یکشنبه , ۲۹ مرداد ۱۳۹۶
20 درصد تخفیف نرم افزار آنالیز تصویر MIP

کوئنچ و تمپرینگ

اعضای گروه به ترتیب مقاله :

۱-سجاد صالح پور

۲-سیاوش شاهرخی

۳-مرتضی جمالی


عملیات حرارتی فولاد ها

عملیات حرارتی فرآیند گرم و سرد کردن یک فولاد برای دستیابی به خواص دلخواه است.

انواع مختلف فرآیندهای عملیات حرارتی برای تغییر شرایط و خواص زیر در فولادها استفاده می شوند.

– بهبود چقرمگی                           – بهبود قابلیت ماشین کاری

– افزایش سختی                            – خالص کردن ساختار دانه ای

– افزایش چکشخواری                     – برداشتن تنش های باقی مانده

– بهبود مقاومت به سایش

کوئنچ کردن

فرآیند سرد کردن خیلی سریع یا با یک نرخ کنترل شده آستنیت برای دستیابی به ریز ساختار مطلوب

سرد کردن سریع از شکل یافتن آستنیت به \\\\+ fe3 جلوگیری می کند.

کوئنچ کردن آستنیت مارتنزیت را ایجاد می کند، که برای کاربردهای یک ماده سخت مورد انتظار است ، استفاده می شود.(برای مثال چاقوها، تیغ های ریش تراشی، ابزار جراحی، ابزارهای برشی و غیره)

وقتی آستنیت+ فریت کوئنچ می شود، تمام آستنیت کاملاً به مارتنزیت تبدیل می شود در حالی که فریت بدون تغییر باقی می ماند.

هنگامی که آستنیت + سمنتیت کوئنچ می شود، مجدداً تمام آستنیت به طور کامل به مارتنزیت تبدیل می شود در حالی که سمنتیت بدون تغییر باقی می ماند.

۱- سخت کاری

سخت کاری فرآیند آستنیت سازی یک فولاد است در یک دمای توصیه شده، برای اطمینان از همگن شدن در آستنیت مدتی در آن دما نگه داشته می شود و سپس با سرعتی که به اندازه کافی سریع باشد برای جلوگیری از تبدیل به هر محصول به جز مارتنزیت کوئنچ می شود.

این سرعت سرد کردن که فقط یک ساختار کاملاً مارتنزیت ایجاد می کند، سرعت سرد کردن بحرانی است (CCR). بنابرین سرعت باید به منظور اطمینان از تبدیل تمام آستنیت به مارتنزیت زیاد شود.

یک طبقه از مواد کوئنچ که می تواند استفاده شود:

– میزان شدت: سود سوزآور %۵، آب نمک % ۱۰- ۵ ، آب سرد ، آب گرم ، روغن معدنی، روغن حیوانی ، روغن گیاهی

توجه: کوئنچ کردن در روغن ها ممکن است باعث تولید بینیت به جای مارتنزیت شود.

فولاد های دارای کربن کمتر از ۲۵/۰درصد وزنی کربن نمی توانند با کوئنچ کردن سخت شوند چون دماغه نمودارTTT به محور دما خیلی نزدیک است.

شدت کوئنچ کردن

مؤثر بودن کوئنچ اساساً با هم زدن افزایش می یابد. تلاطم قطعه و یا ماده کوئنچ آهنگ انتقال حرارت بین ماده کوئنچ و سطح قطعه را افزایش می دهد. شدت کوئنچ (H) نشانه ای از چگونگی تأثیر یک ماده کوئنچ مشخص می باشد. که مستقیماً به تنش های گرمایی واقع در قطعه عملیات حرارتی شده وابسته است

تعدادی مقادیر متداول H به شرح زیر است:

۲- تمپر کردن

فرآیند دوباره حرارت دادن فولاد کوئنچ شده (مارتنزیت) به منظور افزایش نرمی و چکش خواری.

فولاد تا بالای A1 حرارت داده می شود، سریعاً با سرعتی که به اندازه کافی برای نرسیدن به دماغه (یا زانو) نمودار TTT برای تشکیل مارتنزیت سریع باشد، کوئنچ می شود. و دوباره در دمای زیر A1 برای دستیابی به سختی تمپر مطلوب حرارت داده می شود. عناصر آلیاژی عموماً سرعت تمپر را کاهش می دهند

وقتی مارتنزیت بالای ۲۵۰ درجهC  تمپر می شود، تمام مارتنزیت ناپدید می شود و جای آن را فریت می گیرد و نهایتاً سمنتیت پراکنده می شود.

توجه: این ساختار جدید پرلیت نمی باشد. این ساختار مارتنزیت تمپر شده نامیده می شود. برای دوباره بدست آوردن پرلیت، باید فولاد را دوباره آستنیت و به طور مناسب سرد کنید. تا پرلیت حاصل شود.

وقتی یک فولاد برای یک دوره زمانی زیاد (<24ساعت) در بین دمای ۴۰۰ و ۷۲۷ درجه c نگه داشته می شود، کاربید شکل گلوله ای می گیرد که کاربید کروی شده نامیده می شود.

شکل: فرایند کوئنچ و تمپر کردن برای یک فولاد ساده کربنی

تأثیر تمپر کردن روی خواص مکانیکی فولادها

* چقرمگی را بهبود می بخشد

* چکش خواری را افزایش می دهد

* سختی را کاهش می دهد (فولاد را نرم می کند)

۳- مارتمپر کردن (مارکوئنچ کردن)

روش کوئنچ کردن که اصولاً برای کاهش اعوجاج و ترک خوردگی فولادهای عملیات حرارتی شده استفاده می شود.

مراحل زیر را شامل می شود:

(۱) آستنیت سازی فولاد در دمای مناسب

(۲) کوئنچ کردن تا دمایی درست بالای ms (معمولاً در یک روغن یا حمام نمک مذاب)

(۳) نگهداری در مادهه کوئنچ برای دستیابی به دمای واحد در سرتاسر فولاد

(۴) سرد کردن با یک سرعت متوسط از طریق ناحیه تبدیل مارتنزیت

خواص خواص مکانیکی فولاد ۱۰۶۵ که با تمپر و کوئنچ معمولی عملیات حرارتی شده است.

۴- آستمپر کردن

– یک عملیات حرارتی تک دما، طراحی شده طراحی شده برای ایجاد بینیت در فولاد های کربنی ساده

– یک روش متناوب برای کوئنچ و تمپر کردن

* استحکام و چقرمگی را بهبود می بخشد

* ترک خوردن و اعوجاج را کاهش می دهد

* اما برای کامل شدن زمان زیادی می برد

مراحل زیر را شامل می شود:

(۱) آستنیت سازی فولاد در دمای مناسب

(۲) کوئنچ تا دمایی درست بالای ms

(۳) نگهداشتن به صورت تک دما در ماده کوئنچ تا تبدیل گاما به بینیت کامل شود

(۴) سرد کردن تا دمای اتاق در هوا

خواص مکانیکی فولاد ۱۰۶۵ که با آستمپر و کوئنچ معمولی عملیات حرارتی شده است.

۵- شکل دهی آستنیتی

شکل دهی آستنیتی (همچنین به عنوان عملیات ترمومکانیکی کم دما (LTMT) نیز شناخته می شود) شامل تغییر شکل آستنیت در دهانه نیمه پایدار بین منحنی های فریت و بینیت نمودار TTT می باشد. بعد از تغییر شکل، این فولاد برای تشکیل مارتنزیت به سرعت سرد می شود. اثر ترکیبی تغییر شکل آستنیت و چگالی نابجایی زیاد یک ریز ساختار مارتنزیت خیلی ظریف با استحکام تسلیم بالا و چقرمگی بالا ارائه می دهد.

عناصر آلیاژی که گسترش یک دماغه بینیت مجزا در نمودارهای TTT را توسعه می دهند، شامل کرم، مولیبدن، نیکل، تنگستن و منگنز می باشند.

۶- ایزو فرم کردن

این عملیات شبیه شکل دهی آستنیتی است، اما در اینجا تغییر شکل آستنیت در این دما ادامه می یابد، جایی که آستنیت به فریت و کاربید آهن تبدیل می شود. مارتنزیت تشکیل نمی شود. ریز ساختار فریت ظریف و کاربیدهای کروی یک بهبود چقرمگی قابل ملاحضه ای را ارائه می دهد.

۷- آنیل کردن

آنیل کردن در حقیقت فرآیند حرارت دادن فولاد ها و نگهداری در دماهای بالا رفته مشخص و سرد کردن نسبتاً آرام می باشد

در عمل عملیات آنیل کردن شامل سه مرحله می باشد:

(۱) حرارت دادن فولاد تا یک دمای مشخص

(۲) همدما سازی آن در این دما برای یک زمان مناسب تا تغییرات لازم بتواند رخ دهد

(۳) خنک شدن با یک سرعت از پیش تعیین شده در کوره

هدف اصلی آنیل کردن چنین است:

(۱) نرم شدن فولاد و بهبود قابلیت ماشین کاری

(۲) آزاد کردن تنش های داخلی ایجاد شده با بعضی عملیات قبلی (غلطک کاری ، آهنگری، خنک کاری غیر یکنواخت)

(۳) ایجاد یک ریز ساختار خاص

* آنیل کردن برای قطعات اهنگری شده، سیم ها و فولادهای تحت کار سرد قرار گرفته ، قطعات جوش داده شده و قطعات ریختگی به کار می رود.

* سه فرآیند اصلی آنیل که برای فولاد ها استفاده می شوند به شرح زیر می باشند:

۱- آنیل جزئی: زیر a1 انجام می شود، هیچگونه تبدیل آستنیت وجود ندارد. هدف اصلی ازاد سازی تنش های باقی مانده ایجاد شده با عملیات قبلی مانند کار سرد، جوشکاری یا ریخته گری (آنیل آزاد سازی تنش) یا برای تبلور مجدد ماده تحت کار سرد قرار گرفته (آنیل ضمن فرآیند)

* عموماً برای سیم ها و ورق ها به کار می رود

* در محدوده ۵۰۰ تا ۶۹۰ درجه c برای چندین ساعت انجام می شود

* آنیل ضمن فرآیند در دما های بالاتر (معمولاً ۱۱ تا ۲۲ درجهc زیر خطA1) از آنیل آزاد سازی تنش (معمولاً حدود ۵۰۰ تا ۶۵۰ درجه) انجام می شود.

۲- آنیل بین دو ناحیه: بین A1 ,A3 برای فولادهای هیپویوتکتوئید یا بین A1 , Am برای فولادهای هایپریوتکتوئید انجام می شود.

فولاد در محدوده ۵۵ درجه c بالای A1 حرارت داده می شود و سپس به دمایی کمتر از ۵۵ درجه c زیر خط A1 تغییر می یابد برای ایجاد ساختاری شامل ذرات کاربید کروی در یک زمینه فریت.

این ساختار کروی شده (اسفرودایت) دارای حداقل سختی و حداکثر چکش خواری می باشد، همچنین حداکثر قابلیت ماشین کاری را دارد.

۳- آنیل فوق بحرانی یا کامل: بالای خط A3 برای فولادهای هیپویوتکتوئید و بین A1, Acm برای فولادهای هایپریوتکتوئید انجام می شود.

۸- نرماله کردن

شامل سه مرحله می باشد:

(۱) حرارت دادن فولاد تا یک دمایی بالای دمای بحرانی بالایی (A3 یا Acm)

(۲) نگهداری در آن دما برای یک دوره زمانی

(۳) خنک کاری هوایی در دمای اتاق

توجه: خنک کاری هوایی می تواند طبیعی یا با جابجایی هوای کمی فشرده انجام شود

دماهای نرماله کردن متداول طبق زیر هستند:

(i) 55 درجه c (100درجهf) بالای A3 برای فولادهای هیپریوتکتوئید

(ii) 27 درجه c (50درجهf) بالای Acm برای فولادهای هایپریوتکتوئید

مزیت های نرماله کردن شامل:

– بهبود قابلیت ماشینکاری

– تصفیه اندازه دانه

– همگن سازی ترکیب

– اصلاح تنش های باقی مانده

 

منبع :

http://t-e-m-ir.blogfa.com/post/3

سیاوش شاهرخی


بررسی تأثیر عملیات کوئنچ و تمپر بر مشخصات ریزساختاری و خواص سایشی فولاد

ضدسایش متوسط کربن ـ پرکروم

 

پدیده سایش یک از معضلاتی است که صنعت از دیرباز با آن مواجه بوده است و این پدیده قسمت عمده ای از تخریب را در صنعت به خود اختصاص داده است. یکی از قطعات بسیار پرمصرف در صنعت سیمان، لاینرهای فولادی ضدسایش متوسط کربن ـ پرکروم  میباشد. این لاینرها همواره تحت شرایط سایشی و ضربهای قرار دارند. لذا می باید خواص سایشی و ضربه پذیری کافی داشته باشند. سایش شدید یا شکست این لاینرها اولاً باعث افت راندمان و توقف آسیاب شده و ثانیاً هزینه قطعات مصرفی را افزایش میدهد. در همین راستا، انجام صحیح عملیات حرارتی به منظور ایجاد ریزساختار مناسب، تأثیر زیادی بر عملکرد آنها دارد . تاکنون برخی  پژوهشها در رابطه با اثر ریزساختار بر روی مقاومت سایشی فولادهای ضدسایش انجام شده است. نتایج این تحقیقات نشان  میدهد که در فولادها با افزایش مقدار کربن مقاومت به سایش افزایش مییابد. زمینه مارتنزیتی در فولاد، حداکثر مقاومت به سایش را از خود نشان  میدهد، در حالی که زمینه نیمه پایدار آستنیتی، تحت شرایط سایش شدید می تواند  مناسبتر باشد.

زیرا این نوع ریزساختار دارای ضربه پذیری عالی بوده و به دلیل استحاله فازی در اثر کارسختی مقاومت به سایش به طور قابل توجهی بهبود  مییابد. در مواقعی که شدت سایش کم  میشود، ساختارهای دوپلکس پرلیتی+ مارتنزیتی ارجحیت دارند. علاوه براین، وجود ذرات سخت مانند کاربیدهای کمپلکس آلیاژی در زمینه مارتنزیت تمپرشده  میتواند با ایجاد مانع در برابر تشکیل شیارهای خراشی در افزایش مقاومت به سایش ماده تأثیر بسزایی داشته باشد. در این راستا اندازه و مورفولوژی ذرات سخت و همچنین ترکیب دقیق آنها بسیار حائز اهمیت است

شاعری و همکارانش  به بررسی شرایط مختلف عملیات حرارتی بر تغییرات ریزساختاری و سختی فولادهای کمکربن ـ پرکروم پرداختهاند. نتایج به دست آمده نشان  میدهد، افزایش دمای تمپر منجر به کاهش میزان آستنیت باقیمانده در ریزساختار و افزایش سختی تا حد معینی می گردد. در تحقیق دیگری، بزرگ نژاد و همکارانش  تأثیر دمای آستنیته در محدوده ۸۵۰-۱۲۰۰ درجه سانتیگراد و تمپر در محدوده ۳۰۰-۶۰۰ درجه سانتیگراد به مدت ۳-۷ ساعت را مورد بررسی قرار  دادهاند. نتایج نشان داده است، دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد به مدت ۵ ساعت بالاترین سختی را به دست  میدهد که مربوط به شرایطی است که کمترین درصد آستنیت باقیمانده در ریزساختار تشکیل شده است.

با توجه به نبود اطلاعات کافی و دقیق در زمینه شرایط بهینه عملیات حرارتی این دسته از فولادها و همچنین عدم بررسی خواص سایشی آنها تاکنون، در تحقیق حاضر به بررسی تأثیر شرایط کوئنچ و تمپر بر روی تحولات ریزساختاری، سختی و خواص سایشی فولادهای متوسط کربن ـ پرکروم پرداخته شده است. به منظور شبیه سازی دقیق شرایط سایشی مشابه آنچه در آسیاب رخ  میدهد، از روش سایش ماسه خشک/ چرخ لاستیکی[۱] بهره گرفته شد.

 

 

در این تحقیق از فولاد ضد سایش متوسط کربن ـ پرکروم برای انجام آزمایشات استفاده گردید.

ترکیب شیمیایی این فولاد در جدول ۱ آورده شده است. نمونه ها به شکل  وایبلوک و بوسیله کوره القایی فرکانس متوسط  ریختهگری و سپس به ابعاد ۱۲ × ۲۷ × ۷۸  میلیمتر برش داده شدند. نمونه ها در سه دمای ۱۰۰۰، ۱۰۵۰ و ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد به مدت ۱۵ دقیقه آستنیته و سپس در روغن کوئنچ شدند .

عملیات تمپر محدوده دمایی ۴۵۰-۶۰۰ درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت روی نمونه ها اعمال شد.

آزمایشات سایش با استفاده از دستگاه سایش ماسه خشک/ چرخ لاستیکی (DSRW) مطابق با استاندارد ASTM-G65 انجام گردید. شماتیکی از دستگاه سایش ماسه خشک/ چرخ لاستیکی در شکل ۱ نشان داده شده است. قطر چرخ لاستیکی این دستگاه ۲۲۸ میلیمتر و ضخامت آن ۱۲/۷ میلیمتر و سرعت آن ۲۰۰ دور در دقیقه بود. ذرات  سایندهای که در این آزمایش مورد استفاده  قرارگرفت، شامل ماسه سیلیسی با دانه بندی AFS 85 بوده است. دبی متوسط خروجی ذرات ماسه بر روی فصل مشترک نمونه/چرخ لاستیکی تقریباً ۳۰۰ گرم بر دقیقه  اندازهگیری شد و نیروی اعمالی برابر ۱۳۰ نیوتن  میبود.

کل مدت زمان تست سایش برابر ۶۰ دقیقه تعیین و میزان کاهش وزن طی ۱۲ مرتبه با فاصله زمانی ۵ دقیقه با استفاده از ترازوی با دقت ۰۱/۰ گرم اندازهگیری گردید. این آزمایشات در درجه حرارت ۲۸ درجه سانتیگراد و رطوبت ۲۷ درصد انجام گرفت. سختی  نمونهها به روش راکول سی (HRC) مطابق استاندارد  ASTM E18 سختی سنجی شده است.  مشخصه یابی ریزساختاری پس از سنباده زنی تا سنباده ۱۵۰۰ و سپس پولیش مکانیکی با آلومینا ۳/۰ و اچ شیمیایی به وسیله محلول ویللا (یک گرم اسید پیکریک+۱۰ میلیلیتر اسید هیدروکلریدریک+۱۰۰  میلیلیتر اتانول)، نهایتاً توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام شده است.

 

تغییرات سختی  نمونه های آستنیته شده در سه دمای ۱۰۰۰، ۱۰۵۰ و ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد در جدول ۲ نشان داده شده است. همانطورکه ملاحظه  میشود کمترین سختی برای بالاترین دمای آستنیته و بیشترین سختی برای دمای ۱۰۵۰ درجه سانتیگراد به دست آمده است .در واقع دمای آستنیته پایین منجر به عدم تشکیل ساختار آستنیتی همگن شده و به دنبال آن به دلیل محتوی پایینتر کربن و عناصر آلیاژی در فاز آستنیت، در اثر وقوع استحاله پس از کوئنچ، ساختار مارتنزیتی با سختی کمتری حاصل  میشود. از طرف دیگر، دمای آستنیته بیش از حد موجب رشد سریع دانه ها و همچنین افزایش آستنیت باقیمانده و در نتیجه کاهش سختی را فراهم می کند

شکل ۲ تصاویر متالوگرافی از  نمونه های آستنیته شده در دماهای مختلف به مدت ۱۵ دقیقه را نشان می دهد. واضح است که با افزایش دمای آستنیته، اندازه  دانه های آستنیته افزایش پیدا کرده است .

همانطورکه میدانیم بهبود مقاومت به سایش وابسته به مشخصات ریزساختاری به ویژه اندازه دانه آستنیت و به تبع آن سختی است. در فرآیند درشت شدن اندازه  دانه های آستنیت با افزایش دما، معمولاً دومرحله تعریف  میشود؛ مرحله اول رشد تدریجی  دانه ها، در حالی که اندازه دانه رشد کمی دارند (دمای کمتر از ۱۰۵۰ درجه سانتیگراد) و مرحله دوم شامل رشد سریع  دانه ها  میباشد که در دمای ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد رخ داده است

تأثیر دمای تمپر بر سختی فولاد متوسط کربن ـ پرکروم در جدول( ۳) نشان داده شده است. همانطور که مشاهده  شود با افزایش دما از ۴۵۰ تا ۵۵۰ درجه سانتیگراد سختی افزایش یافته است که این رفتار را  میتوان ناشی از رسوب  کاربیدهای کمپلکسی که طی عملیات تمپر رخ  میدهد دانست  در ۶۰۰ درجه سانتیگراد سختی کاهش یافته که این بدلیل کاهش چگالی نابجایی ها، حذف تنش های داخلی و همچنین کاهش سختی مارتنزیت تمپرشده  میباشد.

در بررسی  منحنی های مشخصه سایش به دست آمده، شکل ۳، دیده می شود که میزان مواد ساییده شده از سطح با افزایش مسافت طی شده، در ابتدا به صورت غیرخطی و سپس به صورت خطی افزایش می یابد که این رفتار ناشی از تغییر فرم پلاستیکی سطح و کرنش سختی تا رسیدن به یک سختی مشخص می باشد. همچنین نرخ سایش با افزایش مسافت کاهش می یابد و این امر به علت ایجاد تغییر فرم پلاستیکی و اعمال کارسختی روی سطح است

شکل ۴ نتایج حاصل از میزان کاهش وزن پس از ۶۰ دقیقه را در دماهای تمپر مختلف نشان  میدهد .

طبق این شکل با افزایش دما از ۴۵۰ تا ۵۵۰ درجه سانتیگراد میزان کاهش وزن، کاهش پیدا کرده است که این را  میتوان به دلیل رسوب کاربیدهای کمپلکس مانند ۶M23C و افزایش سختی نسبت داد  در تمپر ۶۰۰ درجه سانتیگراد مقاومت به سایشی افزایش یافته است؛ یا به عبارت دیگر کاهش وزن کمتری نسبت به دماهای تمپر کمتر از ۵۵۰ درجه سانتیگراد به دست آمده است. با توجه به این که میزان سختی پس از تمپر ۵۰۰ درجه سانتیگراد کمتر از ۵۵۰ درجه سانتیگراد است،  میتوان این میزان کاهش وزن را به علت کاهش تمایل به میکرو ترک به دلیل کاهش  تنشهای داخلی و حذف میزان آستنیت باقیمانده به عنوان یک فاز نرم دانست

تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی( SEM) از نمونه تمپر شده در دمای ۵۵۰ درجه سانتیگراد در شکل( ۵) نشان دهنده وجود ذرات کاربیدی می باشد. کاربیدهای تشکیل شده با مورفولوژی  تیغهای به ضخامت حدود ۳۲۰ نانومتر و طول حدود یک میکرومتر در زمینه مارتنزیت تمپر شده توزیع شده اند .

عقیده بر این است، کاربید های آلیاژی در چندین نقطه در سطح مشترک بین فریت و سمنتیت هستهگذاری و رشد می کند تا سمنتیت از بین برود و بوسیله کاربیدهای آلیاژی ریزتر جایگزین شود، که این امر سبب افزایش سختی  میگردد.

 نتیجه گیری

  • بهترین دمای آستنیته برای این نوع فولادها با توجه به بیشینه سختی و بهترین ریزساختار دمای ۱۰۵۰ درجه سانتیگراد میباشد.
  • افزایش مقاومت به سایش در دمای ۶۰۰ درجه سانتیگراد با توجه به کاهش سختی، کاهش تمایل به میکروترک بدلیل کاهش تنش های داخلی و حذف آستنیت باقیمانده به عنوان یک فاز نرم میباشد.
  • کاهش میزان کاهش وزن با افزایش دمای تمپر، بدلیل ایجاد زمینه مارتنزیت تمپر شده به همراه ذرات ریزکاربیدهای کمپلکس می باشد.

 

شکل ها و نمودار ها

جدول ۱٫ ترکیب شیمیایی فولاد متوسط کربن ـ پرکروم.

C Si Mn P S Cr Mo Ni Al Nb Ti عناصر
۰/۲۷ ۰/۵۱ ۰/۸ ۰/۰۰۹ ۰/۰۰۵ ۶/۲۵ ۰/۰۷۹ ۰/۱۵ ۰/۰۷۹ ۰/۰۴۷ ۰/۰۰۲ درصد وزنی

 

جدول ۲٫ سختی نمونه های

آستنیته شده (HRC).

۱۰۰۰ ۱۰۵۰ ۱۱۰۰ دمای آستنیته(C°)
۵۱ ۵۳ ۴۳ سختی (HRC)

 

جدول ۳٫ سختی نمونه های تمپرشده (HRC).

۴۵۰ ۵۰۰ ۵۵۰ ۶۰۰ دمای تمپر(C°)
۴۵ ۴۶ ۴۷ ۴۳ سختی (HRC)

 

منبع : مقاله بررسی تأثیر عملیات کوئنچ و تمپر بر مشخصات ریزساختاری و خواص سایشی فولاد

ضدسایش متوسط کربن ـ پرکروم

.سجاد صالح پور


 آشنایی با فرایندهای عملیات حرارتی کوئنچ، تمپر و آنیلینگ

عملیات حرارتی، فرایندی است که با هدف بهبود خواص مکانیکی مواد، بر روی قطعات انجام می‌شود. از این‌رو، برای بالابردن مقاومت در برابر سایش قطعات و افزایش استحکام آنها در حین عملکرد، معمولاً قطعات را مورد عملیات حرارتی سختکاری و تمپرینگ قرار می‌دهند.
در برخی مواقع، نتیجه عمل سختکاری و تمپرینگ، آن چیزی نیست که پیش‌بینی می‌شود و قطعات، خواصی پایین‌تر از آنچه که پس از عملیات حرارتی انتظار می‌رود، به‌دست می‌آورند. این موضوع می‌تواند علت‌های مختلفی داشته باشد که عمده علل آن عبارتند از:
نرسیدن مواد به دمای آستنیته در حین گرم کردن برای سختکاری
عدم نگهداری قطعات تا مدت زمان کافی برای انجام استحاله کامل آستنیته در دمای آستنیته کردن
کافی نبودن نرخ سرد شدن قطعات در حین کوئنچ کردن
تمپر بیش از حد قطعات در فرایند تمپرینگ
در این مقاله سعی شده است مناسب‌ترین روش برای بازکاری این دسته از قطعات مورد مطالعه قرار گیرد. لذا به علت گستردگی جنس قطعات و به منظور محدود شدن بحث، قطعات موردنظر از جنس CK45 و ۴۱Cr4 در نظرگرفته شده‌اند.

 

مشخصات عمومی مواد
براساس استاندارد موجود، آنالیز CK45 و ۴۱Cr4 در جدول ۱ ارائه شده است.
دماهای موردنیاز برای فرایندهای مختلف عملیات حرارتی قطعات تولیدی از جنس CK45 و ۴۱Cr4 در جدول ۲ ارائه شده است.

سختکاری و تمپرینگ
برای انجام سختکاری، قطعات را باید در باکس‌های مخصوص قرار داد. همچنین باید به این نکته توجه کرد که قطعات، به صورت انباشته بر روی هم در کوره قرار نگیرند بلکه باید به صورت مرتب چیده‌شوند به طوری که در حین فرایند، جریان هوا در لابه‌لای آنها برقرار باشد تا به صورت یکنواخت گرم شده و به این وسیله از غیریکنواختی سختی پس از عملیات حرارتی جلوگیری شود.

331352387183386

 

 

 

 

جدول ۱: آنالیز CK45 و ۴۱Cr4

564311057195941

 

 

 

جدول ۲: دماهای عملیات حرارتی CK45 و ۴۱Cr4

پس از استقرار قطعات در باکس‌های مخصوص، آنها را همراه با باکس، در کوره‌ای که دمای آن، دمای سختکاری قطعات است، قرار داده و زمان کافی برای انجام کامل استحاله آستنیت به آن می‏دهند. سپس، آن را به سرعت در سیال کوئنچ، سرد می‌کنند.
توجه به این نکته حائزاهمیت است که اگر فاصله زمانی خروج قطعات از کوره و کوئنچ آنها طولانی شود، دمای قطعات از دمای آستنیته پایین‌تر آمده و دیگر امکان انجام استحاله کامل مارتنزیتی وجود ندارد. در این صورت، محموله پس از عملیات حرارتی، دارای غیریکنواختی در سختی خواهد بود.
سیال کوئنچ برای عملیات حرارتی قطعات از جنس CK45 و ۴۱Cr4 معمولاً روغن‌های معدنی است که از نظر سرعت سردکنندگی به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. شکل ۱، قدرت سردکنندگی سه نوع روغن در دمای ۴۰ درجه سانتی‌گ

راد را نشان می‌دهد.

637175689972058

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل ۱: نرخ خنک کنندگی چند نوع روغن کوئنچ

همان‌گونه که در شکل ۱ دیده می‌شود، نرخ خنک‌کنندگی روغن در ابتدای کوئنچ قطعات، زیاد بوده و پس از مدت کمی، کاهش یافته است. علت این امر، تشکیل فیلم بخار در اطراف قطعات است که سبب کاهش انتقال حرارت می‌شود. لذا برای جبران این موضوع می‌توان موارد ذیل را پیش‌بینی کرد:
حجم روغن باید آن‌قدر زیاد باشد که در نتیجه کوئنچ تغییرات دمایی آن به حداقل برسد.
روغن باید در حین کوئنچ، هم زده شود تا باعث شکستن فیلم بخار در اطراف قطعه شده و انتقال حرارت افزایش یابد.
روغن‌ها بسته به نوع خود در دمایی خاص، بیشترین انتقال حرارت را دارند. لذا برای روشن شدن موضوع، شکل ۲ بیان‌کننده قدرت خنک‌کنندگی روغنی خاص در دماهای مختلف است. به همین دلیل، روغن باید همواره تا دمایی با بیشترین انتقال حرارت، گرم شود.

760295893932161

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل ۲: تأثیر دمای روغن بر نرخ خنک‌کنندگی آن
نمودار تغییرات سرد کردن پیوسته (CCT)
نمودار CCT شامل منحنی‌هایی در مختصات خطی دما و لگاریتمی زمان می‌شود و شروع و پایان تغییرات آستنیت را برای هر تابع سرد کردن دما تعیین می‌کند.
نمودار CCT برای CK45 در شکل ۳ و نمودار CCT برای ۴۱Cr4 در شکل ۴ نشان داده شده است.

 647233973079644

 

شکل ۳: نمودار CCT برای CK45

 962310344129236

 

 

شکل ۴: نمودار CCT برای ۴۱Cr4

نوعی نمودارهای CCT اصلاحی نیز وجود دارند که براساس دما بر حسب قطر میله، به جای زمان رسم شده‌اند. در این نوع نمودارها، با رسم یک خط قائم بر روی نمودار، ریزساختار موجود در مرکز میله را برای قطر موردنظر و محیط سرد کردن مربوطه پیش‌بینی می‌کنند.
نمودار CCT اصلاحی برای CK45 در شکل ۵ و نمودارCCT اصلاحی برای ۴۱Cr4 در شکل ۶ نشان داده شده‌اند.

256164134801054

 

شکل ۵: نمودار CCT اصلاحی CK45

 

 141411368531103

 

 

شکل ۶ : نمودار اصلاحی ۴۱Cr4
اگر قطر قطعات مورد بررسی حدود ۱۰ میلی‌متر فرض شود، با رسم خطوط مربوطه بر روی شکل‌های ۶ و ۷ مشخص می‌شود در صورتی که قطعات از جنس CK45 را به دمای آستنیته برده و به آنها فرصت کافی داده شود تا استحاله آستنیت کاملاً انجام شود و سپس قطعات در هوا خنک شوند، ساختار در مغز قطعات فریتی پرلیتی خواهد بود، ولی برای قطعات از جنس ۴۱Cr4 در صورت انجام این فرایند، ساختار مقدار کمی فریت و پرلیت داشته و بیشتر از بینایت تشکیل خواهد شد. لذا دیده می‌شود که آماده کردن قطعات بازکاری برای سختکاری مجدد با انجام فرایند نرمالایزینگ، همیشه رضایت‌بخش نبوده و گاهی نتیجه فرایند نرمالایزینگ فازهای غیرتعادلی مانند بینایت بوده که خود در عملیات بعدی، سبب غیریکنواختی در نتیجه به دست آمده خواهند شد. این مسئله، مخصوصاً در فولادهایی که شامل عناصر آلیاژی افزایش‌دهنده سختی‌پذیری و انتقال‌دهنده دماغه منحنی CCT به سمت راست می‌شوند، بیشتر به چشم می‌خورد.

آنیلینگ
عملیات آنیلینگ به منظور کاهش سختی، حذف تنش‌های داخلی و تصحیح میکروساختار انجام می‌شود. برای انجام عملیات آنیلینگ، ابتدا باید قطعات فولادی را ۳۰ تا ۵۰ درجه سانتی‌گراد بالای دمای AC3، گرم کرده و به مدت کافی در این دما نگهداری شوند. سپس، قطعات باید به آهستگی و با سرعتی در حدود ۰۲/۰ درجه سانتی‌گراد در ثانیه، سرد شوند. معمولاً عملیات سرد کردن قطعات یاد شده، در کوره صورت گرفته و بسیار زمان‌بر است.
در عملیات آنیلینگ با گرم کردن قطعات، آستنیت جوانه‌زنی کرده و اگر دما بسیار بالاتر از AC3 باشد، باعث درشت‌دانگی در ساختار و کاهش کیفیت نهایی قطعات می‌شود.
با مراجعه به شکل‌های۳ و ۴دیده می‌شود که برای انجام فرایند آنیلینگ کامل، زمانی به حدود ۱۰ ساعت نیاز است که این موضوع در امر تولید اخلال ایجاد خواهد کرد. لذا فرایندی که برای آماده کردن ساختار قطعات برای بازکاری پیشنهاد می‌شود، فرایند آنیل ایزوترمال است. در فرایند آنیل ایزوترمال، دمای گرم کردن قطعات مشابه آنیل کامل بوده و پس از نگهداری قطعات در دمای مورد نظر، ابتدا قطعات را زیر دمای A1، نزدیک به دماغه CCT، به سرعت سرد کرده و سپس در این دما آن‌قدر نگهداری می‌کنند تا استحاله کامل آستنیت به فریت و پرلیت صورت پذیرد، بعد از آن با هر سرعتی می‌توان قطعات را سرد کرد. نموداری شماتیکی از روش آنیل ایزوترمال در شکل ۷ ارائه شده است.

 936873080069224

 

شکل ۷ : نمودار شماتیک آنیل ایزوترمال

با مراجعه به شکل ۸ دیده می‌شود که سرعت سردکنندگی هوا در دماهای بالای ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد، بیشترین مقدار خود بوده و برای هوای ساکن در حدود ۵ درجه سانتی‌گراد بر ثانیه و برای جریان هوا در حدود ۳۰ درجه سانتی‌گراد بر ثانیه است.
با توجه به مطالب گفته شده و شکل ۳ برای آنیل ایزوترمال قطعات با جنس CK45، کافی است آنها را برای مدت کافی در دمای ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد قرار داده و سپس از کوره خارج کرد تا دمای آن در هوا به حدود ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد برسد. این امر با توجه به شکل ۸ در هوای ساکن، حدود ۲۰ ثانیه و در جریان هوا، حدود ۳ ثانیه طول می‌کشد. سپس، قطعات را در کوره‌ای که از قبل آماده شده و دمای آن ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد است قرار داده و به آن فرصت داده می‌شود تا استحاله فریت پرلیت به صورت کامل انجام شود. بعد از این مرحله می‌توان قطعات را از کوره خارج کرد تا در معرض هوا خنک شوند.

388688072561092

 

شکل ۸ : اثر جریان هوا بر سرعت خنک‌کنندگی آن (ـــ) هوای آرام (ـ ـ) جریان هوا

همچنین، با توجه به شکل ۴ برای آنیل ایزوترمال قطعات از جنس ۴۱Cr4، کافی است قطعات برای مدت کافی در دمای ۷۲۰ درجه سانتی‌گراد بوده، سپس در معرض هوا تا دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد خنک شوند و پس از آن، در کوره ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد قرار گیرند تا استحاله فریتی پرلیتی به صورت کامل انجام شود. بعد از این مرحله، می‌توان قطعات را در معرض هوا خنک کرد.

نتیجه‌گیری
۱ . در آماده کردن قطعات نامناسب سخت شده از جنس CK45 و ۴۱Cr4، برای بازکاری، نرمالایزینگ به صورت کامل نمی‌تواند فاز مارتنزیت را به فازهای متعادل استحاله کند.
۲ . برای آماده کردن قطعات سخت شده به صورت نامناسب برای بازکاری بهتر است عملیات آنیلینگ صورت پذیرد.
۳ . فرایند آنیلینگ در حالت آنیل کامل، زمان‌بر بوده و پیشنهاد می‌شود از آنیل ایزوترمال استفاده شود.

منبع :

مرتضی جمالی

http://www.me-en.com

 

 

 

 

درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

تشکیل فریت فوق ظریف (UFF) درفولاد فریتی – پرلیتی با کارسرد و آنیل

با توجه به استفاده گسترده فولادهای فریتی – پرلیتی درکاربردهای صنعتی بهینه سازی خواص آنها …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.