بررسی تاثیر عملیات زیر صفر عمیق بر سختی و رفتار تریبولوژیکی فولاد 3255/1
مرتضی صفري*1، علی شفیعی2 و کامران امینی3

چکیده
یکی از روشهاي بکار رفته براي کاهش و یا حذف آستنیت باقیمانده، استفاده از عملیات زیرصفر عمیق می باشد. فولاد ابزار تندبر گیگانت (3255/1) از جمله فولادهایی است که دماي پایان استحاله مارتنزیتی آن کمتر از صفر درجه سلسیوس است. بـاتوجه به کاربرد گسترده این فولاد، استفاده از عملیات زیر صفر عمیق جهت کاهش آستنیته باقیمانـده امـري ضـروري بـه نظـرمیرسد. در این پژوهش، تاثیر مدت زمان نگهداري 1، 24 و 48 ساعت در عملیات زیرصـفرC o196- بـر ساختارمیکروسـکوپی،مقدار سختی و مقاومت به سایش به وسیله آزمونهاي متالوگرافی با استفاده از میکروسـکوپ هـاي نـوري و الکترونـی(SEM)، سختی سنجی و آزمون سایش در این فولاد مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده حاکی از افزایش خواص مکـانیکی نظیـرسختی و مقاومت سایشی با افزایش زمان نگهداري در دمايC o196- می باشد. بدین ترتیب که این عملیات منجـر بـه افـزایشسختی و مقاومت سایشی به ترتیب در حد 3/6% و 75% براي زمان نگهداري 48 ساعت در دماي Co196- شده اسـت . افـزایشخواص مکانیکی نظیر سختی و مقاومت سایشی در عملیات زیرصفر عمیق در ارتباط با کاهش مقدار آستنیت باقیمانده، رسـوبکاربیدهاي بسیار ریز و افزایش در کسر حجمی این کاربیدهاست. بررسی سطوح و ذرات ناشی از سایش به وسیله میکروسـکوپالکترونی روبشی نشانگر آن است که مکانیزم غالب، سایش چسبان به همراه تر یبوشیمیایی می باشد. همچنـین ، در اثـر عملیـاتزیرصفرعمیق ذرات ناشی از سایش ترد تر و ریزتر می شوند.

واژههاي کلیدي: عملیات برودتی زیر صفر، فولاد تندبر، رفتار سایشی.

باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران.
دانشیار دانشگاه صنعتی اصفهان.
استادیاردانشکده مهندسی مکانیک، واحد تیران، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران.
*- نویسنده مسئول مقاله: [email protected]
پیشگفتار
در فولادها با افـزایش درصـد کـربن و عناصـر آلیـاژي،دماي شروع و پایان استحاله مـارتنزیتی کـاهش مـی یابـد .
حتی ممکن است در فولادهاي پرآلیاژ و با کربن بالا، دمايپایان استحاله مارتنزیتی به کمتر از صفر درجه سانتیگراد برسد. لذا، پس از کوئنچ تا دماي محیط در ساختار فـولاد،آستنیت باقی مانده وجود خواهد داشت. آستنیت باقی مانده فازي نرم است ک ه باعث کاهش سختی، مقاومت سایـشی وناپای داري ابع ادي م ی گ ردد. از س وي دیگ ر، آســتنیت باقیمانده به دلیل ناپایدار بودن در شرایط کـاري و اعمـالتنش ممکن است به مارتنزیت تبدیل شود. مارتنزیت تـازهتشکیل شده، تمپر نشده است و لذا، ترد و شـکننده اسـت.
جدول 1- ترکیب شیمیایی فولاد 3255/1 (برحسب درصد وزنی).
C Si Mn P S Cr Mo V W Co Fe
0/77 0/4 0/35 0/03 0/03 4/0 0/7 1/5 18 4/8 69/42

همچنین، استحاله یاد شده همـراه بـا حـدود 4% افـزایشحجم است . این افزایش حجم ناخواسته میتواند منجـر بـهاعوجاج و ناپایـداري ابعـادي شـود [1] . بنـابراین ، یکـی ازموضوعهاي مهم در عملیات حرارتی فولادهـا کـاهش و یـاحذف آستنیت باقیمانده است . در عملیات حرارتی متداولبا طراحی مناسب سیکل عملیات حرارتی بازگشت (تمپـر ) میتوان آستنیت باقیمانده را کاهش داد، اما به سبب نـرمشدن ساختار و رشد کاربیـدها، سـختی و اسـتحکام فـولادکاهش مییابد. بنابراین، اسـتفاده از عملیـات تمپـر جهـتکاهش آستنیت باقیمانده چندان مناسب نمیباشـد . یکـیاز روشه اي دیگ ر ب راي ک اهش و ی ا ح ذف آس تنیت باقیمانده استفاده از عملیات زیرصفر اسـت [2]. عملیـاتزیرصــفر در ســال هــاي اخیــر جــذابیت زیــادي را بــرايپژوهـشگران ایجـاد ک رده اسـت. عملی ات زیرصـفر باع ثافزایش در سختی و استحکام فولاد در مقایسه بـا عملیـاتحرارتی متداول میشـو د. بـیش تـرین افـزایش در خـواصزمانی رخ می دهد که عملیات زیـرصـفر بلافاصـله پـس ازک وئنچ و پ یش از تمپ ر انج ام ش ود. دو پدی ده اس تحاله آستنیت باقی مانده به مارتنزیت و رسوب کاربیدهاي بسیارریز، عوامل اصلی در افزایش خـواص در عملیـات زیرصـفرمی باشند[3].
فولاد 3255/1 (77Gigant)، فـولاد تنـدبر بـا کـاربردگسترده در ساخت انواع ابزارهایی مثـل تیغـههـاي بـرش،دریلها، برقوها و قلاویزها اسـت. بـا توجـه بـه حـساسیتکاربرد این فولاد، استفاده از عملیات زیرصـفر ضـروري بـهنظر میرسد، امـا در مـورد عملیـات زیرصـفر ایـن فـولاد، دادههاي مدون و قابل دسترس چندانی وجـود نـدارد. ایـنپ ژوهش ب ا ه دف بررس ی ت اثیر زم ان نگ ه داري ف ولاد 3255/1 در دماي زیرصفر عمیق یعنیC o196- به مـدتزمانهاي 1، 24 و 48 ساعت و مطالعه تاثیر ایـن عملیـاتبر سختی و رفتار سایشی آن، انجام گرفته است. همچنین، تاثیر عملیات زیرصـفر عمیـق بـر آسـتنیت بـاقی مانـده ومکانیزم سایش مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته اسـت. در این پژوهش تاثیرمحیط سـرد کـردن و نیـز پـارامتر مـدتزمان عملیات زیرصفر عمیق بر خواص مکانیکی این فـولادبا انجـام آزمـایشهـایی نظیـر سـختیسـنجی و سـایش وبررسی و مطالعه سـاختار و توزیـع کاربیـد و نیـز مکـانیزمسایش به وسیله میکر وسکوپ الکترونی روبـشی (SEM) و مشاهده فازها به وسیله پراش پرتـو ایکـس، مـورد بررسـیقرار گرفت.

روش پژوهش
فـــولاد مـــورد بررســـی در ایـــن مقالـــه 3255/1 (77Gigant)، یک فـولاد تنـدبر اسـت کـه در جـدول 1 ترکیب شیمیایی این فولاد ارایه شده است.
با توجه به حساسیت کاربرد این فولاد، کاربرد عملیـاتزیرصفر ضروري میباشـد . ابتـدا روي ایـن فـولاد عملیـاتحرارتی آستنیته، کـوئنچ انجـام گرفـت. بـراي انجـام ایـن عملیات، نمونهها با نرخ˚C/min 20 تا دماي˚C 850 گرم شده و بمنظور پیش گرم شدن به مدت زمان 40 دقیقـه دراین دما نگه داشته شدند. سپس بمنظور آستنیته کردن بـانرخ˚C/min 25 تا دماي˚C 1270 گرم شده و بـه مـدت20 دقیقه در این دما حرارت داده شد و پس از زمـان یـادشده نم ونهها در هوا خنک شـدند. سـپس یـک نمونـه بـهم دت زم ان 40 دقیق ه تح ت عملی ات تمپ ر در دم اي˚C540 قرار گرفت و سه نمونه دیگر بلافاصله در محفظـهنیتروژن مایع تـا دمـايCo196- سـرد شـدند و بـه مـدتزمانهاي 1، 24 و 48 ساعت تحت عملیات زیرصفر عمیققرار گرفتند . در نهایت، نمونههاي تحـت عملیـات برودتـیپس از گرم شدن تا دماي محیط، بـه مـدت 40 دقیقـه دردماي˚C 540 تمپر شدند. تمپر در کوره عملیات حرارتـیاز نــوع کــوره قابـ ل برنامــه ریــزيCarbolite مـ دل 1400RHF ساخت کشور انگلستان، انجام شـد. عملیـاتحرارتی نمونهها و علامت اختصاري آن عملیات در جـدول2 آورده ش ده اس ت. نمون ه ه ا پ س از عملی ات حرارت ی آستنیته و کوئنچ، براي از بین بردن اکـسیدهاي سـطحی ودق ت در محاس به س ختی ت ا س مباده 600 س مباده زده
جدول 2- عملیات حرارتی نمونه ها.
علامت اختصاري عملیات حرارتی شماره
نمونه
آستنیته، خنک شدن در
هوا، تمپر (AQT) پیش گرم در دماي ˚C850 به مدت 40 دقیقه، آستنیته در دماي ˚C1270بهمدت 20 دقیقه، خنک کردن در هوا، تمپر اولیه در دماي˚C540 به مدت 50دقیقه، تمپر ثانویه در دماي ˚C540 به مدت 40 دقیقه. 1
آستنیته، خنک شدن در هوا، زیر صفر عمیق 1 ساعت، تمپر
(AQDCT1) پیش گرم در دماي ˚C850 به مدت 40 دقیقه، آستنیته در دماي ˚C1270 به مدت 20 دقیقه، خنک شدن در هوا، سرد کردن تا دماي ˚C 196-، نگهداري دراین دما به مدت 1 ساعت، گرم کردن تا دماي محیط، تمپر در دماي˚C540 به مدت 50 دقیقه. 2
آستنیته، خنک شدن در هوا، زیر صفر عمیق 24 ساعت، تمپر
(AQDCT24) پیش گرم در دماي ˚C850 به مدت 40 دقیقه، آستنیته در دماي ˚C1270 به مدت 20 دقیقه، خنک شدن در هوا، سرد کردن تا دماي ˚C 196-، نگهداري دراین دما به مدت 24 ساعت، گرم کردن تا دماي محیط، تمپر در دماي˚C540 به مدت 50 دقیقه. 3
آستنیته، خنک شدن در هوا، زیر صفر عمیق 48 ساعت، تمپر
(AQDCT48) پیش گرم در دماي ˚C850 به مدت 40 دقیقه، آستنیته در دماي ˚C1270 به مدت 20 دقیقه، خنک شدن در هوا، سرد کردن تا دماي ˚C196-، نگهداري دراین دما به مدت 48 ساعت، گرم کردن تا دماي محیط، تمپر در دماي˚C540 به مدت 50 دقیقه. 4

شدند. پس از تمپر، بار دیگر نمونه ها جهت دسـت یـابی بـهسطحی صاف و صیقلی تا سمباده 1200 سمباده زده شدهو زبري سطح آنهـا بـهm 3/0 رسـانده شـده و سـپستحت آزمونهاي سـختی و سـایش قـرار گرفتنـد. سـختینمونــه هــا در دو مقیــاس راکــول ســی (HRC) و ویکــرز (30HV) و به ترتیـب بـر اسـاس اسـتانداردهايASTM
18E و 92ASTM E [5] و ب ا اس تفاده از دس تگاه DiaTester مدل RC-S2، ساخت شـرکت Wolpert آلمان اندازهگیـر ي شـد. بـراي انجـام متـالوگرافی بـر روينمونهها جهت مـشاهده سـاختار از محلـول اچ نایتـال 2% مطابق ترکیب زیر استفاده شد (1 تـا 5 میلـی لیتـر اسـیدنیتریک در 99 تا 95 میلی لیتر الکل).

آزمون سایش روي نمونهها به شکل دیسکهایی با قطرmm50 و با استفاده از دستگاه سایش و به روش گلولـه ازجــنس کاربیــد تنگــستن روي دیــسک، بــا دو نیــروي 130و150 نیــوتن و بــا ســرعتm/s15/0و بــر اســاس اسـتاندارد 99ASTM G [5] ، انجـام شـد. در مراحـلآزمایش، کاهش وزن نمونه به وسیله ترازوي دیجیتال و بـادقت ده هزارم گرم محاسبه شد. آزمون سایش در مـسافت1000 متر، در رطوبت هواي 5 30% و دماي 5°C 25 انجام شد . سپس نمودار کاهش وزن بـر حـسب مـسافت ونرخ سایش بر حسب مسافت رسم گردید. نـرخ سـایش بـااستفاده از فرمول زیر محاسبه شد.
Wr m/(l  F)106 (1)
در این فرمول
Wr: نرخ سایش بر حسب mm3/Nm m∆: کاهش وزن بر حسب میلی گرم ρ: چگالی فولاد بر حسب 3g/cm l: مسافت طی شده بر حسب متر F: نیروي اعماي بر حسب نیوتن و ضریب06ا براي تبـدیلواحد است.
جه ت تعی ین مک انیزم س ایش نمون ه ه اي س ایش و محصولات سـایش پـس از انجـام آزمـایش، بـا اسـتفاده ازمیکروس کوپ الکترون ی روب شی م دل 30Philips-XI بررسی گردیدند . همچنین، براي بررسی ساختار نمونهها ازمیکروسکوپ Olympus مدل3 PGM، استفاده شد.

نتایج و بحث
همانگونه که در شکل (1- الف) نشان داده شده اسـتساختار این فولاد در حالـت خـام شـامل پرلیـت و کاربیـداست. کاربیدها در حالت خام به صورت کاربیدهاي درشـتو با پراکنـدگی نایکنواخـت مـی باشـند . بـا انجـام عملیـاتحرارتی متداول کاربید ها ریز تر شده و پراکندگی بهتـري راپیدا میکنند (شکل1- ب ) تصاویر میکروسکپی تهیه شـدهاز نمونه هاي زیر صفر نشان می دهد هرچه زمـان مانـدگارينمونهها در دماي زیرصفر عمیق بـیشتـر گـردد کاربیـدهاریزتر و پراکندگی آنها یکنواختتر میگردد (شـکل 1 ج،د، ه) .
در عملیات زیـرصـفر عمیـق اگـر زمـان کـافی در ایـنشرایط موجود باشد نفوذ موضعی منجر به خوشهاي شـدنکربن و عناصـر آلیـاژي در نزدیکـی ایـن عیـوب شـبکه اي میشود. از سوي دیگر ، با کاهش دما، کربن فوق اشـباع درمارتنزی ت اف زایش م ییاب د و ل ذا، اعوج اج ش بکه اي و ناپایداري ترمودینامیکی در مارتنزیت افزایش مییابـد . هـردو عامل ذکرشده نیروي محرکهاي براي حرکـت اتـم هـايکربن و عناصر آلیاژي در پیرامـون ایـن عیـوب کریـستالیهستند [1و2و3] که منجر به تـشکیل هـستههـاي بـسیارریزي می شـو ند کـه در عملیـات تمپـر منجـر بـه رسـوبکاربیدهاي بسیار ریز حتی با سایز نانو میشود [ 2-3 و 6-
7 و10 ].
در جـ دول 3 و شـ کل 2 تغییـ رات سـ ختی (HRC و 30HV) براي زمانهاي گوناگون زیرصفر عمیق آورده شـده است. همان گونه که مشاهده میشـود ، سـختی بـا افـزایش زمان نگهداري در دماي زیرصـفر عمیـق افـزایش مـییابـد .
دلیل این مسئله در ارتباط با توزیع مناسب تر و همـوژن تـرکاربیدهاي ثانویه در نمونه هاي زیرصفر عمیق شـده اسـت.
به دلیل انقباض شدید شبکه در دماي زیر صـفر عمیـق و بـا زماندهی به نمونه زیر صفر شده جهت نفوذ اتم هاي کربن به نواحی مجاور، کاربیدهاي بسیار ریز اشاره شده در بخش هاي بالا، با نفوذ بسیار کمدامنه و در مدت زیاد ایجاد خواهند شد [1و8]. همچنین، مقدار افـزایش در سـختی بـا اسـتفاده از رابطه زیر براي نمونههایی که تحت عملیات زیـر صـفر قـرار گرفته اند محاسبه شد[6].

شکل 1- ساختار میکروسکوپی نمونه هاي تهیه شده با استفاده از میکروسکوپ نوري با بزرگنمایی 500 برابر
.AQDCT48(ه ،AQDCT24(د ،AQDCT1(ج ،AQT(الف)خام، ب

سختی میانگین (30HV) سختی میانگین (HRC) نمونه
770±20 63±2 AQT
770±12 63±1 AQDCT1
830±10 65±2 AQDCT24
900±15 67±1 AQDCT48
جدول3- سختی برحسب ویکرز و راکول سی براي نمونه هاي زیرصفر عمیق در زمان هاي گوناگون.
539496142244

الف ب
شکل 2- چگونگی تغییرات سختی بر حسب الف) راکول سی ب) ویکرز با زمان نگه داري در دماي oC 196-

1679448227332

100 * (سختی نمونه عملیات حرارتی متداول – سختی نمونه مورد نظر)
= درصد افزایش سختی
سختی نمونه عملیات حرارتی متداول
(2)
همان گونه که در شکل 3 مشاهده میشود بـا افـزایشزمان عملیات زیرصفر درصد افزایش سختی افـزایش پیـداکرده است. شکل 4 منحنی تغییرات کاهش وزن بر حـسب مسافت براي نیروي 130 نیوتون را نشان میدهد و شـکل 5 این تغییرات را براي نیروي150 نیوتون نشان میدهد. همان گونه که نمودارها نشان مـیدهنـد ، در نمونـههـایی کـه در عملیات زیرصفر عمیـق قـرار گرفتـه انـد ، بـه دلیـل حـذف آستنیت باقیمانده و رسوب کاربیدهاي بسیار ریز در مقایسه با نمونه عملیات حرارتی متداول، کاهش وزن کمتري دیـده می شود.

1423416-2162300

شکل 3- درصد افزایش سختی در زمان هاي گوناگون زیر صفر عمیق.

مسافت
)
m
(

کاهش

وزن

)
mg
(

مسافت

)



قیمت: تومان


پاسخ دهید