فولاد عملیات حرارتی‌پذیر Mo40 چیست؟

فولادهای کربنی به‌دلیل ترکیب خاص عناصر آلیاژی و خواص مکانیکی متنوع، سهم قابل‌توجهی از بازار فولاد را به خود اختصاص داده‌اند. در این میان، فولاد آلیاژی Mo40 به‌دلیل توازن مناسب میان قیمت و عملکرد، یکی از پرمصرف‌ترین گریدها در صنایع مختلف به‌شمار می‌آید.

این نوع فولاد به‌دلیل برخورداری از استحکام بالا، مقاومت مطلوب در برابر سایش و قابلیت انجام عملیات حرارتی گوناگون، انتخابی ایده‌آل برای تولید قطعاتی است که نیاز به دوام و سختی بالا دارند. در این مقاله به بررسی ساختار شیمیایی و ویژگی‌های مکانیکی این گرید فولادی می‌پردازیم، سپس عملیات حرارتی متداول آن را مرور کرده و در ادامه تفاوت‌های آن با فولاد CK45 را بررسی خواهیم کرد.

فولاد Mo40 که با نام فولاد آلیاژی AISI 4140 نیز شناخته می‌شود، در دسته‌ فولادهای کم‌آلیاژ طبقه‌بندی شده و دارای مقادیر مشخصی از عناصر منگنز، مولیبدن و کروم است. مقاومت به سختی و سایر خصوصیات فولاد Mo40 باعث شده تا در طیف گسترده‌ای از صنایع مورد استفاده قرار بگیرد.

معرفی فولاد Mo40

فولاد Mo40 که با نام فولاد آلیاژی AISI 4140 نیز شناخته می‌شود، در دسته‌ فولادهای کم‌آلیاژ طبقه‌بندی شده و دارای مقادیر مشخصی از عناصر منگنز، مولیبدن و کروم است. مقاومت به سختی فیزیکی و ساختاری و سایر خصوصیات این فولاد باعث شده تا در طیف گسترده‌ای از صنایع مورد استفاده قرار بگیرد. قیمت انواع ورق، میلگرد و سایر اشکال فولاد Mo40 با توجه به ضخامت آن و کشور تولیدکننده، متغیر است. گریدهای کمی از فولاد را می‌توان یافت که به اندازه‌ این فولاد کارایی و قابلیت انطباق داشته باشند. مقاومت به سختی و استحکام بالای فولاد Mo40 را می‌توان ناشی از وجود عناصر کروم و مولیبدن در ترکیب آن دانست.

برای تولید فولاد Mo40، آهن، کربن و سایر عناصر آلیاژی را به شکل مایع، در کوره‌ برقی یا اکسیژنی با یکدیگر مخلوط می‌کنند و سپس به آن زمان می‌دهند تا خنک شود، سپس این فولاد تا چندین مرتبه آنیل (بازپخت) می‌شود. پس از تکمیل مرحله‌ آنیل کردن، فولاد Mo40 را حرارت می‌دهند تا به شکل مذاب دربیاید و برای تبدیل شدن به شکل موردنظر، ریخته‌گری شود و یا با استفاده از عملیات سخت‌کاری (شامل نورد کردن و برش دادن)، به ضخامت مطلوب برسد.

ویژگی‌های فولاد Mo40

فولاد Mo40 یک آلیاژ با ترکیب خاص است که به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد خود، در صنایع مختلف به‌ویژه در پروژه‌های نیازمند استحکام بالا کاربرد دارد. این فولاد با درصد معینی از مولیبدن و کربن، مقاومت خوبی در برابر خوردگی، فشار و دماهای بالا دارد. یکی از ویژگی‌های کلیدی فولاد Mo40، قابلیت جوش‌پذیری بالا و استفاده آسان در فرآیندهای مختلف تولیدی است. در این بخش، ویژگی‌های برجسته این فولاد که آن را برای استفاده در صنعت خودروسازی، ساخت تجهیزات سنگین و صنایع نفت و گاز مناسب می‌سازد، به‌طور دقیق بررسی می‌شود.

خواص مکانیکی فولاد Mo40

برای رسیدن فولاد Mo40 به سختی موردنیاز، ممکن است فشار زیادی نیز در حین فرآیند شکل‌دهی به آن اعمال شود. پس از پردازش، می‌توان چندین عملیات دیگر را نیز بر روی آن انجام داد تا استحکام و زیبایی ظاهری آن افزایش پیدا کند.
فولادهای کم‌آلیاژ مانند فولاد Mo40، برای بهبود خواص مکانیکی خود به عناصری به جز آهن و کربن متکی هستند. این فولاد، به جز مقاومت در برابر سختی، خواص مکانیکی دیگری نیز دارد که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:

• مقاومت کششی: یکی از خواص برجسته‌ فولاد Mo40، مقاومت کششی بالای آن است که به حدود 95000 psi می‌رسد. این ویژگی موجب می‌شود تا حتی تحت یک بار سنگین نیز، فلز به آسانی دچار شکست نشود.
• نسبت مناسب استحکام به وزن: با وجود استحکام بالای فولاد Mo40، وزن آن خیلی زیاد نیست.
• شکل‌پذیری بسیار خوب: این فولاد می‌تواند به آسانی به شکل‌های مختلفی دربیاید و در تولید محصولات متنوعی به کار گرفته شود.
• قابلیت سخت شدن: مقدار بالای کربن موجود در فولاد Mo40، این امکان را فراهم می‌کند تا در صورت نیاز بتوان آن را به فولاد سخت تبدیل کرد.
• مقاومت در برابر سایش
• قابلیت ماشین‌کاری: این فولاد قابلیت ماشین‌کاری خوبی دارد و عملیاتی مانند تراشکاری، قالب‌سازی، مته‌کاری، اره‌کاری، سوراخ‌کاری، قلاویزکاری و فرزکاری، می‌توانند روی آن صورت بگیرند.
• جوش‌پذیری: جوشکاری فولاد Mo40 کار ساده‌ای نیست، اما با برخورداری از مهارت‌های کافی امکان‌پذیر است. برای این کار لازم است تا قطعه‌ موردنظر از قبل گرم شود و اطمینان حاصل شود که رفع تنش پس از جوشکاری اتفاق می‌افتد. معمولا توصیه می‌شود که از جوشکاری فولاد Mo40 در شرایط سخت خودداری شود، زیرا باعث تغییر خصوصیات مکانیکی فولاد، در ناحیه‌ای می‌شود که تحت تاثیر حرارت جوش قرار دارد.

ساختار Mo40

برای بررسی ریزساختار حاصل‌شده در فولاد Mo40 که ناشی از انجام عملیات حرارتی روی آن است، سینتیک دگرگونی فولاد Mo40 در فرآیند سردسازی مداوم را بررسی می‌کنیم: 
با افزایش مقدار کروم، تاثیر مولیبدن در تغییر دگرگونی این فولاد، افزایش پیدا می‌کند، به‌خصوص زمانی که مقدار کروم از 0/7 درصد بیشتر باشد. افزایش مقدار کروم، همچنین باعث عریض‌تر شدن گستره‌ زمانی و دمایی دگرگونی آستنیت به مارتنیت و آستنیت به بینایت شده و دمای Bs را کاهش می‌دهد. افزایش سختی‌پذیری فولاد Mo40 و تاخیر دگرگونی فریت به پرلیت، از دیگر نتایج افزایش مقدار کروم است.
پس از گذشت 24 ساعت از تابکاری کامل در دمای 691 درجه سانتی‌گراد نیز، ذرات ریز و درشت بلوک‌های فریت و پرلیت تشکیل می‌شوند. پس از آستنیتی کردن فولاد Mo40 در دمای 843 درجه‌ سانتی‌گراد و سرد کردن در روغن و سپس آنیل کردن در دمای 315 درجه‌ی سانتی‌گراد، ساختار مارتنزیتی آنیل‌شده ایجاد می‌شود.

آنالیز فولاد Mo40 و ترکیب شیمیایی آن

همان‌طور که اشاره شد، فولاد Mo40 یک آلیاژ همه‌کاره است و دلیل آن را باید در شیمی ساده و ترکیب زیر جستجو کرد:

• 0/4 درصد کربن و 0/85 درصد منگنز که قابلیت عملیات حرارتی و سخت‌شدگی را فراهم می‌کنند.
• 1 درصد کروم و 0/25 درصد مولیبدن که به مقاومت به خوردگی را بالا می‌برد، اما نه به اندازه‌ای که فولاد Mo40 را به آلیاژی زنگ‌نزن تبدیل کند. ترکیب این دو عنصر همچنین مقاومت در برابر ضربه، مقاومت حرارتی (تا 500 الی 600 درجه‌ سانتی‌گراد)، چقرمگی (به‌ویژه در قطعات ضخیم) و خزش در یک دمای خاص را نسبت به زمانی که فقط کروم در آلیاژ حضور دارد، افزایش می‌دهد. عنصر مولیبدن به طور خاص نقش موثری در افزایش مقاومت خوردگی ناشی از کلریدها دارد.
• کمتر از 0/3 درصد سیلیسیم که در ساختار این فولاد، به عنوان یک عنصر اکسیژن‌زدا عمل می‌کند و باعث افزایش مقاومت در برابر پوسته شدن، در دماهای بالا می‌شود. این عنصر همچنین مقاومت در برابر اکسید شدن را بالا می‌برد  و در افزایش سختی‌پذیری نیز موثر است.
• حداکثر 1 درصد عنصر منگنز که در اکسیژن‌زدایی نقش دارد و پذیرش سختی و عمق آن را افزایش می‌دهد. منگنز همچنین تردی و شکنندگی ناشی از حضور گوگرد در ساختار فولاد Mo40، در دماهای بالا را کاهش می‌دهد و در کیفیت ظاهری آن نیز موثر است. استحکام این فولاد و خواص آهنگری و جوشکاری آن نیز از عنصر منگنز تاثیر می‌پذیرد.
• فسفر که حداکثر تا 0/04 درصد در ترکیب فولاد Mo40 حضور دارد و باعث افزایش قابلیت کشش عمقی، سختی‌پذیری و خصوصیات ماشین‌کاری می‌شود، اما در انعطاف‌پذیری و چقرمگی فولاد تاثیر منفی دارد. همین مسئله باعث شده تا عنصر فسفر، به مقدار زیادی در ترکیب فولادهای با کیفیت بالا مانند فولاد Mo40 استفاده نشود.
• کمتر از 0/04 درصد گوگرد که به عنوان یک ناخالصی در ترکیب حضور دارد و باعث پایداری سمنتیت می‌شود، اما مانند گوگرد، تاثیرات منفی زیادی بر خواص فولاد دارد و به مقدار کم، برای بهبود خصوصیات ماشین‌کاری و تراشکاری استفاده می‌شود.

عملیات حرارتی فولاد Mo40 و ساختار آن

فولاد Mo40 برای دستیابی به استحکام، سختی و شکل‌پذیری مطلوب، تحت چند عملیات حرارتی مختلف قرار می‌گیرد. هر یک از این فرآیندها مانند آهنگری، آنیل، نرمال‌سازی و سخت‌کاری، ساختار داخلی فولاد را تغییر داده و ویژگی‌های مکانیکی آن را بهبود می‌بخشند. به‌کارگیری صحیح این عملیات، نقش مهمی در افزایش دوام، مقاومت سایشی و عملکرد این فولاد در شرایط کاری سنگین دارد. جزئیات انجام این عملیات در زیر شرح داده شده است: 

• آهنگری (Forging): حرارت تا حدود 1150°C و فرم‌دهی؛ سپس خنک‌سازی آرام در شن یا خاکستر.
• رفع تنش (Stress relieving): حرارت‌دهی در دمای 500 تا 650°C برای کاهش تنش‌های داخلی.
• آنیل کردن (Annealing): حرارت تا 830–850°C و خنک‌سازی در کوره برای نرم شدن ساختار.
• نرمال‌سازی (Normalizing): حرارت در 870–900°C و خنک‌سازی کنترل‌شده جهت یکنواختی ساختار.
• نیتریده کردن (Nitrating): حرارت در 500–530 درجه سانتی‌گراد برای افزایش سختی سطحی و مقاومت سایشی.
• برگشت دادن (Tempering): حرارت 450–700°C برای افزایش انعطاف‌پذیری (دمای 200–420°C موجب شکنندگی می‌شود).
• سخت کردن شعله‌ای و القایی (Flame and induction hardening): حرارت 860–890°C و سرد کردن سریع در آب یا روغن.
• سخت کردن (Hardening): حرارت 830–880°C و کوئنچ در آب یا محلول پلیمری برای بیشترین سختی.

تفاوت فولاد Mo40 و CK45

یکی دیگر از پرکاربردترین محصولات فولادی موجود در بازار، CK45 است که در استاندارد AISI با نام 1045 تعریف شده است. با وجود اینکه 98 درصد از ترکیب این آلیاژ با فولاد Mo40 مشترک است، این دو فولاد تفاوت‌هایی نیز دارند که می‌توان آن‌ها را از نظر ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی مورد بررسی قرار داد.

اولین تفاوتی که با نگاه به ترکیب شیمیایی فولاد CK45 متوجه آن می‌شویم، حضور عنصر نیکل در این ترکیب است که در فولاد Mo40 یافت نمی‌شود. همچنین عنصر کروم که اهمیت زیادی در ساختار فولاد Mo40 دارد، در CK45 وجود ندارد که نتیجه‌ آن، کم‌تر بودن مقاومت به خوردگی و زنگ‌زدگی در این فولاد است. عناصر بعدی فولاد CK45 با فولاد Mo40 یکسان است، اما مقادیر آن‌ها در دو ماده متفاوت است. میزان کربن موجود در فولاد CK45 در حدود 0/05 درصد بیشتر از فولاد Mo40 است، به همین دلیل سختی‌پذیری آن بیشتر است اما شکل‌پذیری، چقرمگی و استحکام کمتری نسبت به فولاد Mo40 دارد. همچنین با وجود اینکه هر دو فولاد قابلیت انجام عملیات حرارتی را دارند، وجود کربن بیشتر در CK45، جوشکاری آن را از فولاد Mo40 دشوارتر می‌کند، قابلیت ماشینکاری، نسبت مقاومت به وزن و قیمت نسبی فولاد CK45 نیز کمتر از فولاد Mo40 است.
از دیگر تفاوت‌های این دو فولاد، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

کاربردهای فولاد Mo40

فولاد آلیاژی Mo40 به‌دلیل ترکیب شیمیایی خاص و ویژگی‌های مکانیکی فوق‌العاده، در صنایع مختلف به‌عنوان ماده اولیه کلیدی در بسیاری از صنایع شناخته می‌شود. استحکام کششی بالا، مقاومت در برابر ضربه و قابلیت انجام عملیات حرارتی متنوع این فولاد سبب شده برای ساخت قطعاتی که تحت فشار و تنش زیاد قرار دارند، گزینه‌ای ایده‌آل محسوب شود. در ادامه به بررسی کاربردهای فولاد Mo40 می‌پردازیم: 

• صنایع خودروسازی
• ماشین‌سازی و تجهیزات صنعتی
• صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
• ابزارسازی و قالب‌سازی
• صنایع معدنی و کشاورزی

چرا فولاد Mo40 گزینه‌ای مناسب برای پروژه‌های صنعتی شما است؟

فولاد آلیاژی Mo40 به‌دلیل ترکیب متعادل عناصر کربن، کروم و مولیبدن، از استحکام بالا، مقاومت عالی در برابر سایش و قابلیت انجام عملیات حرارتی گسترده برخوردار است. این ویژگی‌ها موجب شده تا در پروژه‌های صنعتی که دقت، دوام و تحمل فشار بالا از اهمیت بالایی برخوردار است، این فولاد به‌عنوان انتخابی مطمئن و اقتصادی شناخته شود. علاوه‌براین، فولاد Mo40 با داشتن قابلیت ماشین‌کاری مناسب و مقاومت خوب در برابر خوردگی، در صنایع مختلف ازجمله نفت و گاز، خودروسازی، ماشین‌سازی و قالب‌سازی کاربرد گسترده‌ای دارد. در نتیجه، استفاده از آن به افزایش عمر مفید قطعات و کاهش هزینه‌های نگهداری در پروژه‌های صنعتی منجر می‌شود.