فولادهای قابل عملیات حرارتی ساده ی کربنی

فولادهای قابل عملیات حرارتی ساده ی کربنی:

فولادهای کربنی با ظرفیت بالایی هرروزه تولید میگردند و بدلیل تنوع و همه کاره بودن و قیمت کمترشان، نسبت به هر نوع فلز و آلیاژ دیگر، کاربردهای بسیار گسترده تری دارند.

دلایل بسیار متعددی وجود دارد که فوادهای کربنی تا این میزان مورد استقبال قرار می گیرند:

1. سختی پذیری آن ها هر چند نسبت به سایر فولادهای آلیاژی کمتر باشد، اما برای بسیاری قسمت ها کافی است. حتی برای برخی اجزا، سخت شدن پایین تر در واقع یک امتیاز محسوب می شود زیرا ترک های ناشی از کوئنچ شدن را به حداقل می رساند.
2. پاره ای اصلاحات و پالایش ها در روش های عملیات حرارتی ، همچون سخت شوندگی القایی ، سخت شوندگی با استفاده از شعله و کوئنچ کردن پوسته ای، این امکان را فراهم می سازد که این فولادها قابلیت کسب خصوصیات بااتری نسبت به قبل خود باشند.
3. ترکیبات شیمیایی جدیدی به گروه فولادهای کربنی اضافه شده است که امکان انتخاب های با دقت و وسواس بیشتری را فراهم می آورد.

در حال حاضر تقریبا 50 نوع فولاد موجود در سری 1000 (غیر سولفوره شده) و نزدیک به 30 نوع فولاد در سری های 1100 و 1200 (سولفوره شده) وجود دارند. تنوع فولادهای کربنی همچنین با افزوده شدن عنصر سرب ، بیش از این نیز خواهد بود.

فولادهای ساده ی کربنی را بر اساس میزان محتوای کربن آن ها می توان به سه طبقه کلی تقسیم نمود:

فولادهای با محتوای 0.10 تا 0.25% کربن:

برای این طبقه از فولادها سه نوع اصلی عملیات حرارتی استفاده می شود:

1. عملیات حرارتی اصلاحی ( همچون فرآیند آنیل کردن که فولاد را برای عملیات های خاص ، آماده می سازد.)
2. عملیات های سخت سازی سطحی و پوسته ای
3. کوئنچ کردن و تمپر کردن برای بهبود خواص مکانیکی

عملیات حرارتی مناسب دیگر، عملیات ” تنش زدایی” می باشد. این عملیات برای حفظ استحکام حاصل از کار سرد و همچنین فرآهم آوردن تافنس زیاد، مورد نیاز می باشد.

یک محیط مناسب کوئنچ کردن که در اغلب موارد استفاده می گردد یک محلول آبی به همراه یک روغن حلال در آن است که استفاده از آن دو نتیجه مطلوب را در پی دارد.

1. سطح قطعات یک رنگ مناسب سیاه که قابل پذیرش به عنوان یک محصول تجاری نهایی می باشد را کسب می نمایند.
2. سرعت کوئنچ کردن تا حدی آهسته می گردد و به این ترتیب سختی کامل مورد انتظار حاصل از کوئنچ حاصل نمی گردد و به این ترتیب لزومی ندارد که حتما اجزا و قطعات را تمپر کنیم.

عملیات های حرارتی نیز وجود دارند که در بسیاری از اوقات برای بهبود قابلیت ماشین کاری استفاده می گردند. قابلیت ماشینکاری ضعیف عمومی فولادهای کربنی به غیر از آنهایی که شامل سولفور(گوگرد) و یا سایر عناصر آلیاژی تسهیل کننده ی ماشینکاری، عمدتا حاصل این واقعیت است که نسبت فریت آزاد به کاربیدها بسیار بالاست. این وضعیت را نمی توان به صورت بنیادین تغییر داد اما قابلیت ماشینکاری را می توان با تبدیل کاربید به حجیم ترین فرم آن، پرلیت ، و توزیع این پرلیت به طور مساوی در سراسر توده ی فریت بهبود داد.

نرمالیزه کردن هم عملیاتی است که معمولا با موفقیت انجام می پذیرد اما بهترین نتایج کسب شده با کوئنچ کردن فولاد در روغن از دمای (815 – 870( درجه ی سانتیگراد ، به استثنای فولادهای 1024 و 1025 ، حاصل می گردد. به این ترتیب هیچ مارتنزیتی شکل نمی گیرد و قطعات نیازی به تمپرینگ ندارند.

فولادهای با محتوای 0.25 تا 0.55% کربن:

به علت محتوای بالاتر کربن در این فولادها، فولادهای با مقدار کربن متوسط در شرایط سخت شده و تمپر شده مورد استفاده قرار می گیرند. در این دسته از فولادهای کربنی با انتخاب روش کوئنچ کردن و دمای تمپرینگ، گستره ی وسیعی از خواص مکانیکی قابل تولید می باشند.

این فولادها متنوع ترین دسته از میان 3 گروه فولادهای کربنی می باشند و بیشترین میزان استفاده را در میل لنگ ها و کوپلینگ ها ( قطعه ای که برای اتصال دو شفت استفاده می شود) و بسیاری از اجزای ماشینی دیگر که مقادیر سختی مورد نیاز در داخل محدوده ی 229 تا 447 برینل قرار دارد، دارند. فولادهای این گروه از انواع سخت شده در آب تا انواع سخت شده در روغن دارا می باشند.

قابلیت سخت شوندگی در این فولادها بسیار نسبت به هرگونه تغییری در ترکیب شیمیایی بویژه نسبت به مقدار منگنز،منیزیوم و عناصر رسوبی و نیز اندازه دانه ها و همچنین نسبت به تغییرات سطح مقطع، حساس است.

سرعت کوئنچ کردن قطعات حرارت داده شده نیز تاثیر بسزایی بر روی سختی تحت شرایط خاص ایفا می کند.

چنانچه ساختار در اثر عواملی همچون فقدان یا درست انجام نشدن “نرمالیزه کردن” یا “آنیل کردن” و یا در اثر گرمادهی بسیار سریع، یکنواخت نباشد ، زمان کافی برای نفوذ کربن و سایر عناصر آلیاژی در آستنیت در دست نیست. در نتیجه ساختار غیریکنواخت و یا سختی پایینی بدست می آید مگر اینکه مدت زمان گرمادهی بیشتر گردد.

در گرمادهی فولادهایی که شامل کاربیدهای آزاد هستند ( به عنوان مثال مواد اسفروییدی ) ، برای حل کاربیدها بایستی زمان کافی داده شود . در غیر اینصورت آستنیت در زمان کوئنچ شدن محتوای کربن پایین تری نسبت به آنچه که در ترکیب شیمیایی فولاد آمده است، دارد و نتایج غیر دلخواهی ممکن است کسب شوند.

به منظور کسب بهترین نتایج در زمینه ی خواص مکانیکی پس از سخت سازی و تمپر شدن ، این فولادهای کربن متوسط بایستی قبل از سخت سازی، یا نرمالیزه شوند یا آنیل گردند.

بسیاری از قطعات تولیدی ذخیره شده،چه بوسیله ی عملیات گرم و چه توسط عملیات سرد، پس از تحویل ماشینکاری می گردند، به جز فولادهای با محتوای کربن بالاتر و اندازه های کوچک تر، که نیاز به آنیل شدن برای کاهش سختی در زمان تحویل دارند. قطعات آهنگری شده نیز معمولا نرمالیزه می گردند. علت این است که این عملیات از نرم شدن بیش از حد و در نتیجه کاهش قابلیت ماشین کاری که نتیجه ی مرحله ی آنیل است، ممانعت می نماید.

در برخی نمونه ها ، عملیات حرارتی چرخه ای مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش اجزا جهت ” نرمالیزه شدن” ، حرارت داده می شوند و پس از آن به سرعت در کوره تا دمایی تا حدود بالای محدوده ی دمایی که پرلیت تولید می شود، خنک می گردند. سپس اجزا در آن دما نگهداری می شوند یا اینکه به آهستگی خنک می گردند تا دمایی که مقدار استحاله ی مطلوبی رخ داده باشد. بعد از این مرحله ، این قطعات به هر روش دلخواهی خنک می شوند.

محصولات سرد کاری شده،معمولا از این فولادها اخته می شوند.مخصوصا از آنهایی که کمتر از 0.40% کربن دارند. عملیات حرارتی قبل از کار سرد روی این فولادها و شکل دهی سرد معمولا نیاز است، زیرا که کربن بالاتر قابلیت کار روی قطعه را کاهش می دهد. پس از اینکه عملیات شکل دهی پایان یافت ، اجزا بوسیله ی کوئنچ کردن و تمپرکردن عملیات حرارتی می شوند.

این دسته از فولادها با میزان کربن متوسط برای استفاده در اجزای ماشینی با وظایف در حد متوسط، کاربرد گسترده ای دارند. و هنگامیکه اینچنین اجزایی پس از عملیات حرارتی، ماشینکاری می شوند ، بیشینه سختی معمولا در حد 321 برینل و بسیاری اوقات بسیار پایین تر، نگهداری می شود.

وقتی مقطع سبک است و یا خواص مورد نظر پس ازز عملیات حرارتی بسیار بالا نیستند، کوئنچ کردن در روغن اغلب استفاده می شود. این امر تقریبا تمامی مسائل و مشکلات مربوط به شکست را از بین می برد و در کاهش اعوجاج بسیار موثر است.

دمای پایین تر آستنیته کردن برای فولادهای با منگنز بالاتر ، مقاطع سبک تر و کوئنچ شدن در آب، بایستی مورد استفاده قرار گیرد. دماهای بالاتر جهت موارد با منگنز پایین تر،مقاطع سنگین تر و کوئنچ شدن در روغن توصیه می گردد.

از این دسته از آلیاژها، بسیاری از ابزار و تجهیزات دستی متداول ساخته می شوند.همچون پیچ گوشتی ها و انواع چاقوها و اره ها.

فولادهای حاوی 0.55 تا 1.0% کربن:

فولادهای کربنی با این مقدار بالاتر کربن ف از لحاظ کاربردی نسبت به فولادهای با مقادیر متوسط کربن که در دسته ی قبلی شرح داده شدند، محدود تر هستند. از جمله دلایل این امر گرانقیمت تر بودن و کاهش قابلیت ماشینکاری ، قابلیت شکل پذیری کم و جوش پذیری ضعیف این دسته از فولادهاست. این دسته از فولادها همچنین نسبت به شرایط عملیات حرارتی بسیار شکننده تر می باشند.

فولادهای با مقدار کربن بالا ، همچون فولادهای 1070 و 1095، بویژه برای کاربردهای فنری وقتی که مقاومت خستگی بالایی مورد نیاز باشد، مناسب می باشند . این فولادها همچنین در شرایط کاملا سخت شده (55 راکول سی یا بالاتر) و در کاربردهایی که مقاومت نسبت به خراش بالاترین فاکتور ضروریات می باشد، استفاده می شوند. همچون تجهیزات و ابزارآلات مربوط به کشاورزی مثل تجهیزات شخم زنی و داس های یونجه زنی.

در این فولادها،اجزای آهنگری شده جهت اصلاح ساختار غیریکنواخت حاصل از آهنگری بایستی آنیل شوند و این امری ضروریست در تولید یک محصول سخت شده ی با کیفیت بالا.

اغلب تجهیزات ساخته شده از فولادهای این گروه، بوسیله ی روش های رایج کوئنچ ساخته می شوند . اما برخی اوقات هم روش های ویژه مورد نیاز است. از هردو محیط های آب یا روغن استفاده می شود. آب برای سطوح سنگین از فولادهای کم کربن جهت کاربرد در لبه های برشی و روغن جهت استفاده های عمومی استفاده می گردد. عملیات های ” آستمپرینگ” و “مارتمپرینگ” نیز اغلب با موفقیت قابل انجام هستند. بزرگترین فایده ی این عملیات حرارتی کاهش اعوجاج و کاهش شکست و در بسیاری موارد تافنس بیشتر در سختی بالاست.

برای تجهیزات ماشینی سنگین مثل میل لنگ ها فولادهایی از این دست همچون فولادهای 1055 و 1061 قابل استفاده هستند. سایر فولادهای موجود در این طبقه نیز قابل استفاده می باشند اما ترکیب منحصربفرد منگنز و کربن در دو فولاد مذکور، آن ها را تبدیل به بهترین گزینه در کاربردهای ذکرشده می گرداند.

بایستی در نظر داشت که حتی با وجود تمامی فاکتورهای مورد نظر برای سخت شوندگی، سرعت سخت شوندگی این فولادها در مقایسه با فولادهای آلیاژی ، بسیار آهسته است. زیرا کربن به تنهایی و یا در ترکیب با منگنز سخت شوندگی در عمق را در حد قابل ملاحظه ای ارتقا نمی دهد.اندازه ی سطح مقطع محدودیت دارد و به رغم این محدودیت، خطر شکست کاملا جدی است.

به عنوان نمونه هایی از کاربرد این دسته از فولادها می توان به انواع آچارها ، چکش ها ، ماله ها ، پیچ گوشتی و چاقوها و سایر تجهیزات برشی را نام برد.

آزمایشی برای تشخیص فولادهای عملیات حرارتی شده و سخت شده:

اینکه تنها با مشاهده ی بصری یک فولاد دریابیم که آیا عملیات حرارتی شده است و از مراحل سخت سازی و تمپرینگ عبور کرده است ، امری تقریبا نشدنی است. اما یک راه حل نسبتا ساده برای تشخیص فولادهای عملیات حرارتی شده وجود دارد و آن استفاده از یک سوهان فلزی است. برای سنجش یک فولاد عملیات حرارتی شده بوسیله ی یک سوهان دستی لبه ی آن را بخراشید.

اگر فولاد عملیات حرارتی شده نباشد و از پروسه ی سخت سازی عبور ننموده باشد، سمباده ی فلزی بایستی به راحتی نمونه را خراش داده باشد و رد آن به جا مانده باشد ولی چنانچه فولاد عملیات حرارتی شده باشد و سخت شده باشد سمباده قادر نخواهد بود به داخل فواد عملیات حرارتی شده نفوذ نماید و هیچگونه اثری از خود به جای نمی گذارد.

ابزارآلات سخت سازی سطحی شده اغلب فولادهای کم کربنی هستند که حاوی 0.5 تا 1.5% کربن می باشند. از این فولادها نیز گاهی تحت عنوان فولادهای عملیات حرارتی شده و سخت شده نام برده می شود.