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، چرخدندهها 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.
|