بخشی از مقاله
تاثير دماي بارريزي ، نوع ماسه و پوشان بر سياليت چدن نشکن در قطعات جداره نازک
چکيده :
چدن نشکن به دليل برخورداري از استحکام و انعطاف پذيري بالا، قابليت ريخته گري و ماشينکاري مناسب و مقاومت به سايش و ضربه بالا به راحتي ميتواند به جاي فولادها و آلياژهاي سبک در توليد قطعات جداره نازک به کار گرفته شود. در اين تحقيق سعي گرديده است تا با بررسي تاثير دماي بارريزي، مشخصات قالب ماسه
CO2 و مشخصات پوشان بر سياليت چدن نشکن در قطعات نازک، شرايط بهينه ريخته گري اين نوع قطعات معرفي گردد. بدين منظور تسمه هاي چدن نشکن با کربن معادل ٤.٢٩ =CE از ضخامت هاي ١ تا ٨ ميليمتر در دماهاي بارريزي ١٤٠٠، ١٤٥٠ و ١٥٠٠ درجه سانتيگراد ريخته گري شدند. براي تهيه قالب ها از ماسه سيليسي با دو عدد ريزي٥٨ AFS GFN و ٧٤ AFS GFN و در دو حالت پوشش دهي شده با پوشان پايه گرافيتي مولدکت ٦٣٣ (شرکت فارسيران ) و بدون پوشش استفاده گرديد. نتايج بدست آمده نشان ميدهد که بارريزي در دماي ١٥٠٠ درجه سانتيگراد، بکارگيري ماسه ريزتر (با عدد ريزي ٧٤) در مخلوط قالب گيري و استفاده از پوشان پايه گرافيتي
(٦٣٣ Mold Cote) بر روي قالب باعث افزايش سياليت ميگردد.
کلمات کليدي : قطعات ريختگي جداره نازک . چدن نشکن . دماي بارريزي . ماسه سيليسي . عدد ريزي
. پوشان پايه گرافيتي.
مقدمه
صنعت ريخته گري جهت پاسخگويي نياز بازار به توليد قطعات نازکتر و با ابعاد دقيق تر، در جستجوي روشها و مواد مناسب براي ريخته گري قطعات با کيفيت بالا، وزن پائين و با هزينه کمتر بوده است . در سالهاي قبل اصطلاح قطعات نازک در صنعت اتومبيل جهت توليد قطعات اصلي مثل سر سيلندر، بدنه سيلندر و منيفولد خروجي اگزوز و به طور مشخص براي ضخامتهاي کوچکتر يا مساوي mm ٦ بکار گرفته مي شد ولي تدريجاًً مصداق اين اصطلاح به ضخامت 5mm و سپس mm ٤ کاهش يافت . امروزه ، قطعات با ضخامت 3mm در طراحي ها ديده مي شود و در مورد ضخامت هاي mm ٢ و mm ١ نيز به خصوص در مورد قطعات تحت نيروي کمتر مثل منيفولد بحث و بررسي صورت مي پذيرد[١]. اهميتي که محققان براي قطعات با مدول ريختگي پايين (نازک) قائل هستند از آن جهت است که امروزه توجه روز افزون به ذخيره انرژي منجر به گسترش استفاده از مواد سبک و فرآيند هاي جديدي شده است که وزن قطعات ضمن محفوظ ماندن خواص اوليه شان کاهش يابد. در اين ميان چدنهاي نشکن به دليل برخورداري از استحکام و انعطاف پذيري بالا، قابليت ريخته گري و ماشينکاري مناسب و مقاومت به سايش و ضربه بالا به راحتي ميتوانند جايگزين فولادها و آلياژهاي غيرآهني در ريخته گري قطعات جداره نازک شوند و الزامات طراحي را در کاربردهاي مختلف برآورده سازند. استفاده از قطعات چدن نشکن با ديواره هاي نازک در سيستمهاي حمل و نقل و صنعت خودرو به سبب کاهش وزن منجر به ذخيره انرژي و آلودگي کمتر محيط زيست در اثر کاهش مصرف سوخت مي گردد[٢].
الف - مشکلات ريخته گري قطعات جداره نازک چدني
مهمترين مشکلات توليد قطعات ريختگي چدني با مقاطع نازک عبارتند از:
پر ننمودن محفظه قالب (سياليت کم )
تشکيل کاربيدهاي يوتکتيکي (سفيد شدگي)
نتيجه مطالعات انجام شده توسط محققين نشان ميدهد که عوامل بسياري بر ميزان سياليت و سفيد شدگي قطعات ريختگي جداره نازک چدن نشکن موثر هستند که به منظور برطرف نمودن مشکلات توليد، شناخت آنها ضروري و اجتناب ناپذير است ]٣[. به دليل مزاياي اقتصادي، تحقيقات در اين زمينه اکثرًا معطوف به ريخته گري ثقلي در قالبهاي غيرفلزي و به خصوص ماسه اي گرديده است ].٤[
ب - سياليت
متالورژيست ها، سياليت را تحت عنوان قابليت فلزات و آلياژها در جريان يافتن و پرکردن قالب جهت تهيه قطعه مورد نظر، تعريف مينمايند. مهمترين عوامل موثر بر سياليت فلز مذاب ويسکوزيته ، حرارت ذخيره شده در مذاب ، مشخصات انجمادي آلياژها، کشش سطحي و خيس کنندگي مي باشند].٥[ هرچه ويسکوزيته مذاب بيشتر باشد، سياليت آن کمتر خواهد بود. ويسکوزيته فلزات مذاب و آلياژها تفاوت زيادي با ويسکوزيته آب در دماي ٢٠ درجه سانتيگراد ندارد. به عنوان مثال ، ويسکوزيته فولاد در دماي ١٥٥٥ درجه سانتيگراد برابر gm cm.sec ٠.٠٢٦٠ ، روي برابر gm cm.sec ٠.٠١٤ ، آلومينيوم برابر gm cm.sec ٠.٠٢ و آب در ٢٠ درجه سانتيگراد برابر gm cm.sec ٠.٠١٠٧ ميباشد. تاثير ويسکوزيته بر سياليت ، بيشتر در فرآيند سردشدن مذاب هنگاميکه در طول کانالهاي قالب جريان مييابد، مشخص ميگردد. بطوريکه با کاهش دما، ويسکوزيته افزايش مييابد. مقدار ويسکوزيته و تغييرات آن حين فرآيند انجماد مذاب ، تعيين کننده سرعت حرکت مذاب درون قالب ميباشد [٦]. مدول کم قطعات جداره نازک سبب خروج سريع گرما از مذاب و در نتيجه کاهش توانايي پر کردن قالب
(سياليت ) و نهايتاً بوجود آمدن عيوبي هم چون نيامد کردن مي گردد. يکي از مهمترين جنبه هاي مربوط به توليد موفقيت آميز قطعات جداره نازک چدن نشکن ، اطمينان يافتن از اين است که مذاب قبل از انجماد حفرات قالب را
به طور کامل پر کند. سياليت مذاب را مي توان به راحتي با تنظيم ترکيب شيميايي و نيز دماي بار ريزي چدن مذاب کنترل نمود. بيان متالورژيکي کاملي در خصوص تاثير متغيرهاي فرآيند بر کشش سطحي چدن مذاب وجود ندارد و در مورد ميزان توانايي چدن جهت پر کنندگي قالب اطلاعات محدودي وجود دارد. چگونگي رفتار پر کنندگي قالب براي چدن نشکن در قطعات جداره نازک با توجه به سياليت ، فيلترگذاري سيستم راهگاهي و تغذيه گذاري ، روشهاي ريخته گري در خلاف جهت نيروي نقل و ذوب ريزي تحت خلاء نياز به بررسي دارد [٧]. عوامل کنترل کننده در تعيين توانايي پر کنندگي قالب با توجه به مشخصات فلز مذاب (کشش سطحي ، ترکيب شيميايي و دماي بار ريزي) و مواد قالب و پوشان (خواص حرارتي قالب ، تاثير ترکنندگي قالب توسط فلز مذاب ) بر روي سرعت انتقال گرما از مذاب به قالب ، تاثير خواهند داشت و همچنين مي توانند سبب بروز مقاومت در جريان مذاب گردند. جنس قالب علاوه بر اينکه کنترل کننده سرعت انجماد و سرد شدن قطعه مي باشد، بر تعداد گرافيتهاي کروي در واحد سطح مقطع نيز اثر ميگذارد [٨].
ج - نحوه انجماد در قطعات جداره نازک چدن نشکن
قطعات جداره نازک چدن نشکن هنگام انجماد تمايل به سفيد شدگي و نيز ايجاد حفرات ميکروسکوپي دارند که به شدت بر روي خواص مکانيکي و قابليت ماشينکاري آنها تاثير منفي مي گذارد. بررسي نحوه انجماد قطعات جداره نازک چدن نشکن امري مهم و اساسي در جهت کنترل عيوب انجمادي ميباشد. مطالعات زيادي بر روي نحوه انجماد قطعات نازک چدن نشکن با ضخامت مقطع معمولي انجام پذيرفته است . مراحل انجماد در اين حالت به صورت شماتيک در شکل ١ نمايش داده شده است [٩].
شکل ١: نمايش شماتيک چگونگي انجماد چدن نشکن ريختگي در مقاطع معمولي [٩].
جهت مشخص نمودن ساختار انجمادي از روشهاي متالوگرافي رنگي استفاده مي شود، چرا که روشهاي متداول متالوگرافي، اطلاعاتي در خصوص فازهاي تشکيل شده در دماي بالا فراهم نمي آورد. به طور مثال ، آستنيت تشکيل شده حين انجماد را نمي توان توسط روشهاي متالوگرافي معمول تشخيص داد و فقط توسط روش متالوگرافي رنگي قابل تشخيص مي باشد. انجماد قطعات ريختگي جداره نازک چدن نشکن تحت شرايطي همراه با ميزان بالاي تحت تبريد صورت مي پذيرد. ميزان بالاي سرعت سرد شدن موجب انجماد غير تعادلي مي گردد. به عنوان مثال ، دندريت هاي آستنيت اوليه در چدن مذاب هايپريوتکتيک تشکيل مي گردد. بر اساس نتايج تجربي به دست امده ، مراحل مربوط به انجماد قطعات جداره نازک چدن نشکن را مي توان به شرح ذيل توضيح داد [٩]. ابتدا، در دمايي کمتر از دماي يوتکتيک ، جوانه هاي دندريت هاي آستنيت اوليه تشکيل و تحت شرايط غير تعادلي شروع به رشد مي نمايند. دندريت ها نازک و طويل بوده و به طور عمود بر سطح قطعه و در راستاي ضخامت رشد مي کنند، زيرا در راستاي ضخامت ديواره ، سرعت انجماد و انتقال حرارت بيشتر از مقدار آن از مرکز به سمت لبه ها مي باشد. با افزايش ضخامت جداره ، دندريت ها کوچکتر و کمتر مي شوند. در مرحله دوم ، بعد از جوانه زني دندريت هاي آستنيت ، کره هاي گرافيتي در نزديکي دندريت هاي آستنيتي جوانه مي زنند، زيرا مذاب بين آستنيت ها از کربن اشباع شده است . در مرحله سوم ، دندريت هاي در حال رشد، گرافيتهاي کروي را در بر مي گيرند و يا آستنيت يوتکتيکي در اطراف ذرات گرافيتي جوانه مي زند. درمرحله چهارم ، لايه هاي آستينيتي ، گرافيتهاي کروي را در بر مي گيرند و کره ها تا مصرف کامل فاز مذاب به رشد خود ادامه مي دهند. مراحل مذکور به صورت شماتيک در شکل ٢ نمايش داده شده است .
شکل ٢: نمايش شماتيک چگونگي انجماد چدن نشکن ريختگي جداره نازک [٩].
مقايسه چدن نشکن معمولي و چدن نشکن جداره نازک مشخص مي گرداند که چدن نشکن جداره نازک از لحاظ مراحل انجمادي مشابه چدن نشکن نرمال مي باشد، اما از نظر نحوه ساختار انجمادي متفاوت است . به عنوان مثال ، بر خلاف آنچه در مورد چدن نشکن نرمال اتفاق مي افتد، رشد دندريت ها و کره هاي گرافيتي در قطعات جداره نازک چدن نشکن جهت دار است . اين رشد جهت دار، سبب افزايش جدايش ميکروسکوپي عناصر آلياژي در قطعات جداره نازک چدن نشکن و تاثيرگذاري بر روي خواص اين قطعات مي گردد [٩]. چدن نشکن به عنوان يک آلياژ سه تايي Fe-Si-C مي باشد که در آن کربن به صورت کره هاي گرافيتي رسوب ميکند. انجماد چدن نشکن شامل جوانه زني و رشد دو فاز مختلف بوده و بسيار پيچيده مي باشد. تصور مي شود رشد کرات گرافيتي توسط نفوذ کربن از پوسته آستنيت کنترل ميشود. شبيه سازي هاي انجماد چدن نشکن معمولاً بر اساس مدلي مي باشد که در آن گوي هاي گرافيتي و پوسته هاي آستينتي به عنوان کره هاي متحدالمرکز در حال رشد مي باشند. اگر چه نتايج آزمايشهاي تجربي بيانگر اين مطلب است که دندريت هاي آستنيت نقش مهمي در انجماد چدن نشکن ايفا مي نمايند (حتي در چدن هايپريو کتيک ) [٢]. مشاهده شده است که دندريتهاي آستنيتي که در مذاب هاي هايپرتوتکنيک وجود دارند، تاثير بيش تري
در صفحات نازکتر نسبت به ضخامت ضخيم تر دارا مي باشند. گزارش گرديده است که در صفحات نازک تر از ٤⁄٣
ميليمتر، انجماد در ابتدا کوتاه بوده و توسط جوانه زني و رشد دندريت هاي آستنيتي (آستنيت هاي غير يوتکتيکي) انجام مي شود. در مقابل در صفحات با ضخامت ٨ ميليمتر، انجماد تنها يک مرحله دارد [١٠].
روش تحقيق
ابتدا مدل نمونه هاي آزمايشي تسمه اي مطابق شکل ٣ بر اساس مدل پيشنهادي جان کمبل [١١] طراحي گرديد و سپس از روي نقشه طراحي شده ، مدل چوبي ساخته شد. محاسبات انجام شده جهت طراحي سيستم راهگاهي به گونه اي انجام پذيرفت که سرعت ورود مذاب به تمام تسمه ها مساوي باشد. به اين منظور راهبار مربوط به ورود مذاب به داخل تسمه ها به صورت پله اي درنظر گرفته شد. براي قالب گيري از دو نوع ماسه سيليسي با عدد ريزي ٥٨ و ٧٤ (AFS GFN) به همراه ٣.٥ درصد چسب سيليکات سديم استفاده شد. پس از عمليات کوبيدن ماسه ، از طريق دمش گاز CO2 در درون منافذ قالب ، استحکام مناسبي به قالب داده شد. از پوشان پايه گرافيتي مولدکت ٦٣٣ ساخت شرکت فارس ايران با ديرگدازي بالا بر روي نيمي از قالب ها استفاده گرديد.
شکل ٣: نماي مدل استفاده شده در اين تحقيق براي ريخته گري تسمه ها با ضخامت مختلف (واحد ميليمتر)
ابتدا شمش هاي اوليه در کوره القائي فرکانس متوسط با ظرفيت دو تن ذوب گرديد و سپس مذاب تهيه شده تا دماي 1500oC حرارت داده شد. در اين مرحله بمنظور تنظيم ترکيب شيميائي و انجام عمليات کروي نمودن گرافيتها به روش ساندويچي ٢.٥ درصد ماده کروي کننده فروسيليسيم منيزيم در کف پاتيل پانصد کيلوئي پيشگرم شده مخصوص ، قرار داده شد. بعد از انجام عمليات کروي کردن ، عمليات جوانه زائي با اضافه نمودن ٢.٢ درصد ماده جوانه زاي سوپرسيد٧٥ ساخت شرکت الکم سوئد (Elkem) صورت گرفت . آناليز نهائي مذاب استفاده شده در جدول ١ نشان داده شده است . توسط ترموکوپل دماي مذاب داخل پاتيل اندازه گيري شد و سپس مذاب ريزي انجام پذيرفت . مذاب ريزي در سه دماي مختلف 1400oC، 1450oCو 1500oC بمنظور بررسي تاثير دماي بارريزي بر سياليت و خواص نهائي قطعات صورت پذيرفت . سپس قطعات ريخته گري شده از قالب تخليه گرديد و نمونه هاي بدست آمده بصورت کامل تميز شدند تحت بررسي سياليت قرار گرفتند. در اين مرحله طول پر شده تسمه ها توسط مذاب در هريک از مقاطع به عنوان ميزان سياليت مذاب در نظر گرفته شد و نتايج مربوط به هريک از حالتها ثبت گرديد.
جدول ١: ترکيب شيميائي مذاب نهائي مورد استفاده جهت ريخته گري چدن نشکن
