مق ايسه تأثير هواي اضافي و فعالساز بر عمق سختي در فرآيند كربندهي
DIN 18CrNi8 جامد فولاد

سيدارضا علمي حسيني1، حامد خسروي2 و احسان قادري2
مربي، گروه مهندسي مواد، دانشكده مهندسي شهيد نيكبخت، دانشگاه سيستان و بلوچستان
دانشجوي كارشناسي، گروه مهندسي مواد، دانشكده مهندسي شهيد نيكبخت، دانشگاه سيستان و بلوچستان
[email protected]

چكيده
فولاد مورد استفاده در اين تحقيق، فولاد DIN 18CrNi8 نام دارد كه عمليات كربوراسيون جامد بر روي آن صورت گرفت. پس از كربوراسيون و سپس كوئنچ، ساختار مارتنزيتي در سطح فولاد تشكيل شده كه باعث افزايش سختي سطح ميگردد. مغز فولاد بهدليل داشتن كربن كمتر داراي سختي كمتر و انعطافپذيري بيشتري نسبت بهسطح كربندهي شدهاست. بررسي عمق سختي يكي از پارامترهاي مهم در عمليات سخت كاري اين فولادهاست. در اين تحقيق نمونههاي فولادي در پودر گرافيت قرار گرفته و در مدت زمانهاي 3، 5، 8 و 12 ساعت در دماي 925 درجه سانتيگراد حرارت داده شده و سپس در روغن كوئنچ شدند. نحوه پر شدن محفظه كربوره بهصورتهاي محفظه كربوره داراي فاصله هوايي، محفظه بدون فاصله هوايي و محفظه داراي ماده فعالساز انجام گرفت. ماده فعالساز مورد استفاده در اين آزمايش كربنات سديم بود. جهت محاسبه عمق سختي در زمانهاي مختلف، آزمون ميكروسختي بر روي سطح مقطع نمونههاي كربندهي شده انجام شد. با ترسيم رابطه بين عمق سختي (ضخامت لايه كربوره) با زمان كربوراسيون، زمان لازم برا ي ايجاد عمق سختي مشخص در اين فولاد در حالتهاي مختلف پركردن محفظه بهدست آمد. با افزايش زمان كربوراسيون، عمق سختي در تمام حالات آزمايش افزايش مييابد. فقط در حالت محفظه با فاصله هوايي است كه تا يك زمان مشخص با افزايش زمان، عمق سختي افزايش يافته كه پس از گذشت مدت زمان بيشتر، پديده دكربوراسيون اتفاق افتاده كه باعث كاهش عمق سختي ميشود. همچنين مقايسه بين كامل پر نشدن محفظه كربوره و افزودن ماده انرژيزا بر روي عمق سختي فولادهاي كربندهي شده مورد بررسي قرار گرفت.

واژههاي كليدي:
فولاد DIN 18CrNi8، كربندهي جامد، سختيپذيري، ضخامت لايه كربوره، پروفيل سختي، ماده فعالساز، فاصله هوايي.

مقدمه
1-1- تكنولوژي فرآي ند كربوراسيون جامد امروزه استفاده از فولادهاي كمكربن در كشور جهت ساخت قطعاتي همچون چرخدندهها، ياتاقانها و … افزايش يافتهاست. از آنجا كه سطوح بيروني اين قطعات در تماس با قطعات ديگر قرار دارند، داشتن سختي و مقاومت سايشي در سطح يك نياز مبرم ميباشد. فرآيند كربوراسيون يكي از فرآيندهاي سختكار ي سطحي بر روي فولادهاي كم كربن بهشمار ميآيد كه بهروشهاي جامد، مايع و گازي قابل انجام است. براي انجام اين فرآيند، فولاد مورد نظر را در يك مخلوط كربنده و در

جدول (1): خواص مكانيكي فولاد مورد استفاده [1].
≤ 235 HB سختي
≥ 685 N/mm2 استحكام تسليم
1230-1470 N/mm2 استحكام كششي
≥ %30 كاهش سطح مقطع
≥ %7 افزايش طول
≥ 41 J انرژي ضربه

دماي بالا قرار ميدهند. با گذشت زمان كربن بهداخل سطح فولاد نفوذ كرده و محتواي كربن سطح فولاد افزايش مييابد. در ادامه، فولاد كربوراسيون شده را در يك محيط خنككننده كوئنچ كرده كه باعث افزايش سختي سطح فولاد ميشود [1 و 2]. فولادهاي مناسب براي كربندهي داراي تقريباً 2/0 درصد كربن هستند كه پس از كربندهي درصد كربن سطح تا حدود 8/0 تا 1 درصد افزايش مييابد، اما اغلب درصد كربن سطح تا 9/0 درصد نگاه داشته ميشود؛ زيرا مقدار كربن بالا باعث تشكيل آستنيت باقيمانده و نيز مارتنزيت ترد و شكننده ميشود. اغلب فولادهايي كه كربوره ميشوند فولادهاي آرام هستند كه با اضافه كردن آلومينيوم اكسيژنزدايي شدهاند كه ساختار ريزدانه خود را تا دماي حدود 1040 درجه سانتيگراد حفظ ميكنند. در مورد ساختارهاي درشت دانه معمولاً از كوئنچ دو مرحلهاي استفاده ميشود [3 و 4]. يكي از پركاربردترين فولادهاي كم كربن، فولاد DIN 18CrNi8 ميباشد كه برخي از ويژگيهاي اين فولاد در جدول (1) آورده شدهاست [4].
قبل از قرار دادن قطعات در مخلوط كربنده آنها را تميز كرده و در فواصلي در حدود 50 ميليمتر از يكديگر و 25 ميليمتر از ديواره در يك جعبه فولادي موسوم بهمحفظه كربوراسيون بستهبندي ميكنند. در صورتيكه محفظه كربوراسيون بهدفعات زياد استفاده نشود، ميتوان آن را از فولادهاي كمكربن انتخاب كرد، در غير اين صورت محفظههاي كربوراسيون از فولاد نسوز كه حاوي wt% Cr 25 و wt% Ni 20 است ساخته ميشوند.
پس از بستهبندي، درب محفظه كربوراسيون بهكمك مواد نسوز (نظير آزبست و يا خاك رس) كاملاً مسدود ميشود، بهنحوي كه هيچگونه تبادل هوا بين اتمسفر داخل محفظه و محيط اطراف انجام نگيرد. معمولاً سعي ميشود كه محفظههاي كربوراسيون استوانهاي ساخته شود. اين امر موجب ميشود كه خود بهخود فضاي بيشتري بين محفظهها در كوره وجود داشته باشد. بهعلاوه عمر محفظههاي استوانهاي بيشتر بوده و امكان تغيير شكل و يا ترك برداشتن آنها در اثر گرم و سرد شدنهاي متعدد كمتر ميباشد. كربوراسيون جامد در دمايي بين 815 تا 955 درجه سانتيگراد صورت ميگيرد. در سالهاي اخير حد فوقاني دماي كربوراسيون بالا رفته و تا حدود 1095 درجه سانتيگراد نيز افزايش يافتهاست. با اين حال بايد در نظر داشت كه نگهداري قطعات بهمدت طولاني در دماي بالا ميتواند باعث درشت شدن دانهها شود [4 و 5].
1-2- متالورژي فرآي ند كربوراسيون جامد محفظه كربوراسيون داراي مقداري هوا ميباشد. اكسيژن موجود در هواي محفظه در دماهاي بالا با كربن تركيب شده و دياكسيدكربن توليد ميكند (واكنش 1). 2CO توليدي با كربن واكنش داده و مونواكسيدكربن ايجاد ميكند (واكنش 2). به تدريج با گذشت زمان، مخلوط گازي از CO غني ميشود. در اين حالت در سطح فولاد واكنش 3 انجام شده و كربن اتمي در ساختار آستنيته فولاد نفوذ ميكند [6 و 7].
C O+ 2 ⇒CO 2 (1) CO 2 +C⇒2CO (2)
2CO⇒CO 2 +C atom (3)
دياكسيد كربن حاصل از واكنش 3 مجدداً با كربن ذغال تركيب شده و CO ايجاد ميشود. در نتيجه عمليات كربوراسيون ادامه مييابد.
امروزه در صنعت جهت افزايش عمق لايه كربوره از موادي تحت عنوان انرژيزا1 يا فعالكننده2 استفاده ميشود. در اين تحقيق از كربنات سديم بهعنوان ماده انرژيزا استفاده شد.
كربنات سديم با قرارگيري در دماي بالا تجزيه شده و توليد گاز
2CO ميكند (واكنش 4). با توليد اين گاز لحظه بهلحظه بر فشار

328422-2670063

شكل (1): رابطه نسبت تعادلي COCO با دما براي واكنش
2
.[4] 2CO ⇒ CO 2 + C atom

گاز 2CO موجود در محفظه افزوده ميشود. گاز 2CO موجود در محفظه در اثر انجام واكنش 2 با جذب كربن موجود در محفظه توليد گاز CO كرده كه اين گاز در سطح فولاد باعث كربنده ي ميشود.
(4) 2 + 2Na CO2 3 ⇒Na O COدر شكل (1) ميزان COCO

تعادلي در هر دما براي واكنش 3
2
نشان داده شدهاست [6 و 7].
بر اساس اين شكل در يك دماي ثابت هر چه ميزان COCO

از
2
ميزان تعادلي آن بيشتر باشد، واكنش 3 در جهت توليد كربن اتمي پيشرفت كرده و در نتيجه ميزان نفوذ كربن در سطح فولاد بيشتر ميشود. بر عكس هر چه ميزان COCO

كمتر از ميزان
2
تعادلي آن شود، واكنش 3 در جهت عكس پيشرفت ميكند.
يعني گاز 2CO با اتمهاي نفوذ كرده در سطح واكنش داده و توليد CO ميكند. در نتيجه از ميزان كربن موجود در سطح كاسته ميشود. بهاي ن پديده دكربوراسيون3 گفته ميشود.
هدف از انجام اين پروژه بررسي تأثير وجود فاصله هوايي در داخل محفظه و همچنين افزودن ماده انرژيزا بر روي سختيپذيري فولاد كم كربن است. تاكنون تأثيري از وجود هواي اضافي در محفظه كربوره بر سختيپذيري فولادهاي كم كربن ارائه نشدهاست. علاوه بر اين با وجود آنكه باور بر اين است كه استفاده از ماده انرژيزا باعث افزايش سختيپذيري ميشود، ولي تاكنون مقايسهاي بين تأثير ماده انرژيزا و وجود هواي اضافي بر سختيپذيري فولادهاي كم كربن گزارش نشدهاست [8 و 9].
با نفوذ كربن بهداخل فولاد، محتواي كربن سطح نسبت بهمغز بيشتر ميشود. بنابراين پس از عمليات كوئنچ سختي سطح نسبت بهمغز افزايش مييابد. ضخامت لايه كربوره بهفاصله بين سطح قطعه تا جايي از مغز كه سختي معادل HV 550 است گفته ميشود [10 و 11].

2- مواد و روش تحقيق
در اي ن تحقيق از فولاد كم كربن DIN 18CrNi8 استفاده شد كه تركيب شيميايي آن در جدول (2) آورده شدهاست. جهت سهولت در انجام آزمايشاتي همچون كربوراسيون و ميكروسختي، فولاد مورد نظر بهشكل نمونههاي مكعبي شكل در ابعاد cm 3 برش زده شد.
محفظه كربوراسيون بهصورت مكعبي با ابعاد cm 10 و با جوشكاري ورقهايي بهضخامت cm 5/0 از جنس فولاد كمكربن ساخته شد. جهت جلوگيري از نفوذ كربن بهداخل جداره محفظه در حين عمليات كربوراسيون، ابتدا محفظه را از پ ودر گرافيت پر كرده و آن را بدون حضور فولاد حرارت داده تا در حين كربوراسيون نمونهها، صرفاً عامل كربنده وارد نمونهها شود. كوره مورد استفاده در اين آزمايش يك كوره الكتريكي بوده كه برخي از مشخصات آن در جدول (3) آورده شدهاست. جهت كنترل دما از كنترولر مدل شينهو4 كه از ملحقات كوره است، استفاده شد.
در هر محفظه يك نمونه قرار گرفت. جهت بررس ي تأثير زمان بر سختيپذيري، عمليات كربوراسيون در مدت زمانهاي 3، 5، 8 و 12 ساعت در دماي 925 درجه سانتيگراد انجام گرفت. مدت زمان و نيز دما ي كربوراسيون بر روي كنترولر كوره قابل برنامهريز ي است. جهت اطمينان از صحت نتايج، هر آزمايش سه بار تكرار گرديد. سپس نمونهها از كوره خارج شده و در روغن با دما ي محيط (دماي 25 درجه سانتيگراد) كوئنچ شدند. جهت بررسي ضخامت لايه كربوره، نمونههاي كربوره شده از قسمت مياني برش خورده و با استفاده از سنبادههاي 800، 1000، 1500 و 2000 پوليش شدند. سپس آزمايش ميكروسختي از لبه كربوره شده بهسمت مغز نمونه بر حسب معيار ويكرز و بر اساس استانداردASTM E 384-99 انجام شد. دستگاه ميكروهاردنس مورد استفاده از نوع 401MVD-VD289 است كه در سال 2005 توسط شركت وينسون وولپرت5 آلمان ساخته شدهاست. جهت بررسيهاي ساختاري از محلول حكاك ي نايتال 2% استفاده شد.
در اي ن تحقيق آزمايش كربوراسيون بهسه حالت زير انجام شد:
الف) حالت اول: ابتدا در داخل محفظه بهارتفاع cm 4 پودر گرافيت ريخته شد، سپس نمونه فولادي را روي پودر گذاشته و مجدداً بر روي آن تا ارتفاع cm 4 پودر ريخته شد. درپوش محفظه با چسبي متشكل از خاك رس بهعلاوه آب بر روي محفظه محكم گرديد. بدينترتي ب يك فاصله هوايي در حدود cm 2 بين سطح بالايي مخلوط و درپوش ايجاد شد. اين نوع آزمايش در نمودارها با واژه “با فاصله هوايي6 ” نامگذاري شدهاست.
جدول (2): تركيب شيميايي فولاد مورد استفاده.
Fe V S P Al Mo Cu Cr Ni Mn Si C نام عنصر
باقيمانده 0/004 0/004 0/011 0/024 0/027 0/149 1/911 1/823 0/455 0/209 0/21 (wt%) مقدار

جدول (3): مشخصات كوره مورد استفاده در آزمايش.
300 × 450 × 300 ابعاد (cm)
9 kW توان
1200°C حداكثر دماي كاري
فولاد پوشش بيروني
آجر منيزيتي پوشش داخلي
حالت دوم: در اين حالت محفظه كاملاً از پودر گرافيت پر شدهاست و هيچگونه فاصله هوايي در محفظه وجود ندارد. اين نوع آزمايش در نمودارها با واژه “بدون فاصله هوايي7 ” نامگذار ي شدهاست.
حالت سوم: در اين حالت علاوه بر آنكه محفظه كاملاً از پودر گرافيت پر شده و هيچگونه فاصله هوايي در آن وجود ندارد، بهميزان wt% 5 كربنات سديم بهعنوان ماده انرژيزا نيز استفاده شدهاست. اين نوع آزمايش در نمودارها با واژه “بدون فاصله هوايي + حاوي فعالساز8 ” نامگذاري شدهاست.

نتايج و مباحث
ترسيم منحني سختي- فاصله در اشكال (2- الف) تا (2- ج) منحني سختي- فاصله در زمانهاي 3، 5، 8 و 12 ساعت در سه حالت با محفظه داراي فاصله هوايي، بدون فاصله هوايي و محفظه حاو ي انرژيزا رسم شدهاست. هر كدام از منحنيهاي رسم شده ميانگين سه بار تكرار آزمايش ميباشد. با توجه بهشكل (2) ملاحظه ميشود كه بيشترين شيب منحن ي سختي- فاصله در هر سه حالت آزمايش در نمونه 3 ساعت اتفاق افتاده كه با افزايش زمان كربوراسيون از ميزان شيب منحن ي سختي- فاصله كاسته شدهاست. در وا قع در زمانهاي بيشتر از 3 ساعت كربن بيشتري بهداخل فولاد نفوذ كرده و غلظت كربن در لايههاي زير سطح افزايش مييابد.

شكل (2): منحني سختي- فاصله در نمونههاي كربوره شده در مدت زمانهاي مختلف در محفظه، (الف) با فاصله هوايي،
(ب) بدون فاصله هوايي و (ج) حاوي انرژيزا.

بنابراين با افزايش زمان كربوراسيون از ميزان شيب منحني سختي- فاصله كاسته ميشود.
در شكل (2- الف) منحني سختي- فاصله در زمانهاي 8 و 12 ساعت بر خلاف اشكال (2- ب) و (2- ج) دچار تغيير شيب شدهاست. يعني در نمونه 8 ساعت تا فاصله mm 2/0 از سطح سختي بهجاي كاهش، افزايش داشتهاست. همچنين در نمونه 12 ساعت تا فاصله mm 4/0 از سطح، سختي روند افزايشي داشته است. علت تغيير شيب منحني سختي- فاصله در شكل (2- الف) و در زمانهاي 8 و 12 ساعت بهدليل پديده دكربوراسيون است. با گذشت زمانهاي زياد، اكسيژن بيشتر موجود در محفظه داراي فاصله هوايي توليد گاز 2CO بيشتري كرده و فشار گاز 2CO لحظهبهلحظه بيشتر ميشود، اما تمام گاز 2CO توليدي در واكنش 1 صرف توليد گاز CO در واكنش 2 نخواهد شد. بلكه فقط مقداري از آن كه در معرض كربن گداخته است توانايي توليد گاز CO را دارد. بنابراين نسبت فشار گاز 2CO به CO بيشتر از مقدار تعادلي آن شده و واكنش 3 بهسمت چپ پيشرفت ميكند. در اثر انجام اين واكنش كربن نفوذ كرده بهداخل فولاد، از سطح آن خارج شده و سختي بهسمت سطح روند كاهشي خواهد داشت.
در اشكال (3- الف) تا (3- د) مقايسه بهتري از منحني سختي- فاصله در نمونههاي كربوره شده در سه حالت ارائه شدهاست. با توجه بهشكل (3) ملاحظه ميشود كه اولاً در زمانهاي كم (مثلاً 3 و 5 ساعت) منحني سختي- فاصله در دو حالت محفظه بدون فاصله هوايي و محفظه حاوي فعالساز اختلاف چنداني نداشته، اما در زمانهاي بيشتر مشاهده ميشود كه منحني سختي- فاصله در حالت محفظه حاوي فعالساز بالاتر از حالت محفظه بدون فاصله هوايي بوده و باعث سختيپذيري بيشتري نيز شدهاست. علت اين افزايش سختيپذيري را ميتوان بهدليل حضور ماده انرژيزا دانست.
ثانياً در تمامي زمانهـا منحنـي سـختي- فاصـله حالـت محفظـه بـافاصله هوايي بالاتر از دو حالت ديگر قـرار دارد. علـت آن اسـتكه در حالت محفظه با فاصله هوايي اكسيژن بيـشتري در محفظـهوجود داشته كه ميتوانـد توليـد 2CO بيـشتري كنـد. در ادامـه بـا

شكل (3): منحني سختي- فاصله در سه حالت براي نمونه كربوره شده در مدت زمانهاي، (الف) 3 ساعت،
(ب) 5 ساعت، (ج) 8 ساعت و (د) 12 ساعت.
انجــام واكــنش 2 گــاز CO بيــشتري توليــد شــده و در نتيجــهكربوراسيون بيشتري انجام شده و غلظت كربن در فولاد افـزايشمييابد.
بررسي ساختار ميكروسكوپي ساختار ميكروسكوپي لايه كربوره موجود در لبه فولاد DIN 18CrNi8 و نيز مغز فولاد در شكل (4) ارائه شدهاست. بر اين اساس هر چه بهسمت مغز نمونه ميرويم از ميزان مارتنزيت كاسته شده و در نتيجه سختي كاهش مييابد. جهت بررسي علت تغيير شيب در حالت محفظه با فاصله هوايي در زمانهاي 8 و 12 ساعت، منطقه تشكيل دكربورگي در لبه فولاد در شكل (5) ارائه نشاندهنده منطقه دكربورگي است.
ارتباط ضخامت لايه كربوره با زمان كربوراسيون با توجه بهتعريـف ضـخامت لايـه كربـوره مـيتـوان مقـادير ايـنكميت را با كمك خطـوط افقـي مربـوط بـهسـختيHV 550 از روي منحني هاي شكل (2) بهدسـت آورد . ارتبـاط بـين ضـخامتلايه كربوره با زمان كربوراسيون در شكل (6) ترسيم شدهاست.
با توجه بهشكل (6) حداكثر ضخامت لايه كربوره ايجاد شـده دراين سه حالت، در حالت محفظه با فاصله هوايي و در مدت زمـان5 تا 6 سـاعت حاصـل شـدهاسـت . در ايـن مـدت زمـان حـداكثرضخامت لايه كربورهmm 82/0 خواهد بود . با توجه بهشكل (6) نتايج ذيل قابل ذكر است:

956310-2140487

ف
ال

ب

ف

ال

ب

شكل (4): (الف) ساختار مارتنزيتي در لبه و (ب) ساختار فريتي- پرليتي از مغز فولاد كربوره شده.
DIN 18CrNi8

393192-1595202

ف
ال
ب

ف

ال



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید