انواع فولاد عملیات حرارتی

فرآیند تمپر کردن همیشه پس از فرآیند سخت شدن انجام می شود زیرا پس از فرآیند سخت شدن، فولاد شکننده می شود و ممکن است ترک بخورد. بنابراین معمولاً فلز پس از سخت شدن مجدداً تا دمای مناسب زیر نقطه بحرانی پایین تر گرم می شود تا چقرمگی و شکل پذیری آن بهبود یابد اما این کار به قیمت سختی و استحکام انجام می شود.

این کار به منظور مناسب تر ساختن فولاد برای نیازهای خدماتی انجام می شود. تمپر کردن برای آزاد کردن تنش های داخلی ناشی از سرد شدن سریع در سخت شدن انجام می شود. موارد استفاده در تمپر فولاد تا دمایی کمتر از دمای سخت شدن تکرار می شود و به آرامی سرد می شود.

تنش گیری

بعضی از فرآیندهای عملیات حرارتی و با مکانیکی در فولاد ایجاد تنش های داخلی می کنند که می تواند مخرب بوده و بر عملکرد این قطعات تأثیر نامطلوب گذاره تنش های داخلی حاصل ممکن است منجر به تاب برداشتن ترک خوردن و یا انهدام قطعات در تنش هایی به مراتب کمتر از سطح تنش طراحی شده برای آنها شود. از جمله منابع تنش های داخلی عبارت اند از:

1- یکنواخت سرد نشدن نقاط مختلف قطعه در ضمن کاهش دما از ناحیه آستنیت این پدیده به ویژه در رابطه با قطعات حجیم مشاهده می شود به طوری که حتی ممکن است چنین قطعاتی در هوا سرد شوند و تنش های داخلی در آنها به وجود آید.

بدین صورت که سطح قطعه ای که در هوا سرد میشود قبل از ناحیه مرکزی به قربت و سمنتیت تبدیل می شود. بنابراین هنگام تغییر فاز ناحیه مرکزی افزایش حجم یا انبساط ناشی از تشکیل فریت لایه های سطحی که تغییر فاز داده و سرد شدهاند را تحت تنش کششی قرار میدهد. در صورتی که این تنش از حد تسلیم نمونه کمتر باشد به صورت تنشهای داخلی در قطعه باقی می ماند.

از سوی دیگر، و در صورتی که این تنش بیشتر از حد تسلیم باشد باعث تغییر شکل مومسان و یا حتی شکستن قطعه می شود. در عملیات سریع سرد کردن جهت حصول مارتنزیت، پدیدهای مشابه ولی در مقیاس وسیعتر وجود دارد، به طوری که ممکن است در رابطه با مقاطع کوچک نیز منجر به ایجاد تنشهای داخلی و یا حتی شکستن قطعه شود. این مسئله یکی از دلایل اصلی انبار کردن فولادها جهت افزایش سختی پذیری آنها و در نتیجه به دست آوردن مارتنزیت در آهنگهای سرد شدن آهسته است به فصل ششم مراجعه شود.

۲- ماشینکاری و کار سرد از جمله منابع دیگر ایجاد تنش در فولادهاست. همچنان که در بخش مربوط به بازیابی و تبلور مجدد توضیح داده شد عامل ایجاد تنش در این عملیات، افزایش معایب بلوری است. از طرفی عدم توزیع یکنواخت کار سرد انجام شده در نقاط مختلف نیز

میتواند منجر به ایجاد تنشهای داخلی شود. جوشکاری عملیات دیگری است که ممکن است باعث ایجاد تنشهای کششی در قطعه شود. در اینجا نیز ناحیه جوش که به حالت مذاب در آمده در ضمن انجماد منقبض میشود از آنجایی که فلز پایه سرد بوده و انعطاف پذیری نسبتاً کمی دارد در مقایسه با فلز ناحیه جوش که در دمای بالاتری قرار دارد در برابر تغییر شکل ناشی از انقباض ناحیه جوش مقاومت کرده و ناحیه جوش و تا حدودی نواحی مجاور آن را تحت تنش کششی قرار می دهد.

برای حذف یا کاهش تنشهای باقیمانده از عملیات ،قبلی قطعات مورد نظر را برای زمان مشخص در دمایی زیر دمای بحرانی Ac حرارت میدهند زمان حرارت دهی بستگی به ابعاد قطعه و دمای تنشگیری دارد. هرچه دمای تنشگیری بالاتر انتخاب شود، زمان لازم برای انجام کامل عملیات کمتر است. به منظور جلوگیری از ایجاد تنشهای حرارتی جدید و همچنین احتمال شکستن قطعه در ضمن عملیات حرارتی تنش گیری، معمولاً حرارت دادن به و یا سرد کردن از دمای تنشگیری باید خیلی آهسته انجام شود این موضوع به ویژه در رابطه با قطعات حجیم و تجهیزات بزرگ جوشکاری شده صادق است.

هدف از عملیات تنشگیری این نیست که تغییرات عمده ای در خواص مکانیکی قطعه نظیر آنچه در تبلور مجدد مورد نظر است ایجاد شود بلکه رفع تنش فقط توسط مکانیزم بازیابی انجام می شود. عملیات بازیابی تقریباً همزمان با حرارت دادن و گرم کردن قطعه شروع می شود. در یک دمای ثابت نرخ بازیابی ابتدا زیاد و سپس با گذشت زمان کاهش می یابد.

از طرف دیگر از آنجایی که در تبلور مجدد نیاز به جوانه زنی است این عملیات خیلی بنابراین امکان بر طرف کردن تنشهای باقیمانده بدون تغییر قابل ملاحظه ای در خواص مکانیکی قطعه وجود دارد. در حقیقت به کمک عملیات تنشگیری و زمان، به راحتی می توان اثرات زیان آور تنشهای کششی سطحی ناشی از کار سرد را کاملاً آهسته شروع می شود و انتخاب صحیح دما صحیح برطرف کرد، در حالی که استحکام و سختی قطعه همچنان بدون تغییر باقی بماند.

در بسیاری از کاربردهای صنعتی نیاز به قطعاتی است که دارای سطحی سخت بوده و در عین حال از چقرمگی با مقاومت به ضربه خوبی نیز برخوردار باشند. از جمله مواردی که می توان در این رابطه به عنوان مثال به آنها اشاره کرد عبارت اند از میل سنگ میل بادامک چرخ دنده و قطعات مشابه این قطعات باید سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش داشته و همچنین بسیار چقرمه و مقاوم در برابر ضربه های وارده در حین کار باشند. بسیاری از قطعات فولادی را میتوان به نحوی عملیات حرارتی کرد که در پایان دارای

مجموعه خواص بالا باشند یعنی در حالی که از مقاومت به سایش خوبی برخوردارند، دارای استحکام دینامیکی خوبی نیز باشند این نوع عملیات حرارتی که اصطلاحاً به سخت کردن . سطحی موسوم اند آخرین عملیاتی اند که باید در مرحله پایانی ساخت قطعه و پس از انجام تمام مراحل مربوط به شکل دهی نظیر ماشینکاری و غیره انجام شود. روشهای مختلف عملیات حرارتی که به کمک آنها میتوان سطح قطعات را سخت کرد

عمدتاً به دو دسته تقسیم می شوند. دسته اول عملیاتی که منجر به تغییر ترکیب شیمیایی سطح فولاد می شوند و به عملیات حرارتی – شیمیایی یا عملیات تر موشیمی موسوم اند، نظیر کربن دهی، نیتروژن دهی و کربن نیتروژن دهی .

دسته دوم روشهایی که بدون تغییر ترکیب شیمیایی سطح و فقط به کمک عملیات حرارتی که در لایه سطحی متمرکز شده و باعث سخت شدن سطح می شوند و به عملیات حرارتی موضعی موسوم اند، مانند سخت کردن شعله ای و سخت کردن القایی فرایندهای متعدد دیگری نیز وجود دارند که برای سخت کردن و یا اصلاح و بهبود شرایط سطحی فولادها و فلزات و آلیاژهای دیگر) به کار می روند.

عیوب در عملیات حرارتی فولادی

یکی از عوامل اصلی شکست فولاد صنعتی و ابزارهای فولادی، عملیات حرارتی غلط انجام شده بر روی آنهاست در حقیقت گفته می شود که بررسی و تحقیق در رابطه با علت شکست یک قطعه بهتر است که همیشه با مطالعه روش عملیات حرارتی آن قطعه شروع شود.

بررسی علت شکست ابزارها نشان داده است که در بیشتر از ۸۰ درصد از آنها، عملیات حرارتی غلط عامل اصلی شکست بوده و یا اینکه حداقل سهمی در شکست داشته است. یکی از بهترین راهها برای مشخص کردن علت شکست و احتمال دخالت عملیات حرارتی در آن مطالعه میکروساختار قطعه در محل شکست و نواحی اطراف آن است.

در بسیاری از موارد، دیده شده است که عملیات حرارتی غلط منجر به شکسته شدن قطعه نشده ولی معایب مهم دیگری مانند پوسته شدن کاهش و یا افزایش کربن سطح اکسایش سختی کم و یا سختی زیاد سختی نا یکنواخت و بالاخره دانه های درشت را به همراه داشته است. برای اینکه عملیات حرارتی به نحو صحیح انجام شود و احتمال شکسته شدن و یا معیوب شدن قطعه در ضمن عملیات حرارتی و یا پس از آن حذف شده و یا به حداقل ممکن کاهش باید باید به نکات زیر توجه داشت.

برای گرم کردن قطعات در روشهای مختلف عملیات حرارتی از گستره دمایی مناسب که توسط شرکت تولید کنند فولاد توصیه شده است استفاده شود. زمان و روش گرم کردن باید براساس نوع فولاد ابعاد و شکل قطعه، روش بارگیری و نوع کوره عملیات حرارتی انتخاب شود و حتی الامکان سعی شود از روش های توصیه شده و یا مشابه آن کمک گرفته شود.

۳- با توجه به نوع کوره عملیات حرارتی و با استفاده از روش یا روشهای مناسب، باید از تغییر ترکیب شیمیایی سطح در ضمن گرم کردن و نگهداری در دماهای بالا جلوگیری شود.

۴- با توجه به ترکیب شیمیایی شکل و ابعاد قطعه و همچنین خواص نهایی مورد نظر از تجهیزات و محیط سردکننده مناسب استفاده شود.

ترک خوردن فولاد

این پدیده میتواند در اثر عوامل مختلف باشد که مهمترین آنها عبارت اند از:

(الف) نرخ سرد شدن بسیار زیاد به عنوان مثال اگر فولادی که باید در روغن سخت شود را در آب سرد کنند، به احتمال بسیار زیاد ترک خواهد خورد روغنهایی که به عنوان محیط سردکننده استفاده می شوند، اغلب حاوی مقداری آب است. این امر می تواند منجر به ترک خوردن قطعات در ضمن سرد شدن شود در صورتی که قطعات فولادی در روغن آلوده به آب سرد شوند از آنجایی که آب در که مخزن روغن جمع می شود احتمال ترک برداشتن قسمت پایینی آنها که ابتدا وارد مخزن می شود وجود دارد.

ب) سرد کردن قطعه سریع سرد شده تا دمای اتاق قبل از اینکه باز پخت داده شود. این نکته در رابطه با قطعات کوچک و آنهایی که دارای شکل ساده اند ممکن است مشکل آفرین نباشد ولی قطعات حجیم و آنهایی که دارای شکلهای پیچیده اند نسبت به این امر بسیار حساس کند. این قطعات را اغلب قبل از سرد شدن تا کمتر از ۶۰ الی ۸۰ درجه سانتیگراد باز پخت خوب در عملیات حرارتی فولادها می دهند.

اگر امکان باز پخت بلافاصله پس از سریع سرد کردن ،نباشد، بهتر است که قطعات را حداقل با قرار دادن در آب جوش تنشگیری نمود تا اینکه احتمال ترک برداشتن آنها حذف شود.

ج) متوقف کردن عملیات سریع سردی در دمایی بالا و انتقال مستقیم قطعات به کوره بازپخت با سرد کردن پس از باز پخت میتواند دوباره ادامه یابد. این امر باعث می شود که میکروساختار دمایی نسبتا بالا تحت این شرایط، تشکیل مارتنزیت به طور موقت متوقف شده و در ایمن نهایی شامل مخلوطی از مارتنزیت باز پخت شده و مارتنزیت بازپخت نشده باشد.

شرایط ساختاری مزبور میتواند منجر به ایجاد تنشهای داخلی بسیار زیاد در قطعه شده و در نهایت منجر به ترک خوردن آن .شود خطر شکسته شدن قطعه در این مورد را میتوان با بازیخت مجدد آن بلافاصله پس از بازپخت و سرد شدن تا دمای اتاق کاهش داد. از آنجایی که باز پخت عملیات ثم خرجی است باز بخت دو مرحله ای برای تمامی ابزارهای فولادی توصیه می شود.

با کاهش کربن یا اکسایش شدید قطعه در ضمن حرارت دادن و قبل از سریع سرد کردن نیز می تواند منجر به ترک برداشتن قطعه شود روش هایی که به کمک آنها می توان از این امر جلوگیری کرد در بخش ۲۰۱۳ توضیح داده شده اند. نرخ زیاد گرم کردن، به خصوص در مورد قطعاتی که یک بار سخت شده اند و قرار است دوباره سخت شوند.

در صورتی که قطعه ای یک بار سخت شده باشد ولی به دلایلی نیاز به سخت شدن مجدد داشته باشد توصیه میشود که قبل از گرم کردن به منظور سخت کردن محدد قطعه کار به طور کامل آنیل شود. این امر به ویژه در مورد فولادهای ابزار تاکید می شود. این نوع فولادها باید پس از آنیل کامل تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد به آهستگی سرد شوند.

و معایب ناشی از طراحی و شکل قطعه در مواردی که تغییرات ضخامت در قسمتهای مختلف قطعه زیاد باشد و یا اینکه زوایا و گوشه های تیز در قطعه وجود داشته باشد، امکان ایجاد تنشهای داخلی ناشی از آهنگهای مختلف سرد شدن در قسمتهای مختلف قطعه و در نتیجه شکسته شدن آن زیاد خواهد بود.

در شرایطی که وجود سوراخهایی که در قطعه وجود دارد باعث ترک خوردن و یا شکسته شدن آن شوند، توصیه میشود که به منظور جلوگیری از ورود منابع سرد کننده به داخل سوراخها، قبل از شروع عملیات حرارتی آنها را با موادی نظیر پنبه نسوز، گل رس و یا میله های آهنی که قابلیت سخت شدن (ندارند به طور کامل پر و مسدود کنند.

این امر در صورتی امکانپذیر است که سخت کردن سطوح داخلی این سوراخها مورد نظر نباشد ظاهر شکست در اغلب ،موارد عامل اصلی که منجر به ترک خوردن قطعه شده است را مشخص میکند. اگر سطوح ترک تمیز باشند به احتمال زیاد شکست بعد از عملیات حرارتی اصول و کاربرد عملیات حرارتی فولادها اتفاق افتاده و علت آن میتواند سختی بیش از حد و / یا بازپخت نامناسب باشد.

اگر قطعه در حمام نمک گرم شده و در محل شکست رسوبهایی از نمک دیده شود و یا قطعه در کوره موفلی گرم شده و در محل شکست اکسید فلزی مشاهده شود واضح است که قبل از سریع سرد شدن ترک در قطعه وجود داشته است در این ،حالت شکست به احتمال زیاد ناشی از نرخ زیاد گرم کردن و یا معایب داخلی در قطعه است ترکهایی که رنگی منطبق و یا معادل با رنگ مربوط به دمای باز پخت داشته باشند، پس از سریع سردی و قبل از باز پخت به وجود آمده اند

 مهمترین عوامل ایجاد عیوب فولاد عبارت اند از :

تغییر شکل و یا تاب برداشتن

الف) سریع گرم کردن و نرخ زیاد سرد شدن در ضمن سریع سردی به ویژه درگستره دمایی تشکیل مارتنزیت. ب) انتخاب دمای بسیار بالا برای آستنیته کردن این پارامتر به ویژه در حالتی که قطعه دارای شکل پیچیده ای باشد بسیار اهمیت دارد.

ج) بارگیری ناصحیح قطعات در کوره این امر در مورد کوره های حمام نمک که قطعات به صورت معلق در مذاب آویزان میشوند صادق نیست ولی در هنگام کار با کوره های دیگر باید بدان توجه زیادی شود.

د) طراحی ناصحیح قطعه به عنوان مثال، ترکیب قسمتهای ضخیم و نازک، تغییرات ناگهانی در مقطع عرضی برآمدگیهای نوک تیز سوراخها در قطعات سنگین و غیره به طور کلی هر چه یک قطعه با ابزار از نظر شکل منظمتر و ساده تر باشد به همان نسبت توزیع تنشها و تغییر بعدهای نسبی حاصل از آن یکنواخت تر بوده و احتمال تاب برداشتن و یا شکسته شدن در ضمن عملیات حرارتی کمتر خواهد بود استفاده از روشهای ناصحیح برای فرو بردن قطعات در محیط سرد کننده به طور کلی، شود هنگام وارد کردن قطعات با ابزارهای گرم در یک مایع سردکننده اصول زیر باید رعایت شود

قطعات تشکیل شده از مقاطع ضخیم و نازک باید ابتدا از طرف مقطع ضخیم وارد حمام سریع سردی شوند. قطعات طویل و نازک مانند سرمته ها، قلاویزها، برقوها و فنرها باید همیشه به طور عمودی و از سطح کوچکتر وارد محیط سرد کننده شوند.

قطعات نازک و تخت مانند دیسکها و تیغه فرزهای دیسکی باید همواره از طرف لبه وارد مخزن سریع سردی شوند.

قطعات استوانه ای شکل و نازک باید به نحوی وارد محیط سردکننده شوند که محور طولی آنها عمود بر سطح مایع باشد.

در هنگام سخت کردن قطعات بسیار طویل تخت و نازک مانند اره های نواری، دیسک اره ها، تیغه فرزهای دیسکی فنرهای ،تخت داسهای کشاورزی و قطعات مشابه دیگر حتی وقتی که تمام اصول بالا به خوبی رعایت شوند به راحتی نمی توان از تغییر شکل و تاب برداشتن آنها اصول و کاربرد عملیات حرارتی فولادها جلوگیری کرد. از این رو پیشنهاد می شود که این قطعات در دستگاهها یا نگهدارنده هایی با طرح مناسب سریع سرد شوند. بدین صورت که قطعه گرم شده در داخل گیره پیشگرم شده ای به طور محکم قرار گرفته و همراه با آن به داخل محیط سردکننده وارد شود.

نواحی پراکنده نرم

نواحی نرم بیشتر در قطعات ساخته شده از فولادهای کربنی ساده و یا کم آلیاژ دیده می شوند. برخی از معمولترین مواردی که میتواند منجر به تشکیل نواحی نرم شود عبارت اند از:

(الف) سریع سرد کردن در آبی که حاوی حبابهای هوا باشد همچنین حبابهای بخار تشکیل شده در ضمن وارد شدن قطعه داغ به داخل آب میتواند نواحی پراکنده نرم را به وجود آورد. در این شرایط، باید از افزایش دمای آب بیشتر از ۲۵ درجه سانتیگراد جلوگیری کرد برای کاهش اثرات حبابهای هوا و بخار آب داخل مخزن را به کمک پروانه و با پمپ به هم میزنند و یا اینکه قطعه کار را در داخل آن حرکت می دهند.

ب) آبهایی که توسط روغن صابون و یا ناخالصیهای مشابه دیگر آلوده شده باشند می توانند منجر به ایجاد نقاط پراکنده نرم بر روی سطح قطعه شوند.

ج) کافی نبودن آب برای حجم قطعاتی که در آن سریع سرد می شوند.

د) یکنواخت نبودن ترکیب شیمیایی یا میکروساختار مانند نوع فازها و اندازه دانه ها در قسمتهای مختلف قطعه ها وجود پوسته های اکسیدی و یا مواد دیگر مانند گریس ،روغن ماسه و مواد مشابه دیگر بر روی سطوح قطعه سختی کم پس از سریع سرد شدن اگر سختی فولاد پس از عملیات سخت کردن به اندازه کافی افزایش نیافته باشد، علت آن میتواند در اثر یک یا تعدادی از عوامل زیر باشد.

الف) دمای آستنیته کردن بسیار کم و زمان آستنیته کردن بسیار کوتاه باشد. حالت دوم می تواند ترک خوردن و یا شکسته شدن قطعه را نیز موجب شود. زیرا در زمان کوتاه مقاطع نازک میتوانند به راحتی آستنینه شوند در حالی که مقاطع ضخیم هنوز به دمای کافی نرسیده باشند. این امر باعث یکنواخت سخت نشدن قطعه و در نتیجه ایجاد تنشهای بسیار زیادی در آن خواهد شد.

ب) نرخ سرد کردن بسیار کم به عنوان مثال تحت شرایطی که قطعه شکل پیچیده ای داشته و نباید در آب سریع سرد شود و از سوی دیگر، به علت حجیم بودن آن، نرخ سرد شدن در روغن کافی نباشد.

ج) کاهش کربن سطح

د) حضور آستنیت باقیمانده بسیار زیاد ناشی از دمای آستنیته کردن بسیار بالا گرچه در اینجا تنها چهار نوع عمده از معایب عملیات حرارتی و آن هم فقط در ضمن سخت کردن بررسی شد ولی باید به این نکته توجه داشت که تعداد عیوبی که در ضمن عملیات حرارتی ممکن است بروز کنند به مراتب بیشتر است. در حقیقت در هر مورد، ابتدا باید عامل به وجود آورنده هر عیب با توجه به عملیات شامل حرارتی و یا غیر حرارتی) انجام شده بر روی قطعه مشخص شده و سپس با در نظر گرفتن آن در رفع عیب کوشیده و سعی در جلوگیری از معیوب شدن قطعات دیگر به عمل آید.

انواع گرید های فولاد عملیات حرارتی

فولاد های قابل عملیاتی زیادی تا بحال ساخته شده اند اما می توان چند مورد معروف از انها را معرفی کرد.

1– فولاد mo40 : جزء  فولاد های آلیاژی عملیات حرارتی می باشد که چقرمگی، استحکام، مقاومت در برابر ضربه و مقاومت خستگی خیلی خوبی دارد که از این فولاد در ساخت انواع قالب های پلاستیکی، قالب های فورج گرم و قالب های داغ مهر زنی، سگدست،اکسل، شاتون،میلنگ،شفت دنده، وسایل نقلیه همچون خودرو ها و هواپیما و سازه ها و صنعت هوا فضا استفاده می شود.

4- 1.6580 : جزو فولاد های عملیات حرارتی کم آلیاژ می باشد که چقرمگی خوبی دارد و توانایی بالا بردن استحکام با عملیات حرارتی بدون از دست دادن استحکام خستگی را دارا می باشد و در ساخت اجزا تحت تنش خیلی بالا در خودرو و ماشین ، شفت ها،محورها، میلنگ موتور، پیچ ها و اجزای تحت حرارت در نیروگاه های صنعتی استفاده می شود.

5- 1.6582 : فولاد کم آلیاژ قابل عملیات حرارتی است که به استحکام، سختی بالا معروف است و همچنین این قابلیت را دارد که استحکام آن را با عملیات حرارتی بالا برد در حالی که استحکام خستگی آن حفظ می شودو از آن برای ساخت قطعات هواپیما، چرخ دنده ها و شفت، قطعات مهندسی عمومی، چرخ دنده های سخت شده، میله ها و پیچ های اتصال، لوله های تفنگ استفاده می شود.

6- 1.1191 : جزء فولاد های کربن متوسط شناخته می شود که جوشکاری، ماشینکاری، استحکام و مقاومت در برابر ضربه خوبی دارد و سختی کمی دارد و از این آلیاژ در ساخت محورها، بولت ها، اتصالات،گیره­های هیدرولیک، پین­ها، رول ها، میخ ها، شفت ها، دوک ها، سوکت ها، چرخ دنده های سبک و مورد استفاده قرار می­گیرد

7- 1.1203 : جزء فولاد های فولاد ساده کربنی است که خواص آن با عملیات حرارتی بهبود داده شده و نیز از ماشینکاری خوبی برخودار است و از آن برای ساخت فنرها، محصولات سخت شده سطحی مانند شفت، بوش، میل لنگ، اجزاء سازه ای از فولاد با درجه خلوص بالا تحت بارگذاری در ماشین ها،خودرو  و موتور ها استفاده می شود.