تأ ثير مقادير سيليسيم و زمان آستمپر بر دماي شكست نرم به ترد چدن نشكن
آستمپـر نيمهآلياژي

افشين عارفي1، حامد ثابت*2 و ساسان يزداني3
دانشجوي كارشناسي ارشد مهندسي مواد، دانشگاه آزاد اسلامي واحد كرج
عضو هيأت علمي گروه مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد كرج
دانشيار، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي سهند تبريز
*[email protected]

(تاريخ دريافت: 04/06/89، تاريخ پذيرش: 22/08/89)

چكيده
در تحقيق حاضر Y بلوك هاي استاندارد از جنس چدن نشكن با درصدهاي متفاوت ي از سيليسيم درون قالـبهـايي از جـنس 2CO سـيليكات سديم ريختهگري گرديد ند، سپس نمونههاي استاندارد ضربه از آن ماشينكاري و تحت عمليات حرارتي آستمپر قـرار گرفتنـد و آزمـون هـاطي 2 مرحله انجام شدند، در مرحله اول نمونههاي ضرب ه تحت عمليات آستمپر قرار گرفتند. براي اين منظور دما و زمـان آسـتنيته بـه ترتيـب875 درجه سانتي گراد و 60 دقيقه و دماي آستمپر نيز 375 درجه سانتي گراد در 6 زمان مختلف انتخاب و اجرا گرديـد. نتـايج آزمـون ضـربهمرحله اول در دماي محيط نشان دادند كه با افزايش عنصر سيليسيم انرژي ضربه در يك زمان مشخص آسـتمپر كـاهش مـييابـد و بـالاترين مقدار انرژي ضربه در محدوده سيليسيم 42/2 تا 81/2 درصد و در محدوده زماني 90 دقيقه حاصل مي گردد. در مرحله دوم اثـر سيليـسيم بـردماي شكست نرم به ترد (DBTT) مورد بررسي قرار گرفته شد، در اين مرحله نمونههاي ضربه به ترتيب در دماي آستنيته 875 درجه سانتي-گراد به مدت زمان 60 دقيقه و دماي آستمپر 375 درجه سانتي گراد به مدت 90 دقيقه تحت عمليـات حرارتـي قـرار گرفتنـد و سـپس تحـتآزمون ضربه در دماهاي بالاي صفر و زير صفر قرار گرفتند، نتايج آزمونهاي مرحله دوم مـشخص نمودنـد كـه بـا افـزايش مقـدار سيليـسيمدماي شكست نرم به ترد افزايش مييابد.

واژه هاي كليدي:
مقدار سيليسيم، زمان آستمپر، دماي آستمپر، چدن نشكن، .DBTT

1- مقدمه
چ دنه اي ن شكن آس تمپر ط ي ده ه اخي ر ب ه دلي ل دارا ب ودن استحكام و چقرمگي بالا مورد توجه وسيع محققين و صنايع قرارگرفتهاند به نحوي كه در بسياري موارد جانشين فولادهاي فـورج شده گرديده اند. اين چـدنهـا از طر يـق انجـام عمل يـ ات حرارتـي آستمپرينگ توليد م يشوند براي اين منظور ابتـدا قطعـات ريختـهشده را در محدوده دمايي 850 – 950 درجه سانتيگـراد آسـتنيته نمــوده و ســپس در محــدوده دمــاي ي تــشكيل بينيــت (آســتمپر 230- 450 درجه سانتيگـراد ) بـه مـدت زمـان كـافي نگهـداري مينمايند. ساختار اين نوع چدنها مخلوط ي از تيغـه هـاي سـوزني
ش كل فري ت در زمين هاي از آس تنيت باقيمان ده م يباش د ك ه آسفريت ناميده مي شـود [1]. يكـي از مهمتـرين عوامـل مـؤثر بـرخواص مكـانيكي و سـاختاري چـدن هـاي نـشكن آسـتمپر شـده تركيب ش يميايي آن ها ميباشد، سيليسيم به عنوان عنصر اصـلي در چدنهاي نشكن بر روي استحاله آستمپر تأثير قابل توجهي داشته و سرعت استحاله را تحت تأثير قرار ميدهد. سيليسيم يك عنصرگرافيتزا و فريتزا بوده و به سمت گرافيتها جدايش مـييابـد [2]. سيليـسيم تركيـب شـيميايي نقـاط يوتكتيـك و يوتكتوئي د وحداكثر حلاليت كربن در آستنيت را به طور قابل توجهي كاهش ميدهد. افزودن سيليسيم به سيـستم آهـن -كـربن باعـث افـزايشدماهاي استحاله هاي يوتكتيك و يوتكتوئيد مي شود و در حـضور اين عنـصر اسـتحاله هـاي مـذكور در يـك محـدودهاي از درجـهحرارت ان جام ميگيرند [3]. براي تـأخير در مرحلـة دوم اسـتحالهآستمپر، حداقل 2 درصد سيليسيم لازم است، گزارش شده استكه افزايش سيليسيم تـا 2/3 درصـد باعـث تـأخير در مرحلـه دوماستحاله آستمپر ميشود [4]. از طرفي سيليسيم زياد باعـث فريتـيشدن زمينه و در نتيجه كاهش استحكام ضربه خ واهد شـد. بـدينص ورت ك ه سيلي سيم باع ث ك اهش مي زان حلالي ت ك ربن در آس تنيت و ت سريع نفــوذ ك ربن در آن م ي شــود. اي ن دو اثــر، جوانهزني و رشد فريت را در زمينة آسـتنيتي بهبـود مـي بخـشند ومرحله اول استحاله آستمپر سريعتر انجام ميشود. سيليسيم اضافي در فريت حل شده و استحكام كششي و سختي را مجدداً افزايشميدهد [5]. لذا از آنجايي كـه سيليـسيم باعـث كـاهش حلاليـتكربن در آستنيت ميشود، به نظـر مـيرسـد كـه سيليـسيم ميـزان سختيپذيري چدنهاي نـشكن آسـتمپر را كـاهش مـي دهـد . امـاچنانچه سختي پذيري اين چدن ها با درصدهاي متفـاوت سيليـسيم و درصدهاي يكسان كربن موجود در آستنيت (كه با تغيير درجهحرارت آستنيته كردن حاصل مـيشـود ) مقايـسه گـردد ملاحظـهخواهد شد كه سيليسيم باعث افزايش سـختيپـذيري چـدنهـاينشكن ميگردد. وجـود سيليـسيم بـالا نيـز باعـث كـاهش نيـرويمحركه جهت تشكيل كاربيدها در زمينه خواهـد شـد و در نتيجـهموجب تغييرات خواص ضربهپذيري ميگردد [5 و 6].
بررسيها نشان ميدهد كه با افزايش مقدار سيليسيم بيـشتر از 5/3 درص د در چ دن ن شكن فريت ي ان رژي ض ربه در دم اي مح يط كاهش مييابد، به نحوي كـه سـطح مقطـع شكـست نمونـهاي بـامقدار 9/2% Si =داراي الگوي شكست نرم بـوده ، در حـالي كـهسطح شكست نمونههاي ي با 0/4% Si = داراي الگوي شكست ترد ميباشند [6]. از طرفي مـشخص شـده اسـت كـه افـزودن عناصـركاربيـدزا (در محـدوده 6/0-2/0 درصـد ) ماننـد Cr ,V ,Ti ,Mn باعث تشكيل كاربيدهاي آلياژي در مرز سل يوتكتيكها شـده وبدينترتيب انرژي ضربه را در دماي محيط كـاهش داده و باعـثاف زايش دم اي شك ست ن رم ب ه ت رد1 (DBTT) چ دن ن شكن ميشوند [7]. در مقابل عنصر نيكل باعث كاهش دمـاي شكـستنرم به ترد چدنهاي نشكن ريختگي و آستمپر ميگردد [8].
علاوه بر عناصر آلياژي متغي رهاي عمليات حرارتـي آسـتمپرينگ(دما و زمان آستمپر) نيز ميتوانند بر م قدار انرژي ضربه در دمـايمحيط مؤثر باش ند، به نحوي كه دمـاي آسـتمپر پـايين 200- 280 درجه سانتي گراد بـ ه دليـل تـشكيل بينيـت پـاييني باعـث افـزايش سختي و كاهش انرژي ضربه ميشود، همچنين بـا افـزايش زمـانآستمپر سهم استحاله نفوذي بيشتر شـده و باعـث افـزايش فريـتبينيتي و در نتيجه افزايش انرژي ضربه ميشود [9]. تحقيق حاضـربر همين اساس انجام شده است و هـدف آن بررسـي اثـر مقـاديرسيليسيم و همچنين زمان آستمپر بـر دمـاي شكـست نـرم بـه تـردچدن نشكن آستمپر نيمهآلياژي ميباشد.

2- مواد و روش تحقيق
جهت انجام تحقيق از مدلY بلوك يك ايـنچ مطـابق اسـتاندارد ASTM A 536-84 استفاده شد و عمليات قالـب گيـري بـ ه روش
2CO سيليكات سديم براي ريختهگري هم زمان 4 عددY بلوك انجام شد. مذاب مورد نياز توسط يك كوره القـايي يـك تـن بـااستفاده از قراضه فولادي، شـمش چـدن ، برگـشتي، فروسيليـسيم75% و گرافيــت گرانولــه تهيــه گرديــد، ســپس بعــد از انجــام كنترلهاي لازم (دمايي و آناليزي) بر روي مذاب، ذوب شاهد بـا7/1 درصد سيليـسيم در قالـب اول در دمـاي 10 ± 1410 درجـه سانتيگـراد ريختـه گـري شـد. لازم بـه ذكـر اسـت كـه عمليـاتك رويس ازي ب ه روش درون قال ب2 ب ا اس تفاده از فروسيلي سيم منيزيم ز يركونيوم با دانه بندي 1-4 ميلي متر درون قالب انجام شد .
در مرحله بعد 4 ذوب مـشابه بـا شـرايط توليـد نمونـه شـاهد تهيـهشدند، جدول (1)، تركيب شـيميايي Y بلـوكهـاي ريختگـي راكه از نمونههـا ي پـولكي طراحـي شـده درون قالـبهـا بـه روشاسپكتروگرافي نشر نوري(OES) تعيين گرديـده اسـت، را نـشانميدهد.
در مرحله بعد ازY بلوك هاي ريختگي تعـداد 120 نمونـه ضـربه
بــدون شــيار بــه ابعــاد 55×10×10 ميلــيمتــر مطــابق اســتاندارد ASTM A 327-90 بــه روش ماشــينكــاري تهيــه گرديــد.
آزمونهاي ضربه طي 2 مرحله انجام شـد، در مرحلـه اول هـدفتعي ين زم ان بهين ه آس تمپر نمون هه ايي ب ا درص دهاي متف اوت سيليسيم بود ، لذا براي هر تركيب شيميايي 12 عـدد نمونـه ضـربه در دماي 875 درجه سانتي گراد به مـدت 60 دقيقـه آ سـتنيته و در دماي 375 درجه سانتيگـراد در زمـان هـاي م ختلـف 5، 15، 60، 90، 120 و 1440 دق يقه تحت عمل يات آستمپر قرار گرفتنـد. لازم به ذكر است كه در اين تحقيق انتخـاب دمـاي آسـتمپر بـر مبنـايتولي د چ دن ن شكن آس تمپر ب ا خواص ي منطب ق ب ا اس تاندارد ASTM A 897-M-Grade2 انج ام گردي ده اس ت. ش كل (1) شماتيك سـيكل عمليـات حرارتـي بـه كـا ر رفتـه در مرحلـه اول تحقيق را نشان ميدهد. پس از عمليات حرارتي آستمپر براي هـرتركيب شيميايي در يك زمان آستمپر خاص، 2 نمونه تحت
جدول (1): تركيب شيميايي (درصد وزني) Yبلوكهاي ريختگي.
S P Ni Mn Cu Mo Si C تركيب شيميايي
0/013 0/013 0/92 0/27 0/51 0/14 1/71 3/46 نمونه شاهد
0/012 0/013 0/92 0/26 0/51 0/14 2/42 3/43 نمونه 1
0/012 0/013 0/91 0/27 0/52 0/14 2/81 3/37 نمونه 2
0/012 0/013 0/91 0/26 0/50 0/13 3/18 3/34 نمونه 3
0/012 0/013 0/90 0/26 0/51 0/14 3/52 3/37 نمونه 4

شكل (1): شماتيك سيكل عمليات حرارتي آستمپرينگ بر نمونههاي ضربه در مرحله اول آزمون.

جدول (2): نتايج متالوگرافي قبل از اچ نمونهها.
درصد كروي بودن اندازه گرافيتهاي كروي (ميكرون) تعداد گرافيتهاي كروي در واحد سطح
(²mm/ تعداد)
90-95 20-27 200-230

آزمون ضربه شارپي قرار گرفتند كه متوسط نتايج 2 آزمون معيارانرژي ضربه براي هر شرايط در نظر گرفته شد.
همچنين لازم به ذكر است كه در هر مرحله از آزمون نمونه هـايي نيز جهت بررسـي متـالوگرافي نـوري تهيـه گرديدنـد كـه بعـد ازآمادهسازي، عمليات متالوگرافي نـوري در حالـت قبـل از اچ بـر روي نمونــههــاي ريختگــي و بعــد از اچ (نايتــال 2%) بــه روي نمونههاي آستمپر شده انجام شد، براي اين منظور از يك دستگاهميكروسكوپ نوري مـدل OLYMPUS BX57M اسـتفاده شـد.
جدول (2) نتايج متالوگرافي قبل از اچ نمونهها را نشان ميدهد. در مرحله دوم هدف اثر مقدار سيليسيم بر دماي شكـست نـرم بـهترد (DBTT) نمونهها در زمان بهينه آستمپر (90 دقيقه ) بـود ، لـذادر اين مرحله براي هر تركيـب شـيميايي 18 نمونـه ضـربه تحـتعمليات آستمپر قرار گرفتند در اين مرحله نيز دماي آستنيته 875 درجه سانتي گراد، زمان آسـتنيته 60 دقيقـه و دمـاي آسـتمپر 375 درجه سانتي گراد و زمان آستمپر، زمان بهينـه آزمـون مرحلـه اول(90 دقيقه ) در نظر گرفتـه شـد، بعـد از عمليـات آسـتمپر كـردن، نمونههاي ضربه در دماهاي مختلف زير صفر و بالاي صفر تحـتآزمــون ضــربه قــرار گرفتنــد . دماهــاي آزمــون و محــيطهــاي خنككننده در جدول (3) ارائه شده است.
بعد از انجام آزمون ضربه بر روي نمونهها بررسي شكست نگـارياز مقاطع شكست نمونههاي ضربه توسط ميكروسكوپ الكترونيروبشي (SEM) مدل VEGA TESCANبـا ولتـاژ شـتابدهنـده kv 30 انجام شد. علاوه بر ايـن جهـت تجزيـه و تحليـل دقيـقتـر نت ايج، ب ه كم ك برنام ه MATLAB نموداره اي دم اي انتق ال شكست نرم به ترد نمونههاي ضربه رسم گرديد. براي اين منظـورنتايج انرژي ضربه در مرحلـه دوم از طريـق بـرونيـابي در برنامـهMATLAB بــه صــورت منحنــي بــا محــدوده انحــراف معيــار
10 ± درصد رسم و نقاط عطف نمودارها به عنوان دماي انتقـالشكست نرم به ترد (DBTT) انتخاب شدند.

نتايج و بحث
جدول (3): دماهاي آزمون و محيطهاي خنك كننده مورد استفاده در مرحله دوم تحقيق.
-197ºC -78/5ºC -16ºC صفر درجه سانتيگراد 25ºC 100ºC 200ºC
نيتروژن مايع جامد CO2 يخ، الكل، نمك آب و يخ دماي محيط آب جوش كوره
3-1- اثر سيليسيم و زمان آستمپر بر انرژي ضربه شكل (2) تغييرات انرژي ضربه نمونهها را نسبت به زمان عمليـاتحرارتي آستمپرينگ نشان مـيدهـد . شـكل (2- الـف ) تغييـراتانرژي ضربه در نمونه 42/2% Si =را نشان ميدهد، همانگونه كه مشخص است انرژي ضربه تا زمان 90 دقيقـه افـزايش يافتـه و بـه² J/cm90 ميرسد و در زمانهاي بيشتر از 90 دقيقه انرژي ضـربهافت مي كند، علت ايـن امـر ناشـي از انجـام مرحلـه دوم اسـتحاله ميباشد. در اين مرحله زمينه آستنيتي به فريـت و كاربيـد تجزيـهميشود كه با تشكيل كاربيد، انرژي ضـربه كـاهش مـييابـد [8]. شـكل (2- ب) تغيي رات ان رژي ض ربه را در نمون ه 81/2% Si = نشان مي دهد، همانگونه كه از اين شكل ملاحظه ميشـود انـرژيض ربه در زم ان 90 دقيق ه ب ه ² J/cm106 رس يده ك ه ن سبت ب ه 42/2% Si = انرژي ضربه افزايش نموده است، علت اين امر ناشي از غلظت سيليسيم ميباشد. غلظت زياد سيليسيم در زمينه آستنيت از تشكيل كاربيدها كه يكي از مشخصههاي استحاله بينيتي اسـتممانعت به عمل آورده و اجازه ميدهـد كـه كـربن دفـع شـده ازفريت در حال رشد، آستنيت مجاور را از كربن غنـي سـازد. ايـنآستنيت غني شده از كربن به واسطه سرد كردن بعـدي تـا دمـايمحيط پايدار خواهد بود كه در نتيجه باعث افزايش انرژي ضـربهميشـود [2]. بـا افـزايش زمـان بيـشتر از 90 دقيقـه انـرژي ضـربه
ك اهش م يياب د ك ه عل ت آن ني ز ناش ي از ش روع مرحل ه دوم استحاله و تشكيل كاربيـد در زمينـه مـي باشـد [2 و 9]. نگهـداريط ولاني در دم اي آس تمپرينگ (زم ان 1440 دقيق ه) ب ه تجزي ه آستنيت پركربن به دو فاز پايدارتر فريت و كاربيد منجر ميشود. تشكيل كاربيدها در اين مرحله از استحا له آستمپر، انعطافپذيري چدن را به شدت كاهش ميدهند [9].
بــا بررســي نتــايج آزمــون ضــربه نمونــههــاي 18/3% Si = و 52/3% Si = (شكلهاي2- ج و د) مشاهده ميگردد كه مشابه بـا نمونههاي 1 و 2 زمان بهينه آستمپر 90 دقيقه مي باشد كـه در ايـنزمان بيشترين انرژي ضـربه حاصـل مـيگـردد بـه نحـوي كـه در 18/3% Si =انرژي ضربه به مقدار ² J/cm80 و در 52/3% Si = به مقدار ² J/cm75 ميرسد. در اين نمونهها افزايش بـيش از انـدازه غلظت سيليسيم باعث كاهش ميزان كربن حـل شـده در آسـتنيتميگردد، لذا آستنيت كم كربن در اثر سـرد شـدن بـه مارتنزيـتتبديل مي شود، بنابراين با افزايش زمان آستمپر و افزايش سيليسيم انرژي ضربه كاهش مييابد [10 و 11].
3-2- اثر سيليسيم بر دماي انتقال شكست نرم به ترد شكل (3) نمودارهاي دماي انتقال شكست نرم به ترد (DBTT) را بر حسب مقدار غلظت سيليسيم در زمان بهينه آستمپر (90 دقيقه) نشان ميدهد. همانگونه كه مشاهده ميشود با افزايش مقدار سيليسيم در چدن، دماي انتقال شكست نرم به ترد افزايش مييابد. علت تغييرات دماي انتقال شكست نرم به ترد با افزايش سيليسيم، ناشي از مقدار سيليسيم حل شده در فريت بينيتي ميباشد [12]، به نحوي كه با افزايش سيليسيم در چدن، مقدار سيليسيم فريت بينيتي افزايش يافته و باعث تأثيرگذاري بر انعطافپذيري و نرمي فريت در دماهاي متفاوت ميگردد
[11 و 12].
بررسي شكست نگاري توسـط ميكروسـكوپ الكترونـي روبـشي(SEM) از سطح شكـست نمونـههـاي ضـربه نـشاندهنـده وجـود شكست ترد نمونـههـاي ضـربه در دماهـاي آزمـون 70- و 196- درجه سانتي گراد و همچنـين شكـست نـرم در دمـاي 200 درجـهسانتيگراد ميباشـد . شـكل (4) سـطح شكـست نمونـه ضـربه در نمونه حاوي 81/2% Si =، در دماي 196- درجه سانتيگراد نشان ميدهد، در اين شكل وجـود مـدل شـبه رودخانـهاي و صـفحاتكليواژ بر روي سطح شكست، نشاندهنده وقـوع شكـست كـاملاً ترد ميباشد.
شكل (5) سطوح شكست نمونههاي آستمپر شـده حـاوي مقـاديرسيلي سيم متف اوت را در دم اي 70- درج ه س انتيگ راد را ن شان ميدهد، همانگونه كه از ايـن شـكل مـشخص اسـت، بـا افـزايشسيليسيم سطوح شكست كليواژ افـزايش مـييابـد بـه نحـوي كـهبيــشترين ســطوح شكــست كليــواژ مربــوط بــه نمونــه حــاوي 52/3% Si = مـي باشـد . علـت ايـن امـر ناشـي از اثـر سيليـسيم بـراستحكام فـاز فريـت بينيتـي مـيباشـد [11 و 12]. عـلاوه بـر ايـنبررسي شكل (5- الف و ب) مشخص مينمايد كه در نمونههـايحاوي سيليسيم كمتر سطح شكست به شكست شبه ترد با سطوح

52/3% (د)

شكل (2): تغييرات انرژي ضربه بر حسب مقدار سيليسيم و زمان آسـتمپرينگ (اعداد سمت راست مقدار انرژي ضربه و اعداد سمت چـپ زمـان آسـتمپر رانشان مي دهد).

)
الف
(

42
/
2
%
Si =

)
ب
(

81
/
2
%
Si =

)
ج
(

18
/
3
%
Si =

)
د
(

52
/
3
%
Si =

)

الف

(

42

/

2

%

Si =

)

ب

(

81



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید