0
04136674922

عملیات حرارتی زیر صفر درجه سانتیگراد

نویسنده: خانم سیمین حاتمی – عصر مواد


 

در یک تعریف ساده هر گونه عملیاتی که در آن قطعات تا دماهایی پایین تر از دمای اتاق، سرد شوند را عملیات زیر صفر (Sub zero Treatment) می نامند. دلایل زیادی برای انجام این عملیات وجود دارد، ولی دلیل اصلی، حذف آستنیت باقیمانده از قطعات و ابزارهایی است که قبلا کوئنچ شده اند، تا مقاومت به سایش ابزار و یا پایداری ابعادی قطعات افزایش یابد.

 

 

آستنیت، فاز نرمی است که در فولاد که در دماهای بالا پایدار است. طی سرمایش سریع یا کوئنچ کردن، این فاز به فاز سخت مارتنزیت تبدیل می شود. با افزایش درصد کربن و عناصر آلیاژی، دمای تشکیل و پایان استحاله مارتنزیتی کاهش یافته و در فولادهای پرکربن غالباً دمای پایان استحاله به زیر صفر درجه می رسد. لذا مقداری آستنیت باقیمانده در ساختار باقی می ماند. در بسیاری از فولادهای ابزار، دمایی که در آن ساختار، کاملاً مارتنزیتی شود، در بازه ۷۰- تا ۱۲۰- درجه سانتیگراد است. امکان تبدیل آستنیت باقیمانده به مارتنزیت، با تمپرهای چندگانه وجود دارد ولی به دلایلی مانند نرم شدن ساختار و رشد کاربیدها روش مناسبی نیست و انجام عملیات زیر صفر با نیتروژن مایع تا ۱۲۰- درجه سانتیگراد و سپس انجام یک تمپر ساده، بسیار اثربخش تر است.

 

شکل زیر یک نمونه از کارایی این مورد را در فولاد ابزار D2 نشان می دهد.

 

اجزای ساخته شده از فولاد کربوره نیز اگر بیشتر از حد بهینه کربن دهی شده باشند، مشکل آستنیت باقیمانده را خواهند داشت. انجام عملیات زیر صفر در این دسته از فولادها، سختی سطحی را افزایش داده و از ترک خوردگی حین پولیش کاری جلوگیری می کند. اگر درصد کربن خیلی بالا رفته باشد، دماهای پایین تری مورد نیاز است تا استحاله تکمیل شود. شکل زیر یک نمونه از ریزساختار سطح فولاد ۲۱NiCrMo2 را بعد از انجام عملیات زیر صفر در دماهای مختلف، نشان می دهد. نواحی سفید رنگ بین لایه های مارتنزیتی، آستنیت باقیمانده هستند.

 

 

مکانیزم بهبود مقاومت سایشی با عملیات زیر صفر

 

هنگامی که فاز مارتنزیت برای مدت مشخصی در معرض سرمایش شدید با نیتروژن مایع (۱۹۶- درجه سانتیگراد)، قرار می گیرد، نابجایی ها روی محل های جوانه زنی تجمع می کنند. طی تمپر بعدی، ذرات ریز کاربید اتا، در این محل ها رسوب می کنند. این گونه فهمیده شده است که بهبود مقاومت سایشی ابزار، نتیجه تشکیل تعداد زیادی از رسوبات کوهرنت نانومتری از کاربید اتا (ɳ-carbides) است. اگر عملیات بهدرستی انجام شود، بهبودهای چشمگیری در خواص قطعات مشاهده می شود. مثلاً افزایش عمر تا ۱۰ برابر، برای قالب های فورج از جنس فولاد D2 دیده شده است.

 

پایداری ابعادی با عملیات زیر صفر:

 

برخی اجزای فولادی که دقت ابعادی بالایی دارند، مانند: یاتاقان ها، لوله تفنگ، غلطک های نورد و … قبل از اینکه تحت سرویس کاری قرار بگیرند، سخت کاری می شوند. از آن جایی که این اجزا تحت تنش ها و دماهای بالا کار می کنند، تحت این شرایط امکان استحاله فازهای شبه پایداری که طی پروسه سخت کاری تشکیل شده اند، وجود دارد. این امر سبب اعوجاع و تغییرشکل اجزا می شود. این اعوجاج ها معمولاً خیلی کم هستند ولی می توانند، تاثیرات مهمی روی عملکرد این دسته قطعات داشته باشند.

یک راه برای حفظ پایداری ابعادی این قطعات استفاده از عملیات سرد عمیق (deep cold treatment)، قبل از قرار دادن آن ها در سرویس کاری، است. این عملیات در بازه دمایی ۷۰- تا ۱۵۰- درجه سانتیگراد انجام می شود و تمام آستنیت باقیمانده در ساختار، به مارتنزیت تبدیل می شود. عملیات تمپر بعدی در یک درجه حرارت مناسب، نیز، سبب تشکیل یک ساختار کاملاً پایدار می شود. این اجزا ممکن است، تحت ماشینکاری بعدی هم قرار بگیرند و هیچ گونه اعوجاج و دفرمگی مشاهده نخواهد شد.

 

تجهیزات عملیات برودتی:

 

از نیتروژن مایع برای برودت عمیق و حصول نرخ های سرمایش سریع استفاده می شود. یکی از متداول ترین تجهیزات، سیستم اسپری با نازل های افشانه ای اتمیزه است که نیتروژن مایع را به گازی بسیار سرد تبدیل می کند. همزمان با تبدیل شدن نیتروژن مایع به بخار و گرم شدن آن، تنها گاز سرد و نه قطرات ریز مایع، باید به سطح قطعه برخورد کند تا از تشکیل مارتنزیت نقطه ای جلوگیری شود. کنترل درجه حرارت با کنترل جریان نیتروژن مایع امکان پذیر است. سرمایش مستقیم، موثرترین راه برای رسیدن به دماهای برودتی پایین است تا فرایند تحت کنترل باشد.

محفظه های برودتی در اشکال و سایزهای مختلفی ساخته می شوند. یک نمونه از آن با نام تجاری CRYOFLEXTM-CBF در شکل زیر مشاهده می شود. بارگذاری در محفظه، از سمت بالا انجام می شود که می تواند دستی یا با جرثقیل سقفی باشد. جداره های داخل محفظه و تمام لوله ها و اجزایی که در تماس با نیتروژن مایع یا گاز سرد نیتروژن هستند، از فولاد زنگ نزن ساخته شده اند.

 

 

 

ارسال دیدگاه