بخشی از مقاله
چکیده
چدن سفید پرکروم یکی از پرکاربردترین مواد مهندسی در صنایع معدنی و سیمانی است. به هرحال، در برخی از قطعات نظیر سینی خردایش آسیاب، قابلیت ماشینکاري ضعیف چدن سفید پرکروم مشکلات زیادي بهوجود میآورد. فناوري ریختهگري دوجنسی یک روش مناسب براي بهبود قابلیت ماشینکاري است. در این روش یک لایه از جنس فولاد ساده کربنی به قطعه مورد نظر متصل میشود. در این پژوهش، امکانسنجی ساخت چنین کامپوزیت دوجنسی - فولاد ساده کربنی/چدن سفید پرکروم - مورد بررسی قرار گرفته است.
براي این منظور از روش ریختهگري در ماسه بهره گرفته شده است. جهت مشخصهیابی ریزساختاري و ارزیابی خواص مکانیکی از میکروسکوپ نوري، میکروسکوپ الکترونی روبشی، تست غیرمخرب، آزمون ضربه و آزمون کشش استفاده شده است. همچنین پروفیل تغییرات سختی و ترکیب شیمیایی در دو سمت فصل مشترك کامپوزیت اندازهگیري شده است. نتایج بهدست آمده نشان داد که روش ریختهگري میتواند بهعنوان یک روش مطمئن براي تولید کامپوزیت دوجنسی فولاد ساده کربنی/ چدن سفید پرکروم، مورد استفاده قرار گیرد. در فصل مشترك کامپوزیت دو لایه با دو نوع ریزساختار متفاوتشامل، ساختار کاملاً پرلیتی درشت و ساختار پرلیتی بسیار ظریف و بهطور جزئی کروي شده، تشکیل شده است. همچنین فصل مشترك عاري از هرگونه عیب میباشد.
مقدمه
وقوع سایش یکی از مهمترین مکانیزمهاي فرسایش و تخریب قطعات در صنایع معدنی و سیمانی - براي مثال پمپهاي مکنده دوغاب یا سینی خردایش آسیاب - است. در این بین، چدنهاي پرکروم - HCWCI - 1 به دلیل مقاومت به سایش و خوردگی بالاي آنها، یکی از پرمصرفترین مواد مهندسی در این صنایع میباشد .[1-3] وجود کسر حجمی بالاي کاربیدهاي اولیه M7C3 در ساختار چدن پرکروم دلیل اصلی مقاومت به سایش عالی آنهاست. از طرف دیگر وجود مقادیر بالاي کاربید منجر به کاهش قابل ملاحظه تافنس شکست و قابلیت ماشینکاري چدن HCWCI میگردد 4]و.[5 بهطور خاص در مورد قطعه سینی خردایش در آسیاب سیمان، مشکل اساسی براي تولید، قابلیت ماشینکاري بسیار ضعیف چدن HCWCI است.
براي حل این مشکل، برخی محققین از روشهاي مختلفی براي تولید کامپوزیت دوجنسی - از قبیل جوشکاري، اسپري حرارتی، متالورژي پودر و ریختهگري - استفاده کردهاند .[4-14] از بین روشهاي مختلف استفاده شده، روش ریختهگري علاوه بر اقتصاديتر بودن، سادهترین روش ساخت میباشد. به هرحال، با وجود برخی تحقیقات انجام شده در این زمینه، تاکنون تحولات ریزساختاري به وقوع پیوسته در فصل مشترك کامپوزیت و تاثیر مشخصات ریزساختاري بر خواص مکانیکی کامپوزیت دوجنسی فولاد ساده کربنی/چدن سفید پرکروم، مورد بررسی قرار نگرفتهاست. بنابراین هدف از پژوهش حاضر، مشخصهیابی ریزساختار فصل مشترك کامپوزیت دوجنسی فولاد ساده کربنی/چدن سفید پرکروم و ارزیابی خواص مکانیکی آن تعیین گردید.
مواد و روش تحقیق
به منظور حصول بالاترین خواص سایشی براي چدن سفید پرکروم، وجود حداقل 34 درصد وزنی کاربید کروم در ریزساختار پیشنهاد شدهاست .[4] ترکیب شیمیایی بهینه براي حصول چنین ریزساختاري در مورد چدن پرکروم بهوسیله رابطه ماراتراي و پوالین [15] به شرح ذیل ارائه گردیدهاست.
wt - M7C3 - = 12.33wt - C - + 0.55wt - Cr - -15.2% - 1 -
جایی که wt - M7C3 - , wt - C - و wt - Cr - به ترتیب درصد وزنی کربن، کاربید کروم و کروم میباشد. بر اساس تحقیقات قبلی [16]، چدن سفید پرکروم حاوي 3 درصد وزنی کربن، بالاترین مقاومت به سایش را نشان میدهد. بنابراین با در نظر گرفتن این دو فاکتور، محتوي کروم 23 درصد وزنی از رابطه بهدست میآید. آنالیز شیمیایی فولاد ساده کربنی - PCS - 2 و چدن سفید پرکروم مورد استفاده در تحقیق حاضر در جدول 1 آورده شدهاست.
ذوبسازي توسط کوره القایی فرکانس متوسط Inductoterm در شرکت صنایع ریختهگري اصفهان انجام گرفتهاست. عملیات ریختهگري توسط مدل چوبی و در قالب ماسهاي انجام گرفت. مطابق شکل 1، ابتدا قسمت چدنی در درجه زیرین توسط سیستم راهگاهی مستقل ذوبریزي گردید. میزان پرشدگی مذاب در داخل قالب توسط یک دریچه به صورت چشمی کنترل گردید. دماي سطح قسمت چدنی پس از پایان ذوبریزي به صورت مستمر توسط کنترلر دماي غیر تماسی کنترل گردید.
پس از گذشت مدت زمان طراحی شده و رسیدن دماي سطح قسمت چدنی به دماي 1100 درجه سانتیگراد، فرآیند ذوبریزي قسمت فولادي از یک سیستم راهگاهی جداگانه دیگر انجام گرفت. در طول فرآیند ریختهگري جهت جلوگیري از تشکیل پوستههاي اکسیدي و حصول بهترین پیوند بین فولاد و چدن، محفظه قالب توسط گاز خنثی آرگون با خلوص بالا محافظت گردید - شکل . - 1 مشخصهیابی ریزساختاري فولاد ساده کربنی، چدن سفید پرکروم و فصل مشترك، بهوسیله میکروسکوپ نوري و میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام شد.
پروفیل تغییرات سختی در طول فصل مشترك مطابق استاندارد ASTM E18-03 با معیار ویکرز انجام شدهاست. همچنین پروفیل تغییرات آنالیز شیمیایی در طول فصل مشترك توسط دستگاه کوانتومتري مدل Fundry master 2005 تعیین شدهاست. آزمون ضربه به روش شارپی بر اساس استاندارد ASTM E23 و آزمون کشش دماي محیط مطابق استاندارد ASTM E8 توسط دستگاه کشش Hounsfield H50KS انجام گرفت؛ به گونهاي که فصل مشترك کامپوزیت دوجنسی در مرکز نمونهها قرار داشت.
نتایج و بحث
در شکل 2 جزئیات ریزساختاري منطقه فصل مشترك نمونه ریختگی نشان داده شدهاست. ملاحظه میشود که چهار لایه مجزا بهطور واضح در تصویر میکروسکوپ نوري قابل تفکیک است. ریزساختار HCWCI حاوي کاربیدهاي کروم یوتکتیکی در زمینه پرلیتی است. آنالیز EDS از نواحی تیره رنگ در منطقه HCWCI موید تشکیل کاربیدهاي کروم بودهاست - شکل . - 3 ریزساختار لایه PCS شامل فریت و پرلیت میباشد.
دو لایه دیگر قرار گرفته در فصل مشترك داراي ساختار پرلیتی بسیار ظریف و بهطور جزئی کروي شده - منطقه 3 در شکل - 2 و ساختار کاملا پرلیتی درشت - منطقه 2 در شکل - 2 است. در واقع تشکیل چنین لایههایی با مشخصات ریزساختاري کاملاً متفاوت از دو آلیاژ پایه، میتواند مرتبط با وقوع برخی تحولات متالورژیکی مختلف در حین فرایند ریختهگري مذاب جامد - مانند نفوذ، انتقال، حرارت و... - باشد. بر اساس بررسیهاي ریزساختاري و آزمون غیر مخرب UT منطقه فصل مشترك، یک اتصال عاري از عیوب اعم از حفره، ترك و ناپیوستگی است.
