گزارشکار نفوذ کربن

دانشگاه صنعتی شریف

دانشکده مهندسی و علم مواد

آزمایشگاه متالورژی فیزیکی 2

آزمایش اول : بررسی نفوذ کربن در آهن و تاثیر زمان بر روی فرایند نفوذ

محمد شریفی

89105274

هدف: آشنایی با فرآیند کربن­دهی و سخت کردن سطحی

مقدمه:

در بسیاری از کاربردهای صنعتی نیاز به قطعاتی است که دارای سطحی سخت بوده و در عین حال از چقرمگی یا مقاومت به ضربه خوبی نیز برخوردار باشند. از جمله مواردی که می­توان به عنوان مثال به آن­ها اشاره کرد میل­لنگ، یاتاقان­ها، چرخ_­دنده­ها و ... می­باشند. این قطعات می­بایست سطحی سخت و مقاوم به سایش در حین حفظ چقرمگی و استحکام ضربه خود داشته باشند. در صنعت برای رسیدن به چنین خواصی عموما از سختی­سازی سطحی استفاده می­شود که روش­های مختلفی دارد نظیر کربوره کردن، نیتروره کردن، کربوره­-نیتروره کردن و ....

نحوۀ انجام آزمایش:

هشت نمونه­ی فولادی (با 1/0 درصد کربن) را به همراه زغال و فعال­ساز مناسب (کربونات سدیم) را داخل جعبه­های فلزی از جنس فولاد نسوز قرار می­دهید. سپس توسط گل نسوز روی آن را گرفته و داخل کوره در دمای920 درجه سانتی­گراد می­گذارید. این نمونه­ها در زمان­های 15، 30، 60، 120،150، 180، 210 و 270 کربن­دهی می­شوند. در نهایت عمق نفوذ نمونه­ها را در زیر میکروسکوپ اندازه­گیری کردیم.

تحلیل آزمایش:

سوالات:

1.    مواضع بین­نشین و مکانیزم نفوذ کربن در نمونه مورد آزمایش را تشریح نمایید.

اتمهای کربن در هر دو حالت آهن فریتی و آستنیتی در مکانهای بین نشین هشت وجهی قرار می گیرند. نمونه مورد آزمایش در دمای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد قرار دارد یعنی فولاد آستنیتی بوده و ساختار FCC دارد پس اتمهای کربن مطابق  شکل زیر در مکانهای هشت وجهی مشخص شده جای می گیرند.

تصویر 1 – مواصع بین نشین.

2.    انواع روش­های کربوره کردن سطحی آهن و مزایا و معایب هر روش را بنویسید.

کربن دهی مایع

کربن دهی مایع در مذاب مخلوط نمکهای سیانید سدیم (۲۰ تا ۵۰ درصد)، کربنات سدیم (۴۰ درصد) و مقادیر متنابهی از کلرید سدیم و یا کلرید باریم انجام می شود. این مخلوط غنی از سیانید را در بوته هایی با پوشش شیمیایی آلومینیوم (آلومینیوم کاری شده) ذوب کرده و در دمایی بین ۸۷۰ تا ۹۵۰ درجه سانتیگراد نگاه می دارند. قطعات مورد نظر برای کربن دهی را در سبدهای فلزی ریخته و یا توسط سیمهای فلزی به طور معلق در مذاب فوق برای مدت زمانی در حدود ۵ دقیقه تا یک ساعت نگاه می دارند. زمان کربن دهی بستگی به عمق نفوذ مورد نظر دارد. پس از پایان عملیات سبد حاوی قطعات کربن داده شده را در آب و یا روغن فرو می برند.

کربن دهی گازی

کربن  دهی گازی که نسبت به  روشهای پودری و  مایع از قدمت کمتری برخوردار است، به عنوان اقتصادی ترین و سریع ترین روش کربن دهی برای تولید انبوه شناخته شده است. تحت شرایطی که ضخامت لایه سطحی کربن داده شده ی نسبتا کمی مورد نظر باشد، این مزیت بسیار حائز اهمیت است. به علاوه در این روش کربن سطح را بسیار دقیقتر و ساده تر از روش های دیگر می توان کنترل کرد.

در کربن دهی گازی قطعات کار را در ۹۰۰ درجه سانتیگراد برای مدت سه تا چهار ساعت در محیطی که شامل گاز یا گازهایی باشد که بتواند در سطح فولاد تجزیه شده و تولید کربن اتمی کند، حرارت می دهند. این محیط معمولا از هیدروکربنها نظیر متان (گاز طبیعی) اتان و یا پروپان تشکیل شده است که به طور جزئی در کوره سوخته شده و یا اینکه با یک گاز رقیق کننده موسوم به گاز حامل مخلوط شده باشد. سوختن ناقص و یا

استفاده از گاز حامل به منظور حصول پتانسیل کربن مورد نظر در سطح فولاد است.

3.   
اگر به جای کربن از نیتروژن برای سختی سطحی استفاده شود، تحت شرایط یکسان، عمق نفوذ کدام یک بیشتر خواهد بود؟ چرا؟

4.    معمولا قطعات فولادی را پس از کربن­دهی سریع سرد نمی­کنند، علت را توضیح دهید. برای حل این مشکل و افزایش سختی سطح چه عملیاتی انجام می­شود.

سربع سرد کردن قطعه (کوئنچ) سبب مارتنزیتی شدن می شود، و ممکن است به دلیل آنکه درشت دانه بوده و تنش های زیادی به آن وارد می آید، ترک بخورد. اگر هم بخواهیم مارتنزیتی کنیم می بایست ابتدا نمونه را ریز دانه کنیم.

5.    رابطه عمق نفوذ با زمان نفوذ را به کمک داده­های آزمایش به دست آورید (به کمک رسم نمودار).

تصویر 2 – نمودار رابطه عمق نفوذ با زمان نفوذ.

عمق نفوذ (میلی متر)

زمان(دقیقه)

6.    غلظت کربن در سطح آهن را به کمک داده­های آزمایش و جداول ضریب نفوذ به دست آورید (به کمک رسم نمودار).

تصویر3 – قسمتی از دیاگرام فازی آهن-کربن.

با توجه به دیاگرام آهن کربن درصد کربن در عمق مورد نظر را جایی در نظر می گیریم که ۵۰ درصد پرلیت و ۵۰ درصد فریت موجود باشد یعنی در غلظت 0.4 درصد کربن.

تصویر 4- نمودار تغییر مجذور عمق نفوذ با زمان.