فرهنگ
مدیر بازنشسته
عملیات حرارتی، فرایندی است که با هدف بهبود خواص مکانیکی مواد، بر روی قطعات انجام می‌شود. از این‌رو، برای بالابردن مقاومت در برابر سایش قطعات و افزایش استحکام آنها در حین عملکرد، معمولاً قطعات را مورد عملیات حرارتی سختکاری و تمپرینگ قرار می‌دهند.
در برخی مواقع، نتیجه عمل سختکاری و تمپرینگ، آن چیزی نیست که پیش‌بینی می‌شود و قطعات، خواصی پایین‌تر از آنچه که پس از عملیات حرارتی انتظار می‌رود، به‌دست می‌آورند. این موضوع می‌تواند علت‌های مختلفی داشته باشد که عمده علل آن عبارتند از:
نرسیدن مواد به دمای آستنیته در حین گرم کردن برای سختکاری
عدم نگهداری قطعات تا مدت زمان کافی برای انجام استحاله کامل آستنیته در دمای آستنیته کردن
کافی نبودن نرخ سرد شدن قطعات در حین کوئنچ کردن
تمپر بیش از حد قطعات در فرایند تمپرینگ
در این مقاله سعی شده است مناسب‌ترین روش برای بازکاری این دسته از قطعات مورد مطالعه قرار گیرد. لذا به علت گستردگی جنس قطعات و به منظور محدود شدن بحث، قطعات موردنظر از جنس CK45 و 41Cr4 در نظرگرفته شده‌اند.
مشخصات عمومی مواد
براساس استاندارد موجود، آنالیز CK45 و 41Cr4 در جدول 1 ارائه شده است.
دماهای موردنیاز برای فرایندهای مختلف عملیات حرارتی قطعات تولیدی از جنس CK45 و 41Cr4 در جدول 2 ارائه شده است.
سختکاری و تمپرینگ
برای انجام سختکاری، قطعات را باید در باکس‌های مخصوص قرار داد. همچنین باید به این نکته توجه کرد که قطعات، به صورت انباشته بر روی هم در کوره قرار نگیرند بلکه باید به صورت مرتب چیده‌شوند به طوری که در حین فرایند، جریان هوا در لابه‌لای آنها برقرار باشد تا به صورت یکنواخت گرم شده و به این وسیله از غیریکنواختی سختی پس از عملیات حرارتی جلوگیری شود.
جدول 1: آنالیز CK45 و 41Cr4
پس از استقرار قطعات در باکس‌های مخصوص، آنها را همراه با باکس، در کوره‌ای که دمای آن، دمای سختکاری قطعات است، قرار داده و زمان کافی برای انجام کامل استحاله آستنیت به آن می‌دهند. سپس، آن را به سرعت در سیال کوئنچ، سرد می‌کنند.
توجه به این نکته حائزاهمیت است که اگر فاصله زمانی خروج قطعات از کوره و کوئنچ آنها طولانی شود، دمای قطعات از دمای آستنیته پایین‌تر آمده و دیگر امکان انجام استحاله کامل مارتنزیتی وجود ندارد. در این صورت، محموله پس از عملیات حرارتی، دارای غیریکنواختی در سختی خواهد بود.
سیال کوئنچ برای عملیات حرارتی قطعات از جنس CK45 و 41Cr4 معمولاً روغن‌های معدنی است که از نظر سرعت سردکنندگی به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. شکل 1، قدرت سردکنندگی سه نوع روغن در دمای 40 درجه سانتی‌گراد را نشان می‌دهد.
شکل 1: نرخ خنک کنندگی چند نوع روغن کوئنچ
همان‌گونه که در شکل 1 دیده می‌شود، نرخ خنک‌کنندگی روغن در ابتدای کوئنچ قطعات، زیاد بوده و پس از مدت کمی، کاهش یافته است. علت این امر، تشکیل فیلم بخار در اطراف قطعات است که سبب کاهش انتقال حرارت می‌شود. لذا برای جبران این موضوع می‌توان موارد ذیل را پیش‌بینی کرد:
حجم روغن باید آن‌قدر زیاد باشد که در نتیجه کوئنچ تغییرات دمایی آن به حداقل برسد.
روغن باید در حین کوئنچ، هم زده شود تا باعث شکستن فیلم بخار در اطراف قطعه شده و انتقال حرارت افزایش یابد.
روغن‌ها بسته به نوع خود در دمایی خاص، بیشترین انتقال حرارت را دارند. لذا برای روشن شدن موضوع، شکل 2 بیان‌کننده قدرت خنک‌کنندگی روغنی خاص در دماهای مختلف است. به همین دلیل، روغن باید همواره تا دمایی با بیشترین انتقال حرارت، گرم شود.
شکل 2: تأثیر دمای روغن بر نرخ خنک‌کنندگی آن
نمودار تغییرات سرد کردن پیوسته (CCT)
نمودار CCT شامل منحنی‌هایی در مختصات خطی دما و لگاریتمی زمان می‌شود و شروع و پایان تغییرات آستنیت را برای هر تابع سرد کردن دما تعیین می‌کند.
نمودار CCT برای CK45 در شکل 3 و نمودار CCT برای 41Cr4 در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل 3: نمودار CCT برای CK45
شکل 4: نمودار CCT برای 41Cr4
نوعی نمودارهای CCT اصلاحی نیز وجود دارند که براساس دما بر حسب قطر میله، به جای زمان رسم شده‌اند. در این نوع نمودارها، با رسم یک خط قائم بر روی نمودار، ریزساختار موجود در مرکز میله را برای قطر موردنظر و محیط سرد کردن مربوطه پیش‌بینی می‌کنند.
نمودار CCT اصلاحی برای CK45 در شکل 5 و نمودار CCT اصلاحی برای 41Cr4 در شکل 6 نشان داده شده‌اند.
شکل 5: نمودار CCT اصلاحی CK45
شکل 6 : نمودار اصلاحی 41Cr4
اگر قطر قطعات مورد بررسی حدود 10 میلی‌متر فرض شود، با رسم خطوط مربوطه بر روی شکل‌های 6 و 7 مشخص می‌شود در صورتی که قطعات از جنس CK45 را به دمای آستنیته برده و به آنها فرصت کافی داده شود تا استحاله آستنیت کاملاً انجام شود و سپس قطعات در هوا خنک شوند، ساختار در مغز قطعات فریتی پرلیتی خواهد بود، ولی برای قطعات از جنس 41Cr4 در صورت انجام این فرایند، ساختار مقدار کمی فریت و پرلیت داشته و بیشتر از بینایت تشکیل خواهد شد. لذا دیده می‌شود که آماده کردن قطعات بازکاری برای سختکاری مجدد با انجام فرایند نرمالایزینگ، همیشه رضایت‌بخش نبوده و گاهی نتیجه فرایند نرمالایزینگ فازهای غیرتعادلی مانند بینایت بوده که خود در عملیات بعدی، سبب غیریکنواختی در نتیجه به دست آمده خواهند شد. این مسئله، مخصوصاً در فولادهایی که شامل عناصر آلیاژی افزایش‌دهنده سختی‌پذیری و انتقال‌دهنده دماغه منحنی CCT به سمت راست می‌شوند، بیشتر به چشم می‌خورد.
http://mhmetall.persianblog.ir/post/213
در برخی مواقع، نتیجه عمل سختکاری و تمپرینگ، آن چیزی نیست که پیش‌بینی می‌شود و قطعات، خواصی پایین‌تر از آنچه که پس از عملیات حرارتی انتظار می‌رود، به‌دست می‌آورند. این موضوع می‌تواند علت‌های مختلفی داشته باشد که عمده علل آن عبارتند از:
نرسیدن مواد به دمای آستنیته در حین گرم کردن برای سختکاری
عدم نگهداری قطعات تا مدت زمان کافی برای انجام استحاله کامل آستنیته در دمای آستنیته کردن
کافی نبودن نرخ سرد شدن قطعات در حین کوئنچ کردن
تمپر بیش از حد قطعات در فرایند تمپرینگ
در این مقاله سعی شده است مناسب‌ترین روش برای بازکاری این دسته از قطعات مورد مطالعه قرار گیرد. لذا به علت گستردگی جنس قطعات و به منظور محدود شدن بحث، قطعات موردنظر از جنس CK45 و 41Cr4 در نظرگرفته شده‌اند.
مشخصات عمومی مواد
براساس استاندارد موجود، آنالیز CK45 و 41Cr4 در جدول 1 ارائه شده است.
دماهای موردنیاز برای فرایندهای مختلف عملیات حرارتی قطعات تولیدی از جنس CK45 و 41Cr4 در جدول 2 ارائه شده است.
سختکاری و تمپرینگ
برای انجام سختکاری، قطعات را باید در باکس‌های مخصوص قرار داد. همچنین باید به این نکته توجه کرد که قطعات، به صورت انباشته بر روی هم در کوره قرار نگیرند بلکه باید به صورت مرتب چیده‌شوند به طوری که در حین فرایند، جریان هوا در لابه‌لای آنها برقرار باشد تا به صورت یکنواخت گرم شده و به این وسیله از غیریکنواختی سختی پس از عملیات حرارتی جلوگیری شود.
جدول 1: آنالیز CK45 و 41Cr4
جدول 2: دماهای عملیات حرارتی CK45 و 41Cr4
پس از استقرار قطعات در باکس‌های مخصوص، آنها را همراه با باکس، در کوره‌ای که دمای آن، دمای سختکاری قطعات است، قرار داده و زمان کافی برای انجام کامل استحاله آستنیت به آن می‌دهند. سپس، آن را به سرعت در سیال کوئنچ، سرد می‌کنند.
توجه به این نکته حائزاهمیت است که اگر فاصله زمانی خروج قطعات از کوره و کوئنچ آنها طولانی شود، دمای قطعات از دمای آستنیته پایین‌تر آمده و دیگر امکان انجام استحاله کامل مارتنزیتی وجود ندارد. در این صورت، محموله پس از عملیات حرارتی، دارای غیریکنواختی در سختی خواهد بود.
سیال کوئنچ برای عملیات حرارتی قطعات از جنس CK45 و 41Cr4 معمولاً روغن‌های معدنی است که از نظر سرعت سردکنندگی به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. شکل 1، قدرت سردکنندگی سه نوع روغن در دمای 40 درجه سانتی‌گراد را نشان می‌دهد.
شکل 1: نرخ خنک کنندگی چند نوع روغن کوئنچ
همان‌گونه که در شکل 1 دیده می‌شود، نرخ خنک‌کنندگی روغن در ابتدای کوئنچ قطعات، زیاد بوده و پس از مدت کمی، کاهش یافته است. علت این امر، تشکیل فیلم بخار در اطراف قطعات است که سبب کاهش انتقال حرارت می‌شود. لذا برای جبران این موضوع می‌توان موارد ذیل را پیش‌بینی کرد:
حجم روغن باید آن‌قدر زیاد باشد که در نتیجه کوئنچ تغییرات دمایی آن به حداقل برسد.
روغن باید در حین کوئنچ، هم زده شود تا باعث شکستن فیلم بخار در اطراف قطعه شده و انتقال حرارت افزایش یابد.
روغن‌ها بسته به نوع خود در دمایی خاص، بیشترین انتقال حرارت را دارند. لذا برای روشن شدن موضوع، شکل 2 بیان‌کننده قدرت خنک‌کنندگی روغنی خاص در دماهای مختلف است. به همین دلیل، روغن باید همواره تا دمایی با بیشترین انتقال حرارت، گرم شود.
شکل 2: تأثیر دمای روغن بر نرخ خنک‌کنندگی آن
نمودار تغییرات سرد کردن پیوسته (CCT)
نمودار CCT شامل منحنی‌هایی در مختصات خطی دما و لگاریتمی زمان می‌شود و شروع و پایان تغییرات آستنیت را برای هر تابع سرد کردن دما تعیین می‌کند.
نمودار CCT برای CK45 در شکل 3 و نمودار CCT برای 41Cr4 در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل 3: نمودار CCT برای CK45
شکل 4: نمودار CCT برای 41Cr4
نوعی نمودارهای CCT اصلاحی نیز وجود دارند که براساس دما بر حسب قطر میله، به جای زمان رسم شده‌اند. در این نوع نمودارها، با رسم یک خط قائم بر روی نمودار، ریزساختار موجود در مرکز میله را برای قطر موردنظر و محیط سرد کردن مربوطه پیش‌بینی می‌کنند.
نمودار CCT اصلاحی برای CK45 در شکل 5 و نمودار CCT اصلاحی برای 41Cr4 در شکل 6 نشان داده شده‌اند.
شکل 5: نمودار CCT اصلاحی CK45
شکل 6 : نمودار اصلاحی 41Cr4
اگر قطر قطعات مورد بررسی حدود 10 میلی‌متر فرض شود، با رسم خطوط مربوطه بر روی شکل‌های 6 و 7 مشخص می‌شود در صورتی که قطعات از جنس CK45 را به دمای آستنیته برده و به آنها فرصت کافی داده شود تا استحاله آستنیت کاملاً انجام شود و سپس قطعات در هوا خنک شوند، ساختار در مغز قطعات فریتی پرلیتی خواهد بود، ولی برای قطعات از جنس 41Cr4 در صورت انجام این فرایند، ساختار مقدار کمی فریت و پرلیت داشته و بیشتر از بینایت تشکیل خواهد شد. لذا دیده می‌شود که آماده کردن قطعات بازکاری برای سختکاری مجدد با انجام فرایند نرمالایزینگ، همیشه رضایت‌بخش نبوده و گاهی نتیجه فرایند نرمالایزینگ فازهای غیرتعادلی مانند بینایت بوده که خود در عملیات بعدی، سبب غیریکنواختی در نتیجه به دست آمده خواهند شد. این مسئله، مخصوصاً در فولادهایی که شامل عناصر آلیاژی افزایش‌دهنده سختی‌پذیری و انتقال‌دهنده دماغه منحنی CCT به سمت راست می‌شوند، بیشتر به چشم می‌خورد.
http://mhmetall.persianblog.ir/post/213
