عملیات حرارتی فولادهای ماریجینگ
مقدمه
فولادهای ماریجنینگ فولادهای پر آلیاژ-کم کربن-آهن و نیکل با ساختار مارتنزیتی هستند که دارای ترکیبی عالی از استحکام و تافنسی به مراتب بالاتر از فولادهای پر کربن کوینچ شده می باشند. این فولادها دو کاربرد بحرانی و متمایز فولادهای کربن آبداده که استحکام بالا و تافنس و انعطاف پذیری خوب مورد نیاز است را دارا میباشد . فولادهای کربنی آبداده استحکامشان را از مکانیسمهای تغییر فاز و سخت گردانی بدست میآورند. (مثل شکل گیری مارتنزیت و بینیت) و این استحکام پس از رسوب گیری کاربیدها در طول مدت تمپر کردن بدست می آید. در مقایسه فولادهای ماریجینگ استحکامشان را از شکل گیری یک فولاد مارتنزیتی کم کربن انعطاف پذیر و سخت آهن و نیکل به دست می آورند که می توانند بوسیله رسوب گیری ترکیبات بین فلزی در طول مدت پیرسختی استحکام بیشتری داشته باشند. دوره ماریجینگ بر اساس پیرسختی ساختار مارتنزیتی وضع شده است.
متالورژی فیزیکی
اشاره شد که استحکام و تافنس خوب فولادهای ماریجینگ به وسیله پیر سختی یک ساختار مارتنزیتی کم کربن بسیار انعطاف پذیر با استحکام نسبتا خوب بدست میآید. در حین پیرسازی ساختار مارتنزیتی هدف توزیع یکنواخت رسوبات بین فلزی است که باعث تقویت بافت مارتنزیتی می شود. یکی دیگر از هدفهای اصلی در مدت پیر سازی فولادهای ماریجینگ، کم کردن یا حذف کردن برگشت فاز نیمه پایدار مارتنزیت به آستنیت و فریت 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 به وسیله بازگشت برشی کم نفوذ به ساختارهای متعادل تجزیه و به ساختار bcc تبدیل می شود. این تبدیل آستنیت به مارتنزیت ناپایدار اتفاق نمی افتد تا دمای شروع مارتنزیت (Ms) به دست آید و دمای 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. در بیشتر انواع فولادهای ماریجینگ، دمای شروع مارتنزیت حدود 200 تا 300 درجه سانتیگراد است و در دمای اتاق به طور کامل مارتنزیت هستند. ساختار مارتنزیت به دست آمده در فولاد ماریجینگ نسبتا سخت و فوق العاده انعطاف پذیر می باشد.
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 دو نوع ممکن مارتنزیت که در سیستم آلیاژی آهن- نیکل ممکن است شکل بگیرد بستگی به مقدار نیکل در ماده مورد بررسی دارد. در فولادهای شامل 25 درصد نیکل، مارتنزیت لایه ای و بالای 25 درصد مارتنزیت دو قلویی داریم. مطالعه بر روی آلیاژهای ماریجنیگ آهن – 7 درصد کبالت، 5 درصد مولیبدن و 0.4 درصد تیتانیم و 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 است.
تابکاری انحلالی
مراحل تابکاری انحلالی شامل حرارت دادن آلیاژ به اندازه کافی، بالای درجه حرارت پایان آستنیت و نگهداری به اندازه کافی تا جاگیری عناصر آلیاژی در محلول جامد و سپس سرد کردن آن تا دما اتاق است. متداول ترین سیکل عملیات حرارتی برای فولادهای برای فولادهای ماریجینگ 18 درصد نیکل 200، 250 و 300، حرارت دادن آلیاژها تا دمای 815 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت و سپس سرد کردن آن به وسیله هوا است. فولادهای ماریجینگ تولیدی برای کاربردهای فورجینگ معمولا در حالت آنیل نشده خریداری می شود، زیرا حرارت دادن، سیکل تابکاری حرارتی قبلی را خنثی می کند. استفاده از خلاء، کنترل گردش هوای اتمسفر، حمام نمک خنثی یا کوره های سیال تخت برای حداقل کردن صدمات سطحی ممکن است در این موارد مورد نیاز باشد.
اثر زمان و درجه حرارت تابکاری بر خواص پیرسازی: اطلاعات نشان می دهد که بیشترین استحکام در دمای تابکاری انحلالی 800 تا 815 درجه به وجود می آید. استحکام و انعطاف پذیری پایین تر با درجه حرارت تابکاری، از 760 تا 800 درجه سانتیگراد، ناشی از انحلال عناصر سخت کننده است و کاهش استحکام مربوط به درجه حرارت تابکاری انحلالی بالای 815 درجه ناشی از درشتی ساختار دانه ها می باشد. سرعت سرد شدن بعد از تابکاری انحلالی از اهمیت کمتری برخورداراست، چون اثر کمتری بر خواص ریز ساختاری و مکانیکی دارد.
اصلاح دانه ها به وسیله سیکل حرارتی: سیکل حرارتی فولادهای ماریجینگ، بین درجه حرارت پایان مارتنزیت و دمای بسیار بالاتر از دمای تابکاری انحلال می تواند برای اصلاح ساختار دانه هایی که درشت هستند استفاده شود. این عمل یعنی استحاله برشی کم نفوذ مارتنزیت به آستنیت و از آستنیت به مارتنزیت، نیروی محرکه برای تبلور مجدد در حین سیکلهای حرارتی تامین می کند.
پیر سختی
نوعی از پیر سختی بعد از تابکاری انحلالی که معمولا شامل حرارت دادن آلیاژ تا رنج دمایی 455 تا 510 درجه سانتیگراد و نگاه داشتن در این دما به مدت 3 الی 12 ساعت و خنک کردن آن در معرض هوا تا دمای اتاق می باشد، انجام می شود. برای استفاده از فولادهای ماریجینگ در کاربردهای مانند ابزار آلات دایکاست، لازم است از حرارت پیر سازی تقریبا 530 درجه سانتیگراد که ساختار متعادلی را فراهم می کند و از نظر حرارتی تثبیت شده است، استفاده شود. با افزایش زمان پیر سازی، به علت شکل گیری بازگشت آستنیت که معمولا از ذرات ریز باندهای آستنیت دور دانه ای قبلی شروع می شود، سختی و استحکام شروع به کاهش می کند.
نیتریده کردن
سختی سطح را می توان به وسیله نیتریده کردن فولادهای ماریجینگ در آمونیاک به دست آید. سختی سطح معادل 65 تا 70 راکول سی به عمق 0.15 میلیمتر بعد از نیتریده کردن به مدت 24 الی 48 ساعت در دمای 455 درجه سانتیگراد به دست میآید. نیتریده کردن در این دما می تواند همزمان با پیرسختی اتفاق افتد. حمام نمک نیتریده کردن برای 90 دقیقه در دمای 540 درجه سانتیگراد بخوبی می تواند این عمل را شکل بدهد، اگر چه برای پرهیز از پیر سازی بیش از حد، این عمل باید بخوبی کنترل شود. استحکام خستگی و مقاومت به سایش فولادهای ماریجینگ به وسیله نیتریده کردن بهبود پیدا می کنند.
پخت
پخت، عملیاتی است برای حذف هیدروژن که در دمای پایین بین 150 تا 200 درجه سانتیگراد قرارمی گیرد. تردی هیدروژنی ممکن است در فولادهای ماریجینگ اتفاق بیافتد، وقتی که در معرض کارهای الکترومکانیکی مثل آبکاری قرار میگیرد. حذف هیدروژن کار مشکلی است و باید در یک سیکل عملیات حرارتی (پخت) بین 3 تا 10 ساعت قرار بگیرد. سند بلاست موثرترین روش برای حذف اکسید ناشی عملیات حرارتی است. فولادهای ماریجینگ را می توان به وسیله مواد شیمیائی تمیز کننده مثل محلول اسید سولفوریک، محلول اسید کلریدریک و اسید نیتریک و اسید هیدروفلوریک اسید شوئی کرد. اگر چه باید مراقب بود که بیش از حد اسید شوئی نشود.
:: برچسب‌ها:
فولاد
عملیات حرارتی
ماریجینگ
