5-2 نمودار شماتیک مراحل عملیات حرارتی فولاد ابزار برای سختکاری نهایی.

5-8 – اتساع فولاد با 1 درصد کربن در هنگام گرم کردن و همچنین اهسته سرد کردن (نقطه چین) یا کوئنچ کردن (خط ممتد)

در نهایت، در دمای M_s برای فولاد، مارتنزیت شکل می‌گیرد و انبساط قابل توجهی در دمای پایین رخ می‌دهد، زیرا ساختار کریستالی مارتنزیت جایگزین آستنیت می‌شود. چگالی و ویژگی‌های انبساط حرارتی فولادهای ابزار وابسته به آلیاژ هستند و جدول 5-2 این ویژگی‌ها را برای فولادهای ابزار انتخابی فهرست می‌کند.

تنوع زیاد ترکیب شیمیایی انواع مختلف فولادهای ابزار باعث می شود که تغییرات ریزساختاری در محدوده های مختلف دما و شرایط گرمایش و سرمایش انجام شود. پارامترهای عملیات حرارتی ویژه توصیه شده برای هر دسته از فولادهای ابزار در جدول 5-3 آورده شده است.

آستنیته کردن برای سختکاری

آستنیته کردن برای سختکاری با حرارت دادن ریزساختارهای کروی کاربید-فریت فولادهای ابزار تا دمای آستنیته مناسب انجام می شود. استفاده از نمودار Fe-C برای فولادهای ابزار آلیاژی تقریبی است و میدان دو فازی آستنیت-کاربید ممکن است به طور قابل توجهی به میزان کربن کمتر و دماهای بالاتر توسط عناصر تشکیل دهنده کاربید قوی که معمولاً برای فولادهای ابزار استفاده می شود گسترش یابد.

اولین نکته در مورد آستنیته کردن فولادهای ابزار، نیاز به پیش گرم کردن بسیاری از گریدهای الیاژی است. یک ریزساختار فولادی آنیل شده در اثر حرارت تا دمای آستنیته منبسط می شود و در طول تشکیل آستنیت منقبض می شود.اگر دمای قطعه یکنواخت نباشد، در نتیجه اختلاف دما بین سطح و داخل، تغییر ابعاد در زمان های مختلف به عنوان تابعی از موقعیت رخ می دهد و تغییرات موضعی ممکن است باعث ایجاد تنش شود. به عنوان مثال، مناطقی که به سرعت در حال انبساط هستند، به دلیل موقعیت و دمای بالاتر، باعث ایجاد تنش کششی در مناطقی می شود که به سرعت منبسط نشده اند. این تنش ممکن است باعث سیلان پلاستیک یا اعوجاج شود و اگر به اندازه کافی زیاد باشد، ممکن است باعث ترک خوردگی شود، به ویژه در فولادهای ابزار پرآلیاژ با محتوای کاربید بالا و شکل پذیری گرم و مقاومت در برابر شکست کم. پیش گرم کردن، دمای یکنواخت را در سرتاسر قطعه کار قبل از گرم شدن تا دمای آستنیته نهایی ایجاد می کند و شوک حرارتی و تغییرات ابعادی موضعی را که با گرم کردن مستقیم قطعه کار سرد تا دمای سخت شدن ایجاد می شود، به حداقل می رساند. همه ابزارها نیاز به پیش گرم کردن ندارند. به عنوان مثال، قطعات کوچکی که در آنها گرادیان دما در گرم کردن حداقل است، و قطعاتی با هندسه ساده که تمرکز تنش را به دلیل تغییرات مقطع به حداقل می‌رسانند، ممکن است نیازی به پیش گرم کردن نداشته باشند. در مقابل، فولادهای ابزار تندبر سخت شده در حمام نمک ممکن است در معرض دو مرحله پیش گرم قرار گیرند. مراحل پیش گرم در زیر حداقل دمای بحرانی، قبل از تشکیل آستنیت انجام می‌شود و مرحله دیگر بعد از تشکیل آستنیت، قبل از حرارت دادن تا دمای آستنیته نهایی انجام می شود که برای فولادهای تندبر بسیار بالا است. پیش گرم کردن، دمای یکنواخت را در سرتاسر قطعه کار قبل از گرم شدن تا دمای آستنیته نهایی ایجاد می کند و شوک حرارتی و تغییرات ابعادی موضعی را به حداقل می رساند. پیش گرم کردن و آستنیته نهایی معمولاً در حمام های نمک مجاور یا کوره های تنظیم شده در دماهای مربوطه انجام می شود، اما بسته به نیاز تولید ممکن است در یک کوره نیز انجام شود. آستنیته کردن به منظور سختکاری باید چندین عملکرد مهم را برای مراحل بعدی عملیات حرارتی کوئنچ و تمپر انجام دهد:

• کاهش کسر حجمی کاربیدهای آلیاژی حل نشده که به مقاومت در برابر سایش کمک می کند.
• ترکیب آستنیت را کنترل می کند تا دمای Ms مورد نیاز و در نتیجه تعادلی معقول بین مارتنزیت و آستنیت پس از کوئنچ شدن فراهم شود.
• ترکیب آستنیت را کنترل می کند تا سختی مورد نیاز را به منظور به حداکثر رساندن میزان مارتنزیت تشکیل شده در کوئنچ کردن یا سرد شدن از دمای آستنیته کردن، فراهم شود.
• عناصر آلیاژی به اندازه کافی حل می کند که در زمان کوئنچ در حالت فوق اشباع در مارتنزیت قرار می گیرند و بنابراین برای رسوب و سخت شدن ثانویه در حین تمپر در دسترس خواهند بود.

اندازه دانه آستنیتی را کنترل می کند تا از درشت شدن و کاهش مقاومت در برابر شکست ناشی از آن جلوگیری شود.

قابل توجه است که همه این عملکردهای بسیار حیاتی در طی حرارت دادن در محدوده دمایی توصیه شده برای سختکاری گروه‌های فولادهای ابزار انجام می شود. کلید آستنیته کردن موفقیت آمیز کنترل میزان انحلال کاربید آلیاژی است زیرا ترکیب فولاد ابزار در دماهای بالا به تعادل نزدیک می شود. با حل شدن کاربیدهای آلیاژی، عناصر آلیاژی و کربن که زمانی کاربیدها را تشکیل می دادند، به آستنیت تقسیم می شوند. بنابراین، نه تنها کسر حجمی کاربیدها کنترل می شود، بلکه شیمی آستنیت نیز کنترل می شود، که سختی پذیری، دمای Ms، محتوای آستنیت حفظ شده و پتانسیل سخت شدن ثانویه را کنترل می کند.

شکل 5-10 نمودار شماتیک مراحل عملیات حرارتی فولاد ابزار تندبر با دو مرحله پیش گرم.

جدول (5-2) چگالی و انبساط حرارتی فولاد ابزار انتخابی

جدول(5-3) دماها و روش های سختکاری و تمپر برای فولادهای ابزار

شکل 5-9 نمودار فاز Fe-C نشان دهنده حداکثر دما برای استنیت جهت سختکاری فولاد ابزار