تأثير پارامترهاي مختلف عمليات حرارتي بر روي استحالههاي غير ايزوترمال فولاد زنگنزن مارتنزيتي AISI 420

مصطفي يعقوبيزاده1*، محمدرضا سلماني2، غلامحسين برهاني3 و محمدعلي سلطاني4
دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد ساوه، دانشكده مهندسي مواد، ساوه، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد ساوه، دانشكده مهندسي مواد، ساوه، ايران
استاديار، دانشگاه صنعتي مالك اشتر، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
مربي، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهر مجلسي، گروه مهندسي مواد، اصفهان، ايران
*[email protected]
(تاريخ دريافت: 25/01/1390، تاريخ پذيرش: 2/04/1390)

چكيده
به كارگيري فولادها در كاربردهاي صنعتي مستلزم انتخاب صحيح پارامترهاي عمليات حرارتي است. در فولادهاي زنگنزن مارتنزيتي فرآيند حل شدن كاربيدها در حين گرمايش مداوم و رسوب آنها در حين سرد شدن پيوسته، نقش عمدهاي در خواص آنها ايفا ميكند. در اين تحقيق توسط تكنيك ديلاتومتري سيكلهاي حرارتي در دماها و سرعتهاي سرد كردن مختلف بر روي فولاد AISI420 اعمال شد. نتايج ديلاتومتري همراه با بررسيهاي ميكروسكوپي نشان داد كه ريزتر بودن اندازه دانههاي آستنيت و غلظت بالاي عناصر آلياژي در آستنيت به ترتيب قبل و بعد از حل شدن كاربيدها عواملي هستند كه باعث تغييرات دماي شروع مارتنزيت (MS) در دماهاي مختلف آستنيته كردن ميشوند. به علاوه رسوب كاربيدها در حين سرمايش مداوم از فاز آستنيت با افزايش دماي آستنيته و نرخ سرمايش كاهش مييابد.

واژه هاي كليدي:
AISI 420، فولادهاي زنگنزن مارتنزيتي، دماي آستنيته، كاربيد و .Ms

1- مقدمه
فولادهاي زنگنزن مارتنزيتي شامل 2/1- 1/0 درصد كربن و 17- 5/10 درصد كروم ميباشند. اين فولادها عموماً در شرايط كوئنچ وتمپر به كار ميروند [1]. جهت دستيابي به خواص بهينه اين فولادها سيكلهاي عمليات حرارتي متعددي توصيه شده است [8 – 1]. خواص مكانيكي به همراه خواص خوردگي اين فولادها كاربرد آن را در صنعت دو چندان كرده است. از كاربردهاي خاص اين فولادها در كاربردهاي صنعتي ميتوان به قالبهاي پلاستيك، والوها، شافت، وسايل جراحي و
دندانپزشكي، وسايل آشپزخانه و تيغچههاي برش اشاره نمود [9].
در بسياري از تحقيقات براي فولادهاي زنگنزن مارتنزيتي با كربن متوسط (6/0- 2/0 درصد) دماي سختكاري در ناحيه 900 الي 1200 درجه سانتيگراد پيشنهاد شده است [2، 6 و 8].
در برد دماهاي بالا كاربيدها در ريزساختار شروع به حل شدن ميكنند و نهايتاً ساختار همگن ميشود. در طول فرآيند حل شدن كاربيدها، عناصر آلياژي موجود در كاربيدها باعث استحكامبخشي فاز آستنيت ميشود و در حين اين فرآيند انتخاب يك دماي آستنيته مناسب جهت بهينهسازي همزمان مقاومت به خوردگي و سختي فولاد پس از سريع سرد كردن امري ضروري ميباشد.
گارسيا1 و همكارانش [2] در فولادهاي زنگنزن مارتنزيتي با درصد كربن بيشتر (61/0- 27/0) ازAISI 420 بهترين دماي سختكاري اين فولادها را در دماي حل شدن كامل كاربيدها پيشنهاد كردهاند. دماي آستنيته بيشتر از اين مقدار موجب افزايش مقدار آستنيت باقيمانده در ريزساختار و تضعيف خواص مكانيكي شده است. همچنين دماي آستنيته كمتر از اين مقدار سبب افزايش مقدار كاربيدها در ريزساختار و نهايت اً كاهش در خواص خوردگي شده است. از طرفي آلوارز2 و همكارانش [8] اين فولادها را در دو دماي مختلف متداول3 و بهينه4 سختكاري كردهاند. آنها نيز نشان دادند كه خواص خوردگي و سختي اين فولادها در دماي بهينه به بيشترين مقدار خود ميرسد. از سوي ديگر در صنعت همواره در پي دماي عمليات حرارتي (متداول) هستند كه از نظر ريزساختاري حداقل آستنيت باقيمانده را در فولاد تضمين كند.
از آنجايي كه عمليات حرارتي فولادهاي زنگنزن نسبت به فولادهاي ساده كربني و كم آلياژ حساستر است و از طرفي قيمت اين فولادها بالا ميباشد، لذا در اين تحقيق با استفاده از تكنيك ديلاتومتري و مطالعات ريزساختاري و رسم نمودار CCT، رفتارهاي فولاد در عمليات حرارتي مختلف مورد بررسي و آزمايش قرار گرفت.

2- روش تحقيق
در اين تحقيق از فولاد زنگنزن مارتنزيتي AISI 420 (پس از عمليات ذوب مجدد، فورج و همگنسازي) ساخت مجتمع فولاد آلياژي اصفهان استفاده شد. تركيب شيميايي اين فولاد در جدول (1) آورده شده است. ريزساختار خام اين فولاد شامل
سال پنجمشماره دوم /
فريت- مارتنزيت تمپر شده و كاربيدهاي ريز كروي ميباشد. شكل (1- الف و ب) ريزساختار اوليه اين فولاد را نشان ميدهد.
سيكلهاي عمليات حرارتي با دستگاه ديلاتومتري مدل A/D805 انجام شد. نمونههاي ديلاتومتري طبق استاندارد 1681SEP با قطر mm4 و طول mm10 تهيه شدند.
آزمايشهاي ديلاتومتري در دماهاي 1000 الي 1200 درجه سانتيگراد با نرخ گرمايش ºC/s 5/0 و نرخهاي سرمايش مختلف و در محيط خلأ mbar4-10 × 5 انجام شد. شماتيك اين سيكلها در شكل (2- الف و ب) نمايش داده شده است.
براي آشكارسازي ريزساختار فولاد AISI420 از محلول ويللا5 (1gr picric acid + 5ml HCl + 100ml ethanol) و براي نمايان ساختن كاربيدها در يك زمينه اچ نشده از معرف ماراكامي6 (10g NaOH+10g K3Fe(CN)6+100ml H2O)
[10] و با استفاده از يك ميكروسكوپ نوري Olympus PMG3 و جهت محاسبه درصد مساحت كاربيدها از يك آناليز تصويري اتوماتيك KONTRON مدل IBS2 استفاده شد.
اندازه دانه اوليه آستنيت مطابق با استاندارد E112 [11] و از روش متقاطع7 تعيين شد.
كليه اندازهگيريهاي مقادير ريزسختي در ريزساختار فولاد مذكور توسط دستگاه ريزسختيسنج ساخت شركت KOOPA مدل MH1 با نيروي اعمالي 1 Kg انجام پذيرفت.

نتايج و بحث
3-1- ت أثير دماي آستنيته بر رفتار فولاد زنگنزن مارتنزيتيAISI 420
در شكلهاي (3- الف، ب و ج) منحنيهاي ديلاتاسيون تأثير دماي آستنيته بر دماهاي بحراني فولاد AISI 420 نشان داده شده است. دماهاي بحراني از منحنيهاي ديلاتاسيون استخراج و به همراه مقادير سختي و اندازه دانه آستنيت اوليه در جدول (2) گزارش شده است.
بـــا اســـتفاده از منحنـــيهـــاي ديلاتاســـيون در شـــكل (3) و دادههاي موجود در جدول (2) روند تغييرات استحالهاي در حين

ش كل (1): ريزس اختار اولي ه ف ـولاد AISI 420 جه ت انج ام ت سته اي ديلات ومتري، ال ف) ريزس اختار ك املاً اچ ش ده ش امل فري ت – مارتنزي ت تمپ ر ش ده و كاربي د ، X500 و ب) ريزس اختار (كاربي دها) در ي ك زمين ه اچ نشــده، X500.

گرم كردن مداوم، قابل ملاحظـه اسـت كـه در دمـاي AC1(817 درجه سانتي گراد) دانههـاي آسـتنيت در ريزسـاختار اوليـه فـولادمذكور جوانهزنـي و رشـد مـيكننـد و در نهايـت در دمـايAC3 (910 درجه سـانتيگـراد ) ريزسـاختار اوليـه بـه غيـر از كاربيـدهاتبديل به آستنيت ميشود. فرآيند حـل شـدن كاربيـدها در حـينگرمايش مداوم فاز آستنيت در فولادهاي زنگنزن مـارتنزيتي ازيك رابطه غير خطي با افزايش دما تبعيت ميكنـد . دمـاي پايـانيحل شدن كاربيدها را در اين فولادهاAcc و دماي هموژن شـدن

جدول (1): تركيب شيميايي فولاد زنگنزن مارتنزيتي 420 .AISI
عنصر C Cr Mn Si Ni Cu W V Mo Al P S
درصد وزني 0/2 12/72 0/47 0/28 0/14 0/1 0/02 0/02 0/02 0/016 0/022 0/003

شكل (2): سيكلهاي ديلاتومتري طراحي شده در: الف) دماهاي گرمايش مختلف و ب) نرخ هاي سرماي ش مختلف.

آستنيت راAch مي نامند [2 و 12]. البتـه ايـن تغييـرات در فـولاد 420 AISI به دليل كم بودن كاربيدها در ريزسـاختار آنيـل شـده خام، چشم گير نمي باشد و لذا پيدا كردن اين دماها بـا روشهـايگرافيكي معمول امكانپذير نيست . با استفاده از نرمافزار رياضـيمت لب8 [13] براي اين تغييـرات بـر اسـاس دادههـاي عـددي بـهدست آمده از دستگاه ديلاتومتري و با متغيرهاي دما، تغيير طـولنسبت به طول اوليه و زمان بهترين معادله انتخـاب و سـپس بـا دوبار مشتق گيـري از معادلـه بـه دسـت آمـده دماهـايAcc وAch مشخص شد . به طوري كـه مـشاهده شـد در دمـاي 1065 درجـهسـانتي گ راد تم امي كاربيـدها در آس تنيت ح ل شـده و ب ا ادام هگرمايش تا دماي 1183 درجه سانتي گراد آستنيت كاملاً همـوژنميشود.
شكل (4) تصاوير متالوگرافي كاربيدها، پس از عمليات حرارتـيدر دماهاي مختلف را نشان ميدهد. با توجـه بـه نـوع اچ اسـتفادهشــــده كاربيــدها به صورت نقاط سياه قابل شناســــايي هـستند.
با توجه به شـكل (3- الـف ) كـه در دمـاي آسـتنيته 1000 درجـهسانتيگراد مقداري از كاربيدها كاملاً در فاز آستنيت حـل نـشدهبودن د، ب ه خ وبي م شخص اس ت ك ه كاربي دهاي موج ود درريزساختار شكل (4- الف) شامل كاربيدهاي حل نشده و رسوبكرده مي باشـند . بـا افـزايش دمـــــاي آسـتنيته تـــا 1100 درجـهسانتيگراد در ريزساختار شكل (4- ب) هنوز رسوبات كاربيدي نـ اچيزي ديـ ده مـ يشـ ود. كابـ الرو9 و همكــارانش [6] ايـ ن رسوبگـذاري را در فولادهـاي زنـگنـزن مـارتنزيتي بـه سـبببرطرف نشدن شيبهاي غلظتي ناشي از حـل شـدن كاربيـدها درزمينه آستنيت ميدانند. چنانچـه در ريزسـاختار حاصـله از دمـايآســتنيته 1200 درجــه ســانتي گــراد در شــكل (4- ج) مــشاهده ميشود كه رسوبگذاري كاربيـدها در ريزسـاختار سـريع سـردشده به دليل همگن بودن آستنيت، متوقف شده است.
شروع دگرگوني مارتنزيت (Ms) بـراي دماهـاي آسـتنيته 1000، 1100 و 1200 درج ه س انتيگ راد ب ه ترتي ب 353، 295 و 335 درجه سانتي گراد ميباشد. با توجه به دماهايMs به دست آمـدهدر دما هـــاي آستنيته نامبرده به خوبي روشن است كه با همگنتر شدن فاز آستنيت دماهاي بحراني در حين سرمايش مداوم نـسبتبه دما ي آستنيته 1000 درجه سانتي گراد كاهش مي يابد. هيـسو10 و همكارانش [14] بيان كردند كه با افـزايش دمـاي آسـتنيته حـدحلاليت كربن و عناصر آلياژي ديگر در آستنيت افزايش يافتـه و سبب مي شود كه استحكام فاز آستنيت نسبت به اسـتحكام آن در دماهاي كمتر ، بيشتر شود و در نتيجه دماي Ms كـاهش مـييابـد .
علت كاهش اين دماي استحاله ، متصل شدن خوشههـاي جاهـايخالي به نابجاييها و در نتيجه به تأخير افتادن جوانه زني مارتنزيت

سال پنجم شماره دوم /

الف
(
º
C
1000

ب
(
º
C
1100

الف

(

º

C

1000

ب

(

º

C

1100

ºC 1200(ج
شكل (3): دماهاي بحراني به دست آمده از منحنيهاي ديلاتاسيون در حين گرمايش و سرمايش مداوم در دماهاي آستنيته، الف) 1000، ب) 1100 و ج) ºC1200.

گزارش شده است. با اين وجود با افزايش دماي آستنيته از 1100 به 1200 درجه سانتيگراد، دمايMs به ميـزان قابـل ملاحظـهاي افزايش مي يابد و نشان ميدهد كه در اين دماي آسـتنيته، همگـن

شكل (4): توزيع كاربيدها در فولاد زنگنزن در دماهاي آستنيته الف) 1000، ب) 1100 و ج) ºC1200 (محلول اچ ماراكامي).
AISI 420

شدن كليه عناصر آليـاژي در فـاز آسـتنيت نمـيتوانـد بـه خـوبيجوانهزني مارتنزيت را به دماهاي كمتر منتقل نمايد. بـا توجـه بـهفاكتورهاي م ؤثر بر دماهاي بحراني و مكانيزمهاي استحكام دهـيآستنيت در فولادها [15] و جدول (2) ميتـوان اذعـان كـرد كـهافــزايش دمــايMs از دمــاي آســتنيته 1100 بــه 1200 درجــه سانتيگراد به دليل رشد دانههاي آستنيتي بوده است. با توجـه بـهشكل (3- الف) در دماي 1000 درجه سانتي گراد هنـوز بـسيارياز كاربي دها در س اختار ح ل ن شدهان د ((Acc = 1065ºC و در نتيج ه كاربي دهاي موج ود در س اختار م انع از رش د دان هه اي

جدول (2): پارامترهاي اندازهگيري شده نمونههاي ديلاتومتري.
شماره دماي آستنيته (ºC) Ac1 (ºC) Ac3 (ºC) Acc (ºC) Ach (ºC) Ms
(ºC) اندازه دانه
(μm) سختي(Hv)
1 1000 817 910 _ _ 353 22 510
2 1100 817 910 1065 _ 295 61 565
3 1200 817 910 1065 1183 335 194 550

شكل (5): تغييرات اندازه دانه و دماي شروع مارتنزيت با دما.

آستنيت شده اند و اندازه دانـهμm 22 مـي باشـد . ولـي بـا افـزايشدماي گرمايش تا دماي 1100 و 1200 درجـه سـانتيگـراد ديـدهميشود كه دانههاي آستنيت از رشد بسيار بالايي برخوردار شـدهاس ت (ج دول 2). چنانچ ه دان ون11 [16 و 17] و فيمن دز12 [18] نشان دادند كـه ذرات كاربيـدي حـل نـشده در دماهـاي آسـتنيتهپ ايينت ر از رش د دان هه اي آس تنيت در ح ين گرم ايش م داوم جلوگيري ميكنند. در شكل (5) هم به خوبي ديده ميشـود كـهاز دمايAcc (1065 درجه سانتي گـراد) بـه بـالا انـدازه دانـههـايآستنيت از رشد بسيار بـالايي برخـوردار بـوده اسـت و در دمـاي1100 درج ه س انتيگ راد ع دد ان دازه دان ه و غلظ ت تركي بشيميايي ساختار در جهت پر اسـتحكامتـرين آسـتنيت در تعامـلبوده و در نتيجه كمترين دمـايMs در ايـن دمـا بـه دسـت آمـدهاست.
شكلهاي (6- الف، ب و ج) ريزسـاختارهاي فـولاد سـريع سـرد شده را نشان ميدهد. شكلگيري مارتنزيت لايهاي نمايان اسـت.
البته مقداري آستنيت باقيمانده در ريزساختار وجود دارد كـه بـاميكروس كوپ ن وري ب ه خ وبي امك ان آش كار ش دن را ن دارد.



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید