متالوژی گرایش ذوب فلزات - بررسی تأثیر افزودن مس بر ریز ساختار و خواص مكانیكی چدن داكتیل

با كاهش درجه حرارت از درجه حرارت پایداری آستنیت به زیر درجة حرارتی كه در آن تغییر حالت یوتكتوئید به وقوع می پیوندد، آستنیت از نظر ترمودینامیكی ناپایدار می شود در این حالت واكنش پایدار«»نیاز به جوانه زنی فریت در فصل مشترك «آستنیت – گرافیت» دارد جوانه زنی و رشد فریت بایستی با پس زدن اتمهای كربن از حجم استحاله كردة آستنیت همراه باشد، زیرا حلالیت كربن

متالوژی گرایش ذوب فلزات - بررسی تأثیر افزودن مس بر ریز ساختار و خواص مكانیكی چدن داكتیل

چكیده:

با توجه به كار برد وسیع چدنهای نشكن در صنایع كه می تواند جایگزین مناسبی برای برخی از فولادها باشد لذا اهمیت این موضوع سبب گردیده كه در این زمینه تحقیقات فراوانی صورت گیرد.

در این پروژه اثر مس بر ریز ساختار و خواص مكانیكی چدنهای نشكن مورد بررسی قرار گرفته است. ریز ساختار نمونه های مورد آزماش در دو حالت قبل از اچ و پس از اچ بررسی و اثر این عنصر بر ساختار و خواص مكانیكی پرداخته شده است.

 

فهرست

فصل اول: مقدمه

 هدف آزمایش

1-1           چدن با گرافیت كروی

2-1           كروی سازی گرافیت

3-1           مشكلات افزودن منیزیم

4-1    اهمیت جوانه زایی

5-1           انجماد و مكانیزم كروی شدن گرافیت در چدن نشكن

فصل دوم: مروری بر منابع

1-2           تغییر حالت یوتكتوئید در چدنهای نشكن

1-1-2 تشكیل حلقه های فریت در اثر تجزیه آستنیت

2-1-2 تشكیل پرلیت در اثر تجزیه آستنیت

2-2           اثر مس بر سینیتیك تغییر حالت یوتكتوئید در چدنهای نشكن

2-3           اثر مس منحنی های سرد كردن

1-2-2 اثر مس بر منحنی های تغییر حالت برحسب زمان

2-2-2              اثر عناصر آلیاژی بر مكانیزمهای حاكم بر فرایند تغییر حالت یوتكتوئید در چدنهای نشكن

3-2           اثر مس بر ریز ساختار چدنهای نشكن

1-3-2 اثر مس بر ساختار زمینه چدنهای نشكن

2-3-2              اثر مس بر مشخصات گرافیتهای كروی

4-2           اثر مس بر خواص مكانیكی چدنهای نشكن

1-4-2              اثر مس بر سختی چدنهای نشكن

3-4-2              اثر مس بر مقاومت به ضربه چدنهای نشكن

فصل سوم: روش آزمایش

روش آزمایش

فصل چهارم: نتایج

1-4- نتایج حاصل از بررسی ساختار نمونه های مورد آزمایش

2-4- نتایج حاصل از بررسی اثر مس بر ریز ساختار نمونه های مورد آزمایش

3-4- نتایج حاصل از بررسی های اثر مس بر درصد كروی شدن

4-4- نتایج حاصل از بررسی اثر مس بر اندازه گرافیتهای كروی

5-4- نتایج حاصل از بررسی اثر مس بر تعداد گرافیتهای كروی در واحد سطح

6-4- نتایج حاصل از بررسی اثر مس بر ساختار زمینه

فصل پنجم: نتیجه گیری

1-5- اثر مس بر ریز ساختار نمونه های مورد آزمایش

1-1-5- اثر مس بر درصد كروی شدن

2-1-5- اثر بر تعداد گرافیتهای كروی در واحد سطح

3-1-5- اثر مس بر اندازه گرافیتهای كروی

4-1-5- اثر مس بر ساختار زمینه

2-5- اثر مس بر خواص مكانیكی نمونه های مورد آزمایش

1-2-5- اثر مس بر خواص كشتی

2-2-5- اثر مس بر انرژی ضربه

2-2-5- اثر مس بر سختی

3-5- نتیجه گیری

منابع و مآخذ

پیوستها

 

مقدمه:

هدف از انجام آزمایش:

در این آزمایش سعی شده كه به این سؤال پاسخ داده شود كه به علت افزایش سختی در اثر افزودن مس در چدنهای نشكن چیست. لذا لازم می باشد كه مختصری در مورد چدنهای نشكن نكاتی یادآوری شود.

1-1           چدن با گرافیت كروی:

چدنهای نشكن یا چدنهای گرافیت كروی، خانواده ای از چدنها هستند و همانطور كه از اسمشان پیداست شكل گرافیت در آنها كروی است. همین كروی بودن گرافیت ها، باعث افزایش استحكام و چقرمگی در مقایسه با چدنهای با گرافیت ورقه ای می گردد. اصولاً چدن نشكن با افزودن منیزیم Mg در مذاب، تولید می شود. برای كروی شدن گرافیت های قطعاتی كه در قالبهای ماسه ای تولید می شوند مقدار 0.07 – 0.04% منیزیم باقیمانده در قطعات ریخته شده كافی می باشد. برای قطعاتی كه در قالبهای فلزی تولید می شوند مقدار % 0.02 منیزیم باقیمانده كافی می باشد. همانطور كه گفته شد برای كروی نمودن گرافیتها، به منیزیم احتیاج داریم كه اگر میزان منیزیم از حد مورد نظر كمی كمتر باشد، گرافیتهای فشرده با استحكام و چقرمگی پائین تری بدست می آید. اصولاً چدن نشكن در مقایسه با چدن گرافیت ورقه ای، تمایل به تبرید بیشتری دارد و برای بدست آوردن ساختار عاری از كار بید مخصوصاً در مقاطع نازك، لازم است جوانه زایی با آلیاژ سیلیسیم si انجام شود.

اندازه گرافیت كروی می تواند روی خواص مكانیكی تأثیر بگذارد. اندازه گرافیت ها به دو پارامتر بستگی دارد:

1-   آهنگ سرد شدن یا اندازه سطح مقطع. چون مقاطع نازك سریع سرد می شوند، تعداد بیشتری گرافیت كروی خواهند داشت.

2-   جوانه زنی با آلیاژ سیلیسیم، افزایش تعداد گرافیت كروی و كاهش تمایل به تبریدی بودن مخصوصاً در مقاطع نازك را باعث می شود. افزایش مقدار جوانه زا باعث افزایش تعداد گرافیتهای كروی می شود.

در حین ریخته گری این نوع چدن می توان به ساختار زمینه فریت، پرلیت، مخلوط فریت و پرلیت، آستنیت، بینایت و مار تنزیت دست یافت. چدنهای نشكن پرلینی استحكام بالایی دارند ولی چقرمگی آنها كمتر است. چدنهای نشكن فریتی – استحكام كمتری دارند ولی ازدیاد طول مبنی آنها بیشتر و مقاومت به ضربه شان خوب است.

2-1 كروی سازی گرافیت

در حال حاضر، در تمام كارخانه ها، برای كروی نمودن گرافیتهای چدن نشكن از منیزیم، استفاده می گردد. در ضمن عناصر جزئی مانند سریم و عناصر خاكی نادر موجود در آلیاژ فروسیلیكو منیزیم Fe-Si-Mg برای خنثی كردن عناصر جزیی مضرو راندمال بهتر در عمل جوانه زایی، اهمیت زیادی دارند.

روش افزودن منیزیم به روشهای مختلف اعم از ساده و پیچیده می باشد. در انتخاب یكی از روشها برای یك كارگاه معین باید فاكتور های زیادی مورد نظر قرار گیرد و در بین آنها مهمترین فاكتورها با تعیین اولویتها مشخص گردد. فاكتورهای اصلی به قرار زیر می باشند:

1. روش انتخاب شده نباید با ایجاد نور و دود همراه باشد.
2. قیمت تمام شده چدن تولیدی باید حداقل باشد.
3. روش نباید احتیاج به سرمایه گذاری زیاد در تجهیزات داشته باشد.
4. كیفیت چدن تولیدی باید مطلوب باشد.
5. روش باید توانایی ریختن قطعات با وزن های مختلف را دارا باشد.

برای تولید چدن نشكن مرغوب باید كنترل دقیق به عمل آید تا مقدار منیزیم باقیمانده كم یا زیاد نباشد. از آنجائیكه دما و تركیب شیمیای برای بازیابی منیزیم موثر میباشند، فرآیند و مواد مناسب كروی سازی مطلوب، بزرگترین عوامل بالقوه برای تغییرات منیزیم باقیمانده می باشندو

3-1 مشكلات افزودن منیزیم

افزودن منیزیم و آلیاژ آن در مذاب چدن مشكلاتی در پی دارد كه تا كنون در تمام روشهای كروی نمودن كاملاً حل نشده است.

میزان پائین حلالیت: منیزیم بمقدار خیلی كم در مذاب چدن حل می شود. بنابراین آلیاژ منیزیم با آهن بصورت فرومنیزیم Fe- Mg به هیچ وجه مورد استفاده قرار نمی گیرد.

نقطه جوش پائین: وارد كردن منیزیم خالص به چدن مذاب مشكل می باشد زیرا منیزیم در درجه حرارت 1102 می جوشد كه خیلی پائین تر از حرارت مذاب می باشد. بعلاوه فشار بخار زیاد منیزیم در دمای كروی نمودن، حلالیت را بسیار دشوار می سازد.

وزن مخصوص: وزن مخصوص منیزیم كه خیلی پائین تر از وزن مخصوص چدن است. چون منیزیم سبكتر است روی سطح مذاب می آید كه باعث جوشیدن و اكسید شدن منیزیم و نتیجتاً كاهش راندمان بازیابی می گردد.

4-1  اهمیت جوانه زایی:

جوانه زایی چدنها با آلیاژ سیلیسیم به دلایل زیر انجام می گیرد.

1-   افزایش تعداد هسته های یوتكتیكی

2-   كاهش تبریدی (كاهش مادون انجماد)

استفاده از مواد جوانه زا برای تولید چدن نشكن موجب تشكیل مراكز هسته سازی برای رسوب گرافیت می گردد و با بودن این مراكز در طول انجماد رسوب گرافیت آسانتر انجام می گیرد. وجود هسته های گرافیت به تعداد كافی یكی ار عوامل مهم برای جلوگیری از پدیده مادون انجماد (Undercooking) می باشد. بدون وجود هسته ها، كاربیدها می توانند در قطعات تشكیل شوند. وجود كاربید ها موجب نامرغوبی چدن از دیدگاه قابلیت نشكن بودن و ماشینكاری می گردد. علاوه بر آن، گرافیتی كه از تجزیه بعدی كاربید ها به وجود می آید، ممكن است دارای شكل نامنظم باشد. چنانچه تلقیح مواد بشكل مناسب انجام پذیرد. معمولاً هسته های كافی برای انجام عملیات تشكیل می گردد. بطور كلی هسته سازی بیشتر كاربیدها در طول انجماد كمتر بوده است. در حقیقت چنانچه بخواهیم قطعات چدن نشكن می باشد و با انجام این كار ساختار در چدن نشكن ریخته شده، قطعاتی با خواص مكانیكی مناسب خواهیم داشت. این خواص عبارت است از: استحكام كشش و تسلیم، قابلیت انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه می باشند.

5-1    انجماد و مكانیزم كروی شدن گرافیت در چدن نشكن:

در انجماد چدن با گرافیت ورقه ای، یوتكتیك گرافیت و آستنیت تشكیل می شود. در انجماد، این یوتكتیك و گرافیت و آستنیت با مذاب در تماس است. رشد دندریت های آستنیت و هسته های گرافیت ورقه ای تا زمانی كه ذوب كاملاً منجمد شود، ادامه خواهد داشت. انجماد یوتكتیك گرافیت در چدن نشكن نسبت به چدن با گرافیت ورقه ای در دمای بالاتری شروع می شود. در حین انجماد چدن نشكن، پوسته ای از آستنیت پیرامون گرافیت كروی تشكیل می شود. و بهمین علت، فقط فاز آستنیت با مذاب در تماس خواهد بود و چنین انجماد انجمادی را نیویوتكتیك می نامند هر واحد گرافیت كروی و پوسته آستنیت دور آن را می توان یك هسته در نظر گرفت كه كربن باید به داخل این هسته نفوذ كند تا رشد گرافیت كروی و پوسته آستنیت دور آن را به انجماد چدن خاكستری، با سرعت كمتری انجام می شود و با شروع انجماد نیویوتكتیك هسته سازی گرافیت كروی به اتمام می رسد بنابراین تعداد گرافیتهای كروی در مرحله اول انجماد تعیین می شود. با ادامه انجماد تا دمای یوتكتیك گرافیتهای داخل پوسته های آستینیتی به رشد خود ادامه خواهند داد.

تعداد و میزان كروی شدن گرافیتها بر روی خواص چدن نشكن تأثیر بسزایی دارد. وقتی تعداد هسته یا پوسته های آستنیت كم باشد، مناطق برای نفوذ كردن به داخل پوسته آستنیت كمتر شده، و نتیجتاً تعداد گرافیت های كروی كاهش می یابد. بسته به فرایند تولید احتمال ایجاد گرافیت ورقه ای یا كروی ناقص و یا سمنتیت وجود دارد.

شكل شماره 1-1 انجماد یوتكتیكی را با منحنی خنك شدن بررسی می كند.

 

 

 

 

 

شكل 1-1 منحنی انجماد ایده آل واقعی چدن نشكن

 

 

 

 

فصل دوم:

 

مروری بر منابع

 

مروری بر منابع

1-2) تغییر حالت یوتكتوئید در چدنهای نشكن

خواص مكانیكی چدنهای نشكن بستگی به مشخصات ریز ساختار آنها دارد. قسمتی از این ریز ساختار (شكل، اندازه و نحوة توزیع گرافیت) پس از انجماد و یا به عبارتی پس از تغییر حالت یوتكتیك و قسمتی دیگر یعنی ساختار زمینه كه نقش عمده را در تعیین خواص مكانیكی چدن نشكن دارا می باشد، پس از تغییر حالت یوتكتوئید شكل می گیرد ]7-1[ و از نیرو می توان تأثیر عناصر آلیاژی بر روی خواص مكانیكی چدنهای نشكن را به اثر آنها بر تغییر حالت یوتكتوئید و مسائل سینتیكی آن دارای اهمیت زیادی می باشد.

بررسی تغییر حالت یوتكتوئید در چدنها نسبت به فولادها پیچیده تر است. زیرا بر خلاف فولادها كه واكنش فراپایدار «» در آنها واكنش غالب است، در چدنها این تغییر حالت بوسیلة هر دو واكنش پایدار «»كه منجر به تشكیل فریت و گرافیت می شود و واكنش فرا پایدار «» كه منجر به تشكیل پرلیت می شود صورت می پذیرد ]5-1[. بنابراین چون تغییر حالت صورت می پذیرد، باید با در نظر گرفتن سینتیك رشدی كه هر دو واكنش را در برداشته باشد مورد بررسی قرار گیرد ]2[.

به دلیل طبیعت چند جزیی چدنها، واكنشهای پایدار و فراپایدار در یك درجه حرارت ثابت انجام نمی شوند. بلكه در یك محدودة دمایی صورت می پذیرند. محدودة دمایی انجام این واكنشها بستگی به تركیب شیمیائی آستنیت داشته و بوسیلة عناصر آلیاژی تحت تأثیر قرار می گیرد. ضمناً محدودة دمایی انجام هر یك از این دو واكنش می تواند بر روی هم قرار گیرد. ]7 و 6 و4[.

همانطور كه قبلاً نیز اشاره شد این واكنشها حالت رقابتی دارند، بطوریكه در خلال سرد كردن آهسته از میان محدودة دمایی تغییر حالت یوتكتوئید، فریت در دماهای بالاتر تشكیل شده و به رشد خود همراه با رسوب گرافیت ادامه می دهد. با كاهش بیشتر درجه حرارت و رسیدن به محدودة دمایی تشكیل پرلیت، باقیمانده آستنیت به پرلیت تبدیل می شود. عامل كنترل كنندة سرعت در هر دو حالت نفوذ اتمهای كربن در آستنیت است ]14-4[.

 

 

 

 

 

شكل 1-2: مقطعی از نمودار تعادلیسه تایی Fe – C – Si با 2 درصد سیلیسیم ]7[.

شكل 1-2 مقطعی از نمودار تعادلی سه تایی آهن – كربن – سیلیسیم با مقدار ثابت 2 درصد سیلیسیم را نشان می دهد. براساس این نمودار تغییر حالت یوتكوئید در یك نمونه چدن نشكن با تركیب یوتكتیك را می توان به صورت زیر توضیح داد:

بلافاصله پس از كامل شده انجماد چدن نشكن و درست قبل از رسیدن درجه حرارت به دمای تغییر حالت یوتكتوئید، ساختار چدن شامل تركیبی از گرافیتهای كروی در زمینه ای از آستنیت است. میزان كربن محلول در آستنیت در این حالت مطابق شكل 1-2 حدود 57/1 درصد می باد (نقطه E). با ادامه سرد كردن حد حلالیت كربن در آستنیت بطور قابل توجهی كاهش می یابد، در نتیجه كربن از زمینة آستنیت خارج شده و با مهاجرت اتمهای كربن از آستنیت به طرف گرافیتهای كروی، درصد كربن آستنیت كاهش پیدا می كند. بطوریكه با رسیدن درجه حرارت به محدودة دمایی تغییر حالت یوتكتوئید، میزان كربن محلول در آستنیت به حدود 67/0 درصد می رسد (نقطه S). تحت این ظرایط تغییر حالت یوتكتوئید آستنیت به «فریت + گرافیت» در یك محدودة دمایی بین درجه حرارتهای   صورت می گیرد ]شكل 1-2[.

1-1-2) تشكیل حلقه های فریت در اثر تجزیه آستنیت

با كاهش درجه حرارت از درجه حرارت پایداری آستنیت به زیر درجة حرارتی كه در آن تغییر حالت یوتكتوئید به وقوع می پیوندد، آستنیت از نظر ترمودینامیكی ناپایدار می شود. در این حالت واكنش پایدار«»نیاز به جوانه زنی فریت در فصل مشترك «آستنیت – گرافیت» دارد. جوانه زنی و رشد فریت بایستی با پس زدن اتمهای كربن از حجم استحاله كردة آستنیت همراه باشد، زیرا حلالیت كربن در فریت بمراتب كمتر از آستنیت است. كربن پس زده شده از آستنیت به سمت گرافیتهای كروی نفوذ می كند. در حقیقت این گرافیتها كه قبل از تغییر حالت یوتكتوئید شكل گرفته اند (گرافیتهای پرویوتكتوئید) بعنوان یك نوع بانك كربن عمل می كنند، بطوریكه اتمهای كربنی را كه در خلال تشكیل فریت از ساختار زمینه پس زده می شوند، می پذیرند و اتمهای كربن لازم را در خلال تشكیل آستینت در حین عملیات آستنیته كردن فراهم می كنند ]7[.

تشكیل فریت بستگی به سرعت نفوذ كربن در ساختار زمینه دارد. در مرحلة جوانه زنی نفوذ در فاز آستنیت صورت می گیرد در حالیكه به محض تشكیل حلقه های فریت پیرامون گرافیتهای كروی، نفوذ كربن بایستی از میان حلقه های فریت صورت گیرد. در یك درجه حرارت ثابت سرعت نفوذ كربن در فریت حدود 10 برابر سرعت نفوذ كربن در آستنیت است ]7 و 4[ در نتیجه نفوذ كربن در آستنیت عامل كنترل كنندة سرعت می باشد. سرعت نفوذ كربن در آستنیت با كاهش درجه حرارت بصورت نمائی كاهش می یابد و بطور كلی با حضور عناصر آلیاژی در چدن نیز كاهش پیدا می كند ]9و4و2و1[.

طرح ارائه شده در شكل 2-2 به درك بهتر مطالبی كه در بالا به آن اشاره شد كمك می كند ]7[.

 

 

 

 

 

شكل 2-2: الف – طرحی از یك گرافیت كروی در زمینه ای از آستنیت، درست پیش از تجزیه آستنیت

ب- طرحی از تشكیل حلقه فریت پیرامون گرافیت كروی در خلاق تجزیه آستنیت ]7[.

در شكل (الف) 2-2 فرض بر این است كه شعاع گرافیت كروی قبل از تغییر حالت یوتكتوئید آستنیت برابر g₀ است و تركیب شیمیائی آستنیت یكنواخت بوده و دارای 65/0 درصد كربن است. در شكل (ب) 2-2 نشان داده شده كه با شروع تغییر حالت یوتكتوئید حلقه ای از فریت به شعاع f₁ بدور گرافیت كروی تشكیل شده و در اثر رسوب كربن بر گرافیت كروی، شعاع گرافیت كروی از g₀ به g₁ افزایش پیدا می كند. در این حالت مقدار كربن فریت از حدود 02/0 درصد در فصل مشترك «آستنیت – فریت» تا حدود 01/0 درصد در فصل مشترك «گرافیت – فریت» تغییر می كند. این اختلاف غلظت، شیب غلظتی لازم كه در حقیقت همان نیروی محركة لازم برای نفوذ كربن از میان حلقة فریت و از فصل مشترك «آستنیت – فریت» به سمت گرافیت كروی می باشد را فراهم می كند. ادامة رسوب كربن و رشد گرافیتهای كروی را احاطه كرده اند، دارد. این عمل توسط خود نفوذی اتمهای آهن در داخل پوستة فریت انجام می گیرد و مكانیزم آن بر اساس حركت جاهای خالی استوار است ]15-8 و 5-1[. مكانیزم خود نفودهای اتمهای آهن در داخل پوستة فریت می تواند بعنوان یك عامل كنترل كنندة سرعت نیز به حساب آید ولی این موضوع هنر بطور تجربی تحقیق نشده است ]2[.