بخشی از مقاله
*** تعدادی از تصاویر و نمودار ها در فایل موجود نیستند . قبل از خرید به این موضوع دقت کنید ***
عمليات حرارتي
مطالعات و بررسيهايي كه توسط يك شركت بزرگ توليد كننده فولادهاي ابزار، در رابطه با علل شكست و خرابيهاي زودرس ابزارها و قالبها انجام شده، نشان مي دهد كه در %70 موارد، انجام عمليات حرارتي نادرست باعث ايجاد عيوب بوده است. بنابراين مي توان ادعا كرد كه عمليات حرارتي ، مهم ترين مرحله در ساخت ابزارها و قالبهاي با كيفيت مي باشد.
هر چند كه امروزه توصيه مي شود كه از تجهيزات مدرن عمليات حراردتي، نظير كوره هاي خلاء براي ساخت قالبها و ابزارها استفاده شود، ولي هنوز هم بسياري از استادكاران عمليات حرارتي مي توانند با تجهيزاتي شبيه به آهنگريهاي قديمي، قالبها و ابزارهاي با كيفيت بسازند. از طرف ديگر نيز ممكن است يك اپراتور عمليات حرارتي با به كارگيري تجهيزات مدرن و پيشرفته نتواند يك قط
عه را بخوبي عمليات حرارتي كرده و قطعه قالب به سرعت ترك برداشته و خراب شود.
در اين فصل خلاصه اي از روشهاي درست عمليات حرارتي قالبها وابزارها ارائه مي شود.همچنين با استفاده از تصويرهاي مختلف، مشكلات و عيوب رايج در عمليات حرارتي، به همراه روشهاي پيش گيري از آنها نيز مطرح مي شود.
عمليات حرارتي فقط سخت كردن نيست
عمليات حرارتي نقطه كانوني عمليات ساخت يك قالب يا ابزار به شمار مي رود. البته هنوز هم در اغلب كارخانجات، بيشترين تأكيد در عمليات حرارتي را بر ايجاد سختي مورد نظر در فولاد مي كنند. ولي در واقع، سختكاري بايد يك سطح سختي مطلوب را به همراه خواص فيزيكي ومهندسي فراوان ديگر در قطعه كار ايجاد كند، تا آن قطعه بتواند بهترين كارآيي را از خود بروز دهد. براي انجام چنين كاري بايد كليه پرسنلي كه به نحوي با ساخت ابزارها و قالبها مرتبط هستند، يك اطلاعات پايه راجع به اصول، متالوژي، مشكلات رايج و تكنيكهاي ساختكاري فولادها داشته باشند. اين افراد بايد سيكلهاي حرارتي(Thermal Cycles) را در عمليات حرارتي بفهمند.
سختكاري دقيق قطعات باعث ايجاد يك ساختار پايدار، يكنواخت وريز دانه مي شود كه سختي در همه قسمتهاي آن يكسان است و ميزان تنش در آن كم مي باشد.
• مشخصات سختي مورد نياز براي هر ابزار يا قالب را بررسي كنيد،
• در عمليات حرارتي قطعات سنگين با سطح مقطع زياد و فرمهاي پيچيده، دقت بيشتري به عمل آوريد،
• انجام سيكلهاي تنش زدايي را قبل از ماشينكاري نهايي و قبل از سختكاري، فراموش نكنيد،
• زمان سيكلهاي حرارتي را كوتاه نكنيد، زمان كافي را براي عمليات مختلف نظير تنش زدايي، پيش گرم، سختكاري، كوئنچ و تمپرينگ مصرف كنيد،
• سختي قطعه كار را پس از كوئنچ اندازه گرفته و ثبت كنيد تا از صحت عمليات سختكاري اطمينان يابيد،
• قطعه كار را بيش از حد سخت نكنيد، سختي ابزار بايد تا اندازه اي باشد كه نيازهاي پيش بيني شده از نظر مقاومت سايشي و چقرمگي را تأمين نمايد و
• طراح سيكل عمليات حرارتي، بايد اپراتور عمليات حرارتي را بشناسد و با روشهاي سختكاري او، قابليتها و محدوديتهاي تجهيزات او آشنا شود.
هيچ كاري را به شانس واگذار نكنيد.
هر ساله، ابزارها و قالبهاي بسياري به ارزش صدها هزار دلار، به دقت طراحي و ماشينكاري مي شوند و سپس به بخش عمليات حرارتي ارسال مي گردند، در حاليكه اطلاعات اندكي درباره نحوه عمليات حرارتي آنها از طرف واحد طراحي به اپراتورهاي عملياتي حرارتي ارائه مي شود. بدين ترتيب تعداد زيادي ابزار به علت انجام نادرست عمليات حرارتي معيوب شده و نمي توانند كاراي
ي خوبي در توليد داشته باشند.هميشه به ياد داشته باشيد كه فقط چند ساعت عمليات حرارتي نامناسب مي تواند صدها ساعت كار انجام شده در مراحل طراحي و ساخت را به هدر دهد.
در شكل 8-2 يك ماتريس ساخته شده از فولاد A2 نشانداده شده است. اين ماتريس پس از جازدن پرسي تكه هايي در شيارهاي جانبي آن شكسته است.تردي خيلي زياد اين قطعه كه در
اثر تمپرينگ ناكافي آن ايجاد شده، باعث شكستن آن شده است، در حالي كه سختي 62-64 HRC خيلي زياد بوده و براي چنين ابزاري اصلاً مناسب نبوده است.
هيچ وقت عمليات حرارتي را به شانس واگذار نكنيد. هميشه براي اين كار يك برنامه تهيه كنيد. يك فولاد مناسب براي ابزار يا قالب انتخاب كنيد، برنامه عمليات حرارتي را با همه جزئيات شامل دستورالعمل سختكاري و تمپرينگ آماده نماييد. خيلي مهم است كه جزئيات اين برنامه و تجهيزاتي كه براي اجراي آن لازم است، براي اپراتور عمليات حرارتي توضيح داده شود. به عبارت ديگر بايد در مورد نكات زير سخت گيرانه عمل كرد:
• انتخاب دماهاي مناسب و زمانهاي كافي در سختكاري( آستنيته كردن) و تمپرينگ،
• اندازه گيري و ثبت سختي ابزار پس از كوئنچ،
• انجام عمليات تمپرينگ دو مرحله اي و گاهي سه مرحله اي براي فولادهاي سخت شونده در هوا،
• تعيين حداقل دما و زمان در عمليات تمپرينگ و
• نظارت و كنترل بر سيكلهاي حرارتي واطمينان از انطباق كليه مراحل و نتايج حاصله با مشخصات مورد انتظار.
بدانيد كه يك عمليات حرارتي خوب، زمان كافي و طولاني طلب مي كند. هيچ وقت نبايد به اپراتور عمليات حرارتي فشار آورده تا كارها را زودتر انجام دهد و او ناچار سيكلهاي حرارتي را كوتاه كند.
ارتباط قسمتها با هم بايد قوي باشد
وجود ارتباط بين قسمتهاي مختلف، يكي از كليدهاي موفقيت در ساخت و به كارگيري ابزارها و قالبها است. همه قسمتهايي كه در طراحي، ساخت، عمليات حرارتي، توليد و تعميرات مشغول به كار هستند بايد با هم مثل يك تيم كار كنند و بتوانند الزامات و نكات مهم را با هم تبادل نمايند تا ساخت وبه كارگيري ابزار بهينه گردد.
در شكل 8-3 مثالي از يك برگه اطلاعاتي كه بايد براي عمليات حرارتي يك ابزار تهيه و كامل گردد،
نشانداده شده است. سه بند اول اين برگه بايد توسط بخش فرستنده( طراحي يا برنامه ريزي ساخت) و بندهاي بعدي توسط واحد عمليات حرارتي تكميل شوند.
مقايسه دماهاي مختلف و رنگهاي حاصل از حرارت
در جدول 8-1 دماهاي مختلف حاصل از پديده هاي گوناگون وفيزيكي و صنعتي، براي مقايسه ليست شده است.
در عمليات حرارتي، سختكاري شعله اي (Flame Hardening) و جوشكاري مي توان از رنگ فولا
د كه در اثر حرارت در آن به وجود مي آيد، براي تشخيص و كنترل دماي آن استفاده نمود. در جدول 8-2 رنگ فولاد در حرارتهاي رايج براي سختكاري آن ارائه شده است. رنگ فولاد در دماهاي پايين تر كه در تمپرينگ و تنش زدايي به وجود مي آيد نيز در جدول 8-3 ثبت شده است. البته تشخيص اين رنگها بستگي به تعبير و مشاهد چشمي اشخاص دارد و ممكن است قضاوت افراد مختلف با هم متفاوت باشد.
جدول
بارگذاري قطعات در كوره
در كليه سيكلهاي حرارتي، نحوه چيدن وبار گذاري قطعات در كوره و تكيه گاه ها وظرفهايي كه براي اين كار استفاده مي شود، اهميت بسياري دارد. پر كردن كوره و چيدمان نامناسب قطعات در آن سبب مي شود كه حرارت منقله به قطعات يكسان نباشد و پيش بيني درستي در مورد زمان نگهداري قطعات در حرارت مورد نظير نيز نتوان كرد. زمان نگهداري (Soaking time) عبارت است از مدت زمان كه قطعه كار در يك محدوده دمايي خاص( براي هم دما شدن) نگهداشته مي شود.
زمان نگهداري بايد به اندازه كافي طولاني باشد تا آستنيته شدن فولاد كامل شود و عمليات تمپرينگ نيز بر روي فولاد مؤثر باشد. قطعاتي كه تيكه گاه مناسبي در عمليات حرارتي نداشته باشند، حتي در اثر وزنشان هم ممكن است خم شوند و تاب بردارند. اين موضوع مخصوصاً در مورد قطعات با شكل پيچيده مهم است و معمولاً وقتي تعداد زيادي قطعه در كوره حرارت داده مي شوند، اتفاق مي افتد. تصاوير ارائه شده در شكل 8-4 و نكات زير مي توانند در بهينه سازي عمليات حرارتي مؤثر باشند:
• هيچ وقت فضاي كوره را از قطعات انباشته نكنيد. در يك كوره بار زياد، قطعات به خوبي در جريان گردش هواي داغ داخل كوره قرار نمي گيرند و به طور يكنواخت گرم نمي شوند. وقتي يك اختلاف زماني بين حرارت واقعي كوره ورسيدن دماي قطعات به اين حرارت وجود داشته باشد، احتمال ايجاد عيوب ناشي از عمليات حرارتي در قطعات افزايش مي يابد،
جدول
• سعي كنيد قطعات از هم فاصله كافي داشته باشند تا بتوانند ه طور يكنواخت گرم و سرد شوند.بهتر است در نقاط مختلف فضاي كوره، ترموكوپل نصب شود تا دماي كوره در نقاط مختلف مورد كنترل قرار گيرد و بتوان دماي قطعات در نقاط مختلف كوره را نيز برآورده نمود. همه قطعات را بر روي تيكه گاه هاي مناسب داخل كوره بچينيد( شكل 8-4).
با استفاده از تكيه گاه مناسب مي توان اطمينان داشت دماي هر قطعه يكنواخت است. تكيه گاه بايد از مواد مقاوم در برابر حرارت يا نسوز (Heat-Resisting) نظير فولادهاي زنگ نزن سري 3
00 ساخته شوند. نوع آلياژ مورد استفاده در ساخت اين تكيه گاه ها بستگي به شرايط، دما وزمان حرارت دهي داخل كوره دارد. معمولاً از ميلگردهايي با قطر ((12.7-19.1 mm 1/2- 3/4 in به عنوان تكيه گاه در كوره هاي اتاقي استفاده مي شود تا سطح تماس قطعات با تكيه گاه ها نيز به حداقل برسدو
• سعي كنيد كوره را با قطعاتي كه ابعاد، فرم و جرم مشابه دارند، بارگيري نماييد.
سختكاري و تنشهاي مربوط به آن
داشتن اطلاعاتي درباره تنشهاي ايجاد شده در ابزارها در عمليات حرارتي آنها، مي تواند مفيد باشد. در شكل 8-5 سيكلهاي عمليات حرارتي يك فولاد D2 سخت شونده در هوا نشانداده شده است. براي شروع سختكاري، ابتدا بايد فولاد دردماي(C ْ 649) F ْ 1200 پيش گرم شده و سپس تا دماي (C ْ1010) F ْ 1850 گرم شود تا آستينته گردد. سختكاري اين فولاد در هوا انجام مي شود تا به دماي (C ْ66) F ْ 150 برسد. پس از سختكاري لازم است چند بار تمپرينگ وعمليات برودتي زير صفر برروي فولاد انجام شود.
به هنگام گرم كردن در عمليات پيش گرم و آستنيته كردن، فولاد منبسط مي شود و تنشهاي حرارتي در آن به وجود مي آيد. وقتي قطعه كار در كوره حرارت داده مي شود، سطح آن زودتر از داخل آن انبساط مي يابد و اين وضعيت آنقدر ادامه مي يابد تا همه نقاط قطعه، هم دما گردد. اين انبساط اختلافي باعث ايجاد تنشهاي ديگري نيز در قطعه كار خواهند شد.
تنشهاي انتقالي (Transformation Strsses) هنگامي به وجود مي آيند كه فولاد به دماي برسد. در اين دما ريز ساختار فولاد منقض شده و به آستنيت تبديل مي شود و اين انقباض پيش رونده آنقدر ادامه مي يابد تا همه ساختار تبديل به آستنيت تبديل مي شود و اين انقباض پيش رونده آنقدر ادامه مي يابد تا همه ساختار تبديل به آستنيت گردد( يعني هنگامي كه همه نقاط قطعه كار به دماي برسند.) چون حجم واحد جرم آستنيت كوچكتر از ساختار آنيل شده مي باشد، اين انقباض اتفاق مي افتد.
اين انقباض در تركيب با اختلاف دمايي سطح و درون قطعه، تنشهاي اضافي در قطعه كار به وجود مي آورد. پس از رسيدن دماي قطعه به قطعه كار شروع به انبساط مي كند، زيرا افزايش حرارت آن تا رسيدن به دماي سختكاري ادامه خواهد يافت.
هر چه سرعت گرم كردن بالاتر باشد، ميزان تنشها درقطعه كار بيشتر خواهد بود. با توجه به
وجود اين اختلافات دمايي، تنشهاي ايجاد شده در قطعات پيچيده تر، كه در آنها ديواره هاي نازك در مجاورت ديواره هاي ضخيم قرار دارند، بيشتر خواهد بود.وقتي همه نقاط قطعه كار به دماي آستنيته رسيده و هم دما گرديدند، تنشهاي داخل قطعه به صفر مي رسد.
وقتي قطعه كار از دماي آستنيته، كوئنچ مي شود نيز خنك شدن درون قطعه كار به سطح آن با تأخير انجام مي شود و مجدداً در آن تنش به وجود مي آيد. هر چه سرعت سرد شدن قطعه كار در عمليات كوئنچ بيشتر باشد، اين اختلاف دمايي بين داخل و سطح نيز بيشتر مي شود. در نت
يجه درجه انقباض درون و سطح كار بيشتر و ميزان تنش ايجاد شده شديدتر خواهد بود.
به هنگام كوئنچ، در دماي خاص، مارتنزيت شروع به تشكيل شدن مي كند و در اين دما، انقباض قطعه كار متوقف مي شود و فولاد در پايين تر از اين دما شروع به انبساط مي كند. در اثر اين انبساط تنشهاي انتقالي در قطعه كار به وجود مي آيد و اين تنشها تا وقتي كل ساختار تبديل به مارتنزيت شود، ادامه مي يابد با كاهش بيشتر دماي قطعه كار، مجدداً انقباض در قطعه كار به وجود مي آيد.
در پايان عمليات كوئنچ، حجم كلي قطعه كار نسبت به حجم آن در حالت آنيل شده بزرگتر مي باشد. دليل اين پديده اين است كه در يك جرم مساوي، حجم مارتنزيت بزرگتر از ساختار آنيل شده فولاد و همچنين بزرگتر از ساختار آستنيت است. با توجه به اينكه اين انبساط حجمي ممكن است در فواصل زماني متفاوتي در فولاد اتفاق آغاز شود، تنشهاي اختلافي در قطعه كار به وجود خواهد آمد و ميزان اين تنش به يكنواختي عمليات كوئنچ، ضخامت قطعه كار طرح آن و عوامل ديگر بستگي دارد.
در عمليات سختكاري فولادهاي ابزار، چند مرحله تمپرينگ و عمليات برودتي زير صفر از اهميت خاصي برخوردار است. اين عمليات مي توانند فولاد را پس از كوئنچ، تنش زدايي كرده و باعث شوند كه تبديل آستنيت به مارتنزيت كامل گردد. يك ابزار فولادي كه در عمليات حرارتي خود چنين مراحلي را بگذارند، در عمليات تكميلي نظير سنگ زني نهايي، ماشينكاري EDM، جوشكاري و در عمليات توليدي كمتر دچار تغيير ابعادي و ترك خواهد شد.
پيچيدن قطعه كار در لفافهاي فولادي زنگ نزن
در كارخانجاتي كه كوره هاي خلاء و كوره هاي با اتمسفر كنترل شده (Atmosphere Controlled) وجود ندارد براي حفاظت از سطح قطعه فولادي در عمليات سختكاري، معمولاً از لفافهاي فولادي زنگ نزن (Stainlrss Foil) استفاده مي گردد. با پيچيدن قطعه كار در اين لفافها از كربن زدايي سطح فولاد در دماهاي بالا جلوگيري خواهد شد.
لفافهاي فولادي زنگ نزن براي آستينيته كردن فولادهاي سخت شونده در هوا در دماي حداكثر (C ْ 1093)F ْ 2000 و مدت زمان حداكثر 6 ساعت مناسب است. براي حفاظت از سطح قطعات فولادي سخت شونده در هوا كه دماي آستنيته كردن آنها حداكثر(Cْ 1227)F ْ 2240 است، توصيه مي شود از لفافهاي فولادي زنگ نسوز استفاده گردد. توجه داشته باشيد كه از لفافهاي فولادي فقط در سختكاري فولادهاي سخت شونده در هوا مي توان استفاده نمود و بايد قطعه كار را قبل از شروع عمليات در اين لفاف پيچيد. فولادهاي ابزار سخت شونده در روغن را معمولاً در لفافهاي حفاظ فولادي نمي پيچيند، زيرا اين لفاف را به هنگام كوئنچ بايد از دور قطعه كار باز نمود. تا سرد شدن آن با سرعت مطلوب انجام شود.
در استفاده از لفافهاي فولادي محافظ، بايد نكات زير را درنظر داشت:
• قطعه كار بايد با دقت در لفاف پيچيده شده و آب بندي گردد،
• لفاف محافظ نبايد حين عمليات حرارتي سوراخ يا پاره شود،
• به هنگام پيچيدن لفاف به دور قطعه كار، در گوشه هاي تيز تكه هايي اضافي از لفاف قرار دهيد تا قطعه كار، لفاف را سوراخ نكند،
• لفاف را به صورت سه لايه به دور قطعه كار بپيچيد تا يك بسته بندي كامل كه هوا به آن نفوذ نكند، به وجود آيد،
• قطعه كار لفاف پيچ شده را به صورت عادي حرارت داده و در هوا كوئنچ كنيد. با توجه به اينكه وجود اين لفاف به هر حال مانعي در انتقال حرارت ايجاد مي كند، زمان نگهداري در حرارت سختكاري بايد كمي طولاني تر از زمان عادي در نظر گرفته شود تا قطعه كار به خوبي گرم گرددو
• لازم نيست لفاف را قبل از كوئنچ باز نمود، زيرا پوشش فولادي به هنگام كوئنچ كردن در هوا مي تواند انتقال حرارت كافي از قطعه كار به محيط را به وجود آورد. قطعه كار لفاف پيچ شده پس از سختكاري، داراي سطحي عاري از اكسيد و پوسته خواهد بود كه كربن زدايي هم نشده است.
گاهي اوقات در عمليات كوئنچ ابزارهاي بزرگ، بهتر است ابتدا قطعه كار لفاف پيچ شده تا دماي (C ْ 1227) F ْ2000 به كار برد و
• عمليات حرارتي فولادهاي تندبر كه دماي آستنيته كردن آنها بالا است، توصيه مي شود از لفافهاي نسوز از جنس فولاد 309 با ضخامت (0.05mm)0.002 in استفاده شود. اين لفافها را مي توان تا دماي حداكثر (C ْ1227) F ْ 2240 بكار برد.
اتمسفر كوره هاي عمليات حرارتي
وقتي فولادهاي ابزار تا دمايي بالاتر از (C ْ583) F ْ 1000 گرم مي شود، سطح اين فولادها، با توجه به محيط و فضايي كه در آن قرار دارند، دچار تغيير شيميايي مي گردد. اگر اتمسفر كوره كه فولاد در آن گرم مي شود، اكسيد كننده باشد ( مثلاً به دليل اكسيژن موجود در هوا) كربن سطح فولاد با اكسيژن تركيب شده و در نتيجه سطح فولاد كربن زدايي خواهد شد. اگر اتمسفر كوره احيا كننده (Reducing) باشد ( مثلاً عاري از اكسيژن و مملو از كربن باشد)، مقداري از كربن در سطح فولاد نفوذ كرده و باعث كربن دهي اين سطح مي شود.
در اغلب موارد، مقدار كربن موجود در ساختار فولاد نبايد در عمليات حرارتي تغيير كند و اين پديده براي ابزار فولادي زيان آور است. بنابراين لازم است فولادهاي ابزار را در كوره هايي با اتمسفر كنترل شده ( كه نه اكسيد كننده و نه احيا كننده باشد، بلكه براي آن نوع فولاد، خنثي باشد)، عمليات حرارتي نمود.
اتمسفر رايج در كوره هاي سختكاري فولادهاي ابزار كه خنثي محسوب مي شوند ،عبارتند از: خلاء، گازهاي بي اثر (Inert Gases) گرماگير (Endotherhermic) و گرمازا(Exothermic).
گازهاي بي اثر
استفاده از گازهاي بي اثر( نظير آرگن ونيتروژن) در كوره ها، ساده ترين روش براي جلوگيري از پوسته شدن (Scaling) و كربن زدايي سطح فولاد است. وقتي فضاي يك كوره كاملاً بسته، پر از يك گاز بي اثر باشد، اين گاز با قطعه فولادي داغ تركيب شيميايي ايجاد نمي كند و سطح قطعه كار كربن زدايي نخواهد شد.متاسفانه گازهاي بي اثر گران قيمت هستند و به همين دليل استفاده از آنها محدود است.
اتمسفر گرماگير
اتمسفر گرماگير هنگامي ايجاد مي شود كه مخلوطي از هوا و گاز طبيعي يا پروپان از روي يك كاتاليزور گرم عبور كند. وجود گرما و كاتاليزور باعث تركيب هوا و گاز و به وجود آمدن مخلوطي از نيتروژن (40%) كربن منواكسيد (20%) هيدروژن (40%) و مقداري بخار آب خواهد شد. مخلوط گازهاي حاصل سرد شده و سپس به فضاي كوره پمپاز مي شود. پتانسيل كربن در گاز گرماگير (مخلوط گاز حاصل) تابعي از نقطه شبنم (ميزان رطوبت) در اتمسفر گازي مي باشد. نقطه
شبنم (Dew point) بايد براساس نوع فولاد تنظيم گردد. شدت جريان عبور گاز از كوره و فشار مثبت گاز درون كوره بايد به دقت كنترل شود. اگر اين كار انجام شود، مي توان كربن زدايي يا كربن دهي سطح فولاد را كنترل نمود.
اتمسفر گرمازا
كوره هاي با اتمسفر گرما زا داراي ساختار ساده و نسبتاً ارزان قيمت هستند. اين اتمسفر را مي توان از احتراق ناقص مخلوط هوا و گاز ( اغلب گاز طبيعي يا پروپان) توليد كرد. مخلوط هوا- گاز در حضور يك كاتاليزور مي سوزند.
رطوبت حاصل از احتراق را مي توان به هنگام سرد شدن گاز حاصل از احتراق، به صورت ميعان جدا نمود. كيفيت گاز گرمازا، كه در اين عمليات حاصل مي شود، به يكنواختي تركيب گاز سوختني، كه با هوا تركيب شده و از مجاورت كاتاليزور عبور مي كند، بستگي دارد.
نكات احتياطي
مخلوط گازها با هوا، براي توليد اتمسفر گرماگير و گرمازا به كار مي روند، تحت شرايط خاصي، قابل انفجار هستند.
بنابراين وقتي كوره روشن مي شود، نبايد بلافاصله گاز اتمسفر را به كوره هدايت كرد. بلكه بايد صبر كرد تا دماي آن به (C ْ760) F ْ1400 برسد يا بيشتر از آن شود.
خلاء
استفاده از كوره هاي با اتمسفر خلاء بهترين روش در محافظت از سطح فولادها در عملياتي حرارتي مي باشد.
كوره هاي خلاء (Vacuum furnace) به روش الكتريكي گرم مي شوند. در صورتي كه بتوان درب يك كوره و ديگر درزهاي آن را به خوبي آب بندي كرد و با يك پمپ خلاء هواي داخل كوره را تخليه نمود، مي توان ادعا كرد كه قطعات داخل كوره در شرايط نزديك به خلاء عمليات حرارتي شده اند. با ايجاد خلاء در كوره، سطح اكسيژن در آن پايين مي آيد، به طوري كه ديگر اثري بر روي فولاد در د ماهاي بالا نخواهد گذاشت. در كوره هاي خلاء پديده هاي نامطلوب ديگر از جمله كربن دهي و كربن زدايي نيز اتفاق نمي افتد. يك تصوير ساده از يك كوره خلاء در شكل 8-6 نشانداده شده است.
عمليات حرارتي در كوره هاي خلاء
حفاظت از سطح فولاد بدون شك يكي از مهمترين مراحل در عمليات حرارتي مي باشد. فولاد در دماهاي بالا با هر ماده اي كه در مجاورت آن باشد، واكنش شيميايي مي دهد، خواه گاز باشد يا مايع. واكنش اكسيژن با سطح فولاد باعث ايجاد پوسته(scale) در سطح و كربن زدايي در زير اين پوسته ها مي شود. تركيب اغلب گازها با فولاد، باعث افزايش كربن يا كربن دهي سطح فو
لاد خواهد شد. اگر عمليات حرارتي در كوره هاي خلاء به درستي اجرا گردد، سطح فولاد حين عمليات كاملاً محافظت مي شود. پس از عمليات حرارتي در كوره خلاء، سطح فولاد ابزار به رنگ روشن، تميز و عاري از عيوب كربن دهي يا كربن زدايي خواهد بود.
معمولاً برداشت غلطي از عبارت "خلاء" مي شود.ايجاد خلاء كامل هنوز امكان ندارد و غير ممكن است و بتوان محفظه كوره را حتي با به كارگيري بهترين تجهيزات خلاء كاملاً تخليه نمود. اندازه گيري ميزان خلاء در واقع نشاندهنده ميزان موادي است كه پس ا ز ايجاد خلاء در محفظه باقي مي ماند. هر مقدار گازي كه داخل محفظه باقي مانده باشد.فشاري توليد مي كند كه متناسب با مقدار آن است.
واحد هاي سنجش ميزان خلاء خيلي كوچك هستند: اينچ جيوه يا ميكرون (mm 0.001 يا m ) جيوه طي تحقيقي كه شركتهاي فولادسازي Bethlehem و Lindberg انجام داده اند، معلوم شده است كه عمليات حرارتي بر روي اغلب فولادها در كوره خلاء را مي توان در محدوده خلاء نسبي (m 100-200) 0.39-0.78 in جيوه به طور رضايت بخشي انجام داد. البته كوره بايد در شرايط مطلوبي قرار داشته و ميزان نشتي آن خيلي كم باشد.
البته، در صورت امكان بايد از ميزان خلاء (m 50-100) 0.20 -0.39 يا پايين تر در كوره استفاده كرد تا بتوان اطمينان داشت كربن زدايي در فولاد اتفاق نمي افتد. كربن زدايي در اثر وجود نشتي در كوره ها و يا به علت رطوبت گازهاي بي اثر كه در كوئنچ فولاد به كار مي روند، ايجاد مي شود. همه فيكسچرها، سبدها و ديگر تجهيزاتي كه در كوره هاي خلاء وارد مي شوند، بايد قبل از ورود به كوره كاملاً تميز شوند.
اصول اوليه
هر چند كه كوره هاي خلاء ممكن است خيلي پيچيده به نظر آيند، ولي در واقع سيستم ساده اي دارند. اپراتور كوره بايد دستورالعملهاي توصيه شده از طرف سازنده كوره را كه در دفترچه نوشته شده است، به كار بندد و از پر كردن بيش از حد كوره نيز پرهيز نمايد.
بارگيري كوره به ميزان مناسب، هم در عملكرد كوره وهم در نتيجه عمليات حرارتي آن تأثير مثبت دارد.قطعات بايد به اندازه كافي از هم فاصله داشته باشند تا انتقال حرارت به سهولت امكا
نپذير باشد. پر كردن بيش از حد كوره مي تواند مشكلات زير را به وجود آورد:
• طولاني شدن بيش از حد زمان گرم شدن قطعات كه بستگي به ميزان جرم قطعات داخل كوره دارد و حتي ممكن است بعضي قطعات به دماي مناسب براي سختكاري نرسند،
• كوئنچ شدن ناقص وسست (slack quench) كه باعث تغيير حالت متالورژيي ناقص در فولاد شده و فولاد بخوبي سخت نمي شود،
• كوئنچ شدن غيريكنواخت قطعات كه باعث ايجاد اعوجاج وانقباض اختلافي در آنها خواهد شد و
• ايجاد اختلاف دمايي كه باعث تغيير حالت متالورژيكي غير يكنواخت وناهنجاريهاي متالورژيكي در قطعات مي گردد.
قرار دادن قطعات در سبدهاي مناسب قبل از بارگيري كوره خيلي مهم است، مخصوصاً اگر سطح مقطع متغير باشد. در صورتي كه لازم باشد قطعات مختلف با فرمهاي هندسي وسطح مقطعهاي متفاوت در كوره بارگيري شوند، سعي كنيد ديواره هاي نازك تر قطعات در مجاورت هم قرار گيرند و بين قطعات فاصله وجود داشته باشد.
كوئنچ كردن
در بعضي كوره هاي خلاء تجهيزاتي نيز براي كوئنچ كردن قطعات در همان محيط خلاء تعبيه مي شود. قطعات پس از آستنيته شدن در اين كوره ها معمولاً در روغن كوئنچ مي شوند. در بعضي از كوره هاي خلاء از سيستم كوئنچ خاصي(backfill quench system) استفاده مي كنند كه در آن، پس از آستنيته شدن قطعات در شرايط خلاء يك گاز بي اثر( آرگن يا نيتروژن) داخل كوره را پر مي كند و باعث كوئنچ شدن قطعات مي شود. سرعت كوئنچ در اين كوره ها خيلي سريع است (F ْ1000 يا C ْ 538 در دقيقه). با اين سرعت كوئنچ مي توان فولادهاي سخت شونده در هوا و بسياري از فولادهاي سخت شونده در روغن را سختكاري نمود.
آنيل كردن فولادهاي ابزار وفولادهاي آلياژي
آنيل كردن(annealing) فولاد باعث كاهش سختي و بهبود قابليت ماشينكاري آن مي شود. فولاد آنيل شده را مي توان به صورت سرد تغيير شكل داد و ريز ساختار مورد نظر را در آن ايجاد نمود. معمولاً فولادهاي آلياژي و فولادهاي ابزار در حالت آنيل شده در بازار عرضه مي شوند. گاهي اوقات نيز لازم مي شود مصرف كننده نهايي فولاد را آنيل كند، مثلاً هنگامي كه فولاد در حالت فورج شده يا نورد شده خريداري مي شود، يا قبل از سختكاري مجدد فولادي كه سخت شده است
و يا به هنگام آماده سازي يك ابزار فولادي قبل از جوشكاري.
براي اجراي يك عمليات آنيلينگ موفق بايد قطعه كار ابتدا بآرامي گرم شود تا به دماي آني
ل مناسب برسد و سپس براي مدت كافي در اين دما نگهداشته شود تا تبديلات ساختاري آن انجام شود و در نهايت بايد قطعه كار آهسته، با سرعت يكنواخت و تحت كنترل سرد شود و اين مرحله بسيار مهم است. در جدول 8-4 سيكل آنيلينگ براي چند فولاد ابزار ارائه شده است.
چند نكته مفيد در آنيل كردن قطعات عبارتند از:
• هنگامي كه لازم است يك ساختار بهينه و با قابليت ماشينكاري خوب در فولاد به وجود آيد، آن را آنيل كنيد،
