فرم کلی
محاسبه وزن لوله و پروفيل
  1. اندازه اسمي قطر لوله (D)
  2. ضخامت (T)
  3. وزن محاسبه شده:
 
  • نشان استاندارد ایران
  • نشان استاندارد ایزو 9001
  • نشان استاندارد ایزو 14001
  • نشان استاندارد ایزو 18001
پرینت

همه چیز درباره فولاد

. ارسال شده در مقالات عمومی. بازدید: 66

اصطلاح فولاد براي آلياژهاي آهن که بين ۰/۰۲۵ تا حدود ۲ درصد کربن دارند بکار مي‌رود فولادهاي آلياژي غالبا با فلزهاي ديگري نيز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عمليات حرارتي انجام شده بر روي آن و فلزهاي آلياژ دهنده موجود در آن بستگي دارد.

کاربرد انواع مختلف فولاد

از فولادي که تا 0.2 درصد کربن دارد، براي ساختن سيم، لوله و ورق فولاد استفاده مي‌شود. فولاد متوسط 0.2 تا 0.6 درصد کربن دارد و آن را براي ساختن ريل، ديگ بخار و قطعات ساختماني بکار مي‌برند. فولادي که 0.6 تا 1.5 درصد کربن دارد، سخت است و از آن براي ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده مي‌شود.

ناخالصي‌هاي آهن و توليد فولاد

آهني که از کوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود که داراي مقاديري کربن، گوگرد، فسفر، سيليسيم، منگنز و ناخالصي‌هاي ديگر است.

در توليد فولاد دو هدف دنبال مي‌شود:

•سوزاندن ناخالصي‌هاي چدن •افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر و سيليسيم در چدن مذاب توسط هوا يا اکسيژن به اکسيد تبديل مي‌شوند و با کمک ذوب مناسبي ترکيب شده، به صورت سرباره خارج مي‌شوند. گوگرد به صورت سولفيد وارد سرباره مي‌شود و کربن هم مي‌سوزد و مونوکسيد کربن (CO) يا دي‌اکسيد کربن (CO2) در مي‌آيد. چنانچه ناخالصي اصلي منگنز باشد، يک کمک ذوب اسيدي که معمولا دي‌اکسيد سيلسيم (SiO2) است، بکار مي‌برند:

•(MnO + SiO2 ——→ MnSiO3(l

و چنانچه ناخالصي اصلي سيلسيم يا فسفر باشد (و معمولا چنين است)، يک کمک ذوب بازي که معمولا اکسيد منيزيم (MgO) يا اکسيد کلسيم (CaO) است، اضافه مي‌کنند:

•(MgO + SiO2 ——→ MgSiO2(l

(6MgO + P4O10 ——→ 2Mg3(PO4)2(l

کوره توليد فولاد و جدا کردن ناخالصي‌ها

معمولا جداره داخلي کوره‌اي را که براي توليد فولاد بکار مي‌رود، توسط آجرهايي که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، مي‌پوشانند. اين پوششي مقداري از اکسيدهايي را که بايد خارج شوند، به خود جذب مي‌کند. براي جدا کردن ناخالصي‌ها، معمولا از روش کوره باز استفاده مي‌کنند. اين کوره يک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن 100 تا 200 تن آهن مذاب جاي مي‌گيرد.

بالاي اين ظرف، يک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روي سطح فلز مذاب منعکس مي‌کند. جريان شديدي از اکسيژن را از روي فلز مذاب عبور مي‌دهند تا ناخالصي‌هاي موجود در آن بسوزند.

در اين روش ناخالصيها در اثر انتقال گرما در مايع و عمل پخش به سطح مايع مي‌آيند و عمل تصفيه چند ساعت طول مي‌کشد، البته مقداري از آهن، اکسيد مي‌شود که آن را جمع‌آوري کرده، به کوره بلند باز مي‌گردانند.

روش ديگر جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن

در روش ديگري که از همين اصول شيميايي براي جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن استفاده مي‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره‌اي بشکه مانند که گنجايش 300 تن بار را دارد، مي‌ريزند.

جريان شديدي از اکسيژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدايت مي‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه‌اي از فلز مذاب را در معرض اکسيژن قرار مي‌دهند.

اکسايش ناخالصي‌ها بسيار سريع صورت مي‌گيرد و وقتي محصولات گازي مانند CO2 رها مي‌شوند، توده مذاب را به هم مي‌زنند، بطوري که آهن ته ظرف، رو مي‌آيد. دماي توده مذاب، بي آنکه از گرماي خارجي استفاده شود، تقريبا به دماي جوش آهن مي‌رسد و در چنين دمايي، واکنشها فوق‌العاده سريع بوده، تمامي‌ اين فرايند، در مدت يک ساعت يا کمتر کامل مي‌شود و معمولا محصولي يکنواخت و داراي کيفيت خوب بدست مي‌آيد.

تبديل آهن به فولاد آلياژي

آهن مذاب تصفيه شده را با افزودن مقدار معين کربن و فلزهاي آلياژ دهنده مثل واناديم، کروم، تيتانيم، منگنز و نيکل به فولاد تبديل مي‌کنند. فولادهاي ويژه ممکن است موليبدن، تنگستن يا فلزهاي ديگر داشته باشند.

اين نوع فولادها براي مصارف خاصي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در دماي زياد، آهن و کربن با يکديگر متحد شده، کربيد آهن (Fe3C) به نام «سمنتيت» تشکيل مي‌دهند. اين واکنش، برگشت‌پذير و گرماگير است: • Fe3C ←—— گرما + 3Fe + C

هرگاه فولادي که داراي سمنتيت است، به کندي سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکيل آهن و کربن، جابجا شده، کربن به صورت پولکهاي گرافيت جدا مي‌شود. اين مکانيزم در چدن‌ها که درصد کربن در آنها بيشتر است، اهميت بيشتري دارد. برعکس، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتا به شکل سمنتيت باقي مي‌ماند. تجزيه سمنتيت در دماي معمولي به اندازه‌اي کند است که عملا انجام نمي‌گيرد.

تهيه فولاد

اطلاعات اوليه محصول کوره ذوب آهن ، چدن است که معمولا داراي ناخالصي کربن و مقادير جزئي ناخالصي‌هاي ديگر است که به نوع سنگ معدن و ناخالصي‌هاي همراه آن و همچنين به چگونگي کار کوره بلند ذوب آهن بستگي دارد. از آنجايي که مصرف عمده آهن در صنعت بصورت فولاد است، از اين رو ، بايد به روش مناسب چدن را به فولاد تبديل کرد که در اين عمل ناخالصي‌هاي کربن و ديگر ناخالصي‌ها به مقدار ممکن کاهش ‌يابند

روشهاي تهيه فولاد

•روش بسمه:

در اين روش ناخالصي‌هاي موجود در چدن مذاب را به کمک سوزاندن در اکسيژن کاهش داده و آن را به فولاد تبديل مي‌کنند. پوشش جدار داخلي کوره بسمه از سيليس يا اکسيد منيزيم و گنجايش آن در حدود 15 تن است.

نحوه کار کوره به اين ترتيب است که جرياني از هوا را به داخل چدن مذاب هدايت مي‌کنند، تا ناخالصي‌هاي کربن و گوگرد به صورت گازهاي SO2 و CO2 از محيط خارج شود و ناخالصي‌هاي فسفر و سيليس موجود در چدن مذاب در واکنش با اکسيژن موجود در هوا به صورت اکسيدهاي غير فرار P4O10) و (SiO2 جذب جدارهاي داخلي کوره شوند و به ترکيبات زودگداز Mg3(PO4)2 و MgSiO3 تبديل و سپس به صورت سرباره خارج شوند.

سرعت عمل اين روش زياد است، به همين دليل کنترل مقدار اکسيژن مورد نياز براي حذف دلخواه ناخالصي‌هاي چدن غيرممکن است و در نتيجه فولاد با کيفيت مطلوب و دلخواه را نمي‌توان به اين روش بدست آورد.

•روش کوره باز (يا روش مارتن : در اين روش براي جدا کردن ناخالصي‌هاي موجود در چدن ، از اکسيژن موجود در زنگ آهن يا اکسيد آهن به جاي اکسيژن موجود در هوا در روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصي‌هايي مانند کربن ، گوگرد و غيره) استفاده مي‌شود.

براي اين منظور از کوره باز استفاده مي‌شود که پوشش جدار داخلي آن از MgO و CaO تشکيل شده است و گنجايش آن نيز بين 50 تا 150 تن چدن مذاب است. حرارت لازم براي گرم کردن کوره از گازهاي خروجي کوره و يا مواد نفتي تأمين مي‌شود.

براي تکميل عمل اکسيداسيون ، هواي گرم نيز به چدن مذاب دميده مي‌شود. زمان عملکرد اين کوره طولاني‌تر از روش بسمه است. از اين نظر مي‌توان با دقت بيشتري عمل حذف ناخالصي‌ها را کنترل کرد و در نتيجه محصول مرغوب‌تري به دست آورد.

•روش الکتريکي : از اين روش در تهيه فولادهاي ويژه‌اي که براي مصارف علمي ‌و صنعتي بسيار دقيق لازم است، استفاده مي‌شود که در کوره الکتريکي با الکترودهاي گرافيت صورت مي‌گيرد. از ويژگي‌هاي اين روش اين است که احتياج به ماده سوختني و اکسيژن ندارد و دما را مي‌توان نسبت به دو روش قبلي ، بالاتر برد.

اين روش براي تصفيه مجدد فولادي که از روش بسمه و يا روش کوره باز بدست آمده است، به منظور تبديل آن به محصول مرغوبتر ، بکار مي‌رود. براي اين کار مقدار محاسبه شده‌اي از زنگ آهن را به فولاد به دست آمده از روشهاي ديگر ، در کوره الکتريکي اضافه کرده و حرارت مي‌دهند.

در اين روش ، براي جذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده‌اي اکسيد کلسيم و براي جذب اکسيژن محلول در فولاد مقدار محاسبه شده‌اي) آلياژ فروسيليسيم (آلياژ آهن و سيليسيم اضافه مي‌کنند.

انواع فولاد و کاربرد آنها

از نظر محتواي کربن ، فولاد به سه نوع تقسيم مي‌شود:

•فولاد نرم : اين نوع فولاد کمتر از 2/0 درصد کربن دارد و بيشتر در تهيه پيچ و مهره ، سيم خاردار و چرخ دنده ساعت و … بکار مي‌رود. •فولاد متوسط : اين فولاد بين 2/0تا 6/0 درصد کربن دارد و براي تهيه ريل و راه آهن و مصالح ساختماني مانند تيرآهن مصرف مي‌شود.

•فولاد سخت : فولاد سخت بين 6/0 تا 6/1 درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و براي تهيه فنرهاي فولادي ، تير ، وسايل جراحي ، مته و … بکار مي‌رود.

کاربرد انواع مختلف فولاد

از فولادي که تا 0.2 درصد کربن دارد، براي ساختن سيم ، لوله و ورق فولاد استفاده مي‌شود. فولاد متوسط 0.2 تا 0.6 درصد کربن دارد و آن را براي ساختن ريل ، ديگ بخار و قطعات ساختماني بکار مي‌برند. فولادي که 0.6 تا 1.5 درصد کربن دارد، سخت است و از آن براي ساختن ابزارآلات ، فنر و کارد و چنگال استفاده مي‌شود.

ناخالصي‌هاي آهن و توليد فولاد

آهني که از کوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود که داراي مقاديري کربن ، گوگرد ، فسفر ، سيليسيم ، منگنز و ناخالصي‌هاي ديگر است. در توليد فولاد دو هدف دنبال مي‌شود:

1.سوزاندن ناخالصي‌هاي چدن 2.افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن منگنز ، فسفر و سيليسيم در چدن مذاب توسط هوا يا اکسيژن به اکسيد تبديل مي‌شوند و با کمک ذوب مناسبي ترکيب شده ، به صورت سرباره خارج مي‌شوند.

گوگرد به صورت سولفيد وارد سرباره مي‌شود و کربن هم مي‌سوزد و مونوکسيد کربن (CO) يا دي‌اکسيد کربن (CO2) در مي‌آيد. چنانچه ناخالصي اصلي منگنز باشد، يک کمک ذوب اسيدي که معمولا دي‌اکسيد سيلسيم (SiO2) است، بکار مي‌برند: (MnO + SiO2 ——→ MnSiO3(l

و چنانچه ناخالصي اصلي سيلسيم يا فسفر باشد (و معمولا چنين است)، يک کمک ذوب بازي که معمولا اکسيد منيزيم (MgO) يا اکسيد کلسيم (CaO) است، اضافه مي‌کنند: (MgO + SiO2 ——→ MgSiO2(l

(6MgO + P4O10 ——→ 2Mg3(PO4)2(l

کوره توليد فولاد و جدا کردن ناخالصي‌ها

معمولا جداره داخلي کوره‌اي را که براي توليد فولاد بکار مي‌رود، توسط آجرهايي که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، مي‌پوشانند. اين پوششي مقداري از اکسيدهايي را که بايد خارج شوند، به خود جذب مي‌کند.

براي جدا کردن ناخالصي‌ها، معمولا از روش کوره باز استفاده مي‌کنند. اين کوره يک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن 100 تا 200 تن آهن مذاب جاي مي‌گيرد.

بالاي اين ظرف ، يک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روي سطح فلز مذاب منعکس مي‌کند. جريان شديدي از اکسيژن را از روي فلز مذاب عبور مي‌دهند تا ناخالصي‌هاي موجود در آن بسوزند.

در اين روش ناخالصيها در اثر انتقال گرما در مايع و عمل پخش به سطح مايع مي‌آيند و عمل تصفيه چند ساعت طول مي‌کشد، البته مقداري از آهن ، اکسيد مي‌شود که آن را جمع‌آوري کرده، به کوره بلند باز مي‌گردانند.

روش ديگر جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن

در روش ديگري که از همين اصول شيميايي براي جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن استفاده مي‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره‌اي بشکه مانند که گنجايش 300 تن بار را دارد، مي‌ريزند.

جريان شديدي از اکسيژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدايت مي‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه ، همواره سطح تازه‌اي از فلز مذاب را در معرض اکسيژن قرار مي‌دهند.

اکسايش ناخالصي‌ها بسيار سريع صورت مي‌گيرد و وقتي محصولات گازي مانند CO2 رها مي‌شوند، توده مذاب را به هم مي‌زنند، بطوري که آهن ته ظرف ، رو مي‌آيد.

دماي توده مذاب ، بي آنکه از گرماي خارجي استفاده شود، تقريبا به دماي جوش آهن مي‌رسد و در چنين دمايي ، واکنشها فوق‌العاده سريع بوده ، تمامي‌ اين فرايند ، در مدت يک ساعت يا کمتر کامل مي‌شود و معمولا محصولي يکنواخت و داراي کيفيت خوب بدست مي‌آيد.

تبديل آهن به فولاد

آهن مذاب تصفيه شده را با افزودن مقدار معين کربن و فلزهاي آلياژ دهنده مثل واناديم ، کروم ، تيتانيم ، منگنز و نيکل به فولاد تبديل مي‌کنند. فولادهاي ويژه ممکن است موليبدن ، تنگستن يا فلزهاي ديگر داشته باشند.

اين نوع فولادها براي مصارف خاصي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در دماي زياد ، آهن و کربن با يکديگر متحد شده، کربيد آهن (Fe3C) به نام «سمانتيت» تشکيل مي‌دهند. اين واکنش ، برگشت‌پذير و گرماگير است:

Fe3C ←—— گرما + 3Fe + C هرگاه فولادي که داراي سمانتيت است، به کندي سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکيل آهن و کربن ، جابجا شده ، کربن به صورت پولکهاي گرافيت جدا مي‌شود و به فلز ، رنگ خاکستري مي‌دهد.

برعکس ، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتا به شکل سمانتيت که رنگ روشني دارد، باقي مي‌ماند. تجزيه سمانتيت در دماي معمولي به اندازه‌اي کند است که عملا انجام نمي‌گيرد.

فولادي که داراي سمانتيت است، از فولادي که داراي گرافيت است، سخت‌تر و خيلي شکننده‌تر است. در هر يک از اين دو نوع فولاد ، مقدار کربن را مي‌توان در محدوده نسبتا وسيعي تنظيم کرد.

همچنين ، مي‌توان مقدار کل کربن را در قسمتهاي مختلف يک قطعه فولاد تغيير داد و خواص آن را بهتر کرد. مثلا بلبرينگ از فولاد متوسط ساخته شده است تا سختي و استحکام داشته باشد و ليکن سطح آن را در بستري از کربن حرارت مي‌دهند تا لايه نازکي از سمانتيت روي آن تشکيل گردد و بر سختي آن افزوده شود.

در روش برينل يك ساچمه از كاربيد تنگستن يا فولاد (پركربن يا سمانته آب داده شده) به قطر (D) روي جسم با نيروي (P) به مدت ثابتي (10 ثانيه براي آلياژهاي آهني و 30 تا 60ثانيه براي آلياژهاي غير آهني) توسط ماشين مربوطه، فشار ايجاد مي كند.

از تقسيم نيروي وارد بر سطح ايجاد شده (سطح عرقچين كروي) عدد سختي در اين روش بدست مي آيد(شكل 25-2). سختي برنيل را به اختصار با BHN نمايش ميدهند.

مقدار اين سختي از رابطه‌ي زير بدست مي آيد:

كه در آن عبارت است از نيروي وارد به ساچمه (بار) و A سطح عرقچين كروي ايجاد شده روي فلز يا آلياژ موردآزمايش است. از طرفي سطح عرقچين كروي با توجه به شكل اخير چنين است:

در اين روابط t عبارت از عمق فرورفتگي (نفوذ ساچمه در فلز يا آلياژ) و d قطر دايره‌ي اثر است. به اين ترتيب مي توان سختي برينل را از رابطه‌ي زير محاسبه و تعيين كرد.

ضخامت نمونه‌ي مورد آزمايش بايد حداقل 10 برابر عمق فرورفتگي ساچمه در فلز نمونه باشد يعني:

حداكثر عدد سختي برينل براي اندازه گيري سختي فلزات آهني، فلزات غير آهني و آلياژهاي آن ها Mpa 4500 (تقريباً kgf/mm 450 ) است.

تجربه نشان داده است كه بين عدد سختي برينل و تنش كششي ماكزيمم u رابطه‌ي تقريبي زير برقرار است(اين رابطه براي فولادهاي پركربن، فولادهاي سمانته و همچنين فلزات غير آهني صدق نميكند): BHN×k=u كه در آن Kضريبي است كه به جنس آلياژ مربوط مي شود.

مثلاً براي فولاد نورد شده36/0=K و براي فولاد ريختگي K بين 3/0 تا 4/0 متغير است. بايد دانست كه رابطه‌ي اخير براي اجسامي كه تقليل سطح نسبي آنها زيادتر است بيش تر صدق ميكند.

در عمل براي تعيين عدد سختي بعضي از فلزات و آلياژها مي توان از روابط بهتري كه ذيلاً آمده است استفاده كرد. فولاد با سختي 125 تا 175 برينل BHN 343/0= u فولاد با سختي بيش تر از 175 برينل BHN 362/0= u آلومينيوم ريختگي BHN 26/0= u

مس ، برنج، برنز: آنيل شده BHN 55/0= u كار سرد شده BHN 40/0= u

دور آلومين:‌ آنيل شده BHN 36/0= u سخت شده و پير سختي BHN 35/0= u در اين دستگاه ابتدا نمونه را روي سندان مي گذاريم. سپس گيره‌ي متحرك (چرخشي) را آنقدر مي گردانيم تا سندان بالا بيايد و نمونه‌ي روي آن با ساچمه تماس پيدا كند.

در اين هنگام الكتروموتور را بكار مي اندازيم تا وزنه آزاد شده و نيروي لازم توسط وزنه، به تدريج ساچمه را روي نمونه فشار دهد. زمان اعمال اين فشار در جدول 2-2 براي قطرهاي مختلف ساچمه (و ساير عوامل) درج شده است.

پس از آن كه فشار لازم ايجاد شد و دايره‌ي اثر روي نمونه بوجود‌ آمد، جهت حركت الكتروموتور را عوض مي كنيم تا نيروي وزنه قطع شود. اكنون مي توانيم گيره‌ي متحرك را بطور ورانه بگردانيم و سندان را پايين بياوريم. نمونه كه دايره‌ي اثر روي آن ايجاد شده است، براي اندازه گيري و تعيين قطر d توسط ميكروسكوپ ميكرومتر آماده است.

معمولاً دستگاههاي آزمايش سختي برينل جداولي بصورت ضميمه (پلاك) دارند. به كمك اين جدول‌ها و اندازه قطر دايره‌ي اثر به سهولت و به سرعت عدد سختي برينل معلوم مي شود(بدون استفاده از فرمول و محاسبه).

عمليات حرارتي بازپخت: (anealing)

اين عمليات را براي 1-از بين بردن اثر سخت‌كاري 2-اصلاح ساختار داخلي 3-افزايش قابليت ماشين‌كاري 4-افزايش قابليت شكل‌پذيري 5-حذف تنش‌هاي داخلي 6-همگن كردن ساختار داخلي كه عبارت است از گرم كردن قطعه تا درجه حرارتي معين نگهداري در اين درجه حرارت (همانند سخت‌كاري) و سپس سرد كردن آرام (سرد كردن در داخل كوره).

بازپخت حين عمليات شكل دادن:

در موقع شكل دادن فلزات از جمله فولاد سخت مي‌شوند و براي انجام بهتر عمليات شكل دادن اين بازپخت انجام مي‌شود عبارت است از حرارت دادن قطعه تا درجه حرارتي نزديك AC1 حدود 700 درجه و سپس سرد كردن آرام).

بازپخت كروي كردن سمنت:

اين بازپخت براي افزايش قابليت ماشين‌كاري انجام مي‌شود و عبارت است از حرارت دادن قطعه تا نزديك AC1 حدود 700، نگهداري به مدت طولاني در اين درجه حرارت و سپس سرد كردن آرام. در اثر اين عمليات سمنت ساختار داخلي از شكل لايه‌اي به صورت كروي درامده و در نتيجه قابليت ماشي‌كاري يا براده‌برداري افزايش مي‌يابد.

بازپخت ايزوترم با منقطع:

معمولا در فولادهاي آلياژي كم كردن زمان بازپخت از اين روش استفاده مي‌شود. در اين عمليات ابتدا قطعه را مانند بازپخت كامل حرارت داده و سپس از نگه‌داري ابتدا تا 600 درجه سانتي‌گراد آن را سرد مي‌كنيم (به وسيله انتقال به كوره ديگر و يا در هوا) در 600 مدتي نگه داشته تا تتغييرات ساختاري انجام شود سپس آن را از كوره در آورده و در هوا تا دماي محيط سرد مي‌كنيم مزيت اين نوع بازپخت اين است كه زمان عمليات كاهش مي‌يابد.

بازپخت ناقص:

اين نوع بازپخت نيز براي افزايش قابليت ماشين‌كاري سردي قطعات انجام مي‌شود و عبارت است از حرارت دادن قطعه تا درجه حرارتي بين AC1 و AC3 .نگهداري در اين درجه حرارت و سپس سرد كردن آرام.

بازپخت همگن كردن ساختار داخلي: اين بازپخت براي همگن كردن ساختار داخلي قطعات توليد شده از روش ريخته‌گري انجام مي‌شود. به اين ترتيب كه قطعه فولادي را به ميزان 150 تا 250 درجه بالاي AC3 و يا ACM حرارت دادن و پس از نگه‌داري آن را به آرامي سرد مي‌كنيم.

علت بالا بودن درجه حرارت در اين عمليات اين است كه فقط در اين درجه حرارت‌هاي بالا عمليات نفوذ اتمها يا (ديفوزيون). انجام مي‌شود.

عمليات حرارتي نرمال كردن Normalizing:

اين عمليات براي طبيعي كردن و اصلاح ساختار داخلي براي قطعات فولادي انجام مي‌شود و علارت است: 1-حرارت دادن قطعه تا درجه حرارتي به ميزان 50 تا 60 درجه سانتي‌گراد بالاي AC3 يا ACM نگهداري در اين درجه حرارت و سپس سرد كردن در هوا.

عوامل موثر بر سختی پذیری

برای بررسی عوامل موثر بر سختی پذیری (Hardenability Parameters) باید به عوامل موثر بر دگرگونی پرلیت توجه داشت. در صورتی سختی پذیری یک فولاد زیاد است که حتی در آهنگ‌ های سرد شدن نسبتا آهسته نیز دگرگونی نفوذی تشکیل پرلیت انجام نشده و آستنیت به مارتنزیت تبدیل شود.

برعکس در فولاد هایی که سختی پذیری آن ها کم است، تشکیل مارتنزیت مستلزم سرد شدن سریع است. در هر دو حالت، پارامتر محدود کننده، آهنگ تشکیل پرلیت در دماهای بالاست.

به طور کلی هر عاملی که خطوط تشکیل پرلیت در نمودار CCT را به سمت راست منتقل کند امکان تشکیل مارتنزیت در آهنگ‌های سرد شدن کمتر را فراهم می‌کند. بنابراین، انتقال دماغه نمودار CCT به سمت راست همراه با افزایش سختی پذیری است.

به بیان دیگر می‌توان گفت، هر عاملی که باعث کاهش آهنگ جوانه‌ زنی و رشد پرلیت شود (زمان لازم برای جوانه زنی و رشد پرلیت را افزایش دهد) سختی پذیری را در فولادها افزایش می‌ دهد. این عوامل عبارت‌اند از: 1- اندازه دانه های آستنیت 2- درصد کربن 3- عناصر آلیاژی 4- آخال - ناخالصی های غیر فلزی 5- همگن بودن ریز ساختار

اثر اندازه دانه های آستنیت بر سختی پذیری

اثر اندازه دانه‌ ها بر روی سختی پذیری باتوجه به جوانه زنی ناهمگن پرلیت از مرز دانه‌ های آستنیت توضیح داده می‌ شود. در حالی که آهنگ رشد پرلیت مستقل از اندازه دانه‌ های آستنیت است، تعداد جوانه‌هایی که در واحد زمان (ثانیه) تشکیل می‌شود مستقیما با محل‌های مناسب برای تشکیل آنها (مرز دانه‌ها) متناسب است.

از آنجایی که با ریز شدن دانه‌ها کل سطوح مربوط به مرز دانه‌ها افزایش می‌یابد، در یک فولاد با دانه‌ های ریز تشکیل پرلیت به مراتب سریع‌ تر از یک فولاد با دانه‌ های درشت است. در نتیجه سختی پذیری فولاد با دانه‌های ریز کمتر از سختی پذیری فولاد با دانه‌های درشت خواهد بود.

لیکن، استفاده از فولاد با دانه‌ های درشت به منظور افزایش سختی پذیری عملا کاربرد صنعتی ندارد، زیرا افزایش سختی پذیری از این روش با تغییرات ناخواسته و زیان آور در خواص فولاد نظیر افزایش تردی و کاهش انعطاف پذیری همراه است.

از جمله معایب دیگر که بیشتر در فولادهای دانه درشت به وجود می‌آید عبارت است از: ترک‌های ناشی از سریع سرد کردن یا ترک‌ های ناشی از شوک‌ های حرارتی که در اثر تنش‌ های حاصل از عملیات حرارتی به وجود می‌ آیند.

اثر درصد کربن بر سختی پذیری

سختی پذیری یک فولاد شدیدا تحت تأثیر درصد کربن آن تغییر می‌ کند. بدین صورت که اگر کربن به صورت محلول در آستنیت باشد، افزایش آن باعث افزایش سختی پذیری می‌شود. دلیل این امر را می‌ توان در این حقیقت جستجو کرد که با افزایش درصد کربن تشکیل پرلیت و فاز پرویوتکتویید مشکل‌ تر شده و در نتیجه نمودار CCT به سمت راست جابه‌جا می‌ شود.

این موضوع نه تنها برای فولاد های هیپویوتکتویید، بلکه برای فولاد های هایپریوتکتویید که قبل از سریع سرد شدن کاملاً آستنیته شده باشند نیز صادق است. برای سخت کردن فولادهای هایپریوتکتویید، آن ها را در ناحیه دوفازی آستنیت - سمنتیت آستنیته می‌ کنند.

در این حالت، درصد کمی از کربن در آستنیت حل نشده و به صورت سمنتیت پایدار باقی می‌ ماند. در ضمن سرد کردن ذرات سمنتیت حل نشده باعث افزایش جوانه زنی پرلیت و در نتیجه کاهش سختی ناپذیری می‌ شوند.

اثر عناصر آلیاژی بر سختی پذیری

عناصر آلیاژی به جز کبالت تا حدی که در آستنیت کاملا حل شده باشند سختی پذیری را افزایش می‌دهند. مشخص شده است که عناصری که میل ترکیبی آن ها با کربن بیشتر از تمایل آن ها به حل شدن در فریت باشد در صورتی بیشترین اثر را بر روی سختی پذیری دارند که قبل از سریع سرد شدن فولاد، در آستنیت کاملا حل شده باشند.

یک عنصر کاربید ساز که در آستنیت حل نشده باشد به صورت ذرات کاربید در ساختار ظاهر می‌شود و مانع از رشد دانه‌های آستنیت شده و در نتیجه سختی پذیری را کاهش خواهد داد.

کاربید های حل نشده، درصد کربن و عناصر آلیاژی محلول در آستنیت را نیز کاهش می‌ دهند. از این رو، برخی مواقع سریع سرد کردن فولاد از دمای بالاتر باعث افزایش عمق سختی فولاد می‌ شود.

در حقیقت افزایش دمای آستنیته کردن باعث انحلال کاربیدها و همچنین افزایش اندازه دانه‌ های آستنیت می‌ شود. در شکل زیر توزیع سختی در نمونه‌ های استوانه‌ ای به قطر یک اینچ از دو نوع فولاد، یکی کربنی ساده با 0.9 درصد کربن و دیگری آلیاژی با 0.9 درصد کربن و 0.27 درصد وانادیم که از دما های مختلف سریع سرد شده اند، نشان داده شده است.

به طوری که ملاحظه می‌ شود اگر هر دو فولاد از یک دمای ثابت (975 درجه سانتیگراد یا 1800 درجه فارنهایت) سریع سرد شوند سختی پذیری فولاد کربنی ساده همواره بیشتر از فولاد وانادیم دار خواهد بود.

دلیل این امر را می‌ توان این گونه تشریح کرد که، رشد دانه‌ های آستنیت در فولاد وانادیم دار مستلزم انحلال کاربید های وانادیم بوده و بنابراین رشد دانه‌ ها در این فولاد به مراتب کندتر از فولاد کربنی ساده است، مگر در دماهای بالا که کاربیدهای وانادیم در آستنیت حل شوند.

از طرفی عدم انحلال رسوبات کاربید باعث کاهش درصد کربن و وانادیم فولاد شده که منجر به کاهش بیشتر سختی پذیری فولاد وانادیم دار می‌ شود.

توزیع سختی در میله‌هایی از جنس فولاد کربنی ساده (سمت چپ) و فولاد وانادیم دار (سمت راست) به قطر یک اینچ برحسب دمای آستنیته کردن و عدد اندازه دانه

از مطالعه شکل فوق مشخص است که سختی پذیری فولاد کربنی ساده با اندازه ی دانه 4-5 ASTM تقریبا با سختی پذیری فولاد وانادیم دار با اندازه دانه 7-8 ASTM برابر است. دمای آستنیته کردن 900 درجه سانتیگراد (1650 درجه ی فارنهایت) مربوط به فولاد وانادیم دار بر دمای شروع انحلال کاربیدهای وانادیم در آستنیت منطبق است.

در حقیقت اولین اثر قابل توجه انحلال کاربید وانادیم در آستنیت افزایش سختی پذیری فولاد مزبور است. میزان افزایش سختی پذیری در این حالت با اثر 3 عدد اندازه دانه (یعنی از 7 یا 8 به 4 یا 5) معادل است.

در دماهای بالاتر نظیر 975 درجه سانتیگراد (1800 درجه فارنهایت) که درصد بیشتری از وانادیم در آستنیت حل می‌ شود، اندازه دانه‌ ها در فولاد وانادیم دار به 4 تا 5 رسیده، درصد کربن و وانادیم فولاد افزایش یافته و سختی پذیری آن حتی از فولاد کربنی ساده با عدد اندازه دانه 1-2 نیز بیشتر می‌ شود.

با افزایش بیشتر دمای آستنیته کردن، کاربیدهای بیشتری در فولاد حل می‌ شود، در نتیجه اندازه دانه‌ های فولاد وانادیم دار به سمت اندازه دانه‌ های فولاد کربنی ساده میل کرده و حتی از آن هم بیشتر خواهد شد و بنابراین باعث سختی پذیری فوق العاده زیاد فولاد می‌ شود، به نحوی که برای نشان دادن آن نیاز به میله‌ هایی با قطر بیشتر از یک اینچ خواهد بود.

اثر آخال بر سختی پذیری آخال یا ناخالصی‌ های غیر فلزی به صورت ذرات بسیار ریز در ریزساختار فولاد توزیع شده و از رشد دانه‌ های آستنیت جلوگیری می‌ کنند. علاوه بر آن، این ذرات به عنوان محل‌ های تشکیل پرلیت عمل می‌ کنند و بنابراین جوانه زنی پرلیت از آستنیت را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌ دهند.

به این ترتیب، آخال ها سختی پذیری را کاهش خواهند داد. موارد زیادی وجود دارد که دانه‌ های یک فولاد با آستنیته شدن در دمای بالا درشت شده در حالی که سختی پذیری آن چندان بهبود نمی‌ یابد. این پدیده می‌ تواند ناشی از وجود آخال زیادی باشد که در ریزساختار فولاد همچنان باقی مانده و باعث سهولت جوانه زنی و تشکیل پرلیت می‌ شود.

اثر همگن بودن ریز ساختار بر سختی پذیری در حالی که کاربید آهن به راحتی در فاز آستنیت حل می‌شود، بعضی از کاربید های آلیاژی نظیر کاربید هایی که توسط کرم، مولیبدن و عناصر مشابه دیگر تشکیل می‌ شوند نرخ انحلال کمتری دارند.

بنابراین، برای اینکه انحلال کاربید های فوق در آستنیت به طور کامل انجام شود، گاهی نیاز است که فولاد در دمایی بالاتر و یا برای زمانی طولانی‌تر از فولاد کربنی ساده آستنیته شود. در مواردی که فولاد قبل از انحلال کامل کاربیدها و توزیع یکنواخت آنها در آستنیت سریع سرد شود، نواحی مختلف آستنیت از نظر ترکیب شیمیایی همگن نخواهد بود.

تحت چنین شرایطی سختی پذیری نقاطی که از نظر درصد کربن و عنصر آلیاژی فقیرند کم خواهد بود. از سوی دیگر نواحی پرکربن که از نظر درصد عنصر آلیاژی نیز غنی هستند از سختی پذیری خوبی برخوردار خواهند بود. بنابراین، به طور کلی ناهمگن بودن آستنیت از نظر ترکیب شیمیایی باعث کاهش سختی پذیری فولاد می‌ شود.

این عیب را می‌ توان با افزایش دما و یا زمان آستنیته کردن و در نتیجه انحلال بیشتر و یکنواخت‌ تر کاربیدها در آستنیت برطرف کرد.

تمامی حقوق این سایت برای شرکت فولاد مهر سهند محفوظ می باشد © 1393