سخت کاری سطحی قطعات با استفاده از آلیاژهای استلایت

سخت کاری

سختکاری سطحی قطعات صنعتی با استفاده از سوپرآلیاژهای پایه کبالت استلایت یکی از چالش های صنعتگران است. آلیاژهای استلایت به علت خواص منحصر به فرد خود در کاربردهای بسیاری در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند.

زمانیکه که حفظ سختی در دمای بالا، شرایط خورنده و انواع مکانیزم های سایش مطرح باشند. استلایت ها به خوبی برتری های خود را به نمایش می گذارند.

معمولاً آلیاژهای مقاوم به سایش، مقاومت به خوردگی بالایی ندارند. یا آلیاژهای مقاوم به حرارت، نظیر اینکونل ها و اینکولوی ها، مقاومت به سایش پایینی دارند. ولی آلیاژهای استلایت بطور همزمان می توانند در سه جبهه با این مکانیزم های مخرب فلزات بجنگند.

آلیاژهای استلایت مقاومت به سایش چسبان (Galling) بسیار خوبی دارند. به همین دلیل در شرایطی که آب بندی فلز روی فلز نیاز باشد. گزینه ی بسیار مناسبی هستند. این ویژگی باعث شده تا در صنایع شیرآلات خاص صنعتی. پمپ های فرآیندی و کنترل ولوها شاهد به کارگیری آلیاژهای استلایت در سیت، گیت، بال و … باشیم.

حفظ سختی و مقاومت به سایش در دمای بالا در آلیاژهای استلایت باعث شده. تا در فرآیندهای شکل دهی گرم فلزات، نظیر اکستروژن و کشش سیم کاربردهای زیادی پیدا کرده باشند.

مقاومت به خوردگی در فلز مذاب، باعث شده. تا در ساخت قطعات تحت سایش در وان های فلزات مذاب. بتوان آلیاژهای استلایت را بکارگیری کرد.

در این نوشتار، اصول کلی سخت کاری سطی قطعات صنعتی با استفاده از آلیاژهای استلایت. به روش جوشکاری مورد بحث قرار گرفته است. امید است این مطلب مورد استفاده ی صنعتگران بومی ساز قطعات خاص قرار گیرد.

فرآیندهای پوشش دهی آلیاژهای استلایت بر روی قطعات

  • روش پاشش حرارتی HVOF
  • جوش آرگون TIG
  • جوش کاری زیر پودری Submerged Arc Welding
  • جوش میگ MIG
  • جوشکاری به روش PTA
  • جوشکاری لیزر Laser Weld Doposition

هریک از این روشها دارای نقاط قوت و ویژگیهای خاص خود هستند. به عنوان مثال در روش HVOF، سرعت پاشش ذرات به مافوق صوت رسیده. و دمای سطح قطعه نسبت به روشهایی مانند TIG یا PTA بسیار پایین تر است. این روش چگالی ایجاد می کند. ولی ضخامت حاصل از آن معمولاً کمتر از یک میلی متر است.

روش PTA که در آن پودر فلز استفاده میشود. قابلیت اتوماتیک شدن خوبی دارد. این روش نرخ رسوب گذاری بالایی داشته و رقیق شدن توسط آهن زیر لایه کمتر در آن اتفاق می افتد.

شکل 1 انواع روش های پوشش دهی را به صورت شماتیک نشان می دهد.

سخت کاری

آلیاژهای استلایت

آلیاژهای استلایت آلیاژهایی با پایه ی کبالت هستند. مهم ترین عناصر آلیاژی استلایت ها، عناصر کربن، کروم، تنگستن، مولیبدن و نیکل می باشند.

همانطور که گفته شد. استلایت ها مقاومت بسیار خوبی به گالینگ و سایش چسبان فلز روی فلز دارند. این آلیاژها نیاز به روانکاری کمی داشته و ضریب اصطکاک پایینی دارند. به همین دلیل نسبت به Siding Wear مقاومت خوبی دارند. علاوه بر این آلیاژهای استلایت نسبت به اکسیداسیون دمای بالا، کاویتاسیون و فرسایش مقاومت مناسبی دارند.

روش تولید می تواند. بر سختی حاصل از یک آلیاژ اثرگذار باشد. شکل 2 سختی Stellite 6 حاصل از روش های گوناگون تولید در دماهای مختلف را نشان می دهد.

نظیر هر گروه از آلیاژهای دیگر، هر گرید استلایت برای یک دسته کاربرد خاص طراحی می شود. و بر همین اساس ترکیب شیمیایی آن تنظیم می شود.

به عنوان مثال آلیاژهایی که جنبه ی مقاومت به خوردگی آنها بالاست. معمولاً دارای کروم 28 تا 32 درصد بوده و خواص خوردگی نظیر فولاد زنگ نزن 316 دارند.

به علت نقش اساسی کربن در ایجاد مقاومت به سایش یا مقاومت به خوردگی، آلیاژهای استلایت را می توان. به دو دسته ی کلی زیر تقسیم بندی کرد.

  • استلایت های کاربیدی (درصد C > 0/08 )

این استلایتها توسط کاربیدهای کروم، تنگستن و یا مولیبدن استحکام می یابند. و به دو صورت هیپویوتکنیک (کاربیدهای M22C6) نظیر استلایت 6. و هایپریوتکتیک (کاربیدهای M7C3) نظیر استلایت 1 گروه بندی می شوند.

  • استلایتهای محلول جامد (C< 0/4)

این دسته از آلیاژهای استلایت معمولاً مقاومت به ضربه و مقاومت به خوردگی مناسب تری نسبت به گروه اول دارند. این دسته را به دو گروه زیر میتوان متمایز کرد.

— آلیاژهای استلایت کبالت، کروم، مولیبدن (بدون تنگستن) نظیر Stellite 21.

— آلیاژهای استلایت کبالت، کروم، مولیبدن، نیکل (با تنگستن پایین) نظیر Ultimet.

  • آلیاژهای مقاوم به سایش توسط کار سخت شدن

شکل 3 ریز ساختار بعضی از آلیاژهای استلایت را نشان می دهد.

جدول 1 – ترکیب شیمیایی آلیاژهای معروف استلایت

یک ویژگی مهم آلیاژهای استلایت مقاومت به سایش در دمای بالاست. سختی همواره به عنوان یک پارامتر ملموس برای ارزیابی مقاومت به سایش تلقی می شود. ولی این معیار همیشه نمی تواند. ارزیابی صحیحی به ما ارائه دهد. در آلیاژهای استلایت به علت وجود ذرات کاربیدهای تنگستن. مقاومت به سایش بالاتری نسبت به یک فولاد با همان عدد سختی حاصل می شود.

شکل 4 سختی داغ چند آلیاژ استلایت را در مقایسه با فولاد ابزار گرم کار H13. در دماهای مختلف نشان می دهد.

شکل 5 نیز سختی داغ آلیاژهای مختلف استلایت را در دماهای مختلف مقایسه می کند.

سخت کاری

شکل 6 اثر سختی داغ بر فرسایش دمای بالا در استلایت 1 را نشان می دهد. همان طور که دیده می شود. افت سختی از DPH 320 به 220 باعث دو برابر شدن فرسایش داغ شده است.

سخت کاری

جوشکاری سطحی استلایت روی فولادهای مختلف

برای بررسی نکات فنی با اهمیت در سخت کاری سطحی. به روش های جوشکاری توسط آلیاژهای استلایت. موضوع را بر اساس – جنس زیر لایه در سه گروه کلی زیر بررسی می کنیم.

  • جوشکاری استلایت بر روی فولادهای کربنی.
  • جوشکاری استلایت بر روی فولادهای آلیاژی، مارتنزیتی و فولادهای ابزار.
  • جوشکاری استلایت بر روی فولادهای زنگ نزن آستنیتی و داپلکس

جوشکاری استلایت بر روی فولادهای کربنی

فولاد های سادۀ کربنی که به فولادهای غیر آلیاژی نیز شناخته می شوند. در سیستم کد گذاری بین المللی UNS با حرف G آغاز می شوند. این فولادی در سیستم AISI و SAE بصورت 10XX ,11XX,12XX و 15XX شناسایی می شوند.

در بازار ایران معروف ترین گریدهای این فولادها را می توان. St37 – St13 – St14 – St14 – St44 – St22 – St52 در فولادهای ساختمانی و Ck22 – Ck45 – Ck35 – Ck60 در فولادهای صنعتی نام برد.

بصورت کلی جوش پذیری یک فولاد با سختی پذیری آن نسبت مستقیم دارد. و هر چه سختی پذیری افزایش یابد. جوش پذیری پایین می آید. این موضوع بخاطر شکل گیری یک لایۀ ترد. در منطقۀ متأثر از حرارت زیر جوش (HAZ) در داخل فلز پایه می باشد.

وقتی سختی پذیری یک فولاد بالا باشد. در اثر سریع سرد شدن منطقۀ زیر جوش، فازهای ترد مارتنزیتی تشکیل می شود. که مقاومت به ضربۀ پایینی دارد. این مسأله وقتی کربن بالاتر از 0/5 درصد باشد. اهمیت فراوانی می یابد.

برای کاهش سرعت سرد شدن، بهترین روش پیش گرم کردن قطعۀ کار می باشد. برای تعیین میزان پیش گرم مورد نیاز و ارزیابی جوش پذیری یک فولاد. از معیاری با عنوان کربن معادل (CE) استفاده می شود. این معیار مستقیماً ترکیب شیمیایی یک فولاد را به جوش پذیری آن ارتباط داده. و از طریق رابطۀ زیر محاسبه می شود.

بعنوان مثال می توان مشاهده کرد. برای فولادهایی مثل St37 , St12 که کربن معادلی در حدود 0/2 دارند. هیچ پیش گرمی نیاز نیست. اما برای فولادهایی مثل Ck45 که کربن معادل آن حدود 0/5 می باشد. به حدود 170 درجۀ سانتی گراد پیش گرم نیاز است.

برای استفاده از این نمودار به دو نکته باید توجه کرد. یکی اینکه این پیش گرم با هدف جلوگیری از سریع سرد شدن منطقۀ کنار جوش می باشد. و بنابراین اندازۀ قطعه نیز اثر گذار است. و دیگر اینکه پیش گرم همواره می تواند. مفید باشد زیرا اثر رطوبت یا چربی موجود بر روی قطعه و همچنین تنش های انقباضی را کاهش می دهد.

هرچه که کربن معادل از 0/5 بیشتر باشد. تشکیل مارتنزیت اجتناب ناپذیر است.

در این شرایط عملیات حرارتی پس از جوشکاری PWHT ضروری می شود.

انتخاب دمای این عملیات حرارتی با توجه به گرید فولاد انتخاب می شود. و معمولاً 50 درجه ی سانتی گراد پایینتر از دمای تمپر همیشگی آن فولاد است. معمولاً قطعات جوشکاری شده بلافاصله پس از جوشکاری بمدت یک تا دو ساعت در کورهه قرار می گیرند.

فولادهای آلیاژی

کربن معادل این فولادها اغلب بالای 1/1 است. و جوشکاری سطحی روی آنها یک چالش محسوب می شود. برای اینگونه فولادها عملیات پیش گرم و پس گرم الزامی بوده. و کار با توجه به دماهای شروع و پایان استحالۀ مارتنزیتی (Mf,Ms) و دیاگرام TTT انجام می شود.

به ندرت شرایطی پیش می آید. که انجام عملیات سختکاری سطحی به وسیلۀ جوشکاری آلیاژهای استلایت روی فولادهای ابزار یا فولادهای مارتنزیتی پر آلیاژ انجام گیرد.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی و داپلکس

جوشکاری استلایت بر روی سطح فولادهای زنگ نزن بسیار متداول است. انجام اینکار کاملاً متفاوت از فولادهای کربنی، کم آلیاژ و ابزار است. در اینجا کربن معادل اهمیت چندانی ندارد. ولی مهم این است که بدانیم چه گروه و گریدی را سخت کاری می کنیم.

شکل 8 مهمترین گریدهای فولادهای زنگ نزن آستنیتی را نشان می دهد. در فولادهای زنگ نزن آستنیتی، نظیر 304 و 316، شکل گیری فاز ترد. در منطقۀ متأثر از حرارت زیر جوش رخ نمی دهد. زیرا وجود مقادیر بالای نیکل مانع از تبدیل شبکه FCC آستنیت به شبکۀ BCC مارتنزیت می شود.

برای جوشکاری سطحی استلایت روی این گروه. دمای پیش گرم 50 درجه سانتی گراد تا 150 درجه سانتی گراد کافی است. و پس از جوشکاری قطعه باید به آرامی سرد شود.

مشکل اصلی در جوشکاری سطحی فولادهای زنگ نزن، ورود کربن از آلیاژ استلایت به منطقۀ متأثر از حرارت است. با توجه به مقادیر بالای کربن در اکثر آلیاژهای استلایت، این پدیده به سادگی روی می دهد. کربن وارد شده به منطقۀ کنار جوش در فولاد زنگ نزن، باعث ایجاد پدیدۀ حساس شدن می شود. این فرآیند که از آن به خوردگی کنار جوش نیز یاد می شود.

در اثر تشکیل کاربید کروم در مرز دانه های فولاد زنگ نزن ایجاد می شود. شکل 9 این پدیده را از نقطه نظر میکروسکوپی نشان می دهد. تشکیل کاربید کروم در مرز دانه ها باعث می شود. تا لایۀ محافظ اکسید کروم پیوسته روی سطح فولاد زنگ نزن در منطقۀ متأثر از حرارت شکل نگرفته. و مقاومت به خوردگی این ناحیه به شدت کاهش یابد.

سخت کاری

ساختار میکروسکوپی فولادهای زنگ نزن داپلکس شامل دانه های فریت و آستنیت تقریباً با نسبت برابر می باشد. این گروه فولادهای زنگ نزن معمولاً مقاومت به خوردگی تنشی بهتر و استحکام و سختی بالاتری. نسبت به فولادهای زنگ نزن آستنیتی دارند. داپلکس ها کاربردهای وسیعی در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی دارند. مقاومت در محیطهای کلریدی، استحکام کششی بالا و مقاومت به کاویتاسیون دلیل این امر است.

جدول 2 ترکیب شیمیایی فولادی زنگ نزن داپلکس را نشان می دهد.

سخت کاری

در اثر سخت کاری سطحی توسط جوشکاری، داپلکس ها هم مانند فولادهای زنگ نزن آستنیتی حساس شده. و دچار خوردگی منطقۀ کنار جوش می شوند. علاوه بر این در این فولادها امکان تشکیل فازهای ترد ثانویه در زیر لایۀ جوشکاری شده وجود دارد. این فازهای ثانویۀ ترکیبات بین فلزی، کاربیدها و نیتریدهایی هستند. که در اثر قرار گرفتن در دمای بالا تشکیل می شوند. و مقاومت به خوردگی و یا چقرمگی را کاهش می دهند.

از نقطه نظر سخت کاری سطحی، بزرگترین مشکل کار با این فولادها تشکیل فازهای تردی نظیر سیگما.چی، و آلفا پرایم در مدت زمان کوتاه سیکل حرارتی حاصل از جوشکاری است.

این فازها در محدوده دمایی 300 درجه سانتی گراد تا 1000 درجه سانتی گراد تشکیل می شوند. طبیعی است که در حین جوشکاری مطنقۀ وسیعی در زیر جوش در این ناحیۀ حرارتی ترد شدن قرار می گیرند. به همین دلیل بهتر است. فولادهای داپلکس پیش گرم نشوند.

بسته به هندسه و ابعاد قطعات و همچنین گرید استلایت مورد استفاده باید سریع تر نرخ سرد شدن ممکن. برای دماهای بین پاسی و آخر کار در نظر گرفته شود. تا منطقه متأثر از حرارت در زمان کمتری در محدوده دمایی ترد شدن قرار گیرد. دمای بین پاسی بهینه برای این فولادها در محدوده 150 درجه سانتی گراد تا 200 است.

البته راهکار بهتر استفاده از یک لایه بافری زیر لایه استلایت می باشد. استفاده از سوپرآلیاژ پایه نیکل Inconel 625 به عنوان اولیه لایه جوشکاری شده بدون انجام هیچ پیش گرمی می تواند. ریسک پدیده های فوق الذکر را تا حد زیادی کاهش دهد.

یکی از پدیده هایی که در حین سخت کاری سطحی آلیاژهای استلایت. بر روی قطعات صنعتی به وفور دیده می شود. پدیده رقیق شدن است. رقیق شدن معمولاً خود را به شکل افت سختی حاصل از سخت کاری. نسبت به سختی مورد انتظار نشان می دهد. ماجرا از آنجا آغاز می شود. که در حین جوشکاری سطحی، مقداری از فلز زیر لایه یا همان قطعه در لایه استلایت حل می شود. و در نتیجه مقدار آهن موجود در لایه را نسبت به ترکیب استاندارد استلایت افزایش می دهد. این وضعیت اثرات زیر را به همراه دارد.

کاهش مقاومت به خوردگی آلیاژ استلایت در محیط های با خورندگی بالا. در اثر کاهش درصد کروم لایه سطحی، هرچند در این شرایط ممکن است. مقاومت به خوردگی استلایت از بسیاری فولادهای زنگ نزن بالاتر باشد.

  • افت سختی حاصل از جوشکاری استلایت
  • کاهش مقاومت به سایش در اثر افزایش انرژی نقص در چیده شدن اتم ها برای زمینه کبالتی. که اثر بالایی به خصوص بر مقاومت به گالینگ دارد.
  • کاهش کربن محتوای لایه استلایت که کاهش سختی و مقاومت به انواع سایش را به همراه دارد.
  • رقیق شدن به آهن و یا نیکل باعث کاهش حجم فازهای تردی نظیر کاربیدها شده. و مقاومت به ضربه لایه را افزایش می دهد.

همانطور که در شکل 10 دیده می شود. 6 درصد رقیق شدن توانسته است. مقاومت به سایش خراشان استلایت 1 را تا 6 برابر و سایش چسبان را تا حدود دو برابر کاهش دهد.

رقیق شدن پدیده ای غیر قابل اجتناب است. اما سوال اینجاست که تا چه حد مجاز می باشد. پاسخ این سوال با دانستن شرایط کاری نظیر خورندگی محیط، مقاومت به سایش مورد نیاز، سختی قطعات درگیر با قطعه. ضخامت لایه مورد نیاز، مقدار ماشین کاری پس از جوشکاری و … داده شود.

هرچه تعداد پاس های جوش داده شده افزایش یابد. اثر رقیق شدن به ویژه در لایه های رویین کمتر می شود. بهتر است فرآیند کار به نوعی طراحی شود. که پس از ماشین کاری حداقل 2 میلی متر از لایه استلایت روی سطح باقی مانده باشد.

پارامترهای جوشکاری، هندسه جوش، مهارت جوشکار، ضخامت لایه اولیه جوشکاری شده. و جنس زیر لایه بر رقیق شدن تأثیر گذار است. شکل 11 موقعیت صحیح تورچ و فیلر را در جوش آرگون نشان می دهد.

مقدم بر پارامترهای فرآیند، نوع خود فرآیند بر میزان رقیق شدن تأثیر به سزایی دارد. شکل 12 رقیق شدن استلایت 12 را در دو روش TIG و PTA مقایسه کرده است. همانطور که دیده می شود. رقیق شدن استلایت از مقدار 50 درصد آهن در خط ذوب. به سرعت به حدود 5 درصد در فاصله حدود 4 میلیمتری از خط ذوب فلز پایه می رسد. روش PTA رقیق شدن کمتری را نسبت به روش FTG نشان می دهد. دقت شود که این دو روش در شرایط تنظیم بهینه پارمترها با هم مقایسه شده اند.

همانطور که مشاهده می شود. در روش PTA در فاصله یک میلی متر از خط ذوب، رقیق شدن به کمتر از 10 درصد می رسد.

اثر میزان رقیق شدن بر سختی حاصل از لایه استلایت 12 در شکل 13 نشان داده شده است.

شکل 14 اثر رقیق شدن توسط آهن در دماهای مختلف بر سختی آلیاژ معروف استلایت 6 را نشان می دهد. همانطور که دیده می شود. رقیق شدن بیش از 10 درصد در دماهای مختلف اثر زیادی نداشته. و نمودار بین 10 تا 20 درصد در دماهای مختلف به شکل صاف است.

سخت کاری

شکل 15 اثر دما و رقیق شدن توسط آهن بر سختی استلایت 6 را مشخص می کند. همانطور که دیده می شود. با افزایش دما تأثیر رقیق شدن بر افت سختی لایه استلایت بیشتر می شود.

سخت کاری

جلال دانش

شرکت خشکه و فولاد پایتخت (( مدیریت : جواد دلاکان )) صنعتگران عزیز، افتخار داریم. که سی سال تجربه گرانبهای خویش را در زمینه عرضه انواع ورق آلیاژی. و انواع فولاد آلیاژی برای خدمت رسانی به شما هموطنان کشور عزیزمان ایران ارائه می دهیم. پیشاپیش از اینکه شرکت خشکه و فولاد پایتخت را جهت خرید خود انتخاب می نمایید سپاسگزاریم.
ارتباط با ما:
۰۹۱۲۱۲۲۴۲۲۷
۰۹۳۷۱۹۰۱۸۰۷
تلفن: ۰۲۱۶۶۸۰۰۲۵۱
فکس: ۶۶۸۰۰۵۴۶

#سختکاری#سخت_کاری #فولاد_آلیاژی #فولاد_استلایت #فولاد_ضد_خوردگی #فولاد_ضد_سایش #فولاد_حرارتی #فولاد_گرمکار #فولاد_ساختمانی #سخت_کاری_سطحی