بررسی ریز ساختار های چدن و فولاد:
بررسی ریز ساختار های چدن و فولاد:
چدن سفيد:
كه دران تمامي كربن موجودبه حالت تركيب وبصورت سمنتيت وجود دارد. هيپوتكنيكي چدن سفيد شامل پرليت ولدبوريت است.
سطح مقطع اين چدن داراي ظاهري سياه وسفيد است.اين چدن مصرف صنعتي كمتري داردواكثرا براي ساخت چدن ماليبل ازان استفاده مي شود.
2-1-چدن خاكستري با گرافيتي:
كه قسمت عمده يا تمام كربن موجوددرساختمان ان بصورت ورقهاي ازادكربن (گرافيت)ميباشد.چدن گرافيتي داراي مقطعي به رنگ خاكستري تيره يا تقريبا سياه مي باشد.تمام چدنهايي كه كربن بصورت ازاددرانها وجوددارددرزمره چدنهاي خاكستري قرار مي گيرند.
وقتي كه چدن ازحالت مذاب منجمد مي شود،گرافيت بافوق تبريد پايين شكل مي گيرد.سرد كردن اهسته،شكل گيري گرافيت راتشديد ميكند.سرد كردن سريع(تا اندازه اي ياحتي بطوركامل)مانع تشكيل گرافيت(گرافيتي شدن)گشته ومنجر به شكل گيري سمنتيت مي گردد.
درنمودار تعادل اهن-كربن(شكل 1-1)خطوط بريده بريده ياخط چين نشان دهنده تشكيل گرافيت(حالت پايدارسيستم اهن-كربن)بوده وحال انكه خطوط پر،برتعادل نيمه پايدار ان دلالت دارند كه دران سمنتيت شكل مي گيرد.
گرافيت يوتكتيكي در طول خط ECF(سيستم گرافيتي)رسوب ميكند،درحالي كه گرافيت اضافي(ثانويه)به ترتيب درطول خطوطSEوPSKرسوب مي نمايند.
گرافيت ثانويه وگرافيت يوتكتوئيد بر روي ذراتي كه قبلا شكل گرفته اند نشسته وابعاد انها را زيادميكنند وقتي كه چدني را كه كربن موجود در ان بصورت كاربيد است تا درجه حرارت بالاي گرم كرده و براي طولاني در ان درجه نگه داريم عمل گرافيتي شدن صورت مي گيرد (يعني سمنتيت به گرافيت تبديل مي شود) در اين مرحله ذرات فاز پايدارگرافيت جوانه زايي كرده ورشد مي نماينددرحاليكه كريستالهاي سمنتيت حل مي شوند.بدين ترتيب پس ازمدتي فازناپايدار (سمنتيت) ناپديدمي شود.
مكانيزم گرافيتي شدن هنوزكاملا روشن نشده است.طبق نظربونين اين فرايند شامل مراحل زيراست:
1. حل شدن سمنتيت دراوستنيت
2. نفوذ اتمهاي كربن بطرف مراكزتجمع گرافيت
3. اتمهاي اهن مناطقي ازمحلول جامدراكه ذرات گرافيت درانجاهسته سازي ورشدمينمايند،ترك مي كنند.اين موضوع راخودنفوذي اهن ياSELF-DIFFUSIONمي نامند.
4. كربن از محلول رسوب مي كنديعني ذرات گرافيت تشكيل مي شوند.سرعت گرافيتي شدن بوسيله اهسته ترين قسمت فرايندكه همان خودنفوذي اهن است (يعني مرحله اي كه دران مناطقي را كه گرافيت درانجا تشكيل مي شود ترك ميكنند) محدودمي گردد.
حركت اتمهاي اهن دراستنيت (يافريت) تاحدقابل ملاحظه اي كند ترازنفوذاتمهاي كربن است واين بواسطه كوچكترين بودن نسبي اتمهاي اهن مي باشد. بنابراين اغلب هنگاميكه الياژهاي اهن-كربن درحالت جامدسردمي شوند پديده گرافيتي شدن نمي تواندرخ دهد درحاليكه سمنتيت نسبتا ساده شكل ميگيرد زيرا فقط مستلزم نفوذ كربن ومرتب شدن مجدداتمهاي اهن به مقدارجزيي ميباشد.
طبقه بندي چدنها كه براساس مقداركربن تركيبي موجوددرانهاصورت گرفته است درجدول1-2امده است. بايد توجه داشت كه تركيب شيميايي چدن به سزايي بر گرافيتي شدن ان دارد.
عناصر الياژي اضافه شونده به چدن رابه دوگروه طبقه بندي كرده اند:
1-عناصر گرافيت زا (شاملC,Ni,Al,Siوغيره) كه باعث تسريع عمل تجزيه سمنتيت مي شوند.
2-عناصركاربيدزا (شاملMo,V,W,Cr,Mnوغيره) كه درسمنتيت حل شده ومانع تجزيه ان مي شوند.
با تغييرمقدارعناصرگرافيت زا وكربيدزا درچدن مي توان درجات مختلفي ازتجزيه سمنتيت رابدست اورد. درعمل ساده ترين راه براي اين كارتغييرمقدارسيلسيم است. ساختمان هرتركيب چدن بستگي به سرعت سردكردن قطعه ريختگي (ضخامت ديواره) دارد.
ارتباط بين خواص و ساختمان ان بسيار پيچيده تر از ارتباط بين خواص چدن و ساختمان فولاداست. چدن خاكستري شامل يك شبكه فلزي است كه ذرات گرافيت دران توزيع شده اند.بنابراين خواص چدن رامي توان بوسيله ساختمان شبكه ووضعيت ذرات گرافيت ان تعيين كرد. تاثيروضعيت ذرات گرافيت برخواص چدن را فقط مي توان بصورت كيفي اندازه گيري كرد.هرچه اين ذرات بزرگتربوده وكمترتوزيع شده باشند فلز ضعيف ترخواهدبود.
ذرات گرافيت موجود درچدن رامي توان بصورت تركها يا شكافهاي داخلي درنظرگرفت كه مانع پيوستگي فلز مي گردند.شبكه فلزي چدنهاي ريختگي معمولي شامل پرليت وفريت است.افزايش پرليت دراين ساختمان(به همان شكل گرافيت ته نشيني)باعث بهبودخواص مكانيكي آنهامي شود.
براي تعيين ساختمان وخواص چدن ازيك جدول رده بندي(1-4)كه توسط لانداطرح شده است،استفاده مي شود.اين جدول ارتباط بين مقدارسيلسيم،صورتهاي مختلف كربن (تركيب شده،ياگرافيت ) ومقداركلي انها، ضخامت قطعه ريختگي ( سرعت سرد كردن) ،استحكام كششي وساختار چدنهاي الياژ نشده رانشان مي دهد.
اين جدول تركيبي ازسه نموداراست.دوتاازنمودارهادرسمت راست وچپ جدول بوده وداراي يك محوراصلي قائم مي باشند،امامحورهاي افقي انهامتفاوت است (محورسمت چپ نشان دهنده ساختمان قطعه ريختگي است ومحورسمت راست مقدارسيلسيم رامشخص مي كند درنمودار سمت چپ،خطوط منحني مقداركلي كربن(Ct)را)براي چدنهاي مختلف(معين مي كنند.درنمودارسمت راست خطهاي راست مشخص كننده كربن تركيبي(Cc)مي باشند.درنمودار موجوددر منتهي عليه سمت چپ،محورهاي قائم نشان دهنده مقادير كششي(Qu)بوده درحالي كه محور افقي (محوربالايي) مقداركربن كربن تركيبي(Cc)ومقاديرپرليت وفريت رانشان مي دهد.
چدنهاي معروف به چدنهاي پرليتي وسيعترين كاربردرادر صنايع مهندسي دارند.ساختمان اين چدنها شامل يك زمينه پرليتي است كه دران گرافيت بصورت ورقه هاي نازكي گسترده شده است مقدارورقه هابايدتاحدامكان كم بوده وكاملا ازيكديگر جدا باشند.تجمع گرافيت درشبكه نامطلوب ونامرغوب است چون در اينجا معمولا گرافيت بوسيله فريت احاطه شده وبدست اوردن يك شبكه پرليتي خالص كه خواص مكانيكي خيلي خوبي داشته باشد را مشكل مي سازد.تمام چدنهاي خاكستري كه درحال حاضرمورد استفاده قرارمي گيرندرامي توان به گروههاي زير طبقه بندي كرد.
چدنهاي با استحكام پايين:
مقاومت كششي اين چدنها از12تا21كيلوگرم برميلي مترمربع و مقاومت خمشي آنها28تا40كيلو گرم برميلي متر مربع است. آناليزشيميايي تقريبي اين چدنها بصورت زير مي باشد:
درصدSi=1.7-3.0 درصدC=3.2-3.6
درصدp<0.5 درصدMn<0.5
درصدS<0.12
ساختمان اين چدنها شامل«فريت+گرافيت» يا«پرليت +فريت+ گرافيت» است. گرافيت دراينجا به شكل ورقه اي است.اين چدنها براي اجزائي از ماشينها كه داراي مسئوليت كمتري بودهودرعمل
تحت تاثير بارهاي سبك قرار مي گيرند بكاربرده مي شوند.
2-2-1چدنهاي با استحكام متوسط:
اين گروه چدنها درريخته گري اجزاءماشين آلات پرقدرت، پيستونها، سيلندرها وغيره به كاربرده مي شوند. اين گروه شامل چدنهاي پرليتي است.به هنگام ذوب اين چدنها حدود10تا30 درصدقراضه به بار كوره كوپل اضافه مي شود.اين قراضه ها داراي مقدار كربن كمتري هستندوبدست آوردن يك زمينه پرليتي با توزيع ذرات گرافيت روي آنها امكان پذير است.تركيب تقريبي اين چدنها بصورت نشان داده شده در زير مي باشد:
درصدSi=1.5-1.7 درصدC=2.8-3.0
درصدMn=0.8-1.0 درصدP<0.3
درصدS<0.12
مقدارسيلسيم در اين چدنها بايد در حدي باشد كه از ايجاد كربن بصورت تركيبي(Fe3c)جلو گيري كند.اين گروه شامل چدنهاي تلقيح شده نيزمي باشد.اين چدنها باافزودن موادمخصوصي به نام مواد تلقيحي (فروسيلسيم75 درصدسيلسيم، كلسيم سيليسيدوغيره) به چدن مذاب قبل از ريختن به داخل قالب تهيه مي شوند.
هدف اصلي از تلقيح عبارت از تسريع شكل گيري تركيب يوتكتيكي وسمنتيت ثانويه،ازبين بردن تجمع گرافيت در شبكه و بدست اوردن يك زمينه پرليتي با ذرات ريز گرافيت مي باشد. عمل تلقيح معمولا بر چدنهاي كم كربن كه محتوي مقدار نسبتا كمي سيلسيم ومقدار زيادي منگنز هستند اعمال مي شود.بدون مواد تلقيحي ساختمان بدست آمده بصورت ساختمان چدن خالدار (يعني پرليت +گرافيت +سمنتيت) خواهد بود.دراين نوع چدنهاهرچه مقدار كربن كمتر باشد مقدار گرافيت هم كمتر خواهدبود. وهر چه مقدار سيلسيم وكربن ومقدار منگنز زياد باشد شكل گيري پرليت آسانتر مي شود.تركيب تقريبي اين چدنها بصورت زير است:
درصدSi=1.0-1.5 درصدC=2.9-3.2
درصدS<0.12 درصد P<0.3
درصد Mn<0.8-1.0
مصرف مواد تلقيحي باعث پايين امدن درجه فوق تبريد،اكسيژن زدايي چدن وتوليد جوانه هاي فراوان در مذاب مي شود.باكم شدن درجه فوق تبريد مي توان از سخت شدن وتجمع مناطق گرافيتي جلوگيري نمود.چدنهاي تلقيحي براي قطعاتي از ماشين كه تحت تاثير سائيدگي قرار مي گيرند مانند :چرخ دنده ها، سيلندرهايترمز، سيلندر هاي ماشين بخار،وغيره به كار برده مي شوند.
عاملي كه در انتخاب گروه چدن بايد به خاطر سپرده شوداين است كه هنگاميكه سرعت سرد شدن كاسته مي شود( با افزايش ضخامت ديوارهاي قالب)خواص مكانيكي فلز پايين مي آيد.اين امر مربوط به درشتتر شدن پرليت درمقاطع كلفت وتشكيل مقدار قابل ملاحظه اي فريت+پرليت است.
3-2-1انواع چدن با استحكام زياد گرافيت كروي:
اين گروه را چدنهاي نشكن يا داكتيل ويا چدنهاي گرافيت كروي (SG)مي نامند.اين نوع چدنها از طريق اضافه كردن مقدار كمي منيزيم (در دماي 1450-1400درجه سانتي گراد)به مذاب چدني كه داراي تركيبي مشابه تركيب شيميايي چدن خاكستري معمولي است،بدست مي ايد.هر چه قطعه ريختگي بزرگتر باشد مقدارمنيزيم اضافه شونده نيز بيشتر خواهد بود معمولا مقدار منيزيم را 3/0تا2/1درصد وزن كل چدن انتخاب مي كنند .
رسوب مي منيزيم كه طي انجماد در ساختمان چدن سبب مي شود كه گرافيتي كند به جاي انكه بصورت ورقه اي رسوب مي كند مانند چدن خاكستري به شكل گرد كروي در آيد.وجود گرافيت به اين شكل سختي شبكه را پايين آورده وموجب فراهم آوردن خواص مكانيكي بالائي مي گردد.
منيزيم نه تنها باعث تغيير شكل گرافيت مي شود،بلكه استحكام زمينه را نيز بالا برده وبعلاوه باعث افرايش ظرفيت چدن تحت فوق تبريد ودر نتيجه سخت شدن آن مي شود.
چدن انعطاف پذير داراي ساختماني شامل پرليت+فريت+گرافيت كروي شكل است وگاهي اوقات نيز ساختمان آن شامل فريت +گرافيت مي باشد دراين موردتشكيل فريت مطلوب است زيرا چدن بدون كم شدن استحكامش،قابليت شكل پذيري هم بدست مي آورد.وجود گرافيت كروي اثر عمليات حرارتي را به شدت بالا مي برد.
در اينجا ياد اور مي شويم كه نوع ديگري از طبقه بندي چدنها بصورت چدنهاي كم آلياژوپرآلياژاست كه امروزه كاربرد هاي وسيعي درصنعت پيدا كرده اند.در گروه چدنهاي كم آلياژمقدار عناصرآلياژي از 3درصدتجاوزنمي كند.مقصود اصلي ما از آلياژ كردن عبارت از افزايش استحكام ،مقاومت خوردگي ،مقاومت حرارتي ، مقاومت به پوسته پوسته شدن حرارتي استحكام در مقابل سائيدگي ونيز بدست آوردن خواص مغناطيسي مورد نياز و غيره مي باشد.
آلياژ كردن مركب كه در آن مجموعه اي از عناصر كار بيدزا وگرافيت زابه چدن اضافه مي شود (كرم ونيكل،كرم،منگنزو سيلسيم و…) موثرترين نوع آلياژ كردن است.
4-2-1چدن ماليبل
چدن ماليبل هم مانند چدن خاكستري شامل يك زمينه فلزي (پرليت يافريت ) و گرافيت شبه كروي مي باشد.در چدن خاكستري گرافيت ها طي انجماد وسرد كردن بعدي بصورت ورقه هايي ته نشين مي شوند .از طرف ديگر چدن ماليبل شامل گرافيت شبه كروي (به نام كربن حرارتي) است وافزايش قابل ملاحظه خواص مكانيكي چدن در نتيجه همين امر مي باشد.چدن ماليبل در نتيجه فرايند آنيل كردن مخصوص (بنام چكش خوار كردن ) از چدن سفيد بدست مي آيد. در توليد قطعات ريختگي از جنس چدن ماليبل دو نوع چدن سفيد از انواع ديگر مناسب تر است.
1-نوع كم كربن با تركيب:
درصدSi=1.4-1.6 درصدC=1.7-2.7
درصدMn=0.4-0.7 درصدP=0.2-1
درصدS=0.12
2-تركيب كوپل معمو لي باآناليز:
درصدSi=1.4-1.6 درصد C=2.8-3.2
درصدMn=0.4-0.7 درصدp=0.2
درصدS=0.12
1)بررسي سطح مقطع چند فولاد
1-1-بر حسب تركيب شيميائي:
طريقه طبقه بندي در اين حالت بصورت زير مي باشد.
1-1-1-فولادهاي ساده كربني
2-1-1-فولادهاي آلياژي يا مخصوص
فولادهاي آلياژي علاوه بر كربن وبرخي عناصر غير قابل اجتناب هميشگي (مثلP.S.Si.Mn)شامل عناصر ديگري نيزهستند كه مخصوصا به آنها اضافه مي شود ،مثل منگنز( بيش از 1درصد)،Si (بيش از 5/0درصد )، Ni.Cr.Mo.W.V.Tiو غيره كه اين عناصر خواص لازم را به فولاد مي دهند.
2-1-بر حسب روش توليد:
در اينجا انواع فولادها بصورت زير طبقه بندي مي شوند:
1-2-1-فولادهايي با كيفيت اصلاح شده ومعمولي
اين نوع فولادها را يا در كنور تورها (اسيدي يا قليايي)ويا در كوره هاي زيمنس مارتين بزرگ تصفيه مي كنند واز نظر تركيب مشابه فولادهاي كربني ومقدار كربنشان از 06/0تا65/0درصدمي باشد. كه از اين نوع فولادها ساخته مي شوند مستلزم دارا بودن تركيبات شيميايي ويا خواص مكانيكي معيني هستند.اين فولادها نسبت به فولادهاي با كيفيت بالاتر داراي مقاديري عناصر مضر مي باشند (مثل گوگرد تا055/0درصدوفسفرتا(085/0-05/0درصد)
3-2-1-فولادهايي با كيفيت خوب
اين فولادها در كوره هاي زيمنس مارتين قليايي تصفيه مي شوند.
در اينجا بر حسب تر كيب بار ،روش گداختن ،تصفيه وريختن ،شرايط سخت تر ودقيقتري وجود دارد.تركيب شيميايي ،مقدار ناخالصيهاي غير فلزي ومعايب ديگر در اينجا كمتر بوده وهمچنين خواص مكانيكي اين فولادها نسبت به فولادهايي با كيفيت معمولي بهتر است.
3-2-1-فولادهايي با كيفيت بالا
اين فولادها در كوره هاي زيمنس مار تين اسيدي يا بازي يا كوره هاي الكتريكي گداخته وتصفيه مي شوند .تركيب اين فولادهادر محدودهكوچكي ثابت است .اين فولادها فقط محتوي مقادير خيلي كمي ناخالصي هاي مضر (گوگرد وفسفر )بوده و اغلب محتوي ناخالصي هاي غيره فلزي نيستندوخواص مكانيكي انها را مي توان به دقت كنترل نمود.اين فولاد ها را به داخل قالبهاي شمش با كوچكترين اندازه مجاز مي ريزند .
3-1-تمام فولادها را بر حسب موارد كار برد شان نيز مي توان به صورت زير طبقه بندي كرد :
1-3-1-فولادهاي ساختماني :
فولادهاي ساختماني كه در ساخت اجزاء ساختماني وساختمانهاي فولادي مورد استفاده قرار مي گيرند .اين زير گروه در بردارنده فولادهاي كربني با كيفيتي معمولي بوده ،داراي قابليت جوشكاري خوب وخواص مكانيكي رضايت بخشي در شرايط تحويل شده (يعني بدون عمليات حرارتي اضافي ) مي باشد
2-1-3-1-فولادهاي صنعتي كه براي توليد اجزاء دستگاههاي صنعتي به كار برده مي شوند
.شرايط اصلي ساخت اين فولادها عبارت از دارا بودن استحكام زياد تحت بار گذاري ساكن و متحرك وخواص ساخت خوب (قابليت سخت شوندگي مشخص تغيير بعد نسبي حداقل قابليت ماشين كاري رضايت بخش وغيره) مي باشند .
تذكر اين نكته مهم است كه خواص مكانيكي وساخت درذوبها وپختهاي مختلف همين فولاد در محدوده كوچكي تغيير مي كند. در مواردي كه فرايند توليد مستلزم دقت زيادي باشد تهيه قطعات ماشين با كيفيت يكنواخت ضروري است .فولادهاي كربني ،آلياژي ،با كيفيت خوب و با كيفيت عالي كاربردهايي بعنوان فولادهاي صنعتي ومهندسي پيدا كرده اند .فولادهاي كربني با كيفيت معمولي نيز براي كار بردهاي كم تنش مورد استفاده قرار مي گيرند .اكثر فولادهاي مهندسي تحت عمليات حرارتي قرار مي گيرند .
2-3-1-فولادهاي ابزار كه درتوليد
ابزارهاي اندازه گيري ،برش ونيز قالب سازي مورد استفاده قرار مي گيرند .
فولادهاي ابزار بايد مقاومت سايش وسختي زيادي داشته باشند اين فولادها مستلزم دارا بودن استحكام زيادي در لبه هاي برنده ابزارها هستند ،چرا كه از خرابي آنها توسط تنشهاي بزرگي كه به واسطه بريدن فلز بوجود مي آيد وهم چنين از شكستگي اجزاء ابزاري كه تحت تاثير تنشهاي پيچشي وخمشي زيادي هستند، پيشگيري گردد.بعلاوه بايد داراي چقرمگي فراواني باشند تا در مقابل ضربات و ارتعاشات مقاومت كنند .فولادهايي كه براي ساختن قالبهاي آهنگري داغ در نظر گرفته مي شوند بايد داراي خواص مكانيكي رضايت بخشي در دماهاي بالا باشند .
اين گروه در بر دارنده فولادهاي كربني (بالاتراز 75/0-65/0درصد كربن) و فولادهاي آلياژي با كيفيت عالي وبا مقدار كربن زيادي هستند.
3-3-1-فولادهايي كه متناسب با كاربردشان داراي خواص فيزيكي مخصوصي هستند.
اينها شامل فولادهاي مغناطيسي وغيرمغناطيسي فولادهاي با ضريب انبساط معين ،فولادهاي مقاوم حرارتي و فولادهاي ضد زنگ وغيره مي باشند .
اين گروه از فولادها كه داراي كاربردهاي ويژه اي هستند از نظر تركيب شيميايي شامل فولادهاي آلياژي با كيفت خوب و با كيفيت عالي مي باشند .
فرایندهای عملیات حرارتی
۱) نرمالایزینگ این عملیات برای همگن كردن و ریز كردن دانهها انجام میشود. فولاد در عملیات نرمالایزینگ بعد از قرار گرفتن در دمای آستنیته شدن در هوای آرام یا با دمش اندك هوا خنك میشود. به خاطر خصوصیات ذاتی فرایند ریختهگری، عملیات نرماله برای بلومهای ریخته شده پیش از انجام هر فرایند دیگری انجام میشود. همچنین بهطور معمول برای قطعات ریخته شده و فورج شده پیش از عملیات آب دادن، عملیات نرماله انجام میشود.
۲) آنیلینگ عنوان آنیلینگ بهطور كلی به فرایندی اطلاق میشود كه در آن فلز تا دمای خاصی گرم میشود، سپس در آن دما برای مدتی نگهداری شده و با سرعت مشخص سرد میشود. این عملیات برای به دست آوردن فلزی نرمتر از حالت شروع عملیات یا ایجاد تغییرات دلخواه در ساختار فلز انجام میشود.
دلایل انجام آنیلینگ به شرح زیر است: -بهبود قابلیت ماشینكاری
-امكان انجام راحتتر عملیات كار سرد -بهبود خواص مكانیكی یا الكتریكی
-افزایش پایداری ابعادی ۳) تنشزدایی تنش پسماند به دلایل مختلف در قطعات ایجاد میشود. نورد، ریختهگری، آهنگری، خمكاری، آب دادن، سنگ زدن و جوشكاری از جمله منابع ایجاد تنش پسماند در قطعه میباشند. در این عملیات، قطعه تا دمای حدود c۵۹۵ حرارت داده میشود و سپس به آرامی تا دمای اتاق سرد میشود. قسمتهای درون قطعه نیز باید به دمای مذكور رسیده باشند. در هنگام سرد كردن به این نكته توجه كنید كه تمام نقاط قطعه بهطور یكنواخت سرد شود خصوصاً در مورد قطعاتی كه پیچیدگی ابعادی دارند. در غیر این صورت مجدداً تنش پس ماند در قطعه ایجاد خواهد شد.
۴) سختكاری سطحی
در این عملیات سطح سخت و با مقاومت بالای سایشی بر روی قطعه ایجاد میشود و در عین حال ساختار داخلی قطعه نرم باقی میماند كه در برابر ضربه كاملاً مقاومت دارد. سطح سخت شده به عنوان پوسته (Case) و داخل قطعه با عنوان مغز (Core) شناخته میشود. معمولاً بعد از عملیات سختكاری سطحی باید عملیات برگشت برای بهبود خواص پوسته انجام شود. یكی از روشهای سختكاری سطحی، كربوراسیون است. این روش به ۳ صورت كربوره گازی، كربوره مذاب و كربوره جامد انجام میشود. در هر روش كربن از محیط اطراف قطعه كه گاز، مذاب یا جامدات است به داخل سطح فولاد كه در دمای حدود ۸۵۰ تا ۹۵۰ درجه سانتیگراد قرار دارد نفوذ كرده و بعد از انجام عملیات آب دادن با ایجاد فاز سخت مارتنزیت باعث افزایش سختی سطح قطعه میشود. فولاد مناسب برای انجام عملیات كربوره در حدود ۲/۰ درصد كربن دارد و بعد از انجام عملیات كربوره، میزان كربن در سطح به مقدار ۸/۰ تا ۱ درصد خواهد رسید.
۵) آب دادن (
اصطلاح آب دادن به فرایند ایجاد ساختار مارتنزیتی در فولاد اطلاق میشود. در این حالت فولاد بعد از قرار گرفتن در دمای آستنیته كه معمولاً در حدود ۸۱۵ تا ۸۷۰ درجه سانتیگراد میباشد به سرعت سرد میشود.
۶) محیط خنككننده (
انتخاب شرایط سرد شدن و محیط مناسب برای هر فولاد بستگی به میزان سختیپذیری آن دارد. ضخامت مقاطع و شكل و پیچیدگی قطعه و سرعت مناسب سرد شدن از عوامل مؤثر بر ایجاد ساختارهای متفاوت در حین عملیات آب دادن میباشند. محیطهای خنككننده غالباً گازی یا مایع میباشند. بعضی از انواع آن عبارتند از:
- روغن
- آب
- پلیمرهای مذاب
- آب به تنهایی یا همراه با نمك
- گازهای خنثی نظیر هلیم، آرگون و نیتروژن كه به عنوان محیطهای خنككننده گازی بعد از عملیات آستنیته كردن در خلاء، استفاده میشوند.
۷) بازگشت دادن (
این عملیات بر روی فولادها یا قطعاتی كه تحت عملیات آب دادن یا نرمالایزینگ قرار گرفتهاند به منظور افزایش چقرمگی۸ و كاهش سختی انجام میشود. عملیات بازگشت برای اغلب فولادها با حرارت دادن آنها در محدوده دمایی ۲۰۵ تا ۵۹۵ درجه سانتیگراد و نگه داشتن در آن دما برای مدت یك ساعت یا بیشتر انجام میشود. دما یا زمان بیشتر باعث كاهش سختی و استحكام بیشتر فولاد خواهد شد. ساختار ایجاد شده بعد از عملیات بازگشت در فولاد به عنوان مارتنزیت برگردانیده شده یا Temperd Martensit شناخته میشود.
آزمایش جمینی برای تعیین سختی پذیری
گرچه آزمایش گراسمن یکی از روشهای دقیق برای تعیین سختی پذیری است ولی به علت هزینه نسبتا زیاد و زمان طولانی آزمایش، امروزه کاربرد صنعتی چندانی نداشته و به جای آن از آزمایش جامینی استفاده می شود . برای این منظور از یک نمونه استوانه ای به قطر 25 میلیمتر (1 اینچ ) و طول 100 میلیمتر (4 اینچ) و مطابق شکل 6-23 استفاده می شود. اطز آنجایی که ساختار اولیه فولاد اثر قابل توجهی بر روی نمونه مورد نظر را تا دمای سخت کردن فولاد حرارت داده و به مدت تقریبا 20 دقیقه در آن دما نگه می دارند. پس از آن که به کمک یک فواره آب با فشار و دبی مشخص ، نمونه را از یک انتها توسط آب 25 درجه سانتیگراد سرد می کنند . فاصله فواره از انتهای نمونه در حدود 5/12 میلیمتر (5/0 اینچ ) است (شکلهای 6-23و 6-24 ). تحت این شرایط، آهنگ سرد شدن نقاط مختلف نمونه از انتهای سریع سرد شده ( آب پاشیده شده ) به سمت دیگر کاهش می یابد. پس از سرد شدن ، دو طرف نمونه موازی طول آن به اندازه 4/0 میلیمتر از هر طرف سنگ زده و سختی نمونه در امتداد محور طولی از یک انتها به انتهای دیگر و به فواصل 5/1 میلیمتر (16/1 اینچ ) اندازه گیری می شود . به این ترتیب منحنی تغییرات سختی برحسب فاصله از انتهای سریع سرد شده که به نمودار جامینی موسوم است را رسم می کنند. نتایج حاصل را معمولا به صورتی که در شکل 6-25 آمده نشان می دهند . همان گونه که ملاحظه می شود ، در این شکل ترکیب شیمیایی فولاد ، عدد اندازه دانه و دمای نرماله و سخت کردن آن آمده است . علاوه بر آن ، بر روی محور افقی بالایی آهنگ سرد شدن نقاط مختلف نمونه جامینی مشخص شده است.
شکل گیری مارتنزیت :
مارتنزیت فولادهای ماریجینگ معمولا مکعب مرکز دار (bcc ) کم کربن است که این مارتنزیت شامل چگالی بالای نابجایی می باشد اما نه به صورت دوقلویی. در حین سرد شدن بعد از تابکاری انحلالی آستنینت fcc بوسیله بازگشت برشی کم نفوذ تجزیه به ساختارهای متعادل به ساختار bcc تبدیل میشود.این تبدیل آستنیت به مارتنزیت ناپایدار اتفاق نمی افتد تا دمای شروع مارتنزیت (Ms) بدست آید ودمای شروع مارتنزیت باید به اندازه کافی بالا باشد بنابراین یک تبدیل کامل به مارتنزیت قبل از خنک شدن فولاد تا دمای اتاق اتفاق می افتد.
بیشتر انواع فولادهای ماریجینگ دمای شروع مارتنزیت حدود 200 تا300 درجه سانتیگراد را دارند ودر دمای اتاق به طور کامل مارتنزیت هستند . نتیجه ساختار مارتنزیت یک فولاد نسبتا قوی و فوق العاده انعطاف پذیر میباشد .
عناصر آلیاژی دمای شروع مارتنزیت را بطور قابل ملاحظه ای تغییر می دهد اما تغییر مشخصه این استحاله به مقدار زیادی بستگی به سرعت سرد شدن دارد.
اغلب عناصرآلیاژی اضافه شده در فولادهای ماریجینگ (به استثناء کبالت ) درجه حرارت شروع مارتنزیت را کاهش می دهند.
یکی از دونوع ممکن مارتنزیت که در سیستم آلیاژی آهن- نیکل ممکن است شکل بگیرد بستگی به مقدار نیکل در ماده مورد سوال میباشد.در سرعتهای سرد کردن بالا در فولادهای شامل 5 تا 10 درصد نیکل ،و بیش از 10 درصد پایین آوردن سرعت سرد کردن، لازمه شکل گیری مارتنزیت در فولادها می انجامد وشکل گیری کامل ساختار مارتنزیتی را تعیین می کند.در فولادهای شامل 25 درصد نیکل ، مارتنزیت لایه ای وبالای 25 درصد مارتنزیت دو قلویی داریم .مطالعه برروی آلیاژهای مارجنیگ آهن – 7 درصد کبالت 5 درصد مولیبدن و4/. درصد تیتانیم در ( ماریجینگ 18 درصد نیکل 250 ) شامل مقادیر متفاوت نیکل نشان می دهد که یک ساختار مارتنزیتی لایه ای با مقادیر نیکل بیش از 23 درصد بدست می آید.
اگر چه مقادیر نیکل بیش از 23 درصد شکل گیری مارتنزیت دو قلویی را نتیجه داده است . معمولا یک ساختار مارتنزیتی لایه ای در فولادهای ماریجینگ ترجیح داده می شود زیرا در مدت پیر سازی این ساختار سخت تر از یک ساختار مارتنزیتی دو قلویی میباشد.
عمليات حرارتي تنش زدايي عمليات حرارتي تنش زدايي عبارت است از گرم كردن يكنواخت يك سازه تا دماي مناسب زير حد بحراني و سپس سرد كردن يكنواخت آن است . معمولا عمليات حرارتي در محدوده دماي بحراني ناگوار هستند و به همين علت تنش زدايي در بيشتر موارد زير حد بحراني انجام مي گيرد.
تصميم تنش زدايي يك جوش بر اساس مقررات استاندارد (( ديگهاي بخار و ظروف تحت فشار )) كه توسط انجمن مهندسان آمريكا تنظيم مي شود اخذ مي گردد . مقررات اين استاندارد شرايط مواد ، تركيب شيميايي ، ضخامت و موارد لزوم تنش زدايي بعد از جوشكاري را تعريف مي كند.
دماي تنش زدايي براي فولادهاي معمولي و كم آلياژ كه جوشكاري مي شوند در محدوده 900 – 1250 f مي باشد كه پايين تر از حد بحراني است.
مدت دماي تنش زدايي فولاد معمولا براي هر اينچ ضخامت يك ساعت است ، اگر چه مدت لازم براي 1000f طولاني تر از زمان مورد نياز براي 1100f است . براي قطعات پيشگرم شده اغلب تنش زدايي لازم مي شود . قطعات پيچيده يا فولادهايي كه ميل زيادي به ترك خوردن دارند بايد بلافاصله پس از جوشكاري و قبل از سرد شدن تا دماي پيشگرمي ، در كوره هاي تنش زدايي قرار بگيرند . اگر چه عمليات تنش زدايي فقط بخاطر از بين بردن تنش ها بكار مي روند و تغييرات ساختاري فولاد از آن انتظار نمي رود ولي با اين حال تأثيرات عمومي عمليات حرارتي تنش زدايي بصورت هاي زير مي باشند :
بازيابي
توقف
تمپره كردن - از بين بردن نواحي سخت
تبلور مجدد
كروي كردن
تمپره كردن
افزايش دماي فولاد كوئينچ شده را تا هر دمايي زير محدوده بحراني تمپره كردن مي گويند . نواحي گرما ديده مجاور جوشهايي كه بدون پيشگرمي يا پسگرمي ناقص و ناكافي بوجود آمده اند در فولادهاي با كربن متوسط و بسياري از فولادهاي با استحكام زياد آنچنان سريع سرد مي شوند كه به سخت كردن يا كوئينچ شباهت دارند . در موقع جوشكاري كه ناحيه كوئينچ شده در دماي بحراني است ساختار داراي آستنيتي خواهد بود كه ده برابر كربني كه در دماي محيط قابل حل است در محلول جامد دارد . ضمن كوئينچ بيشتر آستنيت به مارتنزيت تبديل مي شود . شكل كريستالي BCT سختي فوق العاده مارتنزيت نسبت به شكلهاي ديگري بخاطر وجود كربن در آن است كه معمولا يا بصورت اتمهاي كربن است و يا بصورت كريستالهاي نازك كربور آهن.
هنگامي كه دما افزايش مي يابد ، در ناحيه اي كه داراي مارتنزيت است سه تغيير اتفاق مي افتد :
1 – مارتنزيت به ضريب ) كريستالهاي BCC تبديل مي شود كه كريستالهاي ريز كربور از شبكه فوق اشباع كريستالهاي هشت ضلعي در آن رسوب مي كنند.
2 – هر آستنيتي كه در طول كوئينچ به مارتنزيت تبديل نشده است به ضريب و كربور تبديل مي شود.
3 – اندازه كريستالهاي كوچك كربور در مارتنزيت و كريستالهاي بزرگتر كربور در ساير ساختارها نظير پرليت ريز افزايش مي يابند.
دماهايي كه تغييرات 1 و 2 در آنها اتفاق مي افتد بدرستي معلوم نيستند . در فولادهاي كربني با 7% كربن تغيير 1 در 300F و تغيير 2 در 450Fرخ مي دهد . در كوئينچ كردن فولادهاي كربني با حداقل 4% كربن و با كنترل دقيق فرآيند مي توان مقدار كمي از آستنيت را حفظ كرد . اگر عناصر آلياژي وجود داشته باشند با درصد كمتر كربن نيز مي توان آستنيت را از تبديل شدن به اشكال ديگر باز داشت . با افزايش دما ، رشد مداوم دانه هاي كربور ادامه خواهد يافت . به نظر مي رسد كه تغيير 3 در اثر كار سختي در طول تمپره كردن پيش مي آيد .
يعني سختي فولاد مارتنزيتي به انتشار دانه هاي ريز كربور در هر صفحه كريستال كه مانع لغزش گرديده و در ضمن كاهش نرمي ، سختي را افزايش مي دهد بستگي دارد . گرم كردن مجدد دانه هاي كربور را درشت كرده و تعداد آنها را كم و در نتيجه سختي را كاهش مي دهد.
کوئنچ
به سرد کردن سریع جامدات کوئنچ یا فرونشانی گفته میشود.
هنگام سرد کردن سریع، جامدات فرصت کافی برای سرد شدن تعادلی نداشته و فازهای شبهپایدار یا ناپایدار به وجود میآورند.
محیطهای کوئنچ معمول
· کوئنچ در هوا
· کوئنچ در روغن
· کوئنچ در آب
· کوئنچ در نیتروژن مایع
آستنیته کردن چدن نشکن:
هدف معمول آستنیته کردن این است که تا حد امکان زمینه ی آستنیتی با مقدار کربن یکسان قبل از پروسه ى حرارتى تولید شود. به عنوان مثال در چدن نشکن هیپریوتکتیک برای آستنیته کردن باید از دماى بحرانى کمی بالاتر برویم به طورى که دماى آستنیته در منطقه ى دو فازى ( آستنیت و گرافیت ) باشد. دماى آستنیته کردن به وسیله ى عناصر آلیاژى موجود در چدن نشکن تغییر مى کند با افزایش دمای آستنیته کردن می توان آستنیت تعادلی حاوى کربن که در حال تعادل با گرافیت است را افزایش داد. که این پارامتر قابل انتخاب است( در زمان محدود). کربن موجود در زمینه ی آستنیتی کنترل دمای آستنیته کردن را مهم ساخته که این دما به منظور جلو بردن واکنش به مقدار زیادی به کربن موجود در زمینه ی آستنیتی بستگی دارد ، این ساختار مخصوصاً برای آستمر کردن ساخته می شود ، سختی پذیری (قابلیت آستمپر کردن ) به میزان زیادی به کربن موجود در زمینه و در واقع به عناصر الیاژی موجود در چدن نشکن بستگی دارد ، میکرو ساختار اصلی و سطح مقطع قطعه تعیین کننده ی زمان مورد نیاز برای آستنیته کردن می باشند .
مراحل بعد از آستنیته کردن هنگامی که مورد اهمیت باشند عبارتند از : آنیل کردن ، نرماله کردن ، کونچ و تمپر کردن و آستمپر کردن
آنیلینگ چدن نشکن :
هنگامی که حداکثر انعطاف پذیری و قابلیت ماشینکاری عالی مورد نیاز باشد و استحکام بالا مورد نیاز نباشد ، عموماً چدن نشکن آنیل فریتی می شود . بدین گونه که میکروساختار به فریت متحول می شود و کربن اضافی به صورت می باشد، اگر ماشینکاری عالی مورد 60-40-18 نوع ASTM کروی رسوب می کند. این عملیات حرارتی ساخته ی نیاز باشد باید مقدار منگنز ، فسفر و عناصر آلیاژی از قبیل کرم و مولیبدن درحد امکان پایین باشد زیرا باعث آهسته کردن پروسه ی آنیل می شوند .
نحوه ی آنیل کردن توصیه شده برای چدن نشکن آلیاژی و چدن نشکن با کاربید یوتکتیک و بدو ن کاربید یوتکتیک در پایین شرح داده شده است :
آنیل کامل برای چدن نشکن با 2%-3% سیلیسیم و بدون کاربید یوتکتیک :
گرم کردن تا دمای 870- 900 درجه ی سانتی گراد و نگهدار ی در این دما به مدت 1 ساعت در ازای هر اینچ ضخامت ،سپس سرد کردن در کوره با سرعت 55 درجه سانتی گراد در ساعت تا دمای 345 درجه ی سانتی گراد سپس سرد کردن در هوا.
آنیل کامل در صورت وجود کاربید یوتکتیک :
گرم کردن تا دمای900C-870C و نگهداری در این دما برای 2 ساعت و بیشتر از این زمان برای ضاخمت های زیاد ، سپس سرد کردن در کوره با سرعت 110C/hتا دمای 700Cو نگهداری در این دما برای 2 ساعت ، سپس سرد کردن در کوره تا دمای 345Cبا سرعت 55C/h ، سپس سرد کردن در هوا .
آنیل کردن زیر منطقه ی بحرانی برای تبدیل پرلیت به فریت:
گرم کردن قطعات تا دمای705C-720Cونگهداری در این دما به مدت 1 ساعت در ازای هر اینچ ضخانت ، سپس سرد کردن در کوره با سرعت55C/h تا دمای 345C و سپس سرد کردن در هوا .
وقتی که در چدن نشکن عناصر آلیاژی وجود داشته باشد از سرد کردن سرتاسری قطعه جلوگیری می شود و کاهش درجه حرارت از نقطه ی بحرانی تا400C ادامه می یابد و سرعت سرد کردن از55C/h کمتر می باشد .
به هر حال برخی عناصر در شکل کاربید خود اگر تجزیه ناپذیر باشند به شکل کاربید اولیه که بسیار سخت است می باشندکه این حالت بیشتر در کرم می باشد ، به عنوان مثال% 0.25 کرم باعث تشکیل کاربید اولیه ی بین نشینی می شود که در اثر عملیات حرارتی تا دمای 925C و نگهداری در مدت2h-20h حتی نیز از بین نمی رود . زمینه ی حاصل از رسوب پرلیت ، زمینه ی فریتی با کاربید می باشد که فقط 5% ازیاد طول دارد .
نمونه های دیگری از عناصر که به شکل کاربید در چدن نشکن وجود دارند عبارتند از مولیبدن بیشتر از 0.3% و وانادیم وتنگستن در مقدیر بیش از 0.05%.
سختی پذیری چدن نشکن : سختی پذیری چدن نشکن یک پارامتر مهم تعیین کننده ی واکنش ثابت آهن برای نرماله کردن ، کونچ کردن و تمپرکردن یا آستنیته کردن می باشد.
سختی پذیری معمولاً به وسیله ی آزمایش جامینی تعیین می شود ، که در آن از یک میله با اندازه ی استاندارد (قطر 1 اینچ و ارتفاع 4 اینچ( استفاده می شود که آن را آستنیته می کنند سپس یک سر آن را به وسیله ی آب سرد می کنند ، نوسان در سرعت سرد کردن باعث بی ثباتی (متفاوت بودن) در میکروساختار می شود که سختی آنها تغییر می کند سپس آنها را تعیین و ثبت می کنند.
زمینه ی با کربن بالا باعث بالا رفتن دمای آستنیته کردن و در نتیجه ی آن باعث افزایش سختی پذیری می شود (منحنی جامینی فاصله ی زیادی تا پایان سرد کردن پیدا می کند ) و همچنین قطعه حداکثر سختی بالاتری پیدا می کند.
هدف از اضافه کردن عناصر آلیاژی به چدن نشکن افزایش سختی پذیری است ، منگنز و مولیبدن برحسب وزن اضافه شده به چدن نشکن نسبت به مس و نیکل عناصر بسیار موثری در افزایش سختی هستند.
در هر حال همانند فولاد افزودن ترکیب نیکل - مولیبدن یا مس - مولیبدن یا مس - نیکل - منگنز نسبت به اینکه این عناصر را به صورت جداگانه به چدن اضافه کنیم ، تاثیر بیشتری خواهند داشت.
بنابراین برای ریخته گری مقاطع زیاد که نیاز به سختی و آستمر زیاد دارند معمولاً از ترکیب ان عنصر استفاده می کنند . سیلیسیم صرف نظر از تاثیری که روی زمینه ی حاوی کربن دارد تاثیر زیادی روی سختی پذیری ندارد .
نرماله کردن چدن نشکن :
نرماله کردن (سرد کردن در هوا در جریان آستنیته کردن) به طور قابل توجهی می تواند باعث بهبود استحکام کششی شود.و امکان استفاده در ساخت چدن نشکن ASTM نوع 30-70-100 وجود دارد .
میکروساختار حاصل از نرماله کردن به ترکیب شیمیایی چدن و سرعت سرد کردن بستگی دارد سختی تحمیل شده به وسیله ی ترکیب شیمیایی قطعه به موقعیت منطقه زمان-دمای دیاگرام CCT بستگی دارد .
سرعت سرد کردن به حجم قطعه ی ریختگی بستگی دارد ولی شاید بیشتر تحت تاثیر دما و جریان هوای اطراف قطعه ی در حال سرد شدن باشد .
اگر چدن حاوی مقدار زیادی سیلیسیم نباشد و دست کم حاوی مقدار مناسبی منگنز(یا بالاتر0.5 %-0.3%) باشد به طور کلی نرماله کردن ، ساختار پرلیت ظریف تولید خواهد کرد . قطعات سنگین در صورتی که نیاز به نرماله شدن داشته باشند برای بدست آوردن ساختاری کاملاً پرلیتی و سختی پذیری بیشتر بعداز نرماله کردن حاوی عناصر الیاژی از قبیل مولیبدن و نیکل و منگنز اضافی هستند . قطعا ت سبک چدن های آلیاژی ممکن است بعد از نرماله کردن حاوی ساختارمارتنزیتی یا بینیتی باشند . دمای نرماله کردن معمولاً بین870C-940C می باشد و زمان استاندارد نگهداری 1h برای هر اینچ ضخامت و نگهداری به مدت 1h به عنوان حداقل در این دما کافی است .برای چدن های حاوی عناصر آلیاژی به دلیل کاهش نفوذ کربن در آستنیت زمان بیشتری نیاز است به عنوان مثال قلع و آنتیموان برای گرافیت های کروی ، به طور موثری از حل شدن کربن در زمینه ی حاوی گرافیت کروی جلوگیری می کنند .
منابع:
کتاب عملیات حرارتی
دکتر محمدعلی گلعذار
سایت www.felezat.com