موضوعات علمی ، فنی مهندسی و بازرسی و دانلود کتاب و جزوه

عملیات حرارتی و جوشکاری

 

حسين کهتری

 

عملیات حرارتی در جوش به دو گروه عمده تقسیم می شود

1- عملیات حرارتی پیشگرم (Preheat)

2- عملیات حرارتی پسگرم(PWHT)

 

عملیات حرارتی پیشگرم :

 

معمولاً به عملیاتی گفته می شود که طی آن، قطعات را قبل ازجوشکاری تا درجه حرارت معینی حرارت می دهند و بلافاصله بعد از رسیدن قطعه کار به آندرجه حرارت، جوشکاری را آغاز می نمایند.

عملیات حرارتی پسگرم :

 

معمولاً به عملیاتی گفته می شود که طی آن قطعات را بعد از جوشکاری تا درجه حرارت معینی حرارت می دهند و بعد از نگهداری در این دما با شیب ملایمی سرد می کنند.

 

هدف از انجام عملیات حرارتی بر روی جوش:

1- جلوگیری ازتشکیل ترک سرد

2- افزایش تافنس فلز جوش

3- کاهش تنش پسماند

4- کاهش اعوجاج و پیچیدگی

5- تولید ساختار میکروسکپی خاص

6- بهبود مقاومت در مقابل خوردگی

7- امکان دادن به خروج هیدروژنجذب شده در جوش

8- کاهش حرارت ورودی به قطعه

9- کاهش نرخ سرد شدن

10- پاکسازی رطوبت موجود در سطح قطعه کار

 

اصول فرایند عملیات حرارتی پیشگرم :

برای انجام عملیات حرارتی پیشگرم میبایست در ابتدا درجه حرارت پیشگرم را بدست آورد و با استفاده از یک منبع حرارتی قطعه را تا آن درجه حرارت گرم کنیم. برای محاسبه درجه حرارت پیشگرم می توان از دیاگرام ها و یا فرمول های محاسباتی استفاده کرد.

بدین منظور آقای sefarian طی یکسری آزمایشات مختلف بر روی انواع فولادهای کم آلیاژ رابطه زیر را اثبات نمود:

 

Tp = 350 Ö 0.25 [C]

[C] = [C] C (1 + 0.005E)

360 [C] C = 360 C + 40 (Mn + Cr) + 20Ni+28MO

= Tp درجه حرارت پیشگرم بر حسب درجه سانتی گراد

= [C] کربن معادل کل

= [C] C کربن معادلشیمیایی

= E ضخامت قطعه بر حسب میلی متر

 

 

مثال:

برای یک فولاد با ترکیب شیمیایی زیر و ضخامت 200 میلیمتر دمای پیشگرم برابر است با:

 

%C: 0.5 %Mn: 1.5 %Mo: 0.5

حل:

[C]C = 0.70

[C]= 0.70 (1+0.005(200)) = 1.4

TP = 350 Ö 0.25*1.4 = 207°C

اگر ضخامت قطعات تحت جوش کم باشد می توان ازعملیات پیشگرم صرفنظر نمود و بجای آن از فلزات پرکننده کم هیدروژن (LOW HYDROGEN) استفاده نمود.

 

اصول فرایند عملیات حرارتی پسگرم :

 

عملیات پسگرم بنا به ترکیب شیمیایی فلز قطعه کار و جوش و خواسته های مورد تقاضا از اتصال دارای سیکل های متفاوتی می باشد.

عملیات پسگرم شامل روش های زیر می باشد:

1- عملیات حرارتی تنش زدایی

2- عملیات حرارتی آنیل

3- عملیات حرارتی نرماله

4- عملیات حرارتی سخت کاری

5- عملیات حرارتی کوئنچ و تمپر

6- عملیات حرارتی آستمپرینگ

7- عملیات حرارتیمارتمپرینگ

8- عملیات حرارتی کربور و دکربور کردن

 

تاثیر عناصر در عملیات حرارتی

 

تاثیر فسفر

فسفر (که در یونانی نام قدیمی ستاره زهره است) در سال 1669 توسط شیمیدان آلمانی به نام هنیگ براند (Hennig brand) از آماده سازی زهرآب کشف شد. براند سعی داشت که نمک ها را از تقطیر زهرآب بدست آورد که در طی این فرآیند ماده سفیدرنگی بدست آورد که در تاریکی می درخشید. از آن زما به بعد، فسفرسانس ماده ای را می گویند که در تاریکی بدون سوختن می درخشید.

در حالت جامد، آهن و فسفر تشكيل Fe3P مي دهند. فسفر در دماي اتاق در حدود 0.1% حل مي شود و فسفر اضافي در زمينه باقي مي ماند. در كل فسفر فريت زاي ضعيفي است. لذا با توجه به درصد كم فسفر در فولاد، تاثير اين عنصر بسيار ناچيز است.

فسفر جدايش در ريزساختار را تشديد مي کند. مناطق حاوي فسفر مناطقي هستند كه در آخرين مرحله انجماد، منجمد مي شود و باعث مي شود كه كربن از اين مناطق پس زده شود. در نتيجه بعد از انجماد، اين مناطق سمنتيت كمتري داشته و در عوض فريت بيشتري خواهد داشت. به اين پديده Ghost bond اطلاق مي شود. همچنين به خاطر ضريب ديفوزيون پايين اين عنصر، امكان يكنواخت كردن ريزساختار بسيار مشكل است.

در عمليات حرارتي فولادها ،فسفر چقرمگي را مي كاهد. به همين خاطر درصد فسفر بايد از 0.04% فراتر نرود. فسفر سختي پذيري را مي افزايد فلذا كاهش چقرمگي و افزايش تردي را در پي خواهد داشت.فسفر با تشكيل محلول جامد جانشيني، تمايل بالقوه اي در افزايش استحكام فريت دارد.

اثر ترد كنندگي به ميزان كربن فولاد بستگي دارد. در گريدهاي پر كربن، تاثير فسفر معكوس مي شود. در بسياري از فولادهاي كم كربن درصد فسفر مي تواند در محدوده 0.15 – 0.04% باشد. در فولادهاي HSLA كه كربن كمتري دارند، جهت افزايش استحكام و مقاومت خوردگي از فسفر با درصد بالا استفاده مي كنند. فولادهاي بسمر به خاطر ماهيت توليد داراي فسفر زيادي هستند. تردي حاصل از فسفر با افزايش كربن، دماي آبكاري، اندازه دانه و كاهش درصد تغيير شكل در فورج افزايش مي يابد. اين تردي بصورت سرد شكنندگي و حساس شدن در تنش هاي ضربه اي ظاهر مي شود.

فسفر اندازه دانه های آهن را افزایش داده و لذا باعث تشکیل ترکیبات حجیم و نامطلوب می شود. افزودن فسفر به فولادهای کم کربن، ازدیاد استحکام و مقاومت خوردگی را در پی دارد. هم چنین قابلیت ماشینکاری فولادهای خوش تراش را بهبود می بخشد.تا 0.07% به فولادهای کم کربن خاص با 0.3% مس افزوده شده تا مقاومت اتمسفری آنها بسیار خوب شود. در چدن، نقطه انجماد اولیه چدن را کاهش داده لذا سیالیت و قابلیت ریخته گری آن را می افزاید.

 

تاثیر منگنز

منگنز فلزی سفید – خاکستری رنگ است که شباهت هایی با آهن دارد. فلزی سخت و بسیار ترد می باشد که به راحتی ذوب نمی شود ولی بسیار آسان اکسید می شود. منگنز تنها بعد از عملیات خاصی فرومغناطیس می شود. اکسید منگنز IV در سلول های باطری خشک استفاده می شود. اکسید منگنز در شیمی آلی نقش واکنش گر برای اکسیداسیون الکل بنزیلیک را ایفا می کند. در شیشه سازی برای حذف رنگ استفاده می شود و اگر مقدارش زیاد باشد، رنگ شیشه را به بنفش تغییر می دهد. اکسید منگنز رنگدانه قهوه ای است که در رنگ سازی بکار می رود. پرمنگنات پتاسیم اکسید کننده بالقوه ای است که در صنایع شیمیایی و پزشکی به عنوان ماده ضدعفونی کننده بکار می رود.

ويژگي هاي شيميايي و متالورژيكي اين عنصر سبب شده كاربرد وسيعي در فولادسازي پيدا كنند. در مذاب آهن، منگنز با اكسيژن تركيب شده و MnO تشكيل مي دهد. اين واكنش در صد اكسيژن را تا حد تعادلي مي كاهد. بنابراين مي توان گفت كه منگنز يك عنصر اكسيژن زداست. اما در مقايسه با عناصر اكسيژن زداي قوي مثل Al,Si ضعيف بوده و به عنوان يك اكسيژن زدا كاربرد ندارد. آنچه كه در فولادهاي خوش تراش مهم است، تمايل منگنز به تر كيب با گوگرد است. MnS تشكيل شده در مذاب سعي دارد وارد سرباره شود. در حالت جامد، سولفيدهاي منگنز موجود در ريزساختار حلاليت كمي داشته و آخال هاي غير فلزي را ايجاد مي كند. با حذف سولفيد آهن در هنگام ذوب و انتقال آن به سرباره، منگنز قادر است خطر سرخ شكنندگي را بكاهد. هم با انتقال دماغه منحني TTT به سمت راست، باعث كاهش سرعت سرد كردن براي رسيدن به ساختار مارتنزيت مي شود. لذا سختي پذيري را افزايش مي دهد. ميزان اضافي منگنز با كربن واكنش مي دهد و كاربيد منگنز Mn3C بوجود مي آيد. منگنز در تمامي انواع فولادهاي كربني و كم آلياژي و نيز در جوشكاري به عنوان مواد پركننده بكار مي رود.

در فولادهاي زنگ نزن، منگنز داكتيليتي در حالت گرم را بهبود مي دهد. و تاثير آن بر توازن ساختار فريتي و آستنيتي با دما تغيير مي كند. در دماهاي پايين پايدار كننده آستنيت است ولي در دماهاي بالا پايدار كننده فريت خواهد بود.

نمودار هاي آهن – منگنز نشان دهنده گسترش منطقه پايداري آستنيت با افزايش منگنز است. در برخي از فولادهاي پرآلياژي، وجود منگنز در حضور كروم زياد باعث افت دماي استحاله دلتا به آستنيت شده فلذا در دماي اتاق نيز مي توان درصدي از فريت دلتا را در ريزساختار مشاهده كرد. در فولادهاي كربني درصد منگنز تا 1.5% است. فولادهاي از 5/1 تا 5/2 درصد منگنز جزو فولادهاي كم آلياژ بوده و از 2.5% بالا، فولاد پرآلياژي محسوب مي شود. نوع خاصي از فولادهاي پرمنگنزي آستنيتي بنام فولاد هادفيلد با در صد منگنز 10-14 % وجود دارد. اين فولاد خاصيت كارسختي داشته و سطح آن سخت مي شود. در حالي كه مغز آن نرم و چقرمه است.

منگنز کربن یوتکتیک را کم می کند. و تشکیل محصولات آستنیتی در دماهای پایین باعث عمیق تر شدن سخت گردانی می شود. و نیز تشکیل پرلیت ریز در ساختار را در پی دارد.

با افزودن منگنز به فولاد، داکتیلیتی آن کاهش می یابد ولی با کم کردن میزان کربن می توان این اثر را تا حدی کاهش داد. در فولادهای کربنی که در محدوده 1.0 – 0.25% کربن دارند، منگنز استحکام کششی را بالا برده و داکتیلیتی را بهبود می بخشد. افزودن منگنز به فولادهای ساده کربنی سختی پذیری و قابلیت ماشینکاری را افزایش می دهد.

فولادهای منگنز دار حساسیت قابل ملاحظه ای نسبت به تردی تمپر بالاخص در مقاطع بزرگ دارند لذا بعد از تمپر در دمای 600 C باید سریعاً سرد شوند.

منگنز با نیتروژن موجود ترکیب شده و نیترید منگنز بسیار سخت را تشکیل داده که در حضور عناصر دیگر مثل Al,Cr,Ti و Mo یکی از اجزای مهم در فولادهای نیتریدی است.

فولادهای حاوی 0.35% کربن، 1.5% منگنز و 0.35% مولیبدن استحکام تسلیم بالا همراه با قابلیت جذب ارتعاش بالایی دارند و بدین لحاظ در میل لنگ های موتور کاربرد زیادی دارند. بخاطر افزایش سخت گردانی عمقی با افزایش منگنز، حساسیت به ترک برداری در حین جوشکاری این فولادها زیاد است لذا قبل از جوشکاری باید پیش گرم شوند.

وقتی درصد منگنز از 10% فراتر رود، تغییرات فازی و رسوب کاربید خیلی آهسته می شود بطوریکه در غیاب هرگونه درصد تغییر شکلی می توان درصد آنها را نادیده انگاشت. فولاد های منگنز هادفیلد آستنیتی بوده و دارای 1.0 – 1.4% کربن و 10 – 14% منگنز هستند. وقتی این فولاد از دمای 1000 C کوئنچ می شود، منگنز بالای این فولادها از استحاله معمولی سخت گردانی جلوگیری کرده و باعث می شود که آستنیت در دمای اتاق پایدار بماند. علیرغم استحکام بالا و داکتیلیتی خوب این فولادها از چقرمگی قابل قبولی نیز برخوردارند. بدلیل کارسختی که در این فولادها اتفاق می افتد، مقاومت به سایش این فولادهازیاد بوده و بیشتر در تیغه های لودر کاربرد دارد. تغییر درصد منگنز در محدوده 10 – 14% تاثیر ناچیزی بر استحکام تسلیم داشته ولی در مقادیر پایین تر از 8% ، تنها تقریباً نصف استحکام کششی فولاد در حالت بالا را دارد.

هر مقداری از منگنز فلزی که در محلول جامد باقی مانده است، متناسب با درصد کربن فولاد استحکام فولاد را افزایش می دهد. در کربن مشخصی، افزودن منگنز باعث کاهش داکتیلیتی فولاد می شود که این را می توان با کم کردن درصد کربن اصلاح کرد.فولاد های با 0.25% کربن و 1.0% منگنز دارای استحکام کششی بالا و داکتیلیتی عالی هستند.

فولادهای سیلیکو منگنزی فنر دارای 8/0 تا 9/0 درصد منگنز دارند. فولادهای ابزار منگنز سخت شونده در روغن دارای 8/0 تا 0/1 درصد کربن و 1 تا 2 درصد منگنز هستند. این فولادها دمای استحاله مارتنزیتی پایینی داشته و لذا تمایل به باقی ماندن آستنیت در ریزساختار بیشتر می شود. سختی پذیری این فولادها با تغییر مقدار منگنز و یا افزودن تا 5/0 درصد کروم به ترکیب فولاد کنترل می شود. افزودن تنگستن و وانادیم مقاومت سایشی را بهبود داده و تمایل به رشد ترک در عملیات حرارتی بعدی را می کاهد. این فولادها در ابزار برش سرد استفاده می شوند.

تمایل به پایدارسازی آستنیت متوسط عنصر منگنز همراه با تمایل به ترکیب با نیتروژن، باعث شده در ترکیب فولادهای کروم – نیکل، این دو عنصر جایگزین درصدی از نیکل شود. به عنوان مثال،فولاد با 1/0 درصد کربن، 18 درصد کروم، 5 درصد نیکل، 8 درصد منگنز و 12/0 تا 18/0 درصد نیتروژن فولادی کاملاً آستینتی بوده که مقدار تنش لازم برای شکست بهتری در دماهای بالا در مقایسه با فولادهای 8-18 عادی دارد. استحکام بالا و داکتیلیتی خوب هم دردمای معمولی و هم در دماهای پایین داشته و مقاومت به خوردگی آن در شرایط اکسیدکنندگی قابل مقایسه با فولاد زنگ نزن 8-18 است. قابلیت جوشکاری خوبی نیز دارد.

در فولادهای پرلیتی، منگنز هیچگونه تاثیری بر مقاومت اکسیداسیون، خوردگی و سایش ندارد.

در چدن ها، منگنز یکی از عناصر مهم بشمار می رود.که یا بصورت محلولو یا بشکل آخال های آبی خاکستری سولفید منگنز ظاهر می شود.

تاثیر کربن

کربن عنصر بسیار مهمی در زندگی انسان است که می توان ادعا کرد بدون آن زندگی داومی نخواهد داشت. شکل های رایج آن در طبیعت به صورت هیدروکربن و سوخت فسیلی گاز متان و نفت خام است. نام کربن برگرفته از یک واژه فرانسوی بنام Charbone می باشد.

کربن از دوره پیش از تاریخ کشف شده بود و با سوختن مواد آلی بهمراه اکسیژن ناکافی بدست می آید. البته این عنصر در خورشید، ستاره ها،ستاره های دنباله دار و بسیاری از سیاره های دیگر به وفور یافت می شود. کربن به صورت الماس های میکروسکوپی در برخی از شهاب سنگ ها وجود دارد.

کربن در کنار فلزات فعال مثل تنگستن، تشکیل کاربیدهای C^- یا استیلیدها 2C^2- می دهد و آلیاژهای با نقطه ذوب بسیار بالا تشکیل می دهد. این آنیونها در متان و استیلن وجود دارد و اسیدهای بسیار ضعیفی هستند. در الکترونگاتیویته 5/2 کربن تمایل دارد پیوند کووالانس تشکیل دهد. تعداد کمی از کابیدها مثل SiC شبکه کووالانسی دارند.

کربن قادر است که زنجیر های طولانی از پیوند C-C به اندازه کافی محکم بوده و از پایداری کم و بیشی برخوردار است. این ویژگی مهم کربن به آن اجازه می دهد که ترکیبات زیادی را تشکیل دهد.

ساده ترین شکل ملکولی آلی،هیدروکربن است که بزرگترین خانواده آلی است که بنابه تعریف ترکیبی از اتم های هیدروژن می باشند که به زنجیری از اتمهای کربن متصل شده اند. طول زنجیر، عرض زنجیر و گروه های تابعه آن بر خواص ملکول های آلی موثرند.

در فولادسازی، کربن اصلی ترین عنصر آلیاژی در تولید انواع فولادها می باشد..تغييرات 1/0 درصدي كربن فولاد تاثيرات شگرفي روي خواص فولاد دارد. اين عنصر را ارزان كثيف Dirty Cheap مي نامند و در صد آن در فولاد را بايد كنترل كرد.

افزايش ميزان كربن، سختي پذيري فولاد و نيز سختي آن را افزايش مي دهد. هم چنين، هر چقدر سمنتيت در زمينه فريتي بيشتر باشد، سختي نيز زيادتر خواهد بود. در چدنها، كربن بصورت گرافيت در ريزساختار بوده كه در سختي پذيري تاثيري ندارد.

در ريزساختار فولاد، كربن و آهن تشكيل كاربيدآهن يا همان سمنتيت مي دهند. اين كاربيد را نمي توان در حضور عناصر آلياژي ديگر يك كاربيد ساده تلقي كرد بلكه كاربيد كمپلكسي از آنهاست. سمنتيت و كاربيدهاي ديگري كه در ريز ساختار وجود دارند بر عوامل زير تاثير مي گذارند:

- دما و زمان لازم براي انحلال در هنگام حرارت دادن فولاد

- دماي برگشت براي دستيابي به ميزان سختي لازم

- وجود سختي ثانويه در حين برگشت ، تنش گيري و كار در دماي بالا

- چقرمگي فولاد كه تحت تاثير پراكندگي ذرات كاربيدي در ريزساختار است.

افزايش كربن عليرغم ازدياد سختي و استحكام ،شكل پذيري، داكتيليتي و چقرمگي، قابلیت جوشكاري و ماشينكاري را كاهش مي دهد. معمولاً مقدار كربن تاثيري بر مقاومت خوردگي فولاد در آب، اسيدها و گازهاي داغ ندارد.

کربن نقطه انجماد آهن را کاهش می دهد. قابلیت انحلال کربن در آهن با افزایش دما افزایش می یابد. بسیاری از فولادهای نورد یا فورج شده در منطقه پایداری آستنیت کار گرم می شوند که به علت یکنواختی ترکیب و اندازه دانه است.

ذرات سمنتیت د ر حین سرد شدن از آستنیت رسوب می کنند. هر چقدر سمنیت بصورت ریز پراکنده باشد، سختی فریت و سمنتیت بیشتر خواهد شد. در فولادهای کربنی، افزایش کربن تا 84/0 % و تشکیل پرلیت باعث افزایش سریع استحکام تسلیم و کشش خواهد شد ولی همراه با کاهش داکتیلیتی و چکش خواری است.

با افزایش دما قابلیت انحلال کربن در آهن افزایش یافته و در دمای تشکیل آستنیت سریعا افزایش می یابد. معمولاً فولادهای پرکربن در منطقه 9/0 % کربن را همیشه عملیات حرارتی نمی کنند چرا که انحلال کامل کاربید ها همیشه مطلوب نیست. شرایط آستنیتی با یکنواختی در ترکیب و اندازه دانه مشخص می شود. در سرد کردن، آستنیت به فریت و سمنتیت دگرگون می شود و با کنترل و تنظیم دقیق شرایط سرد کردن می توان ریزساختار را کنترل کرد.در واقع عملیات حرارتی وسیله ایست که می توان با آن توزیع ذرات سخت سمنتیت در فاز نرم فریت را کنترل کرد.