آنچه از فولاد ها ، برای ساخت چرخ دنده ها باید بدانیم

مقدمه :

در این مقاله ابتدا تاریخچه کشف آهن را در دنیا مورد بررسی قرار می دهیم ، سپس به نقش کربن در فولاد ها و ساختار های متالوژیکی فولاد اشاره می گردد و همچنین فولاد های مناسب  جهت ساخت چرخ دنده های گیربکس های صنعتی معرفی می گردند. و در خاتمه روش های مختلف عملیات حرارتی  که مناسب برای چرخ دنده ها می باشد به صورت مختصر بررسی میگردد.

تاریخچه پیدایش آهن و فولاد

بیش از 5000 سال است که بشر آهن را می شناسد ، و از آن استفاده می نماید. در ابتدا بشر آهن را از سنگ های آسمانی و شهاب سنگ ها استحصال می نمود . به همین دلیل آهن در آن دوران بسیار نادر و گران بها بود .

در عهد حمورایی (2000 سال پیش از میلاد مسیح ) بهای آهن هشت برابر بهای نقره ، و  قیمت طلا را داشت.

در 1500 سال قبل از میلاد مسیح ، صنعت آهن فقط در اختیار قومی بنام هیتیت بود ، که این قوم بین دریای خزر و دریای سیاه ، سکونت داشتند.

کشف آتش سر آغاز صنعتی شدن بشر می باشد،به گونه ای که انسان ها ، با توفیق در ایجاد دما های بالاتر و با استفاده از کربن و نفوذ آن در آهن ، فولاد های کربنی را ساختند.

در ابتدا بشر از آهن فقط برای ساخت سلاح استفاده می نمود و کمی بعد تر ، از آهن جهت ساخت ابزار های تولید کشاورزی استفاده نمود .

در500 سال قبل از تولد مسیح ، در قسمتی از اروپا ( آلمان کنونی)، انسان ها با استفاده از عنصر منگنز توانستند سلاح هایی  تولید کنند که قابلیت عملیات حرارتی خوبی داشتند .

گرچه بررسی هایی که در طول چند سال اخیر صورت گرفته  ، هاله اسرار آمیز پیرامون عملیات  حرارتی ، را  پس زده است  ،  اما با  این حال ، هنوز نکاتی در سایه ابهام باقی مانده است که زمینه های جالبی را برای ، بررسی و پژوهش در زمینه های مختلف علم مواد را ، فراهم نموده است.

در ایران هم می توان به داستان فرمانروایی  هوشنگ اشاره نمود که حکیم ابولقاسم فردوسی ، از آهن آبگون ،  سخن رانده که اشاره به، آب دادن به آهن دارد و می فرماید:

نخستین  یکی گوهر آمد به چنگ / به آتش ز آهن جدا کرد سنگ

سر  مایه کرد ، آهن  آبگون / کز ،  آن  سنگ خارا ، کشیدش برون

چو بشناخت ، آهنگری   پیشه کرد/ به فر کشی رنج کوتاه کرد

فولاد چیست ؟

فولاد ها، آلیاژ آهن و کربن و سایر عناصر آلیاژی می باشند . هر یک از این عناصر آلیاژی، خواصی دارند، که باعث بهبود خواصی مثل، بهبود عملیات حرارتی، قابلیت افزایش میزان  سختی پذیری قابلیت مقابله با فرسایش و بهبود خواص مغناطیسی و … میگردند.

یکی از عناصر مهم در فولاد ها ،  درصد کربن آن می باشد . حد اکثر مقدار کربن در فولاد  2% می باشد، چنانچه درصد کربن بیش از 2% باشد به آن چدن می گویند. خواص چدن با فولاد ها متفاوت می باشد، حد اکثر درصد کربن در چدن ها 4/3 درصد می ˚ماشین کاری را سخت تر خواهد نمود.

به طور کلی، آهن عنصری چند شکلی است . در  فشار 1 اتمسفر، با افزایش دما، شکل شبکه کریستالی آهن تغییر می کند و معمولا سه نوع ساختار دارد

• از صفر تا 912 درجه سانتی گراد ، شکل شبکه آهن را آلفا و یا آهن فریتی می گویند و شبکه بلوری آن ازنوع مکعب مرکز دار است (بدین معنی که کربن در مرکز مکعب قرار می گیرد). در علم مواد این ساختار را  BCC  می گویند.
• از دمای 912 تا 1394 درجه ی سانتی گراد، شکل شبکه آهن را آهن گاما می نامند و شبکه بلوری آن ازنوع مکعب با سطوح مرکز دار است در علم مواد این ساختار را  FCC  می نامند.
• از دمای 1394 درجه ی سانتی گراد تا دمای  نقطه ذوب 1539 درجه سانتی گراد، آهن را δ (دلتا) با شبکه بلوری BCC می نامند.

عنصر آهن

افزودن کربن به  آهن  باعث  بالا  رفتن  خواص استحکام مکانیکی می گردد. اما باید توجه داشت همین افزایش درصد کربن، نقطه ذوب آهن را پایین  می آورد، اگر درصد کربن در آهن بین 2 الی 4/3  درصد گردد، دمای ذوب این آهن به 1147 درجه سانتی گراد کاهش پیدا میکند. به این نوع آهن چدن می گویند. که کاربرد بسیار وسیعی در صنعت و ریخته گری دارد. امروزه دهها نوع چدن مثل چدنهای خاکستری، سفید، مالیبل، نشکن و… وچدنهای آلیاژی در صنعت جهت کاربرد های مختلف تولید و مصرف می گردد.

کارگاه های ریخته گری با سرمایه گذاری بسیار کمتری نسبت به کارگاه های تولید فولاد در شهرک های صنعتی کشور مشغول به فعالیت و تولید قطعات چدنی می باشند.

تغییر شکل آهن دردما های متفاوت ، موجب تغییرات در  خواص مکانیکی آهن می گردد. این تغییرات بویژه، با اضافه نمودن عناصر آلیاژی، مثل نیکل، کرم ، منگنز باعث می گردد که، در فولاد، خاصیت سختی پذیری و چقرمگی (سطح سخت و مغز نرم) و ساختار متالوژیکی ریز دانه آن افزایش یابد.

خواص ذکر شده در بالا، از جمله خواصی هستند که چرخ دنده های صنعتی با طول عمر بینهایت، می باید داشته باشند.

در کلید فولاد،  بیش از 2000 نوع فولاد، معرفی گردیده که هر یک جهت ساخت  محصول خاصی، کاربرد دارد. مثل فولاد های ساختمانی، فولاد های سمانته، فولاد های فنر و …

در این مقاله، توجه ما به فولاد های مناسب، جهت ساخت چرخ دنده ها در گیربکس های صنعتی خواهد بود. درصد کربن ودرصد عناصر آلیاژی در فولاد ها و همچنین نوع و سبک عملیات حرارتی در فولاد ها، به لحاظ متالوژیکی، ساختار های متفاوتی را در زیر میکروسکوپ پدید می آورد .در بحث چرخ دنده ها وعملیات حرارتی مناسب برای چرخ دنده ها ، لازم است شناخت اندکی از دو ساختار ِ، پرلیت و ساختار مارتنزیت داشته باشیم.

ساختار پرلیت: این ساختار ، از لایه های متناوب فریت و سمانتیت ساخته می گردد. پرلیت یک مخلوط مکانیکی از دو فاز است. این ساختار در دمای 727 درجه ی سانتی گراد تشکیل می گردد و در زیر میکروسکوپ به صورت ( اثر انگشت) ترکیب لایه های سفید و سیاه مشاهده می شود. نقاط سیاه فصل مشترک فریت و سمانتیت  میباشد ، خود فریت سفید رنگ  است.

ساختار مارتنزیت : چنانچه در  حین عملیات حرارتی ، در  دمای استحاله ، آستنیت به پرلیت  تبدیل نگردد. در اثر سرعت زیاد ، سرد شدن فولاد، ساختار مارتنزیت شکل میگیرد. مارتنزیت از نظر ترکیب شیمیایی مشابه آستنیت میباشد .این ساختار بسیار شکننده است به دلیل آن که  فاز ناپایداری می باشد. این ساختار ممکن است که سختی بالایی هم داشته باشد اما بدلیل ناپایداری شکننده می باشد .

در عملیات حرارتی  ، برای اجتناب از این ساختار ، معمولا به قطعه حرارت مجدد می دهند تا شرایطی ایجاد شود که ، اتم های کربن، قدرت تحرک کافی را  بدست آورند، تا به صورت سمانتیت در آیند

تجزیه مارتنزیت ، به دیگر  ساختار ها را ، بازگشت یا Temper  می گویند. مارتنزیت به دو شکل لایه ای در فولاد های کم کربن و بشقابی ، در فولاد های پر کربن پدید می آید .

مارتنزیت-پرلیت-سمانتیت

در مقاومت مصالح معمولا نسبت حد دوام تقسیم بر حد مقاومت نهایی برابر 0/5 است.

حد دوام فولاد ÷ مقاومت نهایی فولاد = 0/5

در جدول زیر مقدار این نسبت ، برای  ساختار های متالوژیکی متفاوت ، در فولاد های کربن دار و همچنین فولاد های آلیاژی  ارائه شده است.

ملاحظه می گردد که ساختار میکروسکوپی مارتنزیت دارای کمترین مقدار در فرمول بالا را دارد و ساختار پرلیت، ساختار مناسبی می باشد. بدلیل طبیعت ترد مارتنزیت ، این ساختار در اثر اعمال بار های متناوب خستگی به سرعت ترک بر می دارد و حد دوام آن بسیار  پایین می باشد.

معمولا ، شرکت های معتبر گیربکس ساز ، که عملیات حرارتی چرخ دنده ها را خودشان انجام می دهند و بر آن کنترل و نظارت دارند .در بحث تکنولوژی عملیات حرارتی ، جهت طراحی بهینه ، بدنبال دو هدف هستند .

هدف اول– رسیدن به سختی در حدود 60HRC جهت انتقال توان ماکزیمم.

هدف دوم-ساختار متالوژیکی مناسب پس از عملیات حرارتی ( دانه بندی ریز زیر میکروسکوپ ) جهت طول عمر بسیار بالا برای چرخ دنده ها.

بدیهی است که انتخاب نوع فولاد ، و  سیکل عملیات حرارتی آن ، اولین قدم در ساخت چرخ دنده ها می باشد . در حال حاضر فولاد   1.6587 مناسب ترین فولاد برای این منظور ، در طراحی و ساخت چرخ دنده ها میباشد. دلیل این انتخاب این است که، اولا درصد کربن اولیه در این فولاد حدود 0/2 درصد می  باشد. این موضوع ماشین کاری شامل تراشکاری ، فرز کاری ، دنده زنی را  تسهیل می نماید (بدلیل درصد پایین کربن ) وجود عناصر آلیاژی نیکل و کروم هم باعث بالا رفتن خاصیت سختی پذیری و تافنس (جقرمگی) می گردد.

در صورت عدم دسترسی به این فولاد از فولاد 1.5920 هم که خواص نسبتا نزدیکی به فولاد 1.6587 دارد می توان استفاده نمود.

در ایران، بدلیل نبودن فولاد های آلیاژی مناسب (تولید کنندگان داخلی فقط فولاد 1.5920  را حداکثر تا قطر 200 میلی متر تولید میکنند) ازفولاد 1.7131 برای قطر های بالا استفاده میکنند.

اما، بدلیل نبود عناصر آلیاژی مثل نیکل وکروم در فولاد 1.7137 امکان دست یابی به سختی بالای 60±2 HRC میسر نمی باشد . باید توجه داشت که کاهش ، 5 راکول c ،در سختی سطحی چرخ دنده ها ، میزان انتقال توان مکانیکی را کاهش چشم گیری می دهد.

عملیات حرارتی یا سخت کاری فولاد ها

1-سخت کردن سطحی : در بسیاری از کاربرد ها لازم است سطح قطعه سخت و در برابر سایش مقاوم باشد و مغز آن نرم باشد، تا بتواند شوک و ضربات را براحتی تحمل نماید. عملیات حرارتی این قطعات را سمانتاسیون می گویند، این عملیات با دو روش انجام می شود.

الف- عملیاتی که باعث تغییر در ترکیب شیمیایی سطح فولاد گردد مثل کربوره کردن یا نیتریده کردن.

ب- عملیاتی که بدون تغییر شیمیایی در سطح قطعه صورت می پذیرد که آنراعملیات حرارتی موضعی گویند.

• کربوره کردن

عملیات کربوراسیون به سه روش گازی، مایع وجامد انجام می گردد

 کربوره جامد :

 قطعه کار (چرخ دنده ها) را به همراه مواد کربن دار ( مثل کربنات باریم ، کربنات کلسیم ، زغال ) در درون یک ظرف در بسته از جنس فولاد نسوز قرار می دهند. ظرف را تا دمای 875 الی 925  سانتی گراد میرسانند مدت زمانی که این جعبه باید تحت این دما قرار گیرد بستگی به هندسه قطعه و میزان عمق نفوذ کربن دهی دارد دراینجا کربن به صورت اتم آزاد گردیده و در بلور آهن نفوذ می نماید چنانچه قطعه بلافصله بعد از کربن دهی کوئنچ گردد (سرد گردد) امکان ترک و شکست در قطعه زیاد می گردد . لذا قطعه باید در جعبه سمانتاسیون  ویا مجاورت هوا به آرامی سرد گردد.

پس از سرد شدن قطعه را مجددا تا 850 درجه ی سانتی گراد گرم نموده، سپس در هوا خنک می نمایند این کار جهت ریز نمودن دانه های (مغز قطعه ) می باشد وحهت ریز نمودن دانه ها در سطح قطع آنرا تا 760 درجه ی سانتی گراد گرم نموده وسپس در روغن کوئنچ می نمایند.

• کربوره کردن مایع

در این روش قطعات را در فیکسچر های خاص قرار داده و این قطعات را درون حمام نمک های مذاب که دمای آن860 درجه ی سانتی گراد می باشد قرار می دهند. این نمک ها شامل سیانید سدیم ( 20 تا 50 درصد) و کربنات سدیم ( 40 درصد ) و مقداری کلرید باریم و سدیم می باشد در این روش زمان قرار گرفتن قطعات از 5 دقیقه تا حداکثر یک ساعت طول می کشد این روش ازبعد اقتصادی ارزانتر و کوتاه تر می باشد (نسبت به کربوره جامد)

• کربوره گازی

این روش اقتصادی ترین روش کربوراسیون میباشد . و برای قطعاتی که عمق نفوذ کمتری دارند مناسب تر می باشد قطعه کار را در دمای 900 درجه ی سانتی گراد برای مدت 3 الی 4  ساعت دراتمسفری که شامل گاز یا گاز هایی باشد که بتواند در سطح فولاد تجزیه شده تولید کربن اتمی کند، حرارت می دهند. گاز های متان و پروپان گازهای مورد استفاده در  این روش کربن دهی میباشد.

• نیتریده کردن

در  این روش گاز نیتروژن را در لایه سطحی فولاد نفوذ می دهند. در شرایطی که نوع فولاد اولیه ای که قطعه از آن ساخته می گردد از نوع فولاد آلیاژی مخصوصی باشد که عناصر کرم ، مولیبدون و وانادیم . در  این فولاد ها وجود داشته باشد، امکان رسیدن به سختی های بالا امکان پذیر خواهد بود و نیترید های پایدار و سخت تشکیل می گردد دمای مورد استفاده در روش نیتروراسیون بین 550 تا 600 درجه ی سانتی گراد می باشد. بنابراین، دفرمگی قطعات بسیار کمتر از روش کربوراسیون خواهد بود ، قطعات نیتروره را معمولا در هوا خنک کاری می نمایند . مزایا و معایب نیتروراسیون بشرح ذیل می باشد.

مزایا:

• سختی در عملیات نیتروراسیون بالا می باشد و مقاومت به سایش هم دراین روش بیشتر می باشد.
• سطح نیتروره، سختی خود را تا دمای 600 درجه ی سانتی گراد حفظ می نماید، در حالیکه سختی در روش سمانته در دمای 200 سانتی گراد به بالا تر از بین می رود. یعنی چرخ دنده هایی که سمانته شده اند نباید بیش از 200 سانتی گراد جهت مونتاژ گرم شوند.
• در روش نیتروره مقاومت به خوردگی بالاتر است و قطعات نیتروره شده در هوای مرطوب زنگ نمی زنند.

 معایب:

• زمان عملیات نیتروراسیون بالا است ومعمولا حدود 100 ساعت زمان بر می دارد بنابراین این روش گران میباشد
• فولاد های نیتروره بسیار گران قیمت می باشد ولازم است جهت ریز دانه نمودن  فولاد یک نوع عملیات حرارتی بر روی آن انجام شود 
• ضخامت قشر نیتروره بسیار نازک است حدود 0/3 میلیمتر بنابر این در روش سنگ زنی میسر نمی باشد.

• سخت کاری سطحی با عملیات حرارتی سطحی

در این روش، سطح ومغز قطعه دارای ترکیب شیمیایی یکنواخت می باشند . فولاد مورد استفاده  باید به اندازه کافی کربن داشته باشد (حداقل میزان کربن بین 0/4 الی 0/5 و حداقل درصد کرم 0/5 درصد و حداقل درصد نیکل 0/25 درصد باید باشد). این نوع سختکاری به دوروش شعله ای والقایی صورت می پذیرد

• روش شعله ای

مشعل با سرعت مناسب بر روی سطح قطعه به نحوی حرکت می کند که بتواند تا عمق مشخصی از سطح قطعه کار را  آستنیته نماید. در این روش خنک کاری  توسط آب صورت می پذیرد این روش برای قطعات بزرگ مناسب می باشد

• روش القایی

اگر یک جریان برق از درون  یک سیم پیچ عبورکندمیدان مغناطیسی بوجود می آید ، اگر جریان برق به صورت  متناوب با فرکانس بالا باشد ،چنانچه داخل این میدان و جریان مغناطیسی قطعه ای فولادی قرار دهند قطعه گرم می شود این گرما را جریان برق هسترزیس می نامند . مطالب فوق اساس دانش فنی روش القایی میباشد. چنانچه بعد از گرم شدن کافی سطح قطعه ،قطعه را سرد کنیم سخت کاری القایی انجام خواهد گردید .دراین روش تا سختی 60 راکول C و عمق 2 میلی متر قابل دستیابی خواهد بود. 

برچسب ها:فولاد, چرخ دنده, گیربکس های صنعتی