3-3- آزمون­ها 37

3-3-1- سختی­سنجی.. 37

3-3-2- سایش…. 38

3-3-3- متالوگرافی نمونه‫ها 38

3-3-4- فازیابی با استفاده از پراش پرتوی ایکس…. 39

فصل چهارم: نتایج و بحث

4-1- بررسی ریزساختاری.. 40

4-1-1- متالوگرافی.. 40

4-1-2- بررسی ریزساختار با اشعه ی ایکس…. 46

4-2- سختی سنجی.. 47

4-3- سایش…. 49

4-3-1- ضریب اصطکاک…. 49

4-3-2- بررسی سطوح سایش با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی.. 52

4-3-3- تغییرات نرخ سایش…. 59

فصل پنجم: نتیجه‫گیری و پیشنهادات

مراجع. 66

چکیده

در این پژوهش تأثیر زمان عملیات زیر صفر بر رفتار سایشی فولاد 7147/1 (5120) موردمطالعه قرار گرفته است. جهت انجام عملیات کربوره کردن، نمونه­ها درون جعبه­هایی از فولاد نسوز با ترکیبی از پودر زغال، باریم کربنات و سدیم هیدروکسید به نسبت 1:1:50 قرار گرفت و به مدت 6 ساعت، در دمای C◦ 920 کربوره شد؛ سپس در داخل این جعبه در هوا تا دمای محیط خنک شدند. عملیات آستنیته کردن در دمایC◦ 930 به مدت 1 ساعت بر روی نمونه ها اعمال و در روغن کوئنچ شد. به منظور بررسی تأثیر زمان فرایند زیر صفر عمیق، نمونه ها به مدت زمان 1، 24، 30 و 48 ساعت در نیتروژن مایع در دمایC◦ 196- نگهداری شدند و سپس در دمای محیط در اتاق نگهداری شد. به منظور بهبود خواص فولاد و آزاد­سازی تنش­های داخلی ناشی از کوئنچ، نمونه­ها به مدت 2 ساعت در دمای C ◦ 200 در کوره نگهداری شدند. نمونه­ها پس از آماده سازی سطحی، تحت آزمون­های مختلف قرار گرفتند. برای تعیین فازها از روش پراش پرتو ایکس استفاده شد؛ بدین منظور نمونه ها در ابعاد مناسب تهیه و با استفاده از نرم افزار Xpert فازهای موجود با استفاده از عناصر اولیه تعیین شد. آزمون سایش به روش گلوله روی دیسک با استفاده از گلوله­ای از جنس کاربید تنگستن بر نمونه های دیسکی با دو بار 80 و 110 نیوتون به مسافت 1000 متر در رطوبت هوای 5±30% و درجه حرارت C◦ 5±25 انجام شد. سختی نمونه ها به صورت ماکرو در مقیاس راکول سی اندازه گیری شد. اندازه گیری سختی نمونه ها قبل و بعد از بازگشت، با بار اعمالی 30 کیلوگرم انجام گردید. همچنین ریز سختی نمونه ها با استفاده از دستگاه ریز سختی سنجی و با نیروی g100 انجام گردید؛ سطوح سایش ابتدا توسط استون تمیز شده و با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) موردمطالعه قرار گرفت. محصولات سایش نیز توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف­سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDS) مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات پراش پرتو ایکس حاکی از کاهش در مقدار آستنیت باقیمانده در اثر اعمال عملیات زیر صفر بوده بگونه­ای که در زمان های بیش ازیک ساعت، پیک آستنیت باقیمانده مشاهده نشده­است. بررسی های میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی توزیع بهتر کاربیدها، ریز شدن و افزایش کسر حجمی کاربیدها را در عملیات زیرصفرعمیق نشان داد. بدین ترتیب عملیات زیر صفر عمیق منجر به افزایش در سختی در حد 4 تا 33% و تا 24 ساعت ، افزایش مقاومت سایشی تا %39/191 می­گردد. با افزایش بیش­تر زمان عملیات زیر صفر، مقاومت سایشی نمونه­ها کاهش یافته است؛ به­گونه­ای که در نمونه­ی 48 ساعت عملیات زیر صفر شده مقاومت سایشی کاهش یافته است. علت افزایش سختی نمونه­ها کاهش میزان آستنیت باقیمانده در اثر عملیات زیر صفر عمیق و دلیل کاهش مقاومت سایشی نمونه­ها پس از 24 ساعت، رشد کاربید­ها و توزیع غیریکنواخت آن در ساختار و در نتیجه ضعیف شدن زمینه بوده است؛ بنابراین مدت زمان 24 ساعت عملیات زیر صفر عمیق بر فولاد 7147/1 زمانی بهینه است.

کلمات کلیدی:عملیات زیر صفر عمیق، آستنیت باقیمانده، کاربید، مقاومت سایشی، سختی

در بسیاری از کاربرد های صنعتی نیاز به قطعاتی است که دارای سطحی سخت بوده و درعین حال از چقرمگی یا مقاومت به ضربه ی خوبی نیز برخوردار باشند. ازجمله مواردی که می توان در این رابطه به عنوان مثال به آن ها اشاره کرد عبارت‫اند از:میل لنگ، میلبادامک، 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 می توان به نحوی عملیات حرارتی کرد که در پایان دارای مجموعه ای از خواص بالا باشند، یعنی درحالی که از مقاومت به سایش خوبی برخوردارند، دارای استحکام دینامیکی خوبی نیز باشند. این نوع عملیات حرارتی که اصطلاحا به سخت کردن سطحی موسوم اند، آخرین عملیاتی هستند که باید در مرحله­ی پایانی ساخت قطعه و پس ازانجام تمام مراحل مربوط به شکل دهی نظیر ماشین کاری انجام شود.

روش های مختلف عملیات حرارتی که به کمک آن ها می توان سطح قطعات را سخت کرد، عمدتاً به دو دسته تقسیم می شوند. دسته ی اول عملیاتی که منجر به تغییر در ترکیب شیمیایی سطح فولاد می شوند و به عملیات حرارتی­شیمیایی یا ترمو­شیمی موسوم اند، نظیر کربن دهی، نیتروژن­دهی و کربن نیتروژن­دهی. دسته ی دوم روش هایی که بدون تغییر ترکیب شیمیایی سطح و فقط به کمک عملیات حرارتی که در لایه ی سطحی متمرکز شده، انجام می­شوند و باعث سخت شدن سطح می گردند و به عملیات حرارتی موضعی موسوم اند، مانند سخت کردن شعله ای و سخت­کردن القایی. در آلیاژ های آهن–کربن و فولاد ها، مارتنزیت از سردکردن سریع آستنیت به وجود می آید. واژه­ی مارتنزیت که برای مدت ها فقط به ساختار سخت حاصل از سریع سرد کردن فولاد های کربنی اطلاق می­شود برای قدردانی از دانشمند معروف آلمانی به نام مارتنز است. در به­کار بردن واژه ی مارتنزیت، اخیراً به جای محصولات حاصل، تأکید بیش تر بر روی طبیعت دگرگونی گذاشته شده است. مارتنزیت فازی است که توسط یک دگرگونی مارتنزیتی یا جابجایی گروهی

اتم ها حاصل می شود، گرچه ممکن است فاز یادشده ، ترکیب شیمیایی، ساختار بلوری و خواص کاملاً متفاوتی از مارتنزیت در فولاد ها داشته باشد. دمایی را که در یک آلیاژ دگرگونی آستنیت به مارتنزیت شروع می شود، دمای شروع تشکیل مارتنزیت نامیده و آن را با M_sنشان می دهند. در حقیقت، M_sنشان دهنده ی مقدار نیروی محرکه ی ترمودینامیکی لازم برای شروع دگرگونی برشی آستنیت به مارتنزیت است. با افزایش درصد کربن، دمای M_sبه طور قابل توجهی کاهش می یابد. در حقیقت کربن موجود به صورت محلول جامد، استحکام یا مقاومت برشی آستنیت را افزایش می­دهد و بنابراین با افزایش کربن نیرومحرکه ی بیش تری جهت شروع لغزش برای تشکیل مارتنزیت لازم است. این نیروی محرکه ی بیش تر، با سرد کردن فولاد تا دمایی پایین تر و یا به عبارت دیگر تحت تبرید بیش تر(M_sکمتر) به دست می آید. دمای پایان تشکیل مارتنزیت (M_f) یا دمایی که دگرگونی آستنیت به مارتنزیت در یک آلیاژ داده شده خاتمه می یابد نیز تابعی از درصد کربن آلیاژ است.

آستنیت باقیمانده فازی نرم بوده و در دمای پایین ناپایدار است؛ به گونه ای که در دمای پایین و در حین کار به مارتنزیت ترد تبدیل می شود. تبدیل آستنیت به مارتنزیت تقریباً 4% انبساط حجمی ایجاد می کند که منجر به اعوجاج قطعات می شود. بنابراین از عملیات زیر صفر یا بازگشت چندتایی در دمایی نسبتاً بالا و یا مدت زمان طولانی برای کمینه کردن میزان آستنیت باقیمانده در فولاد ها استفاده می شود.

دو نوع عملیات زیر صفر وجود دارد: 1) زیر صفر سطحی که در محدوده دمایی 100- تا C°60- انجام می­شود. این عملیات منجر به کاهش آستنیت باقیمانده و افزایش مقاومت سایشی می شود. 2) زیر صفر عمیق که در دما های زیر C°125- انجام می­شود.

اثرات زیر صفر عمیق عبارت اند از:

1. تبدیل آستنیت باقیمانده به مارتنزیت

1. کاهش تنش­های پسماند

1. تشکیل کاربیدهای بسیار ریز که در بین کاربیدهای درشت قرار می گیرند

1. تشکیل ابرهای نابجایی در فصل مشترک زمینه ی مارتنزیتی و کاربید ها در طول فرایند هم دما سازی و تشکیل کاربید

1. توزیع یکنواخت کاربید­ها ،کوچک شدن اندازه­ی کاربید­های ثانویه، افزایش میزان و چگالی آن ها

1. افزایش مقاومت سایش خراشان و سایش خستگی

1. افزایش استحکام کششی و پایداری

1. افزایش سختی

1. پایداری ابعادی ماده

1. تولید ساختار مولکولی چگال تر

1. افزایش هدایت الکتریکی فلزات

1. افزایش مقاومت به خوردگی

پارامتر های زیر صفر عبارت اند از: نرخ سرمایش، دمای هم دما سازی، زمان هم دما سازی، نرخ گرمایش، دما و زمان بازگشت و دمای آستنیته کردن.

تحقیقات بسیاری بر روی فولاد‫هایی که درصد عناصر آلیاژی و یا کربن آن‫ها بالاست، صورت گرفته است. در این پژوهش‫ها با حصول ترکیب مناسبی از توزیع کاربید‫ها و کاهش یا حذف آستنیت باقیمانده خواص فولاد‫های مورد مطالعه را بهبود داده‫اند.

فولاد 7147/1، فولادی کربوره شونده (سمانته) بوده که در ساخت قطعاتی که ترکیبی از استحکام متوسط، چقرمگی و مقاومت سایشی بالا نیاز است، مورداستفاده قرار گرفته است و گاه برای تهیه­ی قطعات مورد مصرف صنایع خودرو‫سازی همچون چرخ دنده و میل لنگ کاربرد دارد. در فولاد­هایی که به منظور سختی کاری سطحی تحت عملیات کربوره­کردن قرار می­گیرند، با افزایش درصد کربن سطح، M_sکاهش و میزان آستنیت باقیمانده در اثر سریع سرد کردن در سطح افزایش خواهد یافت.

در این پژوهش عملیات زیر صفر عمیق به منظور بهبود خواص سایشی فولاد 7147/1 در زمان‫های مختلف انجام شده است؛ در فصل دوم تحقیقات صورت گرفته بر فولاد‫های مختلف، فصل سوم مواد و روش تحقیق، فصل چهارم نتایج و بحث و در نهایت در فصل پنجم، نتایج حاصل و پیشنهاداتی در راستای بررسی‫های بیشتر و کارآمد گردآوری شده است.

2-1- معرفی و تاریخچه

فولاد آستنیتی آلیاژی از آهن و کربن همراه با عناصر دیگر در حالت محلول است که با عملیات نفوذی در محلول آستنیتی تجزیه و همگن سازی می شود. زمانی که فولاد حرارت داده می شود ساختار کریستالی آهن به مکعبی مرکز‫دار تغییر می یابد. استحاله ی آستنیت به مارتنزیت از دمایی که دمای آغاز مارتنزیت یا M_sنامیده می شود، آغاز می‫شود. برای اغلب فولاد های خاص، استحاله هم دما بوده و همان طور که دما به دمای پایان مارتنزیت می رسد (M_f)، توسعه می‫یابد. مقداری آستنیت، آستنیت باقیمانده، همیشه پس از سخت سازی حضور دارد. مارتنزیت بیش تر و درصد کربن بیش تر، سختی فولاد را افزایش می دهد. میزان کربن، دمای آغاز و پایان استحاله ی مارتنزیت را تحت تأثیر قرار می دهد. M_sو M_fمی تواند پایین تر از دمای اتاق باشد؛ فولاد به صورت جزئی به مارتنزیت تبدیل شده و بقیه ی ساختار را آستنیت باقیمانده تشکیل می دهد. این دو دما همچنین با افزایش اندازه دانه کاهش می یابد [1].

2-2- آستنیت باقیمانده

دمای شروع استحاله مارتنزیت (M_s)و دمای پایان این استحاله (M_f) در فولادها به درصد کربن و درصد عناصر آلیاژی بستگی دارد (شکل2-1). همان طور که از شکل 2-1 مشخص است، وقتی فولادی با درصد کربن بالای 65/0 %کوئنچ می شود، تغییر حالت آستنیت به مارتنزیت در دمای اتاق (^oC20) پایان نمی یابد. درنتیجه مقداری از آستنیت باقی خواهد ماند که به آستنیت باقیمانده موسوم است [2]. در جدول 2-1 تأثیر 1% از عناصر آلیاژی بر دمای شروع استحاله مارتنزیتدر فولادهایی با 9/0-1% کربن آورده شده است. البته تأثیر عناصر آلیاژی بر دمای استحاله مارتنزیتی به درصد کربن در فولاد نیز بستگی دارد. در جدول 2-2 تأثیر 1% کروم بر دمای شروع استحاله مارتنزیتی در فولادهایی با درصدهای مختلف از کربن آورده شده است [3]. در شکل 2-2 منحنی استحاله مارتنزیت آورده شده

است. همان طوری که مشخص است استحاله مارتنزیت درA˝r(M) ، که همان دمای M_sاست شروع می شود. اگر دما کاهش پیدا کند، استحاله پیشرفت کرده و مقدار مارتنزیت افزایش می یابد. اگر عملیات کوئنچ تا دمای محیط انجام شود، استحاله مارتنزیتی در دمای^oC 20 متوقف می گردد. سرد کردن فولاد تا دمای t˝ که همان دمای M_fاست منجر به افزایش درصد مارتنزیت می شود ولی مقداری آستنیت باقیمانده در ساختار حضور دارد [2]. آستنیت باقیمانده که یک فاز نرم است باعث کاهش سختی فولاد پس از کوئنچ خواهد شد. اگر درصد آستنیت باقیمانده بالاتر از 10% باشد باعث کاهش فاحش سختی در نمونه می شود (شکل 2-3). هر چه درصد کربن بالاتر باشد، درصد آستنیت باقیمانده نیز بیش تر خواهد بود (شکل 2-4). اگر یک فولاد هایپریوتکتویید از منطقه کاملاً آستنیتی در بالای Ac_mسرد شود، ساختار پس از سرد کردن از مارتنزیت و آستنیتت باقیمانده تشکیل خواهد شد و همان طور که در شکل 2-3 مشخص است سختی با افزایش درصد کربن، به دلیل افزایش در مقدار آستنیت باقیمانده، کاهش خواهد یافت؛ اما اگر فولادهای هایپریوتکتوید از منطقه دوفازی آستنیت – سمانتیت، کوئنچ شوند، ساختار نهایی فولاد از مارتنزیت – سمانتیت – آستنیتت باقیمانده تشکیل می شود. تحت این شرایط سختی این فولادها یکسان بوده و وابسته به درصد کربن نیست [2].

شکل2-1. دمای شروع و پایان استحاله مارتنزیت (_fMو M_s) با توجه به درصد کربن در فولاد [3].

جدول2-1. تأثیر 1% از عناصر آلیاژی بر دمای شروع استحاله مارتنزیت در فولادهایی با 9/0 – 1% کربن [3]

جدول 2-2. تأثیر 1% کروم بر دمای شروع استحاله مارتنزیتی در فولادهایی با درصد کربن مختلف [3]