ارتقای استحکام و مقاومت بـه اکسید شدن در درجه حرارت بالا در فـولاد 4140 AISI به وسیله آلیاژ کردن بـا کروم و تنگستن برای به کارگیری در موتور خودرو

چکیده

افزایــش درجـه حــرارت کاری و فشــار در موتــور یــک خــودرو و کاهــش وزن آن میتوانــد بهره وری مصــرف ســوخت را پاییــن آورده و موجــب کمتـر شـدن انتشـار گاز دی اکسـید کربـن گـردد. ایـن امـر را میتـوان بـا تغییـر آلیـاژ پیسـتون از آلیـاژ معمـول آلومینیـم بـه فـولاد پـر اسـتحکام و مقـاوم بـه حـرارت انجـام داد.

فولادهــای به سازی شــده 4140 AISIکــه تنظیــم ترکیــب شــیمیایی و بهینه ســازی فراینــد عملیــات حرارتــی باعــث بــالا رفتــن اســتحکام و مقاومـت بـه اکسـید شـدن و مقاومـت بـه فرسـایش در درجـه حـرارت بــالای آن ها گشــته در موتــور خــودرو و بــه کار رفتــه اســت. در تحقیــق حاضــر، اثــرات به سازی ترکیــب آلیــاژ بــر ریــز ســاختار، خصوصیــات مکانیکـی (هـم در دمـای محیـط و هـم در درجـه حـرارت بـالا) و اکسـید شــدن فــولاد Mod.s AISI4140 بررســی گردیــد. بــه دلیــل تأثیــر عناصــری مثــل MO و V کــه موجــب تشــکیل کاربیــد پایــدار دردرجــه حــرارت بــالا میشــوند، جوانه زایی مونــری بــه وجــود آمــد.

تحــت تأثیـر Cr و Ni سـاختار بینابینـی بـه سـاختار مارتنزیتـی تغییـر یافـت و بـا افزایــش Cr و W مقاومــت بــه اکســید شــدن بــالا رفتــه و لایــه اکســید پــس از 10 ســاعت در تمــاس بــا 500درجه سانتی گراد کاهــش یافــت بدیــن ترتیــب اسـتحکام فـولاد Mod.s 4140 AISI در درجـه حـرارت محیـط 35 درصـد و در درجـه حـرارت بـالا ۷0 درصـد و مقاومـت بـه اکسـید شـدن در دمـای بــالا نســبت بــه فــولاد معمولــی 4140 AISI، 40 درصــد ارتقــاء یافــت.

مقدمه

فـولاد 4140 AISIیـک آلیـاژ فـولادی بـا کـروم و مولیبـدن پاییـن دارای اســتحکام ، چقرمگــی و مقاومــت بــه خوردگــی بــالا اســت و بــه دلیــل قیمـت قابـل قبـول بـه طـور گسـترده در صنایـع مختلـف ماننـد خـودرو و نفـت و گاز و غیـره بـه کار مـیرود ( 1و2 ) بـرای ارتقـای بهره وری سـوخت و کاهــش انتشــار کربــن دی اکســید خودروهــا، تحقیقــات بــه منظــور کاهـش وزن خـودرو و ارتقـای بهره وری موتـور انجـام شـده اسـت.

یکـی از راهکارهـای بهره وری موتورهـای خـودرو افزایـش درجه حرارت و فشــار کاری آن هاســت، آلیاژهــای آلومینیــم کــه بــه طــور معمــول بــه عنــوان آلیــاژ موتورهــای خــودرو اســتفاده می شود. محدودیت هایــی در کارکـرد در درجـه حـرارت بـالا را دارد. جایگزیـن کـردن آلیاژهـای آلومینیـم بــا فــولاد اســتحکام بــالا و مقــاوم بــه حــرارت در موتورهــا، دارای امتیــاز افزایـش درجـه حـرارت کاری و کاهـش حجـم موتـور اسـت.

در اسـتفاده از فــولاد 4140 AISAدر موتورهــا مــورد نیــاز اســت کــه اســتحکام در درجــه حــرارت بــالا و مقاومــت بــه اکســید شــدن و مقاومــت بــه فرسـایش ارتقـاء یابـد. در تحقیــق حاضــر 3 فــولاد به سازی شــده (Mod.s 4140 AISI 4140 AISI) بـا افـزودن عناصـری کـه خصوصیـات در حـرارت بـالا را توسـعه دهـد، تولیـد گردیـد و ریزسـاختار و خصوصیـات مکانیکــی فولادهــای به سازی شــده بــا فــولاد معمولــی 4140 AISI مقایسـه شـد.

روش آزمایش

در تحقیــق حاضــر ســه نــوع (P3 بــه P1 ) از فــولاد Mod 4140 AISI . میلگــرد آهنگــری شــده بــا به سازی بــه وســیله عناصــر آلیــاژی فــولاد (P0) 4140 AISI مطابـق جـدول 1 تولیـد شـد. بـرای افزایـش اسـتحکام، مقاومـت بـه اکسـید شـدن و مقاومـت بـه فرسـایش در درجـه حـرارت کاری  500درجه سانتی گراد ، عناصـر کاربیدسـاز پایـدار در درجـه حـرارت بـالا ماننـد ،Cr Mo و V بــه فــولاد پایــه اضافــه گردیــد.

نیــکل میتوانــد ســختی پذیری را افزایـش دهـد و موجـب ایجـاد سـاختار مارتنزیتـی ظریـف با اسـتحکام و چقرمگــی بــالا بــه طــور هــم زمــان شــود. مولیبــدن، نیــکل و وانادیــم بـه طـور معـادل بـه تمامـی آلیاژهـا اضافـه شـدند. آلیـاژ بـا افـزودن 3 درصــد کــروم، آلیــاژ بــا اضافــه کــردن 4 درصــد کــروم و بــا افــزودن 3 درصـد کـروم و 1 درصـد تنگسـتن آمـاده شـدند.

آلیاژهـا بـه مـدت یـک ســاعت در درجه سانتی گراد 880 آســتنیته شــده ســپس در آب کوئنــچ گردیدنــد. و در580 درجه سانتی گراد  بــرای زمــان 1/5 ســاعت تحــت عملیــات برگشــت (تمپــر) قــرار گرفتنــد. بررســی ریــز ســاختار بــا اســتفاده از الکتــرون میکروســکوپ بــا نشــر زمینــه (S-4800 Hitachi, SEM; FE-) انجــام شــد آزمایشــات کشــش( E5 – ASTM ) در درجــه حــرارت محیــط (اتــاق) و در درجــه حــرارت بــالا (500درجه سانتی گراد ) بــا اســتفاده از دســتگاه یونیــور ســال Landmark MTS – 100KN بــا ســرعت عرضــی کلگــی 1/44 میلــی متـر در دقیقـه و ابعـاد نمونه های اسـتوانه ای بـه قطـر 6 و طـول ناحیـه کشــش 24 میلــی متــر صــورت گرفــت.

آزمایشات مقاومت بــه ضربــه براســاس اســتاندارد E23 ASTMبــا یــک ماشــین ضربــه اتــــوماتیک 750 PSW ZWICK بـــرروی نمــــونه هـای (میلـی متـر 10*50*10) و شـکاف v شـکل بـا عمـق 2 میلـی متـر و زاویـه 45 درجـه در درجـه حـرارت محیـط (اتـاق) انجـام شـد. آزمایشـات اکسـید شـدن در درجـه حـرارت بـالا در  500درجه سانتی گراد بـه مـدت 10 سـاعت در اتمسـفر هوایـی در کـوره مقاومتـی اتاقــی بــر روی نمونه های اســتوانه ای بــه قطــر 10 و طــول 5 میلــی متــر پـس از پرداخـت بـا سـمباده 600 صـورت گرفـت. میـزان اکسـید شـدن بـر مبنـای اضافـه شـدن وزن پـس از اکسـید شـدن اندازه گیـری گردیـد.

نتایج و سگالش

در شــکل 1 ریــــز ســاختارهای نمـــونه P0 و ســــه نــــــوع فـولاد Mod.s 4140 AISI نمونه های P1 ،P2 و P3 نشــان داده شــده اســت. ســاختار مخلوطــی از مزیــت و بیتایــت ســوزنی بــوده در حالــی کــه ،P2 ،P1 و P3 دارای ســاختار مارتنزیتــی برگشــت یافتــه می باشد. ضخامــت بلــوک، مارتنزیــت در فــولادMod.s 4140 AISI از 0/6 میکــرون بــرای فـولاد P0 بـه 0/2 میکـرون بـرای نمونه های P1 ،P2 و P3 رسـیده اسـت.

ایـن بلوک هـای مارتنزیـت بـه صـورت دانـه ای موثـر هـم در مارتنزیـت و هـم در بینایـت عمـل کـرده و موجـب بـروز اثـرات ظریـف شـدن دانه ها نیــز میگــردد. در فــولاد Mod.s 4140 AISI افــزودن Nb ،V ،Mo و W موجـب تولیـد کاربیدهایـی بـا پایـداری در درجـه حـرارت بـالا شـده کـه بـه وسـیله قفـل کـردن مـرز دانه های آسـتنیت در جریـان آسـتنیته کــردن رشــد دانــه را بــه تأخیــر میانــدازد.

ظریـف شـدن دانه بنـدی باعـث افزایـش اسـتحکام و چقرمگـی در درجـه حــرارت محیــط (اتــاق) و اســتحکام در درجــه حــرارت بــالا میگــردد. علاوه بـر آن حضـور کاربیدهـای پایـدار در درجـه حـرارت بـالا، نـرم شـدن در اثــر درجــه حرارت هــای بــالا در جریــان کارکــرد پیســتون را بــه تأخیــر میانــدازد . هــم زمــان، میکروآلیــاژ کــردن بــا عناصــری مثــل کــروم، منگنــز و نیــکل ســختیپذیری را ارتقــاء داده و موجــب مزیت هایــی در مارتنزیــت از نظــر خصوصیــات مکانیکــی ماننــد اســتحکام، چقرمگــی، ســختی و یکنواختــی میگــردد.

بـا افـزودن کـروم تنگسـتن، آلومینیـم یـا سیلیسـیم مقاومـت بـه اکسـیدشــدن در درجــه حــرارت بــالا ارتقــاء می یابــد. البتــه در اثــر آلومینیــم و سیلیســیم چقرمگــی آلیــاژ بــه طــور قابــل توجهــی کاهــش مییابــد. بنابرایــن بــرای افزایــش مقاومــت بــه اکســید شــدن از کــروم و تنگســتن اســتفاده گردیــد.

در شــکل 2 خصوصیــات مکانیکــی نمونه های P1 ،P2 و P3 نشــان داده شـده کـه ملاحظه  میشـود اسـتحکام و سـختی در درجـه محیـط (اتـاق) در مقایســه (شــکل2a) افزایــش یافتــه اســت. ایــن افزایــش مرتبــط بــا ســختی رســوبی و ظریــف شــدن دانه بندی در اثــر کــروم، مولیبــدن، تنگســتن و وانادیــم می باشد، بــه علاوه یــک ســخت شــدن مارتنزیتــی ناشــی از افزایــش کل عناصــر آلیــاژی شــامل نیــکل قابلیــت سـختی پذیری را ارتقـاء داده اسـت.

رفتارهـا و خصوصیـات بـا مشـاهدات ریزســاختاری هماهنــگ بــوده هــر چنــد چقرمگــی (شــکل 2d) کاهــش یافتـه و ازدیـاد طـول نسـبی 12 درصـد یـا بیشـتر افـت کـرده لیکـن بـا الزامـات و خصوصیـات مـورد نیـاز پیسـتون موتـور دیـزل رضایـت بخـش بــوده اســت. (شــکل 2b) در 500درجه سانتی گراد اســتحکام کششــی نمونــه هــای P1 ،P2 و P3 معــادل 300 مگاپاســکال و نمونــه P0 معــادل 400 مگاپاســکال نســبت بــه اســتحکام و در درجـه حـرارت محیـط (اتـاق) کاهـش یافـت. کاهـش اسـتحکام در P1 تـا P3 نسـبت بـه P3 کمتـر بـوده کـه علـت آن اثـر مولیبـدن، وانادیـم و نیوبیــم در تشــکیل کاربیــد پایــدار در درجــه حــرارت هــای بــالا اســت.

نمونه های P2 و P3 نسـبت بـه P1 بـه ترتیـب مقـدار کـروم بیشـتر تـا 1 درصـد داشـته و مقـدار تنگسـتن 1 درصـد بـوده اسـت. البتـه خصوصیـات مکانیکـی در درجـه حـرارت بـالا مشـابه بودنـد و اثـر ایـن عناصـر بـر روی خصوصیــات مکانیکــی در درجــه حــرارت بــالا مشــهود نبــود. در حالـی کـه تنگسـتن یـک عنصـر پایـدار کننـده کاربیـد در درجه حـرارت بالا بـوده و مقـدار کاربیـد بـه وجـود آمـده در واحـد وزن تنگسـتن بـه دلیـل وزن اتمـی بـالا کمتـر از سـایر عناصـر اسـت.

در نتیجـه تنگسـتن بـه صــورت وزنــی اثــر اســتحکام دهی کوچکتــری دارد. آزمایشــات مقاومــت بـه خوردگـی در درجـه حـرارت بـالا بـرای تأییـد اثـر افزایـش مقادیـر W و Cr انجـام گردیـد. مقـدار سـختی P1 تـا P3 در مقایسـه بـا P0 (شـکل 2c) افزایـش داشـته هــر چنــد نســبت افزایــش کمتــر از زیــاد شــدن اســتحکام کشــش بــوده اســت.

چقرتگــی ضربــه ای P2 کــه بالاتریــن مقــدار کــروم در بیــن نمونه های Mod.s 4140 AISI بالاتریــن میــزان را داشــته هــر چنــد در مقایســه بــا ســایر آلیاژهــا بســیار بــالا نیســت (شــکل 2b) شــکل 3a نتیجــه اندازه گیری اضافــه شــدن وزن بــه ازای واحــد ســطح پـس از 10 سـاعت تمـاس نمونـه در 500درجه سانتی گراد بـا هـوا را نشـان می دهـد.

نمونــه P0 بیشــترین میــزان اضافــه شــدن وزن را داشــته و ایــن مقــدار بــه ترتیــب از P1 ، P2 و P3 رونــد کاهشــی را دارد. اضافــه شــدن وزن در اثـر ترکیـب عناصـر آلیـاژ بـا اکسـیژن در هـوا در درجـه حـرارت بالاسـت و افـزوده شـدن کمتـر وزن بـه معنـی اکسـید شـدن کمتـر و مقاومـت بالاتـر بـه اکسـید شـدن اسـت. مقاومـت بـه خوردگـی بـا افزایـش مقـدار کـروم در نمونه های P1 ، P2 و P3 بـه ترتیـب 0/14، 3/02 و 3/82 درصـد بـوده اسـت.

P3 بـا 1 درصـد تنگسـتن اضافـه وزنـی مشـابه P2 بـا 1 درصـد Cr کـروم افـزوده شـده و تنگسـتن، نشـان مـی دهـد مقاومـت بـه اکسـید شـدن مشـابه کـروم در فولادهـای Mod.s 4140 AISI اسـت. شــکل 3b و شــکل 4 ضخامــت و توزیــع ترکیبــی لایــه اکســید را نشــان مــی دهــد. در شــکل 4 مشــاهده مــی شــود لایــه اکســید شــامل یــک لایـه اکسـید بـر روی سـطح و یـک لایـه اکسـید غنـی از کـروم در درون اســت.

کل لایــه اکســید بــه ترتیــب از نمونــه P0 ، P1 ، P2 و P3 نــازک تــر شــده کــه بــا نتایــج اضافــه شــدن وزن ســازگار اســت. بــرای نمونــه هــا ضخامــت لایــه اکســید کــروم مشــابه و حــدود 1/5 میکــرون بــوده در حالــی کــه ضخامــت لایــه اکســید آهــن بــا افزایــش مقــدار Cr+W کاهــش یافتــه اســت.

کــروم نســبت بــه آهــن اکســید شــوندگی بیشــتری داشــته و تشــکیل یــک لایــه اکســید Cr2O3بــر روی ســطح نمونــه 4140 AISI در درجــه حــرارت بــالا در هــوا مــی دهــد. در درجــه حــرارت هــای بــالا لایــه اکســید بــه صــورت یــک الکترولیــت جامـد عمـل کـرده، موجـب مـی شـود یون هـای آهـن بـه بیـرون لایـه اکســید نفــوذ کــرده و یــک لایــه بیرون تــر را اکســید کنــد. بــا افزایــش میــزان کــروم نفــوذ آهــن کمتــر شــده باعــث یــک کاهــش در ســرعت تشــکیل لایــه اکســید میگــردد.

تنگسـتن هـم ماننـد کـروم اثـر بـه تأخیـر انداختـن نفـوذ یـون آهـن را بـه دلیـل تشـکیل لایـه اکسـید Cr2WO6و تغلیـظ W در لایـه اکسـید Cr دارد.  در بیــن آلیاژهــای Mod.s 4140 AISI نمونــه P3 آلیــاژی بــا3 درصـد کـروم و 1 درصـد تنگسـتن دارای بالاتریـن مقاومـت بـه اکسـید شـده اسـت.

 نتیجه گیری

در تحقیــق حاضــر فولادهــای Mod.s 4140 AISIکــه اســتحکام ارتقــاء یافتــه در درجــه حــرارت بــالا، مقاومــت بــه خوردگــی و مقاومــت بــه فرسـایش بـرای به کارگیـری در پیسـتون های موتـور خـودرو دارنـد، تولیـد گردیـد. براسـاس ترکیـب شـیمیایی ریـز سـاختار و خصوصیـات فیزیکـی مــورد بررســی قــرار گرفــت. جوانه زایی، تشــکیل مارتنزیــت و رســوب کاربیدهـای پایـدار در درجـه حـرارت بـالا از طریـق افـزودن عناصـر ،V ،Mo Nb و Ni طراحـی شـد تـا اسـتحکام در درجـه حـرارت بـالا افزایـش یابـد.

ایــن تأثیــرات بــا بررســی ریزســاختار و اندازه گیری اســتحکام کشــش تأییـد گردیـد. بـه منظـور مقاومـت بـه اکسـید شـدن در درجـه حـرارت بــالا عناصــری ماننــد Cr و W کــه باعــث تشــکیل یــک لایــه اکســید محافـظ میشـود. اضافـه شـدند. آزمایـش مقاومـت بـه اکسـید شـدن در درجـه حـرارت بـالا نشـان داد کـه بـا افزایش مقادیـر Cr و W رشـد لایه اکسـید بـه تأخیـر می افتـد، فولادهـایMod.s 4140 AISI در مقایسـه بــا فــولاد معمولــی 4140 AISI دارای اســتحکام کشــش ارتقــاء یافتــه و مقاومــت بــه اکســید شــدن در درجــه حــرارت بــالا اســت فولادهــای Mod 4140 AISI بـا اسـتحکام و مقاومـت بـه اکسـید شـدن و مقاومت بـه فرسـایش در درجـه حـرارت بـالا در نهایـت مناسـب بـرای آلیاژهـای بـه کار رفتـه در موتـور خـودرو میباشـد.

منابع

• A .H. Meysami, R. Ghasemzadeh, S.H. Seyedein, M.R. Aboutalebi, Mater. Des. 31 (3), 1570-1575 (2010).
• Y . Totik, R. Sadeler, H. Altun, M. Gavgali, Mater. Des. 24 (1), 25-30 (2003).
• C.-Y. Jeong, Mater. Trans. 53 (1), 234-239 (2012).
• G . Krauss, Principles of heat treatment of steel, Ohio 1980.
• H. Bhadeshia, R. Honeycombe, Steels: Picrostructure and Proper- ties, Oxford 2017.
• B. Hwang, D.-W. Suh, Korean J. Mater. Res. 23 (10), 555-561(2013).
• D.G. Liu, L. Zheng, L.M. Luo, X. Zan, J.-P. Song, Q. Xu, X.Y. Zhu,Y.C. Wu, J. Alloys Compd. 765, 299-312 (2018).
• H. Tawancy, Oxid. Met. 45 (3), 323-348 (1996).
• N . Birks, G.H. Meier, F.S. Pettit, Introduction to the High Tempera- ture Oxidation of Metals, Cambridge 2006.
• W.D. Klopp, J. Less-Common Met. 42 (3), 261-278 (1975).
• N .J.P. Su-Yeon Cho, Chang-woong Je, Engineer Metal, Seoul 2013.
• D. Jones, Principles and Prevention of Corrosion, New York 1992.
• J.P. Lee, J.H. Hong, D.K. Park, I.S. Ahn, J. Korean Powder Metall. Inst. 22 (1), 52-59 (2015).