بخشی از مقاله
چکیده
مفتولهاي فولادي زنگ نزن آستنیتی از یک زمینه آستنیتی تشکیل میشوند. این مفتولها از مقاومت به خوردگی و حرارت خوبی برخوردار بوده و به صورت گستردهاي در ساخت فنرها مورد استفاده قرار میگیرند، همچنین علاوه بر خواص اشاره شده خواص استحکامی بالا براي این نوع از فولادهاي زنگنزن در ساخت فنرها مورد نیاز میباشد. براي مفتولهاي زنگنزن آستنیتی رسیدن همزمان به خواص استحکامی بالا، مقاومت به خوردگی و مقاومت به حرارت مشکل میباشد.
در این پژوهش مفتول فنري جدید بهبود یافتهاي به کمک فرآیند ترمومکانیکی یعنی کشش مفتول و عملیات حرارتی همزمان با اضافه کردن مقادیر کمی نیتروژن به داخل فولاد AISI321 ساخته شده است که با افزایش پایداري زمینه آستنیت، مقاومت به خوردگی و حرارتی در کنار استحکام کششی بهبود بخشیده شده است. ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی، بررسی میکروساختار و شرایط خوردگی مفتول فنري بهبود یافته ارزیابی گردید و همچنین تستهاي کنترل کیفی مفتول فنري مطابق استاندارد ASTM A313 بر روي مفتول جدید انجام گرفت که حاکی از شرایط مناسب پذیرش مفتول جهت استفاده میباشد.
علت تغییر جنس از مفتولهاي فنري سیم پیان وایر به مفتولهاي فنري فولاد زنگنزن تقاضاي بازار و صنعت براي حذف ترکیبات کروم شش ظرفیتی حاصل از عملیات سطحی مقاوم کردن به خوردگی - پوشش اسید کرومیک مانند پوشش کرومات روي شش ظرفیتی - بوده است. فولاد زنگ نزن 321 که به طور گسترده استفاده می شود و داراي مقدار نیکل 8 تا 12 درصد می باشد پایداري زمینه آستنیتی
نسبتاً کمی دارد و با فرآیند کشش در این نوع از فولاد مارتنزیت القاء شده حاصل از تنش با سختی بسیار بالا ایجاد میگردد. از این رو فاکتورهاي مقاومت به خوردگی و مقاومت به حرارت با انجام چنین عملیاتی از بین میرود و رسیدن همزمان این دو خاصیت با یکدیگر امکانپذیر نمیباشد[2]. در این پژوهش یک نوع سیم فولاد زنگنزن بهبود یافته تولید و ساخته شده است که خواص استحکام بالا و مقاومت به خوردگی و حرارت به صورت همزمان حاصل شده است که این روش تولید شامل تکنولوژي همزمان کشیدن و عملیات حرارتی آن و افزودن مقدار کمی نیتروژن به داخل فولاد 321 براي افزایش پایداري زمینه آستنیتی میباشد.
مقدمه
مفتولهاي زنگنزن آستنیتی مانند 321 که متشکل از یک زمینه آستنیتی میباشند، مقاومت به خوردگی و حرارتی خوبی دارند و به طور گستردهاي در ساخت فنرها مورد استفاده قرار میگیرند. تنوع استفاده از این فنرها بسیار وسیع میباشد که از جمله آنها میتوان به تجهیزات الکترونیکی خانگی که نیاز به مقاومت به خوردگی دارند و یا فنرهایی که در پمپهاي محصولات بهداشتی نظیر شامپو و یا ظروف نگهدارنده استفاده میشوند، اشاره نمود.
[1] در سالهاي اخیر مباحث مربوط به استحکام بالا در فنرها در کنار مقاومت به خوردگی و مقاومت به حرارت بسیار مورد توجه قرار گرفته است. به طوري که در شکل1 اثر عناصر آلیاژي روي تنش تسلیم 0.2% فولاد آستنیتی Fe-Cr-Ni را نشان میدهد. در مقایسه با عناصر پایدارکننده فریت مثل Si و Mo که تشکیل محلولهاي جامد جانشینی میدهند، عناصر پایدارکننده آستنیتی مثل C و N تنش تسلیم 0.2% را به طور وسیعی بهبود میبخشد.
عملیات حرارتی
به منظور رسیدن به استحکام مورد نظر، با افزودن نیترژن دماي آنیل دما پایینی که به منظور از بین بردن کرنش ایجاد شده در فرآیند پیچیدن استفاده شده بود، مقداري از دماي معمول مورد استفاده بیشتر بود. شکل2 تغییرات استحکام کششی با پیرسازي آنیل دما پایین مفتول بهبود یافته و مفتول فنري زنگنزن 321 را نشان میدهد.
فرآیند کشش مفتول
ارتباط بین استحکام کششی و کرنش کششی مفتول جدید بهبود یافته و مفتول 321 قبل و بعد از فرآیند پیرسازي در شکل 3 نشان داده شده است. شیب گراف مفتول جدید بهبود یافته مشابه نوع 321 - کرنش کششی کمتر از - 0.2 میباشد. فولادهایی که پایداري فازي ندارند و مارتنزیت حاصل از تنش را حتی بعد از شروع یک فرآیند به صورت آهسته ایجاد میکنند و موجب سخت شدن میشوند، پس از فرآیند کشش و یا پیچش تمایل به از دست دادن تافنس دارند، بنابراین باید با دقت فراوانی عملیات کشش یا پیچیدن بر روي آنها انجام گیرد.[4] از آنجایی که کرنش کشش سیم 2 و یا بیشتر از آن است باید دقت داشت که شیب گراف مواد جدید بهبود یافته مقداري کمتر از نوع 321 میشود.
در حقیقت میتوان گفت که مارتنزیت حاصل از تنش در مفتول با جنس 321 در کرنش سیم 2 و یا بیشتر تولید میشود. این مورد نشان میدهد که فاز زمینه مواد جدید بهبود یافته حتی بعد از یک کرنش کششی زیاد القا شده بر روي آن همچنان پایدار است. وقتی که زمان پیرسازي، 30 دقیقه است پیک استحکام کششی مفتول نوع 321 در حدود 370°C قرار دارد - که همان دماي وقوع پیرکرنشی است - ولی پیک استحکام کششی در خصوص مفتول جدید بهبود یافته در حدود500°C ایجاد میشود.[3] که این دما در مقایسه با مفتولهاي زنگنزن فولادي معمول بیشتر میباشد.
به علاوه استحکام کششی در نتیجه فرآیند پیرسختی براي مفتول جدید بهبود یافته در حدود 400 MPa افزایش مییابد که بیشتر از نوع 321 است. به نظر میرسد که ترکیب شیمیایی علت پدیده ذکر شده در بالا باشد. از نظر نویسندگان این مقاله تشکیل اتمسفر به دلیل وجود مقادیر بیشتري از نیتروژن به وجود آمده است و باعث قفل نابجاییهاي لبه اي شده که حین فرآیند کشش مفتول بوجود آمده است. همچنین میتوان خوشههاي بیشتري از ترکیب Mo-N را رصد نمود.
بنابراین شرایط آنیل دما پایین براي این نوع مفتول در دماي 500°C به مدت 30 دقیقه در نظر گرفته شد. مقایسه استحکام کششی بعد از پیرسازي نشان میدهد که افزایش استحکام مفتول جدید بهبود یافته تقریبا معادل مفتول فنري از نوع رسوب سخت است . اثر پیرسختی به وجود آمده به علت کرنش ایجاد شده توسط کشش میباشد بنابراین میتوان اثر بیش از حد پیرسازي را وقتی که کرنش کششی زیاد باشد مشاهده نمود.[5] مشخص است که این موضوع به علت شکلگیري اتمسفر کاترل و وجود مقدار نابجاییهاي لبه اي میباشد، که با پیرکرنشی افزایش مییابد. موارد گفته شده در بالا مکانیسم استحکامدهی مفتول جدید بهبود یافته را تشریح نموده و مشخص است که تشکیل خوشه هاي Mo-N بر روي این موضوع تاثیرگذار میباشد.
میکروساختار
فولادهاي زنگنزن آستنیتی به طوري فرمولبندي شده و به روش ترمومکانیکی فرآیند سازي میشوند که ریز ساختار حاصله عموماً آستنیت باشد . وابسته به تعادل عناصر پایدارکننده فریت به پایدار کننده آستنیت، ریزساختار آلیاژ کارپذیر یا ریختگی، کاملاً آستنیتی یا مخلوطی از آستنیت و یا فریت خواهد بود. تصویر میکروسکوپ نوري از مفتول فنري جدید بهبود یافته کشیده شده و مفتول فنري 321 در شکلهاي 4 و 5 نشان داده شده است.
تصویر-4 نشان میدهد که مفتول بهبود یافته حتی پس از کشیده شدن، ریزساختار تک فاز آستنیتی خود را حفظ نموده و رسوبات و فاز دوم در آن به وجود نیامده است.که این امر پایداري زمینه این مواد را نشان میدهد.[6] اما در مفتول 321 در تصویر 5 به وضوح درصدي از فریت مشاهده میشود که وجود این مقدار فریت در ریزساختار کارپذیر میتواند داکتیلیتی و چقرمگی را کاهش دهد . همچنین میتواند مکان مرجعی براي رسوب کاربیدهاي M23C6 و فاز سیگما باشد که دومی یک عامل ترد کننده در فولادهاي زنگنزن است که این امر می تواند در حین فرآیند پیچیدن فنر باعث شکست و پاره شدن مفتول شود.
خواص مکانیکی
استحکام کششی شکل 6 ارتباط بین اندازه قطر مفتول و استحکام کششی مفتول جدید و مفتول 321 متداول بعد از پیر شدن را نشان میدهد. مقادیر عددي براي مفتول جدید بهبود یافته مقادیر اندازه گیري شده دقیق بعد از پیرسختی هستند و براي مفتول هاي متداول مقادیر حساب شده بر پایه ي مقادیر استحکام کششی استاندارد JIS مفتول زنگنزن میباشند.[7] عموما یک مفتول فنري فولادي تمایل دارد که هرچه اندازه قطر کوچکتر میشود، استحکام کششی آن افزایش یابد که همانطور که در شکل مشاهده میشود، در همه ابعاد استحکام کششی مفتول جدید بهبود یافته بزرگتر از نوع 321 است. پتانسیلی که در آن جریان شدیداً افزایش می یابد پتانسیل حفره دار شدن نامیده می شود و تصور می شود که این مقدار وقتی که مقاومت به خوردگی بالاست زیاد شود. اطلاعات اندازهگیري شده به وضوح نشان میدهد که پتانسیل حفرهدار شدن مفتول جدید بهبود یافته بالاتر از مفتول زنگ نزن 321 مقاوم به خوردگی است.
