بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر، عملیات حرارتی آستمپر بر روی چدن با گرافیت فشرده حاوی آلومینیم انجام گرفته است تا تاثیر حضور آلومینیم و حذف سیلیسیم بر روی سینتیک دگرگونی آستمپر چدن فشرده بررسی شود. به این منظور، نمونه های ریختهگی آلیاژ، به مدت 120 دقیقه در دمای 900 درجه سانتیگراد آستنیته شده و در سه دمای 200، 300 و 400 درجه سانتیگراد و زمانهای 5، 30، 60، 120 و 180 دقیقه آستمپر شدند. سینتیک این دگرگونی به وسیلهی انجام آزمایش پراش اشعه ایکس بررسی شد، همچنین اثر دما و زمان بر ریزساختار و سختی نمونههای آستمپر شده مورد آزمایش و بحث قرار گرفت.
در مجموع، حضور 4/8 درصد آلومینیم در ترکیب چدن فشرده، با افزایش سرعت نفوذ کربن در آستنیت سبب افزایش سرعت مرحله اول دگرگونی آستمپر شده و با به تاخیر انداختن تشکیل کاربید از آستنیت پرکربن، پنجره فرآیند در دگرگونی آستمپر را افزایش می دهد. همچنین با بررسی ریزساختار نمونههای آستمپر شده با استفاده از میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی در دماهای 200 و 300 درجه سانتیگراد فاز آسفریت پایینی مشاهده شد که با افزایش دمای آستمپر به 400 درجه سانتیگراد فاز آسفریت بالایی جایگزین آن شد. در این پژوهش با افزایش زمان آستمپر مقدار کسر حجمی آستنیت با رسیدن به یک مقدار بیشینه، کاهش مییابد.
کلمات کلیدی: سینتیک آستمپر، چدن با گرافیت فشرده، آلومینیم، فریت بینایتی، آسفریت
- مقدمه
ایده جایگزینی کامل آلومینیم بهجای سیلیسیم در چدنها در ابتدا توسط دیفرانس و همکارانش ارائه شد[1]، که نتیجه آن توسعه عضو جدیدی از خانواده چدنها بود. چندین مزیت از این جابهجایی به دست آمد ازجمله : افزایش استحکام کششی چدن خاکستری از293 Mpa به 539 Mpa، مقاومت بیشتر به شوک حرارتی، هدایت حرارتی خوب در دمای بالا، خاصیت گرافیت زایی بالا و مدول ریختگی کم .[2] تحقیقات انجامگرفته توسط والسون نشان میدهد که خواصی چون استحکام بالا در وزن پایین قطعات باضخامت کم در دمای کاری نزدیک به دمای اتاق و دماهای بالا، چدنهای آلومینیومدار را برای کاربرد مشخص در صنایع ساختوساز و کشاورزی مناسب میکنند.
ازجمله قطعاتی که در تولید آنها از این نوع چدن استفادهشده است میتوان به موارد زیر اشاره کرد : بدنه توربو شارژر موتور دیزلی ، روتور دیسک ترمز و کاسهترمز خودرو ، لوازم جانبی عملیات حرارتی ، سر موتور، بوش سیلندر موتور، میل بادامک، دیفیوزر اگزوز توربین و حلقه پیستون [3]،.[4]چدنهای آلومینیمی از دو نظر میتوانند وزن قطعه تولیدی را کاهش دهند : به دلیل وزن پایینتر آلومینیم نسبت به سیلیسیم قطعه سبکتر میشود، همچنین به علت گرافیت زایی بالای آلومینیم میتوان قطعه را باضخامت کمتر تولید کرد، که باعث کاهش وزن میشود. از خواص تأثیرگذار آلومینیم در چدنها، قابلیت گرافیت زایی بالای آن است.[5]در مرحله اول، بعد از ورود قطعه از دمای آستنیته به محدودهی دمایی آستمپر، جوانهزنی و رشد صفحات فریت بینایتی در مردانههای آستنیت اولیه و یا نزدیک گرافیتها اتفاق میافتد.
در این میان حضور عناصر گرافیت زا مانند سیلسیم یا آلومینیم با جلوگیری از تشکیل کاربید، اجازهی دفع کربن از فریت بینایتی و ورود آن به آستنیت را میدهد. بنابراین همزمان با جوانهزنی و رشد این فریت، کربن از فریت بینایتی به آستنیت زمینه پسزده میشود؛ که منجر به غنی شدن فاز آستنیت مجاور تیغههای فریت بینایتی از کربن میشود. در مرحله دوم، فرآیند جوانهزنی و رشد فریت بینایتی به داخل آستنیت و دفع کربن از فریت به داخل آستنیت و ترجیحاً مرز بین فازی آستنیت-گرافیت ، بهطور متناوب و تا زمانی که نفوذ کربن انجام شود، ادامه مییابند. در مرحله سوم، با طولانی شدن زمان آستمپر، مقداری از کربن آستنیت اشباع رسوب میکند، بهطوریکه آستنیت پرکربن به کاربید و فریت تجزیه میشود؛ که این کاربیدها فصل مشترک ناهم سیما با زمینه دارند .[8-6]
-2 روش تحقیق
در این تحقیق، تأثیر دما و زمان آستمپر بر روی سینتیک و ریزساختار قطعات چدن آلومینیمی با گرافیت فشرده موردبررسی قرار گرفت. انجام عملیات ریختهگری و تولید این قطعات، طی پژوهش دیگری در دانشگاه علم و صنعت ایران انجامگرفته بود.[9] ازاینرو، بعد از ریختهگری و انجماد آلیاژ در مدل طراحیشده، از بین تسمههای ریخته شده در ضخامتهای مختلف، ضخامت 20 میلیمتر انتخاب شد. ترکیب شیمیایی مذاب نیز، در جدول 1 نشان دادهشده است. ابعاد تقریبی نمونههای بریدهشده 20×20×15 mm3 بود.برای انجام عملیات حرارتی آستمپر کردن تعداد 16 نمونه بهصورت سه دسته، درون کوره عملیات حرارتی که به دمای 900 درجه سانتیگراد رسیده بود، قرار داده شدند تا در مدت 120 دقیقه در این دما آستنیته شوند.
بلافاصله پس از انجام عملیات آستنیته کردن، یک نمونه بهسرعت در آب سرد شد. بقیه نمونهها نیز بهسرعت به حمام نمک مذاب انتقال داده شدند. عملیات آستمپر کردن درون حمام نمک مذاب در دماهای آستمپر 200، 300 و 400 درجه سانتیگراد و به مدتزمانهای آستمپر 5، 30، 60، 120 و 180 دقیقه انجام شد.کوره عملیات حرارتی استفادهشده از نوع مقاومتی با حجم 11 لیتر و دقت دمای±2 درجه سانتیگراد بود. ترکیب حمام نمک مورداستفاده در این تحقیق، تشکیلشده از 55 درصد وزنی NaNo2 و 45 درصد وزنی KNo3 بود. پس از خروج نمونهها از دمای آستمپر، تمامی آنها در هوا سرد شدند. بهمنظور آمادهسازی جهت بررسی ریزساختار توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - ، عملیات متالوگرافی بر روی نمونهها انجام گرفت. در ادامه، اچ کردن نمونهها بلافاصله با محلول نایتال 5 درصد در مدتزمان نگهداری 5 تا 70 ثانیه انجام شد.
شایانذکر است که جهت انجام عملیات متالوگرافی، استانداردهای آمادهسازی نمونههای متالوگرافی ASTM E 3-01 و میکرواچ فلزات ASTM E 407-99 مورداستفاده قرار گرفت.برای اندازهگیری سختی نمونهها، از روش سختی سنجی ویکرز طبق استاندارد ASTM E 10-15 و میکرو سختی ویکرز طبق استاندارد ASTM E 384-16، استفاده شد. در انجام این آزمایش با رعایت شرایط مربوط به استاندارد، سختی سهنقطه از هر نمونه اندازهگیری و میانگین سختی اعلام شد. برای تعیین فازهای تشکیلشده و اندازهگیری متغیرهایی مانند میزان کربن آستنیت اولیه و باقیمانده، کسر حجمی آستنیت باقیمانده و سایر متغیرهای آستمپر، از آنالیز پراش اشعه ایکس - XRD - استفاده شد.
