مقدمه
فولادهاي رسوب سخت شونده، گروهي از فولادهاي فوق مستحكم با چقرمگي شكست بالا هستند كه مهمترين عناصر آلياژي آنها نيكل، كبالت، موليبدن، تيتانيم، تنگستن و آلومينيم بوده و ميزان كربن و عناصر ناخالصي در آنها بسيار كم مي باشد.
عبارت رسوب سخت شونده از دو واژه مارتنزيت و پيرسازي گرفته شده است. اين واژه به دليل اينكه استحكام همراه با چقرمگي بالا در اين فولادها از طريق پيرسازي ساختار مارتنزيتي ك مكربن و تشكيل رسوبات بين فلزي در اين ساختار حاصل مي گردد، به اين نوع فولاد اطلاق مي شود .فولادهاي رسوب سخت شونده به دليل استحكام و چقرمگي شكست بسيار بالا، قابليت جوشكاري عالي، عمليات حرارتي ساده و سهولت قطعه سازي، كاربردهاي فراواني در صنايع هوا فضا، نظامي، ابزارهاي توليدي و تهيه قالبها و غيره دارند .
مهمترين ويژگي فولادهاي رسوب سخت شونده، دارا بودن چقرمگي شكست خوب در استحكام هاي بالا است. وجود عناصر ناخالصي و گازهاي مضر، تأثير بسيار زيادي بر افت چقرمگي فولادهاي رسوب سخت شونده دارند كه متداول ترين و مضرترين عناصر از اين دسته شامل كربن، گوگرد، نيتروژن و اكسيژن م يباشند .عناصر مذكور با تشكيل آخالهاي كاربيدي ،سولفيدي، نيتريدي، يا تركيبي از آنها سبب كاهش استحكام و چقرمگي فولاد مي شوند. لذا حذف ناخالصي ها و گازهاي ناخواسته در اين فولادها بسيار حائز اهميت ميباشد. بهترين روش جهت حذف اين عناصر استفاده از فرآيندهاي ذوب و تصفيه در كوره هاي خلأ VIM و VAR5 م يباشد. كوره VIM كه به عنوان يك كوره ذوب تحت خلأ م يباشد، با ايجاد خلأ در محدوده 4-01 ميلي بار، از دو طريق باعث حذف ناخالصي ها مي شود:
الف- حذف گازها از طريق خارج نمودن مستقيم گاز از محيط ذوب توسط پمپ هاي خلأ انجام م يشود .
ب- حذف گازها از طريق واكنش گازهاي باق يمانده با عناصر ناخالصي و توليد گازهاي 2SO2 ،CO و غيره و نهايتاً خروج گازهاي توليد شده توسط پمپ هاي خلأ، كه از اين طريق ميزان گازهاي باقي مانده و نيز كربن، گوگرد و ساير اكسيدها و ناخالصي ها كاهش مي يابد.
همچنين كوره VAR كه به عنوان يك كوره ذوب مجدد و تصفيه تحت خلأ محسوب مي شود علاوه بر داشتن مزاياي كوره VIM (از لحاظ ايجاد خلأ كه باعث كاهش گازها و ناخالصي ها مي شود)، ب هدليل مكانيزم ذوب قطره اي و انجماد در قالب مسي آبگرد، باعث ايجاد ساختار همگن و جهت دار نيز مي شود.
لذا مجموع اين دو فرآيند، يعني توليد شمش از طريق كوره VIM و تصفيه آن توسط كوره VAR، باعث كاهش حداكثري گازهاي فعال، اكسيدها و آخال ها و همچنين ايجاد تركيب شيميايي همگن، انجماد جهت دار و ساختار مناسب گشته، كه اين امر منجر به حصول خواص مكانيكي بالا مي گردد.

بررسي تأثير عمليات ذوب در خلأ بر ريزساختار و خواص مكانيكي  فولاد رسوبسختشونده حاوي نيكل، تنگستن و تيتانيم

بررسي تأثير عمليات ذوب در خلأ بر ريزساختار و خواص مكانيكي
فولاد رسوبسختشونده حاوي نيكل، تنگستن و تيتانيم

فهرست مطالب

چكيده ————————————————————————– 1

مقدمه ————————————————————————— 2

فصل اول- كليات

1 -1- هدف ———————————————————————- 5
1 -2- روش تحقيق —————————————————————- 5

فصل دوم- مروري بر منابع

2 -1- تاريخچه توسعه فولادهاي رسوب سخت شونده ————————————— 7
2 -2- مزايا و محدوديت هاي فولادهاي رسوب سخت شونده ———————————- 7
2 -3- كاربرد فولادهاي رسوب سخت شونده ———————————————- 7
2 -4- انواع فولادهاي رسوب سخت شونده ———————————————— 9
2-4 -1- فولادهاي رسوب سخت شونده حاوي نيكل، كبالت و موليبدن ———————– 9
2-4 -2- فولادهاي رسوب سخت شونده حاوي تنگستن ———————————- 11
2 -5- توليد و فرآوري فولاد هاي رسوب سخت شونده ————————————– 31
2-5 -1- ذوب و تصفيه ———————————————————- 31
2-5 -2- كارگرم —————————————————————- 13
2-5 -3- عمليات حرارتي ——————————————————— 31
2ـ6ـ متالورژي فيزيكي فولادهاي رسوب سخت شونده ————————————14
2ـ6 ـ1ـ آستنيت در فولادهاي رسوب سخت شونده ————————————-15
2 -6-1-1 – آستنيت باقيمانده ————————————————— 15
2 -6-1-2 – آستنيت برگشتي —————————————————- 15
2-6-2- مارتنزيت در فولادهاي رسوب سخت شونده ———————————— 15
2-6-3- پيرسازي در فولادهاي رسوب سخت شونده ———————————— 16
2 -7- خواص مكانيكي فولادهاي رسوب سخت شونده ————————————- 17
2 -8- اثر برخي عناصر آلياژي بر ساختار و خواص فولادهاي رسوب سخت شونده —————- 18
2 -9- تأثير عناصر ناخالصي بر خواص فولادهاي رسوب سخت شونده ————————– 19
2 -01 – آخال ها در فولادهاي رسوب سخت شونده —————————————– 19
2 -11 – فرآيند ذوب، آلياژسازي و ريخته گري فولادهاي رسوب سخت شونده تحت خلأ (VIM) -ا………………..—- 20
2-11-1 – اتمسفر مورد استفاده در ذوب فولادهاي رسوب سخت شونده ………………………….20
2-11-2 – گوگردزدايي ———————————————————– 21
2-11-3 – گاززدايي و تصفيه —————————————————— 22
2-11-4 – حذف عناصر جزئي مضر ————————————————- 22
2-11-5 – تأثير فرآيند ذوب القايي تحت خلأ بر خواص مكانيكي فولادهاي رسوب سخت شونده — 23
2 -21 – فرآيند ذوب مجدد قوسي تحت خلاء (VAR) ——————ا—————— 23
2-21-1 – تشريح فرآيند ذوب مجدد قوسي تحت خلاء ——————————— 24
2-21-2 – اجزاء كوره VAR ————ا—————————————— 24
2-21-3 – تأثير كيفيت الكترود بر محصول VAR -ا————————————- 25
2-21-4 – بررسي واكنش هاي فرآيند ذوب و تصفيه تحت خلأ ————————— 26
2 -21 -4-1- انحلال گازها —————————————————— 26
2 -21 -4-2- گوگردزدايي —————————————————— 27
2-21-5 – عيوب شمش هاي VAR -ا———————————————– 28
2 -21 -5-1- نقاط سفيد ——————————————————- 28
2 -21 -5-2- طرح حلقه درختي ————————————————- 30
2 -21 -5-3- خالدار شدن —————————————————— 30
2-21-6 – تأثير فرآيند VAR بر كاهش آخالها در فولادهاي رسوب سخت شونده ————- 31
2-21-7 – تأثير فرآيند VAR بر خواص مكانيكي و ساختار در فولادهاي رسوب سخت شونده — 31

فصل سوم – مواد و روش هاي تحقيق

3 – 1 – مواد مصرفي ————————————————————— 36
3 -2- ذوب، آلياژ سازي و ريخته گري در كوره القايي تحت خلأ (VIM)ا ———————- 36
3 -3- تصفيه در كوره ذوب مجدد قوسي تحت خلأ (VAR) ا——————————- 38
3 -4- عمليات همگن سازي و نورد گرم ———————————————— 38
3 -5- عمليات حرارتي آنيل و پيرسازي ———————————————— 93
3 -6- آناليز شيميايي ————————————————————- 93
3 -7- اندازه گيري چگالي ———————————————————– 93
3 -8- بررسي درشت ساختار ——————————————————— 40
3 -9- بررسي ريزساختار ———————————————————— 40
3 -01 – بررسي سطوح شكست ——————————————————- 41
3 -11 – بررسي خواص مكانيكي —————————————————— 41
فصل چهارم- نتايج و بحث
4 -1- بررسي ساختار، مقدار و مشخصه هاي آخال —————————————- 45
4-1 -1- بررسي درشت ساختار —————————————————– 45
4-1 -2- بررسي ريزساختار ——————————————————- 46
4-1 -3- بررسي مشخصات كمي آخال ها ——————————————— 48
4 -2- بررسي تركيب شيميايي آخال ————————————————– 53
4 -3- تركيب شيميايي، آناليز گاز و عناصر مضر —————————————– 63
4-3 -1- تأثير روش ذوب و تصفيه بر تركيب شيميايي عناصر پايه ————————- 63
4-3 -2- تأثير روش ذوب و تصفيه بر آناليز گاز و ناخالصي هاي كربن، گوگرد و فسفر———– 65
4 -4- بررسي تأثير عمليات تصفيه و نورد گرم بر چگالي ———————————- 67
4 -5- بررسي تأثير عمليات تصفيه و نورد گرم بر خواص مكانيكي ————————– 68
فصل پنحم- نتيجه گيري
5 -1- جمع بندي و نتيجه گيري —————————————————— 77

پيشنهادها———————————————————————– 87

مراجع ————————————————————————– 79
چكيده انگليسي ——————————————————————

84 جلد انگليسي ——————————————————————– 85

فهرست جدول ها

جدول 2-1- مزاياي فولادهاي رسوب سخت شونده —————————————– 8

جدول 2-2- برخي از كاربردهاي فولادهاي رسوب سخت شونده——————————- 9

جدول 3-2– تركيب شيميايي فولادهاي رسوب سخت شونده تجاري نوع كبالت دار و بدون كبالت— 01

جدول 2-4- مقايسه ناخالصيهاي مضر موجود در فولادهاي رسوب سخت شونده با استفاده از روشهاي ذوب در هوا و ذوب در خلأ ————— 13

جدول 2-5- مقايسه ابعاد آخال هاي اكسيدي در فولادهاي رسوب سخت شونده با استفاده از فرآيندهاي جديد ذوب —————- 31
جدول 2- 6- مقايسه خواص مكانيكي فولاد رسوب سخت شونده81 درصد نيكل در دو حالت VAR و VIM+VAR — 33 جدول 2-7- درصد حجمي ناخالصي هاي غيرفلزي فولاد C300 در دو حالت VAR و AMM —ا— 43

جدول 2-8- اختلاف درصد وزني نيتروژن فولاد C300 در دو حالت VAR و AMM —–ا——- 43

جدول 3-1- درصد وزني عناصر موجو در فرو تيتانيم و آلياژ هوي متال ———————– 63

جدول 3-2- تركيب شيميايي مورد نظر جهت ريخته گري فولاد مورد بررسي —————— 63
جدول 3-3- مشخصات دستگاه هاي آناليزگر، جهت بررسي تركيب شيميايي و ميزان گازها ——- 93

جدول 4-1- مشخصات فيزيكي آخال ها براي آلياژهاي VIM و VAR شده در حالت ريختگي و نورد شده ———————— 84

جدول 4-2- مقادير عناصر در آلياژ تهيه شده به روش VIM و تصفيه شده در كوره VAR -ا—— 36

جدول 4-3- مقادير گازها و ناخالصي ها در آلياژ تهيه شده به روش VIM و تصفيه شده
در كوره VAR ——ا————————————————————- 56
جدول 4-4- خواص مكانيكي آلياژ، تهيه شده به روش VIM و تصفيه شده در كوره VAR —ا—- 86

فهرست شكل ها

شكل 2 -1- ارتباط ميان چقرمگي – استحكام براي چند فولاد با استحكام بالا و
فولاد رسوب سخت شونده ———————————————————— 8

شكل 2 -2- ساختار آلياژ Ni10W71 بعد از پيرسازي به مدت 02 ساعت در دماي 440 درجه
سانتي گراد ———————————————————————- 71

شكل 2 -3- تأثير فرايندهاي تحت خلاء بر بهبود چقرمگي شكست فولادهاي رسوب سخت شونده— 22 شكل 2 -4- مقطع طولي از يك شمش فولاد آستنيتي توليد شده به روش VAR —–ا——— 42

شكل 2 -5- طرح كوره VAR با الكترود مصرف شدني ———————————— 52

شكل 2 -6- مقطع افقي سوپر آلياژ پايه نيكل IN – 718 ، ماكرواچ شده براي نشان دادن موقعيت پوسته و عمق آن در سطح ————————- 28
شكل 2 -7- (الف) مقطع عمودي از آلياژ IN – 718 ، ماكرواچ شده براي نشان دادن نقاط سفيد و (ب) مقطع طولي از همان آلياژ ، ماكرواچ شده براي نشان دادن نقاط سفيد و ترك مرتبط با آن ——– 92

شكل 2 -8- عيب طرح حلقه درختي در فولاد آلياژي ————————————- 03

شكل 2 -9- عيب خالدار شدن در مقطعي از شمش VAR شده فولاد ابزار ——————— 03

شكل 2 -01 – مقايسه بين درصد ازدياد طول و درصد كاهش سطح مقطع سوپر آلياژ A-286
در دوحالت VAR و AAM -ا——————————————————– 23

شكل 2 -11 – مقطع طولي از فولاد رسوب سخت شونده C300 در دو حالت VAR و AMMا —— 43

شكل 3 -1- شماتيك محل نمونه برداري از شمش VIM شده جهت انجام عمليات نورد گرم و فرآيند VAR. —–ا————————- 83

شكل 3 -2- شماتيك موقيت سطح مناسب جهت بررسي درشت ساختار آلياژ در حالت ريخته شده ……………………..40  .
شكل 3 -3- شماتيك محل نمونه برداري جهت آزمون هاي آناليز، نورد گرم، متالوگرافي، سختي سنجي ،كشش و ضربه، در حالت ريخته شده. ——– 24

شكل 3 -4- شماتيك محل نمونه برداري جهت آزمون هاي، متالوگرافي، سختي سنجي، كشش و ضربه ، در حالت نورد شده ———— 24

شكل 3 -5- فلوچارت نحوه انجام آزمون هاي مختلف در تحقيق حاضر ———————— 34

شكل 4 -1- درشت ساختار آلياژ ريختگي، الف- VIM ، ب – VAR -ا————————– 54

شكل 4 -2- ريزساختار آلياژ هاي ريختگي الف- VIM ، ب- VAR –ا————————- 64

شكل 4 -3- ريزساختار آلياژ هاي نورد شده، الف- VIM ، ب- VAR ————————ا-47

شكل 4 -4- آخال موجود در ريزساختار آلياژ ريختگي، الف- VIM ، ب- VAR—-ا————- 74
شكل 4 -5- آخال موجود در ريزساختار آلياژ نورد شده الف- VIM ، ب- VAR -ا—————48

شكل -6 – 4 اثر عمليات تصفيه VAR بر تعداد آخال ————————————- 94

شكل 4 – 7- اثر عمليات تصفيه VAR بر ميانگين سطح آخال —————————— 05

شكل 4 – 8- اثر عمليات تصفيه VAR بر درصد حجمي ———————————– 15

شكل 4 – 9- اثر عمليات تصفيه VAR بر ميزان كرويت آخال ——————————- 25

شكل 4 – 01- اثر عمليات تصفيه VAR بر سطح بزرگترين آخال —————————- 35

شكل4-11- سطح شكست نمونه ضربه از آلياژ تهيه شده به روش VIM در حالت ريختگي و نقشه توزيع ناخالصي ها و گازها ————————– 45

شكل 4 -21 – نمودار و آناليز EDS از آخال نشان داده شده در شكل 4-21 ——————– 55

شكل4-31- سطح شكست نمونه ضربه از آلياژ تهيه شده به روش VIM در حالت ريختگي ——- 65

شكل4-41- سطح شكست نمونه كشش از آلياژ تهيه شده به روش VIM در حالت ريختگي و نقشه توزيع ناخالصي ها و گازها —————————- 75
شكل4-51- سطح شكست نمونه ضربه از آلياژ تهيه شده به روش VAR در حالت ريختگي و نقشه توزيع ناخالصي ها و گازها ————————– 85

شكل 4 -61 – نمودار و آناليز EDS از آخال نشان داده شده در شكل 4-51 ——————– 95

شكل 4 -71 – سطح شكست نمونه ضربه از آلياژ تهيه شده به روش VAR در حالت ريختگي —— 95 شكل4-81- سطح شكست نمونه كشش از آلياژ تهيه شده به روش VAR در حالت ريختگي و نقشه توزيع ناخالصي ها و گازها ———————————————————– 16

شكل 4 -91 – نمودار الينگهام براي اكسيدهاي مختلف ———————————— 46

شكل 4 – 02- اثر عمليات تصفيه در كوره VAR بر كاهش ميزان گازهاي اكسيژن، نيتروژن و هيدروژن —————– 56

شكل 4 – 12- اثر عمليات تصفيه VAR بر كاهش ميزان ناخالصي هاي كربن، گوگرد و فسفر —— 56

شكل 4 – 22- اثر عمليات تصفيه VAR بر دانسيته ————————————– 76
شكل 4 – 32- اثر عمليات تصفيه VAR بر استحكام تسليم ——————————–69

شكل 4 – 42- اثر عمليات تصفيه VAR بر استحكام كششي ——————————- 96

شكل 4 – 52- اثر عمليات تصفيه VAR بر درصد كاهش سطح مقطع ———————— 96
شكل 4 – 62- اثر عمليات تصفيه VAR بر درصد ازدياد طول ——————————-70

شكل 4 – 72- اثر عمليات تصفيه VAR بر انرژي مقاومت به ضربه ————————— 07

شكل 4 – 82- اثر عمليات تصفيه VAR بر سختي ————————————— 17

شكل4-92- سطح شكست نمونه ضربه آلياژ تهيه شده به روش VIM در حالت ريختگي توسط ميكروسكوپ الكتروني SEM، الف- مركز سطح شكست، ب- لبه سطح شكست ————— 37

شكل4-03- سطح شكست نمونه ضربه آلياژ تهيه شده به روش VAR در حالت ريختگي توسط ميكروسكوپ الكتروني SEM، الف- مركز سطح شكست، ب- لبه سطح شكست ————— 37

شكل4-13- تصوير مركز سطح شكست نمونه ضربه در حالت ريختگي، توسط ميكروسكوپ الكتروني SEM. الف-VIM ب- VAR ——————ا– 47

شكل4-23- تصوير مركز سطح شكست نمونه كشش در حالت ريختگي، توسط ميكروسكوپ الكتروني—ا————- 74

فصل اول

-1- هدف
يكي از مشكلات اساسي فولادهاي رسوب سخت شونده، افت خواص مكانيكي بدليل جذب گاز و ايجاد اكسيدها و آخال ها در شرايط ذوب اتمسفري مي باشد. لذا هدف از اين تحقيق انجام عمليات ذوب و تصفيه تحت خلأ و كاهش گازها و ناخالصي ها و ايجاد ساختار مناسب و جهت دار، به منظور بهبود خواص مكانيكي فولاد مي باشد [3-1].
1-2- روش تحقيق
بدين منظور ابتدا شارژ مناسب جهت توليد شمش اوليه در كوره VIM تهيه شده و قسمتي از اين شمش جهت بررسي تركيب شيميايي، گازها و ناخالصي ها و همچنين ساختار و خواص مكانيكي در حالت ريخته شده و عمليات حرارتي شده بعد از نورد گرم، مورد استفاده قرار گرفت. سپس مابقي شمش در كوره VAR تصفيه شده و آزمون هاي قبلي تكرار گرديد. در پايان نتايج حاصله مقايسه شده و بر اساس مراجع تحليل نتايج انجام شده است.

بررسي تأثير عمليات ذوب در خلأ بر ريزساختار و خواص مكانيكي  فولاد رسوبسختشونده حاوي نيكل، تنگستن و تيتانيم

بررسي تأثير عمليات ذوب در خلأ بر ريزساختار و خواص مكانيكي
فولاد رسوبسختشونده حاوي نيكل، تنگستن و تيتانيم

فصل دوم

-1- تاريخچه توسعه فولادهاي رسوب سخت شونده
فولادهاي رسوب سخت شونده دسته بخصوصي از فولادهاي فوق مستحكم مي باشند كه تحقيق بر روي آنها در سال 1958 با ابداع رده هاي 02 و 52 درصد نيكل شروع شد[4 1-]. با پي بردن به تأثير موليبدن و كبالت در افزايش استحكام و سختي آلياژهاي فوق، در اوايل دهة 1960 فولادهاي رسوب سخت شونده 81 درصد نيكل-كبالت دار برپاية سيستم آلياژي Fe-Ni-Co-Mo حاوي تيتانيم در سه ردة تجاري 250،
300 و 350 توسعه داده شده و بازاريابي شدند [5 ،3]. سرانجام آلياژهاي ديگري مانند فولادهاي رسوب سخت شونده زنگ نزن و فولادهاي رسوب سخت شونده ويژه با استحكام بسيار زياد در رده هاي 400 و 500 بوجود آمدند. در طول دهة 1960 براي اين آلياژها دو نوع بازار، يكي در كاربردهاي نظامي و هوافضا و ديگري ساخت قالب ها و ابزارها بوجود آمد [3].
اواخر دهة 1970 و اوايل دهة 1980، با كمياب شدن كبالت و افزايش شديد قيمت آن بدنبال درگيريهاي رخ داده در كشورهاي آفريقايي كه عمدة معادن كبالت را در اختيار داشتند، توليد فولاد رسوب سخت شونده با ركود جدي مواجه گرديد. در پي تلاش براي كاهش وابستگي به كبالت و كاهش هزينة توليد، انواع فولادهاي رسوب سخت شونده 81 درصد نيكل بدون كبالت ابداع گرديده و رده هاي
200، 250 و 300 توسعه داده شدند [6،3 1-].
22– مزايا و محدوديت هاي فولادهاي رسوب سخت شونده
برخي از خواص و مزاياي اين فولادها در جدول 2-1 ارائه شده است. از سوي ديگر محدوديتهاي فولادهاي رسوب سخت شونده را مي توان به صورت زير خلاصه نمود [1-3] :
1 – تردي حرارتي در اين فولادها سبب افت شديد خواص مكانيكي مي شود .
2 – مقاومت به خوردگي اين فولادها در مقايسه با ساير فولادهاي پرآلياژ نسبتاً كمتر است.
3 – قيمت زياد مواد اوليه با خلوص بالا و نياز به تجهيزات گرانقيمت ذوب و تصفيه و كنترل شديد پارامترهاي توليد، سبب افزايش قيمت تمام شده آنها شده و استفاده از آنها را در كاربردهاي ويژه محدود كرده است. در شكل 2-1 استحكام كششي و چقرمگي فولاد رسوبسخت شونده يا ساير فولادهاي استحكام بالا مقايسه شده است[7].


مقطع : کارشناسی ارشد

خرید فایل پی دی اف به همراه فایل word