تحقیق درباره چدنهای آلیاژ آهن- کربن- سیلیسیم

مقدمه

چدنها آلياژ آهن ـ كربن ـ سيليسيم مي‌باشند كه مقدار كربن آن بيشتر از ميزاني است كه مي‌تواند در محلول جامد اوستنيت دردرجه حرارتي يو تكتيك باقي بماند. بنابراين چدنها معمولا محتوي برخي از محصولات تجزيه نظير گرافيت يا سمنتيت آزاد هستند.

معمولاً مقدار كربن در چدنها بيش از 7/1 و كمتر از 5/4 درصد مي‌باشند. درصد زياد كربن چدن را شكننده مي‌كند و در اينصورت چدن ارزش كاركرد ديگري جز در ريخته‌گري ندارد و بدين جهت به آن آهن ريخته‌گري يا چدن مي‌گويند. سيلسيم كه بعنوان يك عامل گرافيت زا عمل مي‌كند. معمولا مقدار آن در حدود 5/0 تا 2% است. گاهي اوقات در آهنهاي سيليس دار مخصوص، مقدار سيليس از اين حد هم تجاوز مي‌كند.

به سبب روشهاي تصفيه بكار رفته در چدن، هميشه مقدار معيني از منگنز، فسفر و گوگرد در چدن موجود است. به منظور تعيين خواص شيميايي و فيزيكي چدن، عناصر آلياژ كننده‌اي نظير مس، موليبدن، نيكل و كروم به آن مي‌افزايند. ساختمان و خواص چدنها بسيار مختلف است ولي با اين وجود آنها را مي‌توان بصورت زير تقسيم بندي كرد.

چدن خاكستري و عوامل مؤثر بر ساختار آن

1) ساختار ميكروسگوپي :

خواص چدنها عمدتا تابع ساختار ميكروسكوپي مي‌باشد و ساختار ميكروسكپي خود تابعي از تركيب شيميايي و شرايط سردكردن است. 0خود شرايط سردكردن تابع ضخامت قطعه، شرايط قالب است) همچنين ساختار ميكروسكوپي با نحوه عمليات حرارتي نيز تغيير مي‌يابد.

بنابراين ساختمان ميكروسكوپي نيز مانند آناليز شيميايي در تعيين خواص نهايي يك قطعه ريختگي تأثير بسزايي دارد. خواصي نظير قابليت ماشينكاري و مقاومت فرسايشي تقريبا بطور كامل به ساختمان ميكروسكوپي وابسته هستند. ساختمان ميكروسكوپي از دو قسمت اصلي تشكيل شده است پولكهاي گرافيتي و زمينه‌ فلزي كه پولكها را احاطه مي‌كند. ساختمان زمينه چدن خاكستري را به سهولت مي‌توان تغيير داد ولي وقتي گرافيت تشكيل شد، عمليات حرارتي بر روي ساختمان گرافيت تقريبا بي‌تأثير است.

2)اثر زمان خارج ساختن قطعه بر روي خواص آن :

در مورد شرايط قالب مي‌توان گفت: زمان خارج ساختن قطعه بر روي خواص آن تأثير دارد:

خواص ويژه هر قطعه ريختگي چدن خاكستري كه ناشي از ريزساختار آن است، اساسا به سرعت سرد شدن آن قطعه بستگي دارد. سرعت سرد شدن هر قطعه تحت تأثير مدت زماني است كه آن قطعه پس از اتمام ذوب ريزي درون قالب باقي مي‌مانند يا بعبارت ديگر تحت تأثير مدت زمان مابين ريختن مذاب و خارج ساختن قطعه از درون محفظه قالب است.

هر چقدر استحكام در حالت ريختگي بالاتر باشد و يا ضخامت قطعه افزايش يابد، يا هر دو عمل با هم صورت گيرد، بايد زمان خارج ساختن قطعه دقيق تر كنترل شود.

3) تركيب شيميايي و سرعت سرد شدن:

چدنهاي خاكستري غيرآلياژي را مي‌توان آلياژ آهن ـ كربن ـ سيليسيم و فسفر در نظر گرفت اين عناصر بيشترين تأثير را در تعيين ساختار ميكروسكپي ـ سختي و استحكام ريخته‌هاي چدني با ابعاد مختلف دارا هستند. با افزايش مقدار كربن تعداد و درشتي گرافيت‌هاي ورقه‌اي بيشتر شده و در نتيجه استحكام و سختي قطعه تنزل مي‌نمايد. در چدن، نسبت ساختار ميكروسكوپي كه بصورت يوتكتيك گرافيتي منجمد مي شود بوسيله مقدار كربن ـ سيليسيم و فسفر تعيين مي‌گردد.

4) اثر اندازه مقطع ريختگي:

در اثر تغيير اندازه، قطعه، استحكام كششي نيز تغيير مي‌كند در نتيجه مي‌توان گفت كه سرعت سردكردن به اندازه تغيير در تركيب شيميايي داراي اهميت است. در حالكيه تغييرات استحكام چدن ناشي از تغيير در تركيب شيميايي آن معمولا بصورت كم و زياد شدن نسبي فاز آستنيت اوليه و ساختار يوتكتيك توضيح داده مي‌شود، تغييراتي كه در اثر تغيير در ضخامت قطعه در استحكام ايجاد شود بطور عمده به اختلاف در اندازه سلهاي يوتكتيك و اندازه گرافيت‌هاي رشته‌اي مربوط مي‌گردد. با كم شدن مقطع قطعه، سرعت سرد شدن افزايش پيدا كرده و مقاومت چدن نيز افزايش پيدا مي‌كند.

افزايش  سرعت انجماد يوتكتيكي باعث ريزشدن گرافيت‌هاي ورقه‌اي مي‌گردد. ازدياد سرعت سردكردن در قالب بعد از انجماد، باعث افزايش ريزي پرليت و كم شدن مقدار فريت در چدن مي‌گردد.

با افزايش سرعت سردكردن و كم شدن اندازه مقطع قطعه، تمايل چدن به تبريد بالا رفته و احتمال بوجود آمدن چدن سفيد در مقاطع نازك حاصل مي‌گردد. مركز قطعه نسبت به كناره‌هاي آن خيلي آهسته‌تر سرد شده و كناره‌ها و سطوح آزادي كه تبريد شده‌اند باعث كاهش قابليت ماشينكاري مي‌گردند.

5) نقش جوانه زني روي ساختار گرافيت و استحكام :

جوانه زني مي‌تواند روي ساختار گرافيت و زمينه تأثير بگذارد و جوانه زني مناسب مي‌تواند چدني كه در آن كاربيد بوجود مي‌آيد از بين ببرد و زمينه را تحت تأثير قرار دهد. افزودن جوانه زا باعث بالا رفتن تعداد محلهاي مناسب براي شروع انجماد يوتكتيكي شده و بدين ترتيب اندازه سلهاي يوتكتيك كوچك مي‌شود.

با انجام تلقيح صحيح چدن يوتكتيك سلها ريزتر شده و لذا عمل جوانه زني باعث مقاوم تر نمودن چدن مي‌گردد. از سوي ديگر چون افزايش استحكام از طريق كاهش كربن معادل، احتمال سفيد و يا خالدار شدن چدن را بالا مي‌برد حتما بايد از مواد جوانه زا استفاده شود . ريزتر شدن گرافيت‌هاي ورقه‌اي موجود در چدن در صورت ثابت بودن سلهاي يوتكتيكي بشرطي كه در مقدار فريت تغييري ايجاد نشود نيز باعث افزايش استحكام چدن مي‌گردد.

آزمايش گوه (درجه جوانه‌زايي و سفيدي)

درجه جوانه‌زايي چدن بر روي خواص قطعه ريخته شده تأثير دارد. درجه جوانه‌زايي كلا با آزمايش Chill Test در كارگاه معلوم مي‌شود و چنانچه آناليز فلز يكسان باشد، از عمليات ذوب تأثيرپذير مي‌باشد. درجه جوانه زايي كم موجب تمايل چدن به سفيد شدن مي‌باشد به خصوص در گوشه‌هاي آزاد چدن سفيد شده و ساختمان ريز گرافيت مي‌گردد كه اغلب همراه با فريت بوده و نتيجتا سختي و مقاومت كششي كاهش مي‌يابد. از طرفي سطح جوانه زايي زياد موجب تشكيل گرافيت ورقه‌اي با جهت اتفاقي و مقاومت زياد و كاهش تمايل به سفيدي مي‌شودكه هاي تلقيح شده به مقدار زياد داراي مزاياي فوق هستند از طرفي مستعد بوجود آمدن تنشهاي انقباضي داخلي و خارجي مي‌باشند.

آزمايش سفيدي

انواع مختلف چدنها از نظر آناليز چنانچه سريع سردگردند، تمايل به سفيد شدن به درجات مختلف نشان داده اند كه اين تغييرات عمق سفيدي با كربن و سيليسيم رابطه نزديك دارد تمايل  به سفيد شدن با شرايط ذوب آناليز شيميايي و ضخامت قطعه تغيير مي‌نمايد. با آزمايش تعيين عمق سفيدي چدن مي‌توان نوع چدن ريختگي را تعيين كرده و بعلاوه اثرات مواد تلقيح شونده نيز به منظور كاهش عمق سفيدي با اين روش مشخص مي‌كند.

ابعاد نمونه Chill Test

به منظور افزايش سرعت و كاهش قيمت آزمايش سعي بر اين شده كه قطعات نمونه كوچك انتخاب شوند لذا 6 استاندارد و از A تا H تعيين شده است.

روش آزمايش :

نمونه فلز بايد در قالب مناسب ريخته‌گردد و درجه حرارت ريختن بايد استاندارد گردد و ترجيحا باپيرومتر اندازه گيري شود وقتي درجه حرارت فلز در قالب به حدي رسيد كه رنگ آن سرخ تيره شد آن را از قالب بيرون آورده و داخل آب مي نماين0(ابتدا از طرف قاعده وارد آب مي‌كنند) به منظور جلوگيري از تجمع بخار دراطراف  نمونه را بايد در داخل آب به سرعت حركت دادو بعد از خروج از آب نمونه را شكسته و طول سفيدي را اندازه مي‌گيرند.

اين آزمايش داراي ارزش زيادي براي تعيين كيفيت چدن دارد و با تغيير عمق سفيدي نمونه تغيير در آناليز مشاهده خواهد شد.

كلياتي در مورد توليد چدنهاي نشكن

اصولا به منظور توليد چدنهاي نشكن و دستيابي به گرافيت‌هاي كاملا كروي با تزريقي يكنواخت، علاوه بر استفاده از مواد شارژ مناسب، ذوب به روش صحيح و گرم نمودن مذاب تادرجه حرارت هاي فوق گداز لازم، اصلاح تركيب ذوب خصوصا كنترل ميزان عناصر مضر در كروي شدن گرافيت‌ها و در مورد لزوم انجام عملياتي نظير گوگردزدائي مذاب، جوانه‌زني مذاب و نيز باقي گذاشتن ميزان كم ولي مشخصي از عنصر كروي كننده منيزيم در آن از طريق انجام كروي كردن كه با استفاده از آلياژ كروي كننده مناسب و در درجه حرارت مشخص  انجام مي‌گيرد. همگي جزء عواملي محسوب مي‌شوند كه لازم الاجرا بوده و حتما مي‌بايست مدنظر قرار گيرند.

امروزه از روشهاي مختلفي براي افزودن منيزيم به مذاب چدن استفاده مي‌شود كه در اثر آنها، نوع آلياژ كروي كننده تأثير بسزائي در مؤثر بودن روش اعمال شده دارد.

ضمن آنكه روش ذوب نيز عامل ديگري است كه بر انتخاب طريق افزودن منيزيم اثر مي‌گذارد روش ساندويچي، روش فروپري، روش تزريقي، روش توپي متخلخل، روش كنورتورگردان و بالاخره روش اقزودن منيزيم در راه گاه بهترين و عمومي‌ترين روشهائي هستند كه به منظور توليد چدنهاي نشكن مورد استفاده قرار مي گيرند.

عناصر اضافي عبارتند از: S ، O ، Ti ، Bi ، Pb ، Sn ، AS ، Sb ، Cu ،Mn.Te ،  Cr ، B،V كه اثر آنها را بطور خلاصه مي‌توان در گروههاي زير بررسي كرد.

1) عناصري كه بر شش سطحي مذاب تأثير مي‌گذارند و آنها را كلا بعنوان عناصر مضر محسوب مي دارند S ، O و از 003/0% Bi و از 009/0%Pb ، Te ، Sb ، ASو….

2) گروه كاربيدزا كه از بوجود آمدن گرافيت جلوگيري مي‌نمايد مانند: CR ، V ، B ، و….

3) گروه پرليت ساز كه مقطع پرليتي را بوجود مي‌آورند مانند Sn ، Cu ،  Mnو…

درصد عمومي عناصر آلياژي در چدن نشكن به شرح زير است:

كربن             6/3 – 9/3 درصد

منگنز             5/0- تا 7/0 درصد

گوگرد            03/0-تا 06/0 درصد

سيليسيم                  4/2 تا 6/2 درصد

فسفر كمتر از 1/0 درصد

كربن: اصولا مقدار كربن در چدن هاي نشكن بسته به مشخصات قطعات توليدي و روشهاي مورد استفاده و خواص مطلوب نظر مي‌تواند در محدوده 4-3 درصد متغير باشد. ولي عمدتا ميزان اين عنصر را بين 6/3- 8/3 درصد درنظر مي‌گيرند. در چدنهاي نشكن قسمت اعظم كربن بصورت گرافيت‌هاي كروي در ساختار ميكروسكوپي ظاهر گشته و تاحدود 9 درصد حجم را اشغال مي‌نمايد چگونگي تأثير كربن بستگي بسيار زيادي بوجود و ميزان عناصر ديگر خصوصا فسفر، سيليسيم دارد.

تأثير كربن بر روي خواص مكانيكي چدن‌هاي نشكن نسبتا ناچيز مي‌باشد بگونه‌اي كه بازاء هر 1/0 درصد افزايش كربن حدود 350 PSI از استحكام كششي و كمي بيش از اين ميزان از تنش تسليم كاسته مي‌شود. افت ميزان سختي نيز حدود 5 عدد بر ينل بازاء هر 15/0 درصد افزايش كربن بوده و در حاليكه ازدياد طول نسبي خصوصا در حالت ريخته‌گري با زياد شدن ميزان كربن، افزايش يافته و در همين حال بهبودي در ميزان مقاومت بضربه نيز مشاهده مي‌گردد.

سيليسيم : سيليسيم عنصري است كه تأثير بسزايي در خصوصيات ساختاري و مكانيكي چدن‌هاي نشكن داشته و كنترل آن به منظور دستيابي به ساختارها و خواص مطلوب نظر چه در حالت ريختگي و چه بصورت عمليات حرارتي شده، الزامي است بطور معمول ميزان سيليسيم در چدن‌هاي نشكن 8/1-8/2 درصد بوده و با افزايش آن اولا احتمال تشكيل كاربيدهاي يوتكتيكي كاهش يافته و در ثاني ساختار زمينه چه در حالت ريختگي و چه در حالت عمليات حرارتي شده  از پرليتي به سمت فريتي متمايل مي‌گردد.

افزايش يك درصد سيليسيم در چدنهاي نشكن فريتي استحكام كشش اين چدنها را به ميزان حدودا 16000 افزايش داده در حاليكه كاهش ازدياد طول نسبي و سختي به ترتيب حدود 3 درصد و 30 عدد بر نيل خواهد بود.

منگنز: منگتزيكي از عناصر اصلي چدنهاي نشكن است كه حداكثر ميزان آن در چدن هاي نشكن فريتي 2/0 درصد و در چدنهاي نشكن پرليتي 7/0-5/0 درصد مي‌باشد.

منگنز در غياب عنصر گوگرد ترغيب كننده تشكيل پرليت و پايدار كننده آن عمل نموده، بنابراين سبب كاهش فريت در ساختارهاي ريخته‌گري مي‌گردد. علاوه بر آن اين عنصر تشكيل كاربيد را نيز ترغيب مي‌‌نمايد.

افزايش ميزان منگنز تأثير قابل ملاحظه‌اي در افزايش استحكام كششي و تنش تسليم چدن‌هاي نشكن دارد ضمن آنكه در حالت آنيل شده نيز افزايش منگنز موجب افزايش استحكام كششي و تنش خواهد شد.

گوگرد: گوگرد عنصري است كه مقدار آن در چدنهاي نشكن بسيار كم مي‌باشد ولي همين مقدار كم و تغييرات جزئي آن تأثير بسيار زياد و قابل توجهي در ساختار ميكروسكوپي اين چدنها دارد. معمولا در چدنهاي نشكن مقدار گوگرد نهائي بين 005/0 تا 015/0 درصد در نظر گرفته مي‌شود ولي در هر صورت ميزان اين عنصر نبايد از 02/0 درصد بيشتر باشد. بالا بودن ميزان گوگرد با توجه به ميل زياد تركيب ان با منيزيم اولا ميزان ناخالص‌ها و آخالهاMGS را افزايش داده و در ثاني موجب تشكيل گرافيت‌هاي فشرده مي‌شود.

فسفر: فسفر نيز عنصري است كه همواره در تركيب چدنهاي نشكن يافت شده ولي بدليل اثرات مضري كه بر روي خواص مكانيكي، خصوصا ميزان ازدياد طول نسبي، چقرمگي و مقاومت به ضربه دارد، بايد مقدارش را حداقل مقدار ممكن نگه داشته شود.

جوانه زني

جوانه زني و تلقيح فيزيكي از مراحل ويژه و مهم در تهيه  چدن‌هاي نشكن مي‌باشد كه طي آن، موارد ويژه‌اي در مقادير كم و در آخرين مراحل بار ريزي به منظور كاهش تمايل به تشكيل كاربيد يوتكتيكي و ترغيب تشكيل گرافيت به مذاب چدن افزوده مي‌شود.

از نقطه نظر متالورژيكي در نتيجه جوانه زني هسته‌هائي در داخل مذاب ايجاد مي‌گردند كه با ايفاي نقش جوانه در هنگام انجماد ميزان تأخير در انجماد را به حداقل رسانده و بدين ترتيب ضمن ممانعت از تشكيل كاربيدهاي فوق تبريدي، سبب افزايش تعداد گرافيت‌ها در واحد سطح، ريزتر شدن آنها و توزيع يكنواختشان خواهند گشت. گرافيت، اكسيدها، سولفيدها، سيليكون كاربيدها، سيليكات‌ها، حبابهاي گاز و نيتريدها از جمله هسته‌هائي هستند كه به هنگام انجماد مي‌توانند نقش جوانه‌زا را براي گرافيت‌هاي كروي ايفا نمايند.

در چدنهاي نشكن عموما از آلياژهاي فروسيليسيم به عنوان  مواد جوانه‌زا استفاده مي شود كه وجود مقادير كمي از عناصري نظير كلسيم، آلومينيوم، استرانسيوم، زيركونيوم، باريم، منگنز، سريم و ديگر عناصر نادر خاكي بهبود  چشمگيري در كيفيت آن ايجاد نموده و بر اثر بخشي  آن مي‌افزايد.

شكل گرافيت

بهترين خواص مكانيكي در اين نوع چدن ‌ها هنگامي حاصل مي‌گردد كه گرافيت‌ها به شكل كروي كامل باشند چنانچه فرآيند توليد بدرستي انجام نگيرد شكل گرافيت‌هاي بوجود آمده به گونه ديگري خواهد بود. در شكل‌هاي (7) و (8) شكلهاي مختلف گرافيت بوجود آمده در اين نوع چدن نشان داده شده است.

گرافيت نوع I شكل دلخواه گرافيت در چدن بوده و حضور مقدار كمي گرافيت نوع II تأثير كمي بر خواص مكانيكي قطعه دارد . چنانچه حدود تا 10% گرافيت نوع III به همراه گرافتهاي نوع I و II باشد. تأثير جزئي و خواص مكانيكي چدن خواهد داشت. افزايش مقدار گرافيت نوع III از حد 10% ناخواسته و مضر است. گرافيتهاي نوع IV و V شكل هاي غير مطلوب گرافيت بوده و خواص مكانيكي قطعات را به مقدار زيادي تقليل مي‌دهند همچنين براي اندازه گرافيت نوع V دانه بندي مطابق شكل 8 پيشنهاد شده است. شكل گرافيتهاي بوجود آمده در اين نوع چدنها بستگي به درجه حرارت، ضخامت قطعه ريختگي، مقدار منيزيم باقيمانده در مذاب، تلقيح مذاب توسط فروسيليسيم و تركيب چدن پايه دارد. شكل‌هاي نامطلوب گرافيت هنگامي بوجود مي‌آيند كه درجه حرارت ريختن مذاب پايين بوده و قطعات داراي ضخامت زياد بوده، مقدار منيزيم باقيمانده در چدن كم بوده، تلقيح و جوانه زايي انجام شده و كربن معادل چدن پايين باشد.

روشهاي مختلف كروي سازي

روش ساندويچي

كروي نمودن با روش ساندويچي استفاده وسيعي دارد. در حال حاضر تقريبا 70% از توليد چدن نشكن به روش ساندويچي مي‌باشد. اگر عمليات با دقت انجام گيرد، راندمان منيزيم باقيمانده زياد مي‌شود. اكثر ريخته‌گران هنوز به مزاياي اين روش كاملا پي نبرده‌اند. اگر به موارد زير توجه بيشتري بشود، صرفه‌جويي در استفاده از آلياژ فروسيليس منيزيم و نيز افزايش راندمان آن امكانپذير خواهد بود.

1 ـ طراحي پاتيل، مخصوصا ارتفاع پاتيل براي جلوگيري از پاشيدن مذاب، (مقدار زيادي از منيزيم از طريق پاشيدن مذاب به بيرون تلف مي‌شود).

2 ـ ساختن حفره مناسب براي نگه داشتن آلياژ فروسيليس منيزيم و تميز نگه داشتن اين حفره، به اضافه پوشش نسبتا سنگين روي آلياژ فروسيليس منيزيم.

براي روش ساندويچي از پاتيل بلند و نسبتا باريك استفاده مي‌شود. در كف پاتيل حفره‌ايي براي ريختن آلياژ فروسيليس منيزيم و ماده پوشش تعبيه شده است. ماده پوشش مي‌تواند ورق آهن نازك يا براده آهن، پودر كاربيد كلسيم C2Ca يا ماسه رزيني باشد. مواد پوشش، واكنش منيزيم را به تأخير مي‌اندازد به طور يكه ابتدا مقداري ذوب وارد پاتيل شده و آنگاه واكنش شروع مي‌شود. بلافاصله در قسمت بالاي پوشش قسمتي از مذاب منجمد شده و ساختمان آن بصورت دانه‌هاي سريع سرد  شده (Chilled Metal) مي‌گردد و در اثر جوشيدن اين لايه سردتر چدن، راندمان بازيابي منيزيم افزايش مي‌يابد.

براي بازيابي بهتر مواد كروي كننده، بايد به ارتفاع پاتيل دقت نموده و سرعت ريختن را بيشتر نمود. اكثر ريخته‌گريها گزارش مي‌دهند كه بازيابي منيزيم با روش ساندويچي 50% - 40% مي‌باشد. يكي از مضرات اين روش كم شدن دما بعلت ذوب شدن آلياژ فروسيليس منيزيم و مواد پوشش مي‌باشد.

نتيجه آزمايش: پس از آماده شدن ذوب ابتدا 2% فروسيليكو منيزيم و 5/0% فروسيليس براي جوانه‌زايي به مذاب اضافه مي‌كنيم پس ازريختن مذاب درون قالب و سردشدن قطعه آزمايشهاي زير را انجام مي‌دهيم.

آزمايشها:

1 ـ آزمايشگاهي : متالوگرافي

2 ـ كارگاهي : تست صدا -  تست بو ـ تست خمش

1 ـ آزمايشگاهي: نمونه‌اي از قطعه براي متالوگرافي آماده كرده و پس از مراحل آماده‌سازي با محلول نايتال اچ مي‌كنيم نتايج زير حاصل مي‌شود.

 2 ـ كارگاهي:

الف) تست صدا: نمونه‌ي چدن داكتيل را با نمونه خاكستري آن از نظر صداي زنگ مقايسه مي‌كنيم. طنين صدايي شبيه صداي فولاد شنيده مي‌شود.(اين تست به وسيله ميله فولادي توپر انجام مي‌شود)

ب) تست بو: نمونه را از قسمت راهگاه شكسته و مقداري آنرا مرطوب مي‌كينم  بوي تندي شبيه بوي كارپيت مشاهده مي‌شود.

ج) تست خمش: دو نمونه يكسان كه يكي نشكن و ديگري خاكستري است را زير پرس قرار مي‌دهيم. مشاهده مي شود شكست نمونه خاكستري به صورت ترد انجام مي‌شود در حالي كه نمونه نشكن ابتدا خم شده و سپس مي‌شكند(ناحيه تغيير شكل پلاستيك)

ريخته‌گري چدنهاي مقاوم بخوردگي با سيليسيم بالا

چدنهاي آلياژي مقاوم بخوردگي زيادي در مقابل اسيدها و قليائي هاي سوزآور دارند. اين چدنها براساس مصرف سيليسيم، نيكل، كروم، و مس براي افزايش مقاومت بخوردگي به سه دسته تقسيم ميشوند:

1 ـ چدنهاي پرسيليس

2 ـ چدنهاي پركروم

3 ـ چدنهاي پرنيكل

در اين رابطه در اين گزارش به چدنهاي پرسيليس اشاره شده و نحوه آماده كردن شارژ و ريخته‌گري آن ارائه مي‌شود.

چدنهاي پرسيليسيم كه به نام Duriron يا Durichlor مشهورند براي نگهداري و يا حمل اسيدهاي خورنده كاربرد وسيعي پيدا كرده اند. چدنهاي پرسيليس تا 17% تحت شرايط اكسيد كننده نظير اسيدهاي نيتريك و سولفوريك جوشان، به تشكيل پوشش محافظ كمك مي‌كنند. اگر مقدار 5/3 درصد موليبدن به چدن اضافه كنيم، مقاومت آن به اسيدكلريدريك زياد مي‌شود. چدنهاي پرسيليسيم در مقاومت به قليائيها نسبت به چدنهاي خاكستري معمولي نامرغوبتر هستند .  چدنهاي پرسيليسيم خواص مكانيكي فقيري دارند، مخصوصا مقاومت ضربه اي آنها خيلي پائين است، عليرغم اين اشكال، از اين چدن بعنوان يك ماده استاندارد در لوله‌هاي فاضلاب ـ كارخانجات و آزمايشگاههاي شيميايي استفاده مي‌كنند.

چدنهاي پرسيليسم را به دو دسته با ميزان سيليسيم متفاوت بصورت زير دسته بندي مي‌كنيم.

2)     6-4% سيلسيم دارند كه به آنها سيرال گفته مي‌شود كه هم گرافيت مي تواند در آنها كروي باشد و هم ورقه‌اي

1)  نوع پرسيليس كه هم مقاوم به خوردگي مي‌باشد وهم مقاوم به حرارت اين نوع چدن خود به سه دسته تقسيم مي شود. نوع A بدون كروم، نوع B‌: حدود 4% كروم نوع C: آناليز آن مثل نوع B مي‌باشد و در كوره‌هاي خلا ذوب مي‌شود.

نوع A داراي تركيب شيميايي زير است:

ذوب و ريخته‌گري چدن پرسيليسيم

براي ذوب مواد شارژ از كوره بوته اي استفاده مي‌نمائيم و ميزان كربن در اين گونه كوره‌ها تقليل نمي‌يابد بنابراين ممكن است در زمينه كاربيد وجود داشته باشد و يا مثلا بجاي زمينه فريتي، زمينه پرليتي حاصل گردد.

نمونه‌مورد نظر داراي تركيب

مي‌باشد.

پس از ذوب شدن شارژ و افزودن فروسيليسيم اقدام به ريختن نمونه‌هاي آزمايش كرديم.

1) نمونه‌هاي مقاوم بخوردگي را با نمونه خاكستري جهت مقايسه در محلولهاي خورنده انداخته‌ايم تا پس از مدت زماني نسبتا طولاني كاهش وزن و ميزان خوردگي را تخمين بزنيم.

2) متالوگرافي نمونه: متالوگرافي نمونه بصورت زير بود:

ـ نوع گرافيت بصورت ورقه‌اي به فرم I و II

پراكندگي گرافيتها بصورت A

زمينه سوزني شكل كه در بعضي مناطق لايه‌هاي پرليت ديده مي‌شود.

نتايج :

چدنهاي مقاوم بخوردگي همانگونه كه قبلا هم گفته شده است چدنهايي با سيليسيم بالا، در حدود 5/14% مي‌باشند. مقاومت به خوردگي اين چدنها در برابر اسيدها زياد مي‌باشد.

مقاومت به ضربه اين چدنها بسيار پائين است.

جدول زير نشانگر اندازه گيري هاي وزني دو نمونه خاكستري highsi در محيطهاي خورنده است اين جدول تغييرات وزني را بعد از اينكه نمونه ها در اسيد قرار گرفته و در حدود 3 روز در آن بوده اند نشان مي‌دهند.

1 ـ نمونه چدن خاكستري كم سيليس با حجم بزرگتر

2 ـ نمونه چدن خاكستري كم سيليس با حجم كمتر

3 ـ نمونه چدن خاكستري پر سيليس با حجم بزرگتر

4 ـ نمونه چدن خاكستري پر سيليس با حجم كمتر

چدنهاي نيكل كرومي (نايهارد)

نخستين خانواده چدنهاي پرآلياژ كه بيشترين اهميت را كسب كردند. چدنهاي نايهارد بودند با زمينه مارتنزيتي كاربيدي، كربن در آنها از 5/2% تا 6/3% متغير مي‌باشد. در اين چدنها نيكل عنصر اساسي است كه به منظور تعويق انداختن تشكيل پرليت و كاهش سرعت بحراني سردشدن در رنج 3/3% تا 5% بكار مي‌رود كه نتيجتا مارتنزيت به همراه مقداري آستنيت باقيمانده درزمينه ساختار سياه تاب بوجود مي‌آيد.

كروم در رنج 5/3% تا  4% اضافه مي‌شود. براي حصول اطمينان از اينكه مازاد كربن آلياژ بفرم كرابيدهاي پايدار در آمده و همچنين از خاصيت گرافيت زايي نيكل نيز جلوگيري بعمل آيد. تركيب كاربيد بعلاوه مارتنزيت زمينه اي با مقاومت فرسايشي خوب فراهم مي‌كند.

تعيين درصد عناصر آلياژي در چدنهاي نايهارد بستگي دارد. به ابعاد قطعه و خواصي كه از آن انتظار مي‌رود زمانيكه مقاومت فرسايشي خوب و ضربه‌خواري پائين موردنظر باشد كاربيدهاي درشت‌تر انتخاب شده و نتيجتا درصد كربن بين 6/3% -3/3 انتخاب مي‌شود و زماني‌كه قطعه در معرض بارهاي ضربه اي قرار مي‌گيرد كربن بين 2/3-7/2% متغير خواهد بود. درصد نيكل بستگي به سرعت سردشدن و ضخامت قطعه دارد براي قطعات با ضخامت 1 تا 2 اينچ نيكل بين 2/7% -4/3 براي تعويق انداختن در تبديل پرليتي واطمينان از تبديل كامل مارتنزيتي ضروريست. چنانچه ضخامت قطعه بالاتر باشد نيكل از 5/5-4% مورد استفاده قرار مي‌گيرد تا پرليت تشكيل نشود.

به طور كلي اين آلياژها را مي‌توان به دو صورت موردمصرف قرار دارد.

1 ـ حالت سياه تاب: كه در اين حالت مقاومت به ضربه قطعه پائين مي‌باشد و قطعه ماترد است.

2 ـ حالتي كه عمليات حرارتي روي نمونه انجام شده است: روي قطعاتي كه از آلياژ نايهارد ساخته شده‌اند مي‌توان انواع عمليات حرارتي مانند تمپر، كوئنچ، بازپخت را انجام داد كه طي عملياتهاي فوق مقاومت به ضربه و سختي بطور قابل ملاحظه‌اي افزايش پيدا مي‌كند.

بطور كلي چدنهاي مقاوم به سايش به سه دسته تقسيم مي‌گردند.

1 ـ چدنهاي كروم دار (High Cr) كه حدود 35% كروم دارد.

2 ـ چدنهاي Ni-Cr (نايهارد) كه معمولا نيكل اين چدنها بيشتر از درصد كروم مي‌باشد.

3 ـ چدنهاي سفيد تبريدي

تركيب شيميايي :

شرح حال آزمايش و نتيجه گيري

ابتدا محاسبات آلياژ سازي را انجام مي‌دهيم

(5% Ni) برابر 500 gr

(8% Cr) برابر 800 gr

و عمل ذوب ريزي را به صورت زير انجام مي‌دهيم. ابتدا 10 كيلوگرم چدن را به همراه 500 گرم نيكل در كوره ذوب كرده و پس از آماده شدن ذوب كرم را اضافه كرده و به مدت 30 دقيقه به آن فوق ذوب مي‌دهيم. پس قالبها را ذوب ريزي كرده و  نمونه‌ها را از قالب خارج مي‌كنيم و به آزمايشگاه منتقل مي‌كنيم.

ابتدا نمونه‌ها را سنگ زده و آماده سازي كرده و پس تحت متالوگرافي و سختي سنجي قرار مي‌دهيم.

سختي نمونه برابر است با: 71.9 HRA

ساختار نمونه شامل: زمينه مارتنزيتي، پرليتي همراه با آستينت باقي مانده و كاربيدهاي آلياژي نوع اول (M3C , M7C3 , M23C6) مي‌باشد.

بعضي از خواص مهم فيزيكي و مكانيكي چدنهاي Ni – Hard

بعضي از خواص مهم فيزيكي و مكانيكي چدنهاي Ni-Hard

تنش نهايي (تن بر اينچ مربع)              30-18

مدول الاستيسيته (ميليون پوند بر اينچ مربع)      26-24

وزن مخصوص (گرم بر سانتيمتر مربع)    8/7-6/7

خاصيت مغناطيسي                          مغناطيس

انقباض مدل                                  2-3/1%

منابع مورد استفاده :

1)                                                                                                                           Metals  Hand book Vol 5 -  ASTM Internatinal

2)                                                                                                                           مهندسي متالورژي فيزيكي ترجمه افسانه ربيعي

3)                                                                                                                           Metals Hand Book Vol 1 Peroperties and selection

4)                                                                                                                           Iron and steel ASM 1989 Ninth Edition

5) (METALS) Typical Micksturcture of cast Iron