مقدمه
فولادهای رسوب سخت شونده، گروهی از فولادهای فوق مستحکم با چقرمگی شکست بالا هستند که مهمترین عناصر آلیاژی آنها نیکل، کبالت، مولیبدن، تیتانیم، تنگستن و آلومینیم بوده و میزان کربن و عناصر ناخالصی در آنها بسیار کم می باشد.
عبارت رسوب سخت شونده از دو واژه مارتنزیت و پیرسازی گرفته شده است. این واژه به دلیل اینکه استحکام همراه با چقرمگی بالا در این فولادها از طریق پیرسازی ساختار مارتنزیتی ک مکربن و تشکیل رسوبات بین فلزی در این ساختار حاصل می گردد، به این نوع فولاد اطلاق می شود .فولادهای رسوب سخت شونده به دلیل استحکام و چقرمگی شکست بسیار بالا، قابلیت جوشکاری عالی، عملیات حرارتی ساده و سهولت قطعه سازی، کاربردهای فراوانی در صنایع هوا فضا، نظامی، ابزارهای تولیدی و تهیه قالبها و غیره دارند .
مهمترین ویژگی فولادهای رسوب سخت شونده، دارا بودن چقرمگی شکست خوب در استحکام های بالا است. وجود عناصر ناخالصی و گازهای مضر، تأثیر بسیار زیادی بر افت چقرمگی فولادهای رسوب سخت شونده دارند که متداول ترین و مضرترین عناصر از این دسته شامل کربن، گوگرد، نیتروژن و اکسیژن م یباشند .عناصر مذکور با تشکیل آخالهای کاربیدی ،سولفیدی، نیتریدی، یا ترکیبی از آنها سبب کاهش استحکام و چقرمگی فولاد می شوند. لذا حذف ناخالصی ها و گازهای ناخواسته در این فولادها بسیار حائز اهمیت میباشد. بهترین روش جهت حذف این عناصر استفاده از فرآیندهای ذوب و تصفیه در کوره های خلأ VIM و VAR5 م یباشد. کوره VIM که به عنوان یک کوره ذوب تحت خلأ م یباشد، با ایجاد خلأ در محدوده 4-01 میلی بار، از دو طریق باعث حذف ناخالصی ها می شود:
الف- حذف گازها از طریق خارج نمودن مستقیم گاز از محیط ذوب توسط پمپ های خلأ انجام م یشود .
ب- حذف گازها از طریق واکنش گازهای باق یمانده با عناصر ناخالصی و تولید گازهای 2SO2 ،CO و غیره و نهایتاً خروج گازهای تولید شده توسط پمپ های خلأ، که از این طریق میزان گازهای باقی مانده و نیز کربن، گوگرد و سایر اکسیدها و ناخالصی ها کاهش می یابد.
همچنین کوره VAR که به عنوان یک کوره ذوب مجدد و تصفیه تحت خلأ محسوب می شود علاوه بر داشتن مزایای کوره VIM (از لحاظ ایجاد خلأ که باعث کاهش گازها و ناخالصی ها می شود)، ب هدلیل مکانیزم ذوب قطره ای و انجماد در قالب مسی آبگرد، باعث ایجاد ساختار همگن و جهت دار نیز می شود.
لذا مجموع این دو فرآیند، یعنی تولید شمش از طریق کوره VIM و تصفیه آن توسط کوره VAR، باعث کاهش حداکثری گازهای فعال، اکسیدها و آخال ها و همچنین ایجاد ترکیب شیمیایی همگن، انجماد جهت دار و ساختار مناسب گشته، که این امر منجر به حصول خواص مکانیکی بالا می گردد.

بررسی تأثیر عملیات ذوب در خلأ بر ریزساختار و خواص مکانیکی  فولاد رسوبسختشونده حاوی نیکل، تنگستن و تیتانیم

بررسی تأثیر عملیات ذوب در خلأ بر ریزساختار و خواص مکانیکی
فولاد رسوبسختشونده حاوی نیکل، تنگستن و تیتانیم

فهرست مطالب

چکیده ————————————————————————– 1

مقدمه ————————————————————————— 2

فصل اول- کلیات

1 -1- هدف ———————————————————————- 5
1 -2- روش تحقیق —————————————————————- 5

فصل دوم- مروری بر منابع

2 -1- تاریخچه توسعه فولادهای رسوب سخت شونده ————————————— 7
2 -2- مزایا و محدودیت های فولادهای رسوب سخت شونده ———————————- 7
2 -3- کاربرد فولادهای رسوب سخت شونده ———————————————- 7
2 -4- انواع فولادهای رسوب سخت شونده ———————————————— 9
2-4 -1- فولادهای رسوب سخت شونده حاوی نیکل، کبالت و مولیبدن ———————– 9
2-4 -2- فولادهای رسوب سخت شونده حاوی تنگستن ———————————- 11
2 -5- تولید و فرآوری فولاد های رسوب سخت شونده ————————————– 31
2-5 -1- ذوب و تصفیه ———————————————————- 31
2-5 -2- کارگرم —————————————————————- 13
2-5 -3- عملیات حرارتی ——————————————————— 31
2ـ6ـ متالورژی فیزیکی فولادهای رسوب سخت شونده ————————————14
2ـ6 ـ1ـ آستنیت در فولادهای رسوب سخت شونده ————————————-15
2 -6-1-1 – آستنیت باقیمانده ————————————————— 15
2 -6-1-2 – آستنیت برگشتی —————————————————- 15
2-6-2- مارتنزیت در فولادهای رسوب سخت شونده ———————————— 15
2-6-3- پیرسازی در فولادهای رسوب سخت شونده ———————————— 16
2 -7- خواص مکانیکی فولادهای رسوب سخت شونده ————————————- 17
2 -8- اثر برخی عناصر آلیاژی بر ساختار و خواص فولادهای رسوب سخت شونده —————- 18
2 -9- تأثیر عناصر ناخالصی بر خواص فولادهای رسوب سخت شونده ————————– 19
2 -01 – آخال ها در فولادهای رسوب سخت شونده —————————————– 19
2 -11 – فرآیند ذوب، آلیاژسازی و ریخته گری فولادهای رسوب سخت شونده تحت خلأ (VIM) -ا………………..—- 20
2-11-1 – اتمسفر مورد استفاده در ذوب فولادهای رسوب سخت شونده ………………………….20
2-11-2 – گوگردزدایی ———————————————————– 21
2-11-3 – گاززدایی و تصفیه —————————————————— 22
2-11-4 – حذف عناصر جزئی مضر ————————————————- 22
2-11-5 – تأثیر فرآیند ذوب القایی تحت خلأ بر خواص مکانیکی فولادهای رسوب سخت شونده — 23
2 -21 – فرآیند ذوب مجدد قوسی تحت خلاء (VAR) ——————ا—————— 23
2-21-1 – تشریح فرآیند ذوب مجدد قوسی تحت خلاء ——————————— 24
2-21-2 – اجزاء کوره VAR ————ا—————————————— 24
2-21-3 – تأثیر کیفیت الکترود بر محصول VAR -ا————————————- 25
2-21-4 – بررسی واکنش های فرآیند ذوب و تصفیه تحت خلأ ————————— 26
2 -21 -4-1- انحلال گازها —————————————————— 26
2 -21 -4-2- گوگردزدایی —————————————————— 27
2-21-5 – عیوب شمش های VAR -ا———————————————– 28
2 -21 -5-1- نقاط سفید ——————————————————- 28
2 -21 -5-2- طرح حلقه درختی ————————————————- 30
2 -21 -5-3- خالدار شدن —————————————————— 30
2-21-6 – تأثیر فرآیند VAR بر کاهش آخالها در فولادهای رسوب سخت شونده ————- 31
2-21-7 – تأثیر فرآیند VAR بر خواص مکانیکی و ساختار در فولادهای رسوب سخت شونده — 31

فصل سوم – مواد و روش های تحقیق

3 – 1 – مواد مصرفی ————————————————————— 36
3 -2- ذوب، آلیاژ سازی و ریخته گری در کوره القایی تحت خلأ (VIM)ا ———————- 36
3 -3- تصفیه در کوره ذوب مجدد قوسی تحت خلأ (VAR) ا——————————- 38
3 -4- عملیات همگن سازی و نورد گرم ———————————————— 38
3 -5- عملیات حرارتی آنیل و پیرسازی ———————————————— 93
3 -6- آنالیز شیمیایی ————————————————————- 93
3 -7- اندازه گیری چگالی ———————————————————– 93
3 -8- بررسی درشت ساختار ——————————————————— 40
3 -9- بررسی ریزساختار ———————————————————— 40
3 -01 – بررسی سطوح شکست ——————————————————- 41
3 -11 – بررسی خواص مکانیکی —————————————————— 41
فصل چهارم- نتایج و بحث
4 -1- بررسی ساختار، مقدار و مشخصه های آخال —————————————- 45
4-1 -1- بررسی درشت ساختار —————————————————– 45
4-1 -2- بررسی ریزساختار ——————————————————- 46
4-1 -3- بررسی مشخصات کمی آخال ها ——————————————— 48
4 -2- بررسی ترکیب شیمیایی آخال ————————————————– 53
4 -3- ترکیب شیمیایی، آنالیز گاز و عناصر مضر —————————————– 63
4-3 -1- تأثیر روش ذوب و تصفیه بر ترکیب شیمیایی عناصر پایه ————————- 63
4-3 -2- تأثیر روش ذوب و تصفیه بر آنالیز گاز و ناخالصی های کربن، گوگرد و فسفر———– 65
4 -4- بررسی تأثیر عملیات تصفیه و نورد گرم بر چگالی ———————————- 67
4 -5- بررسی تأثیر عملیات تصفیه و نورد گرم بر خواص مکانیکی ————————– 68
فصل پنحم- نتیجه گیری
5 -1- جمع بندی و نتیجه گیری —————————————————— 77

پیشنهادها———————————————————————– 87

مراجع ————————————————————————– 79
چکیده انگلیسی ——————————————————————

84 جلد انگلیسی ——————————————————————– 85

فهرست جدول ها

جدول 2-1- مزایای فولادهای رسوب سخت شونده —————————————– 8

جدول 2-2- برخی از کاربردهای فولادهای رسوب سخت شونده——————————- 9

جدول 3-2– ترکیب شیمیایی فولادهای رسوب سخت شونده تجاری نوع کبالت دار و بدون کبالت— 01

جدول 2-4- مقایسه ناخالصیهای مضر موجود در فولادهای رسوب سخت شونده با استفاده از روشهای ذوب در هوا و ذوب در خلأ ————— 13

جدول 2-5- مقایسه ابعاد آخال های اکسیدی در فولادهای رسوب سخت شونده با استفاده از فرآیندهای جدید ذوب —————- 31
جدول 2- 6- مقایسه خواص مکانیکی فولاد رسوب سخت شونده81 درصد نیکل در دو حالت VAR و VIM+VAR — 33 جدول 2-7- درصد حجمی ناخالصی های غیرفلزی فولاد C300 در دو حالت VAR و AMM —ا— 43

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

جدول 3-1- درصد وزنی عناصر موجو در فرو تیتانیم و آلیاژ هوی متال ———————– 63

جدول 3-2- ترکیب شیمیایی مورد نظر جهت ریخته گری فولاد مورد بررسی —————— 63
جدول 3-3- مشخصات دستگاه های آنالیزگر، جهت بررسی ترکیب شیمیایی و میزان گازها ——- 93

جدول 4-1- مشخصات فیزیکی آخال ها برای آلیاژهای VIM و VAR شده در حالت ریختگی و نورد شده ———————— 84

جدول 4-2- مقادیر عناصر در آلیاژ تهیه شده به روش VIM و تصفیه شده در کوره VAR -ا—— 36

جدول 4-3- مقادیر گازها و ناخالصی ها در آلیاژ تهیه شده به روش VIM و تصفیه شده
در کوره VAR ——ا————————————————————- 56
جدول 4-4- خواص مکانیکی آلیاژ، تهیه شده به روش VIM و تصفیه شده در کوره VAR —ا—- 86

فهرست شکل ها

شکل 2 -1- ارتباط میان چقرمگی – استحکام برای چند فولاد با استحکام بالا و
فولاد رسوب سخت شونده ———————————————————— 8

شکل 2 -2- ساختار آلیاژ Ni10W71 بعد از پیرسازی به مدت 02 ساعت در دمای 440 درجه
سانتی گراد ———————————————————————- 71

شکل 2 -3- تأثیر فرایندهای تحت خلاء بر بهبود چقرمگی شکست فولادهای رسوب سخت شونده— 22 شکل 2 -4- مقطع طولی از یک شمش فولاد آستنیتی تولید شده به روش VAR —–ا——— 42

شکل 2 -5- طرح کوره VAR با الکترود مصرف شدنی ———————————— 52

شکل 2 -6- مقطع افقی سوپر آلیاژ پایه نیکل IN – 718 ، ماکرواچ شده برای نشان دادن موقعیت پوسته و عمق آن در سطح ————————- 28
شکل 2 -7- (الف) مقطع عمودی از آلیاژ IN – 718 ، ماکرواچ شده برای نشان دادن نقاط سفید و (ب) مقطع طولی از همان آلیاژ ، ماکرواچ شده برای نشان دادن نقاط سفید و ترک مرتبط با آن ——– 92

شکل 2 -8- عیب طرح حلقه درختی در فولاد آلیاژی ————————————- 03

شکل 2 -9- عیب خالدار شدن در مقطعی از شمش VAR شده فولاد ابزار ——————— 03

شکل 2 -01 – مقایسه بین درصد ازدیاد طول و درصد کاهش سطح مقطع سوپر آلیاژ A-286
در دوحالت VAR و AAM -ا——————————————————– 23

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

شکل 3 -1- شماتیک محل نمونه برداری از شمش VIM شده جهت انجام عملیات نورد گرم و فرآیند VAR. —–ا————————- 83

شکل 3 -2- شماتیک موقیت سطح مناسب جهت بررسی درشت ساختار آلیاژ در حالت ریخته شده ……………………..40  .
شکل 3 -3- شماتیک محل نمونه برداری جهت آزمون های آنالیز، نورد گرم، متالوگرافی، سختی سنجی ،کشش و ضربه، در حالت ریخته شده. ——– 24

شکل 3 -4- شماتیک محل نمونه برداری جهت آزمون های، متالوگرافی، سختی سنجی، کشش و ضربه ، در حالت نورد شده ———— 24

شکل 3 -5- فلوچارت نحوه انجام آزمون های مختلف در تحقیق حاضر ———————— 34

شکل 4 -1- درشت ساختار آلیاژ ریختگی، الف- VIM ، ب – VAR -ا————————– 54

شکل 4 -2- ریزساختار آلیاژ های ریختگی الف- VIM ، ب- VAR –ا————————- 64

شکل 4 -3- ریزساختار آلیاژ های نورد شده، الف- VIM ، ب- VAR ————————ا-47

شکل 4 -4- آخال موجود در ریزساختار آلیاژ ریختگی، الف- VIM ، ب- VAR—-ا————- 74
شکل 4 -5- آخال موجود در ریزساختار آلیاژ نورد شده الف- VIM ، ب- VAR -ا—————48

شکل -6 – 4 اثر عملیات تصفیه VAR بر تعداد آخال ————————————- 94

شکل 4 – 7- اثر عملیات تصفیه VAR بر میانگین سطح آخال —————————— 05

شکل 4 – 8- اثر عملیات تصفیه VAR بر درصد حجمی ———————————– 15

شکل 4 – 9- اثر عملیات تصفیه VAR بر میزان کرویت آخال ——————————- 25

شکل 4 – 01- اثر عملیات تصفیه VAR بر سطح بزرگترین آخال —————————- 35

شکل4-11- سطح شکست نمونه ضربه از آلیاژ تهیه شده به روش VIM در حالت ریختگی و نقشه توزیع ناخالصی ها و گازها ————————– 45

شکل 4 -21 – نمودار و آنالیز EDS از آخال نشان داده شده در شکل 4-21 ——————– 55

شکل4-31- سطح شکست نمونه ضربه از آلیاژ تهیه شده به روش VIM در حالت ریختگی ——- 65

شکل4-41- سطح شکست نمونه کشش از آلیاژ تهیه شده به روش VIM در حالت ریختگی و نقشه توزیع ناخالصی ها و گازها —————————- 75
شکل4-51- سطح شکست نمونه ضربه از آلیاژ تهیه شده به روش VAR در حالت ریختگی و نقشه توزیع ناخالصی ها و گازها ————————– 85

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

شکل 4 -71 – سطح شکست نمونه ضربه از آلیاژ تهیه شده به روش VAR در حالت ریختگی —— 95 شکل4-81- سطح شکست نمونه کشش از آلیاژ تهیه شده به روش VAR در حالت ریختگی و نقشه توزیع ناخالصی ها و گازها ———————————————————– 16

شکل 4 -91 – نمودار الینگهام برای اکسیدهای مختلف ———————————— 46

شکل 4 – 02- اثر عملیات تصفیه در کوره VAR بر کاهش میزان گازهای اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن —————– 56

شکل 4 – 12- اثر عملیات تصفیه VAR بر کاهش میزان ناخالصی های کربن، گوگرد و فسفر —— 56

شکل 4 – 22- اثر عملیات تصفیه VAR بر دانسیته ————————————– 76
شکل 4 – 32- اثر عملیات تصفیه VAR بر استحکام تسلیم ——————————–69

شکل 4 – 42- اثر عملیات تصفیه VAR بر استحکام کششی ——————————- 96

شکل 4 – 52- اثر عملیات تصفیه VAR بر درصد کاهش سطح مقطع ———————— 96
شکل 4 – 62- اثر عملیات تصفیه VAR بر درصد ازدیاد طول ——————————-70

شکل 4 – 72- اثر عملیات تصفیه VAR بر انرژی مقاومت به ضربه ————————— 07

شکل 4 – 82- اثر عملیات تصفیه VAR بر سختی ————————————— 17

شکل4-92- سطح شکست نمونه ضربه آلیاژ تهیه شده به روش VIM در حالت ریختگی توسط میکروسکوپ الکترونی SEM، الف- مرکز سطح شکست، ب- لبه سطح شکست ————— 37

شکل4-03- سطح شکست نمونه ضربه آلیاژ تهیه شده به روش VAR در حالت ریختگی توسط میکروسکوپ الکترونی SEM، الف- مرکز سطح شکست، ب- لبه سطح شکست ————— 37

شکل4-13- تصویر مرکز سطح شکست نمونه ضربه در حالت ریختگی، توسط میکروسکوپ الکترونی SEM. الف-VIM ب- VAR ——————ا– 47

شکل4-23- تصویر مرکز سطح شکست نمونه کشش در حالت ریختگی، توسط میکروسکوپ الکترونی—ا————- 74

فصل اول

-1- هدف
یکی از مشکلات اساسی فولادهای رسوب سخت شونده، افت خواص مکانیکی بدلیل جذب گاز و ایجاد اکسیدها و آخال ها در شرایط ذوب اتمسفری می باشد. لذا هدف از این تحقیق انجام عملیات ذوب و تصفیه تحت خلأ و کاهش گازها و ناخالصی ها و ایجاد ساختار مناسب و جهت دار، به منظور بهبود خواص مکانیکی فولاد می باشد [3-1].
1-2- روش تحقیق
بدین منظور ابتدا شارژ مناسب جهت تولید شمش اولیه در کوره VIM تهیه شده و قسمتی از این شمش جهت بررسی ترکیب شیمیایی، گازها و ناخالصی ها و همچنین ساختار و خواص مکانیکی در حالت ریخته شده و عملیات حرارتی شده بعد از نورد گرم، مورد استفاده قرار گرفت. سپس مابقی شمش در کوره VAR تصفیه شده و آزمون های قبلی تکرار گردید. در پایان نتایج حاصله مقایسه شده و بر اساس مراجع تحلیل نتایج انجام شده است.

بررسی تأثیر عملیات ذوب در خلأ بر ریزساختار و خواص مکانیکی  فولاد رسوبسختشونده حاوی نیکل، تنگستن و تیتانیم

بررسی تأثیر عملیات ذوب در خلأ بر ریزساختار و خواص مکانیکی
فولاد رسوبسختشونده حاوی نیکل، تنگستن و تیتانیم

فصل دوم

-1- تاریخچه توسعه فولادهای رسوب سخت شونده
فولادهای رسوب سخت شونده دسته بخصوصی از فولادهای فوق مستحکم می باشند که تحقیق بر روی آنها در سال 1958 با ابداع رده های 02 و 52 درصد نیکل شروع شد[4 1-]. با پی بردن به تأثیر مولیبدن و کبالت در افزایش استحکام و سختی آلیاژهای فوق، در اوایل دهه 1960 فولادهای رسوب سخت شونده 81 درصد نیکل-کبالت دار برپایه سیستم آلیاژی Fe-Ni-Co-Mo حاوی تیتانیم در سه رده تجاری 250،
300 و 350 توسعه داده شده و بازاریابی شدند [5 ،3]. سرانجام آلیاژهای دیگری مانند فولادهای رسوب سخت شونده زنگ نزن و فولادهای رسوب سخت شونده ویژه با استحکام بسیار زیاد در رده های 400 و 500 بوجود آمدند. در طول دهه 1960 برای این آلیاژها دو نوع بازار، یکی در کاربردهای نظامی و هوافضا و دیگری ساخت قالب ها و ابزارها بوجود آمد [3].
اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980، با کمیاب شدن کبالت و افزایش شدید قیمت آن بدنبال درگیریهای رخ داده در کشورهای آفریقایی که عمده معادن کبالت را در اختیار داشتند، تولید فولاد رسوب سخت شونده با رکود جدی مواجه گردید. در پی تلاش برای کاهش وابستگی به کبالت و کاهش هزینه تولید، انواع فولادهای رسوب سخت شونده 81 درصد نیکل بدون کبالت ابداع گردیده و رده های
200، 250 و 300 توسعه داده شدند [6،3 1-].
22– مزایا و محدودیت های فولادهای رسوب سخت شونده
برخی از خواص و مزایای این فولادها در جدول 2-1 ارائه شده است. از سوی دیگر محدودیتهای فولادهای رسوب سخت شونده را می توان به صورت زیر خلاصه نمود [1-3] :
1 – تردی حرارتی در این فولادها سبب افت شدید خواص مکانیکی می شود .
2 – مقاومت به خوردگی این فولادها در مقایسه با سایر فولادهای پرآلیاژ نسبتاً کمتر است.
3 – قیمت زیاد مواد اولیه با خلوص بالا و نیاز به تجهیزات گرانقیمت ذوب و تصفیه و کنترل شدید پارامترهای تولید، سبب افزایش قیمت تمام شده آنها شده و استفاده از آنها را در کاربردهای ویژه محدود کرده است. در شکل 2-1 استحکام کششی و چقرمگی فولاد رسوبسخت شونده یا سایر فولادهای استحکام بالا مقایسه شده است[7].


مقطع : کارشناسی ارشد

خرید فایل پی دی اف به همراه فایل word