دانلود تحقیق آزمایشگاه متالوژی

به نام خدا

در طی دوره ای که کارآموزی خود را در آزمایشگاه متالوژی شرکت سایپا گذراندم از تجربیات عملی و دانسته های علمی افراد زیر بهره مند شدم . تشکر و قدردانی فراوان را از زحمات :

دکتر سلمانی

 مهندس طالبی

 مهندس بهمن پور

 مهندس میرکمالی

 مهندس دمیرچی

که در این مدت تمام تلاش خود را در جهت ارتقاء سطح علمی و افزایش تجربیات عملی اینجانب انجام داده اند ، می نمایم .

در دوره کارآموزی در شرکت سایپا واحد آزمایشگاه متالوژی علاوه بر کارهای عملی و تجربی انجام شده در این بخش ، برای هر کار آموز یک پروژه تحقیقاتی که مرتبط با کاربرد متالوژی در صنعت خودروسازی می باشد تعریف شد ، تا کارآموز در کنار کارهای عملی با انجام کارهای تحقیقاتی نیز آشنا شود.

 پروژه اینجانب سخت کاری سطحی روشهای آن ، بویژه نیتراسیون پلاسمایی و کاربرد آن در صنعت خودرو می باشد که با راهنمایی و مساعدت دکتر سلمانی انجام گرفت .

سخت کاری سطحی ( موضعی ) فولاد

دو روش کاملاً متفاوت برای سختکاری سطحی یعنی فرآیندی که در آن سطح قطعات سخت شده و در مقابل سایش مقاوم باشند ولی در عین حال مغز آنها همچنان نرم و چقرمه باقی بماند وجود دارد . یکی اینکه فولادی را انتخاب کنیم که کربن کافی داشته و با گرم و سرد کردن سخت شود . در این فولاد ما می توان قسمتهای مورد نیاز را با گرم و سرد کردن سریع سخت کنیم . دوم اینکه فولادی را انتخاب کنیم که ذاتاً قادر نیست تا حد بالایی سخت شود . ولی با تغییر دادن ترکیبات شیمیایی لایه سطحی می توان لایه مذبور را سخت کرد .

دسته بندی روشهای سخت کاری سطحی :

روشهای سخت کاری سطحی از نقطه نظر عملی به چهار گروه عمده شامل :

1 کربن دهی ( کربو رایزینگ )

2 کربن و ازت دهی ( کربو نیترایدینگ )

3 ازت دهی ( نیترایدینگ )

4 ازت دهی و کربن دهی ( نیتروکربورایزینگ )

تقسیم می شوند .

سمانتاسیون با کربن دهی سطحی فولادها :

برای تعداد زیادی از محصولات صنعتی ، نظیر چرخ دهنده ها . خار پیستون ، محورهای انتقال و امثال اینها ، لازم است که سطح قطعه سخت بوده و در عین حال قسمت مرکزی آن ، چکش خواری خود را حفظ کرده و مقاومت به ضربه بالایی داشته باشد ، تا بتواند در مقابل نیروهای دینامیک مقاومت نماید . برای این منظور سطح قطعه را با کربن سمانته می کنند .

هدف از سمانتاسیون اشباع سطح قطعه فولادی از کربن می باشد .

برای سمانتاسیون می توان از سه نوع سمان استفاده کرد . به عبارت دیگر در سمان یا محیط کربن ده ، می توان قطعات را به سه روش مختلف مورد سمانتاسیون با کربن قرار داد :

1 سمانتاسیون با عناصر جامد کربن ده .

2 سمانتاسیون گازی ( یا کربن دهی گازی )

3 سمانتاسیون مایع .

هدف از سمانتاسیون به دست آوردن یک سطح سخت و مقاومت در برابر فرسایش می باشد که با پر کردن سطح قطعه تا حدود 0.8 الی 1.1 درصد و سپس آب دادن آن حاصل می شود . این عمل نیز حد خستگی را بالا می برد .

سمانتاسیون ، عموماً بر روی فولادهای کم کربن ، یا فولادهایی با 18/0 1/0 درصد انجام می گیرد . برای قطعات بزرگ می توان فولادهایی با کربن کمی بیشتر
( 0.2 – 0.3  درصد ) به کار برد. فولادهایی که عمق نفوذ آب گیری در آنها کم است ، برای سمانتاسیون مناسب است . زیرا با سمانتاسیون این فولاد ها ، قشرهای مجاور زیر قشر سطحی و نیز قسمت مرکزی قطعه ، از کربن محیط سمانتاسیون اشباع نشده و چکش خواری خود را ، بعد از آب دادن سطح قطعه ، حفظ می کنند . در موارد متعددی لازم است که فقط قسمتهای معینی از یک قطعه سمانته شود. در این صورت بخشهایی را که نباید سمانته شوند را می توان از یک رسوب الکترولیتیک مسی ( به ضخامت 04/0 تا 03/0 ) و یا لفافهای مخصوص پوشانید .

این لفانها معمولاً از مخلوطی از  تالک با رس سفید ( کائولن ) که کاملاً نرم شده و با شیشه محلول ( چسب شیشه یا سیلیکات سدیم ) خمیر گردیده است ، تشکیل شده اند . چون در هنگام سمانتاسیون این خمیرها به راحتی ترک برمی دارند ، لذا نمی توانند کاملاً در مقابل نفوذ کربن مؤثر باشند . روش مطمئن پوشش دادن با الکترولیت مس است .

عمق نفوذ کربن یا ضخامت قشر سمانته ، طبق تعریف ، فاصله از سطح سمانته تا صفحه‌ای است که سختی آن به 550 ویکرز برسد . ( استاندارد SIS 11700 8 ) .

غلظت کربن در قشر سطحی فولادهای کربنی باید به حدود 0.8 الی 1.1  درصد برسد .

اگر درصد کربن در قشر سطحی ، از مقدار فوق تجاوز نماید . سمانتیت آزاد و درشت در سطح تشکیل شده و کیفیت سطح فولاد را پایین می آورد .

در فولادهای کربنی عملاً تشکیل کربور، در فاز آستنیت در اثر دیفوزیون ، غیر ممکن است در حالی که در مورد فولادهای حاوی عناصر آلیاژی نظیر V,MO,Mn,CN .

بر عکس ، در موقع سمانتاسیون تشکیل قشر دو فازه آستنیت + کربور ، به وفور دیده می شود در این حالت ، کربورهای رسوب یافته عموماً یک شکل کروی دارند .

سمانتاسیون فولادهایکه کرم ، مولیبدن با منگنز در خود دارند ، می تواند غلظت کربن در سطح تا حدود 2 8/1 درصد برساند .

در جدول زیر نوع و ترکیب شیمیایی چند نوع فولاد مورد مصرف برای سمانتاسیون آمده است :

Cr

S

P

Mn

Si

C

ASI

-

0.02-0.035

0.0-0.35

0.6-0.9

0.1-0.4

0.12-0.18

1015

0.35-0.65

0.03-0.05

-

0.6-0.8

0.15-0.4

0.17-0.23

8620

0.6-1

-

-

0.7-1.1

0.15-0.4

0.13-0.18

A3115

-

-

-

0.7-1.1

0.15-0.4

0.18-0.23

A3120

1.8-1.2

-

-

0.5-1.1

0.15-0.4

0.17-0.23

4720

فولادی که به اندازه کافی اکسید زدایی نشده است ، قابل آبدهی بعد از سمانتاسیون نیست .

کربن دهی معمولاً در محدوده حرارتی  انجام می گیرد .

ولی دمای حدود  و یا  نیز به کار رفته است . سرعت کربن دهی در دمای بالا حدود  زیاد است ، ولی دمای بالا روی طول عمر متعلقات کوره اثر منفی دارد . این مسأله محدودیتی برای کربن دهی در دمائی بالا است .

کربن دهی گازی

منبع کربن در کربن دهی گازی معمولاً همراه با گاز حاصل که فاقد خاصیت کربن دهی بوده و یا خاصیت کربن دهی بسیار ضعیفی دارد وارد کوره می شود . عموماً کربن دهی گازی نسبت به دو روش دیگر راندمان بالاتری دارد . در این روش کربن بیشتری جذب سطح شده و عمق نفوذ بیشتری بدست می آید :

کربن دهی گازی نسبت به دو روش دیگر برای تولید انبوه اقتصادیتر بوده و می توان فرآیند را مکانیزه نمود اقتصادی بودن روش به این دلیل است که عمق نفوذ معین در مدت زمان کوتاهتری بدست می آید .

گازهای کربن دهی :

عمدتاً گاز متان است که با درصد کمی گاز حامل ( گاز غیر کربن دهی ) مخلوط می شود .

کوره ها :

علاوه بر کوره های خلاء انواع کوره های رایج شامل کوره های گودالی ، گردان ، تک شارژ و مداوم برای کربن دهی به کار می رود . انتخاب کوره به شکل و ابعاد قطعات ، حجم تولید برنامه تولید و فرآیندهای عملیات حرارتی بستگی دارد .

عمق نفوذ مؤثر و عمق نفوذ کل :

عمق نفوذ کل به آخرین نقطه لایه کربورایز شده مربوط می شود . در صنعت عمق نفوذ مؤثر مطرح است . عمق نفوذ مؤثر ضخامت لایه است که سختی آخرین نقطه آن پایین تر از 50HRC باشد .

کربن دهی مایع

کربن دهی مایع را نباید با کربن دهی قطره ای اشتباه گرفت . کربن دهی مایع نوعی سختکاری سطحی فلزات آهنی است که در آن قطعات در حمام نمکی در دمای بالاتر از دمای استحاله فازی به مدت زمان معینی نگه داشته  می شوند . با تجزیه نمک کربن آزاد شده و داخل قطعه نفوذ می کند . گاهی ممکن است که ازت نیز به داخل قطعه نفوذ کند . این عمل باعث می شود تا بعد از کونچ سختی تا حد زیادی افزایش یابد . این حالت در حمامهای سیانیدی رخ می دهد . نوع جدیدی از حمامهای سیانوری توسعه یافته است که بسیار مورد توجه قرار گرفته اند این حمامها تنها حامل عامل کربنی بوده و در آنها فقط کربن داخل قطعه نفوذ می کند .

مزایا و محدودیتهای کربن دهی مایع:

دو مزیت اصلی این نوع کربن دهی کاملاً مشهود است :

1 کربن دهی موضعی بدون توقف روند عملیات است .

2 کربن دهی قطعات مختلف بطور همزمان امکانپذیر است .

یکی از معایب کربن دهی مایع ضرورت شستشوی بعد از کونچ است . دیگر اینکه نمک چسبنده به قطعات گرم موجب آلودگی حمام کوئنچ می شود . برای قطعاتی که دارای سوراخهای کوچک و شیارهای کوچک هستند به دلیل مشکلاتی که در تمیز کرن آنها وجود دارد این روی توصیه نمی شود .

کربن دهی جامد

کربن دهی جامد فرآیندی است که در آن CO ناشی از ترکیبات جامد در سطح فلز به C و CO2 تجزیه می شود . کربن اتمی جذب سطح فلز شده و داخل آن نفوذ می نماید .

CO2 حاصله بلافاصله با ترکیبات کربن برای تولید CO وارد واکنش می شود . این واکنش در حضور مواد کاتالیست Nuzno3 , Bao3 تقویت می شود .

زمان عملیات :

کربن دهی جامد معمولاً در دمای (815-955) انجام می گیرد ولی ممکن است در مواردی دما (1095) شود .

سرعت کربن دهی در ابتدای سیکل زیاد است ، ولی همانند کربن دهی گازی در اینجا نیز با پیشرفت سیکل بتدریج از سرعت آن کاسته می شود .

محدویتها :

محدودیت اصلی کربن دهی جامد در مقایسه با روشهای دیگر در این است که در این روش مصرف انرژی زیاد است ، زیرا که تمام مواد نیاز به گرم شدن دارند .

روشهای اندازه گیری عمق نفوذ در قشر سمانته :

روشهای مختلفی برای اندازه گیر عمق نفوذ در قشر سمانته متداول است . موقعی که طرح یک قطعه طوری است که احتیاج به سمانتاسیون قطعه تا عمق معینی باشد ، مشخص کردن روش اندازه گیری عمق قشر سمانته مهم است .

روشهای اندازه گیری عمق نفوذ سمانتاسیون شامل روشهای شیمیایی ، مکانیکی و متالوگرافی است .

در روشهای شیمیایی معمولاً عمق نفوذ را تا غلظت 4/0 درصد کربن در نظر می گیرند و در روش مکانیکی ، سختی میکروسکوپی را از سطح تا عمقی که سختی آن حداقل 50HRC باشد تعیین می کنند . عمق نفوذ به طریق متالوگرانی ، پس از صیقل کاری و حکاکی نمونه در زیر میکروسکوپ ، یا به طور چشمی ارزیابی می شود .

برای انجام سمانتاسیون اصولاً فولادهای ذاتاً دانه ریز و یا فولادهای مخصوص
( فولادهای حاوی نیکل و کروم ) مورد استفاده قرار می گیرند .

نمودار تأثیر زمان و دما روی کربن دهی مایع فولاد 1020 .

کربن دهی در دمای  

کربن دهی در دمای

سمانتاسیون به روش پلاسمایی

برای افزایش سرعت سمانتاسیون، پژوهش هایی در جهت رفع محدودیتهای دیفوزیون کربن در فولاد انجام گرفته است . یکی از روشهای بکار گرفته شده برای افزایش سرعت سمانتاسیون ، استفاده از سمانتاسیون پلاسمایی است . با استفاده از روش سمانتاسیون پلاسمایی ، سرعت کربن دهی بالا می رود . زیرا با استفاده از این فرآیند ، چندین مرحله اولیه که در روشهای دیگر برای ایجاد کربن اتمی انجام می شد حذف می شود .

امتیاز دیگر این روش ، امکان استفاده از دمای بالاتر ، در انجام این عملیات می باشد ، زیرا این فرایند در محیط خلاء و در غیاب اکسیژن انجام می شود .

در مقایسه با روش سمانتاسیون در خلاء دارای برتری است با توجه به اینکه سمانتاسیون در خلاء تحت فشار بسیار کمی صورت می گیرد و سرعت جریان گاز کربن ده در داخل کوره خلاء خیلی کم است .

از مقایسه نتایج حاصله از سمانتاسیون پلاسمایی یک فولاد ، ASI1020 با سمانتاسیون گازی همان فولاد در 900 درجه سانتیگراد مشاهده گردید که زمان لازم برای رسیدن به غلظت معین در سمانتاسیون پلاسمایی . نصف زمان با سمانتاسیون گازی است .

یکنواختی عمق نفوذ در سمانتاسیون پلاسمایی خیلی بهتر از سایر روشها  است .

سمانتاسیون پلاسمایی به تغییرات ترکیب شیمیایی حساسیت ندارد .

سمانتاسیون پلاسمایی به تغییرات نوع گاز کربوره حساس نیست .

از نظر حفظ محیط زیست نیز استفاده از روش سمانتاسیون پلاسمایی بسیار تمیزتر و ایمن تر ای روش سمانتاسیون گازی بوده و خطر آتش سوزی یا تولید CO را ندارد .

اگر دمای عملیات از 900 درجه به حدود 1040 درجه افزایش یابد قابلیت انحلال کربن در آستنیت از 2/1 درصد وزنی به 6/1 درصد وزنی افزایش می یابد در حوالی 6/1 درصد کربن ، به دو برابر مقدار آن برای انحلال 1 درصد کربن می رسد .

نیتراسیون

فرآیند نیتراسیون از جمله عملیات ترموشیمی است که روی قطعات مختلف نظیر چرخ دنده ها ، محور ها برای افزایش مقاومت به سایش و فرسودگی انجام می شود .

به طور کلی نیتراسیون عبارتست از اشباع سطح فولاد از ازت . عمل نیتراسیون بر روی فولادهای آلیاژی و معمولاً در دمائی بین 495 تا 565 صورت می گیرد . در فرآیند نیتراسیون علاوه بر افزایش مقاومت به سایش و فرسودگی ، سختی ، حد خستگی و مقاومت به خوردگی نیز افزایش می یابد .

در حالی که سختی یک قشر سمانته تا دمای حدود 200-220 درجه سانتیگراد حفظ می شود سختی قشر نیتروژه تا دماهای بالاتر یعنی حدود 650-600 ثابت می ماند . عمل نیتراسیون در مقیاس وسیعی بر روی محور ماشین ها ، ابزارهای اندازه گیری سیلندرهای موتورهای قوی ، رینگ و پیستون ، میل لنگ و امثال آنها انجام می شود .

امکان نیتروژن دهی بسیاری از فولادها وجود دارد ، اما تنها هنگامی می توان سختی بالایی در سطح بدست آورد که قطعه مورد نظر از جنس فولادهای مخصوص شامل عناصر آلیاژی نظیر V,CN,AL  Ti باشد . این عناصر در سطح قطعه نیتریدهای آلیاژی پایداری تشکیل می دهند که سختی سطح را تا حدود VHN 1150 بالا می برد . اگر فولادهای ساده کربنی نیتروژن دهی شوند . سختی سطح در حد متوسط ( حدود 400 تا 500 ویکرز ) افزایش می یابد .

جدول زیر فولادهای مخصوص نیتراسیون را نشان می دهد که این فولادها پس از سخت کاری و تمیز نیتریده می شوند .

فولادهای مخصوص نیتراسیون :

0.28-0.35c904-0.7Mn,0.15-0.4si,2.8-3.1cr

0.3-0.5Mo

سختی 800 ویکرز

DIN

32 cr Mo 12

0.35-042c,0.4-07Mn,0.15,0.4 Si,3-305 cr , 0.8-1.1 Mo

سختی 950 ویکرز

32 cr MoV 1210

03-.3-0-45c,0.2-0.5Mn,0.2-0.5 Si,1.5-1.8cr,0.3-0.5-Mo

0.8-12AL                         

سختی 1150 ویکرز

34 crALMO 5

باید گفت که نیتراسیون فولادهای معمولی که دارای عناصر آلیاژی نباشند مضر است، به این دلیل نیتراسیون را بر روی فولادهای آلیاژی با کربن متوسط انجام می دهند که سختی و مقاومت به فرسایش زیادی به قطعه می دهد .

سختی ، به ویژه با وجود WCR , Mo , AL بالا می رود . ولی عمق نفوذ با بالا رفتن عیار آلیاژ کم می شود، چنانچه عملیات نیتراسیون فولادهای مخصوص در دماهای بالا انجام گیرد این عمل موجب می شود تا نیترورهای عناصر آلیاژی با یکدیگر تجمع کرده و بلورهای درشت تشکیل دهند . در نتیجه سختی  فولاد را پایین می آورند .

در حالی که اگر عمل نیتراسیون در دمای پایین ( حدود 500 ) انجام گیرد توزیع نیترو دما در تمام سطح فولاد صورت گرفته و سختی قطعه بالا می رود . در این حالت چنانچه فولادها را بعداً گرم کنیم تجمع نیترورهای آلیاژی رخ نخواهد داد .

با توجه به اینکه فازهای نیترید آهن  ، و نیتریدهای آلیاژی دیگر نظیر نیترید کروم (cr2N , crN) و نیترید آلومینیم ( ALN ) در دماهای حدود 500 به بالا تشکیل می‌شوند عملیات نیتراسیون را می توان در دماهای پایداری فریت (650 - 550 ) انجام داد که در مقایسه با عملیات کربن دهی (925 – 875 ) بسیار پایین تر است . به علاوه پس از نیتروژن دهی نیازی به سریع سرد کردن قطعه نیست ، از این رو پیچیدگی و اعوجاج قطعات به حداقل می رسد .این امر برای قطعاتی که تولرانس ابعادی در آنها بحرانی است و از کیفیت سطحی خاصی برخوردار باشند اهمیت خاصی دارد .