بررسي استحاله هاي فازي در فولاد سرد كار2304/1 در حين
سرد كردن پيوسته
محمد رضا خانزاده قره شيران1* ، كامران اميني2
مربي، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهر مجلسي، باشگاه پژوهشگران جوان، اصفهان، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهر مجلسي، اصفهان، ايران
khanzade@gmail.com*
(تاريخ دريافت: 28/03/1390، تاريخ پذيرش:14/07/1390)

چكيده:
در تحقيق حاضر با استفاده از دستگاه ديلاتومتري، رفتار فولادسردكار 2304/1 در حين سرد كردن پيوسته مورد مطالعه قرار گرفت. عمليات حرارتي نمونه ها شامل آستنيته كردن تحت خلاء و به دنبال آن كوئنچ با سرعت هاي مختلف با استفاده از گاز نيتروژن بود. بررسي نمودارهاي ديلاتومتري منجر به رسم نمودار CCT (استحاله در سرد كردن پيوسته) فولاد گرديد. با توجه به نتايج به دست آمده بازه دمايي استحاله هاي فازي فريت- پرليت، بينيت و مارتنزيت به ترتيب ºC ، 360-468 º C ، 596-713 ºC 268-253 تعيين گرديد. همچنين استحاله فريت- پرليت در سرعتهاي سرد كردن بيشتر از 720 ثانيه، استحاله بينيت در سرعتهاي سرد كردن 720 تا 1200 ثانيه و استحاله مارتنزيت در سرعتهاي سرد كردن كمتر از 1200 ثانيه رخ مي دهد. هم چنين از آنجا كه دماي پايان استحاله مارتنزيتي در اين فولاد كمتر از صفر درجه سانتيگراد است، با طراحي سيكلهاي عمليات حرارتي زير صفر، دماي پايان استحاله مارتنزيتي در فولاد مذكور 87- درجه سانتيگراد مشخص گرديد.

واژه هاي كليدي:
فولاد 2304/1، ديلاتومتري، نمودارCCT ، استحاله فازي

1- مقدمه:
غلتكهاي كاري و پشتيبان نورد سرد عمدتا از نوع غلتكهاي فولادي فورج و سخت كاري شده هستند. براي حصول مقاومت سايشي بالا عمدتا اين غلتكها در سختي حدود HRC 68 كاربري دارند. براي آنكه اين غلتكها در مقابل خرد شدن مقاوم باشند بايستي ريز ساختار لايه سخت شده كه تحت تنش قرار مي گيرد، حداقل كار سختي را از خود نشان دهد . اين ريز ساختار بايد به اندازه كافي داكتيل باشد تا مقاومت زيادي در برابر ايجاد ترك داشته باشد. براي حصول چنين شرايطي از يك فولاد با تركيب %8/0كربن، همراه با مقاديري از عناصر كاربيد زا مانند كروم، موليبدن و گاهي اوقات همراه با نيكل استفاده مي شود[1]. نتايج نشان داده است كه تركيب شيميايي و عمليات حرارتي بر روي عمق ترك هايي كه بر اثر شوك حرارتي ايجاد مي شوند موثر است و فولاد هاي يوتكتوئيد حاوي %5 -3 كروم همراه با اندكي موليبدن مقاومت به شوك حرارتي به مراتب بالاتري نسبت به فولاد هاي %2-1 كروم از خود نشان مي دهند[2-5]. بنابراين عمليات حرارتي سختكاري اين غلطكها اهميت زيادي دارد. در فولادها با افزايش درصد كربن و عناصر آلياژي دماي شروع و پايان استحاله مارتنزيتي كاهش پيدا مي كند. به نحوي كه حتي ممكن است دماي پايان استحاله مارتنزيتي به كمتر از صفر درجه سانتيگراد كاهش پيدا كند. بنابراين پس از كوئنچ تا دماي محيط در ساختار فولاد، مقداري آستنيت باقيمانده وجود خواهد داشت. آستنيت باقيمانده باعث كاهش سختي و مقاومت سايشي مي شود. ازطرفي در شرايط كاري غلتك، احتمال تبديل آستنيت باقيمانده به مارتنزيت وجود دارد. مارتنزيت حاصله تمپر نشده بوده و لذا بسيار ترد بوده و مي تواند منجر به شكست غلطك شود. همچنين استحاله مذكور همراه با 4% افزايش حجم ناخواسته است كه منجر به ناپايداري ابعادي مي گردد[6 -7]. در صورت مشخص بودن مشخصه هاي استحاله مارتنزيت (دماي شروع و پايان استحاله) مي توان با طراحي سيكل عمليات حرارتي مناسب همراه با عمليات زيرصفر به منظور حذف يا كاهش آستنيت باقيمانده از مشكلات ذكر شده جلوگيري نمود. ديلاتومتري ابزاري قدرتمند جهت تعيين استحاله هاي فازي جامد- جامد مي باشد. با استفاده از آناليز اطلاعات منحني هاي ديلاتومتري، دياگرام هاي 1CHT و 2CCT تعيين مي گردد و امكان پيشگويي ريز ساختار را در سرعت هاي گرمايش و سرمايش مختلف مهيا مي كند[8]. دياگرام هاي CCT به صورت وسيعي در طراحي پارامتر هاي بهينه فرايند و به دست آوردن مستقيم ريز ساختار و خواص مكانيكي فولاد ها در حين پروسه هاي صنعتي كاربرد دارند. با توسعه تكنيك هاي شبيه سازي مي توان ارتباط بين ريز ساختار، خواص و پارامتر هاي فرايند را به وسيله نمودار هاي CCT پيشگويي كرد[9-10]. در تكنيك ديلاتومتري به دليل توانايي نشان دادن واقعي تغييرات ابعادي اتفاق افتاده در نمونه، بيشترين كاربرد صنعتي در جهت تعيين دماهاي استحاله هاي فازي در فولاد در دو حالت گرمايش (3Ac1, Ac) و سرمايش (3Ar1, Ar) وجود دارد. درتحقيق حاضر رفتار فولاد 2304/1كه در ساخت غلطكهاي نورد سرد كاربرد دارد در حين سرد كردن پيوسته مطالعه گرديد. نتايج بدست آمده منجر به رسم نمودار CCT اين فولاد گرديد. علاوه بر اين رفتار استحاله مارتنزيت در دماهاي زيرصفر ارزيابي گرديد.

2-روش تحقيق:
در جدول 1 تركيب شيميايي فولاد 2304/1، آورده شده است . نمونه هاي ديلاتومتري مطابق با استاندارد SEP 1681، به صورت استوانه هايي به قطر 4 ميلي متر و طول 10 ميلي متر تهيه شدند. در سيكل هايي كه نياز به سرعت سرد كردن بالا وجود داشت نمونه هاي ديلاتومتري به صورت تو خالي باضخامت پوسته 2/0 ميلي متر تهيه گرديدند. جهت انجام آزمونهاي هاي ديلاتومتري از دستگاه ديلاتومتر 805A/D كه در مجتمع فولاد آلياژي اصفهان موجود است، استفاده گرديد[11]. نمونه ها در خلا mbar4−10×5 تحت عمليات حرارتي قرار گرفتند. سيكل هاي عمليات حرارتي شامل عمليات آستنيته كردن در ºC 925 به مدت زمان 10 دقيقه و سپس سرمايش تا دماي محيط در مدت زمان هاي مختلف (سرعتهاي مختلف) است. در شكل1 شماتيك سيكل هاي حرارتي كه توسط ديلاتومتر بر روي نمونه ها انجام گرفته است آورده شده است. سرمايش نمونه ها تا دماي محيط به وسيله گاز نيتروژن و در سيكلهاي زيرصفر، سرد كردن توسط نيتروژن مايع انجام گرديد. براي اچ كردن نمونه ها از محلول نايتال %5 و براي بررسي ريز ساختار نمونه ها از ميكروسكوپ Olympus مدلPGM3 و ميكروسكوپ الكتروني روبشي مدل JEOL2010استفاده گرديد. ريز سختي سنجي توسط دستگاه KOOPA مدلMH1 و با نيروي 200 گرم صورت پذيرفت. براي رسم منحني جاميني نيز نمونه تحت اتمسفر گاز آرگون تا دماي ºC 925 به مدت20دقيقه حرارت داده شد و سپس در دستگاه جاميني قرار گرفت. سختي سنجي از نمونه جاميني نيز به وسيله سختي سنج ساخت كمپاني EMCO مدل 4U750 صورت پذيرفت

جدول (1): تركيب شيميايي فولاد 2304/1 مورد استفاده در تحقيق.
(درصدوزني)
%C %Si %Mn %Cr %Mo %Ni %S %P %Fe
0/79 0/85 0/25 3 0/5 0/19 0/009 0/005 باقيمانده

شكل (1): نمودار شماتيك سيكل هاي حرارتي كه توسط دستگاه ديلاتومتر به نمونه ها اعمال گرديده است.

نتايج و بحث:
در دستگاه ديلاتومتري تغييرات ابعادي(انبساط و انقباض) نمونـه ، در اثر گرم و سردكردن و استحاله هاي فازي كه همراه با انبسـاطو انقباض است، توسط يك پتانسيومتر بسيار حساس اندازه گيري و ثبت مي شود. با توجه به منحني هاي بدست آمده مي تـوان بـهپيش بيني استحاله هاي فازي به شرح ذيل پرداخت.
3-1- دگرگوني پرليتي و بينيتي:
در شكل2 نمونه اي از نمودار هاي ديلاتومتري آورده شده است.
مشاهده مي گردد بـا افـزايش دمـا از 25 درجـه سـانتيگراد طـولنمونه به دليل انبساط افزايش يافته تـا آنكـه در دمـاي 793 درجـهسانتيگراد بدليل تغيير فاز از ناحيه دو فـازي فريـت+ سـمانتيت بـهناحيه دو فازي فريت+ آستنيت كاهش طول نمونه رخ مـي نمايـد .
اين دما، دماي شروع استحاله آستنيتي (1Ac) مي باشـد . در ادامـهافزايش دمـا، كـاهش طـول نمونـه ادامـه دارد تـا آنكـه در دمـاي 9/ 841 درجه سانتيگراد تمام فريت تبديل به آستنيت مـي شـود.
اين دمـا، پايـان اسـتحاله آسـتنيتي (3Ac) مـي باشـد. از ايـن پـسمجددا با گرم كردن نمونه افزايش طول نمونه رخ مي نمايد. نمونه سپس در دماي 925 درجـه سـانتيگراد بـه مـدت زمـان 10 دقيقـهنگهداري مي شود كه در اين فاصله طول نمونه ثابت خواهد بود. در مرحله بعد نمونه با سرعت آهسته در مدت زمان1800 ثانيه تـادماي محيط سرد مي شـود . در حـين سـرد شـدن، كـاهش طـولنمونه رخ مي نمايد تا آنكه استحاله پرليتي با افزايش طـول نمونـهشروع مي شود. پايان افزايش طول نمونـه در حـين سـرد كـردن،دماي پايان استحاله پرليتي اسـت . بنـابراين دمـاي شـروع و پايـاناستحاله آستنيت به فريت- پرليت (3 Arو 1Ar ) به ترتيـب 705 و 641 درجه سانتيگراد مي باشد. از اين پس با كاهش دما تـا دمـايمحيط، كـاهش طـول نمونـه وجـود خواهـد داشـت. ريزسـاختارحاصل از عمليات حرارتي نمونه بالا كه مخلوطي از فريت پرليت است در شكل 3 آورده شده است. در شكل 4 نمونه اي ديگـر ازسيكلهاي ديلاتومتري آورده شده است در ايـن سـيكل نمونـه درمــدت زمــا ن 1500ثانيــه تــا دمــاي محــيط ســرد شــده اســت.
همانطوريكه از شكل مشخص است دماي شروع و پايان اسـتحالهآستنيت بـه فريـت- پرليـت (3 Arو 1Ar ) بـه ترتيـب 698 و 596 درجه سانتيگراد مي باشد. اما پس از اين نيز با كـاهش دمـا، تغييـردر شيب خـط تغييـرات طـول، ادامـه دارد كـه مربـوط بـه تبـديل آستنيت باقيمانده به بينيـت اسـت. بنـابراين دمـاي شـروع و پايـاناستحاله بينيت به ترتيب 429 و 360 درجه سانتيگراد است. از اين پس و با تبديل كامل آستنيت به پرليـت و بينيـت بـا كـاهش دمـا(سرد كردن نمونه)، كاهش طول نمونه رخ خواهد داد.

شكل(2): نمونه اي از نمودار هاي ديلاتومتري بدست آمده از فولاد 2304/1 كه بعد از آستنيته شدن در ºC 925به مدت 10دقيقه در مدت زمان 1800 ثانيه به دماي محيط رسيده است
.

شكل(3): ريز ساختار حاصله از نمونه اي كه عمليات حرارتي اشاره شده در شكل 3 بر روي آنها انجام گرفته است.

شكل(4): نمونه اي از نمودار هاي ديلاتومتري بدست آمده از فولاد 2304/1
كه بعد از آستنيته شدن در ºC 925به مدت 10دقيقه در مدت زمان 1500 ثانيه به دماي محيط رسيده است.

3-2- بررسي دگرگوني مارتنزيتي:
3-2-1- بررســي دگرگــوني مــارتنزيتي در ســرد كــردنمستقيم (سرد كردن از دماي آستنيته تا دمـاي 150- درجـهسانتيگراد)
همانطوريكه از شكل5 الف مشـخص اسـت، نمونـه ديلاتـومتريپس از آستنيته شدن در دماي 925 درجه سانتيگراد به مدت زمان 10 دقيقــه، در مــدت زمــان 300 ثانيــه تــا دمــاي 150- درجــه س انتيگراد س رد م ي ش ود. همانطوريك ه مش خص اس ت ب دليل سرعت سرد كردن بالا، استحاله پرليتي و بينيتـي در دمـاي بـالا ومياني در فولاد انجام نمي شود و لذا با كاهش دما، كـاهش طـولنمونــه وجــود خواهــد داشــت تــا آنكــه در دمــاي 254 درجــه سانتيگراد، دگرگـوني مـارتنزيتي بـا افـزايش طـول نمونـه شـروعخواهدشد اين افزايش طـول تـا دمـاي 87- درجـه سـانتيگراد درحين سرد كردن فولاد ادامـه دارد . بنـابراين دمـاي پايـان اسـتحالهمارتنزيتي (دماي پايـان افـزايش طـول در حـين سـرد كـردن) در فولاد مذكور 87- درجـه سـانتيگراد اسـت. از ايـن پـس بـا سـردكردن نمونه، طول آن كاهش خواهد يافت. در شـكل 5 ب ناحيـهاستحاله مارتنزيت در بزرگنمايي بالاتري نشـان داده شـده اسـت .
تشكيل مارتنزيت از آستنيت در ضمن كاهش دما به طور پيوسـتهانجام مي شـود و در ايـن فـولاد بـا سـرد كـردن فـولاد تـا دمـايزيرصفر تمام آستنيت به مارتنزيت تبديل مي شود [12-13].

شكل(5): نمونه اي از نمودارهاي ديلاتومتري بدست آمده جهت تعيين دماي شروع و پايان استحاله مارتنزيت( Msو (Mf : الف) نمونه در دماي ºC 925 به مدت 10 دقيقه آستنيته و بدنبال آن در مدت زمان 300 ثانيه تا دماي150–
درجه سانتيگراد سرد شده است و ب) ناحيه استحاله مارتنزيتي در شكل الف، كه در بزرگنمايي بالاتر نشان داده شده است.

3 -2 -2 – بررسي دگرگوني مارتنزيتي در سرد كردن منقطـع
(سرد كردن از دماي آستنيته تا دماي محـيط – نگهـداري دردماي محيط به مدت 1 دقيقه – سرد كـردن تـا دمـاي 150 – درجه سانتيگراد )
در شكل 6 الف نمونه اي از سيكلهاي ديلاتومتري بـراي بررسـيتاثير عمليات كـوئنچ منقطـع بـر دمـاي پايـان اسـتحاله مـارتنزيتي
آورده ش ده اس ت. همانطوريك ه از ش كل م ذكور مش اهده م ي گردد با افزايش دما طول نمونه به دليـل انبسـاط حجمـي افـزايشمي يابد تا آنكه در دماي 797 درجه سانتيگراد بدليل تغيير فـاز ازناحي ه دو ف ازي فري ت+ س مانتيت ب ه ناحي ه دو ف ازي فري ت+ آستنيت، طول نمونه كاهش مي يابد بنابراين دماي شروع استحاله آس تنيتي (1Ac) ، 797 درج ه س انتيگراد م ي باش د. در ادام ه ب ا افزايش دما باقيمانده فريت به آسـتنيت تبـديل مـي شـود بنـابرايندمــاي پايــان اســتحاله آســتنيتي (3Ac)، 851 درجــه ســانتيگرادمي باشد. پس از اين با افزايش دما، طول نمونه افـزايش مـي يابـد. در ادامه نمونه به مدت 10 دقيقه در دمـاي 925 درجـه سـانتيگراد نگهداري و سپس درمدت 3 دقيقه تا دماي محيط سرد مـي شـودكه در اين حين، طول نمونـه كـاهش خواهـد يافـت تـا آنكـه دردماي 254 درجه سانتيگراد (Ms) دگرگوني مارتنزيتي با افـزايشطول نمونه شروع خواهد شد و با رسـيدن دمـا بـه دمـاي محـيط، دگرگوني مارتنزيتي متوقـف مـي شـود(نمونـه كـوئنچ تـا دمـايمحيط). نمونه ديگر بعد از نگهداري در دماي محيط، در مدت 2 دقيقه تا دماي150- درجه سانتيگراد سرد مي گردد (نمونه كوئنچ تادماي 150- درجه سانتيگراد). بـا كـاهش دمـا از دمـاي محـيططول نمونه كاهش مي يابد تا آنكه با فراهم شدن نيـرو ي محركـهلازم، استحاله مارتنزيتي در5/5- درجه سانتيگراد با افزايش طـولنمونه شروع مي شـود و تـا 90- درجـه سـانتيگراد افـزايش طـولنمونه ادامه خواهد داشت. از اين پس با كـاهش دمـا طـول نمونـهكاهش خواهد يافت. بنابراين دماي پايان استحاله مارتنزيتي (Mf) اين فولاد كه پايان افزايش طول نمونه در حين سرد كردن اسـت ، 90- درج ه س انتيگراد تعي ين م ي شـود . در ش كل 6 ب ناحي ه استحاله مارتنزيتي در دماي زير صفر در بزرگنمـايي بـالاتر نشـانداده شده است. همچنين در حالـت سـرد كـردن منقطـع بـا سـردكردن فولاد از دماي محيط، استحاله مـارتنزيتي بلافاصـله شـروعنمــي شــود . تحــت ايــن شــرايط دمــايMs دوم (5/5- درجــه سانتيگراد) وجود دارد كه مربوط به شروع دوباره استحاله پس از توقف در دماي محيط و تامين نيروي محركـه لازم بـراي شـروعاستحاله مارتنزيتي است. وجود دماي Ms مرحله دوم در اسـتحالهمارتنزيتي در حين سرد كردن تا دماهاي زيرصفر، توسط محققين ديگر و در مورد فولاد D2 به اثبات رسيده است [14].

شكل(6): نمونه اي از نمودارهاي ديلاتومتري بدست آمده در سرد كردن منقطع: الف) نمونه در دماي ºC 925 به مدت 10 دقيقه آستنيته و بدنبال آن
در مدت زمان 180 ثانيه تا دماي محيط سرد شده و بعد از نگهداري در دماي محيط به مدت 1 دقيقه در مدت زمان 2دقيقه تا دماي 150- درجه سانتيگراد سرد شده است و ب) ناحيه استحاله مارتنزيتي در شكل الف، كه در بزرگنمايي بالاتر نشان داده شده است.

درشكل 7 ريز ساختار دو نمونه سرد شده تا دماي محـيط و سـردشده تا دماي º C150- نشان داده شده است. ريز سـاختار نمونـه كوئنچ شـده تـا دمـاي محـيط كـه در شـكل 7 الـف آورده شـدهاس ت، حض ور آس تنيت باقيمان ده را در كن ار مارتنزي ت نش ان مي دهد. اما در نمونه اي كه تا دماي 150- درجه سانتيگراد سـردش ده اس ت(ش كل7 ب) من اطق آس تنيت باقيمانـده در س اختارمشاهده نمي شود. همچنين سختي نمونـه كـوئنچ شـده تـا دمـاي150- درجه سانتيگراد (HV915) در مقايسه با نمونه كوئنچ شده تا دماي محيط(HV895) بدليل حذف آسـتن يت باقيمانـده ، بـالاتراست. افزايش در سختي، در اثر سرد كردن فولاد تا دمايي پـايينتر از دماي پايان اسـتحاله مارتنزيـت توسـط محققـين ديگـر هـماثبات شده است [15-16]. بررسي فازهاي موجود در نمونه ها بـااستفاده از پراش پرتو ايكس حضور فازهاي مارتنزيـت، آسـتنيتباقيمانده و كاربيدهاي آلياژي از نوع Si5C3،Cr3C را در نمونه ها تايي د م ي نماي د(ش كل 8). همچن ين همانطوريك ه از ش كل 9 مشخص است در اثـر سـرد كـردن فـولاد تـا دمـاي 150- درجـهسانتيگراد، آستنيت باقيمانده با توجه به كاهش در شدت پيكهاي (111) و (110) آستنيت، كاهش يافته است.

شكل(7): تصوير تهيه شده توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي از نمونه:
الف) كوئنچ تا دماي محيط و ب) كوئنچ تادماي 150- درجه سانتيگراد.

شكل
)
8
🙁

پرتو

پراش

الگوي
X

كوئنچ

نمونه

در

موجود

فازهاي

از
محيط

دماي

تا
.

شكل

)

8

🙁

پرتو

پراش

الگوي

X



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید