بررسی تشکیل اتصال نیتریدی بر آنالیزی فازی، ریزساختار و خواص مکانیکی
دیرگدازهای منیزیا-گرافیت

مهدی مهرآذین1، امیرعباس نوربخش2*، سیدعلی حسن زاده تبریزی3
دانشجوی کارشناسی ارشد ،مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی ،نجف آباد، ایران
دانشیار، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی مواد، واحد شهرضا، دانشگاه آزاد اسلامی، شهرضا ،اصفهان ،ایران
دانشیار، مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران
*anourbakhs@yahoo.com
)تاریخ دریافت: 08/04/1394، تاریخ پذیرش: 13/08/1394(

چکیده
دیرگدازهای منیزیا- گرافیت، بدلیل خواص مناسب که عمدتاً به حضور گرافیت و اتصال کربنی و تطابق بهینه منیزیا با شرایط فولادسازی ارتباط می یابد، کاربرد وسیعی در صنعت فولاد یافته است. از عمده معایب این دسته دیرگدازها، عدم اتصال مناسب در درجه حرارت بالا می باشد. در کار تحقیقاتی حاضر سعی گردیده با استفاده از منیزیای فیوزد، گرافیت و نیتریده کردن سیلیسیم در اتمسفر ازت، فاز نیتریدی تشکیل و تاثیر آن بر خواص فیزیکی، مکانیکی، آنالیز فازی و ریزساختاری بررسی گردد. نتایج نشان داد که حضور همزمان فازهای فورستریت و نیترید سیلیسیم باعث ایجاد خواص بهینه ترمومکانیکی می گردد و استحکام فشاری 2kN/mm 24 را در نمونه بهینه می توان مشاهده نمود.

واژههای كلیدی:
منیزیا-گرافیت، نیترید سیلیسیم، نیتریداسیون، خواص مکانیکی.

1- مقدمه
آجرهای منیزیا-گرافیت کاربرد وسیعی در صنعت دیرگداز و بخصوص صنایع فولاد یافته اند. این دیرگدازها بدلیل حضور گرافیت، مقاومت به پوسته ای شدن و مقاومت به خوردگی عالی از خود نشان داده و به طور وسیعی در کنورتور و کوره های قوس الکتریکی استفاده می شوند. در استفاده از این نوع از دیرگداز ضعفهایی نیز دیده می شود که در این مورد میتوان به پائین بودن استحکام در دمای بالا، اکسیداسیون گرافیت و کاهش مقاومت به شوک حرارتی اشاره کرد ]1[.
در ابتدا جهت بهبود خواص اتصال در بدنه های منیزیا – گرافیت از اتصال رسی استفاده میشد که این اتصال باعث بهبود خواص مکانیکی سرد در آجرهای منیریا-گرافیتی می گردید ولی به-دلیل اینکه دیرگدازها در دمای بالا کاربرد دارند و تحت فشار از طرف مذاب هستند، اتصال رسی دردمای بالا تحت نیرو و دما، شروع به خزش کرده و باعث دفرمه شدن و تخریب کوره و در پی آن باعث ورود آخال اکسیدی به فولاد و خوردگی دیرگدازشده و در نهایت عمر مفید دیرگداز کوره کاهش پیدا میکند.

شکل)1(: مدل حل شدن – رسوب کردن جهت فرآیند سینترینگ بدنه 4Si3N ]7[
4495802527046

همچنین در آجرهای منیزیا-گرافیت با اتصال کربنی به دلیل ارتباط مستقیم سطح آجر با مذاب، کربن به داخل مذاب های کم کربن وارد شده و خواص فولاد، به ویژه خواص جوشکاری آن را تغییر میدهد. در نوع اتصال کاربیدی، استحکام، مقاومت سایشی، پایداری فیزیکی و شیمیایی و خنثی بودن شیمیایی در دمای بالا قابل مشاهده میباشد. در اتصال نیتریدی ضمن داشتن تمام خواص اتصال کاربیدی مقاومت مکانیکی گرم و مقاومت به اکسیداسیون بالاتر به دلیل تشکیل فاز سیالون قابل پیش بینی می باشد. بررسی های فوق اثبات می نمایدکه اتصالات غیراکسیدی در بدنه های منیزیا-گرافیت اهمیت ویژه ای دارا می باشد]2[.
تحقیقات انجام گرفته توسط دیگار محققاان نشاان مایدهاد کاه افزایش آنتی اکسیدانهای مختلف مانناد Mg, Al-Mg, Si, SiC, Al-Si و… دو هاادف اساساای، بهبااود خااواص ترمومکااانیکی و اف زایش مقاوم ت در براب ر اکسیداس یون گرافی ت را ب ا تش کیل اتصال غیر اکسیدی دنبال نموده است ]3-6[.
در بین اتصالات غیر اکسیدی، میتوان از β- Si3N به عناوان یا فاز اساتحکام بخاش در دماای باالا ناام بارد. تشاکیل فااز β از α بواسطه انجاام فرایناد SDP )حال- نفاو – تبلاور مجادد( باعاث تشکیل دانههای β با مورفولوژی سوزنی شکل میگردد .فرآیناد SDP در شکل) 1( نمایش داده شده است ]7[.

در تحقیق حاضر، تشکیل اتصال نیتریدی توساط فرآیناد نیتریاده کااردن مسااتقیم ساایلیکون فلاازی و تاااثیر آن باار آنااالیز فااازی ،ریزس اختار و خ واص فیزیک ی و مک انیکی بدن ه ه ای منیزی ا- گرافیت مورد بررسی قرار گرفته است]7[.
نیترید سیلیسیم با دانسیته کمتر، مقاومت مکانیکی گرم و مقاومت به اکسیداسیون بالاتر برای کاربرد در دماهای بالا ارجحیت دارد.
.]8[

بررسی تاثیر افزودن آلومیناا-منیزیاا-اوره و زیرکونیاا را بار روی تغییرات فازی و ریزساختاری بدنه سیلیسیم کاربید چنین اساتنباط نموده که تشکیل فاز ماایع و همچناین حال شادن آلومینیاوم در شبکه سیلیسیم نایتراید و تشکیل فازهای سیالونی تاثیر ویژه ای بر مورفولوژی فاز نیتریدی و باه تباع آن خاواص ترمومکاانیکی آن دارد] 9[.
اثار تشاکیل 4Si3N بار روی خاواص بدناه هاای آنادولوزیتی باا استفاده از نانو رات سیلیسیم نشان داد که با استفاده از نانو راتسیلیسیم و در نتیجه بهبود فرایند سینتیکی تشکیل اتصال نیتریدی ،می توان قبل از تشکیل فاز مذاب اتصال نیتریادی را شاکل داده که باعث بهبود خواص مکانیکی و شوک پذیری قطعه می گردد ]10[.
سرامی های غیر اکسیدی موادی کاه بصاورت همزماان دارای اسااتحکام، مقاوماات سایشاای، پایااداری فیزیکاای و شاایمیایی و همچنین خنثای باودن شایمیایی در دماای باالا باشاند باه ماوادی
جدول )1(: آنالیز مواد اولیه
MgO CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 B2O3 C
99.1 0.50 0.19 0.04 0.07 0.01 — منیزیا ی فیوزد
— — .17 0.65 0.89 — 96.8 گرافیت
0.22 0.21 98.50 .069 0.36 — — سیلیکون

2-2- روش انجام آزمایش جدول) 2(- فرمولاسیون نمونه ها
کد نمونه %Si دما
M1 2 1350
M2 4 1350
M3 6 1350
M4 8 1350
M5 2 1450
M6 4 1450
M7 6 1450
M8 8 1450
باه منر ور بدسات آوردن فشاردگی بهیناه از م دل آنادریازین )رابطه1(، با ضریب n در محدوده 39/0-31/0 و دانه بندی هاای
)mm( ،)1-2mm( ،)0- 1 mm 3-2( استفاده گردید.
رابطه )1(
CPFT = (dn − dminn)⁄(Dn − dmaxn) × 100

نمونه های مورد بررسای طباق جادول) 2( باا 1% وزنای ترکیاب کلسیم لیگنو سولفونات به عنوان اتصال اولیه و همچنین 1% وزنی آب برای شکل دهی تهیه گردید. نمونه هاا پا از شاکل دهای جهت پخت در کوره کنترل اتمسفر تحت گااز نیتاروژن)2N( در دمای Co1350 و Co1450 قرار گرفت.

همچون SiC و 4Si3N محدود می گردد ]11[.

2- مواد اولیه و فرآیند انجام آزمایش
1-2- مواد اولیه
مواد مورد استفاده جهت ساخت دیرگداز، منیزیای فیوزد)KMA –DENMAG)، گرافی ت)چین(، س یلیکون فلازی(Elkem) ک ه آنالیز شیمیایی ترکیبات آن در جدول) 1( آورده شاده و چساب کلسیم لیگنوسولفونات می باشد.
نمونه های بدست آمده طبق استاندارد 51048DIN مورد بررسیاستحکام فشاری سرد قرار گرفت. دانسیته و تخلخل نمونه ها نیازتوس ط روش غوط ه وری و تح ت اساتاندارد -830ASTM C
(2011)00 اندازه گیری گردید.
بارای بررسای تش کیل اتصاال نیتریادی از آن الیز پ راش اش عه ایک (XRD)سااخت ش رکت Philips هلن د ماادل 3040 و دس اتگاه تب ادیل فوری اه اش اعه م اادون قرم از (FT-IR) م ادل Perkinelmer استفاده گردید. همچنین برای بررسی مورفولاوژی ف از نیتری دی و تش کیل آن از آن الیز SEM/EDX م دل فیلی استفاده شد.

نتایج و بحث
3-1- تعیین مقدار بهینه دانهه بنهدی بها اسهت اده از روابه توزیع آندریازین
نحوه تغییرات دانه بندیهای مورد نیاز و همچنین تغییرات دانسایته بر حسب مقادیر مختلف ضریب آندریارین در شاکل 1و جادول )3( نمایش داده شده است.

جدول)3(: ترکیب اندازه رات با ضرایب آندریازین بین 39/0-31/0
A B C D E
n دانه
بندی 0.31 0.33 0.35 0.37 0.39
0-
1mm 71.9 69.5 68 66.5 64.4
1-
2mm 16.6 17.9 18.7 19.5 20.6
2-
3mm 11.5 12.6 13.3 14 15
Total 100 100 100 100 100

با اندازه گیری دانسیته نمونه ها با توجه به جدول شماره3 مشخص گردید، نمونه A با دانسیته 3gr/cm43/2، نمونه بهینه بوده که دارای ضریب آندریازین 31/0است )شکل 2( .
با توجه به بررسی های انجام گرفته نمونه A، به عنوان نمونه بهینه انتخاب و در ادامه مورد استفاده قرار گرفت.

شکل )2(: نمودار تغییرات دانسیته با ضرایب آندریازین 39/0-31/0

در ادامه و باا توجاه باه نقاش گرافیات در دیرگادازهای صانعت فااولاد، جهاات ساااخت نمونااه هااا از) 5(% وزناای گرافیاات در فرمولاسیونها استفاده گردید.

3-2- بهینه سازی اثر مقدار سیلیکون بر تشکیل فاز نیتریدی در بدنه منیزیا گرافیت
3-2-1- بررسی تشکیل اتصال نیتریدی توس الگوی پراش اشعه X
نمونه هایی باا درصادهای مختلاف 2-4-6-%8 سایلیکون در دو دمای C°1350 و C°1450 تحت اتمسفر تحت پخت در اتمسافر ازت قرار گرفت. علت انتخاب دمای C° 1350، کاهش احتمالی فازهای مذاب و بهینه سازی خواص ترمومکانیکی و دیدگاههای اقتصادی بود.

نتایج پخت نمونه های در دمای C°1350 در شکل شماره 3 و در دمای C°1450 با درصادهای متفااوت در شاکل شاماره 4 نشاان داده شده است. همانگوناه کاه ملاحراه مای گاردد باا توجاه باه

شکل)3(: الگوی پراش اشعه ایک در 2-8% سیلیکون در دمای C° 1350

شکل)4(: الگوی پراش اشعه ایک در 2-8% سیلیکون در C° 1450

بررسی هاای انجاام گرفتاه نموناه شاامل 6% سایلیکون در دماای C°1450به صورت نسبی شامل فازهای بیشتری از نیترید سیلیسیم و فورستریت بوده و همچنین فاقد سیلیکون باقیمانده می باشد. به همین دلیل این ترکیب به عنوان نمونه بهینه انتخاب گردید.
لازم بذکر است با افزایش میزان سیلیکون به 8% وزنی و احتماالواکنش بین لایه سطحی 2SiO روی سیلیکون و پودر منیزیاا، فااز مذاب بیشاتری حااد شاده و از شادت پیا هاای مرباوط باه فازهای کریستالی نیترید سیلیسیم و فورستریت کاسته شده است. این موضوع و تشکیل فازهای مذاب باقیماناده مای تواناد باعاث تشکیل فازهای مذاب با ضریب انبساطی متفاوت و ایجاد تخلخل در بدنه پ از سرد شدن نیز شده باشد.

3-2-2- بررسی تشکیل اتصال نیتریدی توس دستگاه -FTIR
با توجه به بررسی های انجام شده بار روی طیاف FT -IR نموناه ها، سیگنال 1-cm3430 و 1-cm 1630 به ارتعاشات مربوط به آب ساختاری در نمونه ها نسابت داده مای شاود. ارتعاشاات کششای نامتقااارن Si-N-Si را ماای تااوان در 1-cm 987 مشاااهده نمااود .همچنین ارتعاشات کششای متقاارن Si-N-Si در 1-cm 470 قابال

315460-3888084

الف

Intensity

Intensity

الف

Intensity

Intensity

شکل)5(: آنالیز FT-IR از نمونه های 2-4-6-8% سیلیکون: )الف:( در دمای Co1350 و )ب:( در دمای Co1450

مشاهده است. از طریق مقایسه طیف نمونه باا طیاف گرفتاه شاده مربوط به MgO می توان ارتعاشاات موجاود در 1-cm 682 را باه اکسید منیزیم نسبت داد و همچنین سیگنال 1-cm 1732 تاییدی بر حضور MgO میباشاد. طیاف موجاود در فرکاان 1-cm 1090 توسط ارتعاشات کششی نامتقارن Si-N-Si پوشیده شده است که می توان به سایلیکون نسابت داد. سایگنال موجاود در 1-cm 888 مربوط به ارتعاشات Si-O نسبت داده می شاود. هماانطور کاه در شکل 5 ملاحره میشود باا افازایش درصاد سایلیکون در نموناه اولی ه و پخ ت آن در دم ایCo1350 و Co1450 اف زایش مق دار پی Si-N مربوط به ارتعاش کششی Si-N-Si قابل مشاهده می-باشد از طریق مقایسه شکل) 5(-الف و ب مربوط به طیاف هاای FT-IR در دماهای Co1350 و Co1450 مشخص گردید که پی های مربوط به Si-N-Si با شدت بیشتری در دمای Co 1450 قابل مشاهده است.

3-3- بررسی دانسیته و تخلخل بدنه های منیزیا-گرافیت با اتصال نیتریدی
بررس ی دانس یته و تخلخ ل نمون ه ه ای منیزی ا- گرافی ت ش امل درصدهای مختلف سایلیکون و پختاه شاده در دماای Co1350 و Co1450 در شکل 6 و7 آورده شده است. همانگوناه کاه از ایان اشکال استنباط می گردد با افزایش درصد سیلیکون، دانسیته ابتدا کاهش یافته و س با افزایش مقدارسیلیکون و تبدیل آن به فااز نیترید سیلیسیم از کاهش دانسیته جلوگیری به عمل آماده اسات.
این روند در مورد تخلخل نمونه ها نیز قابال مشااهده مای باشاد . کر این نکته ضروری است که به دلیل اخاتلاف دانسایته نیتریاد سیلیسیم و سیلیکون فلزی تشاکیل بیشاتر نیتریاد سیلیسایم باعاث کاهش نسبی دانسیته و یا افزایش تخلخل خواهدگردید.

شکل)6(:دانسیته نمونه های 8-0 %سیلیکون در دماهای Co1350 و Co
1450

o

o

شکل)7(: درصد تخلخل در نمونه های 8-0% سیلیکون در دماهای C 1350
1450oC و
3-4- بررسی استحکام فشاری سرد بها اتصهال نیتریهدی در بدنه منیزیا-گرافیت
از نتایج بهدست آماده از آزمایشاات اساتحکام فشااری سارد در دم ای o1350 بارای نمون ه ه ای ش امل2-4-6-8% س یلیکون مشاهده گردید که مقاادیر6 و8% سایلیکون از اساتحکام باالاتری برخوردار بوده اند و تغییرات چندانی بین ایان دو نموناه مشااهده نگردید. نتایج نشان داد مقادیر بیشتر فاز نیتریدی تشکیل شاده در نمونااه منیزیااا –گرافیتاای باعااث تغییاار در اسااتحکام



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید