خلاصه
پیش از گرم کردن ساختار میکروسکوپی فولاد شامل فریت و پرلیت و کاربیدها است . با
حرارت دادن تا رسیدن به دمای بحرانی تغییر فاز با جوانه زنی آستنیت آغاز می شود . با
افزایش دما ، فریت و سمانتیت درون آستنیت حل می شوند . پس از حل شدن کار بیدها فاز
آستنیت همگن به دست می آید . فرایند آستنینی شدن در دمای بالای به سرعت انجام می
گیرد. برای فولادهای هیپریوتکتوئید و هیپویوتکتوئید باید دما را بیشتر افزایش دهیم.اگر فولاد
با زمینه آستنیت همگن را به آرامی خنک کنیم فازهای فریت ، پرلیت و سمانتیت تشکیل می
شود . در صورت افزایش آهنگ خنک کاری به باینیت و مارتنزیت می رسیم .در
فولادیوتکتوئیدی تغییر شکل آستنیت به پرلیت هنگامی است که دمای آستنیت کمتر از دمای
بحرانی شود و آهنگ خنک کاری آهسته باشد . در فولادهای هیپریوتکتوئیدی و
هیپویوتکتوئیدی ، بین دماهای بحرانی فوقانی و تحتانی ، فریت یا سمانتیت تشکیل می شود
.اگر سرعت خنک کاری فولاد را زیاد کنیم ) بالاتر از خنک کاری بحرانی ( مستقیماً فاز
مارتنزیت تشکیل می شود که سخت و مستحکم است.
فهرست
مقدمه
نحوه انجام آزمایش
نتایج و بررسی
مراجع
منظور از عملیات حرارتی ، گرم کردن قطعات فلزی در کوره در دما و زمان مشخص و نهایتاً
سرد کردن آن با یک شیب حرارتی مشخص ، برای دستیابی به یک ساختار متالورژیکی و در
نتیجه خواص مکانیکی مورد نظر ، می باشد.
نوع عملیات حرارتی بر روی فلزات را می توان با توجه به نوع ماده، به دو دسته کلی فلزات
آهنی و فلزات غیرآهنی تقسیم بندی کرد. ] 1 [
دلايل عمليات حرارتي
در عملیات حرارتی فولاد معمولا یکی از اهداف زیر دنبال می شود.
1 تنش گیری حاصل از کار یا تنش گیری حاصل از سرد کردن ناهمگن. –
2 بهینه سازی ساختار دانه در فولادهایی که بر روی آنها کار گرم انجام شده است و ممکن –
است دانه های درشت داشته باشند.
3 بهینه سازی ساختار دانه. –
4 کاهش سختی فولاد و افزایش قابلیت شکا پذیری. –
5 افزایش سختی فولاد به منظور زیاد شدن مقاومت سایشی و یا سخت کردن فولاد برای –
مقاومت بیشتر در شرایط کاری.
6 افزایش چقرمگی فولاد به منظور تولید فولادی که استحکام بالا و انعطاف پذیری خوبی –
دارد و افزایش مقاومت فولاد در برابر ضربه.
7 بهبود قابلیت ماشین کاری. –
8 بهبود خواص برشی در فولاد ابزار. –
0 بهینه کردن خواص مغناطیسی فولاد. –
19 بهبود خواص الکتریکی فولاد. – ] 1 [
آزمایش اول
موضوع آزمایش: آنیل کردن
هدف آزمایش: بررسی فرآیندهای آنیل کردن شامل آنیل کامل، آنیل ایزوترمال و آنیل
اسفرودایز
مقدمه:
آنیل کردن) Annealing :)
واژه آنیل دارای معنی، مفهوم و کاربرد وسیعی است، بدین صورت که، به هر نوع عملیات
حرارتی که منجر به تشکیل ساختاری بجز مارتنزیت و با سختی کم و انعطاف پذیری زیاد
شوداطلاق می شود . ازآنجایی که این مفهوم بسیار کلی است، عملیات حرارتی آنیل به یک
سری فرایندهای مشخصتر ودقیقتر تقسیم می شود . این تقسیم بندی بر اساس دمای عملیات،
روش سرد کردن، ساختار و خواص نهایی است .
اهداف آنیل:
کاهش سختی . -
بهبود چقرمگی . -
تغییر خواص الکتریکی یا مغناطیسی . -
تجدید شکل پذیری . -
همگن کردن بافتهای ناهمگن و کاهش جدایش . -
حذف تنش های پسماند . -
پالایش اندازه دانه ها . -
آنیل کامل Full Annealing) :)
آنیل کامل عبارت از حرارت دادن فولاد در گستره ی دمایی نشان داده شدده در )شدکل 1 (و
سپس سرد کردن آهسته ، معمولاً در کوره است . تحت شرایط فدوق آهندگ سدرد شددن در
حدود 0.02 درجه سانتیگراد بر ثانیه است . همچنان که از )شکل 1 (مشخص اسدت ، گسدتره
ی دمایی آستنیته کردن برای آنیل کامل ، تابع درصد کربن فولاد است . بدین صدورت کده ،
برای فولادهای هیپویوتکتوئید حدود 59 درجه سانتیگراد بدالای خدط A3 و بدرای فولادهدای
هیپریوتکتوئید حدود 59 درجه سانتیگراد بالای خط A1 است . دماهای بحراندی A1 و A3 تدا
حدودی تحت تاثیر عناصر آلیاژی در فولادها تغییر می کند . بنابراین ، بطور کلی در عملیدات
آنیل کامل ، فولادهای هیپریوتکتوئید را در ناحیه تکفازی آستنیت و فولادهای هیپریوتکتوئیدد
را ر ناحیه دو فازی آستنیت سمانتیت حرارت می دهندد علدت آسدتنیته کدردن فولادهدای –
هیپریوتکتوئید در ناحیه دو فازی آستنیت سمانتیت این است که سمانتیت پرویوتکتوئیدد در –
این فولاد به صورت کروی و مجتمع شده در آید . اگر چنین فدولادی تدا بدالای خدط Acm
حرارت داده شود ، در ضمن آهسته سرد شدن سمانتیت پرویوتکتوئید بصورت شبکه پیوسته ای
در مرز دانه های آستنیت رسوب می کندو در نتیجه منجر به ترد و شکننده شددن فدولاد مدی
شود . در عملیات آنیل کامل،هدف از آستنیته کردن فولادهدای هیپریوتکتوئیدد در ناحیده دو
فازی آستنیت سمانتیت ، عبارت از شکستن شبکه ی پیوسته کاربیدد و تبددیل آن بده ذرات –
ریز و کروی شکل مجزا از یکدیگر است . نیروی محرکه در این عملیدات عبدارت از کداهش
انرژی فصل مشترك ناشی از کروی شدن ذرات کاربید و در نتیجه کاهش مقدار فصل مشترك
آستنیت کاربید است . –
در عملیات آنیل کامل ، نه تنها دمای آستنیته کردن بلکه آهنگ سرد شدن نیز از اهمیت ویدهه
ای برخوردار است .)شکل 2 (شمایی از مراحل گرم و سرد شدن این عملیدات را بدرای یدک
فولاد هیپویوتکتوئید نشان می دهد . سرد کردن آهسته که معادل سرد شددن در کدوره اسدت
باعث می شود که در ضمن عبور از خطوط A3 و A1 ابتدا فریت و سپس پرلیت از آسدتنیت
بوجود آید . به علت سرد شدن آهسته ، فریت تشکیل شده دارای دانده هدای درشدت و هدم
محور بوده و پرلیت دارای فاصله بین لایه ای نسبتاً زیاد)پرلیت خشن یا درشت( است . از جمله
مشخصه های مکانیکی این میکروساختار عبارت از کاهش سختی و استحکام و افزایش انعطاف
پذیری است.
شکل 1: انیل کردن
شکل 1 : ناحیه ای از نمودار تعادلی آهن کربن همراه با گستره دمایی مربوط به آنیل کردن . –
شکل 2: مراحل گرم و سرد شدن براي يك فولاد هيپويوتكتوئيد
روش انجام آزمایش:
ابتدا نمونه ای از فولاد CK45 آماده می کنیم و ساختار آنرا با استفاده از متالوگرافی مشاهده
می نماییم )شکل 3 (. سپس نمونه را به مدت 45 دقیقه در دمای 869 درجه سانتیگراد داخل
کوره قرار می دهیم . آنگاه اجازه می دهیم تا نمونه داخل کوره با سرعت حدود 0.02 درجه
سانتیگراد بر ثانیه سرد شود ) سرعت سرد شدن را می توان از روی میزان باز بودن درب کوره
کنترل کرد ( . آنگاه قطعه سرد شده را برای متالوگرافی آماده سازی نموده و متالوگرافی می
نماییم تا تغییر ساختار در اثر آنیل کامل را مشاهده نماییم .
نکته : البته برای تعیین تغییرات ریز ساختاری از آزمون سختی نیز می توان بهره گرفت .
شکل 3: نمونه ck45 ،که ساختار فریت پرلیتی می باشد، قبل از
آنیل کامل
شکل 4: همان نمونه بعد از آنیل کامل
نتیجه گیری:
ملاحظه می شود که در اثر آنیل کامل سختی کم و انعطاف پذیری افزایش یافته است که این
تغییرات در اثر تبدیل پرلیت ریز به پرلیت درشت تر و همچنین افزایش میزان فریت در
ساختار مربوط می شود.
خطاهای آزمایش:
ملاحظه می شود که در اثر آنیل کامل سختی کم و انعطاف پذیری افزایش یافته است که این
تغییرات در اثر تبدیل پرلیت ریز به پرلیت درشت تر و همچنین افزایش میزان فریت در
ساختار مربوط می شود.
آزمایش دوم:
نرماله کردن Normalizing :
نرماله کردن یکی دیگر از انواع روش های عملیات حرارتی است که میکرو ساختار حاصل
همانند آنیل کردن شامل پرلیت ، مخلوطی از فریت و پرلیت و یا مخلوطی از پرلیت و سمنتیت
است ) بستگی به ترکیب شیمیایی فولاد دارد ( .
اما چند تفاوت عمده بین نرماله کردن و آنیل کردن وجود دارد :
1 در نرماله کردن دمایآستنیته کردن برای فولاد های هیپویوتکتویید کمی بالاتر از گستره –
ی دمایی مربوط به آنیل کردن است در حالیکه برای فولاد های هیپر یوتکتویید از گستره ی
دمایی حدود 59 درجه سانتیگراد بالای A cm استفاده شده است .
2 در عملیات نرماله کردن قطعات پس از آستنیته شدن در هوا سرد می شوند . که سرعت –
9 تا 1 درجه سانتیگراد بر ثانیه است . / سرد شدن در هوا حدود 1
3 از آنجاییکه در نرماله کردن فولاد های هیپو یوتکتویید گستره ی دمایی آستنیته کردن –
بالاتر از گستره ی دمایی مربوط به آنیل است . ساختار آستنیت و همچنین توزیع عناصر
آلیاژی از یکنواختی بیشتری برخوردار است .
4 با توجه به اینکه در نرماله کردن فریت و پرلیت در دمای کمتر و با آهنگی بیشتر از آنیل –
کردن تشکیل می شوند . اندازه ی دانه های فریت فریت و سمنتیت و فاصله ی بین لایه ای
پرلیت هر دو کاهش می یابند . بنابراین در مقایسه با خواص حاصل از فرایند آنیل کردن ،
استحکام و سختی افزایش یافته و انعطاف پذیری تا حذوذی کاهش می یابد .
باید دقت داشت چنانچه دمای نرماله کردن بالاتر از میزان تعیین شده باشد ممکن است منجر به
درشت شدن دانه ها شود که بر خلاف اهداف نرماله کردن می باشد .
ابعاد قطعات بر روی آهنگ سرد شدن اثر دارد که این اثر دو نتیجه را به همراه خواهد داشت :
1 در مقاطع خیلی بزرگ آهنگ سرد شدن سطح قطعه ممکن است به طور قابل ملاحظه ای –
بیشتر از ناحیه ی داخلی باشد و در نتیجه باعث ایجاد تنش در آن می شود .
2 اینکه در قطعات خیلی کوچک به خصوص در مورد فولاد های آلیاژی سرد شدن در هوا –
ممکن است منجر به تشکیل بینیت وبا حتی مارتنزیت به جای مخلوط فریت و پرلیت شود . با
توجه به این نکته توصیه می شود که عملیات نرماله کردن بر روی فولاد های آلیاژی اعمال
نشود .
روش انجام آزمایش:
نمونه ی فولادی ) ck45 ( مورد نظررا در کوره با دمای 809 درجه سانتیگراد به مدت 45
دقیقه حرارت می دهیم . قطعه را از کوره خارج کرده و در هوا سرد می کنیم . دمای قطعه
تقریبا 59 درجه سانتیگراد بالای خط A cm 9/ است که با توجه به سرعت سرد کردن 1
16 دقیقه طول خواهد کشید. سپس قطعه را متالوگرافی کرده و زیر / سانتیگراد بر ثانیه حدودا 7
میکروسکوپ قرار می دهیم و ساختار حاصل را مشاهده می کنیم .
شکل 5: ریزساختار بعد از عملیات نرماله کردن در بزرگ
نمایی 01×400
پ
رلیت فریت
شکل 6: ریزساختار بعد از عملیات نرماله کردن در بزرگنمایی 02×1000
نتیجه گیری:
نرماله کردن باعث ظریف شدن پرلیت وکوچک شدن اندازه ی دانه ای فریت می شود که در
مقایسه با خواص حاصل از فرایند آنیل کردن استحکام و سختی افزایش یافته و انعطاف آن
کمتر شده است .همچنین از تصویر 6 می شود تقریبا" گفت که 50% پرلیت و 50% فریت
داریم.
آزمایش سوم:کوئینچ در آب و روغن:
روش سرد کردن که به منظور سخت کردن یک فولاد استفاده می شود به ندوع فدولاد، شدکل
قطعه، ابعاد قطعه وخواص مکانیکی مورد نظر پس از عملیات حرارتی بستگی دارد. به طور کلی
سه روش سرد کردن برای سخت کردن فولادها وجود دارد که عبارتند از
-1 سریع سرد کردن مستقیم ) quench )
-2 مارتمپرینگ ) martempering )
-3 آستمپرینگ ( austempering )
در این آزمایش، روش اول )سریع سرد کردن( مورد بررسی قرار می گیرد.
کوئنچ که مستلزم سریع سرد شدن فولاد از دمای آستنیته شدن تا زیر دمای Mf است )شدکل
1(، سطح و مرکز قطعه با آهنگ های متفاوت سرد شده و بنابراین تشکیل مارتنزیت بده طدور
همزمان در نواحی فوق انجام نمی شود. اینه پدیده منجر به ایجاد تنش های داخلی در قطعه شدده
و نهایتأ می تواند قطعه را شکسته و یا تغییر شدکل دهدد. کدوئنچ کدردن همانندد دو عملیدات
حرارتی آنیل کردن و نرماله کردن است. با این تفاوت که به جدای محدیط خندک کنندده از
محلول خنک کننده استفاده می شود.
شکل 7:شمایی از عملیات حرارتی سریع سرد کردن یک مرحله ای )سریع سرد کردن مستقیم( منطبق بر نمدودار TTT فدولاد
باکربن متوسط
محیط های سرد کننده :
1 کوئینچ در آب: -
مقدمه:
محیط های کوئنچ بایستی تا حدود دمائی که در آن دما ، مدت تعادل ناپایدار آسدتنیت حدداقل
می باشد ، )حدود 559 تا 659 درجه سانتیگراد برای فولادهای کربندی( دارای قابلیدت سدرد
کردن بسیار سریعی باشند تا از تجزیه آستنیت به مخلوط فریت + سمانتیت جلدوگیری گدردد .
در عین حال بسیار بجاست که در ناحیده دگرگدونی مدارتنزیتی )زیدر 299 تدا 399 درجده
سانتیگراد( سرعت سرد شدن پایین باشد تا از ایجاد تنشهای داخلی ، در هنگام دگرگونی فدازی
، که باعث کجی ، ترك و تغییر شکل قطعه آبداده خواهد شد ، جلوگیری شود .
برای کوئنچ فولادهای کم کربن و کم آلیاژی ، که در آنها سرعت بحرانی کدوئنچ بالاسدت ،
معمولاً از آب )با دمایی حدود 29 تا 39 درجه سانتیگراد( و محلولهای آبی مختلف استفاده می
کنند ، در حالی که برای فولادهای آلیاژی ، علاوه بر آب و محلولهای آبی مختلف ، روغدن و
هوا را نیز می توان مورد استفاده قرار داد .
همچنین سرد کردن قطعه ممکن است در آب آهک ، آب اسید ، نفت ، پیه ، هدوای فشدرده ،
محلولهای پلیمری و یا در حمامهای مذاب فلزی )مانند سرد کردن فولادهای تندبر تنگسدتن دار
در سرب مذاب یا سرد کردن قطعات کوچک ساعت در داخل جیوه( انجام گیرد . آب بعندوان
محیط سرد کننده ، دارای سرعت سرد کردن بسیار بالایی ، در مقایسه با مایعات دیگر می باشد
. از امتیازات دیگر آب ، ارزان و قابل دسترس بودن و نیز شکستن لایه اکسیدی اسدت کده در
سطح قطعات فولادی ، در موقع گرم کردن در کوره با اتمسفر معمولی ، به وجدود مدی آیندد .
همچنین نداشتن مسئله آلودگی محیط زیست ، امتیاز دیگر محیط آب می باشدد . بندابراین ، در
صورتی که ویهگی سرد کردن سریع آب موجب پیچیدگی و یا ترك در قطعه نشود ، اسدتفاده
از آب بعنوان محیط کوئنچ میسر است .
آب در حد وسیعی برای کوئنچ فلزات غیر آهنی ، فولادهای زنگ نزن آستنیتی و فلزات دیگر
مورد استفاده قرار می گیرد . به طور کلی آب برای سرد کردن سریع فولادهایی کده در آنهدا
تشکیل لایه بخار و نقاط نرم حاصله ، در اثر سرد کردن در آب ، مسئله ای ایجاد نمی کند بکار
می رود .
برای آب ، روغن یا مایعات دیگری که قطعه گرم در هنگام غوطه وری در آنها به جوش مدی
آیند ، سه مرحله مشخص برای سرد شدن وجود دارد :
1 ابتدا در دور و بر قطعه بخار تشکیل می شود . این مرحله اول را ایجاد قشدر عدایق مدی -
نامند . در اثر تشکیل قشر عایق ، سرعت سرد شدن نسبتاً پایین می آیدد . دفدع گرمدا در ایدن
مرحله به تشعشع و قابلیت هدایت حرارتی بخار تشکیل شده بستگی دارد .
2 در مرحله بعدی ، تشکیل بخار در دور و بر قطعه خاتمه یافته و مایع در سطح قطعده شدروع -
به جوشش می نماید . به این ترتیب تماس فوری بین قطعه و مایع پیش می آید که در نتیجده ،
حبابهای بخار از سطح قطعه جدا می شوند . در این هنگام ، سرعت سرد کردن خیلی بالا است .
3 سرد شدن بعدی قطعه ، در دمای زیر نقطه جوشش مایع ، با انتقال حرارت رخ می دهد . -
سرعت سرد شدن در این مرحله کم است .
آب بعنوان یک محیط کوئنچ ، سرعت زیاد سردن شدن قطعه را تدامین مدی کندد ولدی دارای
بعضی اشکالات می باشد . کوئنچ قطعات در آب با یک مرحله کاملاً مشخص ایجاد قشر عدایق
همراه است . این مرحله ، در یک محدوده وسیعی از درجات حرارتی گسترده شده است که در
نتیجه سرعت سرد شدن را در منطقه تجزیه آستنیت پایین می آورد . بعلاوه در محدوده تشکیل
مارتنزیت ، سرعت سرد شدن قطعه در آب ، خیلی بالاست و در نتیجه در این حالت ، تنشدهای
ساختاری بزرگی در داخل قطعه ایجاد می شود که می تواند موجب ایجاد تغییر شکل و حتدی
بروز ترکهایی در آن شود .
انتخاب آب گرم برای کوئنچ ، باعث کاهش سرد شددن در دماهدای بدالا مدی گدردد ، ولدی
برعکس در محدوده حرارتی مارتنزیتی ، سرعت سرد شدن بالا می رود . این امر یکدی از علدل
ایجاد ترکهایی است که در اثر کوئنچ در آب گرم بوجود می آید . هر قدر درجه حرارت آب
به نقطه جوش آن نزدیکتر باشد ، قدرت سردکنندگی خود را بیشتر از دست می دهد . ولدی در
مورد روغن ، این اثر زیاد نیست ، زیرا ویسکوزیته روغن نیز با افزایش دما کمتر مدی شدود و
در نتیجه به علت رقیق شدن ، افزایش دما جبران می شود .
برای آنکه نتایج کوئنچ در محیط آب ، قابل تکرار باشد لازم است عدواملی مانندد دمدای آب ،
نحوه همزدن و آلودگی آن را کنترل کرد . وقتی دمای آب بین 15 تدا 25 درجده سدانتیگراد
باشد ، بهتر می توان نتایج قابل تکرار بدست آورد .
عمل بهم زدن در مورد آب خیلی مهم است ، زیرا موجب شکستن بخار آب حاصله و دور
شدن حبابهای بخار از دور و بر قطعه می گردد . آلودگی حمام آب ، با نمکهدای وارد شدده از
حمام نمک ، که در مرحله گرم کردن قطعه بکار می رود ، سرعت سرد کننددگی آب را بدالا
می برد . زیرا نمکها بطور موثری طول مدت ایجاد بخار آب را کم می کنندد . بدا ایدن وجدود
آلوده کننده هایی نظیر صابونها ، آهکها ، لجن و لعاب و یا مواد امولسدیون سداز ، بدا بده تلده
انداختن لایه بخار ، مانع تماس سریع آب سردتر با قطعه شده و سرعت سرد کدردن را کداهش
می دهند .
نمکهای غیر قابل حل ، که در موقع خروج نمونه از حمام نمک ، به آن چسبیده و وارد آب می
شوند ، ممکن است بعداً باعث مزاحمت سیستم پمپاژ شده و در صورتی که مقدار آن زیاد باشد
، حجم نسبت آب را نیز کم کند . لذا لازم است محیط آب به تناوب گل گیری شده و یا آب
کلاً تعویض گردد.
شکل 8: نمودار TTT مربوط به سریع سرد شدن در آب،روغن،هوا و کوره
روش انجام آزمایش:
قطعه فولادی ) Ck45 ( را تا دمای 8500c حرارت داده و به مددت 1 سداعت در کدوره قدرار
دادیم سپس سریعا" در محیط آبی کوئینچ کردیم بعد از عملیدات متدالوگرافی و اد در محلدول
2% نیتددال) 4 ثانیدده ( انتظددار مددی رود کدده سدداختار مارتنزیددت لایدده ای مشدداهده
شود.
شکل 0:ساختار کدوئینچ شدده در آب در بدزرگ نمدایی
01×1000 دانه های آستنیت اولیه مارتنزیت لایه ای
نتیجه گیری:
در حالت کوئنچ در آب بر خلاف سرد کردن در روغن بده دلیدل بدالا بدودن ضدریب انتقدال
حرارت آب نسبت به روغن مارتنزیت های تشکیل شده زیادتر خواهد بود و در نتیجه آستنیت
های باقیمانده بسیار کمتر بوده و سختی آن نیز نسبت به کوئنچ در روغن بسیار بالاتر است.
تذکر : باید توجه داشت که اگر فاصله زمانی خروج قطعات از کوره و کوئنچ آنها طولانی
شود، دمای قطعات از دمای آستنیته پایین تر آمده و دیگر امکان انجام استحاله کامل مارتنزیتی
وجود ندارد، در این صورت، قطعه مورد نظر پس از انجام عملیات حرارتی، دارای غیر
یکنواختی در سختی خواهد بود.
کوئینچ در روغن:
مقدمه:
روغنهای کوئنچ را می توان به گروههای مختلفی تقسیم کرد :محیطهای معمولی ، سریع و
کوئنچ با همگنی مارتنزیتی و یا کوئنچ گرم.یک گروه دیگر از محیطهای کوئنچ،امولسیون
های روغن در آب می باشند.این محلولها کاربرد محدودی دارند،زیرا ویهگیهای کوئنچ آنها
غیر قابل پیش بینی بوده و مشخصات آنها کاملاً با روغنهای بی آب متفاوت می باشد .
ویژگیهای سرد کنندگي روغن :
تمام روغنهای کوئنچ دارای قدرت کوئنچ پایین تر از آب ، یا محلولهای نمکی آبی غیر آلی
می باشند . با این حال سرعت سرد کردن این حمامها در انتهای سیکل کوئنچ یکنواخت تر
است . در نتیجه خطر پیچیدگی یا ترك هر قطعه تا حد زیادی کاهش می یابد. دمای روغن
تاثیر زیادی بر روی روند کوئنچ ندارد. معمولاً دمای روغن را بین 04 تا 59 درجه سانتیگراد
می گیرند ، ولی دماهای بالاتر و یا پایین تر نیز ، بدون آنکه اثری بر روی سختی حاصله در
اثر کوئنچ داشته باشد، برای روغن بکار می رود.بالا بودن دمای روغن موجب پیری زودرس
آن می شود و سردتر بودن روغن نیز ممکن است باعث تاب برداشتن قطعه گردد .
در مورد روغن ، رعایت دو نکته عمومی زیر توصیه می شود :
1 روغن های سرد و با ویسکوزیته بالا بایستی تا حدی گرم شوند که ویسکوزیته آنها -
کمتر گردد
2 سعی شود روغن هایی با نقطه اشتعال بالا مورد استفاده قرار گیرد . -
قطعاتی که برای آنها نسبت سطح به حجم زیاد است،به دلیل آنکه گرمای خود را سریع بده
روغن منتقل می کنند ، باعث افزایش سریع دمای روغن شدده و در ن تیجده ، خطدر آتدش
گرفتن روغن بیشتر می شود.برای سرد کردن چنین قطعاتی بایدد دمدای روغدن در هنگدام
کوئنچ پایین تر و نیز نقطه اشتعال آن بالاتر باشد.
روش انجام آزمایش:
نمونه را به مدت 1 ساعت در دمای 850 درجه سانتیگراد در کوره حرارت می دهیم سپس
مستقیما" نمونه را وارد روغن می کنیم در ضمن باید در روغن تلاطم ایجاد کنیم تا عملیات
کوئینچ کامل انجام شود و همچنین تلاطم شدت سرد کنندگی روغن را افزایش می دهد.
شکل 19 :ساختار کوئینچ شده در
روغن) مارتنزیت نشده( در بزرگنمایی 02×1000
نتیجه گیری:
در عملیات کوئینچ آب نمونه کوئینچ شده به صورت 100% مارتنزیت شده است.در عملیات
کوئینچ روغن نمونه مارتنزیت نشده است و تقریبا" به صورت فریت پرلیت در آمده است.
دلایل این امر می تواند از دلایل زیر باشد:
1 زمان یا دما آستنیته شدن به اندازه کافی نبوده است -
2 انتقال حرارت خوب نبوده تلاطم به اندازه کافی نبوده -
3 سرد شدن در روغن به خوبی انجام نشده و .... -
در نتیجه ساختار به صورت فریت پرلیت نبوده و به مارتنزیت تبدیل نشده است همچنین نتیجه
می شود به دلیل بیشتر بودن سرد کنندگی محیط آبی نسبت به محیط روغنی،نمونه کوئینچ شده
در آب سختی بیشتری نسبت به نمونه کوئینچ شده در روغن داشته باشد 9
کوئینچ در آب نمک:
توصیه می شود به جای آب خالص، از آب نمک برای کوئنچ استفاده شود. دلیل این پیشنهاد
این است که به هنگام کوئنچ قطعه فولادی خیلی داغ در آب بخار ایجاد شده در مجاورت
سطوح قطعه کار، یک مانع عایق ایجاد کرده و از انتقال حرارت مطلوب جلوگیری می کند،
مخصوصا در گوشه های تیز داخلی، رزوه ها، سوراخ های ته بسته و دیگر فرم های مشابه. در
نتیجه بعضی نقاط در قطعه کار نرم باقی می مانند ) Soft spots ( و این کوئنچ اختلافی باعث
ایجاد تنش در قطعه کار شده و اعوجاج و/ یا ترك را در آن به وجود خواهد آورد.
افزودن نمک )حداکثر 19 % حجمی( به آب، فرایند کوئنچ فولاد را تسهیل می کند، زیرا
کریستالهای نمک که بر روی سطح قطعه کار رسوب می کنند، به شدت منفجر می شوند. این
انفجار کریستالها باعث به هم خوردن شدید مایع شده و از ایجاد سد بخار در حوالی قطعه کار
در حال کوئنچ جلوگیری خواهد کرد. تلاطم مایع همچنین باعث دور شدن پوسته های ناشی از
عملیات حرارتی از سطح قطعه کار و ادامه یکنواخت عملیات کوئنچ می گردد. بنابراین استفاده
از آب نمک باعث سرد شدن یکنواخت قطعه کار خواهد شد .با اضافه کردن نمک به آب
شدت سرد کنندگی افزایش می یابد.
روش انجام آزمایش:
قطعه فولادی ) Ck45 ( را تا دمای 8500c حرارت داده و به مدت 1 ساعت در کوره قرار
دادیم سپس سریعا" در محیط آب نمک کوئینچ کردیم بعد از عملیات متالوگرافی ساختار زیر
) مشاهده شد.)شکل 11
شددکل 12 :سدداختار کددوئینچ در اب نمددک در بزرگنمددایی
02×1000
همانطور که از شکل مشخص است درصد مارتنزیت در سرد کردن با آب نمک بیشتر اسدت و
) همچنین ساختار یکنواخت تری دارد.)تفاوت شکل 12 با 0
بازپخت ) Tempering :)
هدف از انجام آزمایش :
آشنایی با عملیات و خواص تمپر کردن و متحدول کدردن سداختار خدارج از تعدادل ) مارتنزیدت و
آستنیت باقیمانده ، بینیت و ... ( و نزدیک کردن آن به حالتی نزدیک به تعادل ) بددون رسدیدن بده
تعادل ( با استفاده از فرایند های حرارتی فعال کنترل شده با نفوذ است .
مقدمه:
یمامت ًابیرقت )بآرد چنئوک( ندش درس عیرس نمض رد هدش داجیا یلخاد یاه شنت تلع هب
قطعات سخت شده نسبتاً ترد وشکننده میباشند. از اینرو بندرت فولادها پس از سریع سرد شدن
در شرایط سخت شده مورد استفاده قرار می گیرد.چرا که فاز مارتنزیت تشکیل شده در اثر
سریع سرد کردن فولاد فازی نیمه پایدار، بسیار سخت و ترد است. بنابراین برای کاهش سختی
و تردی بیش از حد فاز مارتنزیت برای اغلب کاربردهای صنعتی، لازم است فولاد مارتنزیتی
شده در دماهایی بین حدوداً C 200 – 600 حرارت داده شود.در نتیجه بخشی از اتم های
کربن حل شده با تشکیل کاربیدها از محلول جامد جدا می شود. و با شکل گیری ذرات کاربید
که سختی پایین تری دارند، از سختی بالای مارتنزیت کاسته می شود. لذا فولادها را پس از
سرد شدن و قبل از استفاده تمپر)بازگشت( می کنند.
به طور کلی تمپر کردن عبارت است از حرارت دادن فولاد سخت شده تا دمایی زیر دمای
Ae1 ، نگه داشته برای مدت زمان مشخص و سپس سرد کردن آهسته تا دمای اتاق. دما و زمان
حرارت دادن به ترکیب شیمیایی فولاد، ابعاد قطعه )تأثیر بیشتر بر روی زمان( وخواص
مکانیکی مورد نظر بستگی دارد در اثر تمپر کردن تنشهای داخلی کاهش یافته و یا حذف
میشوند،بنابراین استحکام ضربه ای افزایش میابد ولی در عوض استحکام ، حد تسلیم و سختی
قطعه کاهش می یابد. تغییر ساختار میکروسکوپی در اثر تمپر کردن، از مارتنزیت تمپر
شده)حاصل از تمپر کردن دردمای پایین و زمان کم( تا سمنتیت کروی )حاصل از تمپر کردن
در دمای بالا و زمان طولانی( می باشد.
ساختار یک فولاد مارتنزیت شده ناپایدار است بدلیل اینکه
1 وجود کربن فوق اشباع در شبکه بلوری - BCT مارتنزیت )نیروی محرکه جهت تشکیل
کاربید(
2 انرژی تنشی ناشی از وجود نابجائیها و دوقلوهای بسیار زیاد در ساختار بلوری صفحات -
مارتنزیتی)نیروی محرکه برای بازیابی(
3 انرژی سطحی ناشی از فصل مشترك بسیار زیاد بین صفحات)تیغه های( مارتنزیتی)نیروی -
محرکه برای رشد دانه ها(
4 وجود آستنیت باقیمانده )نیروی محرکه جهت تشکیل فریت وسمنتیت در طول تمپر(. -
روش انجام آزمایش:
در این آزمایش قطعاتی را که در جلسه ی گذشته با کمک آب و روغن کوئینچ کرده بودیم را
تحت عملیات تمپر در دمای 450 درجه سانتیگراد قرار دادیم . سپس قطعه ها را پس از گذشت
زمان 39 دقیقه از کوره خارج کرده و آن ها را در هوا خنک کردیم و بعد از آن سطح قطعات
فولادی ck45 رامتالوگرافی کردیم.در این آزمایش تیغه های مارتنزیتی باید کوچک و نرم
شوند.
شکل 13 :ریزساختار تمپر کوئینچ روغن در بزرگنمایی 01×1000
شکل 14 : ریزساختار تمپر
کوئینچ آب در بزرگنمایی 01×1000
نتایج:
در فولادهای مارتنزیتی کم کربن ، با افزایش دمای تمپر تا 299 تغییرات خیلی کمی در
سختی آنها رخ میدهد )فقط تنش زدایی می شوند( ولی با افزایش دمای تمپر کردن تا 459 سختی آنها به تدریج کاهش میابد.
در دمای 459 تغییرات جزیی در ساختار فولاد )تغییر جزیی فاز مارتنزیت به فریت و
سمنتیت( بوجود می آید.با تغییر دما وزمان تمپر کردن خواص مکانیکی فولاد بعد از عملیات
حرارتی تمپر کردن تغییر خواهد کرد این تغییرات عبارت اند از:
1 مقاومت به ضربه با افزایش دما یا زمان تمپر، افزایش یافته مگر اینکه فولاد در ناحیه دمایی -
تردی تمپر شده باشد.
2 سختی با افزایش دما یا زمان تمپرینگ ، کاهش میابد. -
3 انعطاف پذیری با افزایش دما یا زمان تمپرکردن ، افزایش می یابد. -
4 استحکام کششی و تنش تسلیم با افزایش دمای تمپر، کاهش بیشتری می یابند. -
نتایج نشان می دهند که سختی قطعات کوئنچ شده بعد از تمپر کاهش یافته و قطعدات ندرم تدر
شده اند و قطعاتی که دارای سختی بیشتری هستند بعد از عملیات تمپر سختی بیشتری از قطعاتی
که سختی کمتری قبل تمپر داشته اند دارند .
شکل 15 :تغییرات سختی با دمای تمپر بر حسب درصد کربن
کربن دهي) Carburizing (سطحي:
ارزانترین و رایج ترین روش سخت گردانی سطحی است. کربن دهی یا سمانتاسیون در حقیقت
فرآیند اشباع لایه سطحی فولاد کم کربن در دمای ° C 059 است که با استفاده از – 059
مواد کربن ده صورت می گیرد. در این حالت سطح قطعه سخت و حجم آن نرم است. درصد
9 درصد بیشتر باشد. عمق نفوذ / کربن فولادهای کربنی یا آلیاژی در این فرآیند نباید از 55
کربن ) Diffusion 9 تا 5 میلی متر متغیر است و مقدار کربن در / ( در لایه سطحی فولاد از 5
9 درصد افزایش می یابد. بعد از دست یابی به عمق مناسب نفوذ، – /55 1/ لایه بیرونی تا 5
عملیات سخت کاری ) Hardening ( با سریع سردکردن ) Quenching ( فولاد از دمای
سخت گردانی صورت می گیرد و با عملیات بازگشت ) Tempering ( در دمای پایین به اتمام
می رسد. از این عملیات برای افزایش مقاومت سایشی قالب های پرس مخصوص کارسرد و
قالب های ریخته گری تحت فشار ) Die Casting ( استفاده می شود. این نوع قطعات بعدا نباید
سنگ زده شوند زیرا لایه سطحی آنها از بین می رود.
فرآیند کربن دهي به سه روش انجام مي پذیرد:
1 . کربن دهی جامد
5 . کربن دهی مایع
3 . کربن دهی گازی
کربن دهي جامد:
در روش کربن دهی جامد ) Solid carburizing ( از مواد کربن ده جامد استفاده می شود.
معمولا قطعات در جعبه های فولادی مقاوم به گرما در مجاورت مخلوط پودری زغال چوب ) 59
5 درصد – - /5 3/ 59 درصد( و کربنات کلسیم ) 5 درصد وزنی( ، کربنات باریم یا سدیم ) 55
( قرار می گیرند. درز جعبه با گل نسوز پوشیده می شود. کربنات یک عامل فعال کننده است ،
فرآیند کربن دهی را تسریع می کند و فشار و ترکیب گاز درون جعبه را تنظیم می نماید. دمای
کربن دهی در روش جامد حدود ° C 950 – 900 است. مدت زمان نگهداری جعبه در
داخل کوره بسته به عمق لایه سطحی است که قرار است سخت شود. نفوذ کربن به ازاء هر
9 میلیمتر است. / ساعت نگهداری جعبه در دمای کربن دهی حدود 1
در دمای کربن دهی وقوع واکنش ) 1( در داخل جعبه باعث ایجاد گاز مونوکسید کربن
می شود:
)1( 2CO O 2 + )ذغال( 2C
)5( CO2 + C(atm) 2CO
کربن اتمی، آزاد و فعال است و براحتی می تواند به داخل فاز آستنیت نفوذ کند و در لایه های
سطحی فولاد فاز سمنتیت را تشکیل دهد.
مزایای کربن دهي جامد عبارتست از :
1.طیف وسیع تری از کوره ها در این روش قابل استفاده است زیرا محیط آماده شده قبلی نیاز
ندارد.
5.برای کربن دهی تعداد کم قطعات موثر و اقتصادی است.
3.با توجه به سردشدن آرام پس از کربن دهی، ماشینکاری نهایی آنها قبل از سخت کاری
مناسب است.
4.نسبت به روش گازی، روش های متعددی برای پوشاندن قسمت هایی از قطعه که نباید کربن
دهی شود وجود دارد.
معایب کربن دهي جامد عبارتست از:
1.بخاطر ماهیت و اندازه ذرات جامد، روش های دیگر تمیزتر و کار در آنها راحت تر است.
5.برای کربن دهی لایه های نازك که باید با دقت ابعادی زیادی کنترل شوند مناسب نیست.
3.کنترل کربن طرح و شیب کربن به نسبت کربن دهی گازی با دقت کمتری صورت
می گیرد.
4.سخت کاری مستقیم یا سخت کاری در قالب امکان پذیر نیست.
5.نسبت به کربن دهی گازی انعطاف پذیری کمتری در کنترل شرایط کربن دهی وجود دارد.
6.وزن مواد جامد و مخزن کربن دهی سرعت های گرم و سردشدن را کاهش می دهد و لذا
زمان عملیات افزایش می یابد.
بالا رفتن مقدار کربن در سطح فولاد باعث تشکیل فاز سمنتیت ) Cementite ( که بسیار
سخت است می شود. از این رو این عملیات را سمانتاسیون نیز می گویند.
روش انجام آزمایش:
نمونه های فولادی را داخل جعبه فولادی از جنس فولاد نسوز طوری قرار می دهیم که فاصله
بین قطعات در حدود 50 میلیمتر باشد سپس در جعبه را به نحوی می بندیم که هیچ گونه تبادل
هوا با خارج نداشته باشد.برای این منظور می توان از آزبست استفاده کرد.این جعبه را تا دمای
کربن دهی که اغلب بین 875 تا 925 درجه سانتیگراد است حرارت داده و برای مدت زمان
مشخصی در این دما نگه می داریم .زمان نگه داری در دمای کربن دهی بستگی به ضخامت لایه
سطحی مورد نیاز دارد.
شکل 16 :کربونیزه کردن فولاد Ck45 دز بزرگنمایی 01×400
شکل 15 :کربونیزه کردن فولاد CK45 در بزرگنمایی 02×1000
رگه های سمانتیت به وضوح در شکل مشخص است.همچنین سمنتیت ویدمن اشتاتن داخل
پرلیت دیده می شود.
نتیجه گیری:
در واقع بعد از عملیات کربن دهی مغز قطعه را فولاد کم کربن و سطح آن را فولاد پر کربن
تشکیل می دهد.می توان گفت در سطح مارتنزیت پر کربن تشکیل می شود بنابراین از سختی
زیادی برخوردار خواهد بود.در حالی که مغز آن همان درصد کم کربن اولیه را داراست و از
چقرمگی خوبی برخوردار است.
مثلا در میل لنگ همچین خاصیتی وجود دارد.)سطح سخت بوده و در عین حال از چقرمگی یا
مقاومت به ضربه خوبی برخوردار است(
منابع و مراجع:
1 کلید فولاد / نویسنده : - C.W.Wegst .
2 عملیات حرارتی فولادها و چدن ها/ دکتر گلعذار/ دانشگاه صنعتی اصفهان. -
3 عناصر آلیاژی در فولاد / ادگارسی.بین، هارولد.پکستون / ترجمه: علی اکبر اکرامی / - -
مرکز نشر دانشگاهی تهران / چاپ . 1375
4 عملیات حرارتی و مهندسی سطح / دکتر محمدعلی گلعذار / انتشارات ارکان / چاپ دوم -
.1382
انجام کلیه گزارش کارها
و ....
در کمترین زمان با قیمت کاملا توافقی
نظرات شما عزیزان:
|
تبادل
لینک هوشمند
عملیات حرارتی
نويسنده: 