سخت کاری فولاد Mo40 ،Ck45 با روغن و آب نمک

کاربرد گسترده فولاد در صنایع مختلف و نیاز به این محصول با استحکام بالا، معمولا افراد را با این سوال مواجه می‌کند که چه چیز باعث استحکام آهن می‌شود؟ عوامل مختلفی بر مقاومت و استحکام فولاد تاثیر دارند؛ درصد کربن، نوع و ترکیب عناصر آلیاژی و درجه سختی برخی از مهمترین آن‌ها محسوب می‌شوند. هر چه این فاکتورها به استانداردها نزدیک و متناسب با آن باشد، استحکام آهن هم بیشتر خواهد شد. در همین راستا، عملیات سخت کاری فولاد جهت افزایش درجه سختی و بهبود استحکام آن انجام می‌گیرد. این عملیات نقش قابل توجهی هم در بهبود سایر خواص فولاد از جمله خواص مکانیکی، متالوژیکی، شیمیایی و فیزیکی دارد.

به طور کلی، سخت کاری آهن به نوعی عملیات حرارتی گفته می‌شود که طی آن سطح رویی فولاد دچار تغییر شده و همین موضوع منجر به بهبود خواص گوناگون آهن خواهد شد. این عملیات حرارتی سختی فولاد را به میزان چشم گیری افزایش می‌دهد بدون این که درون آن با تغییر مواجه شود. قطعات آهنی که تحت عملیات سخت کاری قرار می‌گیرند، سختی مطلوبی به دست آورده و از خاصیت چقرمگی مناسبی برخوردار خواهند شد. افزایش مقاومت در برابر سایش و استحکام دینامیکی آهن از جمله دیگر خواصی هستند که طی این عملیات بهبود می‌یابند. فرایند سخت کاری معمولا در آخرین مرحله تولید قطعات فولادی انجام می‌گیرند.

عملیات حرارتی مهمترین فرایند در سخت کاری فولاد به شمار می‌آید و معمولا در روش‌های مختلفِ سخت کاری از آن‌ استفاده می‌شود. منظور از عملیات حرارتی، فرایندی است که با افزایش دمای یک آلیاژ مانند فولاد تا مقدار مشخص، ثابت نگه داشتن و سپس کاهش دما در یک بازه زمانی معین، خواص آن را تغییر می‌دهد. این فرایند کاربردهای فروانی داشته و معمولا جهت تغییر و بهبود استحکام، سختی، دوام، شکل‌پذیری و دیگر خواص مکانیکی فولاد یا سایر آلیاژها مورد استفاده قرار می‌گیرد. هدف کلی و اصلی عملیات حرارتی، بهبود مقاومت قطعات در برابر استهلاک و افزایش طول عمرشان است. آنیلینگ و تمپرینگ دو نمونه از روش های عملیات حرارتی هستند.

هدف از انجام عملیات حرارتی

در عملیات حرارتی، اقدامات لازم برای افزایش سختی فلز معمولاً در فاز جامد انجام می‌گیرد. در برخی موارد، فرایندهای مربوط به عملیات حرارتی باید چند بار تکرار شود تا خواص ماده به میزان مد نظر برسد. با توجه به این موضوع، عملیات حرارتی را می‌توان مجموعه‌ای از فرایندهای افزایش و کاهش دمای فلزات و آلیاژها در فاز جامد دانست که برای رسیدن به خواص مکانیکی مطلوب اجرا می‌شوند. فرایندهای حرارتی جهت نیل به اهداف زیر اجرا می‌شود:

• افزایش سختی یا استحکام کششی فولاد که با تغییر در فازهای شیمیایی رخ می‌دهد. 
• بهبود خاصی شکل پذیری مقاطع فلزی
• آزاد سازی تنش‌های داخلی
• اصلاح اندازه ذرات تشکیل دهنده آلیاژها
• بهبود قابلیت ماشین کاری
• تغییر خواص مغناطیسی
• اصلاح هدایت الکتریکی
• بهبود چقرمگی و تبلور مجدد ساختار فلزات سرد کاری شده

فاکتورها و عوامل زیادی در افزایش سختی آهن نقش دارند که تغییر هر کدام می‌تواند این خاصیت کلیدی فولاد را کاهش یا افزایش دهد. چند روش مختلف برای افزایش سختی آهن وجود دارد. بسته به هدف مورد نظر، بر روش مورد نظر تمرکز می‌شود. با توجه به روش و عملیاتی که جهت سخت کاری استفاده می‌شود، قیمت نهایی محصولات فولادی هم متفاوت خواهد بود. مهمترین عوامل تاثیرگذار در افزایش سختی آهن و بهبود سختی آن عبارتست از:

• میزان درصد کربن در آلیاژ فولاد
• اندازه دانه‌های آستنیتی
• همگن بودن میکرو ساختار
• میزان ناخالصی‌های غیر فلزی
• عناصر آلیاژی

در عملیات سخت‌کاری باید به این موارد توجه شود.

راه‌های مختلفی جهت افزایش سختی فولاد و دیگر فلزات وجود دارد که هر کدام برای سخت کاری یک نوع فلز یا آلیاژ مناسب هستند. با وجود این، مراحل انجام این عملیات در تمامی روش‌ها مشترک است. این موارد مشترک در روش‌های مختلف سخت کاری فولاد شامل سه مرحله حرارت دهی، نگهداری دما و خنک کاری می‌شوند. اگر چه برای هر مرحله ممکن است در روش‌های مختلف از تکنیک‌های متفاوتی استفاده شود، اما این سه مرحله کلی جهت افزایش سختی با شیوه‌های گوناگون باید مد نظر قرار بگیرند. این مراحل مشترک در تمامی روش‌های سخت کاری آهن عبارتند از:

1. حرارت دهی
2. نگهداری و حفظ دما
3. خنک کاری

به منظور بهبود و افزایش سختی آهن و فولاد از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود که هر کدام سازوکار مخصوص به خود را دارند. در یک دسته بندی کلی، می توان این روش‌ها در دو گروه جای داد:

الف- روش های مبتنی بر عملیات ترموشیمی. در این روش ها، پس از انجام سخت کاری آهن، ترکیب شیمیایی فلز دچار تغییر می‌شود.

ب- روش های مبتنی بر عملیات موضعی: عملیات موضعی، ترکیب شیمیایی فلز را تحت تأثیر قرار نمی‌دهند.

با توجه به این که در آخرین مرحله سخت کاری آهن با اکثر روش‌ها از روغن استفاده می‌شود، برخی افراد گمان می‌کنند که روغن موجب افزایش سختی آهن می‌شود. در صورتی که این گونه نبوده و روغن هیچ نقشی در استحکام و افزایش میزان سختی قطعات فولاد ندارد. بلکه از آن تنها برای خنک کاری فولاد پس از رسیدن به دمای بالای سخت کاری استفاده می‌شود. روغن نسبت به آب به زمان بیشتری برای خنک سازی قطعات فولادی نیاز دارد. از این رو احتمال ایجاد اکسید به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. در بسیاری از روش‌های سخت کاری از جمله کربن دهی، سخت کاری شعله ای و القایی، روغن در مرحله کوئینچینک (خنک کاری) کاربرد دارد.

سخت کردن فولاد نرم با آب نمک، یک روش قدیمی است. این روش در آغاز قرن بیستم در انگلستان مورد استفاده قرار گرفت و سپس به عنوان یک روش کم هزینه در اروپا گسترش یافت. ورق سیاه و سایر محصولاتی که از آن ساخته می‌شوند، از نوع فولاد نرم هستند.

گسترۀ دما و حرارت دهی در این روش، 150 تا 1278 درجۀ سانتیگراد است. یعنی نمک تا دمای 150 - 1278 درجه سانتیگراد حرارت داده می‌شود. زمانی که نمک حرارت داده می‌شود، به مذاب قرمز رنگ تبدیل می‌شود. قطعه فولادی مورد نظر در مذاب نمک غوطه‌ور می‌شود. از آنجا که در این روش قطعه مورد نظر در مذاب غوطه‌ور می‌گردد، از خم شدن آن جلوگیری می‌شود. سه محدودۀ دمایی برای نمک‌های مذاب در نظر گرفته می‌شود:

1. دمای پایین (150 درجه - 620 درجه سانتیگراد).
2. دمای متوسط (650-982 درجه سانتیگراد).
3. دمای بالا (982 تا 1287 درجه سانتیگراد).

دمای پایین (150 درجه - 620 درجه سانتیگراد)

این نمک‌ها معمولاً مخلوطی از نیترات‌های مختلف مثل نیترات‌های سدیم و پتاسیم هستند و در دمای 150 درجه سانتیگراد کاملا مذاب هستند. دقت داشته باشید که از این نمک ها در دمای بالاتر از 620 درجه سانتیگراد استفاده نکنید. چون در این دما ناپایدار می‌شوند و ممکن است یک واکنش گرمازا قوی ایجاد شود.

دمای متوسط (650-982 درجه سانتیگراد)

نمک‌های مذاب در این دسته، مخلوطی از کلرید سدیم (NaCl)، کلرید پتاسیم (KCl)، کلرید کلسیم (CaCl2)، کربنات سدیم (Na2CO3) و کلرید باریم (BaCl2) هستند. در مورد دماهای پایین‌تر محدوده عملیاتی، عمدتاً از ترکیب کلرید پتاسیم و کربنات سدیم استفاده می‌شود. در رِنج بالایی محدوده دمایی، کلرید باریم نمک اصلی است. برای اکثر عملیات حرارتی همه منظوره تا دمای 900 درجه سانتیگراد، مخلوط 50/50 کلرید سدیم و کلرید پتاسیم رایج‌ است.

دمای بالا (982 تا 1287 درجه سانتیگراد)

برای حمام های نمک مذاب با دمای بالا می توانید از نمک های زیر استفاده کنید:

• باریم کلرید
• پتاسیم کلرید
• سدیم کلرید (نمک طعام)

از این میان، استفاده از باریم کلرید رایج‌تر است و مقدار کمی سیلیس (تا 5 درصد) به عنوان یکسو کننده به حمام نمک اضافه می‌شود.

در پایان کار که حرارت کاهش داده می‌شود، مذاب نمک موجود در حمام نمک، رنگ قرمز خود را از دست می‌دهد.

مزیت های سخت کاری با آب نمک

توانایی و قابلیت رسانایی بالای نمک، از مزیت های سخت کردن فولاد با نمک است. گرما در نمکِ مذاب یا آب نمک، سریعتر منتقل می‌شود. سرعت انتقال حرارت در یک محیط مایع بسیار بیشتر از مکانیسم‌های گرمایش دیگر (مثل جریان همرفتی از طریق گاز) است. به عنوان مثال، در روش آب نمک، یک قطعۀ فولاد با قطر 25 میلی‌متر، برای رسیدن به دمای آستنیته، چهار دقیقه زمان نیاز دارد. در حالی که همین قطعه در یک کوره تابشی استاندارد، به 30 دقیقه یا بیشتر زمان نیاز دارد.

• یک روش غیر سمی است.
• خنک شدن فولاد در نمک مذاب، به کندی صورت می‌گیرد و روند خنک شدن، در دمای پایین خود به خود متوقف می شود. از این رو، نیازی به کوئنچینگ هم نیست.
• میزان کاهش دما را می‌توان با تغییر دما، هم زدن و میزان آب نمک، کنترل کرد.
• میزان اکسیداسیون و کربن زدایی در حمام نمک در کمترین حالت ممکن است. زیرا در حین عملیات حرارتی، بخش داغ قطعه فولادی با محلول نمک در تماس است با هیچ تماسی با اتمسفر ندارد. 
• در سخت کردن فولاد با آب نمک، اعوجاج قطعه کار به حدأقل می‌رسد.
• نمک اشتعال‌ناپذیر است و خطر آتش سوزی ندارد.
• پس از اتمام کار، نمک را می‌توان به راحتی با آب از سطح قطعه کار تمیز کرد.

فولاد Mo40 یک نوع فولاد کم آلیاژ است که در ساختار آن از مولبیدن و کروم استفاده می‌شود. مقاومت بالا در برابر فشار، ضربه و حرارت مهمترین ویژگی‌های این نوع آلیاژ به شمار می‌آیند. به همین خاطر، جهت ساخت تجهیزات صنعتی که به این ویژگی‌ها نیاز دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. تیر، ستون و چرخ دنده تعدادی از مهمترین مصالح و تجهیزاتی هستند که فولاد Mo40 برای تولیدشان به کار گرفته می‌شود. علیرغم تمام مزایای این فولاد، در دسته آلیاژهای کم کربن قرار می‌گیرد. از این رو استفاده از روش‌های سخت کاری آهن برای افزایش میزان استحکام و سختی این نوع فولاد، رایج است.

سخت کاری به منظور افزایش مقاومت در برابر فشار

برای سخت کاری فولاد Mo40 به منظور افزایش قدرت و استحکام کارهای زیر را انجام دهید:

1. کوره را تا دمای 843 – 871 درجه سانتیگراد گرم کنید. حرارت دهی در دمای ۸۲۰ تا ۸۶۰ درجه سانتی‌گراد (معمولاً 840 درجه سانتیگراد) در نظر گرفته می‌شود. قطعه فولادی Mo40 خود را حداقل 30 دقیقه (به ازای هر اینچ ضخامت) در کوره نگه دارید.
2. قطعه از کوره خارج کرده و آن را بلافاصله در روغن فرو ببرید تا سرد و خاموش شود.

این دو مرحله کمک می‌کند تا ریز ساختارهای فولاد Mo40 به تعادل برسند و فولاد در برابر فشار قوی شود. بهتر است خنک کاری در روغن انجام شود تا بهترین نتیجه حاصل آید.

سخت کاری فولاد Mo40 جهت افزایش مقاومت کششی

در ادامه کار، برای اینکه خطر ترک خوردگی و شکنندگی قطعۀ کار خود را به حدأقل برسانید، کارهای زیر را انجام دهید.

• کوره خود را تا 204.5- 648.5 درجه سانتیگراد گرم کنید.
• به ازای هر اینچ ضخامت، قطعه به مدت 15 دقیقه در حرارت نگه داشته شود.
• سپس قطعه فولادی Mo40 خود را از کوره خارج کنید و اجازه دهید تا در هوا خنک شود.

با انجام سه مرحله بالا، در واقع عملیات تمپرینگ برای فولاد Mo40 خود انجام داده‌اید. این سه مرحله، به قوی شدن قطعه فولادی شما در برابر تنش‌های کششی کمک خواهد کرد. دمای 315.5 درجۀ سانتیگراد، استحکام کششی 225ksi و سختی 50 راکوِل برای فولاد شما ایجاد خواهد کرد. دمای 537.87 درجه سانتیگراد، استحکام کششی 130ksi ایجاد می‌کند. بنابراین، اگر دما را زیادی افزایش دهید، استحکام کششی کم خواهد شد.

سخت کاری فولاد Mo40 برای بهبود خواص مکانیکی

به منظور برای بهبود خواص مکانیکی فولادهای Mo40 نوع دیگری از سخت کاری روی آن انجام می‌شود که در اصطلاح علمی به آن نرمالایز می‌گوییم. البته نرمالایز برای برخی دیگر از مقاطع و گریدهای فولادی مثل ورق St52 و ورق A516 نیز کاربرد دارد. در مورد فولادهای Mo40 مراحل زیر را انجام دهید:

1. کوره را گرم کنید، دمای کوره را تا 913 درجۀ سانتیگراد بالا ببرید.
2. قطعه فولادی خود را حداقل 30 دقیقه (ترجیحا بیشتر) در داخل کوره نگه دارید.
3. سپس قطعه را از کوره خارج کنید و اجازه دهید در هوای محیط خنک شود.

به طور کلی، روش‌هایی که برای سخت کاری فولاد Mo40 بیان شد، طول عمر آن را افزایش داده و همچنین منجر به افزایش مقاومت آن در برابر ضربه و سایش خواهد شد.

فولاد Ck45 در شرایط نورد گرم تولید می‌شود. استحکام کششی آن متوسط (بین ۵۷۰ تا ۷۰۰ مگاپاسکال) و سختی برینل آن بین ۱۷۰ تا ۲۱۰ می‌باشد. قابلیت سختی پذیری Ck45 به نسبت پایین است. با این حال، امکان استفاده از روش‌های سخت کاری فولادی جهت بهبود استحکام و افزایش میزان سختی آن وجود دارد. معمولا فقط ضخامت‌های نهایتاً ۶۰ میلیمتر برای سخت کاری مناسب است. سخت‌کاری Ck45 با ضخامت‌های بیشتر از 60 میلیمتر، به سادگی امکان پذیر نیست.

برای سخت کاری Ck45 ابتدا آن را در دمای ۸۲۰ تا ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد حرارت دهید. در ادامه، فولاد وارد مراحل نگهداری دما شده و باید به اندازه کافی در دمای مد نظر باقی بماند. آخرین مرحله، خنک سازی است؛ این کار را با استفاده از آب یا روغن انجام دهید. به ازای هر ۲۵ میلیمتر فولاد Ck45 به ۱۰ تا ۱۵ دقیقه زمان برای خنک کردن نیاز است. به طور کلی، فولاد Ck45 در محدودۀ دمایی 820-850 درجه سانتیگراد و 830-860 درجه سانتیگراد سفت و سخت می‌شود.

برای ایجاد انعطاف پذیری در CK45 و کاهش تردی و شکنندگی آن، قطعۀ خود را دمای 650-700 درجه سانتیگراد در کوره گرم کنید؛ سپس کوره را خاموش کنید و اجازه دهید به آرامی در کوره خنک شود. این کار حداکثر سختی 207 برینل را برای قطعۀ فولادی شما ایجاد می‌کند. 

فولاد ck60 با عنوان 1.1221 هم شناخته می‌شود و در دسته فولادهای کربنی قرار دارد. به همین خاطر، مقاومت بسیار عالی در برابر اصطکاک و ساییدگی دارد. Ck60 نسبت به ck45 خاصیت سختی پذیری بیشتری داشته و از طریق سختکاری، می‌توان استحکام آن را به میزان قابل توجهی افزایش داد. در نتیجه، معمولا برای تولید مقاطع با بارگذاری‌های بالا از این نوع فولاد استفاده می‌شود.

فولاد ck60 از سختی بالایی برخوردار بوده و درجه سختی برینل آن حدود ۲۴۱ می‌باشد. با این حال، باز هم برای رسیدن به میزان استحکام و سختی بیشتر، آن را تحت عملیات سخت کاری قرار می‌دهند. به این ترتیب که از طریق فرایند حرارت دهی، دمای آن را تا 650-700 درجۀ سانتیگراد بالا برده، سپس اجازه دهید به آرامی در کوره خنک شود. با این روش، فولاد ck60 به حدأکثر درجۀ سختی خود یعنی 241 برینل می‌رسد. دمای نرمالایز سازی آن نیز 820-850 درجۀ سانتیگراد است. در یک روش دیگر، می‌توانید دمای قطعه را تا 800-830 و یا 810-840 بالا ببرید؛ سپس خنک سازی قطعه را با استفاده از آب یا روغن انجام دهید.

از فولاد ck60 سخت کاری شده بیشتر در مواردی استفاده می‌شود که به تحمل فشار یا ضربه‌پذیری بالایی نیاز باشد. زیرا وجود عنصر سیلیسیم در ترکیب شیمیایی ck60، خاصیت فنری بودن آن را افزایش می‌دهد.