بخشی از مقاله
چکیده
با هدف تولید فولاد گرافیتی دو فازي نمونه هائی از فولاد CK45تحت عملیات حرارتی گرافیت زایی دو مرحله اي الف - حرارت دهی950oC/2h→ 750oC/8h و سپس کوئنچ در آب یخ و ب - حرارت دهی مجدد در دماي710oCبه مدت 12h و سرد کردن در کوره قرار گرفتند. نمونه هاي گرافیت زایی شده در دماي735oC در زمان هاي مختلف آستنیته جزئی شدند. سطح مقطع نمونه ه با میکروسکپ نوري و SEM بررسی شد و آزمون سختی سنجی بر روي آنها انجام گرفت.
طبق نتایج حاصل شده، طی چرخه اول حدود 1/3 درصد سطحی کره هاي گرافیتی با اندازه 10 μm ایجاد شده، طی چرخه دوم مقدار گرافیت ها تا 2/9 درصد افزایش یافته است. در اثر آنیل بین بحرانی ساختار دوفازي فریتی- بینیتی ایجاد شده و مقدار فاز فریت با افزایش زمان آنیل کاهش یافته اما سختی نمونه ها تغییري نکرده است.
مقدمه
خواص فولادها متاثر از فازهاي تشکیل دهنده ریزساختار آنها است. عملیات حرارتی از جمله روش هاي متداول کنترل ریزساختار و به تبع آن دستیابی به خواص متناسب با کاربرد مورد نظر است. مثلا با اعمال عملیات حرارتی مناسب می توان با ایجاد ساختار کاملا مارتنزیتی، فولادي با سختی بالا، یا با ایجاد ساختار کاملا فریتی فولادي با انعطاف پذیري بالا به دست آورد. اکثر فولادهاي مورد استفاده در صنعت معمولا داراي ساختار فریتی- پرلیتی یا مارتنزیتی تمپر شده هستند.
فولادهاي با ساختار فریتی- پرلیتی از انعطاف پذیري خوبی برخوردار بوده، اما استحکام کششی و همچنین مقاومت به سایش آنها نسبت به فولادهاي مارتنزیتی پائین است. در عوض فولادهاي با ساختار مارتنزیتیانعطاف پذیري کمی داشته، معمولا به سختی ماشینکاري شده و شکل دهی آنها با تغییر شکل دائمی تقریبا غیر ممکن است.در برخی مواقع لازم است از فولادي استفاده شود که استحکام آن از فولادهاي فریتی-پرلیتی بالاتر بوده و در عین حال از انعطاف پذیري مناسبی نیز برخوردار باشد.
دستیابی به چنین فولادي با ایجاد ساختار دوفازي متشکل از فاز نرم فریت و یا آستنیت و یک فاز سخت مانند مارتنزیت ویا بینیت امکان پذیر است. هرچند در ریزساختار چنین فولادهائی ممکن است فازهاي دیگري چون سمانتیت کروي نیز حضور داشته باشند اما با توجه به نقش متفاوت فازهاي نرم و سخت معمولا از این فولادها با عنوان فولاد دوفازي یاد می شود.
نحوه تولید چین فولادهائی و همچنین خواص مکانیکی آنها به صورت نسبتا گسترده اي توسط محققین مختلف بررسی شده است. به عنوان مثال رسولی و همکارانش،خواص کششی فولاد دو فازي تولید شده با عملیات آنیل میان بحرانی را بررسی کرده و به این نتیجه رسیده اند که در کسر حجمی یکسان فاز مارتنزیت، نمونه هاي فولادي با درصد کربن بیشتر استحکام تسلیم و کششی بیشتري دارند. نمونه هایی با درصد فاز مارتنزیت بالاتر، نرخ کار سختی بالاتري دارند که باعث افزایش استحکام فولاد می شود
تجزیه فاز سخت سمانتیت - - Fe3C موجود در فولادها به مخلوط فاز نرم گرافیت و فریت به منظور دستیابی به فولادي باخاصیت خودروانکاري و قابلیت تراشکاري بالا، مثال دیگري از تغییر ریزساختار با اعمال عملیات حرارتی مناسب است. گرافیت یکی از بهتری نروانکار های جامد شناخته شده است و حضور آن در ساختار نهایی آلیاژهای آهنی عاملی برای بهبودمقاومت به سایش، قابلیت ماشینکاری وخود روانکاری آنها است.
هر چند می توان خاصیت هاي خودروانکاري و قابلیت تراشکاري بالا را با افزودن عناصري چون گوگرد و سرب به ترکیب شیمیائی فولاد ایجاد نمود. اما حضورعناصر گوگردوسرب در ترکیب فولاد، اثرزیست محیطی مخربی را به دنبال داشته و مقررات سخت گیرانه در زمینه محیط زیست کاربرد فولادهاي حاوي سرب و گوگرد را با چالش هاي جدي مواجه ساخته است.
بنابراین فرایند عملیات حرارتی گرافیت زائی یک روش بی بدیل براي دستیابی به فولادهاي خوش تراش یا با قابلیت خودروانکاري بالا است. نمونه صنعتی کاربرد چنین فولادهائی تولید غلتک هاي نورد است. درغلتک هاي نورد برخورداري از خاصیت خودروانکاري جهت کاهش اصطکاك بین غلتک ها و قطعه کار و کاهش سایش غلتک ها از اهمیت بالائی برخوردار است.فولادهاي گرافیتی نه تنها در ساخت غلتک هاي نورد به کار می روند بلکه ازآنهامیتوان درصنایعخودروسازیبهعنوانجایگزینفولادهایحاویگوگردوسرب، نیز استفاده کرد
عمده تحقیقات اولیه در خصوص تولید فولادهاي گرافیتی با استفاده از فولادهاي پرکربن - % - %C > 0.8بود .در سال هاي اخیر تبدیل فولادهاي متوسط کربن مانند CK45 به فولاد گرافیتی نیز مورد توجه قرار گرفته است.به عنوان مثال کیانی رشید و همکارانش، تاثیر درجه حرارت آنیل بر روي گرافیت زایی فولاد CK45را بررسی کرده و به این نتیجه رسیده اند که با فرایند عملیات حرارتی دو مرحله اي می توان فولادCK45گرافیتی به دست آورد. طبق نتایج گزارش شده توسط آنها با کاهش دماي مرحله دوم عملیات حراتی، تعداد گرافیت در واحد سطح بیشتر شده و اندازه کره هاي گرافیتی نیز کوچکتر شده است.
براساس مشاهدات قدیمی، ساختار اولیه مارتنزیتی و بینایتی نسبت به ساختار فریتی- پرلیتی زمان کوتاهتري را براي گرافیت زایی نیاز داشته وانجام کار سرد، باعث کاهش زمان در فرایند گرافیت زایی شده است.
در فولادهاي گرافیتی که تاکنون مورد بررسی قرار گرفته اند، ساختار زمینه در اکثر موارد فریتی یا فریتی- پرلیتی بوده است. این فازها خود فازهاي نرم یا نسبتا نرمی بوده و در مقابل سایش خراشی ضعیف می باشند. بنابراین هرچند وجود گرافیت سبب کاهش ضریب اصطکاك شده و در نتیجه به دلیل کاهش نیروي برشی اصطکاك می تواند نرخ سایش را کاهش دهد اما وجود فازهاي نرم فریت و پرلیت می تواند بخشی از اثر مثبت خودروانکاري گرافیت را خنثی نماید.
همچنین طی تغییر شکل فولاد، تنش هاي اعمالی به راحتی توسط فاز نرم به گرافیت ها منتقل شده و می تواند سبب خرد شدن آنها گردد و در نتیجه مناطق ناپیوسته اي ایجاد می شود که نقش ترك را بازي می کنند. فصل مشترك گرافیت با این فازهاي نرم می تواند محل مناسبی براي جوانه زنی ترك ها به خصوص تحت تنش هاي تناوبی باشد. علاوه براینها، در جاهائی که به استحکام بالائی نیاز است ریزساختارهاي فریتی و فریتی-پرلیتی نمی توانند جوابگو باشند.
یک راه حل پیشگیري از تاثیرات منفی فاز نرم فریت، می تواند ایجاد ساختار زمینه دوفازي باشد. وجود فاز سخت مارتنزیت یا بینایت با افزایش مقاومت در برابر سایش خراشی می توانددر کنار گرافیت اثر هم افزائی بر بهبود مقاومت به سایش داشته و سبب شود مقاومت به سایش بالاتري حاصل گردد. با ایجاد فولادهاي گرافیتی دوفازي چشم سخت می توان تا حد زیادي از انتقال تنش ها و کرنش ها به کره هاي گرافیتی جلوگیري کرد چون در چنین حالتی فاز سخت به صورت یک حلقه در اطراف کره هاي گرافیتی ایجاد می شود و از انتقال تنش به آنها جلوگیري می کند. در چدن هاي نشکن شرایط ایجاد ساختارهاي زمینه دوفازي چشم نرم و چشم سخت بررسی شده است.
اما طی جستجو در منابع علمی در دسترس به جز نتایج گزارش شده توسط کیانی رشید و همکارانش در خصوص فولاد هایپریوتکتوئیدي [8CK100] ،گزارش دیگري در مورد فولادهاي گرافیتی دو فازي به خصوص فولادهاي گرافیتی دوفازي هیپویوتکتوئیدي یافت نشد. تحقیق حاضر به منظور تعیین شرایط عملیات حرارتی منجر به ایجاد ساختار گرافیتی دوفازي در فولاد هیپویوتکتوئیديCK45انجام گردیددر این مقاله نتایج بررسی هاي ریزساختاري نمونه هاي فولادCK45 بعد از اعمال چرخه هاي مختلف عملیات حرارتی ارائه شده است.
روش تحقیق
ابتدا نمونه هاي استوانه اي به ضخامت 3 mm با برش یک میله ي فولادي به قطر 20 mm تهیه شدند. فولاد مورد استفاده از نوع CK45بوده و ترکیب شیمیایی آن به روش اسپکترومتري نشري مطابق با استاندارد ASTM E- 415-08تعیین شد
جدول :1 ترکیب شیمیایی فولاد مورد استفاده در تحقیق حاضر - درصد وزنی -
