دانلود تحقیق آزمایشگاه عملیات حرارتی

 

در عملیات حرارتی فولاد معمولاً یکی از اهداف زیر دنبال می‌شود: 
تنش‌گیری حاصل از کار یا تنش گیری حاصل از سرد کردن ناهمگن
 بهینه سازی ساختار دانه در فولادهایی که بر روی آنها کار گرم انجام شده است

و ممکن است دانه‌های درشت داشته باشند.
کاهش سختی فولاد و افزایش قابلیت شکل‌پذیری بهینه‌سازی ساختار دانه
افزایش سختی فولاد به منظور زیاد شدن مقاومت سایشی و یا سخت کردن فولاد برای مقاومت بیشتر در شرایط کاری  
افزایش چقرمگی فولاد به منظور تولید فولادی که استحکام بالا و انعطاف‌پذیری خوبی دارد و افزایش مقاومت فولاد در برابر ضربه 
بهبود قابلیت ماشین‌کاری .
بهبود خواص برش در فولادهای ابزار .
بهینه کردن خواص مغناطیسی فولاد .
بهبود خواص الکتریکی فولاد  .

 

 

 

 

 

عنوان گزارش اول : عملیات حرارتی سخطی سطحی فولاد

تئوری

فولادهای مناسب برای انواع عملیات حرارتی متداول
برای هر کدام از چهار عملیات حرارتی سطحی متداول در فولادها (کربن‌دهی، نیتروژن‌دهی، کربن- نیتروژن‌دهی و نیتروژن- کربن‌دهی)، یک‌سری از فولادها مناسب بوده و توسط عملیات حرارتی مورد نظر، خواص بهینه‌ای به دست می‌آورند.

در زیر، فولادهای مناسب برای هر عملیات سطحی با ذکر دلیل معرفی شده است.

الف- فولادهای مناسب برای کربن‌دهی
فولادهای ساده کربنی که برای سخت کردن سطحی به روش کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، معمولاً کمتر از 2/0 درصد کربن دارند.

این میزان کربن موجب می‌شود که فولاد پس از سخت شدن، حداکثر استحکام به ضربه و بیشترین انعطاف‌پذیری را داشته باشد.

تحت شرایطی که استحکام بیشتری نیاز باشد، فولاد با درصد کربن اولیه تا حداکثر 3/0 درصد را نیز می‌توان انتخاب کرد.
منگنز باعث پایداری سمنتیت شده و تا حدود 4/1 درصد، به کربن‌دهی کمک می‌کند.

همچنین، کاربرد منگنز، ضخامت لایه سخت شده را افزایش می‌دهد.

بنابراین، ضمن سرد کردن سریع، امکان ترک برداشتن قطعه بیشتر می‌شود که این امر باید در نظر گرفته شود.
سیلیسیم، عنصری گرافیت‌زاست و باعث تجزیه سمنتیت می‌شود.

لذا وجود آن در فولاد، کربن‌دهی را به تعویق می‌اندازد.

بنابراین در فولادهایی که قرار است تحت عملیات کربن‌دهی قرار گیرند، مقدار سیلیسیم کمتر از 35/0 درصد انتخاب می‌شود.
کروم، باعث پایداری سمنتیت و افزایش سختی و مقاومت به سایش پوسته سخت شده می‌شود.

همچنین، حضور این عنصر منجر به افزایش استحکام مغز قطعه (تا حدودی) می‌شود، اما انعطاف‌پذیری آن را به میزان اندکی کاهش می‌دهد.

با این وجود، از آنجا که کروم مقاومت به ضربه را کاهش می‌دهد، مقدار آن در فولادهایی که قرار است تحت عملیات سطحی کربن‌دهی قرار گیرد از 5/1 درصد نباید بیشتر شود.
نیکل، باعث پیشگیری از رشد دانه‌ها به هنگام کربن‌دهی شده و با کاربرد آن معمولاً نیازی به عملیات نرماله کردن قطعه برای ریز کردن دانه‌ها نیست.

لذا وجود آن در فولاد کربن‌دهی شده، مفید است.
به‌طور کلی از مباحث فوق نتیجه می‌شود که فولادهای ساده کربنی که برای کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، تا 4/1 درصد منگنز، تا 3/0 درصد کربن و کمتر از 35/0 درصد سیلیسیم دارند.

فولادهای آلیاژی مناسب برای کربن‌دهی علاوه‌بر عناصر فوق، می‌توانند دارای 5/4 درصد نیکل، 5/1 درصد کروم و 3/0 درصد مولیبدن باشند.

نقش عناصر آلیاژی یاد شده، افزایش استحکام بدون کاهش انعطاف‌پذیری و مقاومت قطعه به ضربه (تافنس) است.

ب - فولادهای مناسب برای نیتروژن‌دهی
به‌طور کلی، فولادهای زیر را می‌توان برای کاربردهای خاص تحت عملیات حرارتی نیتروژن‌دهی قرار داد:
1.

فولادهای کم آلیاژ آلومینیم‌دار
2.

فولادهای کم‌آلیاژ کروم‌دار با کربن متوسط (بیش از 25/0 درصد کربن) از گروه‌های 4100، 4300، 5100، 6100، 8600، 8700، 9300 و 9800 (دو رقم سمت راست این گروه‌ها که بیانگر صدم درصد کربن است، باید بیشتر از 25 باشد)
3.

فولادهای قالب گرم کار حاوی 5 درصد کروم نظیر11 H13، H 12، H.
4.

فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی از گروه 400.
5.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی از گروه 300.
6.

فولادهای زنگ نزن سخت‌شونده رسوبی نظیر
PHا4 - 17، PHا7 - 17 و 286 - A.
فولادهای ساده کربنی برای نیتروژن‌دهی مناسب نیستند.

این امر تشکیل یک لایه سطحی بسیار ترد است که به سادگی از سطح جدا می‌شود.

به علاوه، افزایش سختی در ناحیه نفوذ نیتروژن در این نوع فولادها کم است.

پ- فولادهای مناسب برای کربن- نیتروژن‌دهی
سختی‌پذیری که معیاری برای سهولت تشکیل مارتنزیت و تشکیل آن در آهنگ‌های سرد شدن کمتر است، به هر اندازه که بیشتر شود، مفید خواهد بود.

برای تشکیل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، نیاز به آهنگ سرد شدن کمتری وجود دارد.

لایه کربن- نیتروژن داده شده، دارای سختی‌پذیری بیشتری در مقایسه با لایه کربن داده شده به تنهایی است.

بنابراین، فولادهای کربن- نیتروژن داده شده را می‌توان با سرد کردن در روغن و یا حتی توسط گاز (در برخی موارد) و در نتیجه، کاهش احتمال اعوجاج و تاب برداشتن قطعه، به حداکثر سختی مورد نظر رساند.

از سویی دیگر، در این فرایند با هزینه کمتر به ضخامت پوسته سخت شده مورد نظر خواهیم رسید.
فولادهایی که معمولاً کربن- نیتروژن‌دهی می‌شوند، عبارتند از:
گروه‌های 1000، 1100، 1200، 1300، 1500، 4000، 4100، 4600، 5100، 6100، 8600 و 8700 با درصد کربنی حداکثر برابر با 25/0 درصد.
تحت شرایطی که در آنها، به مجموعه‌ای از خواص نظیر سخت شدن سرتاسری با تافنس قابل قبول و سطحی سخت با مقاومت به سایش زیاد، نظیر شافت‌ها و دنده‌ها نیاز باشد، می‌توان سطح بسیاری از فولادهای گروه‌های یاد شده را با درصد کربنی بین 3/0 تا 5/0 درصد، تا عمق 3/0 میلی‌متر تحت عملیات کربن- نیتروژن‌دهی قرار داده و سخت کرد.

برای دستیابی به پوسته‌ای نازک با سختی و مقاومت به سایش بیشتر در مقایسه با شرایط سخت کردن حجمی مرسوم، اغلب فولادهای کربنی آلیاژی با کربن متوسط را در اتمسفر کربن- نیتروژن‌دار حرارت داده و سپس سریع سرد می‌کنند.

در مورد فولادهایی نظیر: 4140، 5140، 8640 و 4340 که برای کاربردهایی مانند چرخ‌دنده‌های سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرند می‌توان عملیات حرارتی مشابهی انجام داد.

دمای عملیات حرارتی برای این منظور حدود 845 درجه سانتی‌گراد (دمای آستنیته کردن) است.

فولادهای مناسب برای انواع عملیات حرارتی متداول برای هر کدام از چهار عملیات حرارتی سطحی متداول در فولادها (کربن‌دهی، نیتروژن‌دهی، کربن- نیتروژن‌دهی و نیتروژن- کربن‌دهی)، یک‌سری از فولادها مناسب بوده و توسط عملیات حرارتی مورد نظر، خواص بهینه‌ای به دست می‌آورند.

در زیر، فولادهای مناسب برای هر عملیات سطحی با ذکر دلیل معرفی شده است.

الف- فولادهای مناسب برای کربن‌دهی فولادهای ساده کربنی که برای سخت کردن سطحی به روش کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، معمولاً کمتر از 2/0 درصد کربن دارند.

تحت شرایطی که استحکام بیشتری نیاز باشد، فولاد با درصد کربن اولیه تا حداکثر 3/0 درصد را نیز می‌توان انتخاب کرد.

منگنز باعث پایداری سمنتیت شده و تا حدود 4/1 درصد، به کربن‌دهی کمک می‌کند.

بنابراین، ضمن سرد کردن سریع، امکان ترک برداشتن قطعه بیشتر می‌شود که این امر باید در نظر گرفته شود.

سیلیسیم، عنصری گرافیت‌زاست و باعث تجزیه سمنتیت می‌شود.

بنابراین در فولادهایی که قرار است تحت عملیات کربن‌دهی قرار گیرند، مقدار سیلیسیم کمتر از 35/0 درصد انتخاب می‌شود.

کروم، باعث پایداری سمنتیت و افزایش سختی و مقاومت به سایش پوسته سخت شده می‌شود.

با این وجود، از آنجا که کروم مقاومت به ضربه را کاهش می‌دهد، مقدار آن در فولادهایی که قرار است تحت عملیات سطحی کربن‌دهی قرار گیرد از 5/1 درصد نباید بیشتر شود.

نیکل، باعث پیشگیری از رشد دانه‌ها به هنگام کربن‌دهی شده و با کاربرد آن معمولاً نیازی به عملیات نرماله کردن قطعه برای ریز کردن دانه‌ها نیست.

لذا وجود آن در فولاد کربن‌دهی شده، مفید است.

به‌طور کلی از مباحث فوق نتیجه می‌شود که فولادهای ساده کربنی که برای کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، تا 4/1 درصد منگنز، تا 3/0 درصد کربن و کمتر از 35/0 درصد سیلیسیم دارند.

نقش عناصر آلیاژی یاد شده، افزایش استحکام بدون کاهش انعطاف‌پذیری و مقاومت قطعه به ضربه (تافنس) است.

ب - فولادهای مناسب برای نیتروژن‌دهی به‌طور کلی، فولادهای زیر را می‌توان برای کاربردهای خاص تحت عملیات حرارتی نیتروژن‌دهی قرار داد: 1.

فولادهای کم آلیاژ آلومینیم‌دار 2.

فولادهای کم‌آلیاژ کروم‌دار با کربن متوسط (بیش از 25/0 درصد کربن) از گروه‌های 4100، 4300، 5100، 6100، 8600، 8700، 9300 و 9800 (دو رقم سمت راست این گروه‌ها که بیانگر صدم درصد کربن است، باید بیشتر از 25 باشد) 3.

فولادهای قالب گرم کار حاوی 5 درصد کروم نظیر11 H13، H 12، H.

4.

فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی از گروه 400.

5.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی از گروه 300.

6.

فولادهای زنگ نزن سخت‌شونده رسوبی نظیر PHا4 - 17، PHا7 - 17 و 286 - A.

فولادهای ساده کربنی برای نیتروژن‌دهی مناسب نیستند.

به علاوه، افزایش سختی در ناحیه نفوذ نیتروژن در این نوع فولادها کم است.

پ- فولادهای مناسب برای کربن- نیتروژن‌دهی سختی‌پذیری که معیاری برای سهولت تشکیل مارتنزیت و تشکیل آن در آهنگ‌های سرد شدن کمتر است، به هر اندازه که بیشتر شود، مفید خواهد بود.

از سویی دیگر، در این فرایند با هزینه کمتر به ضخامت پوسته سخت شده مورد نظر خواهیم رسید.

فولادهایی که معمولاً کربن- نیتروژن‌دهی می‌شوند، عبارتند از: گروه‌های 1000، 1100، 1200، 1300، 1500، 4000، 4100، 4600، 5100، 6100، 8600 و 8700 با درصد کربنی حداکثر برابر با 25/0 درصد.

تحت شرایطی که در آنها، به مجموعه‌ای از خواص نظیر سخت شدن سرتاسری با تافنس قابل قبول و سطحی سخت با مقاومت به سایش زیاد، نظیر شافت‌ها و دنده‌ها نیاز باشد، می‌توان سطح بسیاری از فولادهای گروه‌های یاد شده را با درصد کربنی بین 3/0 تا 5/0 درصد، تا عمق 3/0 میلی‌متر تحت عملیات کربن- نیتروژن‌دهی قرار داده و سخت کرد.

دمای عملیات حرارتی برای این منظور حدود 845 درجه سانتی‌گراد (دمای آستنیته کردن) است.

ت- فولادهای مناسب برای نیتروژن- کربن‌دهی به‌طور کلی از عملیات حرارتی نیتروژن کربن‌دهی، در مواردی استفاده می‌شود که نیاز به افزایش مقاومت در برابر سایش و خستگی و یا هر دو باشد.

مثال‌هایی در این زمینه عبارتند از: چرخ‌دنده‌های ماشین‌آلات نساجی، میل‌لنگ‌ها، انواع شافت‌ها، محورها و قطعات مشابه.

بیشترین افزایش مقاومت در برابر خستگی و خراشیدگی در اثر این فرایند، در مورد فولادهای ساده کم کربن گزارش شده است.

مشخص شده است که برای بهره‌گیری از حضور لایه سفید رنگ (حاوی فاز کاربونیترید اپسیلن به علاوه نیتریدها و اکسیدهای دیگر) برای افزایش مقاومت در برابر خراشیدگی، تنش‌های تماسی نباید آن‌قدر زیاد باشد که از استحکام تسلیم فلز در زیر لایه نیترید بیشتر شود.

تحت شرایطی که تنش‌های تماسی بسیار زیاد باشند، اگر از روی سختکاری سطحی نیتروژن- کربن‌دهی استفاده شود، استحکام فلز زیر لایه باید افزایش داده شود.

برای این کار افزایش ضخامت پوسته سخت شده در این روش الزامی است.

در غیر این صورت، استفاده از روش سخت کردن سطحی کربن- نیتروژن‌دهی توصیه می‌شود.

روش اول سختکاری: در واقع اصطلاحی کلی برای فرایندهائی است که در آنها از طریق جذب برخی عناصر به سطح فولاد توسط فرایند نفوذ ترکیب شیمیایی سطح قطعه را تغییر می‏دهند و نوعی شیب غلظتی به‏وجود می‏آورند.

بسته به نوع عنصر مورد استفاده برای نفوذ به سطح فولاد، روش سختکاری سطحی را به نامی مشخص می‏خوانند .

مثلاً، درصورت استفاده از کربن به‏عنوان عنصر نفوذکننده در عملیات سختکاری، روش را «کربن دهی» یا سمنتاسیون می‏گویند.

روش دوم، نوعی فرایند سختکاری سطحی است که تنها لایه سطحی یک قطعه کار از طریق گرم کردن القایی یا شعله یا ...

تا حد بالاتر از دمای بحرانی گرم و سپس سریعاً سرد می‏شود.

سختکاری سطحی به روش القایی در این روش، با القای جریان، دمای سطح قطعه را در مدتی کوتاه به حدی مناسب می‏رسانند و سپس آن‏را سریعاً سرد8 می‏کنند.

درصد کربن فولادهای مناسب برای این نوع عملیات سخت کردن، معمولاً در حد 5/0– 35/0 درصد است که در نهایت، سختی RCا60 – 50 را به‏دست می‏دهد.

فولادهای 1035، 1045، 1050، 1055، 5140، 4140، مطابق استاندارد AISI/SAE برای سختکاری سطحی به روش القایی، مناسب هستند.

فولادهایی که برای آب دادن به این روش، در مورد قطعات نازک در نظر می‏گیرند، باید دارای قابلیت سختی‏پذیری9 یا عمق نفوذ آبدهی‏ اندکی باشند تا تمام قطعه سخت نشود.

ضخامت قشر سخت شده در این روش، ثابت نیست چرا که سرعت گرم کردن قطعه بسیار زیاد است (درحد چند ثانیه).

موضوع اساسی که در گرم کردن قطعه به روش القایی باید در نظر گرفت، احتراز از به‏وجود آمدن قشری ضعیف با تنش‏های کششی بسیار بالاست.

این امر، تابعی از شرایط مختلف نظیر روش گرم کردن و نوع قطعه است.

معمولاً برای سخت کردن دندانه محورهای دندانه‏دار، از گرم و سرد کردن متوالی استفاده می‏شود.

در مورد این نوع قطعات، القای جریان با فرکانس‏های بالا باعث سوختن10 قسمت تیز دندانه‏ها شده و در پای دنده‏ها نیز تنش‏های باقیمانده زیادی ایجاد می‏کند که حد خستگی را بشدت پایین می‏آورد.

مزیت عمده سخت‏کاری سطحی به طریق القایی، زمان کوتاه عملیات حرارتی قطعه و امکان اتوماسیون آن است.

سختکاری سطحی به روش شعله ای در این روش با استفاده از شعله سطح خارجی ، قطعه فولادی مورد نظر را حرارت داده می شود.

درجه حرارت با اندازه ای انتخاب می شود که لایه خارجی فولاد به آستنیت تبدیل شود و سپس با سریع سرد کردن فاز آستنیت به فاز سخت مارتنزیت تبدیل شود.در این روش قطعات فولادی باید در حدود 35/0 تا 50/0 درصد کربن داشته باشند.

ضخامت لایه سخت شده و سختی آن را می توان توسط زمان و درجه حرارت کنترل کرد.

اگر درجه حرارت از مقدار لزوم بالا تر رود باعث می شود که دانه های آستنیت بیشتر رشد کنند و در نتیجه قطعه در هنگام سرد کردن شکست بردارد.بعد از حرارت دادن تا درجه حرارت مورد نظر می توان قطعه را به چند روش سرد کرد که یکی از آن روش ها پاشیدن آب روی قطعه است یا قطعه فولادی را کاملا در آب یا روغن سرد می کنیم تا سختی مورد نظر بدست آید .

در روش دیگر سرد کرد قطعه فو لادی را در هوا سرد می کنیم که درجه حرارت معمولی آن 200درجه سانتیگراد است در این روش سختی به اندازه قابل توجهی کاهش پیدا می کند.

از مزایای این روش می توان به آن اشاره کرد که برای قطعات طویل که امکان حرارت دادن موضعی در کوره نیست می توان از این روش استفاده کرد و یک مزیت دیگر آن قابلیت کاربرد آن در محل کار است.

از معایب عمده سخت کردن شعله ای اکسید شدن یا دی کربوره شده سطح قطعه است.

که اکسیده و دی کربوره شدن سطحی ناشی از تماس مستقیم قطعه گرم شده با اکسیژن هوا است.

البته با انتخاب نوع شعله از نظر میزان اکسد کنندگی و یا احیا کنندگی می توان تا حدودی این عیب را کاهش داد.

یکی دیگر از معایب این روش مقدار کربن توصیه شده و مناسب برای فولاد هایی که قرار است به روش سخت کردن شعله ای سخت شوند در حدود 4/0 تا 5/0 است.

سختکاری سطحی به روش کربن‌دهی عملیات سمنتاسیون، عبارت است از اشباع قشر سطحی فولاد از کربن، توسط فرایند نفوذ.

از آنجا که در این روش، تغییر ترکیب شیمایی توسط نفوذ رخ می‏دهد؛ فرایند عملیات، تابعی از دما و مدت زمان قرار گرفتن قطعه در محیط عملیات است.

سمنتاسیون برروی فولادهای کم کربن با حد کربن1/0- 18/0 درصد برای قطعات نازک و 3/0- 2/0 درصد برای قطعات بزرگ انجام می‏گیرد.

محیط عملیات سمنتاسیون می‏تواند جامد، گاز یا مایع باشد.

سمانتاسیون در دمای بالای AC3 یعنی 910 تا 950 درجه سانتی‏گراد انجام می‏شود، به این ترتیب که کربن، در آستنیت حل می‏شود و وقتی به حد اشباع رسید، شرایط ایجاد فاز سمانته آماده می‏شود.

زمان عملیات سمانتاسیون، معمولاً چند ساعت است.

فولادهای 1015، 8620، A3115، A3120 و 4720 برطبق استاندارد AISI/SAE برای عملیات سمنتاسیون مناسب هستند.

با عملیات سمنتاسیون، علاوه‏بر افزایش سختی و استحکام، حد خستگی قطعه بهبود می‏یابد.

دگرگونی مارتنزیتی11 بر اثر سریع سرد کردن به نحوی است که قطعه را در مقابل پذیرش تنش‏هایی بیشتر و وسیع‏تر مستعد می‏سازد.

کربوره کردن : به سه روش جامد ،مایع و گاز انجام می گیرد که دارای مراحل زیر می باشد.

الف ) انتخاب فولاد مبنا ( 2/0 – 15/0 ) : دلیل انتخاب 2/0 الی 15/0 این است که یکی از اهداف ، انعطاف پذیری قطعه است فولادهایی با این درصد کربن دارای انعطاف پذیری بالایی می باشند و مقاومت به ضربه بالایی دارند و دلیل دوم اینکه چون کربن سطحی کمتر باشد کربن خارجی راحتر به سطح نفوذ می کند.

ب) اساس کار ( تغییرات حاصله در حین کربن دهی ) : اگر یک قطعه کم کربن را در یک محیط کربن ده بگذاریم از سطح تا مرکز این تغییرات را داریم .

کربن دهی جامد دراین روش قطعات مورد نظر را همراه با مواد کربوره کننده که معمولا زغال چوب و یک ماده انرژی زا است در یک ظرف فولادی از جنس فولاد نسوز قرار می دهند.

درجه حرارت کربوره کردن 875-925 درجه سانتیگراد می باشد.

نکته : نقش مواد انرژی زا افزایش سرعت کربوره کردن می باشد که می تواند به مواد همچون BaCO3 - Na2CO3 - CaCO3 اشاره کرد.

عامل اصلی کربوره کردن منواکسید کربن (CO ) است.

2C + O2 >> 2CO BaCO3 >> BaO + CO2 ( زغال )CO2 + C >> 2CO (اتمی )2CO >> CO2 + C اگر نیاز باشد که قسمتهایی از سطح قطعه کربوره نشود نواحی فوق را می توانتوسط یک یایه مسی به زخامت 1/0 تا 75/0 میلیمتر پوشاند.

چون در درجه حرارت کربوره کردن کربن در مس غیر محلول است .

از مخلوط گل رس و آزبست نیز میتوان استفاده کرد.

قطعات فولادی را معمولا بعد از کربوره کردن مستقیما کوئنچ نمی کنند زیرا امکان شکسته شدن آنها در ضمن سریع سرد شدن و یا کاهش سختی بسیلر زیاغد است .

چنانچه بعد از عملیات حرارتی تغییرات ایجاد شده در ساختار میکروسکوپی لایه خارجی را مشاهده کنیم لایه های متفاوت از نظر دانه بندی مشاهده می شود.در سطح خارجی ابتدا منطقه ای از هیپر یوتکتویید شامل پرلیت با یک شبکه سمنتیت سفید رنگ دیده می شود.

سپس منطقه یوتکتویید دیده میشود که تنها شامل پرلیت است.با لاخره منطقه هیپو یوتکتویید که شامل پرلیت و فریت باافزایش مقدتر در جهت داخل قطعه است.

کربن دهی مایع در این روش عملیات کربن دهی با غوطه ور ساختن قطعه فولادی کم کربن در وان حاوی نمک مذاب انجام می گیرد.

این عمل در مذاب مخلوط نمکهای سیاتید سدیم ( 20 تا 50 درصد ) ، کربنات سدیم ( 40 درصد) و مقادیر متناهی از کلرید سدیم و کلرید باریم انجام می گیرد.

مخلوطی غنی از سیاتید فوق را در بوته هایی با پوشش شیمیایی آلومینیم ذوب کرده و در دمایی بین 870 تا 950 درجه سانتیگراد نگه می داریم.

زمان حرارت دادن حدود 30 دقیقه تا 4 ساعت است .

کربن دهی طبق واکنش زیر انجام می گیرد: 2NA2CO3 + SIC >> Na2SIO3 + Na2O +2CO + C چون انتقال حرارت از مایع به قطعه سریعتر از حالت جامد است لذا این روش نسبت به کربوره کردن جامد سریعتر و اقتصادی تر است.

مزایای اصلی کربن دهی مایع یکی گرم شدن یکنواخت قطعه و دیگری افت قابل توجه وزن قطعه غوطه ور شده در محیطی با وزن مخصوص زیاد ( نمک ) است که سبب کاهش تاب برداری قطعه ( یعنی برطرف شدن عیب روش قیل ) می شود.

این روش برای سخت کردن سطحی قطعات با ابعاد کوچک و متوسط به کار می رود.

در این روش قطعه پس از کربونیزه شدن خواص مورد نظر را ابتدا پس از سخت کردن و در مواردی برعلاوه بر آن با فرایند بازپخت کسب خواهد کرد.

فرایند سخت کردن یا مستقیما بلافاصله بعد از خاتمه عملیات کربونیزه کردن و یا پس از انجام عملیات مانند براده برداری و صاف و تسطیح کردن قطعه کربونیزه شده انجام می گیرد.

عموما در سخت کردن سطحی به روش کربن دهی موقعی می توان به مناسبترین نتایج ممکن رسید که لایه خارجی شامل مارتنزیت ریز با ناخالصیهایی از قبیل ذرات ریز سمنتیت باشد.

کربن دهی گازی در کربن دهی گازی از گازهای CH4 و C3 H8 اتفاده می شود وگازهای تولید منوکسیدکربن می کنند.

در این روش قطعه فولادی مورد نظر را در کوره ای قرار داده و گازهای نامبرده شده را به عنوان هیدروکربورهای کربن زا وارد کوره می کنند.

روش کار در این حالت سوختن گازهای یاد شده و تبدیل به گازهای منوکسید کربن است.

همراه با گازهای حامل H2 – CO – N2 وارد کوره می کنند.

زمان کربن دهی به درجه حرارت کوره و عمق کربن دهی مورد نظر بستگی دارد.

این روش سریعتر از روش قبل انجام می گیرد و کنترل آن بسیار ساده تر و سطح آمده تمیز تر است.

چون اکسیژن در کوره وجود ندارد ، گازها ناقص می سوزند وتبدیل به CO می شوند و زمان عملیات حداکثر 3 ساعت می باشد.

دمای کاری در کربوره کردن گازی 900 درجه سانتیگراد است.

سختکاری سطحی به روش نیتریده کردن ( نیتراسیون ) در این روش با وارد کردن ازت یا نیتروژن اتمی در لایه بسیار نازکی از سطح فولاد انجام می گیرد.

در نیتروژن دهی هدف نفوذ نیتروژن به سطح قطعه می باشد ، برای این منظور از فولادهای با درصد کربن کم با عناصر نیترو ساز استفاده می شود.

نیتروژن در درصد های کمتر محلول است.

در ازت دهی سطح خارجی فولاد توسط ازت اشباع می شود.

سخت شدن در ازت دهی به تشکیل نیترایدها در فولاد توسط واکنش ازت با عناصر آلیاژی موجود در فولاد بستگی دارد .

بنا براین در یک درجه حرارت و محیط مناسب تمام فولادهایی که دارای عناصری از قبیل آلومینیم ، کرم ، مولیبدن ، تیتانیم و وانادیم با شند با ازت تشکیل ترکیبات نیترایدی از نوع AIN و Cr2N و MO2N و TIN و VN می دهد.برای تشکیل این ترکیبات ،ازت بایدبه صورت اتم آزاد و نه به صورت مولکولی باشد.

این فرایند پس از مدت زمان طولانی نگهداشتن قطعه در دمای 480 تا 550 درجه سانتیگراد در محیط که دارای گاز آمونیاک باشد صورت می گیرد.

بخار آمونیاک طبق واکنش زیر در اثر حرارت دادن به گازهای ازت و هیدروژن تجزیه می شود: 2N + 3N2 2NH3 >> تفاوت کربن دهی با نیتروژن دهی سختی بدست آمدهاز نیتروژن دهی بیشتر از کربن دهی است.

کربوره کردن در دمای (875 -925 ) درجه که منطقه پایداری آستنیت است انجام می شود ولی نیتریده کردن را می توان در محدوده حرارتی پایدار فریت ( 550-650 ) درجه انجام داد .

قطعات نیتروژن دهی به خاطر وجود فازهای Fe2 N و Fe3 N از مقاومت شیمیایی خوبی برخوردارند.

سختکاری سطحی به روش نیتروکربونیزه کردن نیتروکربونیزه عملیات سخت کردن سطحی است که در آن نیتروژن و کربن هر دو جذب سطح فولاد می شوند و به این ترتیب نیتروژن جذب شده سختی سطح کربوره شده را بیشتر افزایش می دهد لغت نیتروکربونیزه کردن معمولا به سخت کردن سطحی که در آن از اتمسفر گازی استفاده می شود اطلاق می گردد.

این عملیات به دلیل که عنصر ازت پیش از کربن استفاده می شود به نیتروکربونیزه کردن موسوم است.

و در حالی که عنصر کربن بیش از ازت نفوذ داده شود فرایند کربونیتروژن دهی نامیده می شود.

این عملیات در محیطهای جامئ ، مایع ،گاز و همچنین در محیط پلاسما انجام می گیرد.

در پایین عملیات حرارتی یک نوع فولاد بررسی شده است.

عملیات حرارتی بهینه برای فولاد 27CD4 برای ساخت دنده‌های گیربکس خودرو می‌توان از فولاد 27CD4 استفاده کرد.

درصد کربن فولاد 27CD4 به‌طور میانگین 27/0 درصد است.

در بررسی قطعات گیربکس، ملاحظه می‌شود که عمق پوسته سخت شده در دنده‌های گیربکس و شافت ورودی و خروجی (در صورتی که در ساخت همه آنها از فولاد 27CD4 استفاده شده است) برابر با 35/0 میلی‌متر است.

از آنجا که لایه کربن- نیتروژن داده شده، دارای سختی‌پذیری بیشتری در مقایسه با لایه صرفاً کربن داده شده است، برای تشکیل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، به آهنگ سرد شدن کمتری نیاز خواهد بود.

بنابراین، اگر در عملیات حرارتی سطحی، کربن و نیتروژن را با هم به سطح قطعه نفوذ دهیم، بهتر است.

علاوه‌بر مزیت ذکر شده، سطوح کربن- نیتروژن داده شده، دارای مزایای زیر هستند: 1.

مقاومت سطوح کربن- نیتروژن داده شده در برابر نرم شدن به هنگام بازپخت، به مراتب بیشتر از سطوح کربن داده شده تنهاست.

2.

سطوح کربن- نیتروژن داده، استحکام ضربه‌ای (تافنس) و مقاومت خستگی بهتری در سختی یکسان دارند.

(در مقایسه با سطوح کربن داده شده) 3.

مقاومت به پوسته شدن در سطوح کربن- نیتروژن داده شده نسبت به سطوح کربن داده شده بیشتر است.

سطوح کربن- نیتروژن داده شده مقاومت به سایش بیشتری دارند.

الگوی تنش پسماند در سطوح کربن- نیتروژن داده شده به علت کاهش نرخ سرد کردن سریع آنها از سطوح کربن داده شده بهتر است.

در نتیجه، احتمال ایجاد اعوجاج در قطعه به حداقل ممکن می‌رسد که نتیجه آن حذف یا به حداقل رسیدن لقی در چرخ‌دنده‌های گیربکس به علت وجود تمامی مزایای گفته شده است.

عملیات حرارتی کربن- نیتروژن‌دهی یا نیتروژن- کربن‌دهی، بر عملیات کربن‌دهی در مورد فولاد 27CD4، ارجحیت دارد.

عملیات نیتروژن‌دهی در مورد این فولاد توصیه نمی‌شود.

زیرا اولاً با توجه به درصد کربن نسبتاً کم این فولاد نیتروژن‌دهی ممکن است سختی لازم برای سطح را تأمین نکند و ثانیاً خطر ترک خوردن و یا پوسته شدن لایه نیترید وجود دارد.

حال باید دید که از دو فرایند کربن- نیتروژن‌دهی و نیتروژن کربن‌دهی، کدام یک مناسب‌تر است.

تحت شرایطی که تنش‌های تماسی بسیار زیاد باشد، مانند چرخ‌دنده‌های گیربکس، استحکام فلز در زیر لایه سخت شده باید افزایش داده شود.

برای تأمین این منظور اگر از عملیات حرارتی نیتروژن- کربن‌دهی استفاده کنیم باید ضخامت لایه سفید حاوی نیتریدها افزایش داده شود که این امر هزینه و وقت زیادتری لازم دارد.

بنابراین بهتر است که روش کربن- نیتروژن‌دهی را برای سخت کردن سطح این فولاد انتخاب کنیم.

محیط خنک‌کننده هم می‌تواند روغن داغ انتخاب شود.

روش‌هایی مناسب برای به حداقل رساندن اعوجاج قطعه 1.

گرم و یا سرد کردن قطعات به طور یکنواخت 2.

استفاده از روش صحیح برای فرو بردن قطعات در محیط سردکننده 3.

عدم انتخاب دمای بسیار بالا برای آستنیته کردن 4.

آرام سرد کردن قطعه در زیر نقطه MS (دمای آغاز تشکیل مارتنزیت) 5.

کاربرد عملیات حرارتی مارتمپرینگ در صورت امکان 6.

تمیز کردن سطح قطعات قبل از کوئنچ کردن 7.

طراحی قطعات مورد عملیات حرارتی حتی‌الامکان به صورت قرینه 8 .

استفاده از روش کوئنچ تحت فشار 9.

تثبیت ابعاد قطعه با ضربه مکانیکی از بین 9 روش مورد اشاره، توضیح دو مورد آخر ضروری به‌نظر می‌رسد.

الف- تثبیت ابعاد با ضربه مکانیکی برای تأمین ثبات اندازه‌ها می‌توان بعد از عملیات حرارتی ضربه مکانیکی را به‌کار برد.

این عمل به منظور به وجود آوردن تغییر شکل جزئی ماندگار، انجام می‌گیرد.

در نتیجه با تکرار تغییر شکل الاستیکی، تنش‌های باقیمانده برطرف می‌شوند.

در شکل (1) تغییر طول فولاد W1 سخت شده به اضافه برگشت دیده، تحت شرایط ساچمه‌زنی و بدون ساچمه‌زنی، مشاهده می‌شود.

شکل 1: تأثیر ضربه بر تثبیت ابعاد فولاد W1 ب- کوئنچ تحت فشار برای به حداقل رساندن اعوجاج به هنگام عملیات کوئنچ قطعات حساس نظیر چرخ‌دنده‌ها، به جای کوئنچ معمولی تحت فشار پتک به اندازه 10-7اT در روغن به‌کار برده می‌شود.

در این روش، تغییر ابعاد اتفاق می‌افتد اما پیچیدگی، در حدی بسیار پایین است.

در شکل 2، دستگاه آب‌دهی فشاری برای چرخ‌دنده‌های شیب‌دار با ظرفیت 7 تا 10 تن دیده می‌شود.

هنگام وارد آوردن فشار، قطعه با روغن خنک جدول 1: انواع روش‌های آب‌دهی تحت فشار شکل 2: آب‌دهی فشاری برای چرخ‌دنده‌ها سخت گردانی : ممکن است از طریق کربن‌دهی ، قطعه سخت گردانی سطحی شود .اغلب آن را با کروبنیتروژه کردم و یا استفاده از موارد قطعاتی که از این نوع انتخاب شده‌اند یا آهنگری می‌شوند و یا آهنگری یکنواخت سازی می‌شوند .

سخت گردانی پس از کربن‌دهی : معمولاً‌ با یکی از روش‌های زیر انجام می‌گیرد : 1ـ قطعه را از دمای کربن‌دهی در آب یا آب نمک تندسرمایی می‌کنند .

2ـ پس از اینکه عمل کربن‌دهی کامل شد برای کامل شدن دوره‌ی نفوذ دمای کوره را کاهش میدهند و یا اینکه در کوره‌های پیوسته دما را به دمای oF1550 (oC845) می‌رسانند.

سپس قطعه را در آب یا آب نمک تندسرمایی می‌کنند .

3ـ پس از کربن‌دهی قطعه را تا دمای معمولی ، آهسته سرد می‌کنند و مجدداً تا دمای oF1500 (oC815) دوباره گرم می‌کنند .

سپس آن را در آب یا آب نمک سریع سرد می‌کنند.

سخت گردانی کامل در قطعاتی که ضخامت آنها کمتر از 4/1 تا in8/3 می‌دهند (35/6 تا mm53/9) باشد با تندسرمایی در روغن به دست می‌آید قطعه کربونیتروره شده با تندسرمایی در درون روغن سختی کامل را به دست می‌‌آورد .

رسیدن به عمق سختی مورد نظر در فولادهای 1020 و مشابه ، با کربن‌دهی مایع در حمام مذاب امکان‌پذیر است.

درصنعت، قطعاتی نظیر چرخ‏دنده‏ها، خارپیستون‏ها و محورهای انتقال، معمولاً باید دارای دو ویژگی مشخص باشند: قسمت سطحی آنها باید سخت و قسمت مرکزی دارای انعطاف‏پذیری کافی باشد تا بتواند در مقابل نیروهای دینامیکی مقاومت کند.

از این‏ رو، سطح چنین قطعاتی را به روش‏های مختلف سخت می‏کنند.

به‏طور کلی «سختکاری سطحی»1 به دو روش عمده صورت می‏گیرد: 1.همراه با تغییر ترکیب شیمایی سطح قطعه2 2.

بدون تغییر ترکیب شیمیایی سطح قطعه توضیح مختصری درباره دگرگونی مارتنزیتی مارتنزیت، محلول جامد فوق اشباع آهن است.

قابلیت انحلال کربن در دمای محیط در آهن (مزیت) در حد 0025/0 درصد است.

با بالا رفتن دما و رسیدن به دمای آستنیته که عملیات سمنتاسیون در آن انجام می‏شود، کربن با حل شدن در فاز آستنیت ( ) اشباع می‏شود.

با سریع سرد کردن تا دمای محیط، فرصت تجزیه تعادلی آستنیت به فریت و سمنیت گرفته می‏شود.

لذا در دمای محیط، محلول جامد فوق اشباع آهن وجود خواهد داشت که مارتنزیت نام دارد.

به همین دلیل، دگرگونی مارتزیتی بدون فرایند نفوذ صورت می‏گیرد (Diffusionless) .

مشخصه ویژه دگرگونی مارتنزیتی، تغییر حجم قشر سخت شده براثر سرد شدن سریع است.

این تغییر حجم، با توجه به ضریب فشردگی ساختارهای بلوری فازهای فریت ( ، آستنیت و مارتنزیت توجیه می‏شود.

ساختار بلوری مزیت bcc است، ضریب فشردگی 68 درصد، آستنیت fu، ا74 درصد و مارتزیت bet ، افزایش حجم قشر سمانته براثر تبدیل آستنیت به مارتنزیت، 27/4 درصد است.

همین مشخصه (تغییر حجم) در دگرگونی مارتنزیتی که در عملیات سمانتاسیون اتفاق می‏افتد و تفاوت محدوده این دگرگونی بین سطح سخت شده و مرکز قطعه، باعث ایجاد تنش‏های فشاری در سطح قطعه می‏شود، درحالی‏که مرکز قطعه تحت تنش‏های کششی است.

با اعمال تنش خارجی به قطعه، تنش شعاعی فشاری است و تنش عرضی در سطح اعمال شده کششی و در سطح مقابل فشاری است.

بنابراین در حین اعمال تنش‏های خارجی، در قطعاتی که به طریق سمنتاسیون سخت شده‏اند، تنش روی سطح قطعه کاهش می‏یابد.

به بیانی دیگر ظرفیت تحمل تنش برای چنین قطعاتی بیشتر است.

فولاد 17Nicrmo6 با شماره استاندارد 1.6587 دارای این خصوصیت هستند: خصوصیات مکانیکی چنین فولادی عبارت است از: استحکام کششی (VVTS): 980 - 1420 N/mm2 تنش تسلیم (Vy): 685 - 835 N/mm2 ازدیاد طول نسبی (e): 7 - 8% سختی: 159 - 229 با توجه به بحث ارائه شده، فولاد 34crmo4 با شماره استاندارد (1.7220) که به روش القایی سخت شده است ظرفیت پذیرش و تحمل بار و تنش کمتری را دارد، یعنی هم مقاومت کناره دنده‏ها کم است و هم مقاومت در برابر تنش خستگی در مورد خود دنده‏ها چنین است.

ترکیب شیمایی فولاد (1.7220) چنین است (Aisi 4137): با خصوصیات مکانیکی: استحکام کششی (Vvts) 750 - 1200 N/mm2 تنش تسلیم (Vy) 580 - 800 N/mm2 ازدیاد طول نسبی (e) 11 - 15% سختی 223 HB بنابراین، با توجه به ماهیت دگرگونی مارتنزیتی و تغییر ترکیب شیمایی سطح قطعه که در عملیات سمنتاسیون رخ می‏دهد، برای قطعه‏ای مثل چرخ‌دنده که در معرض اعمال تنش‏های مختلف است، عامل تحمل تنش و بالا بودن حد خستگی اهمیت دارد که در عملیات سمنتاسیون تامین می‏شود.

در صورت اعمال صحیح چرخه حرارتی، همگن بودن ساختار متالورژیکی چنین قطعاتی، مزیتی افزونتر تلقی می‏شود.

فولاد ریختگی برای چرخدنده ه ا هنگامی که چرخدنده ها از فولاد ریختگی ساخته شوند فولاد بکار رفته باید با الزامات و خواص شیمیایی که در قوانین مربوط به فولاد چرخدنده ها قرار می گیرند مطابقت کند .

معمولا ، چنین فولادی در کوره ی باز یا الکتریکی ساخته می شود .

باید توجه شود که تمام فولاد های ریخته شده برای چرخدنده باید بطور کامل نرماله یا آنیل گردد .

دما و زمان عملیات حرارتی باید مناسب انتخاب شود تا در نهایت ساختار های دانه ای بدون عملیات حرارتی شده باقی نماند .

ما تا کنون در مورد فولاد کربنی بحث کرده ایم .

از زمره ی فولاد های آلیاژی منگنز – نیکل با درصد بالا مقاومت در مقابل حرارت ، سایش و تنش های خمشی بالایی ارایه می دهند .

فولاد های ضد زنگ مارتنزیتی برای چرخدنده ها زمانی بکار می روند که خواص مکانیکی بالا همراه با مقاومت در مقابل خوردگی لازم و ضروری است .

وقتی که چرخدنده ای با سطح مقطع بزرگ باید سخت شود فولاد های آلیاژی پیشنهاد می شود زیرا عناصر آلیاژی سختی پذیری لازم را به قطعه کار می دهند .

واقعیت این است فولاد های آلیاژی به نسبت فولاد های کربنی بیشتر تابع و مهیای روش های عملیات حرارتی اند همچنین در مورد چرخدنده هایی با سطح مقطع و شکل ویژه نتایج زیان باری ندارند .

عموما در مصارف صنعتی فولاد های کربنی ساده ی عملیات حرارتی شده بسیار معمول ترند از فولاد های آلیاژی که این به دلیل هزینه ی زیاد این آلیاژها در بسیاری از ملاحظات طراحی و شرایط کاری .

فولاد های کربنی ساده برای بسیاری از کاربرد های صنعتی بسیار مفید و اقتصادی اند .

هنگامی که فولاد آلیاژی عملیات حرارتی شده را با فولاد کربنی عملیات حرارتی شده مقتیسه می کنیم فولاد آلیازی فواید زیر را به ما می دهد : 1- درصد کربن و شرایط کوئنچ شدن یکسان است ، فولاد های آلیاژی توان تولید سطح و عمق سخت شده ی بیشتری دارند .

2- فولاد آلیاژی دارای نقطه تسلیم بالا تر و کاهش و افزایش سطح بیشتری است بنابراین دارای چقرمگی بیشتری است .

3- در دماهای پایین کوئنچ ممکن است به یک سطح سخت شده ی یکسان برسیم بعلاوه قطعات فولاد های آلیاژی کمتر در معرض تغییر شکل قرار می گیرند .

4- سایز دانه ها ریزتر است در نتیجه مقاومت در مقابل ضربه و سایششان بیشتر است .

5- توانایی ماشین کاری بالا و سختی بیشتر نسبت به فولاد کربنی ساده .

عناصر آلیاژی مختلف خواص متفاوتی را به فولاد می دهند .

کاراکترهای مربوط به این عناصر به طور خلاصه در زیر شرح داده می شود .

در اینجا فقط تاثیر عناصر آلیاژی مطرح است و مقدار و درصد کربن را ثابت در نظر می گیریم .