فولاد:

اصطلاح فولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰/۰۲۵ تا حدود ۲ درصد کربن دارند بکار می‌رود فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد

کاربرد انواع مختلف فولاد:

از فولادی که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.

ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد:

آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن، گوگرد، فسفر، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی‌های دیگر است. در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود:

· سوزاندن ناخالصی‌های چدن

· افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می‌شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می‌شود و کربن هم می‌سوزد و مونوکسید کربن (CO) یا دی‌اکسید کربن (CO۲) در می‌آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولاً دی‌اکسید سیلسیم (SiO۲) است، بکار می‌برند:

· (MnO + SiO۲ ——-> MnSiO۳(l

و چنانچه ناخالصی اصلی سیلسیم یا فسفر باشد (و معمولاً چنین است)، یک کمک ذوب بازی که معمولاً اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید کلسیم (CaO) است، اضافه می‌کنند:

· (MgO + SiO۲ ——-> MgSiO۲(l

(۶MgO + P۴O۱۰ ——-> ۲Mg۳(PO۴)۲(l

کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها:

معمولاً جداره داخلی کوره‌ای را که برای تولید فولاد بکار می‌رود، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، می‌پوشانند. این پوششی مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذب می‌کند. برای جدا کردن ناخالصی‌ها، معمولاً از روش کوره باز استفاده می‌کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جای می‌گیرد.

بالای این ظرف، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می‌کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می‌دهند تا ناخالصی‌های موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می‌آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می‌کشد، البته مقداری از آهن، اکسید می‌شود که آن را جمع‌آوری کرده، به کوره بلند باز می‌گردانند.

روش دیگر جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن:

در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن استفاده می‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره‌ای بشکه مانند که گنجایش ۳۰۰ تن بار را دارد، می‌ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می‌دهند.

اکسایش ناخالصی‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO۲ رها می‌شوند، توده مذاب را به هم می‌زنند، بطوری که آهن ته ظرف، رو می‌آید. دمای توده مذاب، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریباً به دمای جوش آهن می‌رسد و در چنین دمایی، واکنشها فوق‌العاده سریع بوده، تمامی‌ این فرایند، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می‌شود و معمولاً محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می‌آید.

تبدیل آهن به فولاد آلیاژی:

آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم، کروم، تیتانیم، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل می‌کنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن، تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در دمای زیاد، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده، کاربید آهن (Fe۳C) به نام «’سمنتیت» تشکیل می‌دهند. این واکنش، برگشت‌پذیر و گرماگیر است:

· Fe۳C <——- گرما + ۳Fe + C

هرگاه فولادی که دارای سمنتیت است، به کندی سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن، جابجا شده، کربن به صورت پولکهای گرافیت جدا می‌شود. این مکانیزم در چدن‌ها که درصد کربن در آنها بیشتر است، اهمیت بیشتری دارد. برعکس، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتاً به شکل سمنتیت باقی می‌ماند. تجزیه سمنتیت در دمای معمولی به اندازه‌ای کند است که عملا انجام نمی‌گیرد.

آلیاژ:

به محلول‌های جامدی که حداقل یکی از اجزای آنها فلز بوده و خواص فلزی داشته باشند، آلیاژ فلزی گفته می‌شود.

الیاژ: به منظور بالا بردن برخی خواص فلزات و ویژگی هایشان برخی مواد فلزی یا غیر فلزی به انها اضافه میشود

کوره بلند:

یک کوره بلند در سستائو اسپانیا. کوره اصلی در زیر تیرآهن‌های میانی قرار دارد.

کورهٔ بُلَند کوره‌ای عمودی است که برای ذوب کردن سنگ معدنی استفاده می‌شود.

در کوره بلند سوخت جامد، معمولاً کُک همراه با جریان دمشی هوا می‌سوزد و کانی‌ها را ذوب می‌کند.

تاریخچه:

کوره‌های بلند در چین از حدود سده پنجم پ.م. وجود داشته‌اند. در سده‌های میانه در اروپا نیز این‌گونه کوره‌ها ساخته‌شد و در سده ۱۵ از منطقه نامور در بلژیک به مناطق دیگر گسترش یافت. سوخت به‌کاررفته در این کوره‌ها ذغال سنگ بود

 

 

 

عملیات حرارتی فولاد­ها

۱- تنش زدایی

تنش زدایی عملیات حرارتی است که برای کاهش تنش های پس ماند در سطح مطلوبی در فولاد ها اجرا می شود ، طوری که قطعه یا مجموعه مونتاژی وظایف خود را بدون تغییر شکل غیر مجاز ، ترک خوردن در طی عملیات حرارتی یا فرآوری، و یا از کار افتادگی در حین کار در پایین تر از تنش های طراحی انجام دهد. این عملیات برای اصلاح اساسی ریز ساختار یا نیل به خواص مکانیکی مطلوب به کار نمی رود.

تنش زدایی عبارت است از حرارت دان فولاد تا دمای مناسب و کمتر از محدوده تغییرات ، ماندن در این دما در دوره زمانی مشخص، و سپس سرد کردن آهسته (معمولا در هوای آرام ) تا دمای محیط برای به حداقل رساندن تنش های پس ماند مجدد. معمولا مقاطع سنگین قبل از سرد کردن در هوای آرام تا دمای محیط، تا دمای یا کمتر در کوره سرد می شوند.

۲- تابکاری

۲ -۱- همگن سازی

همگن سازی عملیات حرارتی است که در آن جسم در دمای بالا به مدت طولانی نگه داشته می شود و به کمک فرآیند نفوذ ، نا خالصی شیمیایی در شمش ها و ریختگی ها کاهش داده می شود. این عملیات نه تنها قابلیت کار گرم را بهبود می بخشد،بلکه پاسخ یکنواخت تری را در طی عملیات حرارتی بعدی فراهم می سازد.همگن سازی عبارت است از حرارت دادن سریع شمش ها یا ریختگی ها تا دمای ، نگه داشتن در این دما برای حدود ۸-۶h و سپس سرد کردن آهسته تا دمای محیط. در فولاد پس از همگن سازی، ریز ساختار درشت دانه ایجاد می شود که با کار گرم بعدی شمش ها یا تابکاری کامل یا یکنواخت سازی ریختگی ها حذف می گردد .

۲-۲- تابکاری کامل

تابکاری کامل عملیات حرارتی است که اساسا در فولادهای هیپراوتکتوئید برای ایجاد ریز ساختار فریت-پرلیتی با استحکام و سختی کم و انعطاف پذیری زیاد و به منظور بهبود خواص شکل پذیری سرد یا قابلیت ماشین کاری به کار می رود. گاهی تابکاری کاملی در فولاد های هیپراوتکتوئید برای شکست شبکه های پیوسته کاربید از طریق هم جوشی ذرات مجزای کاربید به کار می رود.

تابکاری کامل عبارت است از حرارت دادن فولاد تا بیش از دمای A­C3­ در فولادهای هیپراوتکتوئید و یا بیش از دمای A­C3 برای فولاد های هیپراوتکتوئید ، نگه داشتن در این دما تا یکنواخت شدن دمای تمام مقطع ، سپس سرد کردن در کوره با نرخ کنترل شده در محدوده تغییرات بحرانی و در ادامه سرد کردن تا دمای محیط در هوای آرام .

۲-۳- تابکاری هم دما

تابکاری هم دما عملیات حرارتی است که معمولا به منظور کاهش مدت عملیات تابکاری و ایجاد ریز ساختار همگن تر جایگزین تابکاری کامل می گردد. اصولا این عملیات بر روی فولادهای غیر آلیاژی و کم کربن و با کربن متوسط به کار می ورد و نتیجه آن ایجاد ریز ساختار درشت فریت – پرلیتی بدون باینیت برای بهبود قابلیت ماشین کاری است.

تابکاری هم دما عبارت است از آستنیت سازی ، سرد کردن سریع تا دمای کمتر از Ar1 ( معمولا کمتر از Ar1 ) ، و نگه داشتن در این دما تا اینکه تغییرات آستنیت به پرلیت و فریت کامل شود. سرد کردن نهایی تا دمای محیط ، معمولا در هوای آرام است.

۲-۴- کروی سازی

کروی سازی عملیات حرارتی است که برای ایجاد ریز ساختار ذرات کروی کاربید که به طور یکنواخت در زمینه فریت پراکنده هستند، به کار می رود و نتیجه آن بهبود شکل پذیری سرد فولادهای کم کربن و با کربن متوسط، و قابلیت ماشین کاری فولادهای پر کربن مانند فولادهای ابزار می باشد. کروی سازی را با یکی از روشهای زیر می توان انجام داد :

الف- نگهداشتن طولانی مدت در دمای کمتر از Ae1 .

ب- حرارت دادن و سرد کردن متناوب بین دماهای بیش از Ac1 و کمتر از Ar1 . تعداد سیکل های مورد نیاز برای کروی سازی موثر میتواند ۴ مرتبه باشد .

ج- حرارت دادن تا دمای بیش از AC1 و سپس سرد کردن خیلی آهسته در کوره تا کمتر از Ar1 و نگه داشتن در زمان طولانی در آن دما .

۲-۵- فرآیند تابکاری

فرآیند تابکاری عملیات حرارتی است که در فولادهای کار سرد برای برگرداندن انعطاف پذیری و آسان شدن تغییر شکل سرد بعدی و در فولادهای آلیاژی و پر کربن کار گرم برای جلوگیری از ترک برداشتن و نرم کردن آنها برای برش ، رو تراشی و صافکاری به کار می رود .

فرآیند تابکاری عبارت است از حرارت دادن فولاد تا دمای کمتر از Ae1 ( معمولا کمتر از Ae1 ) ، نگه داشتن در این دما در مدت مناسب بر حسب میزان نرم کردن مورد نیاز ، و سپس سرد کردن در هوای آرام تا دمای محیط.

۲-۶- تابکاری نرم

تابکاری نرم عملیات حرارتی است که برا ی کاهش سختی فولاد به مقدار مورد نظر و بهبود قابلیت ماشین کاری به کار می رود .

تابکاری نرم عبارت است از حرارت دادن فولاد تا دمای کمتر از Ae1 ( معمولا بین و ) ، نگه داشتن در این دما در مدت مناسب بر حسب میزان نرم کردن مورد نیاز ، و سپس سرد کردن در هوای آرام تا دمای محیط .

۲-۷- تابکاری انحلالی

تابکاری انحلالی عملیات حرارتی است که در فولادهای زنگ نزن آستنیتی برای حل شدن کاربیدهای مرزدانه ای و برگرداندن مقاومت خوردگی عادی به کار می رود .

تابکاری انحلالی عبارت است از حرارت دان فولاد زنگ نزن آستنیتی تا دمای نگهداشتن در این دما برای مدت زمان کافی تا حل شدن کاربیدها و همگن شدن آستنیت ، و سپس سرد کردن سریع ( معمولا در آب یا هوا ) تا دمای محیط ، برای اجتناب از رسوب شدن مجدد کاربیدهای مرزدانه .

۳- یکنواخت سازی

یکنواخت سازی عملیات حرارتی است که برای ایجاد شرایط زیر به کار می رود :

ریز ساختار ریز و یکنواخت ، خواص مکانیکی مناسب ( برای مثال فولاد یکنواخت شده دارای استحکام و سختی بیشتر و انعطاف پذیری نسبتا کمتر از فولاد کاملا تابکاری شده می باشد ) بهبود قابلیت ماشین کاری فولادهای غیر آلیاژی دارای ۴/۰- ۵/۰ درصد کربن ، حذف شبکه های کاربید در فولادهای هیپراوتکتوئید و تامین شرایط عملیات حرارتی بعدی .

۴- سخت کاری با آب دهی

سخت کاری با آب دهی ، عملیات حرارتی است که شامل آستنیت سازی و سپس سرد کردن است، طوری که تغییرات کامل یا نسبی آستنیت با مارتنزیت و احتمالا باینیت صورت پذیرد. فولاد پس از آب دهی سخت، با استحکام بالا و ترد است. سخت کاری با آب دهی فورا با برگشت دهی ادامه می یابد و منظور ایجاد ترکیب مناسبی از استحکام ، سختی و چغرمگی می باشد .معمولا محیط آب دهی ، آب ، روغن یا محلول پلیمری است. بعضی از فولادها با سختی پذیری بالا در هوای تحت فشار یا حتی در هوای آرام آب دهی می شوند . سخت کاری با آب دهی فورا با برگشت دهی در دمای خاص برای حداقل h1 ادامه می یابد .

۵- برگشت دهی ( بازپخت )

برگشت دهی عملیات حرارتی است که پس از آب دهی یا یکنواخت سازی به کار می رود و هدف از آن کاهش تنشهای پس ماند ناشی از سرد کردن و تغییرات ونیز افزایش انعطاف پذیری و چقرمگی و تنظیم استحکام در سطح مطلوب می باشد. عموما برگشت دهی منجر به کاهش سختی می شود اما در بعضی از موارد می تواند باعث افزایش سختی ثانویه نیز شود .

در برگشت دهی فولادهای نیکل _ کرم ، کروم ­_ واندادیم ، کروم­ _ منگنز ، برای جلوگیری از تردی برگشت دهی از محدوده بحرانی بین ۳۵۰و ۵۵۰ درجه سلسیوس باید پرهیز شود اگر برگشت دهی در دمایی بیش از این محدوده بحرانی انجام شود باید برای جلوگیری از تردی برگشت دهی ، سرد کردن سریع از طریق مثلا آب دهی در روغن تا این محدوده دمایی صورت پذیرد . در بعضی موارد در فولادهای یاتاقانی و فولادهای ابزار به منظور حذف آستنیت باقیمانده ، بهبود پایداری ابعادی ، افزایش استحکام تسلیم و چقرمگی بدون کاهش سختی ، برگشت دهی چندگانه استفاده می شود .

۶- مارتمپرینگ

مارتمپرینگ عملیات حرارتی است که به منظور کاهش احتمال ترک برداشتن و تغییر شکل به جای سخت کاری با آب دهی به کار می رود .

مارتمپرینگ عبارت است از آستنیت سازی ، و سپس آب دهی ( معمولا در روغن داغ یا نمک مذاب ) در سرعت مناسب برای جلوگیری از تشکیل فریت ، پرلیت یا باینیت تا دمای کمی بیشتر از Ms و نگه داشتن در این دما تا یکنواخت شدن دمای تمام مقطع ، اما نه آنقدر زیاد که باینیت کل گیرد . سرد کردن نهایی در هوای آرام انجام می شود که در ی آن عملا به طور همزمان مارتنزیت در سرتاسر مقطع شکل می گیرد .اگر فولاد با آب دهی سخت شده باشد . بعد از مارتمپرینگ به همان طریق باید برگشت دهی شود .

۷- آستمپرینگ

آستمپرینگ عملیات سختکاری است که یه منظور بهبود خواص مکانیکی ( به ویژه انعطاف پذیری و چقرمگی بیشتر در سختی بالای مورد نظر ) و نیز کاهش احتمال ترک برداشتن و تغییر شکل برشی به جای سخت کاری با آب دهی و برگشت دهی به کار می رود . بعد از آستمپرینگ نیاز به برگشت دهی نمی باشد .

۸- سخت کاری سطحی

۸-۱- کربن دهی

کربن دهی عبارت است از حرارت دادن قطعه فولادی تا دمای ۸۸۰ تا ۱۰۵۰ درجه سلسیوس ( ترجیحا بین ۹۰۰ تا ۹۵۰ درجه سلسیوس) در اتمسفر کربوریزه کننده شامل مخلوط جامدی از ذغال چوب یا کک و محلول کاتالیزور ( برای کربن دهی لفافی ) ، گازهای هیدروکربن های مایع تبخیر شده ( برای کربن دهی گازی ) یا حمام نمک مذاب شامل کلریدهای قلیایی خاکی فعال کننده با اضافات کلرید قلیایی و سیانید قلیایی ( برای کربن دهی مایع ) و نگه داشتن در این دما در مدت زمان کافی تا نیل به عمق سطح مطلوب . معمولا عمق های سطح ایجاد شده کمتر از ۵/۱ میلی متر هستند . فولاد پس از کربن دهی فورا یا بعدا در محیط مناسب معمولا در آب یا روغن ، با اضافات یا بدون آن آب دهی می شود .

۸-۲- کربونیترید کردن

این عملیات به منظور ایجاد لایه سطحی مارتنزیت سخت با مقاومت سایشی و مقاومت خستگی خوب ، فورا با سختکاری با آب دهی و برگشت دهی ادامه می یابد . این عملیات با آب دهی در روغن یا آب ، با اضافات یا بدون آن ، مستقیما از دمای کربونیترید کردن یا بعد از سرد کردن آهسته تا دمای محیط و حرارت دادن مجدد تادمای سختکاری با آب دهی و سپس برگشت دهی برای حداقل h1 در دمای ۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سلسیوس ادامه می یابد .

۸-۳- سیانوردهی ( کربونیترید کردن مایع )

سیانوردهی عبارت است از حرارت دادن قطعه فولادی تا دمای ۷۰۰ تا ۸۷۰ درجه سلسیوس در حمام نمک مذاب شامل سیانیدها و سیاناتهای قلیایی و نگه داشتن در این دما در مدت زمان کافی برای ایجاد عمق سطح مطلوب. این عملیات با آب دهی در روغن یا آب ، با اضافات یا بدون آن مستقیما از دمای سیانوردهی و سپس برگشت دهی برای حداقل h1 در دمای ۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سلسیوس ادامه می یابد .

۸-۴- نیتروژن دهی

این عملیات برای ایجاد سختی سطحی سطحی بالا و افزایش مقاومت سایش ، افزایش مقاومت خستگی و بهبود مقاومت خوردگی فولادهای غیر زنگ نزن به کار می رود . نیتروژن ئهی در مقایسه با سایر روشهای سختی سطحی می تواند با حداقل تغییر شکل برشی و کنترل ابعادی عالی به انجام برسد . همچنین سطوح نیترید شده می توانند سختتر از سطوح کربوریزه شده باشند و تا دمای نیتروژن دهی کاملا پایدار هستند .

همه سطوح قابل عملیات حرارتی قبل از نیتروژن دهی با آب دهی سخت می شوند ، برگشت دهی شده و سپس با ماشینکاری پرداخت می شوند .

۸-۵- نیتروکربوریزه کردن فریتی گازی

این عملیات برای ایجاد لایه سطحی مقاوم به سایش و افزایش مقاومت خستگی به کار می رود و با حداقل تغییر شکل برشی و کنترل ابعادی عالی به انجام می رسد.

۹- سخت کاری سطحی

۹-۱- سخت کاری با شعله

سخت کاری با شعله عملیات سخت کاری است که برای ایجاد لایه سطحی سخت مارتنزیت با مقاومت سایشی و مقاومت خستگی خوب و بدون تغییر خواص مغز در قطعات فئلادی به کار می رود . در طی این فرآیند ، تغییری درترکیب شیمیایی فولاد به وجود نمی آید .

سخت کاری با شعله عبارت است از حرارت دادن سریع لایه سطحی قطعه فولادی با شعله تا بیش از دمای تغییرات بالایی ( حدود ۵۰ درجه سلسیوس بیشتر از دمای آب دهی ) و سپس آب دهی فوری در آب ، مخلوط قابل حل آب – روغن یا محلول پلیمری آبدار . فولاد فورا پس از سخت کاری با شعله برای حداقل h1 در ۱۵۰ تا ۱۸۰ درجه سلسیوس برگشت دهی می شود .

۹-۲- سخت کاری القایی

سخت کاری القایی عملیات سخت کاری سطحی است که برای ایجاد لایه سطحی سخت مارتنزیت با مقاومت سایشی و مقاومت خستگی خوب و بدون تغییر خواص مغز در قطعات فولادی به کار می رود . در طی این فرآیند تغییری در ترکیب شیمیایی فولاد به وجود نمی آید .

سخت کاری القایی عبارت است از حرارت دادن سریع لایه سطحی قطعه فولادی با القای الکترو مغناطیسی تا بیش از دمای تغییرات بالایی ( حدود ۵۰ درج سلسیوس بیشتر از دمای آب دهی ) و سپس آب دهی فوری در آب ، مخلوط قابل حل آب – روغن یا محلول پلیمری آبدار .