بخشی از مقاله
استفاده از مواد پلیمری به عنوان عامل کوئنج در عملیات حرارتی فولادها
چکيده
محلول های پلیمری محیطهای کوئنچی هستند که در سالهای اخیر مورد توجه بسیار زیاد قرار گرفته اند و به عنوان جایگزین محیطهای کوئنچ سنتی مطرح شده اند. با تنظیم شرایط محیطهای پلیمری می توان ریزساختار و خواص مکانیکی قطعه عملیات حرارتی شده را در محدوده مورد نظر قرار داد و از اعوجاج و ترک خوردن قطعه تا حد امکان جلوگیری کرد. در تحقیق حاضر از محلول های پلیمری پلی آلکلین گلیکول (PAG) به عنوان عامل کوئنچ در عملیات حرارتی چهار نوع از محصولات شرکت فولاد آلیاژی ایران شامل فولادهای ۱/۷۲۲۷، ۱/۶۵۸۲، ۱/۱۱۹۱ و ۱/۷۷۶۵ استفاده شده و خواص حاصل از این عملیات با خواص به دست آمده از کوئنچ در محیطهای سنتی مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که با استفاده از محیط پلیمری پتانسیل اعوجاج و ترک خوردن ناشی از کوئنچ در آب به حداقل می رسد و از طرف دیگر، خواص مکانیکی مورد نظر که با استفاده از روغن به ندرت به دست می آید قابل استحصال است.
مقدمه
موفقیت فرایند کوئنچ مستلزم انتخاب محیط سرد کننده مناسب می باشد. با این حال، محیطهای سرد کننده متعددی وجود دارند که قابلیت ایجاد محدوده ای از سرعت های سرد کردن را دارا هستند. محیط آبدهی مطلوب بایستی قدرت سرد کنندگی لازم را برای جلوگیری از تشکیل فازهای نفوذی داشته باشد. در عین حال بهتر است در ناحیه دگرگونی مارتنزیتی تا حد امکان سرعت سردایش پایینی داشته باشد تا از ایجاد تنش های داخلی حین دگرگونی فازی مارتنزیت جلوگیری شود. چرا که این تنش ها ممکن است موجب اعوجاج و ترک خوردن قطعه کوئنچ شده شوند. محیطهای کوئنچ سنتی شامل هوا، آب و روغن میباشند. آب به دلیل قدرت سرد کنندگی زیاد منجر به تشکیل ریزساختار بسیار سخت مارتنزیتی می شود و پس از عملیات تمپر استحکام و چقرمگی خوبی ارائه می دهد. اما در عوض کوئنچ در آب با مشکلاتی نظیر تاب برداشتن و ترک خوردن قطعات همراه است. از سوی دیگر، روغن این مشکلات را ندارد ولی به دلیل شدت سرد کنندگی پایین، مقادیر سختی و استحکام حاصله نسبت به آب به شدت افت می کند. با توجه به معایب استفاده از محیطهای آب و روغن در سخت کاری فولادها و نیاز به محیط مناسب جهت کاهش اعوجاج و نیز دستیابی به خواص مکانیکی مورد انتظار، محیطهای کوئنچ پلیمری به عنوان جایگزین محیطهای سنتی معرفی شدند. این محیطها در آب محلول بوده و قدرت سرد کنندگی آنها با تغییر غلظت تغییر می کند و محدوده سرعت سردکنندگی بین آب و روغن را پر میکند. با توجه به ترکیب شیمیایی و سختی پذیری فولاد مورد نظر، میتوان غلظت مناسبی از محیط پلیمری را برای دستیابی به خواص و ریزساختار مورد نظر بکار برد. با استفاده از این محیطها، پتانسیل اعوجاج و ترک خوردن ناشی از کوئنچ در آب به حداقل می رسد و از طرف دیگر، ریزساختار مورد نظر که با استفاده از روغن به ندرت بدست می آید، قابل استحصال است. مکانیزم سرد کنندگی منحصر به فرد، امکان کنترل سرد کنندگی و مزایای متعدد اقتصادی، تکنیکی و زیست محیطی، استفاده از این محیطها را مورد توجه کاربران عملیات حرارتی قرار داده است [۱]. به طور کلی محیطهای پلیمری بر اساس حلالیت معکوس عمل می کنند. گرانروی زیاد در مقایسه با آب و تشکیل یک لایه غلیظ پلیمر در اطراف قطعه داغ از خصوصیات مشترک تمام محیطهای پلیمری است [۲و۳[. در دمای محیط، پلیمر کاملاً در آب محلول است. با افزایش درجه حرارت محیط در محل تماس با قطعه داغ،پلیمر به شکل یک لایه محبوس کننده رسوب می کند و نرخ سرد شدن را کاهش می دهد و سپس با کاهش دما، پلیمر مجدداً حل می شود [۴[ضخامت و استحکام فیلم پلیمری به عواملی نظیر غلظت اولیه محلول، تلاطم، درجه حرارت محیط و وزن مولکولی پلیمر ارتباط دارد [۵] در تحقیق حاضر از محلول های پلیمری پلی آلکلین گلیکول (PAG) به عنوان عامل کوئنچ در عملیات حرارتی چهار نوع از مهمترین محصولات شرکت فولاد آلیاژی ایران استفاده شده و خواص مکانیکی حاصل از این عملیات با خواص بدست آمده از کوئنچ در محیطهای سنتی مقایسه شده است.
روش تحقیق به منظور بررسی خواص مکانیکی فولادهای مختلف پس از کوئنچ در محیطهای سردکننده آب، روغن و محلول پلیمری و ارزیابی رفتار این محیط حین عملیات حرارتی، چهار نوع از مهم ترین و حساسیترین محصولات شرکت فولاد آلیاژی ایران شامل فولادهای ۱/۷۲۲۷، ۱/۶۵۸۲، ۱/۱۱۹۱ و ۱/۷۷۶۵ جهت انجام آزمایش انتخاب شد. مشخصات فولادها و شرایط کلی عملیات انجام شده بر روی نمونه ها برای هر یک از فولادهای مورد آزمایش در جدول (۱) ذکر شده است. همچنین ترکیب شیمیایی فولادهای مورد بررسی در جدول (۲) آورده شده است. جهت حذف اثر انتقال حرارت از قاعده در منطقه میانی بلوک ها، طول نمونه ها بین ۱۸۰ تا ۲۰۰ میلیمتر انتخاب شد. به منظور آستنیته کردن، پس از رسیدن کوره به دمای مورد نظر، کلیه نمونه ها با هم درون کوره گذاشته شدند تا شرایط گرم شدن همه آنها یکسان باشد. جهت بررسی کارایی محیطهای کوئنچ مختلف در سخت کاری این فولادها و مقایسه خواص حاصله در اثر کوئنچ در محیطهای سرد کننده مختلف، نمونه ها در سه محیط آب، روغن و محلول پلیمری کوئنچ شدند. جهت تهیه محلول پلیمری از یک نوع پلیمر از دسته پلیمرهای PAG و با نام تجاری AVA AQUAQUENCH استفاده شد. همچنین نسبت حجمی پلیمر به آب، ۱ به ۸ انتخاب شد. به منظور کنترل غلظت این محلول، ابتدا محلولی با نسبت ذکر شده در یک استوانه مدرج ساخته شد و دستگاه رفرکتومتر چندین بار با این محلول آزمایش و کالیبره شد. سپس غلظت محلول ساخته شده در وان کوئنچ از ابتدا تا انتهای انجام آزمایشی ها بر روی فولادهای مختلف دائماً با این دستگاه رفرکتومتر اندازه گیری شد تا شرایط یکسانی برای همه آزمایش ها وجود داشته باشد و اعتبار نتایج حاصله افزایش یابد. هنگام کوئنچ نمونه ها سعی شد تا شرایط کوئنچ از نظر زمان و نحوه انتقال از کوره به وان کوئنچ و نیز شرایط تلاطم محیط حتی الامکان یکسان باشد. پس از سرد شدن، سطح جانبی نمونه ها سنگ زده شد و آزمونهای سختی سنجی در منطقه وسط طول بلوک انجام شد. سپس کلیه نمونه های کوئنچ شده در محیطهای مختلف به کوره تمپر منتقل شده و با هم در دما و زمان مشخص شده در جدول (۱) تمپر شدند. پس از تمپر، سطح جانبی نمونه ها سنگ زده شد و سختی سنجی در ناحیه وسط طول بلوک ها انجام شد. پس از سختی سنجی، نمونه های کشش و ضربه از هر بلوک تهیه شد و نتایج و بحث نتایج آزمونهای مکانیکی شامل سختی پس از کوئنچ، سختی پس از تمپر، استحکام تسلیم، استحکام کششی، درصد ازدیاد طول و انرژی شکست ضربه ای برای چهار نوع فولاد مختلف که در سه محیط آب، روغن و محلول پلیمری کوئنچ شده اند در شکل (۱) نمایش داده شده است. در فولاد ۱/۷۲۲۷ مشاهده می شود که سختی حاصل از کوئنچ در آب و محلول پلیمری بسیار نزدیک به هم می باشد. در حالی که در نمونه های کوئنچ شده در روغن، سختی به مراتب پایین تر است. پس از عملیات تمپر اختلاف مقادیر سختی کمتر شده است، اما باز هم سختی نمونه های سرد شده در آب و محلول پلیمری به هم نزدیک بوده و از سختی نمونه های سرد شده در روغن بالاتر می باشد. مقادیر استحکام تسلیم و استحکام کششی نیز به طور مشابه در نمونه های کوئنچ شده در آب و محلول پلیمری نزدیک به هم و به مراتب بالاتر از نمونه های کوئنچ شده در روغن است، اما درصد ازدیاد طول، درصد کاهش سطح مقطع و انرژی شکست ضربه ای در همه نمونه ها نزدیک به هم میباشد. ضمناً پس از کوئنچ، وجود ترکهای حلقوی در ناحیه قاعده نمونه های کوئنچ شده در آب مشهود بود، در حالی که در نمونه های سرد شده در محلول پلیمری و روغن ترکی دیده نشد. با توجه به نتایج حاصله می توان نتیجه گرفت که محیط پلیمری مورد استفاده بهترین شرایط را از نظر کارایی برای این فولاد دارد. زیرا ضمن اینکه نرخ سرد شدن در آن از آب پایین تر، یکنواختی کوئنچ بیشتر و بنابراین میزان اعوجاج و ترک کمینه می شود، خواص مکانیکی حاصله در حد خواص مکانیکی حاصل از کوئنچ در آب می باشد. همان طور که دیده می شود در فولاد ۱/۶۵۸۲ با کاهش قدرت سردکنندگی به ترتیب از آب به محلول پلیمری و روغن، سختی حاصل از کوئنچ کاهش یافته است. البته در اینجا نیز سختی نمونه های کوئنچ شده در آب و محلول پلیمری بسیار نزدیک به هم است. افت سختی در نمونه های ۱/۶۵۸۲ کوئنچ شده در روغن نسبت به نمونه های ۱/۷۲۲۷ کمتر بوده است که این موضوع به دلیل سختیپذیری بالاتر فولاد ۱/۶۵۸۲ می باشد. با این حال، با توجه به حضور عناصر آلیاژی و بالا بودن سختی پذیری این فولاد، مشاهده می شود که پس از تمپر سختی و سایر خواص مکانیکی در تمام نمونه ها مشابه است.
با توجه به پایین بودن سختی پذیری فولاد ۱/۱۱۹۱، اختلاف بین سختی حاصل از کوئنچ در محیطهای سرد کننده با شدت های سرد کنندگی متفاوت کاملاً مشخص است. به طوری که با کاهش شدت سردایش از آب به محلول پلیمری و سپس روغن، سختی پس از کوئنچ کاهش قابل ملاحظه ای مییابد. پس از تمپر، سختی نمونه های کوئنچ شده در آب و محلول پلیمری به هم نزدیک می شود ولی سختی نمونه های کوئنچ شده در روغن همچنان بسیار پایین است که این امر به دلیل عدم تشکیل فاز مارتنزیت و سخت نشدن فولاد ۱/۱۱۹۱ در اثر کوئنچ در روغن می باشد. این روند در استحکام تسلیم و کششی نیز کاملاً مشهود است. طوری که استحکام تسلیم و استحکام کششی نمونه های کوئنچ شده در آب و محلول پلیمری بسیار بالا و نزدیک به هم است، ولی استحکام نمونه های کوئنچ شده در روغن پایین می باشد. در مورد سایر خواص مکانیکی، نتایج مشابهی در تمام نمونه ها دیده میشود.
