توليد چدنهاي نشكن پراستحكام با حداقل عناصر آلياژي جزئي و بدون استفاده از عمليات حرارتي هم دما

محمد صادقي1، حامد ثابت2 و مهرداد عباسي2
كارشناس ارشد مهندسي مواد، شركت مهندسي و ساخت بويلر مپنا، عضو باشگاه پژوهشگران جوان دانشگاه آزاد اسلامي واحد كرج
عضو هيأت علمي گروه مهندسي مواد و متالورژي دانشگاه آزاد اسلامي واحد كرج
[email protected]

چكيده
در اين پژوهش امكان توليد چدن هاي نشكن پرليتي پراستحكام با حداقل عناصر آلياژي و بدون استفاده از عمليـات حرارتـي هـم دمـا مـوردبررسي قرار گرفته شدهاست. براي اين منظور محاسبات براي ريختهگري همزمان 2 عدد نمونه-Y بلوك يك اينچ بهروش درون قالب و در ماسه تر انجام گرديد. همچنين شبيهسازي انجماد مذاب تا دماي محيط با استفاده از بسته نرمافزار Sutcast انجام شد و با قرار دادن ترموكوپل نوع S از جنس Pt-Rh و اتصال بهدستگاه ثبتكننده دما و نصب نرمافزار ADAM 4000 در رايانه قالبها در دماي 1430 درجه سـانتيگـرادريختهگري شدند . سپس در زمان هاي مختلف قطعات از درون قالبها كاملاً تخليه و در هوا تا دماي محيط خنـك گرد ي دنـد و آزمـون هـايلازم مط ابق با استاندارد ASTM بر روي نمونهها انجام شد. نتايج آزمونها نشان دادند كه با افزايش سرعت خروج قطعات از قالـبهـا م يـزان پرليت زمينه افزايش، سختي و استحكام قطعه افزايش و درصد ازدياد طول نسبي و مقاومت بهضربه كاهش مييابد.

واژه هاي كليدي:
چدن نشكن پراستحكام، عناصر آلياژي جزئي، تخليه قالب، عنصر قلع.

مقدمه
چدنهاي نشكن خانوادهاي از چدنها ميباشند كه شكل گرافيت در آنها بهصورت كروي است، همين كروي بودن گرافيتها باعث ايجاد خواص منحصر بهفردي در اين دسته ازچدنها گرديدهاست بهنحويكه آنها را قابل رقابت با قطعاتفولادي فورج شده و عمليات حرارتي شده گردانيدهاست [1].خواص مكانيكي چدنهاي نشكن در حالت سياه – تاب تابعريزساختار ميباشد، قسمتي از اين ريزساختار (شكل، اندازه ونحوه توليد گرافيت) در حين انجماد و قسمت ي دي گر يعني ساختار پيرامون گرافيت پس از انجماد در حين سرد شدن شكل ميگيرد [2]. بر همين اساس برا ي ايجاد ريزساختارها ي مستحكم پيرامون گرافي ت استفاده از عناصر آلياژي و عمليات حرارتي و يا استفاده توأم توصيه ميگردد [3]. تاكنون تحقيقات زيادي در خصوص اثر عناصر آلياژي مانند مس- منگنز- قلع كه تمايل بالا يي بهتشكي ل پرليت دارند و يا عناصري مانند كروم- موليبدن كه تمايل بهتشكيل كاربيد دارند به منظور ايجاد ريزساختارهاي مستحكم در حالت سياه – تاب و يا از طريق عمليات حرارتي (مانند آستمپرينگ) انجام شدهاست [4]. در تمام گزارشهاي ارائه شده، انجام عمليات حرارتي بعد از ريختهگري و بر اساس نمودارهاي دگرگوني- زمان- دما 1TTT)) از نوع هم دما 2(IT) بودهاست [5]. بهعبارت ديگر قطعات ريختگي بعد از نگهداري در دما ي آستنيته با سر عت مناسبي سرد شده تا ساختار مارتنزيت حاصل گردد و يا در يك دماي مشخص و ثابت (بر حسب نوع عمليات حرارتي آستمپرينگ) بهمدت زمان ي دلخواه نگاه داشته ميشود تا ساختار (مناسب) بينايت حاصل گردد [6]. اين نوع عملياتهاي حرارتي نيازمند كورهها و تجهيزات خاص و بعضاً گران قيمت هستند [7]. از طرفي اكثر توليدكنندگان در استفاده از عناصر آلياژي محدوديت داشته و با دقت خاصي از اين عناصر استفاده مينمايند [8]. عناصر آلياژي مس تا 5/1%، قلع تا 2/0% و نيكل تا 2% جهت افزايش استحكام كششي از طريق تغيير در ساختار ميكروسكوپي تاكنون مورد استفاده قرار گرفته شدهاند [1، 6 و 8]. لذا ايده كاهش مصرف عناصر آلياژي و همچنين عدم استفاده از عمليات حرارت ي براي ايجاد ساختارهايي با استحكام بالا مورد توجه محققين و توليدكنندگان بودهاست، براي اين منظور ميتوان قطعات را بعد از ريختهگري و انجماد از قالب خارج و در محيطي كه سرعت سرد شدن بالاتري از قالب دارد خنك نمود، از طرفي موقعيت فازها در نمودارهاي دگرگوني در اثر سرد شدن پيوسته 3 (CCT)تابعي از عناصر آلياژي ميباشد [9]. با خروج قطعات از قالب قبل از رسيدن بهدماي يوتكتوئيد ميتوان شرايطي ايجاد نمود تا از عناصر آلياژي كمتري در قطعه استفاده گردد زيرا شيب سرد شدن قطعه بيشتر شده و نيازي بهجابجايي نمودار با عناصر آلياژي بالا نميباشد و ميتوان با حداقل عناصر آلياژي بهساختاري با استحكام بالا (مانند پرليت) دست يافت [10 و 11]. در اينخصوص تاكنون اثر عنصر موليبدن (تا 55/0% ) و مس (تا 3%) برتشكيل ساختار بينيت بهوسيله سرد كردن پيوسته و همچنين همدما (ايزوترم) مورد بررسي قرار گرفته شدهاست [12]. ازطرفي عنصر قلع يك عنصر پرليتزاي قوي در چدنهاي نشكن محسوب ميشود بهنحويكه قدرت پرليتزايي آن 9 تا 10 برابر مس ميباشد. در چدنهاي نشكن فريتي ميزان قلع نبايد از 03/0% تجاوز نمايد و در چدنهاي نشكن پرليتي بسته بهضخامت قطعه ريختگي ميتواند در محدوده 05/0 تا 15/0% در نظر گرفته شود. قلع تا 15/0% باعث افزايش پرليت زمينه شده و در نتيجه افزايش استحكام كششي و سختي و كاهش درصد ازدياد طول نسبي و انرژي ضربه را در پي خواهد داشت، در مقادير بيشتر از 15/0%، قلع با تأثيرگذاري بر مورفولوژي گرافيتها، منجر بهتشكيل گرافيتهاي بين سلولي كه حالت شبه لايهاي دارند، ميگردد و بدين ترتيب باعث افت خواص مكانيكي (استحكام كششي و سختي) ميگردد، از طرفي قلع تا 15/0% باعث افزايش جزئي سختيپذيري چدنهاي نشكن ميگردد [1، 13 و 14]. با توجه بهاين موضوع در تحقيق حاضر اثر مقادير جزئي عنصر قلع در كنار سرد كردن پيوسته جهت ايجاد چدنهاي نشكن پراستحكام مورد بررسي قرار گرفته شدهاست.

مواد و روش تحقيق
جهت انجام آزمونها -Y بلوك بهضخامت پاي يك اينچ مطابق با استاندارد 89-536 ASTM Aاستفاده گرديد (شكل 1)، سيستم راهگاهي بر اساس روش افزودن منيزيم در راهگاه (درون قالب) براي ريختهگري همزمان 2 عدد -Yبلوك طراحي و ساخته شد، عمليات قالب گيري بهروش دستي و ماسه تر انجام گرديد.
جهت كروي كردن گرافيتها از فروسيليسيم منيزيم 5% با دانهبندي 1 تا 4 ميليمتر داخل محفظه فعل و انفعال استفاده گرديد. همچنين قبل از تهيه مذاب و ريختهگري، شبيهسازي انجماد مذاب و سرد شدن تا دماي محيط با استفاده از بسته نرمافزار Sutcast انجام و منحنيهاي و اطلاعات مورد نياز استخراج شد. براي اين منظور با توجه بهتركيب شيميايي مورد نظر عمل شبيهسازي با كمك نرمافزار Sutcast انجام شد تا ضمن بررسي عملكرد صحيح سيستم راهگاهي زمان انجماد -Y بلوكها تعيين گردند و بدين ترتيب زمان تخليه قطعات از قالبها بدست آيد، شكل (2- ب) شبيهسازي انجام شده را دراين تحقيق نشان ميدهد، نتايج شبيهسازي مشخص نمود كه بعداز 3 دقيقه از زمان بارريزي امكان تخليه قطعات از قالبها ميسرميگردد. اجزاء سيستم راهگاه ي و شبيهساز ي انجماد بهترتيبدر شكل (2- الف) و (2- ب) ارائه شدهاست. جهت كنترل و

ابعاد mm
A 25
B 55
C 75
D 150
E 175

شكل (1): ابعاد -Y بلوك مطابق با استاندارد 89-536 .ASTM A
(الف) (ب)

شكل (2): (الف) اجزاء سيستم راهگاهي و (ب) شبيهسازي انجما د مذاب.

شكل (3): محل قرارگيري ترموكوپل در قالب.
ثبت تغييرات دماي قطعات در قالبها از ترموكوپل نوع S از جنس Pt-Rh و اتصال آن بهدستگاه آناليز و ثبتكننده دما مدلPCSDATA-810 و نصب نرمافزارADAM 4000 و Datalogger with Labview در رايانه استفاده شد و قالبها براي ريختهگري آماده شدند. همچنين موقعيت قرارگيري ترموكوپل در قالب در شكل (3) نشان داده شدهاست. از آنجايي

شكل (4): منحني شبيه سازي سرعت سرد شدن مذاب تا دماي محيط.

0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0
20000 40000 60000 80000 100000
Time(Sec.)
Temperature(‘C)



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید