تأثير تركيب شيميايي و عمليات حرارتي بر خواص، ساختار ميكروسكوپي و قابليت ماشينكاري چدنهاي نشكن آستمپر

نجمالدين عرب
مربي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد ساوه
najmarab@iau/saveh.ac.ir

چكيده
چدنهاي نشكن آستمپر(ADI) با دارا بودن استحكام و مقاومت بهضربه و سايش بالا جايگاه خاصي را در صـناي ع بـ هويـژه صـنعت خـودرو وصنايع حمل و نقل ريلي بهخود اختصاص دادهاست و بهطور وسيع در حال جايگزين شدن بهجاي قطعات فولادي در اين صنايع ميباشد. اما مشكل عمده در كاربرد قطعاتADI ، سختي بالا و قابليت ماشينكاري ضعيف آنهاست كه موجب افزايش هزينههاي ماشينكاري مـي گـردد .
در تحقيق حاضر اثر تركيب شيميايي و شرايط عمليات حرارتي بر خواص مكانيكي و ساختار ميكروسـكوپي چـدن نـشكن آسـتمپر بررسـيشده و ساختار ميكروسكوپي توسط ميكروسكوپ بررسي شدهاست. با مقايسه ميزان سايش ابزار تراشكاري قابليـت ماشـينكاري نمونـه هـا بـايكديگر مقايسه گرديدهاست. با مقايسه نتايج شرايط مناسب براي بدست آوردن چدني با خواص بهينه ارائه شدهاست.

واژه هاي كليدي:
توليد چدن نشكن آستمپر، خواص و تركيب شيميايي چدن نشكن آستمپر، قابليت ماشينكاري چدن نشكن آستمپر، عمليات حرارتي ADI.

1- مقدمه
چدنهاي نشكن آستمپر(ADI) بـهدليـل دارا بـودن خـصوصياتعالي مكانيكي از قبيل استحكام كششي مناسب، مقاومت در برابرضربه و استحكام خستگي خوب توجه طراحان را بـهخـود جلـبكرده و تحقيق در مـورد خـواص و سـاختار آن در اولويـت هـايمراكز تحقيقاتي چدن جهان، قرار گرفتهاست. شكل (1) خـواصاين خانواده را با انواع آلياژهاي آهني متداول در صـنعت مقايـسهميكند. [1].
اما همواره در توليـد قطعـاتADI مـشكل سـختي بـالا و قابليـتماشينكاري پائين و جود داشته كه موجـب بـالا رفـتن هزينـههـايتوليد آن مي شود. اصولاً توليد قطعاتADI شامل چهـار مرحلـهعمده ميباشد [2 و 3].
الف: ريختهگري و توليد قطعه از جـنس چـدن نـشكن بـا عناصـرآلياژي معين.
ب: ماشينكاري اوليه (خشنكاري).
ج: عمليات حرارتي آستمپرينگ.
د: ماشينكاري نهايي (معمولاً سنگزني).
همانطور كه ملاحظه ميشود توليد قطعات ADI شامل دو مرحلهماشينكاري مي باشد كه علت آن بهسختي بـالاي قطعـات پـس از

AD
شكل (1): مقايسه خواص مكانيكي چدنهاي با انواع آلياژهاي آهني متداول [1].

فرآيند آستمپرينگ بر ميگردد و لذا قـسمت اعظـم ماشـينكاري قبل از فرآيند عمليات حرارتي انجـام مـيشـود [4، 5 و 6]. دمـا ي بالاي عمليات حرارتي امك ان تاب برداشـتن قطعـات را بـههمـراهداشته كه اين مشكل ممكن است با عمليات ماشينكاري نهايي بـرطرف نگردد و موجب ضايع شدن قطعات توليدي گردد.
بهمنظور رفع اين مشكل خانواده جديدي از ايـن چـدنهـا بـا نـامچدنهاي نشكن آسـتمپر قابـل ماشـينكاري (MADI) در سـالهاياخير بـهصـنعت معرفـي شـدهانـد [7، 8 و 9]. ايـن خـانواده دارايتركيب شيميايي و سيكل عمليات حرارتي كنترل شدهاي هـستندكه علاوه بر ساختار آستمپر داراي قابليت ماشينكاري مناسبي نيـزهستند. فرآيند توليد قطعات MADI شامل 3 مرحله بهشـرح زيـراست:
الف: ريختهگري و توليد قطعه از چـدن نـشكن بـا درصـد وزنـيمشخص از عناصر آلياژي.
ب: عمليات حرارتي آستمپرينگ.
ج: ماشينكاري.
كاهش يك مرحله از مراحـل توليـد باعـث افـزايش بهـرهوري وك اهش هزين هه اي ماش ينكاري ب هدلي ل ك اهش اض افه مج از تراشكاري و كاهش تغييرات ابعـادي ناشـي از عمليـات حرارتـيميگردد. اين خوا ص موجب استقبال از اين فرآيند جهـت توليـدقطعات چدن نشكن آستمپر شدهاست [4].
بن ابراين در MADI ه دف اي ن اس ت ك ه ب ا انتخ اب ت ركي ب شيميايي مناسـب، ريزسـاختاري ايجـاد شـود كـه اجـراي فرآينـدعملي ات حرارت ي ب ا س رعت و س هولت بي شتري انج ام ش ود و عمليـات ماش ينكاري ب ر روي قطع ه نه اي ي قاب ل انج ام باش د در حاليكه خواص چدنهاي آستمپر را نيز داشته باشد [10 و 11].

روش تحقيق
براي انجام آزمايشات، نمونه هـاي Y بلـوك مطـابق بـا اسـتانداردASTM A897 آمادهسازي شدند.
عمليات ذوب در يك كـوره القـايي بـدون هـسته و بـا فركـانسمتوسط انجام پذيرفت و نمونههايY بلوك با تركيبات مورد نظر ريخته شدند. تركيبات شيميايي نمونههاي ريخته شـده در جـدول(1) آورده ش دهانـد. عم ل ذوب ب ا اس تفاده از قراض ه ف ولاد وگرافيت با گـوگرد پـائين و فروسيليـسيم 70% آغـاز شـد. پـس ازآماده شدن مذاب و انجام محاسبات، مقادير عناصر آلياژي مـوردنياز بهمذاب افزوده شدند. تركيب شيميايي قراضه و فروآلياژهاي مورد اسـتفاده در جـدول (2) آورده شـده اسـت . سـپس بـه مقـدارمورد نظر فروسيليسيم و فرومولبيدن اضـافه شـد و پـس از تنظـيمآناليز اوليه مس و نيكل اضـافه گرديد نـد. عمليـات نـشكنسـازي بهروش ساندويچي و در درجه حرارت 1495 درجه سانتيگراد و در پاتيل 150 كيلـوگرمي انجـام گرفـت و مـذاب در قالـبهـاي ماسهاي با چسب Silicate / CO2 در درجه حرارت 1390 درجه سانتيگراد ذوبريزي گرديد. پس از سرد شـدن، نمونـه هـايY بلوك از قالب خارج شده و شات بلاست گرديدند.
عمليات حرارتي
ابتدا نمونه ها در كوره حمام نمك مذاب آسـتنيته شـدند و سـپسدر مدت زمان حداكثر 10 ثانيه وارد كوره حمام نمـك بـا دمـايمعين شدند . درجه حرارت آستنيته كردن و دماي حمام نمك درمورد هر نمونه در جدول (3) آورده شدهاند.

بـراي آسـتنيته ك ردن از حمـام نم ك بـا حج م حـدوداً 3/1 مت ر مكع ب و ب ا نم ك ب ا ن ام تج اري GS-540 (متعل ق ب هش ركت دبوساي آلمـان) و بـراي مرحلـه آسـتمپرينگ از حمـام نمـك بـاحجم حدوداً 5/2 متر مكعب و با نـام تجـاري 140- AS اسـتفادهگرديد. كورههاي عملي ات حرارتي مجهز بهسيستم كنترل دمـا بـادق ت دم ايي 2 ± درج ه س انتيگ راد بودن د. مراح ل عملي ات حرارتي در شكل (2) آورده شدهاند.

جدول (1): تركيب شيميايي نمونههاي ريخته شده(.(wt %
شماره نمونهها C Si Mn Ni Cu Mo P S
A 3/6 2/6 0/3 0/5 0/5 0/2 0/026 0/008
B 3/8 2/5 0/15 0/72 0/65 0/26 0/024 0/008
C 3/6 2/6 0/3 1 0/6 0/23 0/022 0/007
D 3/7 2/8 0/066 0/8 0/7 0/3 0/021 0/008
جدول (2): تركيب شيميايي قراضه و فروآلياژها و عناصر مورد استفاده (.(wt %
مواد اوليه %C %Si %Mn %S %P %Cu %Ni %Mo %Mg
قراضه فولاد 0/14 0/15 0/1 0/012 0/016 – – – –
گرافيت 95 – – 0/1 – – – – –
فروسيليسيم 4 70 – 1 – – – – –
فروموليبدن 5 1/5 0/8 – – – – 55 –
نيكل – – – – – – 98 – –
مس – – – – – 99/5 – – –
Fe-Si-Mg – 46 – – – – – – 5

جدول (3): شرايط عمليات حرارتي و نتايج آزمايشات مكانيكي بر روي نمونههاي سري A.
شماره نمونهها دماي آستنيته
(˚C) زمان آستنيته (دقيقه) دماي آستمپر
(˚C) زمان آستمپر (دقيقه) استحكام
كششي MPa استحكام تسليم
Mpa درصد
تغيير طول سختي
BHN انرژي ضربه ژول
A1 850 60 350 60 890 650 10 370 65
A2 900 60 350 90 880 633 8 365 49
A3 950 60 350 120 870 630 9 360 60
آزمونها و نتايج
بعد از آمادهسازي نمو نهها و انجام عمليات حرارتي بر روي آنها،آزمونهاي گوناگوني همانند ت ست كشش، ضربه و سختيسنجي بر روي نمونه ها انجام گرفت كه نوع سـيكل عمليـات حرارتـي و نتايج بدست آمده از هر تست در ادامه آورده شـدهاسـت . شـكل(3) ابعاد نمونه تست كشش را مطـابق بـا اسـتانداردDIN 50125 نشان ميدهد.

شكل (2): نمايش شماتيك مراحل عمليات حرارتي.

d0 L0 d1 d2 g hmin Lc (Min) Lt (Min)
8 40 15 10 15 13 53 119
شكل (3): ابعاد نمونههاي استاندارد تست كشش (mm).

A
شكل (4): ساختار ميكروسكوپي نمونههاي بعد از عمليات حرارتي.

تست ضربه بهروش شارپي مطابق با استاندارد ASTM E 23 -06 انج ام گرف ت. س ختيس نجي ني ز ب هروش ويك رز و مط ابق ب ا استاندارد ASTM E 92-04 انجام گرفت آزمون متـالوگرافي درسه مرحله طبق استانداردهاي زير صورت گرفت:
آمادهسازي نمونهها طبق استاندارد ASTM E3.
ميكرواچ نمونهها مطابق با استاندارد ASTM E 407.
متالوگرافي نمونهها مطابق با استاندارد ASTM A247با استفاده از محلول اچ پيكرال.
بررسي نمونههاي گروه A:
شرايط عمليات حرارتي انجام شده و نتايج حاصـل از آزمايـشاتمكانيكي بر روي نمونـه هـاي گـروهA در جـدول (3) و سـاختارميكروسكوپي در شكل (4) آورده شدهاست.
بررسي نمونه هاي گروه B:
سيكل عمليـات حرارتـي و نتـايج آزمايـشات مكـانيكي بـر روينمونههاي گروهB در جدول (4) آورده شدهاست.
بررسي نمونههاي گروه :C
سيكل عمليات حرارتي و نتايج آزمايشات مكانيكي بر روي نمونه هاي C در جدول (5) آورده شدهاست.
بررسي نمونههاي گروه D:
سيكل عمليات حرارتي و نتايج آزمايشات مكانيكي بر روي نمونههاي گروه Dدر جدول (6) آورده شدهاست.

2-3- تست قابليت ماشينكاري
اين آزمايش بر اساس اسـتانداردISO 3685 انجـام شـد. در ايـنآزمايش تعداد 3 عـدد از هـر نمونـه و مجموعـاً 36 نمونـه تحـتعمليات ماشينكاري يكسان و مشابه قرار گرفتـه و ميـزان متوسـطمصرف ابزار بهعنوان معيار قابليت ماشينكاري نمونهها تعيين شد.

3- نتايج و مباحث
بررسي متالوگرافي از نمونههاي تهيه شده ازY بلوكها نشان از كرويت بالاي 95% گرافيتها و تعداد گرافيت كروي در واحد سطح (ندول كانت) حدود 220-180 ميدهد. تصاوير ميكروسكوپي تهيه شده در شكلهاي (4) تا (7) ساختار آستمپر
جدول (4): شرايط عمليات حرارتي و نتايج آزمايشات مكانيكي بر روي نمونههاي سري .B
شماره نمونهها دماي آستنيته
(˚C) زمان آستنيته (دقيقه) دماي آستمپر C)˚) زمان آستمپر (دقيقه) استحكام
كششي MPa استحكام تسليم
Mpa درصد
تغيير طول سختي
BHN انرژي ضربه ژول
B1 800 60 400 60 830 620 9 275 50
B2 850 60 400 120 848 646 12 262 58
B3 920 60 400 180 860 638 9 255 63
جدول (5): شرايط عمليات حرارتي و نتايج آزمايشات مكانيكي بر روي نمونههاي سري .C
شماره نمونه ها دماي آستنيته
(˚C) زمان آستنيته (دقيقه) دماي آستمپر C)˚) زمان آستمپر (دقيقه) استحكام
كششي MPa استحكام تسليم Mpa درصد
تغيير طول سختي
BHN انرژي ضربه ژول
C1 850 55 390 45 831 592 9 241 27
C2 875 55 390 60 827 623 8 260 43
C3 900 55 390 75 810 597 11 230 35
جدول (6): شرايط عمليات حرارتي و نتايج آزمايشات مكانيكي بر روي نمونههاي سري .D
شماره نمونهها دماي آستنيته
(˚C) زمان آستنيته (دقيقه) دماي آستمپر C)˚) زمان آستمپر (دقيقه) استحكام
كششي MPa استحكام تسليم Mpa درصد
تغيير طول سختي
BHN انرژي ضربه ژول
D1 800 90 370 60 840 660 8 300 56
D2 850 90 370 90 840 630 9 290 60
D3 900 90 370 180 860 685 9 294 43
در نمونهها را بهنمايش ميگذارد. مناطق خاكستري رنگ در اين تصاوير ساختار آسفورمينگ بوده كه شامل فريت و آستنيت باقيمانده با كربن بالا هستند. حال آنكه مناطق تيره رنگ مابين آنها تيغههاي مارتنزيتي هستند. با افزايش زمان و دماي آستنيته كردن مقدار مارتنزيت در نمونهها كاهش يافته و ميزان ساختار آسفورمينگ افزايش مييابد. در واقع با افزايش زمان و درجه حرارت آستنيته كردن مقدار كربن باقيمانده در آستنيت افزايش يافته و در نتيجه شرايط براي استحاله مارتنزيتي مشكلتر ميشود. همچنين نتايج نشان ميدهند كه با افزايش درجه حرارت آستمپرينگ ميزان آستنيت باقيمانده افزايش يافته و

B
شكل (5): ساختار ميكروسكوپي نمونههاي بعد از عمليات حرارتي.

شكل (6): ساختار ميكروسكوپي نمونههاي C بعد از عمليات حرارتي.

D
شكل (7): ساختار ميكروسكوپي نمونههاي بعد از عمليات حرارتي.

ميزان كربن باقيمانده در آن كاهش مييابد. در نتيجه افزايش دماي آستمپرينگ موجب ايجاد ساختاري با تافنس بالاتر و سختي پائينتر و قابليت ماشينكاري بهتر ميگردد [9-7].
نتايج اندازهگيري مصرف ابزار نشان داد كه نمونههاي سري C مصرف ابزار كمتري داشته و لذا قابليت ماشينكاري بهتري داشتند. همچنين نتايج آورده شده در جداول (4) تا (6) نيز نشان ميدهند كه نمونههاي سري Cبا توجه بهتركيبات شيميايي و شرايط عمليات حرارتي انتخاب شده نسبت بهساير نمونهها سختي پائينتري داشته و در نتيجه قابليت ماشينكاري بهتري را به نمايش ميگذارند. مقايسه ساختار ميكروسكوپي نمونههاي گروه Cبا ساير گروهها نشان از ساختاري ريزتر و هموژنتر مي-دهد كه در نتيجه اين ساختار داراي انعطاف بهتري در مقايسه با ساير خانوادهها است. [10 و 11].

4- نتيجهگيري
دستيابي بهخواص مورد نظر در چدنهايMADI با كنترل دقيق تركيب شيميايي و فرآيند عمليات حرارتي امكانپذير است.
در اين تحقيق انتخاب تركيب شيميايي و سيكل عمليات حرارتي بر اساس تحقيقات ساير محققين و پيشنهادات آنها و بررسيهاي متالورژيكي و بهمنظور دستيابي بهخواص مكانيكي، ساختار ميكروسكوپي و قابليت ماشينكاري مناسب صورت گرفت و ميزان مصرف ابزار بهعنوان معيار قابليت ماشينكاري نمونهها در نظر گرفته شد.
مقايسه نتايج آزمايشات مكانيكي و بررسيهاي ساختاري نشان ميدهند كه آلياژهاي انتخاب شده تفاوت فاحشي از نظر خواص مكانيكي و ساختاري با يكديگر نداشته اما گروه آلياژي C خواص نسبتاً قابل قبولتري را بهدست ميدهد.
عمليات آستنيته كردن در دماي حدود 875 درجه سانتيگراد و سپس انجام عمليات آستمپرينگ در دمايي حدود 390 درجه سانتيگراد تلفيق مناسبتري از ساختار و خواص مكانيكي و قابليت ماشينكاري در نمونهها را بهدست ميدهد.

مراجع
M. A. Y. Gonzales, “Modeling Microstructure and Mechanical Properties of Austemperd Ductile Irons”, Ph. D. Thesis, University of Cambridge, England, 2001.
A. P. Druschitz, D. C. Fitzgerald, MADI: Introduction a New: Machinable Austempered Ductile Iron, SAE Paper, No-01-0831, 2003.
F. Zanardi, The Development of Machinable ADI in Italy, Proceeding of the World Conference on ADI, Louisville, p. 69-72, 2002.
M. Nili Ahmadabadi, E. Niyama, T. ohide, “Structural Control of 1% Mn ADI Aided by Modeking of Microsegregation”, AFS Trans Actions, Vol. 102, p. 269-276, 1994.
B. R. Kovacs, “Development of Austempered Ductile Iron (ADI) for Aatomobile Crankshafls”, Journal of Heat Treating, Vol. 5, No. 1, p. 55-60, 1987.
Machining Ductile Irons, International Nickel Co. Inc, New York, 2001.
[1]
O. J. Moncada, R. H. Spicacci, J. A. Sikora, “Machinability of Austempered Ductile Iron”, AFS Trans.
Vol. 106, p. 39-45, 1998.
[2]
K. L. Hayrynen, “Another Avenue for Ductile Iron
Foundries”, Modern Casting, Vol. 44, p. 28-30, 1998.

T. S. Shih, C. K. Lin, H. Z. Twan, Mechanical Properties [3] of Various-Section ADIs, AFS Trans. Vol. 105, p.
367-376, 1997.

J. Zimba, M. Samandi, D. Yu, T. Chandra, T. Navara, D. J. [4]
Simbi, Mater. Des., Vol. 25, p. 431-438, 2004.

L. C. Chang, Carbon Content of Austenite in Austempered
Ductile iron, Scr. Mater. Vol. 39, No. 1, p. 35-38, 1998.
[5]



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید