امکان‌سنجی جایگزینی فولاد کروم‌دار

با توجه به اهمیت ارزان و در دسترس بودن فولادهای مورداستفاده در صنعت و مشکلات ناشی از تامین فولادهای نیکل‌دار، در زمینه جایگزینی فولاد کروم‌دار که در شرایط کارکرد قطعه، دارای عملکرد مناسبی مشابه با فولاد نیکل‌دار باشد، تحقیقی صورت گرفته است که نتایج آن را در این مقاله خواهید خواند.
برای این منظور، ضمن بررسی خواص فولادهای کروم و نیکل‌دار، روش‌های عملیات حرارتی آنها نیز بررسی شده و روش بهینه برای قطعه مورد نظر به دست آمده است. لذا برای مقایسه خواص فولادهای یادشده، ابتدا اثر عناصر آلیاژی بر خواص فولاد، به صورت مجزا و پس از آن شرایط کارکرد قطعه، خواص آن و روش عملیات حرارتی، بررسی شده است.
● خواص عناصر آلیاژی Cr و Ni در فولادها
▪ عنصر Ni:
ـ افزایش چقرمگی در دماهای پایین
ـ کاهش دماهای تغییر حالت
ـ پایدارکننده کاربید نیست
ـ ایجاد مقاومت فولاد در برابر خوردگی
ـ افزایش سختی‌پذیری
ـ کاهش قابل ملاحظه در هدایت حرارتی و الکتریکی
ـ افزایش استحکام در فولادهای کوئنچ نشده (آنیل شده)
ـ افزایش مقاومت در برابر ضربه
ـ ریزدانه شدن فولاد
ـ مناسب برای قطعه تحت ضربه و سایش
▪ عنصر Cr:
ـ کاهش چقرمگی
ـ کاربیدزا
ـ افزایش مقاومت سایشی
ـ افزایش استحکام در دمای بالا و مقاومت در برابر هیدروژن
ـ افزایش سختی‌پذیری
ـ روغن سخت و هوا سخت شدن فولاد
ـ کاهش قابل ملاحظه در هدایت حرارتی و الکتریکی
ـ کاهش سرعت سردکردن بحرانی برای تشکیل مارتنزیت
ـ اکسیدزدای خوب
ـ سهولت آهنگری فولاد
ـ افزایش قابلیت شکل‌پذیری فولاد
ـ افزایش مقاومت در برابر ضربه
● شرایط کاری قطعه موردنظر
با توجه به اینکه قطعه موردنظر در این تحقیق، در معرض نیروهای پیچشی بوده و به مقاومت سایشی بالا نیاز دارد، روش عملیات حرارتی مناسب برای تولید آن، سختکاری سطحی فولادهای کم‌کربن به روش کربورایزینگ گازی است.
● خواص متالورژیکی و مکانیکی موردنظر قطعه
۱) محدوده پذیرش سختی:
پس از عملیات حرارتی، محدوده پذیرش سختی در سطح ۵۸ تا ۶۲ HRC و در قسمت هزار خاری ۳۵ تا ۴۵ HRC است.
عمق موثر سختی، به ترتیب در ۲۵/۰ میلی‌متر و ۵/۰میلی‌متر از سطح حداقل ۶۵۵HV و ۵۱۴HV است.
سختی در مرکز قطعه ۲۶ تا ۴۱ HRC است.
۲) محدوده پذیرش تست‌های مکانیکی:
در تست پیچش، منطقه هزار خاری تحت نیروی مشخص، قبل از شکست پیچیده باشد.
در تست سایش، پس از اتمام چرخه با نیرو و تعداد چرخه تعیین شده در قطعه، هیچ‌گونه ترکی مشاهده نشود.
در تست خستگی، قطعه موفق به قبولی در این تست شده و پس از آن، دارای مقاومت لازم در برابر ضربه باشد.
با توجه به خواص متالورژیکی و مکانیکی یادشده و همچنین درنظرگرفتن شرایط کاری، جنس مورداستفاده در تولیدات سابق، از نوع فولاد کم‌کربن با حدود ۵/۱درصد نیکل است. شرایط این فولاد در ادامه تشریح خواهند شد.
● مشخصات فولاد نیکل‌دار
این فولاد بیشتر در کربن‌دهی به کار برده می‌شد. سختی قطعه پس از کوئنچ (بدون کربن‌دهی) تقریباً ۴۰ تا ۴۵HRC است. به دلیل وجود مقدار نیکل نسبتاً بالا در این فولاد، ایجاد فاز آستنیت باقی‌مانده، اجتناب‌ناپذیر است.
برای آهنگری قطعه، حداکثر تا دمای ۱۲۴۵درجه سانتی‌گراد حرارت داده می‌شود و در صورت کاهش دما، تا ۸۴۵سانتی‌گراد، دیگر قابلیت آهنگری نخواهد داشت.
از فولاد موردنظر، به ندرت در عملیات حرارتی سختکاری مستقیم (بدون کربن‌دهی) استفاده می‌شود، اما برای این کار، قطعه در دمای ۹۰۰درجه سانتی‌گراد آستنیته شده و سپس در روغن، کوئنچ می‌شود. نمودار سختی‌پذیری این فولاد در شکل شماره ۱ نشان داده شده است.
روش عملیات حرارتی کربن‌دهی گازی، نفوذ، کوئنچ و در نهایت تمپرینگ برای این فولاد، مطابق شکل شماره ۲ پیشنهاد شده است.
در این روش، فولاد در دمای ۹۲۵ درجه سانتی‌گراد در اتمسفر گازی با ۹/۰درصد کربن به مدت لازم نگهداری و سپس دمای کوره به ۸۴۵درجه سانتی‌گراد کاهش یافته تا پس از گذشت زمان مشخص، در مخزن روغن، کوئنچ شود.
سختی سطح و قسمت هزار خاری پس از کوئنچ در حدود ۶۳HRC است که پس از انجام فرایند تمپرینگ در دمای معین، سختی در محدوده ۵۸ تا ۶۲HRC قرار می‌گیرد.
با توجه به یکنواختی سختی در تمامی سطوح قطعه در محدوده مجاز و نیاز به گذراندن تست‌های مکانیکی، سختی در قسمت هزارخاری باید در محدوده ۳۵ تا ۴۵HRC باشد. لذا توسط روش القایی، سختی منطقه هزارخاری کاهش می‌یابد.
خواص مکانیکی این فولاد در شرایط مختلف در جدول شماره ۱ نشان داده شده است.
با توجه به توضیحات ارائه شده در بخش اشاره این مقاله، نیاز به تغییر جنس، از فولاد نیکل‌دار به فولادی دیگر احساس شد. به همین دلیل، فولادی که کاربردی مشابه با قطعه موردنظر داشته باشد، پیشنهاد شده و فولاد کروم‌دار در چرخه تولید قرار گرفت. بررسی خواص لازم، پس از عملیات حرارتی و تعیین چرخه عملیات حرارتی موردنیاز، برای تحقق خواص فولاد جدید، مطابق فولاد قبلی انجام گرفت.
● مشخصات فولاد کروم‌دار
در شکل شماره ۳ مشاهده می‌شود که فولاد کروم‌دار، از سختی‌پذیری بالاتری در مقایسه با فولاد نیکل‌دار، برخوردار است.
ابتدا، روش عملیات حرارتی، مطابق فولاد نیکل‌دار تعیین و انجام شد. معایب و محاسن روش یادشده عبارتند از:
سختی قطعه در قسمت سطح و هزارخاری، مشابه فولاد نیکل‌دار حاصل شد
سختی قطعه در مرکز قطعه نسبت به فولاد نیکل‌دار، بالاتر است
با توجه به دو پارامتر یادشده و حصول سختی بالا در مغز قطعه تولیدی، به منظور رفع مشکل پیشنهاد شد که دمای روغن کوئنچ افزایش یابد. پس از افزایش دمای روغن کوئنچ، سختی در قسمت مرکز قطعه کاهش یافت و مشابه فولاد نیکل‌دار شد.
در این روش، با توجه به وجود عنصر کروم در فولاد و به علت خاصیت هواسخت‌شدن فولاد، اجرای روش مطابق برنامه تنظیم شده برای فولاد نیکل‌دار، باعث افزایش سختی در منطقه هزارخاری شد. در نتیجه، با تغییر در برنامه و کاهش دما موفق به کاهش سختی در این منطقه شدیم.
با توجه به حصول نتایج مثبت در سختی سطح و مرکز و همچنین منطقه هزارخاری، قطعات تولیدی برای تست‌های مکانیکی، به آزمایشگاه فرستاده شدند.
ـ تست پیچش: در این آزمایش، نمونه تولیدی موفق به پاس کردن تست شد، اما نیروی لازم برای اعمال پیچش مناسب در محدوده بالایی حد پذیرش قرار گرفت. در صورتی که برای فولاد نیکل‌دار این مقدار نیرو در محدوده‌ای پایین قرار داشت.
ـ تست سایش: پس از انجام این آزمایش و ترک‌یابی نمونه، در قسمت هزارخاری ترک‌های ریزی مشاهده و قطعه در این تست مردود شد.
ـ تست خستگی: هنگام انجام این تست، قطعه دچار شکست شده و آزمون متوقف شد.
با بررسی در منطقه هزارخاری و تهیه پروفیل سختی، علت ردشدن قطعات در آزمون‌های سایش و خستگی، نفوذ کربن در منطقه هزارخاری تشخیص داده شد. لذا روش تولید مشابه با روش تولید فولاد نیکل‌دار برای فولاد کروم‌دار نامناسب تشخیص داده شد.
با توجه به بروز مشکل در منطقه هزارخاری در آزمون‌های سایش و خستگی که ناشی از نفوذ کربن بود، روش‌های مختلفی برای جلوگیری از نفوذ کربن بررسی شد. در نهایت سه روش زیر مورد آزمایش قرار گرفت:
ـ استفاده از رنگ نسوز (carbo stop)
ـ استفاده از کاور مسی
ـ افزایش قطر قطعه در منطقه هزارخاری قبل از کربورایزینگ
ـ استفاده از رنگ نسوز (carbo stop)
در این روش، استفاده از رنگ‌های خارجی و روش عملیات حرارتی مشابه فولاد نیکل‌دار، بسیار مفید بوده و مشکل را کاملا مرتفع می‌سازد، اما به علت گران‌بودن این نوع رنگ و مصرف بالا در تولید انبوه، تصمیم گرفته شد رنگ موردنظر در داخل کشور و توسط شرکت ساخته شود.
پس از بررسی‌های لازم و ساخت رنگ موردنظر، به علت دست‌ساز بودن رنگ و عدم یکنواختی پوشش به هنگام استفاده، نفوذ کربن در منطقه موردبحث، به صورت پراکنده مشاهده شد. این امر موجب عدم ثبات در روند تولیدشده و به همین دلیل مردود اعلام شد.
ـ استفاده از کاور مسی
با توجه به اینکه جلوگیری از نفوذ کربن توسط کاور مسی بخوبی انجام می‌گیرد و یکنواختی در قطعه نیز مشهود است، به علت طولانی بودن فرایند کاورزنی در مرحله کربورایزینگ و حذف کاور در مرحله کوئنچ و همچنین عدم ثبات در جلوگیری از نفوذ کربن که ناشی از متغیر بودن قطر قطعات و کاورهای مسی است، این روش نیز برای تولید انبوه مناسب تشخیص داده نشد.
ـ افزایش قطر قطعه در منطقه هزارخاری قبل از کربورایزینگ
با توجه به مشخص بودن عمق نفوذ کربن در قطعه، مقرر شد قطعات در مرحله کربورایزینگ در منطقه هزارخاری ماشینکاری نشده و قطر قطعه در این منطقه، در محدوده عمق نفوذ کربن باشد تا پس از انجام فرایند کربورایزینگ قطعه مجدداً روتراشی و ماشینکاری شده و پس از آن فرایند کوئنچ صورت پذیرد.
با این کار، منطقه کربوره شده در محل هزارخاری، حذف شده و پس از کوئنچ قطعه، سختی این منطقه در محدوده مجاز قرار می‌گیرد.
نمودار این فرایند در شکل۴ نشان داده شده است.
پس از انجام تست‌های لازم، مطابق آزمون‌های قبلی، نتایج به دست آمده مثبت و روش یادشده برای تولید انبوه مناسب تشخیص داده شد.
● نتیجه‌گیری
دو عنصر نیکل و کروم در فولادها، برای افزایش قابلیت سختی‌پذیری مناسب بوده، اما نیکل برای افزایش چقرمگی و کروم برای سختی‌پذیری، بیشتر مناسب است.
برای جلوگیری از افزایش سختی در مغز قطعه، یکی از روش‌های مناسب، کوئنچ یک مرحله‌ای است.
با انجام کوئنچ دومرحله‌ای، سطح فولاد ریزدانه شده و به همین دلیل سختی بالاتری می‌گیرد و مغز فولاد در مرحله دوم، به علت کاهش زمان و پایین بودن دما، به دمای آستنیته نرسیده و سختی کمتری می‌گیرد.
برای جلوگیری از نفوذ کربن، روش‌های مختلفی وجود دارد. سه روش ذکرشده در این تحقیق عبارتند از:
ـ استفاده از روکش رنگ‌نسوز (carbo stop)
ـ استفاده از پوشش مس
ـ استفاده از روش براده‌برداری از سطح کربوره شده
گرچه مراحل فرایند تولید با جایگزینی فولاد افزایش یافته، اما مقرون به صرفه بودن استفاده از مواد جایگزین و ساختار مناسب حاصل از یک مرحله‌ای شدن کوئنچ در فرایند عملیات حرارتی، این جایگزینی را قابل قبول کرده است.

نویسنده : کاشفی - زرگریان مقدم - موسوی
منابع:
۱. کتاب «عملیات حرارتی»، دکتر علی گلعذار.
۲. «عملیات حرارتی و مهندسی سطح»، دکتر محمدعلی گلعذار.
۳. HEAT TREATER&#۰۳۹;S GUIDE, HARRY CHANDLER.

منبع : ماهنامه صنعت خودرو