عمليات حرارتي فولادهاي ماريجينگ

مقدمه:
فولادهاي ماريجنينگ فولادهاي پر آلياژ-كم كربن-آهن ونيكل باساختار مارتنزيتي هستند كه داراي تركيبي عالي از استحكام وتافنسي به مراتب بالاتر از فولادهاي پر كربن كوينچ شده مي باشند.
اين فولادها دو كاربرد بحراني ومتمايز فولادهاي كربن آبداده كه استحكام بالا وتافنس وانعطاف پذيري خوب مورد نياز است را دارا ميباشد . فولادهاي كربني آبداده استحكامشان را از مكانيسمهاي تغيير فاز وسخت گرداني بدست ميآورند. ( مثل شكل گيري مارتنزيت و بينيت ) واين استحكام پس از رسوب گيري كاربيدها در طول مدت تمپر كردن بدست مي آيد. درمقايسه فولادهاي ماريجينگ استحكامشان را از شكل گيري يك فولاد مارتنزيتي كم كربن انعطاف پذيرو سخت آهن ونيكل بدست مي آورند كه مي توانند بوسيله رسوب گيري تركيبات بين فلزي در طول مدت پيرسختي استحكام بيشتري داشته باشند. دوره ماريجينگ بر اساس پيرسختي ساختار مارتنزيتي وضع شده است.

متالورژي فيزيكي:
قبلا اشاره شد كه استحكام وتافنس خوب فولادهاي ماريجينگ بوسيله پير سختي يك ساختار مارتنزيتي كم كربن بسيار انعطاف پذيربا استحكام نسبتا خوب بدست ميآيد.در حين پيرسازي ساختار مارتنزيتي هدف اصل روش توزيع يكنواخت رسوبات بين فلزي خوب است كه صرف تقويت كردن بافت مارتنزيتي مي شود. يكي ديگر از هدفهاي اصلي در مدت پير سازي فولادهاي ماريجينگ كم كردن يا حذف كردن برگشت فاز نيمه پايدارمارتنزيت به آستنيت و فريت مي باشد .

شكل گيري مارتنزيت :
مارتنزيت فولادهاي ماريجينگ معمولا مكعب مركز دار (bcc ) كم كربن است كه اين مارتنزيت شامل چگالي بالاي نابجايي مي باشد اما نه به صورت دوقلويي. در حين سرد شدن بعد از تابكاري انحلالي آستنينت fcc بوسيله بازگشت برشي كم نفوذ تجزيه به ساختارهاي متعادل به ساختار bcc تبديل ميشود.اين تبديل آستنيت به مارتنزيت ناپايدار اتفاق نمي افتد تا دماي شروع مارتنزيت (Ms) بدست آيد ودماي شروع مارتنزيت بايد به اندازه كافي بالا باشد بنابراين يك تبديل كامل به مارتنزيت قبل از خنك شدن فولاد تا دماي اتاق اتفاق مي افتد.
بيشتر انواع فولادهاي ماريجينگ دماي شروع مارتنزيت حدود 200 تا300 درجه سانتيگراد را دارند ودر دماي اتاق به طور كامل مارتنزيت هستند . نتيجه ساختار مارتنزيت يك فولاد نسبتا قوي و فوق العاده انعطاف پذير ميباشد .
عناصر آلياژي دماي شروع مارتنزيت را بطور قابل ملاحظه اي تغيير مي دهد اما تغيير مشخصه اين استحاله به مقدار زيادي بستگي به سرعت سرد شدن دارد.
اغلب عناصرآلياژي اضافه شده در فولادهاي ماريجينگ (به استثناء كبالت ) درجه حرارت شروع مارتنزيت را كاهش مي دهند.
يكي از دونوع ممكن مارتنزيت كه در سيستم آلياژي آهن- نيكل ممكن است شكل بگيرد بستگي به مقدار نيكل در ماده مورد سوال ميباشد.در سرعتهاي سرد كردن بالا در فولادهاي شامل 5 تا 10 درصد نيكل ،و بيش از 10 درصد پايين آوردن سرعت سرد كردن، لازمه شكل گيري مارتنزيت در فولادها مي انجامد وشكل گيري كامل ساختار مارتنزيتي را تعيين مي كند.در فولادهاي شامل 25 درصد نيكل ، مارتنزيت لايه اي وبالاي 25 درصد مارتنزيت دو قلويي داريم .مطالعه برروي آلياژهاي مارجنيگ آهن – 7 درصد كبالت 5 درصد موليبدن و4/. درصد تيتانيم در ( ماريجينگ 18 درصد نيكل 250 ) شامل مقادير متفاوت نيكل نشان مي دهد كه يك ساختار مارتنزيتي لايه اي با مقادير نيكل بيش از 23 درصد بدست مي آيد .
اگر چه مقادير نيكل بيش از 23 درصد شكل گيري مارتنزيت دو قلويي را نتيجه داده است . معمولا يك ساختار مارتنزيتي لايه اي در فولادهاي ماريجينگ ترجيح داده مي شود زيرا در مدت پير سازي اين ساختار سخت تر از يك ساختار مارتنزيتي دو قلويي ميباشد.

عمليات حرارتي فولادهاي ماريجينگ:
تابكاري انحلالي : تابكاري انحلالي مستلزم حرارت دادن آلياژي به اندازه كافي،بالاي درجه حرارت پايان آستنيت و نگهداري در زمان كافي تا جا گيري عناصر در محلول جامد و سرد كردن آن تا دماي اتاق .متداول ترين سيكل عمليات حرارتي براي فولادهاي ماريجينگ 18 درصد نيكل 200 ،250 300 درگير كردن آلياژهاي در دماي 815 درجه سانتيگراد به مدت يك ساعت و سپس سرد كردن آن بوسيله هوا.توليد براي كاربردهاي فورجينگ معمولا در حالت آنيل نشده خريداري مي شود زيرا حرارت دادن سيكل تابكاري حرارتي قبلي را خنثي ميكند .استفاده از خلا ، كنترل گردش هواي اتمسفر ، تمام نمك خنثي يا كوره هاي سيال تخت براي حداقل كردن صدمات سطحي ممكن است مورد نياز باشد .
اثرزمان و درجه حرارت تابكاري بر خواص پيرسازي: اطلاعات نشان ميدهد كه بيشترين استحكام در دماي تابكاري انحلالي 800 تا815 درجه بوجود مي آيد. استحكام وانعطاف پذيري پايين تر با درجه حرارت تابكاري از 760 تا 800 درجه ناشي از انحلال ناقل عناصر سخت كننده ميباشد و كاهش استحكام مربوط به درجه حرارت تابكاري انحلالي بالاي 815 درجه ناشي از درشتي ساختار دانه ها ميباشد. سرعت سرد شدن بعد از تابكاري انحلالي از اهميت كمتري برخورداراست چون اثر كمتري بر خواص زير ساختاري ومكانيكي دارد.
اصلاح دانه ها بوسيله سيكل حرارتي : سيكل حرارتي فولادهاي ماريجينگ بين درجه حرارت پايان مارتنزيت و دماي بسيار بالاتر از دماي تابكاري انحلال مي تواند براي اصلاح ساختار دانه هايي كه درشت هستند استفاده شود.اين عمل استحاله برشي كم نفوذ ، مارتنزيت به آستنيت واز آستنيت به مارتنزيت نيروي محركه براي تبلور مجدد در حين سيكلهاي حرارتي تامين ميكند.

پير سختي:
نوعي پير سختي بعد از تابكاري انحلالي معمولا شامل حرارت دادن آلياژ تا رنج دمايي 455 تا 510 درجه سانتيگراد و نگاه داشتن در اين دما به مدت 3 الي 12 ساعت وخنك كردن آن در معرض هوا تا دماي اتاق مي باشد. استفاده از فولادهاي ماريجينگ در كاربردهاي مانند ابزارآلات دايكست لازم است استفاده از يك حرارت پير سازي تقريبا 530 درجه سانتيگراد كه ساختار متعادلي را فراهم مي كند و از نظر حرارتي تثبيت شده است. هنگامي كه زمان پير سازي افزايش پيدا ميكند تا جائيكه به نقطه اي مي رسيم كه سختي واستحكام شروع به كاهش ميكند به علت شكل گيري بازگشت آستنيت كه معمولا از ذرات ريز باندهاي آستنيت دور دانه اي قبلي شروع ميشود.

كار سرد وپير سازي :
استحكام تسليم واستحكام نهايي كششي فولادهاي ماريجينگ مي توانند بوسيله كار سرد قبل از پير سازي تا 15 درصد افزايش پيدا كنند . بوسيله كار سرد قبل از تابكاري انحلالي ماده بالاي 50 درصد كاهش قبل از پير سازي ،نتيجه رسيده است .اين سازگاري كمي با انعطاف پذيري وچغرمگي است .از كاهش سرما بيش از 50 درصد بايد خوداري شود زيرا ممكن است كه پوسته پوسته شدن توليدات بوجود آيد.

نيتريده كردن :
سختي سطح را مي تواند بوسيله نيتريده كردن فولادهاي ماريجينگ در آمونياك بدست آيد . سطح سختي معادل 65 تا70 راكول سي به عمق 15/0 ميليمتر بعد از نيتريده كردن به مدت 24 الي 48 ساعت در دماي 455 درجه سانتيگراد ميتواند بدست آيد. نيترده كردن در اين دما مي تواند همزمان با پيرسختي اتفاق بيافتد . حمام نمك نيتريده كردن براي 90 دقيقه در دماي 540 درجه سانتيگراد بخوبي مي تواند اين عمل را شكل بدهد اگر چه براي پرهيز از فوق پير سازي شدن بيش از حد اين عمل بايد بخوبي كنترل شود. استحكام خستگي ومقاومت به سايش فولادهاي ماريجينگ بوسيله نيتريده كردن بهبود پيدا مي كنند.

پخت :
عملياتي است براي حذف هيدروژن كه در دماي پايين بين150 تا 200 درجه سانتيگراد قرارميگيرد. تردي هيدروژن ممكن است در فولادهاي ماريجينگ اتفاق بيافتد وقتي كه در معرض كارهاي الكترومكانيكي مثل آبكاري قرار ميگيرد. حذف هيدروژن كار مشكلي است بايد در يك سيكل عمليات حرارتي (پخت) بين 3تا 10 ساعت قرار بگيرد.
سند بلاست موثرترين روش براي حذف اكسيد ناشي عمليات حرارتي است . فولادهاي ماريجينگ را ميتوان بوسيله مواد شيميائي تميز كننده مثل اسيد شوئي در محلول اسيد سولفوريك يا محلول اسيد كلريدريك و اسيدنيتريك واسيد هيدروفلوريك . اگر چه بايد مراقب بود كه بيش از حد اسيد شوئي نشود

براي هر نوع فولادي يك گستره ي دماي آستنيته كردن براي سخت كردن مشخص شده كه به دماي سخت كردن موسوم مي باشد. انتخاب اين دما به گونه اي مي باشد كه فولاد پس از كوئنچ كردن داراي ساختاري با دانه هاي ريز باشد ودر ضمن حداكثر سختي را نيز داشته باشد.زمان نگهداري در دماي آستنيته كردن نيز از اهميت زيادي برخوردار است .تاثير زمان نگهداري قطعه در دماي آستنيته كردن و دماي آستنيته كردن تاثير مشابهي در سخت كردن فولاد دارند.
زمان نگهداري در دماي آستنيته كردن بايد طوري انتخاب شود كه كاربيدها حل شوند و سختي مطلوب بدست آيد. اندازه دانه ها آستنيت درست قبل از سخت كردن فولاد بخصوص در مورد فولادهاي پر آلياژكه دماي آستنيته كردن آنها نسبتا بالا است بسيار اهميت دارد.
در فولاد هاي آلياژي عناصر كه كاربيدساز نيستند در فريت حل مي شوند و كاربيدسازها در كاربيدها متمركز مي شوند و توزيع غير يكنواخت عناصر آلياژي بين فريت و كاربيد را خواهد داشت بنابراين يكنواخت و همگن شدن عناصر آلياژي در آستنيت نياز به زمان نسبتا طولاني تر دارد و بدليل آهنگ نفوذ بيشتر كربن نسبت به عناصر آلياژي زمان آستنيته كردن فولاد هاي كربني ساده نسبت به فولادهاي آلياژي كمتر باشد.
زمان حرارت دادن قطعه مجموع  مدت زمان لازم براي رسيدن به دماي آستنيته كردن و زمان نگهداري قطعه درون كوره 
tT=th + ts
ts= زمان نگهداري
th=زمان گرم كردن
tT=زمان حرارت دادن
زمان گرم كردن به عوامل مختلفي بستگي دارد. 1- مشخصات كوره و توان حرارتي كوره 2-اتمسفر كوره 3- جنس قطعه 4 – ابعاد وشكل و ضخامت قطعه 5 – ترتيب قرار گرفتن قطعات در كوره .
براي زمان گرم كردن مي توان از فرمول زير استفاده كرد.
th=k *hmin
 براي محيط هاي گازي (فولاد ساده كربنيk=1-1.2  فولاد آلياژي k=1.4)
براي محيط  نمك مذاب(فولاد ساده كربني  k=0.5-0.6فولاد آلياژي k=0.7 )
زمان نگهداري قطعات در كوره عمدتا تجربي است و فرمول خاصي ندارد مثلا براي قطعات ضخيم با قطعات نازك متفاوت مي باشد.  
زمان نگهداري را معمولا بين زمان گرم كردن و نيمي از زمان گرم كردن در نظر مي گيريم
ts < th   0.5 th <