بخشی از مقاله
چکیده
تلاش برای درک بیشتر انواع مکانیزم های شکل گیری گرافیت و چگونگی جوانه زایی همواره برای تولید چدن ها با کیفیت بالا، جلوگیری از تولید عیوب و بهبود روش های تولید بهینه حائز اهمیت بوده است.در این تحقیق این امر با جزئیات بیشتری بررسی شده است. بدین صورت که تئوری های مختلف در رابطه با شکل گیری گرافیت مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. بر اساس داده های حاصل از انجام آزمایشات، افزایش فروسیلیس به عنوان یکی از مواد جوانه زا، تا مقدار معینی بر جوانه زایی گرافیت مؤثر بوده و باعث بهبود آن می شود. در همین ارتباط نشان داده شده است که با افزودن ۰ تا ۳/۳ درصد فروسیلیس، مقدار گرافیت زایی افزایش یافته، اما در مقادیر بالاتر از آن - ۳/۳ تا ۶/۶ درصد - ، تأثیر منفی می گذارد که این امر می تواند ناشی از تداخل، حضور بیش از حد ماده جوانه زا و سایر عوامل باشد، اما تأثیر سرعت سرد کردن در مقاطع مختلف بیشتر است که در ادامه نشان داده شده است.
واﮊه های کلیدی: گرافیت، چدن، مواد جوانه زا، سرعت سرد کردن، ریزساختار
.1 مقدمه
شکل، اندازه و نحوه توزیع گرافیت در چدن ها بستگی به تعداد جوانه هایی دارد که قبل از شروع انجماد در مذاب وجود دارند. رشد گرافیت می تواند بر روی این جوانه ها انجام یافته و لذا هر قدر تعداد آن ها بیشتر باشد، تعداد گرافیت های ایجاد شده بیشتر و در نتیجه این گرافیت ها کوچک تر نیز می گردند. بطور کلی، مصرف مواد تلقیحی باعث افزایش استحکام، کاهش عیوب در قطعات ریخته گری نظیر حفره های انقباضی و تقلیل مقدار تغذیه ها و افزایش سیالیت مذاب می گردد.
برای بدست آوردن ساختاری عاری از کاربید، به ویژه در مقاطع نازک، لازم است جوانه زنی با فرو سیلیسیم انجام شود. آلیاﮊهای فروسیلیسیم با درصدهای مختلف سیلیسیم به همراه مقادیر کمی از عناصر کلسیم، آلومینیوم، استرانسیوم، زیرکونیوم، باریم، منگنز، سریم و عناصر خاکی به عنوان مواد جوانه زا عمل می کنند: به این صورت که کلسیم، آلومینیوم، استرانسیوم و زیرکونیوم از طریق تشکیل اکسیدها، سولفیدها، سیلیکات ها و یا نیتریدها از طریق طولانی کردن زمان میرایی جوانه های گرافیت، منگنز از طریق پایین آوردن نقطه ذوب آلیاﮊ و در نتیجه افزایش سرعت حلالیت آن، سریم و عناصر خاکی با خنثی کردن اثرات مضر بعضی عناصر جزئی که مانع کروی شدن گرافیت می شوند، می توانند بر جوانه زایی گرافیت در چدن ها تأثیر بگذارند.
در چدن های خاکستری، کربن به صورت گرافیت ورقه ای رسوب می کندکه سه پارامتر شکل گرافیت، نحوه توزیع و اندازه گرافیت ها، بر خواص چدن تاثیر می گذارند و سه عامل ترکیب شیمیایی، سرعت سرد کردن و تلقیح چدن - جوانه زایی - تعیین کننده سه پارامتر قبل می باشد. مجموعه ویژگی های این چدن ها نیز مستقیما˝ به میزان کربن و سیلیسیم که به عنوان دو عنصر قدرتمند گرافیت زا شناخته می شوند، وابسته می باشد؛ همچنین این ویژگی ها به میزان سایر عناصر، افزودنی های آلیاﮊی، متغیرهای فرآیندی مانند روش ذوب، عمل جوانه زنی و نرخ سرد کردن ارتباط دارد.
تاکنون مطالعاتی در زمینه تأثیر عوامل مختلف بر جوانه زایی و رشد گرافیت درچدن ها انجام شده است؛ در تحقیقی که توسط بارانیکی - C.Baraniecki - و همکارش انجام شده است، نشان داده شده که آهن و فروسیلیس هردو باعث افزایش سرعت گرافیت زایی و کاهش دمای جوانه زنی گرافیت می شوند که در این بین تأثیر فروسیلیس در افزایش روند گرافیت زایی بیشتر است، بدین صورت که وجود حدود ۰۲ درصد وزنی آهن و یا فروسیلیس منجر به گرافیت زایی در دماهای پایین تر - حدود . - 400 می شود. آن ها نشان دادند بیشترین میزان گرافیت زایی زمانی حاصل می شود که درصد سیلیسیم در فروسیلیس حدود ۵۲ درصد و اندازه آن نیز در محدوده µ ۵۷-۰۵ باشد. علت افزایش سرعت گرافیت زایی، انتقال سریع اتم های مایع در مذاب گزارش شده است ]۱.[
در بررسی دیگری که توسط ریپوزان - Riposan - و همکارانش انجام شده است، این نتیجه حاصل شد که نسبت بین شعاع جوانه های گرافیت به اندازه هسته متناظر با آن ها - - در چدن های حاوی FeSi
بیشتر از چدن های بدون مواد جوانه زا و در چدن های HP-FeSi - با درصد خلوص بالای فروسیلیس - ، بیشتر از نوع Sr-FeSi و Ca-FeSi است. در این تحقیق، همچنین نشان داده شده که نوع مواد جوانه زا بر اندازه هسته های گرافیت مؤثر است؛ به گونه ای که اندازه این هسته ها در چدن های تلقیح نشده بیشترین مقدار - حدود ۲/۰ میکرون - و به ترتیب در چدن های HP-FeSi و Sr-FeSi و - 0.5μ - Ca-FeSi کمتر می شود. علاوه بر این ثابت شده تعداد ناخالصی های بسیار ریزسولفیدی و اکسیدی/سیلیکاتی - با اندازه ۱ تا ۸ میکرون - در جوانه زایی گرافیت مؤثرند که اندازه این ناخالصی ها خود به سرعت سرد کردن بستگی دارد؛ به گونه ای که هرچه سرعت سرد کردن بیشتر باشد، اندازه آن ها کوچک تر است. در این بررسی، مورفولوﮊی های مختلفی از هسته های تشکیل شده بدست آمد اما ارتباطی بین شکل هسته و مواد جوانه زا مشاهده نشد ]۲.[
از آن جایی که شکل و توزیع گرافیت به میزان زیادی به دمای نگهداری گرافیت در محدوده انجماد بستگی دارد، در تحقیقی دیگر به این موضوع پرداخته شده است. این نتیجه حاصل شد که اگر چدن تا دمای یوتکتیک کوئنچ شود، هر دو نوع گرافیت کروی و لایه ای مستقیما از مذاب شکل می گیرند. با این تفاوت که سرعت تشکیل گرافیت لایه ای بسیار بیشتر از گرافیت کروی است. اگر سرعت سرد کردن به قدر کافی آهسته نباشد، چدن سفید شکل می گیرد. همچنین این نتیجه حاصل شد که در چدن تلقیح شده با منیزیم، سرعت رشد گرافیت لایه ای کم است ]۳.[
در تحقیقی دیگر تأثیر سرعت سرد کردن بر زمان جوانه زایی و ریزساختار چدن های تلقیح شده با منیزیم در قالب های دائمی بررسی شده است. این کار توسط سه روش تغییر در اندازه قطعه، دمای پیش گرم قالب و ضخامت قطعه انجام شد. این نتیجه حاصل شد که فقط مورد اول یعنی افزایش اندازه قالب باعث افزایش زمان جوانه زنی در این چدن ها می شود و دو شرایط دیگر هیچ تغییری در زمان جوانه زنی نداشتند ]۴.[
همچنین در یک بررسی نشان داده شده ترکیبات مرکب - Mn,X - S که X در آن ها عناصری مانند Al,O,Ca,Si,Sr,Ti,Zr,Zn,Fe و غیره است، بر زمینه ذرات Al2O3 جوانه میزنند و مکانهای اولیه برای تشکیل گرافیتهای ورقهای در چدنهای خاکستری جوانهزایی شده و نشده را ایجاد میکنند ]۵.[
برآیند این تحقیقات نشان می دهد که پارامتر های ریخته گری نقش مهمی را در شکل گیری گرافیت ها ایفا می کنند و عملیات حرارتی بعدی نمی تواند موجب حذف چنین تأثیراتی باشد.
در تحقیق حاضر با انجام آزمایشات پر دامنه ای، نمونه های چدنی تهیه و از نظر اندازه، شکل و مورفولوﮊی گرافیت بررسی شده است. این نتایج نشان می دهد که علاوه بر دستاوردهای قبلی ارائه شده توسط محققین، محدوده های مختلف افزایش مواد جوانه زا می تواند رفتار های متفاوتی را نمایش دهد.
۲. مواد و روش تحقیق
