کروی کردن (Spherodizing)

عملیات حرارتی دنیای بازی با فولادهاست! در این دنیا شما قادر خواهید بود قطعات آهنی و غیر آهنی که با هر روشی تولید شده و خواص فیزیکی، مکانیکی یا شیمیایی مناسبی ندارند، به قطعات آماده برای مصرف تبدیل کنید. اصولا عملیاتی مثل آستنیته، کوئنچ، تمپرینگ، آنیلینگ، نرمالیزه کردن، کروی کردن، اضافه کردن عناصر آلیاژی و صدها عملیات نظیر این موارد نیز برای همین منظور طراحی شده اند که همگی این موارد با توجه به نوع فولاد و توجه به دیاگرام فازی آهن-کربن در جای مناسب کاربرد خود را دارند. در این مطلب قصد داریم شما را با یکی از این عملیات که در اصطلاح به کروی کردن (Spherodizing) معروف است، آشنا کنیم.

منظور از کروی کردن (اسفرودایزینگ) چیست؟

کروی کردن نوعی عملیات حرارتی برای آلیاژهای پایه آهنی و به خصوص فولادهای کربنی با هدف افزایش قابلیت شکل پذیری و ماشین کاری آن ها است. در طول این عملیات فاز سمنتیت یا کاربید آهن (Fe₃C) از ساختار لایه ای به شکل کروی در می‌آید. ساختار کروی نرم ترین و پایدارترین حالتی است که می تواند در فولادها وجود داشته باشد. بنابراین فولادهای اسفرودایز شده انعطاف پذیری بالایی دارند. این انعطاف پذیری بالا به دلیل وجود زمینه پیوسته فریتی است که در این فولادها وجود دارد.

برای کروی کردن، لازم است که لایه های سمنتیت که به صورت پیوسته در ساختار فولاد وجود دارند، شکسته شده و سمنتیت به صورت کروی در زمینه رسوب کند. بنابراین دما و زمان به عنوان دو عامل بسیار مهم در طول این عملیات مطرح می‌شوند. هدف نهایی این است که در کوتاه ترین زمان ممکن، بیشترین مقدار کاربید در زمینه به صورت کروی رسوب کند.

آهنگ کروی شدن سمنتیت به ریزساختار اولیه و نحوه عملیات حرارتی کروی کردن بسنگی دارد. در بین ربزساختارها، پرلیت به دلیل ریز ساختار لایه ای که دارد، به مدت زمان بیشتری برای کروی شدن نیاز دارد. در بین ریزساختارهای پرلیت هم هر چه ریزساختار خشن تر باشد، مدت رمان کروی کردن افزایش می یابد. مارتنزیت کمترین زمان را برای کروی شدن نیاز دارد، چون نیازی به شکستن لایه های سخت سمنتیتی ندارد و فقط کربن فوق اشباع از درون شبکه آهن خارج و به صورت کروی رسوب می کند. بینیت هم به دلیل وجود کاربیدهای ریز و مجزا به مدت زمانی بین پرلیت و مارتنزیت نیاز دارد.

چگونه باید ریزساختار یک فولاد را کروی کرد؟

در کل سه روش برای اسفرودایز کردن فولاد پیشتهاد شده که در این بخش به آن ها اشاره می کنیم:

• در روش اول فولاد تا زیر دمای استحاله یوتکتوئیدی غیر تعادلی که با نام Ac₁ نیز شناخته می شود، حرارت داده شده و در آن دما نگه داشته می شود تا فولاد به طور کامل کروی شود. پس از انجام عملیات، فولاد تا دمای اتاق در هوا سرد می شود.
• در روش دوم، فولاد تا ناحیه دو فازی فریت-آستنیت (Ac₃-Ac₁) یا سمنتیت-آستنیت (Acm-Ac₁) حرارت داده می شود. هدف از این کار آستنیته کردن فولاد به صورت جزئی است. پس از این کار فولاد تا زیر دمای استحاله یوتکتوئیدی غیر تعادلی که با نام Ar₁ نیز شناخته می شود، سرد شده و آن قدر در این دما نگه داشته می شود تا کروی شود. در انتها فولاد تا دمای اتاق در هوا سرد می شود.
• در روش سوم، عملیات گرمایش و سرمایش به صورت سینوسی تکرار می شود. بدین صورت که فولاد تا بالای دمای Ac₁ گرم می شود تا به صورت جزئی آستنیته شود. سپس تا زیر دمای Ar₁ سرد می شود و حدود نیم ساعت نگه داشته می شود تا به صورت جزئی کروی شود. این عملیات به صورت متناوب تکرار می شود تا در نهایت فولاد کروی شود.

از آن جایی که در روش های دوم و سوم فولاد به صورت چزئی آستنیته می شود، انتظار می رود شکستن لایه های سمنتیتی و کروی کردن سریع تر از روش اول انجام شود. در بین این دو روش نیز روش سوم روش بهتری محسوب می شود. چون با هر بار آستنیته کردن، بخشی از سمنتیت لایه ای حل می شود و با سرد کردن به صورت سمنتیت کروی رسوب می کند.

نکات مهم در اسفرودایزینگ فولاد

1. دمای آستنیته کردن در اجرای صحیح عملیات اسفرودایزینگ اهمیت بالایی دارد. هر چه دمای آستنیته کردن پایین تر باشد، ذرات سمنتیت حل نشده بیشتری در ساختار باقی می مانند. این ذرات به عنوان محل های اولیه رشد سمنتیت کروی عمل می کنند و عملیات اسفرودایزینگ را سرعت می بخشند.
2. در صورتی که دمای آستنیته کردن بالا انتخاب شود، سمنتیت (کاربید) به طور کامل در زمینه حل می شود و میکروساختار یکنواختی حاصل می شود. در این حالت، شرایط برای رشد ساختار پرلیتی سخت به جای سمنتیت کروی نرم مهیا می شود.
3. کروی شدن در نتیجه تجزیه و انحلال سمانتیت لایه ای اتفاق می افتد. در این رابطه نفوذ کرین در فاز فریت نقش اساسی را در این عملیات بازی می کند. هر چه نفوذ کربن کندتر انجام شود، کروی شدن دیرتر صورت می گیرد. عناصر آلیاژی از جمله عواملی هستند که نفوذ کربن را در فاز فریت به تاخیر می اندازند و باعث کاهش سرعت عملیات می شوند.
4. کروی کردن برای فولادهای کم کربن نتیجه مثبتی در پی نخواهد داشت. زیرا این فولادها به صورت ذاتی نرم هستند و کروی کردن باعث نرمی بیش از حد آن ها می شود. معمولا از فولادهای کربن متوسط و پر کربن برای دستیابی به حداکثر انعطاف و بهبود قابلیت ماشین کاری فولاد استفاده می شود.
5. افزایش بیش از حد زمان کروی کردن باعث بزرگ شدن دانه های سمنتیت کروی و اتصال آن‌ها به یکدیگر می شود. در نتیجه ساختار سمنتیت مجددا به صورت لایه ای خواهد شد و انعطاف پذیری مجددا کاهش می‌یابد.

کروی کردن چه فوایدی دارد؟

مشخصا دستیابی به ساختاری نرم و منعطف باعث افزایش قابلیت شکل پذیری فولاد می شود. کروی کردن در مواقعی فولاد کار سخت شده باشد و برای ادامه عملیات مجددا نیاز به کارپذیری داشته باشد (مانند نورد یا کشش میله و سیم) بسیار موثر خواهد بود. برخی اوقات عملیات کروی کردن با آنیل ترکیب می شود و نوعی عملیات حرارتی جدید را به وجود می آورد که به اسفرودایز آنیلینگ (Spheroidize annealing) معروف است. در این حالت انعطاف پذیری و چقرمگی توامان افزایش می باید و سختی و استحکام کم می شوند.

بنابراین می توانیم فواید عملیات کروی کردن را به صورت زیر خلاصه کنیم:

• افزایش قابلیت شکل پذیری
• کاهش انرژی مورد نیاز برای عملیات بعدی
• افزایش قابلیت ماشین کاری به خصوص برای فولادهای پر کربن

در انتهای این مطلب، از شما دعوت می کنیم تا به فیلم کوتاهی که در خصوص فرایند اسفرودایزینگ تهیه شده، توجه نمایید.

منابع

گلعذار؛ محمد علی . (۱۳۸۵) . اصول و کاربرد عملیات حرارتی فولادها . اصفهان: مرکز نشر دانشگاه صنعتی اصفهان
www.azom.com