ
زنگ زدگی فولاد 4140
فولاد Mo40 به دلیل داشتن عناصر آلیاژی مانند کروم و مولیبدن در ساختار خود از مقاومت خوبی در برابر خوردگی برخوردار است. هر چند اگر فرایند خوردگی در این فولاد آغاز شود مانند سایر ها فولادها دچار تخریب می شود.فولاد 4140 (یا Mo40) به دلیل داشتن کروم و مولیبدن، مقاومت بهتری در برابر زنگ‌زدگی نسبت به فولادهای ساده کربنی دارد. با این حال، این فولاد زنگ‌نزن نیست و در محیط‌های مرطوب یا خورنده، به‌ویژه در تماس با آب، اسیدها و مواد شیمیایی، مستعد اکسیداسیون و زنگ‌زدگی خواهد بود.
راه‌های جلوگیری از زنگ‌زدگی فولاد 4140
- روکش‌دهی (Coating): استفاده از رنگ، پوشش اپوکسی، گالوانیزه یا فسفاته برای محافظت از سطح فلز.
- روغن‌کاری و گریس‌کاری: ایجاد یک لایه محافظ برای جلوگیری از تماس فولاد با هوا و رطوبت.
- استفاده از فولادهای ضدزنگ: در محیط‌های بسیار خورنده، جایگزینی با فولاد زنگ‌نزن (مانند 304 یا 316) توصیه می‌شود.
- کنترل شرایط محیطی: کاهش رطوبت و تماس با مواد خورنده، مانند نگهداری در محیط‌های خشک و کنترل دما.
- عملیات حرارتی و نیتروژن‌دهی: این روش‌ها می‌توانند مقاومت سطحی در برابر خوردگی را بهبود ببخشند.
اگر فولاد 4140 زنگ بزند، روش‌هایی مانند سنباده‌زنی، سندبلاست، استفاده از زنگ‌برهای شیمیایی (مانند اسید فسفریک) و پوشش‌دهی مجدد برای از بین بردن زنگ و افزایش دوام آن توصیه می‌شود.
جوشکاری فولاد 4140
فولاد Mo40 را می توان جوش داد اما نیاز دارد تا پیش گرم شود زیر نسبت به ترک خوردگی حساس است.فولاد 4140 یک فولاد کم‌آلیاژی با ترکیب کروم و مولیبدن است که استحکام و سختی بالایی دارد. جوشکاری این فولاد به دلیل محتوای بالای کربن چالش‌برانگیز بوده و نیازمند پیش‌گرم و تنش‌زدایی پس از جوشکاری (PWHT) است. دمای پیش‌گرم بین 200 تا 400 درجه سانتی‌گراد از ترک‌خوردگی جلوگیری می‌کند. برای جوشکاری، از الکترودهای کم‌هیدروژن مانند E7018 یا سیم جوش ER80S-D2 استفاده می‌شود. کنترل سرعت سرد شدن با روش‌هایی مانند پتوهای نسوز ضروری است. تنش‌زدایی در دمای 550-700 درجه سانتی‌گراد بهبود خواص مکانیکی را تضمین می‌کند. روش‌های SMAW، GTAW و GMAW برای جوشکاری این فولاد مناسب هستند. ترک‌های هیدروژنی و اعوجاج از مشکلات رایج این فرآیند هستند. رعایت دمای مناسب و انتخاب متریال صحیح، از این مشکلات جلوگیری می‌کند. در نهایت، توجه به این نکات باعث جوشی مستحکم و بدون عیب خواهد شد.
