یکی از مؤثرترین راه ها در افزایش استحکام و سختی در فولاد، دگرسازی آستنیت در دمای بالا و ایجاد فاز باینیت می باشد. در طی انجام عملیات حرارتی با افزودن آلیاژهای خاص، فولادهای کم آلیاژ دارای ترکیبات شیمیایی خاص و خواص مکانیکی بهتر نسبت به بسیاری از فولادهای معمولی تولید می شود که به این دسته از آلیاژهای فولاد که با دگرسازی در دمای بالا تشکیل می شوند، غالباً فولادهای قابل عملیات حرارتی گفته می شود که بسته به میزان غلظت کربن در ترکیب آن ها انواع مختلفی از جمله: فولاد ابزار، قیمت فولاد mo40، فولاد ضد زنگ آستنیتی، فولاد ck60 و فولاد B O Z را شامل می شوند. در این مقاله به بررسی فولاد boz ، مشخصات آنالیز ترکیبات شیمیایی و کاربرد فولاد boz می پردازیم.
فولاد boz یکی از انواع فولادهای قابل عملیات حرارتی است که به عنوان فولاد کم آلیاژ شناخته شده می شود. این فلز حاوی عناصری از جمله: مولیبدن که باعث بهبود استحکام فولاد شده، نیکل که باعث افزایش سختی فولاد می گردد و کروم که باعث افزایش استحکام در دمای بالا و همچنین سختی و مقاومت در برابر خوردگی می گردد . همچنین وجود عناصری مانند منگنز، سیلیکون و سایر عناصر آلیاژی متداول در ترکیب این فولاد، قابلیت های مقاومت آن را در برابر اکسیداسیون افزایش می دهد. استفاده از فولاد boz به دلیل داشتن مقاومت کششی بالا، انعطاف پذیری خوب، مقاومت زیاد در برابر ضربه و همچنین سختی پذیری بالا متداول شده است. در حقیقت، هدف اصلی از طراحی و توسعه آن دستیابی به مقاومت و سختی بالا بوده است.
در این بخش اطلاعاتی نظیر خواص فیزیکی و حرارتی فولاد boz ، کیفیت و شکل آن ارائه شده است. از مشخصات فیزیکی این فولاد در دمای محیط میتوان به ضریب ارتجاعی آن اشاره کرد که تقریباً 210 مگا پاسکال می باشد. چگالی فولاد boz 7.84 گرم بر سانتیمتر مکعب در نظر گرفته شده است؛ رسانایی گرمایی آن 37.7 وات بر کلوین و همچنین ظرفیت گرمایی ویژه آن 0.46 ژول بر کلوین می باشد. مشخصات فنی فولاد boz شامل قابلیت تراش، قابلیت جوشکاری، چکش خواری و مقاوم نبودن در برابر خوردگی می شود. بهتر است تراش این فلز در شرایط نرمال و معتدل عملیات حرارتی انجام شود و میتوان آن را با روش های رایج تراش داد. فولاد boz از فولادهای کم آلیاژ است و در نتیجه در برابر خوردگی مقاوم نیست و باید برای استفاده از آن روکش شود. جوشکاری این فلز هم می تواند به صورت همجوش یا جوشکاری مقاومتی انجام شود. در هنگام جوشکاری آن به روش های ثابت بهتر است روند گرم کردن قبل و بعد جوشکاری ادامه داشته باشد. علاوه بر این، فولاد boz قابلیت چکش خواری نسبتاً خوبی دارد و در دمای کم هم قابلیت انعطاف پذیری دارد.
معمولاً فولاد boz به وسیله عملیات حرارتی از آستنیت، در دمای بالا با ایجاد تغییر شکل فیزیکی در ساختار بلوری و مکعبی آهن تشکیل می شود. در طی عملیات حرارتی، در شرایطی متعادل آلیاژ آهن و کربن (مخلوطی از هیدرو اکسید آهن و فولاد) به آلیاژی از فولاد با ترکیب زود گداز تبدیل می شود. در دمای بالای 900 درجه سانتیگراد و با ایجاد فاز باینیت می توانیم به زیر ساختار میکروسکوپی و خواص مکانیکی بهتری در مقایسه با فاز مارتنسیت دست یابیم.
علاوه بر شرایط ترمودینامیک، عملیات دگرسازی فیزیکی در فولاد به شدت تحت تأثیر جنبش شیمیایی ذرات موجود در ترکیب قرار می گیرد؛ زیرا که در شرایط معمولی انجام عملیات حرارتی، پخش شدگی اتم های آهن در دمای کمتر از 600 درجه سانتی گراد سخت می شود. در نتیجه با محدود شدن جنبش و تحرک اتم ها، آرایش پیچیده ای در زیر ساختارها به وجود می آورد که این آرایش پیچیده منجر به پیچیدگی زیر ساختار فولاد می شود. همچنین سرعت و میزان جنبش اتم ها به شدت تحت تأثیر سرعت خنک سازی است.
در هنگام خنک سازی، بسته به ترکیب دقیق شیمیایی فولاد، آن را به آمیزه ای از فازها، هیدروکسید آهن و فولاد تبدیل می کند. اگر سرعت خنک سازی کم باشد یا در دمای بالا به ایزوترمال تبدیل شود، زیر ساختار به دست آمده به توازن نزدیکتر است؛ به عبارت دیگر شامل هیدروکسید آهن چند شکلی، فولاد، آلیاژ آهن و کربن می شود. اگرچه دگرسازی فولاد از آستنیت به آلیاژ آهن و کربن یک فرآیند بازسازی وابسته به زمان است که به حرکت نسبتاً زیاد اتم های آهن و کربن نیاز دارد. در عملیات های حرارتی، خود پخشی اتم های آهن در دمای کمتر از 600 درجه سانتیگراد کند شده، تا جایی که متوقف گردد؛ در حالیکه کربن درون شبکه ای به آسانی حتی در دمای متوسط پخش می شود. همچنین در خنک سازی سریع ممکن است به دمایی برسد که با وجود ناقص بودن واکنش و آستینیت باقی مانده، آلیاژ آهن و کربن تشکیل نشود.
در خنک سازی با سرعت زیاد، مانع از انجام عملیات دگر سازی فیزیکی می شود و به جای فاز باینیت، فاز مارتنسیت تشکیل می دهد که در آن اتم آهن و کربن پخش نشده؛ در نهایت با تغییر شکل بلورهای آستینیت با وجوه تخت به ساختارهای مکعبی هشت ضلعی، فلز سخت و شکننده تولید می شود. این فاز نامتوازن فقط در دمای کم تشکیل می شود، که نیروی محرکه انجام واکنش برای مقابله با فشار ناشی از دگرسازی فیزیکی کافی است. این تغییر اساساً وابسته به زمان نیست و تغییر فاز فقط به اینکه دمای خنک سازی زیر دمای شروع فاز مارتنزیت باشد، بستگی دارد. به علاوه وقتی تغییر شکل بدون پخش شدن اتم ها انجام شود، ترکیب تولید شده ویژگی های آستینیت منشأ را دریافت می کند.
ایجاد فاز باینیت برای تشکیل فولاد boz در بازه دمایی (تقریباً بین 300 درجه سانتیگراد تا 500 درجه سانتیگراد) بین خنک سازی سریع و کند، رخ می دهد. در این بازه دمایی خود پخشی اتم ها آهن محدود می شود ولی نیروی محرکه کافی برای تشکیل فاز مارتنسیت وجود ندارد. وقتی فاز باینیت بدون پخش آهن توسعه یابد، در حالیکه اتم های کربن پخش شده و رسوب می کنند، فولاد boz تشکیل می شود. همچنین فاز باینیت خود به دو بخش فاز باینیت بالا و باینیت پایین تقسیم می شود؛ به عبارت دیگر اگر تشکیل فولاد boz در نزدیکی دمای 300 درجه سانتیگراد باشد، باینیت پایین؛ و اگر در نزدیکی دمای 450 درجه سانتی گراد باشد باینیت بالا تشکیل خواهد شد.
باینیت بالا در میخ های دمای 400 تا 550 درجه سانتیگراد تشکیل می شود. این میخ ها شامل چند لت هیدروکسید آهن هستند که تقریباً به طور موازی نسبت به یکدیگر قرارگرفته اند و با آستینیت اطراف در ارتباط می باشند؛ اگر چه این ارتباط با پایین آمدن دمای تغییر کم کم از بین می رود. هیدروکسید آهن در این میخ ها حاوی کربن با غلظت کمتر از 0.03% است که باعث ایجاد آستینیت غنی از کربن در اطراف این لت ها می شود. میزان فولاد که بین لت ها تشکیل می گردد بر اساس غلظت کربن در فولاد است که برای فولاد با کربن کم، به طور معمول نوار غیر پیوسته یا ذره های کوچک فولاد بین لت ها به وجود می آید و برای فولاد با کربن زیاد، نوارهای پیوسته در طول لت های هم جوار به وجود خواهد آمد.
باینیت پایین در بازه دمایی 250 تا 400 درجه سانتیگراد تشکیل می شود و در مقایسه با باینیت بالا اغلب فرم صفحه ای شکل می گیرد. در باینیت پایین برخلاف باینیت بالا فاصله زیادی بین لت ها وجود دارد. همچنین در باینیت پایین با کاهش دمای عملیات دگرسازی، سطح صاف هیدروکسید آهن تغییر می کند. در باینیت پایین، بلورهای فولادی در حد فاصل بین هیدروکسید آهن و آستنیت قرار می گیرند. اختلاف دیگر بین باینیت پایین و بالا ناشی از میزان و سرعت پخش کربن در دمای تشکیل است. در دمای زیاد، کربن به سرعت از هیدروکسید آهن تازه تشکیل شده، دور می شود و در رسوبات آستینیت غنی شده از کربن بین صفحات هیدروکسید آهن، کاربید تشکیل می دهد. در دمای کم کربن به کندی پخش می شود و احتمال دارد قبل از اینکه بتواند باینیت را ترک کند، رسوب نماید.
فولاد boz برای اغلب بخش های صنعتی، به خصوص برای کاربردهایی که به مقاومت کششی و عملکرد بالاتری نیاز دارند، استفاده می شود. برخی از کاربردهای معمول آن عبارتند از:
جمع بندی
یکی از مؤثرترین روش ها برای افزایش مقاومت در فولادها، تشکیل فاز باینیت از طریق عملیات حرارتی تقویت کننده است. فولاد boz حاوی کروم، نیکل و مولیبدن بوده و به دلیل مقاومت کششی و استحکام بالا شناخته شده است. همچنین از این فولاد برای تولید قطعات هواپیما و اتومبیل مانند محورها، چرخ دنده ها، میل لنگ، پیستون ها، تاج ها و سایر اجزای سازنده که نیاز به مقاومت و انعطاف پذیری بالا دارند، استفاده می شود. به عنوان مثال، تشکیل فولاد boz با ایجاد تغییر شکل فیزیکی در زیر ساختارهای باینیت رخ می دهد. این ریزساختار متشکل از مخلوط های غیر لایه ای کاربید و هیدروکسید آهن می باشند که میتوان آن ها را به باینیت بالا و پایین طبقه بندی کرد. باینیت پایین در دمای پایین و باینیت بالا در دمای بالا تغییر شکل فیزیکی در ساختار فولاد ایجاد می کنند. با توجه به کربن موجود در ترکیب، میزان مشخصی از مقاومت و سختی در فولاد boz ایجاد می شود.