بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه، تاثیرات عملیاتهای حرارتی گوناگون بر روی قابلیت ماشینکاری فولادهای AISI 1045 مورد مطالعه قرار گرفته است. قابلیت ماشینکاری نمونههای عملیات حرارتی نشده، آنیل، نرماله و کوئنچ- تمپر شده توسط دو معیار نیروی برشی و زبری سطح تراشکاری اندازهگیری شد. بررسیهای ریزساختاری توسط میکروسکوپ نوری صورت گرفت و آنالیز نرم افزاری تصاویر به منظور تحلیل نتایج ریزساختاری به کار گرفته شد. نتایج نشان میدهند که نمونه کوئنچ- تمپر دارای بیشترین نیروی برشی و کمترین زبری سطح می باشد که به ریزساختار مارتنزیت تمپر شده ارتباط دارد. نمونه عملیات حرارتی نشده کمترین نیروی برشی را در بین نمونههای مطالعه شده دارد و زبری سطح این نمونه بعد از فولاد کوئنچ- تمپر شده، کمترین مقدار را نشان میدهد. انجام عملیاتهای حرارتی آنیل و نرماله بر روی فولاد مورد مطالعه تاثیرشدیدی بر نیروی برشی ندارند، اما زبری سطح را شدیداً افزایش میدهند که به کاهش کشیدگی ریزساختار ارتباط پیدا میکند.
واژگان کلیدی: نیروی برشی، زبری سطح، قابلیت ماشینکاری، عملیات حرارتی، ریزساختار
-1 مقدمه
ماشینکاری یکی از مهمترین فرآیندهای تولید قطعات فلزی میباشد که در صنایع گوناگونی به ویژه در صنایع خودروسازی کاربرد فراوانی دارد و عمده ای از فرآورده های صنعتی در بسیاری از مراحل تولید خود به ماشینکاری نیاز دارند. ماشینکاری عبارت از »فرآیند برداشتن مواد ناخواسته از یک قطعهکار به شکل تراشه یا براده« میباشد که به روشهای گوناگون و توسط ماشینآلات متفاوتی انجام میشود.[1] عوامل موثر بر ماشینکاری شامل جنس ابزار، هندسه ابزار، سیستمهای محافظت ابزار، نوع سیال روانکار، سرعت سیال روانکار، سرعت برش، عمق برش، نرخ پیشروی ابزار و ... میباشند که این عوامل تاثیرات گوناگونی بر ماشینکاری خواهند داشت.[2] جهت سنجش قابلیت ماشینکاری معیارهایی در نظر گرفته میشود که مهمترین آنها شامل عمر ابزار، نیروی برشی، ویژگیهای برادهها و کیفیت سطح نهایی - زبری سطح - میباشد. عوامل زیادی بر معیارهای قابلیت ماشینکاری تاثیر میگذراند که تاثیرگذارترین این عوامل در فولادها شامل ترکیب شیمیایی، ویژگیهای مکانیکی، نوع ریزساختار، کشیدگی ریزساختار، کسر سطحی فریت به پرلیت در فولادهای فریت- پرلیتی، نوع آخالها1، توزیع و کسر سطحی آخالها میباشد.[3]
جهت بهبود قابلیت ماشینکاری فولادها، اولین راهکار مورد استفاده تغییر ترکیب شیمیایی فولادها و ایجاد فولادهای خوشتراش میباشد که افزودن سرب به ترکیب شیمیایی را میتوان نمونهای از آن نام برد. سرب به عنوان یک عنصر خوشتراش شهرت دارد که سبب بهبود خواص ماشینکاری و کاهش مصرف ابزارهای برش میگردد .[4] به علت ایجاد مشکلات زیست محیطی استفاده از این عنصر توسعه چندانی نیافتو اخیراً سعی میشود عناصر دیگری همانند گوگرد، بیسموت و قلع را جایگزین نمایند5]و.[6 افزایش گوگرد و منگنز به علت ایجاد آخال های سولفیدی به ویژه MnS سبب بهبود قابلیت ماشینکاری میگردد و این در حالی است که تشکیل آخال های سولفیدی منجر به کاهش مقاومت به ضربه میشوند. قابل ذکر است که افزودن زیرکونیوم به فولادها سبب تشکیل سولفیدهای منگنز- زیرکونیوم شده و علاوه بر این، میزان کرویت آخال های سولفیدی نیز افزایش مییابد. افزایش زیرکونیوم هر چند که سبب بهبود در قابلیت ماشینکاری نمیشود، اما یک افزایش چشمگیر در خواص ضربه را فراهم میسازد.[7]
دومین راهکار مورد استفاده جهت بهبود قابلیت ماشینکاری فولادها، تغییر در ریزساختار و بهینه کردن ریزساختار میباشد. در فولادهای فریتی، فریت فاز نرمی میباشد که چقرمگی و شکلپذیری بالای آن سبب چسبندگی به ابزار برش در هنگام ماشینکاری شده و قابلیت ماشینکاری را کاهش میدهد 2]و.[3 در فولادهای فریتی- پرلیتی با میزان کربن متوسط، قابلیت ماشینکاری رضایتبخش میتواند توسط ایجاد مورفولوژی بهینه پرلیت در فولاد فراهم شود. در هنگام برش ماده توسط ابزار برش، قرارگیری لایههای سخت و نرم فازهای فریت و سمانتیت در یک زمینه پرلیتی در مقابل ابزار برش، سبب افزایش جوانهزنی و رشد ترکها در فلز میشود و بهبود در قابلیت ماشینکاری فراهم میگردد.[8]
آکاساوا[9] و همکارانش تاثیر ریزساختار بر قابلیت ماشینکاری فولادهای کربن متوسط دارای کروم و مولیبدن را بررسی کردهاند. نمونه های مورد بررسی آنها شامل کوئنچ- تمپر شده، آنیل و کشش سرد شده، نرماله شده و نورد گرم شده میباشد. در ماشینکاری فولادهای آنیل و کشش سرد شده که زمینه فریتی با سمانتیت های کروی دارند، لبه انباشته2 تشکیل میشود و بهترین سطح نهایی را ایجاد میکند. قطعه کار نرماله شده در بین سایر نمونههای ماشینکاری شده در هوا بدترین سطح نهایی را دارا میباشد.[10]
با انجام فرآیند آنیل فولاد کربن متوسط نورد گرم شده، لایههای پرلیت درشت میشوند و ریزساختاری دارای سمنتیت کروی با افزایش نوار فریت- پرلیت3 به دست میآید. این امر منجر به افزایش در شکلپذیری و انرژی ضربه و کاهش سختی میشود که در نهایت عمر ابزار برش و قابلیت ماشینکاری را کاهش میدهد. توسط عملیات نرماله کردن، باندها ناپدید میشوند و سختی، شکلپذیری و انرژی ضربه افزایش مییابد، اما کاهش عمر ابزار برش شدیدتر میشود. کمترین زبری سطح روی نمونههای نورد گرم شده بدون انجام عملیات حرارتی و در سرعتهای برش نهایی مشاهده می شود.[11] این اعتقاد وجود دارد که توسط تبدیل فاز شبه پایدار سمانتیت در فولاد کربنی به گرافیت و به عبارتی انجام عملیات حرارتی گرافیتزایی در فولاد، قابلیت ماشینکاری را میتوان بهبود بخشد.[12]
آخرین راهکار مورد استفاده جهت بهبود قابلیت ماشینکاری در فولادها، بهبود مشخصات آخال می باشد. آخالهای سولفیدی، لایهای در بین ابزار برش و قطعهکار ایجاد میکنند که کاهش اصطکاک و بهبود قابلیت ماشینکاری را سبب می شوند13] و.[14 افزایش کسر سطحی آخالهای سولفیدی و افزایش میزان کشیدگی آنها سبب بهبود قابلیت ماشینکاری میشود. در سالهای اخیر، بررسیهای گستردهای جهت افزایش قابلیت ماشینکاری فولادهای تجاری، در راستای افزایش قابلیت تولید محصولات ماشینکاری، بهبود سطوح ماشینکاری شده و کاهش تاثیرات زیستمحیطی صورت گرفته است. این پژوهش با هدف بررسی تاثیر عملیاتهای حرارتی آنیل، نرماله و کوئنچ-تمپر بر قابلیت ماشینکاری فولاد تجاری AISI 1045 انجام شده است.
-2 مواد و روش آزمایش
-1-2 مواد و آزمونهای خواص مکانیکی
فولاد مورد بررسی در این مقاله فولاد AISI 1045 با قطر 17/7 میلیمتر میباشد. این فولاد به صورت میلگرد از مواد مصرفی روزمره شرکت قطعات محوری خراسان تهیه شده است. ترکیب شیمیایی این فولاد در جدول 1 ارائه شده است. آزمون سختیسنجی توسط دستگاه سختی سنج راکول KOOPA مدل UV1 و به روش سختیسنجی راکول B انجام شده است. آزمونهای کشش توسط دستگاه Zwick مدل Z250 با ظرفیت 250KN و براساس استاندارد ASTM E 8M انجام شدهاند . نتایج آزمون کشش شامل مقادیر استحکام کششی نهایی، استحکام تسلیم، انرژی جذب شده تا نقطه شکست بر اساس محاسبه مساحت زیر نمودار تنش-کرنش و درصد ازدیاد طول میباشد.
-3-2 بررسی های ریزساختاری
نمونه های متالوگرافی توسط برش های طولی در راستای محور نمونههای عملیات حرارتی نشده و عملیات حرارتی شده تهیه شدند. به منظور سهولت در اجرای مراحل سمبادهزنی و پولیشکاری نهایی، از مانت گرم استفاده شد. نمونههای مانت شده به ترتیب توسط کاغذهای سمباده 120، 240، 320، 400، 600، 1200 و 2500 سمبادهزنی و توسط دستگاه Struers مدل RotoPol-25 پولیشکاری شدند. جهت انجام پولیشکاری، سرعت دستگاه 180RPM انتخاب شد و از خمیر الماسه استفاده گردید. نمونههای تهیه شده توسط محلول نایتال 2درصد اِچ شدند و سپس جهت تهیه تصاویر ریزساختاری توسط میکروسکوپ نوری مورد بررسی قرار گرفتند . تصاویر تهیه شده از نمونههای عملیات حرارتی نشده، آنیل شده و نرماله شده توسط نرمافزار پردازش تصاویر CLEMEX مورد ارزیابی قرار گرفتند. مقادیر کمینه و بیشینه اندازه دانه براساس استاندارد ASTM E112-96، میانگین درصد سطحی فاز فریت و ریزساختار پرلیت و همچنین میانگین کشیدگی توسط بررسیهای نرمافزای تعیین شدند.
-4-2 قابلیت ماشینکاری
جهت تعیین قابلیت ماشینکاری نمونههای مورد مطالعه از تراشکاری توسط دستگاه تراش استفاده شد. تراشکاری با استفاده از ابزارهای اینزرتی HZ15 با مشخصه CCMW 060204 و آرم تجاری WIRDIA انجام گردید. به منظور تعیین قابلیت ماشینکاری، نیروی برشی در هنگام انجام تراشکاری و زبری سطح بعد از تراشکاری اندازهگیری شدند. جهت اندازهگیری نیروهای برشی، بر روی دستگاه تراش یک سیستم اندازهگیری نیرو شامل یک لودسل نصب شد. با استفاده از یک کارت تبدیل، دادههای خروجی لودسل به کامپیوتر وارد شدند و مقادیر نیروی برشی در راستای قائم بر محور تراشکاری در مورد نمونههای مورد مطالعه اندازهگیری شد. سیستم نرمافزاری متصل به لودسل قادر است که به مدت 10 ثانیه مقادیر نیروی برش را اندازهگیری کند و در هر ثانیه تعداد 15000 مقدار نیرو به دست آورد. نتایج نیروی برشی به صورت میانگینگیری در ناحیه خطی منحنی نیروی برش برحسب زمان در سه آزمایش متفاوت به دست آمدند. جهت انجام آزمایشات زبری سطح از نمونههای تراشکاری شده در مرحله آزمایشات نیروی برشی استفاده شد. آزمون زبری سطح توسط دستگاه Surfscan 200 بر روی نمونههای تراشکاری شده انجام گردید. طول خط جاروب شده توسط این دستگاه 0/25 میلیمتر میباشد و نتایج به صورت Ra برحسب میکرون ارائه شدند. قابل ذکر است که بر روی هر نمونه سه اندازهگیری انجام شد و نتایج براساس میانگین آنها ارائه گردید.
-3 یافته ها
-1-3 نتایج خواص مکانیکی و ریزساختار
نتایج به دست آمده از آزمون کشش شامل استحکام نهایی، تنش تسلیم در کرنش 0/2 درصد، میزان درصد ازدیاد طول و انرژی شکست برحسب سطح زیر منحنی تنش-کرنش میباشد. در جدول 2 نتایج به دست آمده از آزمونهای خواص مکانیکی براساس میانگین سه آزمایش در مورد آزمون کشش ارائه شده است. در جدول 3 سختی نمونههای عملیات حرارتی شده برحسب سختی راکول B نمایش داده شده است. تصاویر ریزساختاری تهیه شده از میکروسکوپ نوری در بزرگنمایی 100 برابر توسط نرمافزار CLEMEX تحلیل شدهاند. شکل 1 نمونهای از این تصاویر را در مورد فولادهای مورد بررسی نمایش میدهد. نتایج به دست آمده از تحلیل نرمافزاری شامل کمینه و بیشینه اندازه دانه براساس استاندارد ASTM E112-96، میانگین درصد سطحی فریت و پرلیت و میانگین کشیدگی ریزساختار در جدول 4 ارائه شده است.
