بررسي تاثير عمليات زير صفر عميق بر ريز ساختار و مقاومت سايش فولاد
كم آلياژ 100Cr6

حسين پايدار*1، كامران اميني2، امين اخباري زاده3 ،مهدي نجفيان4
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهر مجلسي، اصفهان، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد تيران، تيران، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شيراز، شيراز، ايران
مربي، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهر مجلسي، اصفهان، ايران
* hpaidar47@gmail.com
(تاريخ دريافت: 15/07/1391، تاريخ پذيرش: 23/01/1392)

چكيده
عمليات زيرصفر عميق به عنوان يك عمليات تكميلي كه بلافاصله بعد از كوئنچ و قبـل از تمپـر بـر روي قطعـات انجـام مـيپـذيرد وباعث بهبود سختي و مقاومت سايشي ميگردد، در سالهاي اخير مورد توجه محققين قرار گرفته است. در تحقيق حاضر نمونـه هـايياز جنس فولاد 100Cr6 در دو دماي 920 و 850 درجه سانتيگراد و زمانهاي 20 و 80 دقيقـه، آسـتنيته و سـپس نمونـههـا در روغـنكوئنچ گرديدند، سپس بعضي از نمونهها تحت عمليات زيرصفر عميق در 196- درجه سانتيگراد به مدت 24 سـاعت قـرار گرفتنـد.
با انجام آزمونهاي پراش پرتو ايكس، بررسي بوسيله ميكروسكوپ الكتروني روبشي و اندازه گيري سختي و مقاومت سايشـي، تـاثيرعمليات زيرصفر بر سختي، ساختار و مقاومت سايشي اين فولاد مشخص گرديد. نتايج نشان داد با انجام عمليـات زيرصـفر، سـختي ومقاومت سايشي بهدليل حذف آستنيت باقيمانده و رسوب كاربيدهاي ريز، بهبود مييابد. همچنين بالاترين سختي و مقاومت سايشـيمربوط به نمونههايي است كه در دماي 920 درجه سانتيگراد به مدت 20 دقيقه آستنيته شدهاند. مكانيزم سايش نمونـه هـا، خراشـان و
تريبو شيميايي است.

واژههاي كليدي:
فولاد 100Cr6، عمليات زيرصفر عميق، سايش، سختي

1- مقدمه
عمليات زير صفر عبارت است از سـرد كـردن قطعـه تـا دماهـايپايين به منظور تغيير فاز آستنيت به عنوان فاز نرم به مارتنزيـت بـهعنوان فاز سـخت كـه در فولادهـا بـه كـار گرفتـه مـيشـود . ايـنعمليات به عنوان يـك عمليـات دائمـي كـه كـل قطعـه را شـامل ميشود در پايان عمليات حرارتي مرسوم و پيش از تمپـر بـه كـار م يرود. عملي ات زيرص فر ب ه دو دس ته كل ي عملي ات حرارت ي
زيرصفر سطحي (SCT)1 و زيرصفر عميق (DCT)2 تقسيم بنـديميشود [1-3]. الف- زيرصفر سطحي: در اين عمليـات قطعـه تـا محدوده دمايي C° 50- تا 100- و به منظور كاهش و يـا حـذفآستنيت باقي مانده و با نرخ سرد كردن پايين سرد ميشود. هدف از انجام ايـن فرآينـد بهبـود سـختي سـطحي و پايـداري حرارتـي ميباشد.
ب- زيرصفر عميق: در اين عمليات قطعه با نرخ سرد كردن پايين براي جلـوگيري از تو ليـد تـركهـاي ريـز تـا دمـايC ° 125- و پ ايينت ر س رد م يش ود. در زيرص فر عمي ق دو عام ل ب ه ش كل همزمان بر روي مقاومت سايشي ماده تأثير ميگذارد.
توزيع بهتر كاربيدها.
از بين رفتن آستنيت باقي مانده [2, 4-8].
در عملي ات حرارت ي فولاده اي اب زار مش كل وج ود آس تنيت باقيمانده پس از عمليات حرارتي عليرغم پيشرفتهـاي زيـاد دراين نوع فولادها همچنان باقي مانده است. آستنيت فازي نرم و در دماي پـايين ناپايـدار اسـت و امكـان تبـديل آن بـه مارتنزيـت درش رايط خاص ي مانن د انج ام عملي ات مك انيكي ب ر روي قطع ه امكانپذير است. اين مارتنزيت تازه توليد شده بسيار ترد اسـت وبرعكس مارتنزيت باز پخت شـده در عمليـات حرارتـي فولادهـافازي پذيرفتـه شـده نمـي باشـد. از سـويي ايـن تغييـر فـاز باعـثافزايش حجمي برابر با 4% مـيشـود كـه باعـث اعوجـاجي نسـبتاًچش مگير در قطع ه م يش ود [1, 9]. ب ه هم ين دلي ل قب ل از ب هك ارگيري قطع ات بهت ر اس ت درص د آس تنيت ب اق يمان ده ب ه كمترين ميزان خود برسد. در عمليات زيرصـفر عميـق عـلاوه بـركاهش درصد آستنيت باقيمانده، درصد كاربيدهاي آليـاژي نيـزاف زايش م يياب د. عل ت اف زايش درص د كاربي دها در عملي ات زيرصفر به دليل افزايش درصد عيوب شبكه در حين سرد كـردنميباشد. با توجه به تفاوت ضريب انبساط حرارتي اجزاء مختلف در نمونه و توليد مارتنزيت در اثر سرد شدن، عيوب شبكهاي مثل نابجاييها توليد ميشوند كـه محـل بسـيار مناسـبي بـراي جـذب اتمهاي كربن و ساير عناصر آلياژي ميباشند. در اثر اين جذب و افزايش اشباع بودن مارتنزيت در اثر كاهش دما، محل هاي اشباع از عناصر آلياژي و كربن توليد ميشـوند كـه در تمپـر و يـا گـرمكردن ميتوانند به كاربيد تبـديل شـوند [1, 2, 4, 10-14]. يـكتنش داخلي بسيار شديد در داخل ماده بهدليل استحاله آستنيت به مارتنزيت و ضريب انقباض متفاوت آسـتنيت و مارتنزيـت توليـدميشود. بهدليل اين موضـوع تعـداد بسـيار زيـادي عيـوب شـامل نابجــ اييهــ ا و دو قلوهــ ا در داخــ ل مارتنزيــ ت و در مــ رز آستيت- مارتنزيت توليد ميشوند. در اثر كـاهش دمـا و انقبـاضشبكه مارتنزيتي، مارتنزيت به شكل كاملاً فوق اشباع از اتـم هـايكربن درمـي آيـد . در ايـن شـرايط يكـا ياختـه3 مـارتنزيتي دچـاراعوجاج شده و ساختار مارتنزيتي ناپايدارتر ميشود. در نتيجه اين پديده، اتمهاي كربن از ساختار مارتنزيت جدا شـده و بـه عيـوبكناري مهاجرت ميكنند. اين اتمها در عمليـات تمپـر بـه عنـوانمحلهاي جوانه زني كاربيد عمل كرده و در نهايت پـس از تمپـردرص د كاربي ده اي ايج اد ش ده در م اده را اف زايش م ي دهن د [3, 7, 9, 13, 15-20]. با افزايش زمان نگهـداري در دمـاي زيـرصفر، اتمهاي بيشتري مهاجرت ميكننـد و در نتيجـه كاربيـدهايتوليد شده نيز بزرگتر خواهند بود. بـه همـين دليـل داس4 نشـانداد كــه حــد بهينــهاي وجــود دارد كــه پــس از آن كاربيــدهايكنواختي خود را از دست ميدهند و كاربيدهاي ريز و پراكنـده جايگزين كاربيدهاي درشت و موضعي خواهنـد شـد [18 و 20].
تاكنون تحقيقات زيادي بر روي عمليات زيرصفر و مكانيزمهـايآن صورت نگرفته است.
به همين دليـل و بـه دليـل تـازگي ايـن نـوع از عمليـات حرارتـيتكميلي در صنايع و همچنين كاربردهاي صنعتي اين نوع عمليات حرارتي توجه به انجام تحقيقات متعدد در اين موضـوع ضـروريبه نظر ميرسد.
فولاد كم آلياژ AISI 52100)100Cr6) از دسته فـولاد هـاي كـمآلياژ ميباشد كه در ساخت ياطاقانهاي مورد استفاده در اجـزايمتحرك ماشينها كاربرد فراواني دارد. هدف از انجام اين تحقيق بررسي فاكتورهاي موثر بر عمليات حرارتي و عمليات زيـر صـفرعميق بر روي فولاد كم آلياژ AISI 52100) 100Cr6) ميباشـد . ب راي اي ن منظ ور دو دم اي آس تنيته متف اوت Co 920 و Co 850 انتخاب شده و نمونهها بـراي زمـانهـاي متفـاوت 20 و 80 دقيقـهآستنيته ميگردند. به منظور بررسي عمليات زيرصـفر عميـق ايـننمونههـا تـا دمـاي نيتـروژن مـايع خنـك شـده و تحـت عمليـاتزيرصفر عميق قرار ميگيرند. در نهايت اثر هر يك از عوامل بالا بر روي ريزسـاختار، سـختي و مقاومـت سايشـي نمونـههـا مـوردبررسي قرار خواهد گرفت.
مواد و روش تحقيق
2-1- نمونه سازي
در اين تحقيق يك ميله به قطـر 20 ميلـي متـر از فـولاد كـم آليـاژAISI 52100)100Cr6) با تركيب اشاره شـده در جـدول (1) بـهديسكهايي با ضخامت 5 ميليمتر برش زده شد.

مدت 1 ساعت در دماي C 210 تمپـر شـدند. عمليـات حرارتـي
نمونهها و علامـت اختصـاري آن عمليـات در جـدول (2) آورده
ب راي عملي ات حرارت ي، نمون هه ا ب ه م دت 20 و 80 دقيق ه در شده است.
جدول (2): عمليات حرارتي نمونهها
علامت اختصاري عمليات حرارتي شمارهنمونه
CHT920-20 آستنيته در دماي C °920 به مدت 20 دقيقه در كوره با اتمسفر گاز آرگون- كوئنچ روغن-تمپر
C °210 به مدت يك ساعت. 1
CHT920-80 آستنيته در دماي C °920 به مدت 80 دقيقه در كوره با اتمسفر گاز آرگون- كوئنچ روغن-تمپر
C °210 به مدت يك ساعت. 2
CHT850-20 آستنيته در دماي C °850 به مدت 20 دقيقه در كوره با اتمسفر گاز آرگون- كوئنچ روغن-تمپر
C °210 به مدت يك ساعت. 3
CHT850-80 آستنيته در دماي C °850 به مدت 80 دقيقه در كوره با اتمسفر گاز آرگون- كوئنچ روغن-تمپر
C °210 به مدت يك ساعت.
4
DCT920-20 آستنيته در دماي C °920 به مدت 20 دقيقه در كوره با اتمسفر گاز آرگون- كوئنچ روغن-.عمليات سردكاري در دماي C ° 185- به مدت 24 ساعت- تمپر C ° 210 به مدت يك ساعت. 5
DCT920-80 آستنيته در دماي C °920 به مدت 80 دقيقه در كوره با اتمسفر گاز آرگون- كوئنچ روغن-.عمليات سردكاري در دماي C ° 185- به مدت 24 ساعت- تمپر C ° 210 به مدت يك ساعت. 6
DCT850-20 آستنيته در دماي C °850 به مدت 20 دقيقه در كوره با اتمسفر گاز آرگون- كوئنچ روغن-.عمليات سردكاري در دماي C ° 185- به مدت 24 ساعت- تمپر C ° 210 به مدت يك ساعت. 7
DCT850-80 آستنيته در دماي C °850 به مدت 80 دقيقه در كوره با اتمسفر گاز آرگون- كوئنچ روغن-.عمليات سردكاري در دماي C ° 185- به مدت 24 ساعت- تمپر C ° 210 به مدت يك ساعت. 8

نمونهها پـس از عمليـات حرارتـي آسـتنيته و بـراي از بـين بـردنسمباده زده شدند. پس از تمپر، مجدداً نمونههـا بـراي يكنـواختياكسيدهاي سـطحي و دقـت در محاسـبه سـختي تـا سـمباده 600 سطح در آزمون سايش و حذف ناهمگونيهاي ايجاد شده بـراي
جدول(1):تركيب شيميايي فولاد كم آلياژ AISI 52100 (درصد وزني)
%C %Si %Mn %Cr %Mo
%1 0/2 0/45 1/4 0/1

دماي Co920 و Co850 آستنيته شـده و سـپس در محـيط روغـنكوئنچ شدند. به منظور بررسي تاثير عمليـات زيـر صـفر عميـق ازدمايC o 196- استفاده شد. در عمليات زير صفر عميق، نمونهها با نرخ سرد شدنC/h o 20-15 تا دماي Co 196- سرد شده و در اين محيط عمليات زيـر صـفر عميـق بـر روي آن انجـام شـد. بـهمنظور عمليات حرارتي زيـر صـفر عميـق نمونـههـا بـه مـدت 24 ساعت در اين دما نگهداري شده و سپس بـه آهسـتگي تـا دمـاياتاق گرم شدند. نمونهها پـس از گـرم شـدن تـا دمـاي محـيط بـه
o
آزمون كشش تا سمباده 1000، سايش داده شـده و سـپس تحـتآزمون قرار گرفتند.
2-2 بررسي ريز ساختار
براي تعيين فازها و درصد آنها از روش تفرق اشـعهX بـا تـابشCuKα استفاده شد. بدين منظور نمونهها در ابعـاد مناسـب تهيـه وبا استفاده از نرم افزار دستگاه XRD، فازهاي موجود با استفاده از عناصر اوليه تعيين شد. در مرحله بعد، با توجه بـه وجـود سـه فـازآستنيت باقي مانده، مارتنزيـت و كاربيـد كـرم و مشـخص بـودندرصد كاربيد كرم محاسبه شد.
متالوگرافي نمونهها با استفاده از روشهاي متداول سمباده زنـي وپ وليش ب ا امولس يون دس تگاه ح اوي آلومين اي µm 5/0 انج ام گرفت. براي اچ كردن نمونهها و مشاهده ذرات كاربيد از محلول 100 ميل يليت ر H2O، 10 گ رم 6K3Fe(CN) و 10 گ رم NaOH استفاده شد. براي مشاهده ذرات كاربيد پس از چندين بار پوليش و اچ، نمونـ ه بـ ه زيـ ر ميكروسـ كوپ نـ وري و ميكروسـ كوپ الكتروني روبشي (SEM) برده شد. درصد كاربيد كرم با اسـتفادهاز تصـــاوير حاصـــل از ميكروســـكوپ الكترونـــي روبشـــي وميكروسكوپ نوري پس از پوليش محاسبه شد. بدين شـكل كـهتصـاوير توسـط نـرم افـزار آنـاليز تصـاوير5.3 LEMEX مـوردبررسي قرار گرفته و درصد فاز كاربيد با كمك نرم افـزار تعيـينگرديد.

2-3 سختي و سايش
سختي نمونـه هـا بـا اسـتفاده از روش ويكـرز و مطـابق اسـتاندارد
ASTM E384 و ASTM E92 بــ ا اســ تفاده از دســ تگاه ميكرو سختي سنج ساخت شـركت كوپـا، بـا نيـرويgr 500 و بـازمان نگهداري 20 ثانيه انجام گرديد. اين كار پس از سمباده زني نمون هه ا بع د از عملي ات ك وئنچ و بع د از عملي ات تمپ ر، در نمونههاي سايش و در وسط نمونه به شكلي كه در آزمون سايش تداخلي ايجاد نشود، انجام گرديـد . هـم چنـين آزمـون سـايش بـااستفاده از دستگاه سايش و بـه روش پـين روي ديسـك، بـا پـينفولاد بلبرينگ و سختي HRC 64 و ديسك متحـرك در نيـروي
220 نيوتن و در سرعتهاي m/s05/0 ، 1/0 و 20/0 انجام شـد . در مراحل آزمايش، كاهش وزن نمونه توسط ترازوي ديجيتال و با دقت ده هزارم گـرم محاسـبه شـد. آزمـون سـايش در مسـافت1000 متر، در رطوبت هواي 5 ± 30% و دماي C° 5 ± 25 انجـامشد.
در آزمون سايش نمودار كاهش وزن بـر حسـب مسـافت و نـرخسايش بر حسب مسافت رسم شد. همچنين نرخ سايش با استفاده از رابطه (1) محاسبه گرديد:
Wr = Δm /(ρ× l × F ) × 10 3 (1)

در اين معادله Wr نرخ سايش بر حسـبm ،mm3/Nm ∆ كـاهشوزن بر حسب ميلـي گـرم،ρ چگـالي فـولاد بـر حسـب 3l gr/cm مسافت طي شده بر حسب متر، F نيـروي اعمـال شـده بـر حسـبنيوتن و ضريب03ا براي تبديل واحد است.

نتايج و بحث
3-1- بررسي ساختار
نتايج حاصل از تفرق پرتو X نشـان مـيدهـد در اثـر سـرد كـردننمونهها تا دماي نيتروژن مايع، آستنيت بـاقي مانـده كـاملا حـذفميگردد (شكل 1). در اثر سرد كردن نمونهها تـا دمـاي كمتـر ازدم اي پاي ان اس تحاله م ارتنزيتي (Mf)، آس تنيت ب اقيمان ده ب ه مارتنزيت تبديل ميشود. علاوه بر آستنيت و مارتنزيـت، نمـودار حاصل از XRD وجود درصد قابل توجهي از كاربيد كرم را نيز نشان ميدهد. آزمون XRD نشان ميدهـد كـه بـا افـزايش زمـانآستنيته كردن در دماي Co 920 از 20 دقيقه به 80 دقيقه، درصـدآستنيت باقيمانده در نمونههاي كوئنچ-تمپر شده افزايش يافته و از 5% در CHT20 به 8% در نمونه CHT80 افزايش مييابد. دليـلاين افزايش حل شدن كاربيدهاي اوليه در ساختار با افزايش زمان آستنيته و ايجاد محلول جامد كربن و آهن مـي باشـدكه منجـر بـهكـاهش دمـاي شـروع و پايـان ماتنزيـت ( Ms و Mf) مـي گـردد ( شكل 1).

در نمونههايي كه در دماي Co 850 به مدت 20 دقيقه نگهـداريشدهاند رفتار متفـاوت تـري مشـاهده گرديـد، در زمـان 80 دقيقـهساختار كاملا آستنيتي شده و در اثـر سـركردن مارتنزيـت توليـدميشود. در اين حالت ميزان آستنيت بـاقي مانـده كمتـر از دمـاي Co 920 بوده و به 7% كاهش مييابد. دليل اين كاهش در درصـدآستنيت باقيمانده، مقدار كمتر كربن حل شده در سـاختار اسـتكه باعث افزايش دماي شروع و پايان مارتنزيت ( Ms و Mf) و به تبع آن كاهش مقدار آستنيت باقيمانده ميگردد. وقتي نمونـه بـه مدت 20 دقيقه در دماي Co 850 آستنيته ميشود، ساختار فرصت كامل براي تبديل شدن به آستنيت را نمييابد. بـههمـين دليـل درساختار آن مقداري فريت يا پرليت نيز در كنار مارتنزيت مشاهده ميگردد كه باقي مانده ازقبل از عمليات حرارتي است.
1383793-3813995

شكل (1): نمودار تفرق اشعه XRD)X ) نمونه فولادي با و بدون عمليات زير صفر عميق: الف) آستنيته شده در دماي Co 920 و ب)آستنيته شده در دماي Co 850 .
در شكل (2) تـاثير عمليـات زيرصـفر عميـق بـر افـزايش درصـدكاربيدها نشان داده شـده اسـت. در دمـايC o 920 عمليـات زيـر صفر عميق باعث افزايش درصـد كاربيـدهـا و پراكنـدگي بسـياريكنواختتر آنها گرديد (شكل 2). در طول عمليات زيـر صـفريك تنش داخلي بسـيار شـديد در داخـل مـاده بـهدليـل اسـتحالهآس تنيت ب ه مارتنزي ت و ض ريب انقب اض متف اوت آس تنيت ومارتنزيت توليد ميشود. بهدليل اين موضوع، تعداد بسـيار زيـاديعيوب شامل نابجاييها و دوقلـويي هـا در داخـل مارتنزيـت و درمرز آستنيت- مارتنزيت توليـد مـيشـوند . در اثـر كـاهش دمـا وانقباض شبكه مارتنزيتي، مارتنزيت به شكل كاملاً فـوق اشـباع از اتمهاي كربن درمـي آيـد . در ايـن شـرايط يكـا ياختـه مـارتنزيتيدچار اعوجاج شده و سـاختار مـارتنزيتي ناپايـدارتر مـيشـود . در نتيجه اين پديده، اتمهاي كربن از ساختار مارتنزيت جـدا شـده وبه عيوب كناري مهاجرت ميكنند. اين اتمها در عمليات تمپر بـهعنوان محلهاي جوانه زني كاربيد عمل كرده و در نهايت پس از تمپر درصد كاربيدهاي ايجاد شده در مـاده را افـزايش مـيدهنـد [1, 2, 4, 6-8 , 13, 15, 20-23].

با افـزايش زمـان نگهـداري نمونـههـا در دمـايC o 920، درصـدكاربي ده ا ك اهش يافت ه و از مي زان همگ ن ب ودن آنه ا كاس ته مـي ش ود (ش كل 2 و جـدول 3). دلي ل اي ن كـاهش، ح ل ش دنكاربيدهاي اوليه در ساختار و ايجاد محلول جامـد كـربن و آهـنميباشد. در اثر اين انحلال، سختي پذيري ساختار بهدليل كاهش دماي شـروع و پايـان مارتنزيـت (Ms وMf ) بـه شـدت كـاهش مييابد. بـه دليـل كـاهش سـختي پـذيري فـولاد و درصـد بـالاترآستنيت باقي مانده در اين نمونهها، اعوجـاج كـمتـري در شـبكهتوليد ميشود و در نتيجه درصد كاربيد توليدي در حين عمليـاتزيرص فر عمي ق ك اهش م يياب د [1 و 4]. اي ن پدي ده و انح لال كاربيدهاي بيشـتر در زمـانهـاي طـولانيتـر نگهـداري در دمـايآستنيته باعث كاهش درصد كاربيـدهاي توليـدي در زمـان هـاي ط ولانيت ر نگه داري نمون ه در دم اي آس تنيته ك ردن م يش ود (شكل 2). در نمونههايي كه در دماي Co 850 آسـتنيته شـدهانـد،

1261111-3598192

شكل (2): تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از توزيع كاربيد كرم در نمونه فولادي آستنيته شده در دماي 920: الف) نمونه ، ب) نمونه ، پ) نمونه DCT80 و ت) نمونه DCT20،.
CHT20CHT80 oC
عملي ات زي ر ص فر عمي ق باع ث اف زايش درص د كاربي د ه ا و پراكندگي يكنواختتر آنها ميگردد. دليل اين پديده در حالت زير صفر عميق، مانند دماي Co920 ايجاد يك ساختار فوق اشباع در درون ماده است كه به پرش اتمهاي كربن كمك ميكنـد . بـاافزايش زمان آستنيته كردن، كاربيدهاي بيشـتري حـل شـده و درنتيجه درصد كلي كاربيدها كاهش يافته و از همگن بودن ساختار آنها كاسـته مـيشـود (شـكل 3). در زمـان هـاي كوتـاه آسـتنيتهكردن، با توجه به دماي كم آستنيته و زمـان كـم، امكـان همگـنسازي كامل در ساختار وجود نداشته و در نتيجه مقـداري فريـتدر ساختار نهايي باقي ميماند. اين فريـت در نمـودارهـايXRD مشخص شده است ( شكل 1). بـراي دقـت بيشـتر در تعيـين نـوعرسوبات از رسوب مشاهده شده در SEM با كمك EDX آنـاليزتركي ب ش يميايي ص ورت گرف ت و مش خص ش د ك ه رس وب حاصل كاربيد كرم مي باشد ( شكل 3 ث).

درصد كاربيد نمونه
6 CHT20
4 CHT80
21 DCT20
18 DCT80
2991613-13356

جدول (3): درصد كاربيد در نمونههاي آستنيته شده در دماي Co 920

3-2- بررسي سختي و رفتار سايشي
نتايج حاصل از آزمون سختي نشان ميدهـد كـه در اثـر عمليـاتزير صفر، سختي نمونههـا بـه ميـزان 5-7% بهبـود نشـان مـيدهـد ( شكل 4). در نمونههايي كه تحت عمليات زير صفر عميق قـرارگرفتهاند بهدليل حذف آستنيت باقيمانـده، افـزايش كاربيـدهـا وتوزيع يكنواختتر آنها، سختي و مقاومت سايشي در مقايسـه بـا نمونـ ههـ اي عمليـ ات حرارتـ ي مرسـ وم، افـ زايش مـ ي يابـ د
شكل (3): تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از توزيع كاربيد كرم در (شـكل هـاي 4 و 5). در نمونـهDCT920-80 مقاومـت سايشـي ونمونه فولادي آستنيته شده در دماي Co 850: الف) نمونه CHT80، ب) نمونه سختي بهدليل انحلال كاربيدهـا و كـاهش دمـاي شـروع اسـتحاله
CHT20، پ) نمونه DCT80 ، ت) نمونه DCT20، و ث) EDX رسوب. م ارتنزيتي در مقايس ه ب ا نمون ه DCT920-20 ك اهش م يياب د
(شكلهاي 4 و 5).

شكل (4): سختي نمونههاي فولادي.

1004385-2368323

250767440408

شكل (5): مقاومت سايشي نمونههاي فولادي در سرعتهاي مختلف سايش 05/0، 1/0 و 20/0 متر بر ثانيه و نيروي اعمالي 220نيوتن .

شكل (6): سطح سايش و آناليز تهيه شده از نمونه در نيروي 220 نيوتن و مسافت سايش 1000 متر
CHT850-20EDS

در نمونههايي كه در دماي Co 850 آستنيته شدهاند، رفتار سايشي متفاوت از نمونههايي است كه در دماي Co 920 آستنيته شدهاند.
در نمونههايي كه در دماي Co 850 و به مـدت 20 دقيقـه آسـتنيتهشدهاند، ساختار ناهمگن بوده و درصد كمي فريت نيز در ساختار مشاهده ميشود. بهدليل حضور يك فاز نرم در ساختار، مقاومـتسايشي به شكل محسوسي نسبت به ساير نمونهها كاهش مييابـد( شكل5). در زمانهاي طولانيتر آستنيته كردن، سختي افـزايشمييابد زيرا ساختار كاملا آستنيته شده و در ساختار نهـايي اثـرياز فريت مشاهده نمـي شـود . بـههمـين دليـل مقاومـت سايشـي دردماي آستنيته Co 850 در زمان نگهداري 80 دقيقه بالاتر از زمـاننگهداري 20 دقيقه در هر دو نمونه زير صفر عميق شـده و نشـدهميباشد. در مقايسه بين دماهاي مختلف، در زمـان نگهـداري 20 دقيقه، نمونه نگهداري شده در دماي Co 850 بهدليل حضـور فـازنرم فريت، مقاومت سايشي كمتر ميباشد و در زمان 80 دقيقه در دماي Co 920، كاربيـد بيشـتري در سـاختار حـل شـده و درصـدكاربيد نهـايي در سـاختار در ايـن نمونـه كمتـر از نمونـهC o 850 ميباشد. بههمين دليل مقاومت سايشي نمونـه هـايي كـه در دمـايCo 850 و زمان نگهـداري 80 دقيقـه آسـتنيته شـدهانـد، بـالاتر ازسختي نمونههايي اسـت كـه در دمـايC o 920 آسـتنيته شـدهانـد(شكل 5). شكل (5) نشان ميدهد كه با افزايش سـرعت سـايش،نرخ سايش افزايش مييابد. نـرخ سـايش در سـرعتهـاي بـالاتر بهدليل نيروي بيشـتر ايجـاد شـده بـين سـطوح سـايش و حـرارتتوليدي بيشتر در سـطوح تمـاس، افـزايش مـييابـد . بـراي تعيـينمكـ انيزم سـ ايش، سـ طح نمونـ ههـ ا پـ س از سـ ايش توسـ ط ميكروس كوپ الكترون ي روبش ي م ورد بررس ي ق رار گرف ت (شـكل 6). نت ايج نش ان مـي ده د ك ه مكـانيزم غال ب س ايش در نمونهها، سايش خراشان ميباشد. دليل اصلي بهبود كـاهش نـرخسايش در نمونههاي زير صفر شده، حـذف آسـتنيت بـاقيمانـده،افزايش درصد كاربيدهاي آليـاژي و توزيـع يكنواخـتتـر آن هـاميباشد. نتايج بررسيهاي EDS نشان داد كه در هر دو سطح پين و ديسك درصد بالايي از اكسيژن وجود دارد. اين درصد بـالا ازاكســيژن نشــان مــيدهــد كــه عــلاوه بــر مكــانيزم خراشــان، تريبوشيميايي كه عبارت اسـت از اكسـيد شـدن شـديد سـطح درحين سايش نيز اتفاق ميافتد.

4- نتيجه گيري
نشان داده شد كه عمليات زيـر صـفر باعـث حـذف آسـتنيتباقيمانده در نمونههاي فولادي ميگردد. همچنين درصد كاربيد كــرم در اثــر عمليــات زيــر صــفر افــزايش يافتــه و پراكنــدگي كاربيدهاي كرم يكنواختتر گرديد.
عملي ات زي ر ص فر باع ث بهب ود س ختي ب ه مي زان 5-7% در مقياس ويكرز گرديد. همچنـين مقاو مـت سايشـي در نمونـههـايزيرصفر شده به ميزان 45-70% افزايش يافت.
با افزايش زمان نگهداري نمونهها در دماي آستنيته و در دماي Co 920 ســـختي و درصـــد كاربيـــدهـــا كـــاهش مـــييابـــد.
همچنين مقاومت سايشي تضعيف شـده و كاربيـدهـا پراكنـدگيغيريكنواختتري از خود نشان مـي دهنـد . در اثـر افـزايش زمـاننگهداري نمونهها در دماي آستنيته Co 920، دانهها بزرگ شده و از اعوجاج شـبكه مارتنزيـت كاسـته مـيشـود . هـم چنـين درصـدآستنيت باقيمانده در نمونههايي كه به مدت 80 دقيقـه در دمـايCo 920 نگهداري شدهاند، بيشتر از نمونههايي است كه در همـاندما و براي مدت 20 دقيقه نگهداري شدهاند.
با تغيير زمان نگهداري نمونهها در دمـاي آسـتنيته و در دمـاي
Co 850 رفت ار متف اوتي مش اهده م يش ود. در زم انه اي ك م
(20 دقيقه) به دليل عدم همگن شدن ساختار بـ هدليـل دمـاي كـمآستنيته، مقداري فريت در ساختار مشاهده مـي شـود . ايـن فريـتباعث كاهش شديد سختي و مقاومت سايشي نمونه مـي شـود . در زمانهاي طولانيتر (80 دقيقه) ساختار همگن شده و فـاز فريـتاز بين ميرود. در نتيجه سختي افزايش يافتـه و مقاومـت سايشـيبهبود مييابد.
بهب ود رفت ار سايش ي و س ختي در زم ان كمت ر نگه داري در دم اي آس تنيته ب الا (Co 920) و در زم ان ط ولاني نگه داري در دماي آستنيته پايين (Co 850)، براي حالت زير صفر شده و نشده صادق است.
مكانيزم غالب سايش در نمونه سايش خراشـان مـيباشـد كـه بـ هدليـ ل دمـ اي بـ الاي موضـ عي در حــين سـ ايش، سـ ايش تريبوشيميايي نيز در سطوح مشاهده ميگردد.

تشكر و قدرداني از معاونت محترم پژوهش و فناوري دانشگاه آزاد اسلامي واحـدشهر مجلسي به جهت تأمين هزينههاي اين تحقيق در قالب طـر ح پژوهشي تقدير و تشكر ميگردد.

مراجع:
D. Collins, “Deep Cryogenic Treatment of Tool Steels: a Review”, Heat Treatment of Metals(UK), pp. 40-42, 1996.

F. J. Da Silva, S. D. Franco, Á. R. Machado, E. O. Ezugwu, A. M. Souza Jr, “Performance of Cryogenically Treated HSS tools”, Wear, Vol. 4, pp. 674-685, 2006.

D. Das, R. Sarkar, A. K. Dutta, K. K. Ray, “Influence of Sub-Zero Treatments on Fracture Toughness of AISI D2 Steel”, Materials Science and Engineering: A, pp. 589-603, 2010.

V. Bulancea, D. Condurache, D. A. Gheorghiu, “Frozen High Alloyed Steels”, Annals of the University of Craiova, Electrical Engineering Series, pp. 342-345, 2008.

F. Cajner, V. Leskovšek, D. Landek, H. Cajner, “Effect of Deep-Cryogenic Treatment on High Speed Steel Properties”, Materials and Manufacturing Processes, pp.
743-746, 2009.

D. Das, A. K. Dutta, K. K. Ray, “Influence of Varied Cryotreatment on the Wear Behavior of AISI D2 Steel”, Wear, pp. 297-309, 2009.

D. Das, A. K. Dutta, K. K. Ray, “Sub-Zero Treatments of AISI D2 Steel: Part I. Microstructure and Hardness”, Materials Science and Engineering: A, pp. 2182-2193, 2010.

D. Das, K. K. Ray, A. K. Dutta, “Influence of Temperature of Sub-Zero Treatments on the Wear Behaviour of Die Steel”, Wear, pp. 1361-1370, 2009.

A. Akhbarizadeh, A. Shafyei ,M. A. Golozar, “Effects of Cryogenic Treatment on Wear Behavior of D6 Tool Steel”, Materials & Design, pp. 3259-3264, 2009.

A. Akhbarizadeh, S. Javadpour, “Investigating the Effect of As-Quenched Vacancies in the Final Microstructure of 1.2080 Tool Steel During the Deep Cryogenic Heat Treatment”, Materials Letters, pp. 247-250, 2013.

A. Akhbarizadeh, S. Javadpour, K. Amini, “Investigating the Effect of Electric Current Flow on the Wear Behavior of 1.2080 Tool Steel During the Deep Cryogenic Heat Treatment”, Materials & Design, pp. 103-109, 2013.

K. Amini, A. Akhbarizadeh, S. Javadpour, “Investigating the Effect of the Quench Environment on the Final Microstructure and Wear Behavior of 1.2080 Tool Steel After Deep Cryogenic Heat Treatment”, Materials & Design, pp. 316-322, 2013.

R. F. Barron, “Cryogenic Treatment of Metals To Improve Wear Resistance”, Cryogenics, pp. 409-413, 1982.

L. X. Dong Yun, X|Ao Hongshen, “Deep Cryogenic Treatment of High-Speed Steel and its Mechanism”, HEAT TREATMENT OF METALS, pp. 55-59, 1983.

A. Bensely, A. Prabhakaran, D. Mohan Lal, G. Nagarajan, “Enhancing the Wear Resistance of Case Carburized Steel (En 353) by Cryogenic Treatment”, Cryogenics, pp. 747754, 2005.

A. Bensely, D. Senthilkumar, D. Mohan Lal, G. Nagarajan, A. Rajadurai, “Effect of Cryogenic Treatment on Tensile Behavior of Case Carburized Steel-815M17”, Materials Characterization, pp. 485-491, 2007.

W. D. Cao, X. P. Lu, A. F. Sprecher, H. Conrad, “Increased Hardenability of Steel by an External Electric Field”, Materials Letters, pp. 193-197, 1990.

D. Das, A. K. Dutta, K. K. Ray, “Optimization of the Duration of Cryogenic Processing to Maximize Wear Resistance of AISI D2 Steel”, Cryogenics, pp. 176-184, 2009.

D. Das, A. K. Dutta, K. K. Ray, “Sub-Zero Treatments of AISI D2 Steel: Part II. Wear Behavior”, Materials Science and Engineering: A, pp. 2194-2206, 2010.

D. Das, K. K. Ray, “Structure–Property Correlation of Sub-Zero Treated AISI D2 Steel”, Materials Science and Engineering: A, pp. 45-60, 2012.

A. Bensely, S. Venkatesh, D. Mohan Lal, G. Nagarajan, A. Rajadurai, K. Junik, “Effect of Cryogenic Treatment on Distribution of Residual Stress in Case Carburized En 353 steel”, Materials Science and Engineering: A, pp . 229235, 2008.

E. Darmiani, I. Danaee, M. A. Golozar, M. R.
Toroghinejad, “Corrosion Investigation of Al–SiC NanoComposite Fabricated by Accumulative Roll Bonding (ARB) Process”, Journal of Alloys and Compounds, pp.
31-39, 2013.

J. D. Darwin, D .Mohan Lal, G. Nagarajan, “Optimization of Cryogenic Treatment to Maximize the Wear Resistance of 18% Cr Martensitic Stainless Steel by Taguchi Method”, Journal of Materials Processing Technology, pp. 241-247, 2008.

6- پي نوشت
Shallow Cryogenic treatment
Deeo cryogenic treatment
Unit cell
Das



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید