عملیات پیرسازی
فهرست مطالب
هدف از انجام عملیات پیرسازی یک آلیاژ فوق اشباع، ایجاد ذرات بسیار ریز پراکنده در زمینه در حین عملیات حرارتی است. ( این ذرات می توانند در نتیجه پیر سازی مصنوعی یا در برخی از آلیاژها حتی به صورت طبیعی یعنی در دمای محیط، تشکیل شوند). دمای تشکیل این ذرات می بایست نه تنها زیر دمای سالیدوس، بلکه پایین تر از خط انحلالی ذرات باشد. جاهای خالی موجود در محلول فوق اشباع شرایط نفوذ را تسهیل نموده و در نتیجه تشکیل تشکیل ذرات، سریع تر از آنچه انتظار می رود، اتفاق خواهد افتاد.یکی از خصوصیات اصلی آلیاژهای قابل پیر سازی وجود میزان حلالیت محدود در دمای محیط و افزایش حلالیت آلیاژ در دماهای بالاتر است. از جمله آلیاژهای شاخص در زمینه پیر سازی، برخی از آلیاژهای آلومینیم و همچنین آلیاژهای معروف به مارایج (Marage) در فولادهای هستند.
پیر سازی آلیاژهای آلومینیم
اگر چه قابلیت پیر سازی، در بسیاری از آلیاژهای آلو مینیم وجود دارد، ولی فقط در تعداد اندکی از آنها قابل توجه بوده و تاثیر بسزایی در افزایش سختی دارد. بنابراین تعداد اندکی از این آلیاژها تحت عنوان آلیاژهای آلومینیم عملیات حرارتی پذیر شناخته می شوند. به عنوان مثال آلیاژهای دوتایی آلومینیم سیلیکون و آلومینیم منگنز، در عملیات پیر سازی ، افزایش سختی جزیی از خود نشان میدهند. آلیاژهای مهم پیر شونده آلومینیم عبارتنداز:
- آلیاژهای آلومینم- مس با رسوب ذرات Cu Al2
- آلیاژهای آلومینم – مس – منیزیم ( منیزیم نقش سخت تر کردن رسوبات را دارد)
- آلیاژ های آلومینیم – منیزیم – سیلیسیوم با رسوب ذرات Mg2 Si
- آلیاژهای آلومینیم – روی – منیزیم با رسوب ذرات Mg Zn2
- آلیاژهای آلومینیم – روی – منیزیم – مس
عملیات حرارتی برای بالا بردن استحکام آلیاژهای آلومینیم طی سه مرحله انجام می پذیرد:
- عملیات حرارتی محلولی ( حل شدن فازهای انحلال پذیر)
- کویینچینگ ( تشکیل محلول فوق اشباع)
- عملیات پیر سختی شامل رسوب کردن اتمهای محلول، که می تواند در دمای محیط (Natural Aging)یا دماهای بالاتر (Artificial aging) صورت پذیرد.
مارایجینگ (Maraging)
فولادهای مارایجنینگ(Maraging Steels) به فولادهای پرآلیاژ کم کربن مارتنزیتی گفته می شود که با تشکیل یک ساختار مارتنزیت آهن-نیکل و پیرو آن، انجام عملیات پیر سازی، به استحکام و تافنس بسیار بالاتر ازفولادهای کربنی عملیات حرارتی پذیر می رسند. همانطور که اشاره شد، این فولادها در مواردی که هردو ویژگی تافنس و استحکام می بایست همزمان بالا باشند، جایگزین آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر معمولی هستند. فولادهای عملیات حرارتی شونده معمولی، استحکام خود را از یک استحاله فازی مارتنزیتی یا بینیتی و احیانا کاربیدهای رسوب یافته در حین تمپر بدست می آورند. در حالیکه در فولادهای مارایج، استحکام در نتیجه تشکیل یک ساختارزمینه نرم مارتنزیتی آهن-نیکل و به دنبال آن ایجاد فازهای سخت بین فلزی حین فرآیند پیر سازی، حاصل می گردد. عبارت مارایج (Marage) از ترکیب دو عبارت (Martensite) و (Aging) بوجود آمده و اشاره به پیر سختی ساختار مارتنزیتی دارد.
تاریخچه پیدایش
ایده سخت کاری رسوبی مارتنزیت یا مارایجینگ، از اوایل سال 1927 شکل گرفت و توسعه یافت تا اینکه ساخت اولین آلیاژهای آهن-نیکل مارایج در سال 1950 محقق شد. بعدها این تحقیقات، با ساخت فولادهای 20,25% Ni تکمیل شد. در دو آلیاژ اخیر، علاوه بر نیکل، 1.4%Ti , 0.3%Al , 0.4%Nb نیز وجود داشته که نقش اصلی رسوب سختی را در محدوه دمایی 425 – 510 درجه سانتیگراد به عهده دارند. مطابق گزارشات، این دو آلیاژ خواص مکانیکی ( تافنس و استحکام) خوبی از خود نشان داده ودر محدوده سختی 53 – 56 HRC با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته اند.
کارهای بعدی روی سیستم آهن – نیکل، توسط گلدمن و دکر، نشان داد مارتنزیت تشکیل شده دراین سیستم دوتایی توسط کبالت و مولیبدن می تواند از استحکام بالاتری نیز برخوردار گردد. و برای جلوگیری از پایدار شدن آستنیت تا دمای محیط، سطح نیکل را از 18% بالاتر نبردند. اوایل سال 1960 گروه دیگری از فولادهای مارایج حاوی Fe-18 Ni – Co-Mo معرفی شدند. این فولادها تحت عنوان آلیاژهای 18 Ni. Marage 200 , 250 , 300 شناخته شدند که به ترتیب دارای استحکام های 1380 ,1725 , 2000 مگا پاسکال بودند و مقاومت به ضربه و تافنس بسیار خوبی نیز از خود نشان دادند. استحکام بالای این فولادها توسط مقادیرعناصر کبالت – مولیبدن و تیتانیم تعیین می شوند. این سه آلیاژ به خوبی جایگزین آلیاژهای قبلی 20 , 25% Ni شدند.
پس از موفقیت در ساخت آلیاژهای 18 Ni . Marage 200 , 250 , 300 ، یک ورژن بهینه شده از Ni. Marage 250 برای کاربردهای ریخته گری ساخته شد. در اواسط 1960، محققان کار برروی ساخت فولادهای مارایج با استحکام بالای 2100 Mpa را شروع کردند که نتیجه این تحقیقات به ساخت فولاد 18Ni. Marage 350 منجر شد. به واسطه استحکام فوق العاده بالا، این آلیاژ به فولاد مارایج فوق مستحکم (Ultra Strength Marage Steel) معروف شد. در واقع این آلیاژ بهینه شده آلیاژ 18Ni. Marage 300 است به گونه ای که در آن مقدار تیتانیم و کبالت افزایش و در صد مولیبدن اندکی کاهش یافته است. اخیرا نیزگروهی از فولادهای مارا یج فاقد کبالت معرفی شدند که البته دلیل آن صرفا کمیاب شدن کبالت و گرانی قیمت این عنصر است.
متالورژی فیزیکی
همانطور که گفته شد، استحکام و تافنس بالای فولادهای مارایج، ناشی از پیر سازی و تشکیل رسوبات بین فلزی در زمینه مارتنزیتی آهن – نیکل ( بسیار نرم و داکتیل) این آلیاژ ها است. هدف اصلی از فرآیند پیر سازی ساختار مارتنزیتی، تشکیل رسوبات ریز بین فلزی پراکنده در زمینه است که تامین کننده استحکام آلیاژ می باشد. هدف دوم عملیات پیر سازی عبارتست از جلوگیری از انجام استحاله معکوس تبدیل مارتنزیت ناپایدار به آستنیت و فریت. خوشبختانه، سرعت رسوب گذاری ( که عامل سختکاری آلیاژهای آهن – نیکل مارتنزیتی است) ، به قدری بالا است که قبل از شروع فرآیند برگشت استحاله مارتنزیتی، رسوبات به طور کامل ایجاد شده و سختی آلیاژ را تا 20 HRC افزایش می دهد.
تشکیل مارتنزیت
مارتنزیت تشکیل شده در فولادهای مارایجینگ، دارای ساختار B.C.C و حاوی دانسیته بالایی از نابجایی ها بوده ولی فاقد دوقلویی است. ضمن سرد کردن سریع آلیاژ، در یک استحاله برشی ( غیر دیفیوژنی)، آستنیت (F.C.C) به ماتنزیت تبدیل می گردد. این تغییر فرم مستلزم آن است که درجه حرارت Ms,Mf بالا تر از دمای محیط باشد که آلیاژ در حین سرد شدن بتواند از آن عبور نماید. در اکثر گریدهای فولاد مارایج، Ms حدود 200 – 300 درجه سانتیگراد می باشد. بنا بر این پس از رسیدن به دمای اطاق ساختار کاملا مارتنزیتی خواهد شد. این ساختار بسیار چقرمه و نسبتا مستحکم است. عناصر آلیاژی تاثیر بسزایی در تغییر Ms دارند ولی تاثیری بر خصوصیات استحاله مارتنزیتی ( که مستقل از سرعت سردکردن است) ندارند. این بدان معنی است که حتی در سرعت های پایین سرد کردن ساختار کاملا مارتنزیتی، قابل استحصال است.