تنشهای انتقالی(Transformation Stresses) هنگامی به وجود می‌آیند که فولاد به دمای Ac1 برسد. در این دما ریز ساختار فولاد منقبض شده و به آستنیت تبدیل می‌شود و این انقباض پیش‌رونده آنقدر ادامه می‌یابد تا همه ساختار تبدیل به آستنیت گردد (یعنی هنگامی که همه نقاط قطعه کار به دمای و این انقباض پیش‌رونده آنقدر ادامه می‌یابد تا همه ساختار تبدیل به آستنیت گردد (یعنی هنگامی که همه نقاط قطعه کار به دمای Ac3برسند) چون حجم واحد جرم آستنیت کوچکتر از ساختار آنیل شده می‌باشد، این انقباض اتفاق می‌افتد.
این انقباض در ترکیب با اختلاف دمایی سطح و درون قطعه، تنشهای اضافی در قطعه کار به وجود می‌آورد. پس از رسیدن به دمای قطعه به Ac3، قطعه کار شروع به انبساط می‌کند، زیرا افزایش حرارت آن تا رسیدن به دمای سختکاری ادامه خواهد یافت.
هر چه سرعت گرم کردن بالاتر باشد، میزان تنشها در قطعه کار بیشتر خواهد بود. با توجه به وجود این اختلافات دمایی، تنشهای ایجاد شده در قطعات پیچیده‌تر، که در آنها دیواره‌های نازک در مجاورت دیواره‌های ضخیم قرار دارند، بیشتر خواهد بود. وقتی همه نقاط کار به دمای آستنیته رسیده و هم دما گردیدند، تنشهای داخل قطعه به صفر می‌رسد.
وقتی قطعه کار از دمای آستنیته کوئنچ می‌شود نیز خنک شدن درون قطعه کار نسبت به سطح ان با تاخیر انجام می شود و مجددا در آن تنش به وجود می‌آید. هر چه سرعت سرد شدن قطعه کار در عملیات کوئنچ بیشتر باشد، این اختلاف دمایی بین داخل و سطحح نیز بیشتر می‌شود. در نتیجه درجه انقباض درون و سطح قطعه کار بیشتر و میزان تنش ایجاد شده شدیدتر خواهد بود.
به هنگام کوئنچ در یک دمای خاص، مارتنزیت شروع به تشکیل شدن می‌کند و در این دما، انقباض قطعه کار متوقف می شود و فولاد در پایین تر از این دما شروع به انبساط می‌کند. در اثر این انبساط، تنشهای انتقالی در قطعه کار به وجود می‌آید و این تنشها تا وقتی کل ساختار تبدیل به مارتنزیت شود، ادامه می‌یابد. با کاهش بیشتر دمای قطعه کار، مجدد انقباض در قطعه کار به وجود می‌آید.
در پایان عملیات کوئنچ، حجم کلی قطعه کار نسبت به حجم آن در حالت آنیل شده بزرگتر می‌باشد. دلیل این پدیده این است که در یک جرم مساوی، حجم مارتنزیت بزرگتر از ساختار آنیل شده فولاد و همچنین بزرگتر از ساختار استنیت است. با توجه به این که این انبساط حجمی ممکن است در فواصل زمانی متفاوتی در فولاد اتفاق آغاز شود، تنشهای اختلافی در قطعه کار به وجود خواهد آمد و میزان این تنش به یکنواختی عملیات کوئنچ، ضخامت قطعه کار، طرح آن و عوامل دیگر بستگی دارد.
در عملیات سختکاری فولادهای ابزار، چند مرحله تمپرینگ و عملیات برودتی زیر صفر از اهمیت خاصی برخوردار است. این عملیات می توانند فولاد را پس از کوئنچ تنش‌زدایی کرده و باعث شوند که تبدیل آستنیت به مارتنزیت کامل گردد. یک ابزار فولادی که در عملیات حرارتی خود چنین مراحلی را بگذراند، در عملیات تکمیلی نظیر سنگ زنی نهایی، ماشینکاری EDM جوشکاری و در عملیات تولیدی کمتر دچار تغییر ابعادی و ترک خواهد شد.
پیچیدن قطعه کار در لفاف‌های فولادی زنگ نزن
در کارخانجاتی که کوره‌های خلاء و کوره های با اتمسفر کنترل شده (Atmosphere Controlled) وجود ندارد. برای حفاظت از سطح قطعه فولادی در عملیات سختکاری معمولا از لفاف های فولادی زنگ نزن استفاده می‌گردد. با پیچیدن قطعه کار در این لفاف ها از کربن زدایی سطح فولاد در دماهای بالا جلوگیری خواهد شد.
لفاف‌های فولادی زنگ نزن برای آستینیته کردن فولادهای سخت شونده در هوا در دمای حداکثر 20000F(10930c) و مدت زمان حداکثر 6 ساعت مناسب است. برای حفاظت از سطح قطعات فولادی سخت شونده در هوا که دمای آستنیته کردن آنها حداکثر 22400F(12270C) است. توصیه می‌شود از لفاف‌های فولادی نسوز استفاده گردد. توجه داشته باشید که از لفاف های فولادی فقط در سختکاری فولادهای سخت شونده در هوا می‌توان استفاده نمود و باید قطعه کار را قبل از شروع عملیات در این لفاف پیچید. فولادهای ابزار سخت شونده در روغن را معمولا در لفاف‌های حفاظ فولادی نمی‌پیچند، زیرا این لفاف‌را به هنگام کوئنچ باید از دور قطعه کار باز نمود. تا سرد شدن آن با سرعت مطلوب انجام شود.
اتمسفر کوره‌های عملیات حرارتی
وقتی فولادهای ابزار تا دمایی بالاتر از 1000 oF(583 OC) گرم می‌شود، سطح این فولاد‌ها، با توجه به محیط و فضایی که در آن قرار دارند، دچار تغییر شیمیایی می‌گردد. اگر اتمسفر کوره که فولاد در آن گرم می‌شود، اکسید کننده باشد (مثلاً به دلیل اکسیژن موجود در هوا)،کربن سطح فولاد با اکسیژن ترکیب شده و در نتیجه سطح فولاد کربن‌زدایی خواهد شد. اگر اتمسفر کوره احیا کننده (Reducing) باشد ( مثلاً عاری از اکسیژن و مملو از کربن باشد)، مقداری از کربن در سطح فولاد نفوذ کرده و باعث کربن‌دهی این سطح می‌شود.
در اغلب موارد، مقدار کربن موجود در ساختار فولاد نباید در عملیات حرارتی تغییر کند و این پدیده برای ابزار فولادی زیان‌آور است. بنابراین لازم است فولادهای ابزار را در کوره‌هایی با اتمسفر کنترل شده (که یه اکسید کننده نه احیا کننده باشد، بلکه برای آن نوع فولاد، خنثی باشد)، عملیات حرارتی نمود.
اتمسفر رایج در کوره‌های سختکاری فولادهای ابزار که خنثی محسوب می‌شوند، عبارتند از: خلاء، گازهای بی‌اثر (Inert Gases) گرماگیر (Endothermic) و گرمازا (Exothermic).
تنشهای انتقالی(Transformation Stresses) هنگامی به وجود می‌آیند که فولاد به دمای Ac1 برسد. در این دما ریز ساختار فولاد منقبض شده و به آستنیت تبدیل می‌شود و این انقباض پیش‌رونده آنقدر ادامه می‌یابد تا همه ساختار تبدیل به آستنیت گردد (یعنی هنگامی که همه نقاط قطعه کار به دمای و این انقباض پیش‌رونده آنقدر ادامه می‌یابد تا همه ساختار تبدیل به آستنیت گردد (یعنی هنگامی که همه نقاط قطعه کار به دمای Ac3برسند) چون حجم واحد جرم آستنیت کوچکتر از ساختار آنیل شده می‌باشد، این انقباض اتفاق می‌افتد.
این انقباض در ترکیب با اختلاف دمایی سطح و درون قطعه، تنشهای اضافی در قطعه کار به وجود می‌آورد. پس از رسیدن به دمای قطعه به Ac3، قطعه کار شروع به انبساز می‌کند، زیرا افزایش حرارت آن تا رسیدن به دمای سختکاری ادامه خواهد یافت.
هر چه سرعت گرم کردن بالاتر باشد، میزان تنشها در قطعه کار بیشتر خواهد بود. با توجه به وجود این اختلافات دمایی، تنشهای ایجاد شده در قطعات پیچیده‌تر، که در آنها دیواره‌های نازک در مجاورت دیواره‌های ضخیم قرار دارند، بیشتر خواهد بود. وقتی همه نقاط کار به دمای آستنیته رسیده و هم دما گردیدند، تنشهای داخل قطعه به صفر می‌رسد.
وقتی قطعه کار از دمای آستنیته کوئنچ می‌شود نیز خنک شدن درون قطعه کار نسبت به سطح ان با تاخیر انجام می شود و مجددا در آن تنش به وجود می‌آید. هر چه سرعت سرد شدن قطعه کار در عملیات کوئنچ بیشتر باشد، این اختلاف دمایی بین داخل و سطحح نیز بیشتر می‌شود. در نتیجه درجه انقباض درون و سطح قطعه کار بیشتر و میزان تنش ایجاد شده شدیدتر خواهد بود.
به هنگام کوئنچ در یک دمای خاص، مارتنزیت شروع به تشکیل شدن می‌کند و در این دما، انقباض قطعه کار متوقف می شود و فولاد در پایین تر از این دما شروع به انبساط می‌کند. در اثر این انبساط، تنشهای انتقالی در قطعه کار به وجود می‌آید و این تنشها تا وقتی کل ساختار تبدیل به مارتنزیت شود، ادامه می‌یابد. با کاهش بیشتر دمای قطعه کار، مجدد انقباض در قطعه کار به وجود می‌آید.
در پایان عملیات کوئنچ، حجم کلی قطعه کار نسبت به حجم آن در حالت آنیل شده بزرگتر می‌باشد. دلیل این پدیده این است که در یک جرم مساوی، حجم مارتنزیت بزرگتر از ساختار آنیل شده فولاد و همچنین بزرگتر از ساختار استنیت است. با توجه به این که این انبساط حجمی ممکن است در فواصل زمانی متفاوتی در فولاد اتفاق آغاز شود، تنشهای اختلافی در قطعه کار به وجود خواهد آمد و میزان این تنش به یکنواختی عملیات کوئنچ، ضخامت قطعه کار، طرح آن و عوامل دیگر بستگی دارد.
در عملیات سختکاری فولادهای ابزار، چند مرحله تمپرینگ و عملیات برودتی زیر صفر از اهمیت خاصی برخوردار است. این عملیات می توانند فولاد را پس از کوئنچ تنش‌زدایی کرده و باعث شوند که تبدیل آستنیت به مارتنزیت کامل گردد. یک ابزار فولادی که در عملیات حرارتی خود چنین مراحلی را بگذراند، در عملیات تکمیلی نظیر سنگ زنی نهایی، ماشینکاری EDM جوشکاری و در عملیات تولیدی کمتر دچار تغییر ابعادی و ترک خواهد شد.
پیچیدن قطعه کار در لفاف‌های فولادی زنگ نزن
در کارخانجاتی که کوره‌های خلاء و کوره های با اتمسفر کنترل شده (Atmosphere Controlled) وجود ندارد. برای حفاظت از سطح قطعه فولادی در عملیات سختکاری معمولا از لفاف های فولادی زنگ نزن استفاده می‌گردد. با پیچیدن قطعه کار در این لفاف ها از کربن زدایی سطح فولاد در دماهای بالا جلوگیری خواهد شد.
لفاف‌های فولادی زنگ نزن برای آستینیته کردن فولادهای سخت شونده در هوا در دمای حداکثر 20000F(10930c) و مدت زمان حداکثر 6 ساعت مناسب است. برای حفاظت از سطح قطعات فولادی سخت شونده در هوا که دمای آستنیته کردن آنها حداکثر 22400F(12270C) است. توصیه می‌شود از لفاف‌های فولادی نسوز استفاده گردد. توجه داشته باشید که از لفاف های فولادی فقط در سختکاری فولادهای سخت شونده در هوا می‌توان استفاده نمود و باید قطعه کار را قبل از شروع عملیات در این لفاف پیچید. فولادهای ابزار سخت شونده در روغن را معمولا در لفاف‌های حفاظ فولادی نمی‌پیچند، زیرا این لفاف‌را به هنگام کوئنچ باید از دور قطعه کار باز نمود. تا سرد شدن آن با سرعت مطلوب انجام شود.
اتمسفر کوره‌های عملیات حرارتی
وقتی فولادهای ابزار تا دمایی بالاتر از 1000 oF(583 OC) گرم می‌شود، سطح این فولاد‌ها، با توجه به محیط و فضایی که در آن قرار دارند، دچار تغییر شیمیایی می‌گردد. اگر اتمسفر کوره که فولاد در آن گرم می‌شود، اکسید کننده باشد (مثلاً به دلیل اکسیژن موجود در هوا)،کربن سطح فولاد با اکسیژن ترکیب شده و در نتیجه سطح فولاد کربن‌زدایی خواهد شد. اگر اتمسفر کوره احیا کننده (Reducing) باشد ( مثلاً عاری از اکسیژن و مملو از کربن باشد)، مقداری از کربن در سطح فولاد نفوذ کرده و باعث کربن‌دهی این سطح می‌شود.
در اغلب موارد، مقدار کربن موجود در ساختار فولاد نباید در عملیات حرارتی تغییر کند و این پدیده برای ابزار فولادی زیان‌آور است. بنابراین لازم است فولادهای ابزار را در کوره‌هایی با اتمسفر کنترل شده (که یه اکسید کننده نه احیا کننده باشد، بلکه برای آن نوع فولاد، خنثی باشد)، عملیات حرارتی نمود.
اتمسفر رایج در کوره‌های سختکاری فولادهای ابزار که خنثی محسوب می‌شوند، عبارتند از: خلاء، گازهای بی‌اثر (Inert Gases) گرماگیر (Endothermic) و گرمازا (Exothermic).
منبع: وبلاگ سیمرغ سعادت
نظرات
ارسال یک نظر