دانلود مقاله ‏اثر عناصر آلیاژی بر میکروساختار و استحکام چدن خاکستری

word قابل ویرایش
27 صفحه
8700 تومان
87,000 ریال – خرید و دانلود

اثر عناصر آلیاژی بر میکروساختار و استحکام چدن خاکستری

خلاصه:
آزمایشات ریخته گری برای تولید چدنهای خاکستری باترکیباتی در محدوده(درصد وزنی):
Fe–۳٫۲C–wCu–xMo–yMn–zSi که w = 0.78–۱٫۷۹, x = 0.11–۱٫۱۷, y = 0.68–۲٫۳۴ و
z = 1.41–۲٫۳۲ انجام شده است.

این عناصر کلیدی بطور سیستماتیک در طی ریخته گری ماسه ای بصورت میلگردهای با قطر ۳۰-mm برای ارزیابی تاثیرشان بر توسعه میکروساختار و خواص مکانیکی،تغییریافتند.معلوم شد که محدوده میکروساختارها از پرلیت کامل تا ترکیبی از آستنیت باقیمانده و فریت بینیتی به اصطلاح آسفریت (ausferrite) تولید شدند و یک همبستگی خطی مستدل بین کسر حجمی شکستن و

استحکام آسفریت مشاهده شد. ترکیب بهینه خواص مکانیکی در یک آلیاژ با ترکیب تقریبی Fe–۳٫۲C–۱٫۰Cu–۰٫۷Mo–۰٫۵۵Mn–۲٫۰Si بدست آمد که ۱۰۰% آسفریت بدون کاربیدهای آلیاژی تولید شد. این آلیاژ یک میکروساختار و خواص مکانیکی قابل مقایسه با چدن خاکستری آستمپر شده بدون مشکلات زیاد همراه با آستمپرینگ داشت.

کلمات کلیدی: چدن خاکستری، میکروساختار، ریخته گری و آسفریت

۱- مقدمه
چدن خاکستری یک گروه وسیع از آلیاژهای ریختگی آهنی است که معمولا” بوسیله یک میکروساختار از گرافیت ورقه ای (flake graphite) در یک زمینه آهنی مشخص می شود. آن اساسا” یک آلیاژ Fe–C–Si شامل مقادیر کوچکی از عناصر آلیاژی دیگر و بیشترین آلیاژ ریختگی مورداستفاده و با تولید جهانی سالیانه ۶ میلیون تن است که چندین برابر دیگر فلزات ریختگی است[۱].

میکروساختار چدن خاکستری معمولا” شامل گرافیت ورقه ای و یک زمینه پرلیت و یا فریت است که خواص مکانیکی، قابلیت ماشینکاری و غیره به آن بستگی دارد. چدنهای خاکستری معمولی، زمینه پرلیتی و استحکام کششی در محدوده ۱۴۰ تا ۴۰۰ Mpa دارند. وسیله اصلی برای بهبود خواص مکانیکی، کاهش کربن معادل است که درصد گرافیت را کاهش و پرلیت را افزایش می دهد. جدول(۱) انواع تجاری چدن خاکستری و خواص مکانیکی مربوط به آنها را نشان می دهد.
برای بهبود خواص چدن خاکستری، تحقیق بر روی گسترش میکروساختار آسفریت بیش از ۴۰ سال انجام گرفته است[۶-۲]. یک بهبود مهم ویژه در خواص، نتیجه ای از گسترش چدن خاکستری

آستمپر شده است[۷-۳]. چدنهای خاکستری آستمپر شده به مهندس چاره هایی با ترکیبات فرایندی/موادی معمولی پیشنهاد می دهد[۷]. از طریق آستمپرینگ، زمینه فریتی یا پرلیتی، چدن خاکستری به یک ساختار سوزنی شامل ۷۰ تا ۸۰% فریت بینیتی بدون کاربید و آستنیت باقیمانده ۲۰ تا ۳۰% تغییر می یابد. چنین ساختاری به اصطلاح آسفریت است[۶]. نشان داده شده است که چنین ساختار زمینه ای، یک چدن خاکستری با یک ترکیب منحصر بفرد از استحکام، مقاومت سایشی، جذب صدا و یا لرزش و تافنس شکست بالا را تولید می کند[۶و۷].

یک عملیات حرارتی معمولی آستمپرینگ چدن خاکستری، آستنیته کردن در دمای ۸۴۰–۹۰۰º C برای چند ساعت بر اساس ترکیب و ضخامت ریختگی و آستمپر کردن در ۲۳۰–۴۲۵º C است[۶و۷].
در حالی که این برنامه زمانی عملیات حرارتی تولید چدن خاکستری با یک محدوده عالی از خواص ، به انرژی قابل ملاحظه و فضای تولید نیاز دارد و ممکن است باعث آلودگی محیطی بعلاوه اکسیداسیون و ترک در اجزا شود. این مشکلات ، تولید گسترده چدن خاکستری آستمپر شده را محدود کرده اند، بنابراین تحقیق بر روی گسترش چدن خاکستری آسفریتی را بوسیله ریخته گری مستقیم وادار می کنند[۵]. کار حاضر قصد دارد نشان دهد که چگونه تغییرات سیستماتیک در اضافه کردن آلیاژی به یک چدن خاکستری معمولی در طی ریخته گری می تواند یک آلیاژ با میکروساختار فریت بینیتی-آستنیتی (آسفریتی) با خواص مکانیکی قابل مقایسه با چدن خاکستری آستمپر شده را تولید کند.

 

جدول(۱): ترکیب و خواص مکانیکی کلاسهای مختلف چدن خاکستری

Class Total carbon (wt.%) Total silicon (wt.%) Tensile strength (MPa) Transverse load on test bar (kg f) Hardness (HB)
20 3.40–۳٫۶۰ ۲٫۳۰–۲٫۵۰ ۱۵۲ ۸۳۹ ۵۶
۲۵ – – ۱۷۹ ۹۸۷ ۱۷۴
۳۰ ۳٫۱۰–۳٫۳۰ ۲٫۱۰–۲٫۳۰ ۲۱۴ ۱۱۴۵ ۲۱۰
۳۵ – – ۲۵۲ ۱۲۹۳ ۲۱۲

۲- تجربی
۲-۱- مواد و روش ریخته گری
هدف اصلی از کار حاضر تعیین تاثیر عناصر آلیاژی کلیدی بر توسعه میکروساختاری چدن خاکستری و اثرآن بر خواص مکانیکی بود. آزمایشات ریخته گری با استفاده از یک ترکیب آلیاژی اصلی حاصله از آمیژانها (جدول۲) و بوسیله تغییر سیستماتیک عناصر آلیاژی که عمده آنها : Mo, Mn, Si, Cu بود، انجام گرفت. ترکیب اصلی نشان داده شده در جدول۲ مربوط به آلیاژ کلاس ۳۵ (جدول۱) است. جدول۲ همجنین نشان می دهد که چگونه Mo, Mn, Si, Cu بطور سیستماتیک از این ترکیب اصلی تغییر می یابند.

چدن خاکستری اصلی در یک کوره القائی در دمای ۱۵۰۰º C ذوب شد که آمیژانها به مذاب برای تولید ترکیب مطلوب، اضافه شدند. از طریق ترکیب کردن در دمای ۱۴۸۰-۱۵۲۰º C ، یک قسمت از مذاب با ترکیب مورد نیاز با یک ملاقه ریخته شد که با ۵/۰ درصد وزنی از آلیاژ ۷۵Si–۲۵Fe تلقیح شد. برای نمونه های متالوگرافی، قالبهای ساخته شده از ماسه سیلیکای خشک مخلوط با رزین

به همراه فالبهایی برای نمونه های تست مکانیکی تولید شده با سیلیکای خشک اما مخلوط با خاک رس و با یک رنگ گرافیتی با زمینه آب، رنگ شد. هر دو نوع قالب با همان مشخصات سرد کردن در طی ریخته گری بعلاوه همان میکروساختار تولید شد[۹]. دمای ریختگری ۱۳۸۰-۱۴۲۰º C بود. در ادامه ریخته گری، همه فالبهای نمونه ها در هوا با دمای اتاق، خنک شدند.
۲-۲- متالوگرافی و خواص مکانیکی

میلگردهای استوانه ای با ۱۲۰ mm× ۳۰mm Ø و ۳۵۰mm×۳۰mm Ø برای آزمایش متالوگرافی و تست مکانیکی ، به ترتیب، با استفاده دومی برای تعیین تنش شکست متقاطع و تست ضربه شارپی ریخته گری شدند[۹]. نمونه ها برای تعیین تنش کششی نهایی (UTS) از نیمه پایین از هر نمونه شکسته متقاطع، ماشینکاری شدند. برای یک ترکیب مفروض، سه نمونه ریخته گری شدند و

میکروساختار خواص مکانیکی تعیین شدند. با ادامه گرفتن ریخته گری، نمونه ها برای متالوگرافی نوری عمود بر محور طولی میلگردهای استوانه ای قرار گرفتند و با دنبال کردن خواص مکانیکی، سطوح شکست با استفاده از میکروسکوپ الکترونی Hitachi S4500 مورد آزمایش قرار گرفتند. اندازه گیری های کسر حجمی از میکرو اجزای زمینه (فریت، پرلیت، آسفریت، مارتنزیت و گرافیت) با استفاده از Adobe Photoshop 6.0 به همراه میکروسکوپ نوری Nikon Epiphot 200 با camera DXM 1200 Nikon digital انجام گرفت.

برای هر نمونه، شش مورد اتفاقی با بزرگنمایی ۱۰۰ با کسر حجمی از میکرو اجزای تعیین شده بوسیله متالوگرافی کمی، مورد تحلیل قرار گرفتند.
جدول(۲): محدوده آلیاژهای مورد استفاده در این کار(درصد وزنی)

Cu Si Mn Mo C
عنصر
<0.005 1.41 0.55 <0.005 3.2 ترکیب آلیاژ اصلی
۰٫۳۲, ۰٫۵۳Mo 1.0Cu 1.0Cu 1.0Cu ترکیب آلیاژهای کنترلی
۰٫۵۵Mn 0.32Mo 0.32Mo 0.55Mn
2.0Si 1.05Mn 1.80Si 2.0Si
0.78-1.79 1.41-2.32 0.68-2.34 0.11-1.17

ترکیب آلیاژی اصلی در ردیف۲ آمده است و آلیاژهای کنترلی در ردیف۳ آمده است و عناصر آلیاژی در این آلیاژهای کنترلی بصورت ردیف۶ تغییر می یابد.
۳- نتایج و بحث
۳-۱-تاثیر عناصر آلیاژی بر توسعه میکروساختاری
۳-۱-۱- مولیبدن(Mo)

برای یک ترکیب اصلی ثابت Fe–۳٫۲C–۱٫۰Cu–۰٫۵۵Mn–۲٫۰Si ، مولیبدن به مذاب در محدوده x = 0.11–۱٫۱۷ (wt.%) اضافه شد. تاثیر مولیبدن بر توسعه میکروساختاری در جدول۳ و شکل۱- الف نشان داده شده است که آن می تواند در بزرگتر از ۰٫۶۲%Mo دیده شود که یک زمینه میکروساختار ۱۰۰% آسفریت بدون تغییر در شکل گرافیت را تولید کند. میکروگرافهای SEM و نوری آلیاژ شامل ۰٫۶۲%Mo در شکل۲ با نشان دادن توزیع یکنواخت نوع گرافیت ورقه ای E (شکل۲-الف) در یک زمینه و (شکل۲-ب) آمده است. برای مقادیر کم Mo ، پرلیت به شکل لایه ای شبیه به پرلیت در فولاد تولید می شود در حالی که برای مقادیر بالاتر Mo ، آسفریت بصورت توزیع سوزنی فریت در زمینه آستنیت تولید می شود. مقدار Mo بیش از ۰٫۹۵% برای تولید کاربید مولیبدن در مرزهای سلول یوتکتیکی معلوم شد.

۳-۱-۲- منگنز و سیلیسیم
۳-۱-۲-۱- Fe–۳٫۲C–۱٫۰Cu–yMn–zSi. : آزمایشات ریخته گری محدود بر روی آلیاژ بدون مولیبدن بوسیله افزایش Mn و Si تا ۲٫۷۵ و ۲٫۹% ،به ترتیب، انجام گرفت[۹]. در غیاب Mo ، آسفریت در طی ریخته گری تولید نشد و یک ساختار پرلیتی با کسر حجمی کم از مارتنزیت تولید شد.

۳-۱-۲-۲- Fe–۳٫۲C–۱٫۰Cu–۰٫۳۲Mo–yMn–zSi. : برای این آلیاژ، اثر Mn و Si در محدوده ۰٫۶۸-۲٫۳۴ و ۱٫۴۱-۲٫۳۲% ، به ترتیب، بر تشکیل میکروساختار آسفریت در جدول۴ با اثر ترکیب بر میکروساختار در شکل۳ نشان داده شده است. نتایج نشان می دهد که با حضور ۰٫۳۲%Mo ، هم Mn و هم Si تشکیل آسفریت را تقویت می کنند و مقادیر Mn و Si بیشتر از ۱٫۰۲ و ۱٫۴۱% ، به ترتیب، برای تولید زمینه میکروساختار شامل ۹۵% آسفریت و تقریبا” ۵% مارتنزیت لازم است. شکل۴

میکروساختار ریختگی چدن خاکستری شامل ۱٫۲۵%Mo و ۲٫۰%Si را با نشان دادن ۹۵% آسفریت و تقریبا” ۵% مارتنزیت (ناحیه خاکستری سیاه در منطقه مرکزی شکل۴) و بدون گرافیت ورقه ای E را ارائه می دهد.که آن شبیه ناحیه های مارتنزیت است چنانچه در شکل۴ نشان داده شده، یک نتیجه از جدایش در آلیاژ ریختگی است بنابراین ناحیه های اشباع برای تبدیل به فریت بینیتی در طی سرد کردن ناتوان هستند اما به مارتنزیت تجزیه می شوند. برای یک مقدار Si مفروض (۱٫۴۱-۲٫۳۲%) ، مقادیر Mn بزرگتر از ۱٫۵۲% ، بینیت کمتری، مارتنزیت و مقداری آستنیت تولید شد(جدول۴).

شکل(۱) : تاثیر Mo بر Fe–۳٫۲C–۱٫۰Cu–۰٫۵۵Mn–۱٫۸Si ( a : ارائه فازها در میکروساختار b,c : خواص مکانیکی)

دول(۳) : اثر Mo بر میکروساختار ریختگی xMo–۰٫۵۵Mn–۲٫۰Si Fe–۳٫۲C–۱٫۰Cu–

گرافیت ورقه ای ساختار زمینه (%) Mo%
درصد نوع پرلیت بینیت آستنیت
۷٫۵ E 100 0 0 0.11
8.2 E 100 0 0 0.22
7.9 E 94.5 4.7 0.8 0.31
7.5 E 80.2 16 3.8 0.40
6.8 E 28 50.9 21.1 0.51
6.5 E 5 68.2 27.8 0.62
6.7 E 2.3 69 28.7 0.73
6.4 E 0 68.1 31.9 0.95
6.1 E 0 68.7 31.3 1.17

شکل(۲) : a : نوری و b : میکروگراف SEM از چدن خاکستری ریختگی شامل ۰٫۶۲%Mo با نمایش توزیع گرافیت ورقه ای و زمینه کاملا” آسفریت.

شکل(۳): اثر Mn و Si بر کسر حجمی آسفریت در چدن خاکستری ریختگی(۰٫۳۲%Mo-1.0%Cu)

جدول(۴) : افزودنی های آلیاژی و ارائه فازها در نمونه های متالوگرافی از آلیاژ Fe–۳٫۲C–۱٫۰Cu–۰٫۳۲Mo–yMn–zSi

مارتنزیت(%) پرلیت(%) بینیت(%) آستنیت(%) Si% Mn%
1-2 98 0 0 1.41 0.68
1-2 98 0 0 1.63
1-2 98 0 0 1.85
1-2 98 0 0 2.10
1-2 98 0 0 2.32
1-2 98 0 0 1.41
1-2 98 0 0 1.63
1-2 98 0 0 1.85
1-2 98 0 0 2.10
1-2 98 0 0 2.32
3.1 78 13.1 5.7 1.41

۴٫۲ ۴۱٫۲ ۴۰٫۰ ۱۴٫۶ ۱٫۶۳
۱٫۸ ۲۷٫۳ ۵۰٫۴ ۲۰٫۵ ۱٫۸۵
۲٫۳ ۱۵٫۸ ۶۱٫۶ ۲۰٫۳ ۲٫۱۰
۱٫۵ ۸٫۷ ۶۸٫۷ ۲۱٫۱ ۲٫۳۲
۵٫۵ ۶۱٫۳ ۲۳٫۰ ۱۰٫۲ ۱٫۴۱
۴٫۹ ۷٫۵ ۶۵٫۴ ۲۲٫۲ ۱٫۶۳
۴٫۳ ۵٫۶ ۶۸٫۰ ۲۲٫۱ ۱٫۸۵
۴٫۲ ۴٫۸ ۶۸٫۴ ۲۲٫۶ ۲٫۱۰
۵٫۴ ۱٫۷ ۶۹٫۹ ۲۳٫۰ ۲٫۳۲
۲۲٫۸ ۰ ۵۰٫۲ ۱۷٫۰ ۱٫۴۱
۳۳٫۵ ۰ ۵۰٫۵ ۱۶٫۵ ۱٫۶۳
۳۴٫۴ ۰ ۵۵٫۶ ۱۰٫۰ ۱٫۸۵

۳۴٫۲ ۰ ۵۶٫۴ ۹٫۴ ۲٫۱۰
۲۲٫۳ ۰ ۵۷٫۲ ۹٫۵ ۲٫۳۲
۹۳٫۳ ۰ ۰ ۶٫۷ ۲٫۱۰
۹۲٫۶ ۰ ۰ ۷٫۴ ۲٫۳۲

همه آلیاژها شامل گرافیت ورقه ایE هستند.

شکل(۴) : میکروگراف نوری با نمایش میکروساختار آسفریت در Fe–۰٫۳۲Mo–۱٫۰Cu–۱٫۲۵Mn–۲٫۰Si با نشان دادن ناحیه مارتنزیتی(قسمت مشکی).
۳-۱-۳- مس
برای یک ترکیب اصلی ثابتFe–۳٫۲C–۰٫۵۵Mn–۲٫۰Si ، مولیبدن به مذاب با غلظت ۰٫۳۲ و ۰٫۵۳% اضافه شد و سپس به همراه Cu در محدوده ۰٫۷۸-۱٫۷۹% تغییر یافت. تاثیر Cu بر توسعه میکروساختار در جدول۵ داده شده است. واضح است که یک مقدار کم Mo (0.32%) ، آسفریت را تولید نمی کند در حالی که ۰٫۵۳%Mo برای تولید افزایشی کسر حجمی از آسفریت(۰-۹۵٫۹%) با افزایش مقدار Cu کافی است. این گرایش ها عموما” شبیه به دیگر عناصر آلیاژی هستند.
۳-۲- مورفولوژی آسفریت

آسفریت برای تشکیل در طی ریخته گری مستقیم چدن خاکستری بوسیله کنترل افزودنی های آلیاژی Mo, Mn, Si, Cu نشان داده شده است. این ترکیب معمولا” شامل فاز خشن پر مانند، معمولا” به اصطلاح فریت بینیتی [۷-۳]، جاسازی شده با ذرات آستنیت باقیمانده ( شکل۲) است. با استفاده از پراش X-ray و میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داده شده است[۹] که یک فاز

BCC بدون کاربید است. بعلاوه، پراش بازپخشی الکترونی با دقت بالا high-resolution electron backscatter diffraction) ) (HR-EBSD) در یک FEGSEM [11] نشان داده است که و در آسفریت از نظر کریستالوگرافی بوسیله رابطه جهت Kurdjumov–Sachs به هم مربوط می شوند: {۱ ۱ ۱}γ//{۰ ۱ ۱}α و (۰ ۱ ۱) γ//(۱ ۱ ۱) αکه مشخصات کریستالوگرافی همچون آسفریت دارد که در چدن داکتیل آستمپر شده تشکیل می یابد[۱۲].

۳-۳- روش تجزیه آستنیت
چندین نفر نشان داده اند که افزودنی های آلیاژی به چدن خاکستری بطور موثر ترتیب استحاله را برای تولید یک محدوده از میکروساختارها اصلاح می کنند.برای مثال، Hayrynen و همکاران [۵] ، Mo و Cu را در چدن خاکستری Fe-C-Si تغییر دادند و نشان دادند که میکروساختار کاملا” آسفریتی می تواند در اندازه های کوچک تولید شود که در اصل، نیاز به آستمپرینگ را حذف می کند. کار حاضر همچنین نشان داده است که تغییر سیستماتیک مقادیر Mo, Mn, Si, Cu در طی ریخته گری می تواند محدوده وسیع از میکروساختارهای ریختگی (پرلیت کامل، مارتنزیت یا آسفریت با مقادیر آلیاژی بالا همچنین تولید کننده کاربیدهای آلیاژی) را تولید کند.

جدول(۵): اثر Cu بر میکروساختار ریختگی Fe–۳٫۲C–wCu–xMo–۰٫۵۵Mn–۲٫۰Si

گرافیت(%) پرلیت(%) بینیت(%) آستنیت(%) Cu(%) Mo(%)
6.8 100 0 0 0.91 0.32
6.5 100 0 0 1.26
6.6 100 0 0 1.40
7.1 97 3.0 0 1.48
7.5 95.9 4.1 0 1.65
7.8 96.8 3.2 0 1.72
6.3 86.5 10.9 2.6 0.78 0.53
6.2 33.8 48.6 12.3 0.98
6.7 31.6 55 13.4 1.05
6.9 22.3 58.6 19.2 1.14

۷٫۳ ۱۱٫۵ ۶۵ ۲۳٫۵ ۱٫۳۶
۷٫۱ ۸٫۸ ۶۸٫۲ ۲۳ ۱٫۷۵
۷٫۸ ۴٫۷ ۶۸٫۱ ۲۷٫۸ ۱٫۷۹
ترتیب عمومی استحاله در چدن خاکستری ریختگی طی سرد شدن پیوسته تا دمای محیط شبیه به آنچه که بوسیله آستمپرینگ تولید می شود است.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 27 صفحه
87,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد