دنیای متالورژی

نام آزمایش :

کروی سازی

هدف از انجام آزمایش :

آشنایی با میکرو ساختار سمنتیت کروی و خواص مکانیکی از قبیل میزان سختی و انعطاف پذیری فولاد های کروی شده

توضیحات :

 لایه های سمنتیت در پرلیت باعث ناپیوستگی و تقسیم زمینه ی فریتی شده و در نتیجه تغییر شکل را به طور مؤثری کاهش می دهد . بنابراین چنانچه این لایه های سمنتیت شکسته و خرد شود و یا از حالت لایه ای خارج شود پیوستگی بیشتری در زمینه ی فریتی قابل مشاهده خواهد بود و در نتیجه هم سختی ساختار پرلیتی کاهش می یابد و هم انعطاف پذیری آن بیشتر خواهد شد . انعطاف پذیر ترین و نرم ترین شرایط در هر فولاد مربوط به میکرو ساختاری شامل سمنتیت کروی توزیع شده به طور یکنواخت در زمینه ی فریتی می شود . وجود ساختار سمنتیت کروی که باعث کاهش فصل مشترک بین فازهای فریت و سمنتیت می شود باعث شده تا این ساختار کمترین میزان انرژی را نسبت به بقیه ی ساختار ها و در نتیجه پایداری بیشتری داشته باشد .

آهنگ کروی شدن سمنتیت بستگی به میکرو ساختار اولیه ی فولاد و همچنین نحوه ی عملیات حرارتی کردن دارد . هرچه لایه های سمنتیت درشت تر باشد زمان کروی شدن هم بیشتر است . در بین میکرو ساختار های مختلف پرلیتی زمان لازم برای کروی شدن به ترتیب از پرلیت خشن به پرلیت متوسط و سپس پرلیت ظریف کاهش می یابد و در بین میکرو ساختار های مختلف زمان لازم برای کروی شدن به ترتیب از پرلیت به بینیت و سپس مارتنزیت کاهش می یابد . در کل هر چه اندازه ی لایه های سمنتیت کوچکتر و ظریف تر باشد چون زمان لازم برای شکستن سمنتیت و تبدیل آن به ذرات کوچکتر کاهش می یابد کروی سازی سریع تر به انجام می رسد . در حقیقت در ساختارهای مارتنزیتی نیازی به شکسته شدن صفحات سمنتیتی و سپس کروی شدن نیست ، بلکه کروی شدن به این صورت است که کربن فوق اشباع در ضمن خروج از شبکه ی آهن و تشکیل سمنتیت به شکل کروی رسوب می کند .

-        روش های عملیات حرارتی کروی کردن عبارتند از :

1 – حرارت دادن فولاد تا درست زیر دمای AC₁ ، نگه داشتن برای مدت زمان کافی جهت کروی شدن و سپس سرد کردن آن در هوا تا دمای اتاق

2 – حرارت دادن فولاد تا ناحیه ی دو فازی بین AC₁ – AC₃ برای فولاد های هیپویوتکتویید و یا بین AC – AC_m برای فولاد های هایپر یوتکتویید به منظور آستنیته کردن جزئی ، سرد کردن آهسته تا زیر دمای Ar₁ ، نگه داشتن برای مدت زمان کافی جهت کروی شدن و سپس سرد کردن در هوا تا دمای اتاق

3 – حرارت دادن فولاد تا بالای دمای Ac₁  و آستنیته کردن جزئی ، سرد کردن تا زیر دمای Ar₁ و نگه داشتن برای مدت زمان حدود 30 دقیقه . گرم کردن مجدد تا بالای Ac₁ و تکرار عملیات تا اینکه میکرو ساختاری با سمنتیت کاملا کروی شده به دست آید . پس از کروی شدن سمنتیت قطعه را تا دمای اتاق در هوا سرد می کنیم .

4 – سرعت سرد کردن قطعه مناسب و از پایین ترین درجه حرارتی که کربورها حل شده اند ، بط.ریکه از تشکیل مجدد شبکه کربوری در قطعه در هنگام سرد کردن احتراز شود . سپس قطعه را مجددا در دمایی نزدیک دمای A₁ به طور طولانی نگه داری می کنیم . این روش برای فولاد های هیپر یوتکتویید که دارای شبکه ی کربوری باشند اجرا می شود . سرعت کروی شدن با روش های فوق الذکر تا حدی بستگی به ساختار میکروسکپی قبلی دارد . این سرعت برای ساختارهای آب داده که درآن ها فاز کربور ظریف و پراکنده است ، حداکثر می باشد .

کار سرد قبلی نیز باعث موجب افزایش سرعت کروی شدن در یک باز پخت زیر A₁ می شود .

در روشی که برای کروی کردن کامل ، قطعه را کمی بالاتر از Ac₁ به طور جزئی آستنیتی می کنند لازم است . محل قرار گرفتن قطعه در کوره و نیز دمای آن با دقت کنترل شود . در غیر این صورت ممکن است دمای قطعه به Ac₁ نرسده و لذا آستنیتی شدن جزئی آن صورت نگیرد . زمان و دما در میزان انحلال کربورهایی که بعدا محل جوانه زنی و رشد کربورهای کروی هستند ، مؤثر است و سختی و شکل پذیری قطعه پس از کروی شدن کربورها ، بستگی به میزان کربن و نیز عناصر آلیاژی فولاد دارد .

از آنجاییکه در روش دوم و سوم فولاد به طور جزئی آستنیته می شود ، تجزیه و شکسته شدن لایه های سمنتیت تسریع شده و بنابراین انتظار می رود که کروی شدن فولاد های پرلیتی سریع تر از روش اول می باشد .

در روش سوم فولاد متنوبا در حوالی دمای Ac₁ گرم و سرد می شود . در حقیقت هر بار که فولاد به ناحیه ی دو فازی می رسد ، عمدتا لایه های سمنتیت حل شده با سرد شدن فولاد در زیر دمای Ar₁ به کره های سمنتیت افزوده می شود . بنابراین می توان نتیجه گرفت که کروی شدن فولاد های پرلیتی توسط روش سوم سریع تر از روش دوم است . علت حل شدن سمنتیت لایه ای در ضمن گرم کردن و راسب شدن آن بر روی کره های سمنتیت در ضمن سرد کردن ، مربوط به انرژی سطحی آن ها می شود . از آنجاییکه انرژی آزاد سطحی لایه ها بیشتر از انرژی آزاد سطحی کره های سمنتیت است ، تمایل لایه ها به حل شدن بیشتر بوده و در عوض کره های سمنتیت که پایدارترند محل های مناسب برای راسب شدن سمنتیت در ضمن سرد شدن فولادند .

از آنجاییکه ذرات سمنتیت حل نشده به عنوان جوانه های اولیه برای تشکیل سمنتیت کروی عمل می کنند ، هر چه تعداد آن ها بیشتر باشد ، تشکیل ساختار با سمنتیت کروی سریع تر خواهد بود . چنانچه دمای آستنیته کردن بالا باشد میکرو ساختار آستنیت حاصل از یکنواختی نسبتا خوبی برخوردار بوده و عاری از کاربید های حل نشده است. این شرایط تشکیل سمنتیت کروی را محدود و در عوض زمینه را برای تشکیل پرلیت مناسب تر می کند .

از آنجاییکه عملیات کروی شدن مستلزم تجزیه و انحلال جزئی سمنتیت لایه ای و سپس راسب شدن آن بر روی کره های سمنتیت است ، نفوذ کربن در فاز فریت نقش مهمی در این رابطه را بازی می کند . بدین صورت که هرچه آهنگ نفوذ کربن زیاد شود ، کروی شدن نیز سریع تر می شود .

به طور کلی عناصر آلیاژی آهنگ نفوذ کربن در فاز فریت را کاهش می دهند و بنابراین عملیات کروی شدن را به تعویق می اندازد . از آنجاییکه رشد کاربید ها مستلزم نفوذ عناصر آلیاژی کاربید ساز است و نفوذ این عناصر در مقایسه با کربن بسیار آهسته تر است ، بنابراین وجود عناصر آلیاژی کاربید ساز کروی شدن را به طور قابل ملاحظه ای کاهش می دهد .

نحوه انجام آزمایش :

ابتدا نمونه ای از جنس ck20 را با کاتر برش زده و سپس با سوهان سطح آن صاف شد و بعد نمونه را در کوره قرار داده و دمای کوره تا زیر دمای A₁ بالا برده شد و بعد به مدت 4 تا 5 ساعت نمونه در این دما قرار گرفت تا لایه های سمنتیت کروی گردند . بعد از آن نمونه از کوره خارج گردید تا در هوای آزاد سرد شود . بعد با سنباده صیقل داده شد و بعد از اچ کردن با محلول نایتال سطح ؟آن در زیر میکروسکوپ نوری دیده شد . ذرات سمنتیت به طور کامل کروی نشده بودند که دلیل آن می توانست ندادن زمان کافی برای کروی شدن لایه های سمنتیت باشد .

نتیجه گیری :

با اینکه لایه های سمنتیت به طور کامل کروی نشده بودند اما شکسته شدن این لایه ها باعث یکنواختی و پیوستگی بیشتر در زمینه ی فریتی شده بود که این عامل می تواند ساختار به وجود آمده را نرم تر از پرلیت گرداند .

منابع خطا :

1 – کم بودن زمان و حرارت برای شکسه شدن لایه های سمنتیت و کروی شدن آن ها

2 – اچ نشدن صحیح سطح در هنگام متالوگرافی

منابع تحقیق :

1 – عملیات حرارتی فولاد ها         دکتر محمدعلی گلعذار

2 – اصول عملیات حرارتی فولاد ها        دکتر مهدی طاهری

3 – عملیات حرارتی فلزات و آلیاژها           دکتر سید علی صدوق ونینی