معرفی فولاد عملیات حرارتی‌پذیر Mo40

فولادهای کربنی با دارا بودن خواص فیزیکی و شیمیایی متنوع ناشی از حضور کربن، امروزه از جایگاه ویژه‌ای در بازار فولاد برخوردار هستند. فولاد Mo40 را می‌توان یکی از مهم‌ترین فولادهای کربنی دانست که قیمت مناسب آن در برابر گستره‌ خواصی که برای مصرف‌کنندگان فراهم می‌کند، قابل‌توجه است. در مقاله پیش رو، این خصوصیات فوق‌العاده را معرفی کرده و ساختار شیمیایی فولاد Mo40 را بررسی می‌کنیم. سپس به عملیات حرارتی مختلفی که روی این فولاد انجام می‌شود نگاهی خواهیم داشت و تفاوت‌های آن با دیگر فولاد مهم کربنی، یعنی CK45 را برمی‌شماریم. در انتها نیز به تعدادی از مهم‌ترین کاربردهای فولاد Mo40 اشاره خواهیم کرد. پس اگر درباره‌ فولاد Mo40 کنجکاو هستید، با ما همراه باشید.

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.

فولاد Mo40 چیست؛ خواص آن

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 فولاد Mo40 باعث شده تا در طیف گسترده‌ای از صنایع مورد استفاده قرار بگیرد. قیمت روز 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 فولاد Mo40 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.
همچنین برای رسیدن فولاد Mo40 به سختی موردنیاز، ممکن است فشار زیادی نیز در حین فرآیند شکل‌دهی به آن اعمال شود. پس از پردازش فولاد Mo40، 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. فولاد Mo40، 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: فولاد Mo40 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.

[button url="https://ahanonline.com/10454/فولاد-آلیاژی-alloy-steel/" text="بیشتر بدانید: فولاد آلیاژی چیست؛ انواع آن"]

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 فولاد Mo40، 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 فولاد Mo40 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

برای فولاد Mo40، عملیات حرارتی گوناگونی وجود دارد، که در ادامه به بررسی هر کدام می‌پردازیم.

آهنگری (Forging): فولاد Mo40 را برای آهنگری، تا دمای 1150 درجه‌ سانتی‌گراد حرارت می‌دهند تا به فرم یکنواخت دربیاید. حداقل دمای آهنگری فولاد Mo40، 850 درجه‌ی سانتی‌گراد است و می‌تواند به آرامی در شن، خاکستر و... خنک شود.

رفع تنش (Stress relieving): فولاد سخت‌شده را 500 الی 550 و فولاد آنیل‌شده را 600 الی 650 درجه‌ سانتی‌گراد حرارت می‌دهند.

آنیل کردن (Annealing): فولاد Mo40 را تا 830 الی 850 درجه‌ سانتی‌گراد حرارت می‌دهند و در کوره خنک می‌شود.

نرمال‌سازی (Normalizing): فولاد Mo40 را تا 870 الی 900 درجه سانتی‌گراد حرارت داده می‌شود و خنک‌سازی در کوره صورت می‌گیرد.

نیتریده کردن (Nitrating): فولاد Mo40 را تا 500 الی 530 درجه‌ سانتی‌گراد حرارت داده و به مدت کافی در آن دما نگه می‌دارند تا عمق موردنظر ساخته شود. قطعات باید در صورت لزوم از قبل سخت شده و روی آن‌ها ماشین‌کاری انجام شود.

برگشت دادن (Tempering): فولاد Mo40 را تا دمای 450 الی 700 درجه‌ سانتی‌گراد گرم کرده و سپس خنک می‌شود. انجام فرآیند برگشت در بازه‌ی دمایی 200 تا 420 درجه‌ سانتی‌گراد، باعث شکنندگی شده و توصیه نمی‌شود.

سخت کردن شعله‌ای و القایی (Flame and induction hardening): ابتدا تمام مواد سطحی کربن‌زدایی‌شده باید از بین بروند تا بهترین نتیجه حاصل شود. سپس فولاد Mo40 را به سرعت در عمق موردنیاز و دمای 860 تا 890 درجه‌ سانتی‌گراد حرارت می‌دهند و فورا در آب یا روغن ترکیب‌شده با کربن فرو می‌برند تا خنک شود (Quenching). برگشت دادن در دمای 150 تا 200 درجه‌ سانتی‌گراد، در مواردی که تاثیر برسختی فولاد حداقل است، تنش را کاهش می‌دهد.

سخت کردن (Hardening): فولاد Mo40 را تا دمای 830 تا 880 درجه‌ی سانتی‌گراد حرارت داده و خنک‌سازی در آب یا ماده‌ پلیمری انجام می‌شود.
 

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.
 

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.

[button url="https://ahanonline.com/10545/فولاد-ck45-کاربردهای-آن/" text="بیشتر بدانید: معرفی فولاد CK45"]

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:

ورق Mo40 و کاربردهای آن

یکی از شکل‌های متدوال فولاد Mo40، ورق آن است که در ضخامت‌ها و کیفیت‌های متنوعی به بازار عرضه می‌شود. سختی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت کششی بالای ورق فولاد Mo40 باعث شده تا کاربردهای وسیعی در زمینه‌های مهندسی و صنایع مختلف داشته باشد. در صنعت نفت و گاز از فولاد Mo40 برای ساخت تجهیزات درون‌چاهی استفاده می‌کنند و غلتک‌های مورد استفاده در صنایع سیمان و فولاد نیز از این جنس هستند. 
همچنین از فولاد Mo40 برای تولید قطعاتی مانند آداپتورها، میل‌لنگ‌ها، چرخ‌دنده‌ها، محورها، شاتون‌ها، دنده فرمان، پایه‌های قالب، جت‌پمپ‌ها، ابزار قابل‌نصب، بست‌ها، قالب‌ها، بادامک‌ها، طوقه‌ مته‌ها، پیچ و مهره‌ها، پیچ‌های دوسر رزوه، اتصال‌های میل گاردن، اتصالات، بدنه‌ قلاویزها، دنده‌ها، میله‌ پیستون‌ها، تلمبه‌ها، شفت‌های ماشین‌آلات هیدرولیک، میله‌های دنده، اتصالات زنجیره‌ای، دوک‌ها، بدنه ابزارها، نگهدارنده‌های ابزار، میله‌های مهار، گیره‌های مته، سیم‌گیرها، پین‌ها و رول‌های نوار نقاله، پین‌های جت‌پمپ‌ها، چنگال‌ها، محورهای هیدرولیک، دوک‌های نخ‌ریسی، ماشین‌های فرزکاری، اهرم‌ها، محور پمپ‌ها، ابزار حفاری، شیارها، قالب‌های ترمز، قطعات هواپیما، گیره‌های فشنگی، گاوآهن و دیگر ابزارهای خاک‌ورز، انبردست‌ها، ظروف تحت فشار، چاقوهای دندانه‌دار و... استفاده‌های زیادی می‌شود.

جمع‌بندی

ورق‌های فولادی مانند Mo40 از طریق فرآیندهای نورد گرم و سرد تولید می‌شوند و شکل انجام این فرآیندها بر خصوصیات آن‌ها تاثیرگذار است. در هنگام خرید این محصولات، باید فاکتورهایی مانند محدودیت وزن و هزینه را موردتوجه قرار داده و ضخامت موردنیاز را از قبل محاسبه کرد. به نظر شما ورق Mo40 برای پروژه‌های صنعتی و ساختمانی مناسب‌تر است یا CK45؟ یا حتی کدام نوع ورق فولادی دیگر؟!