بررسی تجربی اثر پارامترهای فرآیند تراشکاری داغ بر سایش ابزار و زبری سطح فولاد AISI630

فرآیند تراشکاری داغ بر سایش ابزار

فولاد AISI360 یک فولاد زنگ نزن است که با مکانیزم پیر سختی، استحکام آن افزایش می یابد. این فولاد دارای سختی بالا و ضریب هدایت حرارتی پایین است. و به این دلیل در دسته مواد سخت-برش قرار می گیرد. این دو عامل سبب میشود که سایش ابزار در فرآیند ماشین کاری این فولاد زیاد باشد. و کیفیت سطح قطعه کار پس از ماشین کار ی نامطلوب باشد. در این تحقیق فرآیند تراشکاری داغ این فولاد مورد بررسی قرار گرفت. برای تعیین تأثیر پارامترهای ماشین کاری بر سایش ابزار، تراشکاری داغ تا دمای پیش گرم 400 درجه سانتی گراد بر روی این فولاد انجام شد.

تراشکاری در سه نرخ پیشروی و سه سطح از سرعت برشی. و با استفاده از ابزار کاربایدی با دو لایه پوشش PVD -(Ti,Al)N(Al,Gr)2O3 انجام شد. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی مقدار سایش سطح آزاد ابزار در شرایط مختلف تراشکاری دو در دماهای پیش گرم مختلف اندازه گیری شد. و مکانیزم سایش ابزار بررسی شد. نتایج آزمایشگاهی نشان داد که کمترین سایش در سطح آزاد ابزار با انجام تراشکاری داغ در دمای 300 درجه حاصل میشود. بطوریکه تراشکاری داغ در این دما سبب کاهش 33 درصدی در سایش سطح آزاد ابزار شد.

مشاهده سطح ساییدگی ابزارها نشان داد. که مکانیسم سایش ابزار در تراشکاری داغ و تراشکاری معمولی این فولاد. از نوع سایش خراشان و سایش چسبیده است. نتایج زبری سنجی از سطح قطعه کار نیز نشان داد. که در هر سرعت برشی و پیشروی، با افزایش دمای اولیه قطعه کار تا 400 درجه سانتی گراد. زبری سطح کاهش می یابد. با استفاده از نرم افزار Minitab مقدار بهینه دما. سرعت برشی و پیشروی با هدف کم کردن سایش ابزار و زبری سطح به دست آمد.

فولاد AISI630 یک فولاد زنگ نزن با زمینه مارتنزیتی است. و عمده کاربرد آن در صنایع نظامی، پتروشیمی، هسته ای و هوافضا می باشد. مکانیزم اصلی سخت شوندگی در این فولاد، پیرسختی یا رسوب سختی می باشد. دمای پیرسختی این فولاد از 482 تا 621 درجه سانتی گراد است. و بیشترین سختی این فولاد 48 راکول C است. که با رسوب سختی به مدت یک ساعت در دمای 482 درجه سانتی گراد حاصل می شود.

این سختی بالا به همراه رسوب های ریز مس و ذرات سخت کارباید نظیر کارباید نایوبیوم. که در زمینه مارتنزیتی پراکنده شده اند. سبب سایش شدید ابزار و کیفیت نامطلوب سطح قطعه پس از ماشین کاری میشوند. به علاوه ضریب هدایت حرارتی پایین این فولاد سبب میشود. که این فلز در زمره مواد سخت-برش (difficult-to-cut) قرار گیرد. و ماشین کاری آن با سایش زیاد ابزار و کیفیت سطح پایین قطعه کار همراه باشد. محققین بسیاری از روش ماشین کاری داغ برای ماشین کاری مواد و فلزات سخت-برش استفاده کرده اند. چانگ و کو تراشکاری داغ به کمک لیزر را بر روی قطعه ای از جنس سرامیک Al2O3 انجام دادند.

نتایج تحقیق آنها نشان داد که تراشکاری داغ زبری سطح و نیروی تراش. را به ترتیب به میزان 70 درصد و 20 درصد کاهش داده است. سوپرآلیاژها نیز دسته ای از مواد سخت برش هستند. که ماشین کاری آنها با سایش شدید ابزار همراه است. اژدری و همکاران مقدار انرژی ویژه تراش، زبری سطح و سایش ابزار را در فرآیند تراشکاری داغ اینکونل 718 با لیزر اندازه گیری کردند. نشان داده شد.

که انرژی ویژه تراش، سایش ابزار و زبری سطح در مقایسه با تراشکاری معمولی به ترتیب 35%،22%،53% کاهش یافت. یکی دیگر از مواد سخت برش کامپوزیت های پایه فلزی هستند. که استحکام و سختی بالایی دارند. اما ماشینکاری آنها موجب سایش شدید ابزار و کیفیت سطح نامطلوب میشود. «وانگ» و همکاران فرآیند ماشینکاری داغ. به کمک لیزر را بر روی یک کامپوزیت پایه فلزی آلومینیوم با ذرات ریز AI2O3 انجام دادند. نتایج تحقیق آنها نشان داد که با افزایش دمای پیش گرم، نیروی برش و زبری سطح کاهش می یابد. و عمر ابزار افزایش می یابد.

اگرچه انجام ماشین کاری داغ بر روی اغلب مواد سخت برش، می تواند سبب کاهش زبری سطح، کاهش نیرو و کاهش سایش ابزار شود. اما از طرفی می تواند سبب افزایش دمای ابزار شود. که در برخی از فلزات مانند آلیاژهای تیتانیم منجر به افزایش سایش ابزار میشود و در نتیجه باعث کاهش عمر ابزار می شود. نتایج «برمینگهام» و همکاران در ماشین کاری داغ آلیاژ Ti-6A1-4V نشان می دهد.

که با افزایش دمای پیش گرم قطعه کار، نیروی برش کاهش می یابد. به علاوه عمر ابزار تا دمای پیش گرم 250 درجه سانتی گراد بهبود مختصری می یابد. ولی با افزایش دمای پیش گرم قطعه به مقدار 350 درجه سانتی گراد، عمر ابزار نسبت به تراشکاری معمولی کاهش می یابد.

فولاد AISI630 کاربرد گسترده ای در صنایع نظامی، نیروگاهی و پتروشیمی دارد. و حجم بالایی از قطعاتی که از این فولاد در این صنایع مصرف می شود. با روش ماشین کاری این فولاد توسط محققین مورد توجه قرار گرفته است. موهانتی و همکارانش تأثیر پارامترهای تراشکاری را در دمای محیط بر سایش ابزار. و زبری سطح قطعه ای از جنس فولاد AISI630 با سختی 35HRC مورد بررسی قرار دادند.

و محدوده ای از سرعت برشی را برای ابزار کاربایدی پیشنهاد کردند. سیوایا و چاکرادار نیز سایش سطح آزاد ابزار و زبری سطح این فولاد را در فرآیند تراشکاری معمولی مورد بررسی قرار دادند. آنها برای کاهش سایش ابزار روش های خنک کاری برودتی با نیتروژن مایع و روش روانکاری کمیته را به کار گرفتند. و نشان دادند که خنک کاری ابزار در حین فرآیند تراشکاری می تواند منجر به کاهش سایش ابزار شود. لای و همکارانش تأثیر تراشکاری خشک، تراشکاری با خنک کاری نیتروژن مایع. و تراشکاری با خنک کاری هوای فشرده را بر سایش ابزار، نیروی تراش. و زبری سطح فولاد AISI630 بررسی کردند.

«خانی» و همکاران نیز فرآیند تراشکاری داغ این فولاد با سختی 43HRC را با استفاده از پلاسما و خنک کاری تبریدی همزمان ابزار انجام دادند. و تأثیر دمای پیش گرم را بر سایش ابزار مورد بررسی قرار دادند. نتایج آنها حاکی از این بود که تلفیق تراشکاری داغ و خنک کاری برودتی-که اصطلاحاً ماشین کاری ترکیبی نام دارد. می تواند سبب کاهش سایش ابزار و افزایش صافی سطح قطعه شود.

برمینگهام و همکاران نیز فرآیند فرزکاری داغ را بر روی این فولاد به کمک لیزر انجام دادند. نتایج آنها نشان داد که با پیش گرم کردن قطعه کار در دمای 300 درجه سانتی گراد در فرزکاری داغ. نیروی ابزار 33 درصد کاهش یافت و به تبع آن سایش ابزار نیز 50 درصد کمتر از فرزکاری معمولی شد.

در این تحقیق تراشکاری معمولی و تراشکاری داغ در حالت خشک. در دماهای پیش گرم 200، 300 و 400 درجه سانتی گراد بر روی فولاد مورد سختی AISI630 انجام شد. و مقدار سایش سطح آزاد ابزار و زبری سطح قطعه کار اندازه گیری میشود. با استفاده از آنالیز واریانس تأثیر پارامترهای تراشکاری بر روی سایش سطح آزاد ابزار و زبری سطح قطعه کار به دست می آید. و مقادیر دما، سرعت و پیشروی جهت ایجاد کمینه سایش ابزار و زبری سطح قطعه، استخراج شده است.

مشخصات تجهیزات و روش انجام آزمایش ها

برای انجام آزمایش ها در تحقیق حاضر، فولاد AISI630 (17%Cr-4%Ni-4%Cu). در شرایط انحلال و با سختی 38 راکول C با قطر 36 میلی متر پس از انجام عملیات حرارتی پیرسختی. در دمای 482 درجه سانتی گراد به مدت 1 ساعت به سختی 1±4 راکول C رسید. ابتدا نمونه ها تحت روتراشی قرار می گیرند و قطر آنها به 35 میلی متر کاهش یافت. سپس فرآیند تراشکاری خشک (بدون استفاده از سیال برشی) در سرعت ها. و نرخ پیشروی های مختلف بر روی نمونه ها با طول 240 میلی متر مطابق شکل 1 در مدت زمان 3 دقیقه انجام شد.

در انتخاب جنس ابزار و پوشش آن، از موارد پیشنهادی توسط سازندگان معتبر ابزارهای برشی مانند سکو و سندویک استفاده شد. فولاد AISI630 در کاتالوگ شرکت «سِکو» در دسته مواد سخت ISOH با نام H12 قرار گرفت. در حالیکه مطابق شکل 2، در دسته بندی شرکت سندویک در دسته فولادهای زنگ نزن ISO M با شماره 05.12 قرار می گیرد. با توجه به کاتالوگ شرکت «سکو» گرید TH1500 از این شرکت و با توجه به شکل 2، گریدهای GC1115. و GC1125 از شرکت سندویک برای تراشکاری فولادهای زنگ نزن پیرسخت شونده مناسب هستند.

با توجه به شکل 2 از ابزار شرکت سندویک با گرید GC1115 برای تراشکاری استفاده شد. جنس ابزار، تنگستن کارباید حاوی 6% وزنی کبالت است. و بر روی آن دو لایه پوشش به روش PVD و با ضخامت تقریبی هر لایه 3 میکرومتر قرار گیری شد. پوشش لایه اول که بر روی تنگستن کارباید ایجاد گردید. N(Ti,A1) است که سختی خود را در دمای بالا به خوبی حفظ می کند. و پوشش لایه دوم (2O3(A1,Cr است.

که از تشکیل لبه انباشته جلوگیری می کند. تراشکاری در حالت پرداخت و میانی انجام شد. لذا از ابزار با کد DNMG150608-QM 1115 بکارگیری شد. شعاع نوک ابزار 0/8 میلی متر و شعاع لبه برنده اصلی 0/02 میلی متر می باشد. از ابزارگیر PDJNR2525M1506 برای نگهداری ابزار حین تراشکاری استفاده شد. زوایه براده و آزاد ابزار به ترتیب °6 – و °6 است.

فرآیند تراشکاری داغ بر سایش

مطابق کار، °93 برای انجام کلیه تست ها می باشد. برای انجام تراشکاری از دستگاه CD6250A شرکت DALIAN MACHINE TOOL GROUP ساخت کشور چین با حداکثر سرعت دورانی 1400 دور بر دقیقه استفاده شد. برای تحلیل اطلاعات خروجی نظیر سایش ابزار و زبری سطح از آنالیز واریانس (ANOVA) در نرم افزار مینی تب 17 بکارگیری شد.

شکل 1 چیدمان انجام آزمایش ها

با توجه به شکل 2، برای فولادهای پیرسخت شونده با شختی 330 برینل. (معادل 33 راکول C)، سرعت برشی در محدوده 120 تا 185 متر بر دقیقه پیشنهاد گردید. اما با توجه به اینکه در این تحقیق، فولاد AISI630 در حالت سخت میشود (47HRC) و بدون سیال برشی تخت تراشکاری قرار می گیرد. مقادیر سرعت بخشی کمتر از مقادیر پیشنهادی فوق و در محدوده 62 تا 123 متر بر دقیقه انتخاب شدند.

فرآیند تراشکاری داغ بر سایش

مطابق جدول 1 در آنالیز واریانس سه سطح از سرعت برشی در نظرگیری شد. نرخ پیشروی با توجه با شکل 2 سه مقدار 0/102، 0/175 و 0/241 میلی متر بر دور اختیار شد. قبل از انجام ماشین کاری داغ، نمونه ها تحت روتراشی قرار گرفتند. و مته مرغک در یک سمت قطعه کار زده شد. برای انجام ماشین کاری داغ در یک دمای مشخص. ابتدا نمونه ها داخل یک کوره المنتی با دمایی 40 تا 60 درجه سانتی گراد. بالاتر از آن دما و طی زمان یک ساعت پیش گرم شدند. به عنوان مثال برای انجام ماشین کاری داغ در دمای 200 درجه سانتی گراد. نمونه ها داخل کوره با دمای 240 درجه سانتی گراد پیش گرم شدند.

نمونه ها پس از بیرون آمدن از کوره.طی زمان 60 ثانیه بر روی اسپیندل دستگاه تراش نصب شدند. سمت دیگر قطعه کار توسط مرغک مهار شد. پس از بست قطعه کار فرایند روتراشی به مدت زمان سه دقیقه بر روی قطعه انجام شد. دمای قطعه کار پس از خروج از کوره با استفاده از یک ترموکوپل تماسی مدل CHY-502A که در شکل 3 نمایان و مشخص است. در فواصل زمانی 15 ثانیه اندازه گیری و در یک نمودار مانند شکل 4 رسم شد.

اندازه گیری دمای قطعه نشان داد. که پس از گذشت 60 ثانیه زمان (جهت بستن قطعه کار به دستگاه). دمای سطح قطعه به 230 درجه سانتی گراد افت می کند. برای محاسبه افت دما در حین بستن قطعه کار بر روی دستگاه. یک مدل شبیه سازی با استفاده از نرم افزار فلوئنت 6/3 نیز انجام شد. مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی در 60 ثانیه اول، 13/8 W/m2ºC بدست آمد.

فرآیند تراشکاری داغ بر سایش

در حین تراشکاری به دلیل چرخش قطعه کار با سرعت دورانی ω. انتقال حرارت با هوای محیط متفاوت با زمان بستن قطعه کار می باشد. با استفاده از نرم افزار فلوئنت 6/3 مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی تحت چرخش با سرعت دورانی 1120 دور بر دقیقه. (معادل سرعت برشی 123 متر بر دقیقه)، 32/6 W/m2ºC به دست آمد. پس از شبیه سازی مشاهده شد که بعد از سه دقیقه چرخش قطعه کار بر روی دستگاه تراش. حداکثر 50 درجه سانتی گراد افت دما در سطح قطعه اتفاق می افتد.

بنابراین فرآیند تراشکاری داغ در دمای اسمی 200 درجه سانتی گراد. در بازه دمایی 190 – 230 درجه سانتی گراد 210±° 20 سانتی گراد بر روی قطعه انجام شد. به همین ترتیب برای انجام ماشین کاری داغ در دمای 300 درجه سانتی گراد. نمونه ها داخل کوره با دمای 350 درجه سانتی گراد پیش گرم شدند. با محاسبه افت دما، فرآیند تراشکاری داغ در دمای نامی 300 درجه سانتی گراد. در بازه دمایی 290 -330 درجه سانتی گراد 310±° 20 درجه سانتی گراد بر روی قطعه انجام شد. برای انجام ماشین کاری داغ در دمای 400 درجه سانتی گراد، نمونه ها داخل کوره با دمای 460 درجه سانتی گراد پیش گرم شدند. با در نظر گرفتن افت دما، تراشکاری داغ در بازه دمایی 380-430 درجه سانتی گراد 405±°25 درجه سانتی گراد بر روی قطعه انجام شد.

سایش سطح آزاد ابزار با استفاده از میکروسکوپ الکترونی مدل FEI Quanta 450 اندازه گیری شد. زبری سطح همه نمونه در راستای پیشروی ابزار، با دستگاه HOMMELWERKE Turbo Roughness V3.34 اندازه گیری شد. در هر قطعه، در سه مقطع اندازه گیری زبری انجام و مقدار متوسط به عنوان زبری سطح آن قطعه ثبت گردیده است.

تجزیه و تحلیل نتایج آزمایش ها

در این قسمت نتایج حاصل از انجام تراشکاری داغ در شرایط مختلف ارائه میشود. سپس با استفاده از تحلیل آماری، تأثیر پارامترهای مختلف فرآیند تراشکاری داغ بر روی سایش ابزار و زبری سطح بررسی می شود.

تأثیر پارامترهای تراشکاری داغ بر سایش سطح آزاد ابزار در جدول 2. مقدار سایش سطح آزاد ابزار و زبری سطح در هر آزمایش به تفکیک درج و نمایان است. استفاده از یک روش آماری می تواند به درک بهتری از تأثیر پارامترهای تراشکاری. بر روی یک خروجی مشخص مانند سایش سطح آزاد ابزار منجر شود. بنابراین برای مشاهده تأثیر هر پارامتر به صورت مجزا بر روی میانگین سایش ابزار. با استفاده از آنالیز واریانس، نمودار اثرات اصلی در شکل 5 رسم و مشخص است.

نمایان است که با افزایش سرعت برشی و پیشروی، مقدار میانگین سایش سطح آزاد ابزار افزایش می یابد. با پیش گرم کردن قطعه در دمای 200 درجه سانتی گراد سایش سطح آزاد ابزار نسبت به تراشکاری معمولی (در دمای محیط) کاهش می یابد. با افزایش دمای پیش گرم به 300 درجه سانتی گراد و انجام تراشکاری، سایش ابزار باز هم کاهش می یابد. اما با افزایش دمای پیش گرم قطعه کار به 400 درجه سانتی گراد مقدار سایش ابزار نه تنها کاهش نمی یابد. بلکه طبق جدول 2، در برخی از شرایط نسبت به تراشکاری در دمای 300 درجه سانتی گراد، افزایش قابل ملاحظه ای می یابد.

نتایج جدول 2 نشان می دهد که در تراشکاری داغ فولاد AISI630 با دماهای پیش گرم 200،300 . 400 درجه سانتی گراد ،کمترین سایش سطح آزار ابزار. در تراشکاری با دمای پیش گرم 300 درجه سانتی گراد حاصل می شود. همچنین تراشکاری داغ در این دما در سرعت برشی 62 متر بر دقیقه و پیشروی 0/175 میلی متر بر دور. بیشترین کاهش در مقدار سایش سطح آزاد ابزار نسبت به تراشکاری معمولی، 33% می باشد. سیوایاه و چاکرادار نشان دادند.

فرآیند تراشکاری داغ بر سایش

در تراشکاری این فولاد با پیشروی 0/143 میلی متر بر دور و سرعت برشی 55 متر بر دقیقه. سایش ابزار در تراشکاری معمولی با سیال برشی در مقایسه با تراشکاری معمولی در حالت خشک، 24% کاهش می یابد. بنابراین مشاهده می شود که تراشکاری داغ در مقایسه با تراشکاری معمولی با سیال برشی، سبب کاهش بیشتر سایش ابزار می شود. و از این نظر می تواند جایگزین تراشکاری معمولی با سیال برشی باشد. یکی از مزایای تراشکاری داغ نسبت به تراشکاری معمولی با سیال برشی، عدم استفاده از سیال برشی. و به تبع آن حذف مشکلات سیال برشی نظیر آلودگی سازی محیط کار و مشکلات تنفسی اپراتور دستگاه می باشد.

در جدول 3 نیز خلاصه ای از نتیجه آنالیز واریانس درج و مشخص است. مقدار S و P Value به ترتیب بیانگر انحراف استاندارد و مقدار احتمال هستند. اگر P Value برای یک پارامتر کمتر از 0.05 باشد نشان دهنده آن است که آن پارامتر بر سایش ابزار تأثیر گذار است. در جدول 3 مقدار مشارکت هر پارامتر در سایش سطح آزاد ابزار درج است.مشارکت پارامترهای دما، سرعت برشی و پیشروی. در سایش سطح آزاد ابزار به ترتیب30/83%، 33/22%، 32/32% می باشد. بنابراین با توجه به مقدار خطای 3/63% می توان گفت که مشارکت پارامترهای دما. سرعت و پیشروی در سایش ابزار تقریباً به یک اندازه می باشد. همچنین ضریب رگرسیون منطبق است با R2adj برابر 95/46% است. که نشان می دهد بیش از 95 درصد اطلاعات توسط مدل پوشش میشود.

با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی سایش سطح آزاد ابزارها در دماهای پیش گرم و شرایط تراشکاری مختلف تصویر برداری شد. شکل 6 سطح آزاد دو ابزار را نشان می دهد. که با سرعت برشی 62 متر بر دقیقه و پیشروی 0/102mm/rev در تراشکاری معمولی و داغ مورد استفاده قرار گرفته اند. با توجه به شکل 6، علاوه بر اینکه مقدار سایش ابزار در تراشکاری داغ کاهش یافت.

نوع سایش نیز در مقایسه با تراشکاری معمولی تغییر یافت. در تراشکاری معمولی، هر دو لایه پوشش ابزار ساییده میشود. و ماده اصلی ابزار کار حاوی تنگستن کارباید است، نمایان و مشخص است. در حالی که در تراشکاری داغ، لایه بالایی پوشش ابزار کنده میشود و لایه زیرین پوشش همچنان بر روی زیر لایه تنگستن کارباید موجود است. نحوه تشخیص عناصر موجود بر روی سطح ابزار، توسط میکروسکوپ الکترونی در شکل 7 نمایان و مشخص است.

فرآیند تراشکاری داغ بر سایش

شکل 7-الف یک بزرگنمایی از مستطیل قرمز رنگ در شکل 6- الف می باشد. مناطق مختلف بر روی ابزار ساییده شده، توسط نقشه های EDS شناسایی شده اند. منطقه ای از سطح آزاد ابزار که با نقطه «1» نمایان و مشخص است. منطقه غنی از آهن است و لذا در EDS maps شکل 7- ب به سهولت قابل تشخیص است. ترکیب این نقطه از 75/3% وزنی آهن، 16/3% کروم، 4/5% نیکل، 3/5% مس و 0/3% از سایر عناصر متشکل است. و مشابه ترکیب متریال قطعه کار است. لذا مشخص است که این متریال به صورت یک لایه به سطح ابزار چسبیده است.

در برخی از نقاط نیز چسبندگی همراه با خراش بوده است. بطوری که متریال قطعه کار یک پیوند قوی با پوشش لایه بالایی ابزار که (A1,Cr)2O3 است. ایجاد کرده و سپس در ادامه فرآیند تراشکاری از روی سطح ابزار کنده شد. این پدیده مسبب آن است که پوشش لایه زیرین ابزار یا (Ti,A1)N نمایان شود. در این نواحی که پوشش لایه بالایی ابزار کنده میشود. کروم نباید وجود داشته باشد. در نتیجه در مناطقی که عنصر کروم رویت نمیشود، پوشش لایه اول کنده میشود. (شکل 7-چ) و پوشش (Ti,A1)N بر روی ابزار مشاهده می شود. بعنوان نمونه نقطه «2» شکل های 7-الف و ج: آنالیز شیمیایی این نقطه شامل 44% وزنی تیتانیم. 22/2% آلومینیوم، 32/8% نیتروژن، 0/6% کربن و 0/3% اکسیژن است. این آنالیز نشان می دهد که ترکیب شیمیایی در این ناحیه (Ti,A1)N است.

در برخی از قسمت های سطح آزاد ابزار. خراش به اندازه ای زیاد است. که ماده قطعه کار پس از چسبیدن به سطح ابزار. پوشش بالایی و پوشش زیرین را کنده و سطخ خام تنگستن کارباید را نمایان کرده است. که در شکل 7-د و در نقطه 3 نمونه ای از این سایش نمایان و مشخص است.

شکل 7 نشان می دهد که سایش ابزار در ماشین کاری معمولی بیشتر از نوع خراشان. و چسبیده است. شکل 6-ب نیز نشان می دهد که در تراشکاری داغ در دمای 300 درجه سانتی گراد. مکانیزم سایش چسبیده وجود دارد. و متریال قطعه کار به سطح ابزار می چسبد. به علاوه در برخی از نقاط نیز هر دو لایه پوشش ابزار کنده شده است. مقایسه شکل های 6-الف و به نشان می دهد. که با افزایش دمای پیش گرم قطعه کار در ماشین کاری داغ تا 300 درجه سانتی گراد. سایش سطح آزاد ابزار تحت مکانیزم های خراش و چسبندگی. نسبت به تراشکاری معمولی کاهش یافت.

در شکل 8-الف سایش سطح آزاد ابزار در تراشکاری داغ با سرعت 62 متر بر دقیقه. و پیشروی 0/175 میلی متر بر دور، نمایان و مشخص است. شکل 8-ب بزرگنمایی از قسمت نوک ابزار را نشان می دهد. شیارهایی روی سطح آزاد ابزار مشاهده می شود. که نشان دهنده اینست که مکانیسم غالب سایش ابزار در این سرعت و پیشروی، سایش خراشان است. به علاوه متریال چسبیده به لبه برنده اصلی ابزار در این شکل به صورت لبه انباشته (BUE) نمایان و مشخص است.

در شکل 9 سایش سطح آزاد ابزار در تراشکاری معمولی. و تراشکاری داغ در دمای 400 درجه سانتی گراد با سرعت 96mm/min و پیشروی 0/175mm/rev نمایان و مشخص است.

نمایان است که انجام تراشکاری داغ سبب کاهش سایش در سطح آزاد ابزار شد. در تراشکاری معمولی، در قسمت شعاع نوک ابزار، شکستگی لبه ایجاد گردید. و در آن ناحیه تنگستن کارباید نمایان است. در حالیکه در تراشکاری داغ در دمای 400 درجه سانتی گراد مساحت ناحیه ای که تنگستن کارباید نمایان است، کمتر از تراشکاری معمولی است.

فرآیند تراشکاری داغ بر سایش

شکل 10-الف یک بزرگنمایی از مستطیل سفید در شکل 9-ب می باشد. و EDS maps آن در شکل های 10-ب تا د ترسیم شدند. منطقه ای از سطح آزاد ابزار که با نقطه «4» نمایان و مشخص است. منطقه غنی از آهن است و در EDS maps شکل 10-ب ترسیم گردید. پس از آنالیز مشخص شد که ترکیب این نقطه مشابه ترکیب متریال قطعه کار است. و لذا این متریال به صورت یک لایه به سطح آزاد ابزار چسبیده است.

برخی از نقاط مانند نقطه «5» متریال قطعه کار یک پیوند قوی با پوشش لایه بالایی ابزار که 2O3(Al,Cr) است. ایجاد کرده و سپس در ادامه فرآیند تراشکاری از روی سطح ابزار کنده شد. و سبب شد که در آن نقاط که پوشش لایه زیرین ابزار یا N(Ti,A1) نمایان شود. در این نواحی که پوشش لایه بالایی ابزار کنده شده است. کروم نباید وجود داشته باشد.

فرآیند تراشکاری داغ بر سایش

آنالیز نطقه «5» در شکل 10-ج نشان داد. که ترکیب شیمیایی در این ناحیه N(Ti,A1) است.در برخی از مناطق مانند نقاط «6» و «7» خراش به اندازه ای زیاد بوده. که ماده قطعه کار پس از چسبیدن به سطح ابزار، پوشش بالایی و پوشش زیرین را می کند. و زیر لایه ابزار (تنگستن کارباید) را نمایان کرده است. که در شکل 10-د نمایان و مشخص است.

مکانیسم «چسبندگی» سبب می شود. که متریال قطعه کار به صورت یک لایه با استحکام اتصال بالا به سطح آزاد ابزار و لبه برنده اصلی ابزار بچسبد (BUE). به دلیل طبیعت دینامیکی فرآیند تراشکاری، لبه انباشته (BUE) ناپایدار می باشد. و به صورت مداوم از روی لبه ابزار برداشته می شود. این چرخه تشکیل لبه انباشته و برداشته شدن آن در نهایتت منجر به کندگی پوشش ابزار (Peel-off). و شکست لبه ابزار (fracture Edge) خواهد شد (نقاط 6 و 7 در شکل 10-الف).

شکل های 10-ب تا 10-ج نشان می دهد. که در تراشکاری داغ در دمای 400 درجه سانتی گراد، هر دو مکانیسم «سایش چسبنده» و «سایش خراشان» وجود دارد. مقایسه اشکال 9-الف و 9-ب نشان می دهد. که با افزایش دمای پیش گرم قطعه کار در ماشین کاری داغ تا 400 درجه سانتی گراد. سایش سطح آزاد ابزار تحت مکانیزم های خراش و چسبندگی، نسبت به تراشکاری معمولی در دمای 25 درجه سانتی گراد کاهش یافت.

با استفاده از یک مدل اجزاء محدود که برای تراشکاری فولاد AISI630 توسط ابراهیمی و همکاران صحه گذاری شد. و با بکارگیری معادله ساختاری Power Viscosity Law، مقدار نیروی تراش و دمای ماکزیمم نوک ابزار محاسبه شد. در شکل 11 دمای مکانیزم نوک ابزار (Tp) و نیروی تراش (Fc). بر حسب دمای پیش گرم قطعه کار در سرعت برشی 62m/min و نرخ پیشروی 0/175mm/rev رسم گردید.

با توجه به این شکل با افزایش دمای اولیه قطعه کار از 25 درجه سانتی گراد به 300 درجه سانتی گراد. مقدار دمای ماکزیمم نوک ابزار از 685 درجه سانتی گراد به 791 درجه سانتی گراد و به میزان 15% افزایش می یابد. در حالیکه نیروی تراش 543N به 395N و به اندازه 27% کاهش می یابد. این کاهش نیرو سبب کاهش تنش وارده به شعاع نوک ابزار و لبه برنده اصلی ابزار می شود. بنابراین اگرچه انجام تراشکاری داغ، سبب افزایش دمای ابزار می شود. اما سبب کاهش بیشتر نیروی تراش و تنش وارده به لبه ابزار میشود. و در نتیجه سبب کاهش سایش سطح آزاد ابزار به میزان 33% می شود.

فرآیند تراشکاری داغ بر سایش

با افزایش دمای اولیه قطعه کار از 300 به 400 درجه سانتی گراد. مقدار دمای ماکزیمم نوک ابزار 791 درجه سانتی گراد به 842 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. و نیروی تراش از 395N به 367N کاهش می یابد.

اگرچه در تراشکاری داغ در دمای 400 درجه سانتی گراد، نیروی تراش نسبت به تراشکاری داغ در دمای 300 درجه سانتی گراد کاهش می یابد. اما دمای نوک ابزار نیز به مقادیر بالاتر از 800 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. و این در حالیست که در دماهای بالاتر از 800 درجه سانتی گراد. مکانیزم سایش «نفوذ» نیز به عنوان مکانیسم غالب در کنار سایر مکانیسم های سایش بر ابزار تنگستن کارباید اثر می گذارد. و سبب میشود که ابزار کارایی خود را از دست بدهد.

تأثیر پارامترهای تراشکاری داغ بر زبری سطح قطعه

برای مشاهده تأثیر هر پارامتر به صورت مجزا بر روی میانگین زبری سطح قطعه کار، از نتایج آنالیز واریانس استفاده شد. نمودار اثراث اصلی در زبری سطح در شکل 12 رسم شده است. مشاهده می شود که پیشروی ابزار بیشترین تأثیر را بر روی زبری سطح قطعه کار دارد. با افزایش دمای پیش گرم قطعه کار از 25 به 400 درجه سانتی گراد، مقدار زبری سطح کاهش می یابد. بر خلاف آنچه که در نمودار مربوط به سایش ابزار در شکل 5 مشاهده شد.

افزایش دمای پیش گرم تا 400 درجه سانتی گراد همواره منجر به کاهش زبری سطح قطعه کار می شود. در جدول 4 نتیجه آنالیز واریانس درج شده است. مشارکت پارامترهای دما، سرعت برشی و پیشروی، در زبری سطح قطعه کار به ترتیب 14/90%، 12/04% و 66/27% می باشد. بنابراین می توان گفت که در این محدوده از دما، سرعت برشی و پیشروی. مشارکت پارامتر پیشروی در زبری سطح قطعه کار، تقریباً 4 برابر پارامتر دما و 5 برابر پارامتر سرعت برشی است.

شکل های 13-الف و ب پروفیل زبری سطح دو نمونه ای را نشان می دهند. که در دمای معمولی و دمای پیش گرم 400 درجه سانتی گراد. با سرعت 96 متر بر دقیقه و پیشروی 0/175 میلی متر بر دور، تراشکاری شده اند.

نمایان و مشخص است که مقدار زبری در تراشکاری داغ به شدت کم است. با توجه به نتایج جدول 2، مقدار متوسط زبری سطح در این شرایط تراشکاری. از 2/5 میکرومتر در تراشکاری معمولی به 1/61 میکرومتر در تراشکاری داغ کاهش یافت.

چند دلیل برای کاهش زبری سطح در تراشکاری داغ نسبت به تراشکاری معمولی وجود دارد. دلیل اول کم شدن ضخامت متوسط براده (tc) در تراشکاری داغ در مقایسه با تراشکاری معمولی است. به عنوان نمونه در شکل 14 ضخامت متوسط براده در تراشکاری معمولی و تراشکاری داغ. در دمای 300 درجه سانتی گراد از 0/270 میلی متر به 0/255 میلی متر کاهش یافت. با کم شدن ضخامت متوسط براده، نیروی تراش کاهش می یابد و عمل براده برداری با سهولت بیشتری انجام می شود. و در نتیجه زبری سطح کاهش می یابد.

دلیل دوم برای کاهش زبری سطح قطعه کار. افت استحکام تسلیم قطعه کار و در نتیجه کاهش نیروی تراش در تراشکاری داغ نسبت به تراشکاری معمولی می باشد. که در شکل 12 نمایان و مشخص است.

دلیل سوم برای کاهش زبری سطح در تراشکاری داغ نسبت به تراشکاری معمولی. کاهش نوسانات نیروی تراش است. «کالامز» و همکارانش نشان دادند. که زبری سطح علاوه بر وابستگی به مقدار نیروی تراش، به دامنه نوسانات نیروی تراش نیز دارای وابستگی است. به اینصورت که با کاهش دامنه نوسانات نیرو، زبری سطح قطعه کار کاهش می یابد.

با استفاده از مدل اجزا محدود، ابراهیمی و همکاران، مقدار دامنه نوسانات نیروی تراش در پیشروی 0/175 میلی متر بر دور محاسبه شد. و در شکل 15 رسم شد. مشاهده می شود که در هر سرعت برشی، با افزایش دمای پیش گرم قطعه کار، دامنه نوسانات نیروی تراش کاهش می یابد. نتایج جدول 2 نیز نشان می دهد که با افزایش دمای پیش گرم تا 400 درجه سانتی گراد، زبری سطح کاهش می یابد.

یافتن پارامترهای بهینه تراشکاری

برای پیدایش مقادیر بهینه دما، سرعت برشی و نرخ پیشروی از نرم افزار Minitab استفاده شد. بدین منظور هر دو خروجی سایش ابزار و زبری سطح با ضریب وزنی یک در نظرگیری شدند. همچنین درجه اهمیت هر دو خروجی یکسان در نظر گرفته شد. و مقدار «شرایط مطلوب» یا Desirability توسط نرم افزار محاسبه شد.

مقدار «شرایط مطلوب» بین صفر و 1 است و نزدیک بودن. به عدد 1 به این معنی است که پارامترهای مستقل به گونه ای انتخاب شدند. که پاسخ ها از مطلوبیت بیشتری برخوردار هستند. با توجه به شکل 16، دما، سرعت برشی و نرخ پیشروی بهینه در تراشکاری فولاد سخت شدۀ AISI630. به ترتیب 400 درجه سانتی گراد، 65m/min و 0/102mm/rev هستند. با انجام تراشکاری در این شرایط، سایش سطح آزاد ابزار. و زبری سطح قطعه کار به ترتیب 22% و 27% نسبت به تراشکاری خشک در دمای محیط کاهش می یابند.

نتیجه گیری

در این تحقیق فرآیند تراشکاری معمولی و تراشکاری داغ فولاد زنگ نزن. رسوب سخت شده AISI630،در سه دمای 200 درجه سانتی گراد، 300 درجه سانتی گراد و 400 درجه سانتی گراد بصورت تجربی مورد بررسی قرار گرفت. اهم نتایج حاصله عبارتند از:

-با افزایش دمای پیش گرم قطعه کار از 25 درجه سانتی گراد تا 300 درجه سانتی گراد سایش سطح آزاد ابزار کاهش می یابد. با افزایش بیشتر دمای پیش گرم قطعه از 300 درجه سانتی گراد به 400 درجه سانتی گراد. افزایش جزیی در سایش سطح آزاد ابزار ایجاد می شود.

-انجام تراشکاری داغ در دمای 300 درجه سانتی گراد سبب کاهش سایش سطح آزاد ابزار به مقدار حداکثر 33% نسبت به تراشکاری معمولی گردید. این کاهش سایش، در سرعت برشی 62 متر بر دقیقه و پیشروی 0/175 میلی متر بر دور حاصل گردید.

فرآیند تراشکاری داغ بر سایش

-در هر سه نرخ پیشروی، با افزایش دمای اولیه قطعه کار از 25 به 400 درجه سانتی گراد. مقدار زبری سطح قطعه کار، کاهش یافته است.

-کمترین زبری سطح قطعه کار، در دمای 400 درجه سانتی گراد. با سرعت برشی 96 متر بر دقیقه و پیشروی 0/175 بدست آمد. در این حالت زبری سطح نسبت به تراشکاری معمولی 36% کاهش یافت.

-دما سرعت برشی و نرخ پیشروی بهینه در تراشکاری فولاد سخت شدۀ AISI630 به ترتیب 400 درجه سانتی گراد، 62m/min و 0/102mm/rev هستند. در این شرایط، سایش ابزار و زبری سطح به ترتیب 22% و 27% نسبت به تراشکاری خشک در دمای محیط کاهش یافتند.

-انواع سایش ابزار نظیر سایش سطح آزاد، شکست لبه ابزار. و کنده شده پوشش ابزار در تراشکاری معمولی و داغ این فولاد مشاهده شد. و علت اصلی رخداد این نوع از سایش ها دو مکانیسم چسبندگی و خراش می باشد.

مهندسی ساخت و تولید ایران، اردیبهشت 1400، دوره 8 شماره 2

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

ارتباط با ما در شبکه های اجتماعی

https://t.me/foolad_paytakht تلگرام

https://www.instagram.com/folad_paytakht اینستاگرام

https://www.instagram.com/foolad_paytakht.ir اینستاگرام

فلز برنج – برنج (Brass) ترکیبی آلیاژی از مس و روی است. معمولاً ترکیب این آلیاژ با عناصر دیگر را برنز می گویند. گاهی اوقات نام عنصر آلیاژی به همراه برنز آورده می شود. برای مثال: برنز قلع دار یا برنز فسفردار. صدها نوع ترکیب گوناگون در هر یک از این گروه ها وجود دارد.

فلز برنج

با تغییر مقدار روی، خواص آلیاژهای مس – روی نیز تغییر می کند. برنج های مس – روی که عناصر اضافی مانند قلع، آلومینیوم، سیلیسیم، منگنز، نیکل و سرب دارند به عنوان برنج های آلیاژی نام دارند.

برنج از مدت ها پیش حتی قبل از تاریخ مورد شناخت بود. در آن زمان که انسان هنوز فلز روی را نمی شناخت. با ذوب کردن مس همراه با کالامین (سنگ معدن فلز روی) برنج تولید می کرد.

برنج معمولاً قابلیت چکش خواری بیشتری نسبت به مس و روی دارد و دمای ذوب آن تقریباً بین 900 تا 940 درجه سانتی گراد است. البته سختی و نرم بودن آن می تواند با تغییر نسبت مخلوط مس و روی تغییر کند. مس داخل برنج (از طریق اولیگو دینامیک) خاصیت میکروبکشی به آن می دهد. به همین خاطر از برنج به عنوان دستگیره و دیگر فلزات رایج در بیمارستان استفاده می کنند.

امروز تقریباً 90% از فلزات برنج بازیافت می شوند. چون فلز برنج خاصیت مغناطیسی کمی دارد و به راحتی می توان آن را از فلزاتی که معمولاً با آنها مخلوط می شود جدا کرد. بدین ترتیب برنجی که می گردد را دوباره بازیافت می کنند. چگالی برنج ریختگی در حدود 8400 تا 8700 کیلوگرم بر مترمکعب می باشد.

خواص فیزیکی

اکثر آلیاژهای برنج دارای دامنه انجماد بسیار کم هستند. و وجود فلزات دیگر در مس عملاً باعث پائین آمدن نقطه ذوب می شود. و هر قدر دامنه انجماد کمتر باشد، سیالیت آلیاژ بهتر خواهد بود ولی این امر معمولاً با زیاد شدن حجم انقباض متمرکز همراه است.

برنج از نقطه نظر شبکه محلول های جامد مس و روی دارای خواص زیر می باشند:

• محلول جامد α : این شبکه در سرما چکش خوار است. ولی چکش خواری آن در گرما منوط به نداشتن سرب در آلیاژ است (به دلیل تشکیل سرب مایع در گرما)
• محلول جامد β: در این شبکه وجود سرب کمتر مزاحم بوده و شبکه خاصیت چکش خواری خود را در گرما حفظ می کند.
• محلول جامد γ: این شبکه سخت و شکننده است و خواص عمومی شبکه γ را دارد.

دسته بندی آلیاژی مس

آلیاژهای مس مانند آلومینیوم به دو دسته آلیاژهای کارپذیر (نوردی) و ریختگی تقسیم می گردند. هر دسته از این آلیاژها نیز بر حسب شرایط ترکیبی عناصر آلیاژی می توانند عملیات حرارتی پذیر یا عملیات حرارتی ناپذیر باشند.

انواع برنج های کارپذیر (نوردی) فقط حاوی مس و روی می باشند و عناصر دیگر در حد ناخالصی در آنها وجود دارد و برنج های آلیاژی علاوه بر مس و روی حاوی عناصر دیگری نظیر سیلیسیم، آهن ، قلع و سرب و … هستند و بیشتر از طریق ریخته گری شکل می گیرند.

برنج با 5 تا 15 درصد روی

کار بر روی قطعه در حالت سرد (Cold working). این نوع برنج ها به ویژه هنگامی که میزان روی آنها نزدیک به 15 درصد باشد به راحتی قابل انجام است. این برنج ها از قابلیت شکل پذیری خوب و مقاومت خوردگی بالایی برخوردارند، اما به سختی ماشینکاری می شوند. آلیاژهایی که در این گروه قرار می گیرند. عبارتند از: برنج طلاکاری (به 5 درصد روی). برنز صنعتی (با 10 درصد روی)، و برنج قرمز (با 15 درصد روی).

برنج طلاکاری بیشترین کاربرد را در صنعت طلا و جواهرسازی برای ساخت روکش های طلایی رنگ دارد. شکل پذیری این برنج مانند مس است اما استحکام آن بیشتر است. در ضمن قابلیت ماشینکاری ضعیفی دارد. برنز صنعتی به علت قابلیت شکل پذیری آن در جواهرسازی، آهنگری و پرسکاری بکار می رود. قابلیت ماشینکاری آن ضعیت است، اما دارای خواص کار در حالت سرد بسیار خوبی است. به همین علت از آن برای ساخت لوله های کویل رادیاتورها و کندانسورها استفاده می شود.

آلیاژ برنج با 20 تا 36 درصد روی

آلیاژهایی که در این گروه قرار می گیرند. عبارتند از: برنج کم روی (با 20 درصد روی). برنج فشنگ (با 30 درصد روی)، برنج معمولی (با 35 درصد روی).

از آنجا که روی ارزانتر از مس است، آلیاژهایی که درصد روی آنها بیشتر است ارزانتر هستند. این آلیاژها قابلیت ماشینکاری بهتر و استحکام بالاتری دارند. اما مقاومت خوردگی آنها پایین است. و امکان ترک خوردگی فصلی (Season Cracking) در نقاط دارای تنش های پسماند در آنها وجود دارد.

برنج کم روی بسیار شبیه برنج قرمز است و برای قطعاتی که نیاز به عملیات کشش عمیق (Deep Drawing) دارند استفاده می شوند. در میان آلیاژهای مس – روی دارای بهترین ترکیب شکل پذیری و استحکام است. پوکه های فشنگ در ابتدا کاملاً به روش کار در حالت سرد تولید می شدند. فرآیند ساخت از چندین مرحله عملیات کشش عمیق تولید می شد. که پس از هر با کشش، قطعه بازپخت می شد تا برای مرحله بعد مهیا شود. گرچه قابلیت کار در حالت گرم برنج معمولی ضعیت است. اما عملاً می توان از آن در بسیاری از فرآیندهای ساخت استفاده نمود و تنوع محصولات این آلیاژ نیز به همین علت است.

فلز برنج

اگر مقادیر اندکی سرب به برنج افزوده شود، قابلیت ماشینکاری آن بسیار بالا می رود. و تا حدی نیز قابلیت کار در حالت گرم آن نیز بهتر می شود. افزودن سرب به برنج، خواص جوشکاری و انجام کار در حالت سرد را دچار مشکل می کند. از آلیاژهای این گروه می توان به برنج کم سرب (با 35.5 درصد روی، 0.5 درصد سرب). برنج پر سرب (با 34 درصد روی، 2 درصد سرب)، و برنج خوش تراش (با 35.5 درصد روی، 3 درصد سرب) اشاره کرد.

برنج کم سرب نه تنها دارای قابلیت ماشینکاری خوبی است. بلکه خواص کار در حالت سرد خوبی نیز دارد به گونه ای که مناسب ساخت قطعات مختلف ماشین تراش است. برنج پر سرب که گاهی اوقات ((برنج حکاکی)) نیز نامیده می شود. برای ساخت ابزارآلات، قفل و قطعات ساعت بکار می رود. آلیاژ برنج خوش تراش که برای ساخت قطعات ماشین های تراش به کار می رود دارای مقاومت خوردگی خوب و خواص مکانیکی مطلوبی است.

برنج مفرغ (Admiralty Metal) (با 28 درصد روی) دارای یک درصد قلع است. که مقاومت خوردگی خوبی به ویژه در مقابل آب دریا به آن می دهد. این آلیاژ دارای استحکام و شکل پذیری خوبی است ولی قابلیت ماشینکاری و نورد آن ضعیت است. به علت مقاومت بالا در مقابل خوردگی، از آن در ساخت تجهیزات نیروگاه و تجهیزات شیمیایی استفاده می شود. برنج آلومینیوم دار (با 22 درصد روی) دارای 2 درصد آلومینیوم است. و به علت نزدیک بودن خواص آن با برنج مفرغ، دارای کاربردهای مشابهی است. به علت مقاومت بالای برنج آلومینیوم دار در مقابل خوردگی ناشی از جریان های سریع آب. استفاده از آن برای ساخت لوله، در مقایسه با برنج مفرغ دار از ارجحیت بیشتری برخوردار است.

برنج با 36 تا 40 درصد روی

آلیاژهای برنج با بیش از 38 درصد روی دارای قابلیت شکل پذیری کمتری نسبت به برنج فشنگ هستند. و انجام کار سرد بر روی آنها نیز امکان پذیر نیست. از این آلیاژ اغلب برای کار در حالت گرم و حدیده کاری استفاده می کنند. فلز مونتز (Muntz Metal) (با 40 درصد روی) دارای قیمت ارزان و تا حدودی مقاوم در برابر خوردگی است. برنج دریایی (Nabal Brass) تقریباً دارای همان ترکیب فلز مونتز است با این تفاوت که حاوی 0.75 درصد قلع می باشد. وجود قلع در این آلیاژ سبب بالا رفتن مقاومت آن در برابر خوردگی می شود.

کاربرد

از این آلیاژ به دلیل خواص ویژه و شکل و رنگ آن در جاهای مختلفی استفاده می کنند:

• دکوراسیون داخلی به خاطر رنگ تقریباً طلایی رنگش
• در جاهایی که به اصطکاک کم نیاز باشد مثل مغزی قفل ها
• در سازهای موسیقی مخطوصاً بخاطر خاصیت آکوستیک (مثل هورن).
• ساخت ابزار آلات و شیرآلات ساختمانی

ساختارهای بلوری برنج

بزرگترین وجه تمایز بین انواع مختلف برنج بر اساس ساختار بلوری آنهاست. دلیل این امر این است که ساختارهای اتمی دو عنصر مس و روی متفاوت است. و آنها را بسته به نسبت محتوا و درجه حرارت ترکیب می کنند.

برنج دریایی

برنج دریایی (Naval Brass) به گونه ای از آلیاژ مس اطلاق می شود. که به طور نقریبی از 59% مس، 40% روی و 1% قلع و نیز مقدار کمی سرب تشکیل شده باشد. این آلیاژی جزء خانوادۀ برنج های آلفا – بتا یا برنج های مضاعف (Duplex Brasses) دسته بندی می شود. این خانواده از برنج ها بطور معمول سختی بیشتری نسبت به دیگر برنج ها دارند.

همان گونه که از اسم برنج دریایی بر می آید. این آلیاژ به منظور استفاده در کابردهای دریایی گسترش دارد. قلع در اصل برای جلوگیری از خوردگی به این آلیاژ اضافه شده است. حضور سرب در این آلیاژ باعث بالا رفتن قابلیت ماشینکاری این فلز میشود. با این حال برای مثال قابلیت ماشین کاری میلۀ برنج دریایی 35% قابلیت ماشینکاری آلیاژ برنج معمولی است. اضافه کردن قلع علاوه بر مورد که بیان شد باعث می شود. تا برنج دریایی مقاومت بالایی در برابر خروج روی از آلیاژ می شود. خروج روی نوعی استحاله است که در آن روی به واسطه خوردگی از آلیاژ جدا می شود.

پدیده خروج فلز روی از آلیاژ برنج دریایی برای اولین بار در سال 1920 میلادی. در لوله های برنجی کندانسور (انتقال حرارت) کشتی ها نمایان شد. در آن زمان به این اتفاق پدیدۀ کندانسوری (Condenseritis) می گفتند. از آن زمان تلاش های بسیاری صورت گرفت تا این مشکل بسیار مخرب در کشتی ها حل شود. ابداع برنج دریایی یکی از تلاش هایی است که در این راستا بود. استفاده از این آلیاژ تنها محدود به صنایع دریانوردی نمی شود. از این آلیاژ به دلیل دارا بودن استحکام کششی و مقاومت برشی بیشتر نسبت به سایر آلیاژهای مس. در کاربردهای صنعتی مختلف همچون شیرهای صنعتی استفاده می شود.

پدیده روی زدایی برنج دریایی

زمانی که یکی از عناصر آلیاژی که دور تر از آرایش گاز نجیب نسبت به عناصر دیگر قرار دارد. از ساختار آلیاژ حذف می شود و در مورد برنج دریایی یک ساختار متخلخل از مس بدون مقاومت مکانیکی به جای می گذارد. بیان می شود که خروج عنصر آلیاژی واقع شد برخی آلیاژهای مس مانند برنج دریایی تمایل بسیار زیادی به از دست دادن عنصر آلیاژی خود. و در نتیجه ترک خوردگی براساس تنش را دارا هستند. این ترک خوردگی ها بسیار سریع رخ می دهند و آثارشان برای این فلز به شدت مخرب است.

این پدیده بیشتر در بین آلیاژهایی از مس که حاوی روی هستند رخ می دهد. اگرچه در ترکیبات مس – منگنز، و در واقع نادرتر در آلیاژ مس – نیکل نیز رخ می دهد. در خصوص برنج، این پدیده با نام خروج روی (dezincification) شناخته می شود و در مواقعی رخ می دهد. که آلیاژی دارای 15% یا بیشتر فلز روی باشد. در عنصر برنج های آلفا، پدیده خروج روی باعث ایجاد یک لایه یکنواخت از مس متخلخل می شود. در برنج های دوفازی (فاز آلفا و بتا)، عموماً فاز بتا مورد حمله قرار می گیرد و آلیاژ تکه تکه می شود.

برخی از عناصر آلیاژی مانند آرسنیک، آنتیموان و فسفر می توانند. باعث جلوگیری از لایه لایه شدن آلیاژ برنج آلفا شوند. اما نمی توانند باعث جلوگیری از تکه تکه شدن برنج آلفا – بتا شوند. در آلیاژهایی با حدود 30% روی، این عناصر در حد 0.02 – 0.1% موجود می باشند. برخی از آلیاژهای مس از جمله برنج دریایی و مس – منگنز بسیار مستعد خوردگی تنشی هستند. این پدیده زمانی شدت پیدا می کند که میزان عناصر فعال در آلیاژ یا سطح تنش افزایش یابد. خوردگی تنشی معمولاً در حضور آمونیاک یا ترکیبات آن رخ می دهد. اگرچه مواردی از خوردگی تنشی برنج دریایی در مجاورت سیترات ها، تارترات و نیترات ها نیز گزارش شده است.

مقاومت در برابر خوردگی

مس به طور معمول مقاومت بالایی در محیطهای خورنده مانند آب و هوای دارای فلوراید از خود نشان می دهد. مس و برخی از آلیاژهایش بسیار مستعد خوردگی شیاری هستند. اما مکانیزم رخداد این پدیده با مکانیزمی که در فولاد زنگ نزن رخ می دهد بسیار مقاوم است. اگرچه بطور کلی برنج برای استفاده در محیط های مرطوب مناسب است. اما پدیدۀ روی زدایی یکی از بزرگترین مشکلات این نوع از آلیاژها است مخصوصاً در شرایطی که محیط اسیدی یا بازی است.

به این منظور برای به کاربردن این آلیاژها در محیط های مرطوب اسیدی یا بازی مقادیر کمی از قلع. آرسنیک و فسفر به این آلیاژ اضافه می شود. از برنج دریایی در مبدل های حرارتی کشتی های دریا نیز استفاده می شود. برنج دریایی علاوه بر مستعد آسیب بودن در برابر خوردگی تنشی نسبت به خوردگی حفره ای نیز بسیار آسیب پذیر هستند. این پدیده زمانی رخ می دهد که برنج دریایی در مجاورت سولفیدهایی قرار بگیرد. که در شرایط رکود سیستم در مجاورت آب دریا به وجود آمده است. برای به کاهش حداقلی این حساسیت در برابر حمله سولفیدها از سولفات های آهنی در ساختار آلیاژ استفاده می شود.

مکانیزم روی زدایی

مس تشکیل شده توسط روی زدایی برنج، در تصاویر میکروسکوپی، یک لایه متراکم در سطح، تقریباً متناسب با ضخامت عمق روی زدایی است. در مس زیرین غالباً حلقه های رشد لایه های مس متناوب، کم و بیش متراکم قابل مشاهده است. گاهی اوقات این لایه ها دارای نواردهایی از اکسید حجیم هستند و باند باریک از مس متراکم معمولاً در مجاورت جبهه خوردگی مشاهده می شود. این ویژگی ها بر اساس مشاهدات آزمایشگاهی توضیح داده شده اند که می توانند توضیح مناسبی برای مکانیزم روی زدایی باشند. اولین مرحله در روی زدایی و یا خوردگی حفره ای برنج انحلال مس و روی است.

فلز برنج

فلز برنج

از انحلال مس کلرید مس به وجود می آید. در خوردگی حفره ای، کلرید مس رسوب شده و متعاقباً هیدرولیز یا اکسیده می شود و به محصولات ثانویه تبدیل می شونند. در روی زدایی اما کلرید مس (I) به مس اولیه در نقطۀ شروع تبدیل می شود. برنج آلفا و برنج آلفای غیر آرسنیکی هر دو کلرید مس (I) را به مس کاهش می دهند. (بتا خیلی راحت تر)، اما آلفای دارای آرسنیک چنین نمی کند. این اختلافات بین سه نوع برنج در حساسیت نسبی آنها نسبت به روی زدایی منعکس می شود.

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

فولاد تندبر-فولاد تندبُر (High -speed steel) در اصطلاح به اختصار HSS خوانده می شود. زیر مجموعه ای از فولادهای ابزاری است که معمولاً جهت ساخت ابزارهای برشی از آن استفاده می شود.

فولاد تندبر

این فولاد معمولاً در ساخت مته و تیغه های صفحه اره گرد بُر کاربرد دارد. طبق تعریف استاندارد ASTM A600-92a. فولادهای تند بر به دلیل قابلیتشان در ماشینکاری مواد در سرعت های نسبتاً بالا به این طریق نامگذاری شده اند. این فولادها، آلیاژهای پایه آهن پیچیده ای از کربن، کروم، مولیبدن یا تنگستن یا هر دو هستند. و ممکن است در بعضی موارد درصد بالایی از کبالت نیز داشته باشند.

این فولادها نسبت به فولاد های کربن-بالایی که تا دهه 1940 استفاده می شد. برتری داشته و سختی خود را در دماهای بالاتری حفظ می کنند. این ویژگی باعث شده تا ابزارهای برشی ساخته شده از جنس HSS. قابلیت کار در سرعت های بالاتری نسبت به فولادهای کربن – بالا داشته باشد. و به همین دلیل فولاد تندبر نامگذاری شده است.

از جمله ویژگی های شناخته شده فولادهای تندبر داشتن سختی (معمولاً بالای 60 راکول) و مقاومت به سایش بالا است. که معمولاً به میزان تنگستن و وانادیوم به کار رفته در ساخت آنها ارتباط دارد.

کاربرد اصلی فولادهای تندبر ساخت ابزارهای برشی مانند : مته ها، قلاویز، فرز انگشتی (End mill). تیغچه تراشکاری، هاب چرخنده تراشی و تیغه های اره گردبر است.

انواع فولاد تندبر

فولادهای تندبر آلیاژهایی هستند که خواص خود را از تنگستن یا مولیبدن و معمولاً هر دو بدست می آورند. این فولادها جزو سیستم آلیاژی چند – جزئی آهن – کربن – X هستند. که در آن X نشانگر یکی از عناصر کروم، تنگستن،مولیبدن ،وانادیم یا کبالت است. معمولاً درصد عنصر X بیشتر از 7% به همراه بیش از 0.6% کربن است. این درصدها به تنهایی باعث افزایش سختی فولادها نشده. و برای تبدیل به فولاد تندبر واقعی نیاز به عملیات حرارتی دما بالا دارند.

در سیستم واحد نامگذاری (UNS)، گریدهای نوع تنگستنی (برای مثال T1 و T15) به صورت سری T120XX نامگذاری می شوند. در حالیکه گریدهای نوع مولیبدنی (برای مثال M2 و M48) به صورت سری T113XX نامگذاری می شوند. در استاندارد ASTM هفت نوع گرید تنگستنی و 17 نوع گرید مولیبدنی به رسمیت شناخته شده است.

افزودن مجموع حدود 10% تنگستن و مولیبدن راندمان سختی و استحکام فولادهای تندبر را پیشینه کرده و کمک می کند. که این فولادها در دماهای بالا این خواص را حفظ کنند.

فولادهای تندبُر تنگستنی

T1

اولین فولاد تندبر ساخته شده می باشد که در سال 1903 اختراع شد و حاوی 14% تنگستن بود. این فولاد امروزه با فولاد M2 جایگزین شده است.

فولادهای تندبُر مولیبدنی

M1

فولاد M1 خواص استحکام در دمای بالای M2 را ندارد. اما نسبت به شوک مقاوم تر بوده و انعطاف پذیرتر است.

M2

فولاد M2 فولاد تندبُر «استاندارد» صنعت و پرکاربردترین آنها است. این فولاد دارای کاربیدهای کوچک و تقسیم شده به صورت منظمی است. که باعث شده این فولاد مقاومت به سایش بالایی داشته باشد. اما حساسیت دکربوریزه شدن آن کمی بالاست. سختی این فولاد پس از عملیات حرارتی برابر سختی T1 میشود. اما مقاومت به خمش آن تا 4700 مگاپاسکال می رسد. همچنین استحکام و خواص ترموپلاستیسیته آن 50% بیشتر از T1 است. از این فولاد برای ساخت ابزارهای زیادی از جمله مته، قلاویز، برقو و … استفاده می شود. در استاندارد ISO 4957 فولاد 1.3343 معادل فولاد M2 می باشد.

M7

از فولاد M7 برای ساخت مته های بزرگتر که انعطاف پذیری و عمر زیاد. نیز از اهمیت بالایی برخوردار است استفاده می گردد.

M50

فولاد M50 خواص استحکام در دماهای بالای سایر گریدهای HSS را ندارد. اما برای دریل هایی که شکست مشکلی اساسی آنها است. و نیاز به انعطاف پذیری بیشتری است مورد استفاده قرار می گیرد. از این گرید معمولاً برای ساخت ساچمه های بلبرینگ های دما – بالا نیز استفاده می شود.

فولادهای تندبر کبالتی

افزایش عنصر کبالت باعث افزایش مقاومت به گرما می شود. و می تواند سختی را تا بالای 67 راکول افزایش دهد.

M35

M35 مشابه M2 است که 5% عنصر کبالت به آن اضافه شده است. M35 را معمولاً با نام فولاد کبالتی، HSS یا HSS-E نیز می شناسند. این فولاد نسبت به M2 توان کارکردن در سرعت های بالاتر و عمر بیشتری دارد.

M42

فولاد M42 فولاد تندبر سری مولیبدنی بوده که دارای 8 تا 10% کبالت است. از این گرید معمولاً در صنایع تراشکاری و فرزکاری حرفه ای استفاده می شود. چرا که نسبت به سایر گریدهای فولادهای تندبر، خواص مقاومت به گرمای فوق العاده ای دارد. و اجازه می دهد ابزار با سرعت های بیشتری کارکرده و زمان تولید کاهش پیدا کند. همچنین مقاومت به «لب پَر شدن» M42 در هنگام استفاده از آن. برای برش مقاطع ناپیوسته بیشتر از سایر گریدها بوده. و نسبت به ابزارهایی که از جنس کاربید ساخته شده اند. ارزان قیمت تر هستند. ابزارهای ساخته شده از این گرید معمولاً با نماد HSS-Co مشخص می شوند.

اثر عناصر آلیاژی

سری T حاوی 12 تا 2% تنگستن است و کروم، وانادیوم و کبالت دیگر عناصر اصلی آلیاژی هستند. سری M تقریباً 3.5 تا 10 درصد مولیبدن دارد و کروم، وانادیوم، تنگستن و کبالت سایر عناصر آلیاژی هستند. همه انواع فولادهای تندبر، چه پایه مولیبدنی و چه پایه تنگستنی، حدود 4% کروم دارند. اما درصد کربن و وانادیوم آنها متفاوت است. به عنوان یک قانون کلی زمانی که درصد وانادیم زیاد شود، درصد کربن نیز زیاد می شود.

فولاد تندبر تنگستنی نوع T1 حاوی مولیبدن یا کبالت نیست. انواع فولاد تندبر پایه تنگستنی، کبالت دار شامل فولادهای T4 تا T15 است و درصد کبالت در آنها متفاوت است.

فولادهای تند بر نوع مولیبدنی M1 تا M10 فاقد کبالت بوده. (به استثنای M6)، اما بیشتر آنها حاوی مقداری تنگستن هستند. فولادهای تندبر ممتاز پایه کبالتی، مولیبدنی – تنگستنی، به طور کلی در سری M30 و M40 طبقه بندی می شوند. فولادهای فوق پر سرعت معمولاً از M40 به بالا نامگذاری می شوند. سختی این فولادها را می توان از طریق عملیات حرارتی به شدت افزایش داد.

کربن

کربن با اختلاف مهم ترین عنصر تأثیرگذار بوده و به دقت کنترل می شود. با اینکه اکثر فولادهای تندبر محدوده باریکی برای حداقل و حداکثر میزان کربن دارند. تغییرات کوچک حتی در این بازه باریک نیز می تواند. سبب تغییرات چشمگیر در خواص مکانیکی و قدرت برش ماده شود. با افزایش کربن، سختی حین کار و در دمای بالا نیز افزایش می یابد. همچنین افزایش درصد کربن باعث افزایش شکل گیری کاربیدهای پیچیده، پایدار و سخت می شود. افزایش تعداد کاربیدها باعث افزایش مقاومت به سایش می شود.

سیلیسیم

تأثیر افزایش درصد سیلیسیم تا 0.1% ملایم استت. به صورت کلی معمولاً درصد سیلیسیم کمتر از 45% نگه داشته می شود.

منگنز

به طور کلی، غلظت منگنز در فولادهای تندبر زیاد نیست. این امر به دلیل تأثیر منگنز در افزایش تردی و احتمال ترک برداشتن در هنگام کوئنچ کردن ماده است.

فسفر هیچ گونه تأثیر مثبتی در فولادهای تندبر نداشته و به دلیل ایجاد پدیده «شکنندگی در دمای سرد». یا تردی در دمای اتاق، غلظت فسفر در حداقل ممکن نگه داشته می شود.

کروم

کروم در فولادهای تندبر همیشه حضور داشته و غلظتی بین 3 تا 5% دارد. فولادهای تندبر قابلیت سختکاری خود را عمدتاً از وجود کروم بدست می آورند. عموماً درصد کروم در فولادهای تندبر 4% است زیرا به نظر می رسد. که این غلظت بهترین سازش را بین سختی و چقرمگی ایجاد می کند. علاوه بر این، کروم باعث کاهش اکسیداسیون و پوسته پوسته شدن در طی عملیات حرارتی می شود.

تنگستن

وجود تنگستن در فولادهای تندبر حیاتی است. تنگستن در تمام فولادهای تندبر سری T وجود داشته ولی فقط در دو گرید فولاد سری M وجود دارد. کاربیدهای پیچیده آهن، تنگستن، و کربن که در فولادهای تندبر یافت می شود بسیار سخت بوده. و باعث افزایش چشمگیر مقاومت به سایش ماده می شود. تنگستن باعث افزایش سختی گرم ماده شده، و باعث ایجاد سختکاری ثانویه می شود. وجود تنگستن باعث افزایش چشمگیر مقاومت ماده به تمپر شدن می شود. در زمانیکه درصد تنگستن کاهش یابد، معمولاً درصد مولیبدن را افزایش می دهند تا کاهش آن جبران شود.

مولیبدن

مولیبدن همان کاربید دو گانه را با آهن و کربن تشکیل می دهد که تنگستن تشکیل می دهد. اما دارای نیمی از وزن اتمی تنگستن است. در نتیجه، مولیبدن می تواند بر اساس تقریباً یک قسمت مولیبدن، بر حسب وزن. به جای دو قسمت تنگستن جایگزین شود. نقطه ذوب فولادهای مولیبدنی کمی پایین تر از فولادهای تنگستنی است. و به همین دلیل به دمای سختکاری کمتری نیاز دارند و محدوده سختکاری باریک تری دارند.

وانادیوم

وانادیم در ابتدا بمنظور پاک کردن ناخالصی های سرباره. و کاهش سطح نیتروژن در عملیات ذوب، به فولادهای تندبر اضافه شد. اما به زودی مشخص شد که این عنصر به طور مؤثری کارایی برش ابزارها را افزایش می دهد. افزودن وانادیوم باعث تشکیل کاربیدهای بسیار سخت و پایدار می شود. که مقاومت به سایش را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. و تا حدودی نیز سختی گرم را افزایش می دهد.

کبالت

تأثیر اصلی کبالت در فولادهای تندبر افزایش سختی گرم و در نتیجه افزایش کارایی برش. در هنگام بالا رفتن دمای ابزار در حین عملیات برش است.

گوگرد

گوگرد، در غلظت های طبیعی 0.03% یا کمتر، هیچ تأثیری بر خصوصیات فولادهای تندبر ندارد. با این حال، گوگرد به برخی فولادهای تندبر خاص اضافه می شود تا باعث ایجاد خاصیت خوش تراشی شود. همانطور که در فولاد های کم آلیاژ این کار را می کند.

نیتروژن

نیتروژن به صورت کلی در فولادهای ذوب شده در مجاور هوا. در غلظت هایی در حدود 0.02 تا 0.03% موجود است. این درصد در برخی فولادهای تندبر عمداً تا 0.04% یا 0.05% افزایش داده می شود. این افزایش درصد نیتروژن اگر با افزایش درصد سیلیسیم همراه شود می تواند باعث افزایش ماکسیمم سختی تمپر شده شود و می تواند بر روی مورفولوژی کاربیدها نیز تأثیر بگذارد.

پوشش (Coating)

عمر ابزار ساخته شده از فولادهای تندبر را می توان با پوشش دهی. توسط روش هایی مانند انباشت بخار فیزیکی افزایش داد. تیتانیوم نیترید (TiN) یکی از پوشش هاست. وظیفه این پوشش ها معمولاً افزایش خاصیت روانکاری و سختی است.

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