مقاله در مورد چدن های مقاوم به اکسیداسیون و حرارت حاوی آلمینیوم

بخشی از مقاله

چدن های مقاوم به اکسیداسیون و حرارت حاوی آلمینیوم

چدنهای آلومینیوم دار در دو نوع خاکستری و داکتایل وجود دارند. در یکی از انواع آلومینیوم جایگزین سیلیسیم میشود و در نوع دوم آلومینیوم علاوه بر سیلیسیم در چدن حاضر است. این چدنها بخاطر داشتن عناصر آلیاژی نسبتا ارزان و مقاومت خوب در برابر حرارت وخزش در گستره دمائی 570 تا 980 درجه سانتیگراد مورد توجه قرار گرفته است.
مقاومت در برابر حرارت بصورتی است که در چدنهای حاوی آلومینیوم لایه نازک اکسیدی نفوذ ناپذیر وچسبنده ای تشکیل میشود که از نفوذ اتمهای اکسیژن به درون فلز جلوگیری میکند.

متاسفانه ریختن چدنهای آلومینیوم دار دشوار است ،زیرا در دمای ذوب ریزی چدن ،آلومینیوم بسیار فعال است. تماس آلیاژ مذاب با هوا و رطوبت باید به حداقل برسد تا از تشکیل سرباره فلزی ،سطح ناصاف و قطعه ناسالم جلوگیری میشود. فرآیندهای تولید این آلیاژ در حال تکامل اند.

شکل1:اکسایش چدن آلومینیوم دار در هواودردمای زیاد
مقدار آلومینیوم انی چدنها بین 0 تا 12 درصد است . آزمایشهای اکسایش در دماهای 800 ،900 ، 1000 ، 1100 انجام شده است. مقدار آلومینیوم ،بر گرافیته شدن چدنهای خاکستری و داکتیل تاثیر میگذارد. اگر مقدار آلومینیوم کمتر از 7 درصد باشد در حین انجماد گرافیت تشکیل میشود. بین 7 و18 درصد آلومینیوم فاز کاربیدی پایداری ایجاد میشود و قطعات ریختگی اساسا فاقد گرافیت هستند. چدنهای حاوی 18 تا 25 درصد آلومینیوم با ریزساختار گرافیتی ریز منجمد میشوند اگرچه مقدار کربن محلول در مذاب کاهش می یابد. ماشینکاری چدنهای آلومینیوم راحت است و قطعات سالمتری تولید میشود.

چدنهای آلومینیوم دار به دو دسته تقسیم میشوند:
1_ چدنهای حاوی 1 تا 7 درصد آلومینیوم
2_ چدنهای حاوی 18 تا 25 درصد آلومینیوم
مطلوب ترین ریزساختار برای پایداری در دماهای زیاد ترکیبی از فریت و گرافیت است و اگر زمینه کاملا فریتی نباشد آنها را در 930 تا 1040 درجه سانتیگراد تابکاری میکنند تا سمنتیت باقی مانده در آنها تجزیه شود وپایداری ساختاری افزایش یابد.

چدن های خاکستری آلومینیوم دار:
آزمایشهای خوبی بر روی چدنهای آلومینیوم دار کم سیلیس انجام شده است . آنها با آزمایش بر روی سه نوع چدن کم آلومینیوم و دو نوع چدن پر آلومینیوم نشان دادند که مقاومت چدنهای خاکستری در برابر اکسایش در هوا در دمای 650 تا 780 با افزایش مقدار آلومینیوم بشدت افزایش می یابد.
ولی با افزایش آلومینیوم خواص کششی در دمای محیط کاهش می یابد ولی این خاصیت در دمای بالا زیاد کاهش نمی یابد.

شماره ذوب 1 2 3 15 16
ترکیب
c 2.95 3.07 2.86 1.96 1.48
Si 0.77 0.76 0.83 1.51 1.56
Mn 1.10 1.05 1.05 0.68 0.59
Al 2.42 4.28 5.99 20.79 24.40

سختیBHN 260 270 281 156 179
استحکام کششی
در دمای c20(1000psi) 50.5 47 40.5 16 18
MPa 348 324 279 110 124
دردمایc425(1000psi) 29 30.9 27.8 14 17.8
MPa 200 213 192 97 123
دردمایc540 (1000psi)
MPa 25.4
175 28
193 24.4
168 11
76 14.9
103
جدول 1:خواص مکانیکی 5 نوع چدن خاکستری آلمینیوم دار
با افزایش مقدار آلومینیوم زمان شکست تحت تنش در دماهای بیشتر از 500 درجه سانتیگراد افزایش می یابد .(شکل های 2 ،3 و4 ).از مقدار آلومینیوم بر خواص مکانیکی چدنهای داکتایل در دمای تا 980 درجه آزمایش شد. چدنهای آلومینیوم دار با چدن خاکستری غیر آلیاژی چدن داکتایل غیر آلیاژی با چدن خاکستری با 5.9% آلومینیوم و چدن خاکستری با %2.5 آلومینیوم مقایسه شدند. (جدول 17 ).

شکل3:نمودارزمان تاشکست دردمایc540برحسب تنش اعمالی اولیه برای چدن خاکستری با مقدارهای مختلفAl

شکل4:نمودارزمان تاشکست دردمایc650برحسب تنش اعمالی اولیه برای چدن خاکستری با مقدارهای مختلف Al

داده های ارزشمندی از چدنهای داکتایل و خاکستری آلومینیوم دار بدست آمده اند تا مبنایی برای انتخاب اقتصادی ترین ترکیب شیمیائی برای کار در دمای 650 تا 980 درجه سانتیگراد باشد..
(الف) (ب)
(ج)
شکل5:مقایسه منحنیهای تنش گسیختگیچدنهای داکتیل وخاکستری Alداردر(الف)c650(ب)c760(ج)c870(د)980

شکل5(د)
کاربردهای چدن خاکستری آلومینیوم دار :

1) چند راهه های موتور دیزل را با موفقیت از دو جنس مختلف در ماسه ریخته اند ، یکی با %2 آلومینیوم ، %2 سیلیسیم ، %2.8 کربن.
2) روتورهای ترمز دیسکی ساخته شده از چدن خاکستری آلومینیوم دار از آزمون های کنترل کیفیت سربلند بیرون آمدند و در برابر ترک خوردگی حرارتی مقاومت عالی از خود نشان دادند مقاومت این چدن برابر سایش نسبت به مقاومت چدن خاکستری استا ندارد بیشتری بود.
3) چدن خاکستری آلومینیوم دار بدون کاربید ریخته شده در ماسه در پخش کننده دود خروجی از توربین بود که ضخامت دیواره های آن به 3.2 میلیمتر میرسید که در یک موتور توربینی نمونه آزمایش شده و خواسته های مکانیکی و مقاومت در برابر اکسایش را برآورده کرده خواص چدنهای آلومینیوم دار در دمای زیاد ، با افزودن 1 یا 2 درصد مولیبدن بشدت بهبود می یابد.
دیکنسون نشان داده است که با افزودن 5.2 درصد آلومینیوم و %1.2 مولیبدن به چدن خاکستری حاوی 2.75 تا 3.1 درصد کربن میتوان خواص مکانیکی در دمای زیاد را بهبود بخشید

شکل6:اثرعنصرهای آلیاژی بر استحکام کششی چدنهای داکتایل وخااکستری دردمای زیاد چدن خاکستری با 5.2 % Al1.9 % Moو چدن داکتایل با 5تا6 % Al و 2 %و 2 %Moآلیاژ شده است.

شکل7:مقدارهای تنش گسیختگی چدن داکتایل آلیاژی غیرآلیاژی در دمای 650 درجه سلسیوس
چدن های داکتایل پر آلومینیوم :

این نوع چدن ها مقاومت خوبی در برابر اکسایش دارند وخواص مکانیکی آنهانسبت به چدنهای خاکستری پرآلومینیوم بهتر است . بهبود خواص چدن داکتایل در دمای زیاد بدلیل افزودن 5 تا 6 درصد آلومینیوم و در حدود 2 درصد مولیبدن ذکر شده است .
با ترکیب سیلیسیم زیاد و آلومینیوم و مولیبدن تولید میشود که برای کاربردهای دمای بالا

بسیار عالی اند و مشکلات تولید چدنهای داکتیل حاوی 5 تا 6 درصد آلومینیوم همراه نیست.
اسپونسار، شولتز و راندل درباره چدنهای داکتیل پر آلومینیوم آزمایش انجام دادند و نتیجه گرفتند که مناسب ترین چدن داکتیل برای کاربردهایی که مستلزم مقاومت در برابر اکسایش می باشد چدنی با 4 درصد سیلیسیم 0.5 تا 1 درصد آلومینیوم و 2 درصد مولیبدن است.

شکل8:اثر مولیبدن بررفتار خزش گسیختگی چدن آلومینیوم دار حاوی 4 %سیلیسیوم یکنواخت شده در دماهای 650و815 درجه ی سلسیوس .
چدن داکتایل شده با 5.5% آلومینیوم و %3 سیلیسیم و%2 مولیبدن برای کار در دماهایی بالاتر از 820 درجه مورد بررسی قرار گرفته است. آهنگ اکسایش این نوع چدن بسیار اندک است و خواص کششی آن در دماهای تا 925 درجه خوب است (جدول 20 ).
ذوب و ریخته گری چدن های آلومینیوم دار:
تولید چدنهای پر آلومینیوم ، به سبب دشواریهایی در ذوب وریخته گری هنوز چندان متداول ن

یست و ذوب و ریخته گری این چدن ها مستلزم بکارگیری شیوه های خاص است. در هنگام ریختن چدنهای آلومینیوم دار باید دقت لازم را به خرج داد زیرا غالبا لایه ای از اکسیدها در پیرامون جریان فاز مناسب تشکیل میشود. جلوگیری از کشیده شدن این لایه به درون قالب اهمیت دارد. چدن های پرآلومینیوم بشدت در معرض خطر ایجاد مکهای گازی قرار دارند. آلومینیوم حل شده در چدن مذاب با آب و هیدروکربن ها واکنش می دهد و هیدروژن آزاد تشکیل میدهد که در چدن مذاب حل شده و

در حین انجماد بیرون رانده میشود پس باید قالبها کاملا خشک و فاقد رطوبت باشند و در ساخت آنها هیدروکربن بکار نرفته باشد. همچنین کاهش سطح تماس فلز مذاب با اکسیژن ، به منظور به حداقل رسانیدن عیبهای ناشی از وجود سرباره در قطعه ریختگی ضرورت دارد. با شستشوی حوضچه بارریز و قالب بوسیله گاز بی اثر قبل از بارریزی میتوان این کار را انجام داد.

شکل9: صفحه های خنک کن کلینکر سیمان داغ

شکل10:پخش کننده گاز خروجی توربین به قطر 1.2 متر
جدول2:خواص چدن داکتایل آلیاژی با5.5%آلومینیوم ،3%سیلیسیم و2%آلومینیوم دردمای زیاد
ترکیب شیمیایی،%

سختی برینل در حالت سیاه تاب،BHN
خواص پس از تابکاری در دمای 1040 درجه ی سلسیوس
سختی برینل BHN

استحکام کششی در دمای محیط ،MPa
Psi
خواص در دمای C925
استحکام تسلیم قراردادی با 0.2 در صد کرنش MPa
Psi
استحکام کششی نهایی ،MPa
Psi
طویل شدگی
کاهش سطح مقطع
تنش گسیختگی 1000ساعتی در C925MPa
Psi
نفوذ اکسیژن در C925 ،mm
in C 2.83%
Si2.92%
Mn0.35%
Al5.5%
Mo2.01
362

353
552
80000

21
3100
30
4400
65%
43%
3.1

450
0.008
0.0003

کلیاتی در مورد تولید چدن های آلومینیوم دار:
با توجه به فعال بودن آلومینیوم در دمای ذوب چدن ریختگی و تولید چدنهای آلومینیوم دار مشکل است وباید دقت لازم در هنگام تولید مبذول شود. فعال بودن آلومینیوم در این دما باعث ایجاد ترکیبات مختلف باعناصر دیگر میشود از جمله اکسیدها و نیترورها ونیز افزایش حلالیت H در مذاب ونیز به همین ترتیب از دست دادن عناصر آلیاژی می شود. مقدار H محلول در مذاب Al در دمای 1000 درجه سانتیگراد به بیش از 40mlit/kg می رسد. البته اگر هیدروژنی در محیط نباشد میزان هیدروژن مذاب متناسب با دما بالا نمی رود . این مسئله باید در عمل مورد توجه قرار گیرد چرا که رطوبت و هیدروژن همیشه وجود دارند و اگر بخواهیم میزان گاز کنترل شود باید از حرارتهای بالا

اجتناب کنیم که در مورد ریخته گری چدنهای آلومینیوم دار نمی توان این کار را انجام داد. مقدار هیدروژن کم فقط وقتی قابل حصول است که فشار جزئی هیدروژن پایین باشد بهمین دلیل است که بعضی ریخته گران هوای خشک تصفیه شده را به کوره میفرستند. گاهگاهی هم از روش خلا به عنوان آخرین راه حل جلوگیری از انحلال هیدروژن استفاده شود که سایر اجزای محیطی مانند نسوزها هم احتمالا خشک می شوند. در قالب آلومینیوم با بخار آب و ستیر مواد آلی مختلف

واکنش نشان داده و ایجاد پوسیدگی جامد و هیدروژن آزاد میکند که میتواند در مذاب نفوذ کند. این واکنشها گاهی اوقات بعد از انجماد و در خلال سرد شدن هم ادامه می یابند. هیدروژن آزاد ، در رشد حفره های گازی که در

ست زیر سطح قطعه واقع میشوند ، نقش تعیین کننده ای دارند.
اتمسفر درون قابل :
با گرفته شدن سطح درون قالب گازهای زیادی از سطح قالب می جوشد .ابتدا هوای وجود در محفظه قالب باعث رقیق شدن اولیه گاز های خارج شده می شود. این گازها بسرعت از طریق هواکشها ، تهویه ها خارج شده ویا از طریق درجه بالائی به خارج نفوذ می نمایند پس از آن ، تجزیه گازهای قالب نسبتا ثابت می ماند. در ریخته گری در قالب های ماسه تر ، مخلوط گازهای قالب حاوی بیش از %50 هیدروژن می باشد . این افزایش در مقدار هیدروژن با مقدار آب موجود در

چسب ماسه رابطه خطی دارد و قالبهای ماسه ای خشک عملا هیچگونه هیدروژنی ندارند. سایر تغییراتی که در اثر افزایش رطوبت حاصل می شوند عبارتند از : کاهش اکسیژن ،افزایش نسبت co/co2 وظهور اندکی پارافین ، وجود آرد غلات در چسب باعث ایجاد اندکی اکسیژن می شود ، با این وجود تمرکز اکسیژن بواسطه رقیق شدن بوسیله گازهای دیگر در محیط احساس نمی شود.
فعل وانفعالات در سطح قالب :

وقتی که پودر زغال با ترکیب آن به ماسه تر اضافه میشوند فعل و انفعالاتی بوجود می آید که اولین بار توسط کولرز و لوبرگ تشریح شد.
1) مواد فرار از زغال خارج می شوند تا یک اتمسفر احیایی بوجود آید.
2) هیدروکربن های گازی در سطح دانه های ماس

ه در نزدیک سطح داغ قالب تجزیه شده و یک فیلم نازک از گرافیت را بوجود می آورد.
3) ذغال، باد کرده و در اثر انبساط زیاد به درون حفره ها ی ماسه رانده میشود و باعث پلاستیکی شدن موقت چسب می شود. این پدیده انبساط ماسه بدون اینکه باعث شکست سطحی بشود کمک میکند به افزایش دما ، توده های ماسه سخت شده و به صورت شبه کک در می آیند و از تماس و نفوذ مذاب در ماسه جلوگیری می نمایند. محققان استفاده از پودر ذغال مصنوعی را توصیه نموده اند. این مواد تمایل شدیدی برای تشکیل کربن آنتراسیت دارند و دارای ظرفیت پخت بالا و خواص نرم شوندگی خوبی دارند.
اثر آلومینیوم در چدن :

تاثیرآلومینیوم در چدن های خاکستری :
1) گرافیت زائی :
براساس این خاصیت چدن های پر آلومینیوم به دو دسته تقسیم می شوند:
1_ چدن های با درصد آلومینیوم کم که هدف اصلی از مصرف آلومینیوم در این چدنها استفاده از خاصیت گرافیت زائی چدن می باشد.
2_ چدن های با مقادیر مختلف آلومینیوم (از کم تا زیاد) به منظور رسیدن به آلیاژ جدید با خواص خاص.
2) مقادیر بالای آلومینیوم و چدن های گروه دوم د

ارای مقاومت به پوسته شدن بسیار عالی و خواص مکانیکی خوب در دماهای بالا.
3) 0.25 تا 0.02 درصد آلومینیوم در چدن باعث کاهش عمق تبرید می شود ولی بر خواص مکانیکی تاثیری ندارند.
4) 0 تا 8 درصد آلومینیوم باعث گرافیت زائی در چدن می شود.
آلومینیوم بین 8 تا 18 درصد کاربیدزا می باشد.
آلومینیوم بین 18 تا 26 درصد مجددا باعث گرافیت زائی در چدن می شود.
آلومینیوم بین 26 تا 30 درصد کاربیدزا.
مناطق گرافیت زائی آلومینیوم :

0 تا 8 درصد آلومینیوم = بیشترین گرافیت زایی در این محدوده در %4 آلومینیوم میباشد.
18 تا 26 درصد آلومینیوم = بیشترین گرافیت زائی در این محدوده در %24 آلومینیوم می باشد.
چدنهای صنعتی حاوی آلومینیوم رامیتوان به دوگروه طبقه بندی کرد :
1_چدن های آلیاژی 1 تا 7 درصد آلومینیوم
2_چدن های آلیاژی با 18 تا 25 درصد آلومینیوم
این آلیاژها علاوه بر قابلیت ماشینکاری مناسب به دلیل حضور گرافیت در ساختار ، خواص مکانیکی نسبتا مطلوب ومقاومت ماشینی بسیار خوب ، دارای مقاومت عالی در برابر پوسته شدن نیز می باشند بطوریکه می توان آنها را جزء مواد قابل کاربرد در دماهای بالا محسوب نمود.
5) آلومینیوم با مذاب چدن فعل وانفعال شدیدی دارد وواکنش آن با اکسیژن محیط زیاد است ؛حضور آلومینیوم باعث ایجاد تخلخل در چدن میشود.

6) با افزودن آلومینیوم به سیستم آهن_آلومینیوم ، از قابلیت تشکیل گاما کاسته شده وتمایل به ایجاد وپایداری فاز آلفا افزایش می یابد.
7) افزایش آلومینیوم در محدوده 0.5 تا 10 درصد موجب افزایش کربن محلول در گاما در دماهای بالا شده ومقدار آنرا از %1.7 به %2.3 می رساند.
8) در محدوده %0.5 تا %15 سبب جابجائی و کاهش وسعت منطقه پایدار گاما شده ،بطوریکه این فازدر حضور %15 آلومینیوم عملا حذف خواهد شد.
9) آلومینیوم بر روی ریزساختار چدن نیز تاثیر میگذارد. بر این اساس چهار نوع چدن حاوی آلومینیوم بصورت زیر شناسایی گشته اند :

1- چدن های پرلیتی (با کمتر از %9 آلومینیوم )
2- چدن های سفید (با %11 تا %19 آلومینیوم )

3- چدن های فریتی (با %21 تا %26 آلومینیوم )
4- چدن های لدبوریتی (با %28 تا %32 آلومینیوم )
10) میزان کربن موجود در چدن با افزایش آلومینیوم کاهش می یابد اما عمده کربن باقیمانده در چدن های هر آلومینیوم به گرافیت تبدیل خواهد شد.
11) فاز Fe3Al کاربید آهن _ آلومینیوم نیز در درصدهای بالای آلومینیوم ممکن است بصورت دندریتی در زمینه ایجاد شود.
12) %0.5 تا %15 آلومینیوم میزان کربن مورد نیاز جهت حصول گرافیت در ساختار نهایی رااز %0.5 به %2.8 افزایش میدهد.
سوال) واکنش Al با N2 ، H2 ، O2 وC به چه صورت است وبرای کاهش این واکنش ها چه باید کرد؟

نکات ریخته گری :
1) افزودن آلومینیوم به مذاب چدن قبل از مرحله ریخته گری به مقدار قابل توجهی مانع از تشکیل عیوب مک و اکسایش در قطعات خواهد شد.
2) امکان وجود تخلخل ریز در قطعات ریخته گری وجود خواهد داشت زیرا امکان واکنش آلومینیوم محلول در مذاب چدن با رطوبت یا هیدروکربورهای موجود در قالب و در نتیجه آزاد شدن گاز هیدروژن و انحلال آن در مذاب وجود داشت ودر طی انجماد ،این گاز تمایل به خروج از مذاب و بنابراین ایجاد حفره های ریز خواهد نمود. پس در این موارد لازم است که هر گونه رطوبت با هیدروکربورهای موجود در قالب حذف یا کاسته گردد.

3) در خلال افزودن آلومینیوم به مذاب چدن (یا بصورت مذاب ویا بصورت قطعات جامد) ، درجه حرارت مذاب بعلت آزاد شدن گرمای انحلال آلومینیوم به میزان قابل توجهی افزایش یافته و منجر به تشکیل مقادیر زیادی سرباره در سطح آن خواهد شد.بنابراین تشکیل سرباره نسبتا ویسکوز و ضخیم در حین و پس از افزودن آلومینیوم به مذاب چدن ، اجتناب ناپذیر بوده و امکان ورود سرباره و مواد ناخالص بدرون محفظه قالب وجود خواهد داشت. در چنین شرایطی باید اقدامات لازم جهت کاهش اکسیداسیون آلومینیوم و نیز ورود مواد ناخواسته به قالب و آلودگی قطعات ریختگی به عمل آورد. انجام این اقدامات به چندین طریق امکان پذیر است :

1- تسریع در امر ریخته گری پس از افزودن آلومینیوم به مذاب چدن و اختلاط آن جهت به حداقل رساندن تماس مذاب نهائی با اکسیژن محیط.
2- تزریق آلومینیوم در زیر سطح مناسب چدن و قرار دادن آن تا انحلال کامل .
3- افزودن مذاب چدن به پاتیل حاوی آلومینیوم مذاب .
4- پوشاندن سطح مذاب نهائی توسط روانساز کلرید سدیم جهت سیال سازی سرباره و سهولت در جداسازی آن از مذاب.
5- طراحی صحیح سیستم راهگاهی جهت جلوگیری از ورود سرباره به درون قالب.
6- دقت واحتیاط لازم در ضمن ریخته گری جهت به حداقل رساندن اغتشاش مناسب.
7- دمش گاز خنثی قبل و در حین ریخته گری به سیستم (مذاب و سطح قالب) .
4) بر اساس بعضی تحقیقات آلومینیوم موجب ابقاء گوگرد که عاملی برای تشکیل گرافیت لایه ای و مانعی جهت ایجاد گرافیت کروی است خواهد بود.
5) قالبگیری در ماسه سیلیسی به روش CO2 انجام میشود.
6) به دلایل مختلف از جمله بالا بودن دمای چدن مذاب نسبت به دمای ذوب آلومینیوم مذاب و هر یک از دو عنصر بصورت جداگانه ذوب شود بهتر است.
7) مذاب آلومینیوم تهیه شده را درون پاتیل جداگانه میریزیم و نزدیک قالبها میگذاریم پس سعی میکنیم دمای ذوب چدن را تا جای ممکن بالا ببریم وروی آلومین

یوم مذاب بریزیم.(بدلیل اینکه سرعت سرد شدن مذاب چدن بسیار بیشتر از آلومینیوم است ).
دلیل اینکه مذاب چدن را روی آلومینیوم میریزیم وعکس این عمل را انجام نمی دهیم این است که اولا وزن مخصوص آلومینیوم کمتر از چدن می باشد واگر مذاب آلومینیوم را روی مذاب چدن بریزیم مذاب آلومینیوم در بالا قرار میگیرد و کاملا حل نمی شود ومیزان تلفات زیاد میشود؛ ثانیا شدت تبخیر در این حالت بیشتر است چون مذاب چدن دمای ذوب بالاتری دارد و همچنین امکان سرد شدن مذاب و نیامد کردن آن در این حالت بیشتر است.
8) جهت جوانه زائی گرافیت از مقدار کافی فروسیلیس استفاده شود.