بخشی از مقاله
عوامل موثر بر فرایند تولید قطعات برنجی به روش اکستروﮊن-فورجینگ و عیوب ایجاد شده در طی آن
چکیده:
در این تحقیق با بررسی تغییرات ترکیـب ، دمـا ، سـرعت و نحـوه گرمـایش وسـرمایش بـر فراینـد تولیـد تجهیزات برنجی قطع و وصل گاز، عیوب ایجاد شده در طی مراحل ریخته گری، اکستروﮊن و فورجینگ مورد تحلیل وبررسی قرار گرفتند.
ساختارآلیاﮊ ودرصد توزیع فازی،اندازه و شکل دانه ها، سختی، قابلیت ماشین کاری، دمای پیشگرم بیلـت و لقمه خام، استهلاک ابزار تراشکاری، استهلاک قالب اکستروﮊن و قالب فورج، ایجاد و اشاعه تـرک در نقاط پر تنش، پوسته های اکسیدی درمحصول، اختلاف دما و سـاختار در طـول میلگـرد و ضـایعات لقمـه خام از موارد مورد بررسی در این تحقیقند.
پیشگرم لقمه خام در بازه دمایی °C٦٥٠ تا °C٧٦٠ متناسب با میزان درصد روی در آلیاﮊ، استفاده از شعله احیائی هنگام پیشگرم بیلـت و لقمـه خـام، اسـتفاده از ترموکوپـل جهـت کنتـرل دقیـق دمـا، جلـوگیری از گرمایش مجدد بیلت و لقمه خام، زمان کافی جهت پیشگرم یکنواخت مغز و سطح خصوصـا در قطرهـای بالا، کاهش گرادیان دمائی بین بیلت پیشگرم شده و کانتینر، سرمایش سریع بیلت ریخته گری با آب، جدا سازی با دقت برگشتی ها، سرب کمتـر از ٢% در برنجهـای آهنگـری و اسـتفاده از یـک اسـتاندارد معـادل تکمیلی از نکات پیشنهادی در این تحقیقند.
واﮊه های کلیدی : اکستروﮊن، فورجینگ، تجهیزات برنجی قطع و وصل گاز
مقدمه :
اکثر تجهیزات و قطعاتی که به عنوان اتصالات رزوه ای و شیرهای قطع و وصـل اتوماتیـک یـا دسـتی در صنایع گازسوز استفاده میشوند از آلیاﮊهـای بـرنج تهیـه میگردنـد، اسـتحکام مکـانیکی و سـختی مناسـب، مقاومت خوردگی بـالا در محـیط گازهـای خـانگی و صـنعتی، قابلیـت شـکل پـذیری بـالا و خوشتراشـی مطلوب از دلایل این انتخاب است.برای نیل به سختی و استحکام مناسب و با توجـه بـه عیـوبی کـه حـین ریخته گری در قطعات ایجاد می شود، ابتدا ترکیب مورد نظر، به صورت بیلـت هـایی متناسـب بـا کـانتینر دستگاه اکستروﮊن ریخته گری میگردد. سپس بیلت ها به صورت گرم وبا قطر مـورد نظـر اکسـترود و بـه میلگرد تبدیل میشوند. این میلگردها به لقمه هایی با طـول مشـخص بریـده شـده و بـه صـورت داغ فـورج میگردند تا شکل مورد نظر در آنها ایجاد گردد. قطعـه تولیـد شـده پـس از پلیسـه گیـری و شـات بلاسـت ماشین کاری شده و با سایر قطعات که عمدتا به همین صورت تهیه گردیده اند مونتاﮊ میگردد.
در این تحقیق با بررسی عوامل تاثیر گذار بر فرایند تولید این نوع قطعات برنجی، عیوب ایجاد شده ناشـی از عدم توجه به این عوامل در طی مراحل ریخته گری، اکستروﮊن و فورجینـگ مـورد توجـه قـرار گرفتـه است.
روش تحقیق :
مطالعه و بررسی شرایط بهینه تولید در جهت حذف یا کاهش عیوب ایجاد شده، در مراحل ریختـه گـری، اکستروﮊن و فورجینگ انجام پذیرفت.در مرحله ریخته گری، ساختار و سختی بیلتهای ریختگـی بـه روش پیوسته، نیمه پیوسته و تکباری مورد بررسی قرار گرفت. نمونه ها به صورت شعاعی و از مرکز طولی بیلت تهیه شده و از سطح تا مغز، متالوگرافی و سختی سـنجی شـدند. همچنـین سـاختار بیلـت هـائی کـه یکبـار پیشگرم شده و در کوره خنک شده اند، و مجددا پیشگرم شده اند از نظر اندازه و شکل دانـه هـا و توزیـع ذرات سرب با بیلت هایی که فقط یکبار پیشگرم شده اند مقایسه گردید.
در مرحله اکستروﮊن با اندازه گیری دمـا از ابتـدا تـا انتهـای میلگـرد، تغییـرات سـاختار و سـختی در طـول میلگرد بررسی شد. به علاوه معایبی مانند حفره های انقباضی در ابتدای میلگرد، حفـرات گـازی در طـول میلگرد و ناخالصی های حلقوی ناشی از پوسته های اکسیدی در انتهای میلگرد مورد بررسی و متالوگرافی قرار گرفتند. همچنین تاثیر سرعت سرمایش میلگردهای اکسترود شده با پاشـش آب در دماهـا و زمانهـای مختلف بر ساختار، سختی و قابلیت ماشینکاری میلگرد بررسی شد.در مرحله فورجینگ مقاطع محصولات حاوی ترک یا پوسته های اکسیدی، کوانتومتری، متالوگرافی و سختی سنجی گردیدند. همچنین بـا تغییـر درجه حرارت پیشگرم کوره فورج اثر آن بر ایجاد ترک در لبه شیرهای بالوالو تعیین گردید.
یافته ها :
الف :تاثیر ترکیب آلیاﮊ ترکیب یک آلیاﮊ در مرحله ریخته گری آن تعیین میگردد، بـه نحـوی کـه هـر گونـه مغـایرت بـا ترکیـب
مطلوب منجر به تغییر خواص فیزیکی و مکا نیکی، پیش بینـی ناپـذیری شـرایط تولیـد ماننـد میـزان دمـای پیشگرم بیلت اکستروﮊن و لقمه فورج، سرعت سرمایش میلگردهای اکسترود شده و میـزان فشـار اعمـالی در مرحله فورجینگ واکستروﮊن و نتیجتا کاهش استهلاک قالب و ابزار اکستروﮊن و فورجینگ میگردد.
ترکیب استاندارد آلیاﮊهای مورد اسـتفاده در صـنایع تولیـد تجهیـزات برنجـی گـاز بـه روش اکسـتروﮊن-فورجینگ عمدتا معادل UNS C37700 یا ISO CuZn38Pb2 به عنوان برنج آهنگری و UNS C38500 یا ISO CuZn39Pb3 به عنوان برنج خوشتراش میباشد]۱. [ استانداردهای فـوق بـا شـماره اسـتاندارد ملـی ۰۵۰۴ و ۱۵۰۴ توسط موسسه استاندارد و تحقیقات صـنعتی ایـران بـه عنـوان اسـتاندارد اجبـاری برنجهـای آهنگری و خوشتراش معرفی شده است. آنالیز عنصری برنج ۰۵۰۴و ۱۵۰۴ در جدول ۱ ملاحظه میگردد.
الف-١: مس و روی مس و روی با بیشترین درصد جرمی در ترکیب، از اثرگذارترین عناصـر بـر خـواص و سـاختار آلیاﮊهـای
برنج اند. ترکیب جدول۱ در حالت تعادلی منجر به ایجاد سـاختار دو فـازی αو β میگـردد. فـاز βدارای شبکه کریستالی bcc است و در دماهای بالای °C۰۷۴، اتمهای مس و روی در آن بـه صـورت تصـادفی در موقعیتهای شبکه قرار گرفته اند. فازβ′ طـی یـک تحـول یوتکتوئیـدی در °C۰۵۲ بـه فازهـای α و γ تبدیل میشود]۲. [ برنجهای α برای کار گرم ضعیفتر از برنجهـای دو فـازی αو βهسـتند، افـزایش بیشـتر فاز βدر دمای اکستروﮊن و فورجینگ منجر به کاهش نیروی اعمالی به قالب و ابزار و افـزایش عمـر آنهـا خواهد شد. ترکیب جدول۱ ازطرف موسسه استاندارد و تحقیقـات صـنعتی ایـران جهـت تولیـد تجهیـزات قطع و وصل اتوماتیک، نیمه اتوماتیک و دستی گاز اعـم از شـیرهای اجـاق گـاز خـانگی (ترموسـتاتیک، ترموکوپل دار...) یا شیرهای بالوالو پیشنهاد گردیده است. ترکیبی از برنج آهنگری ۰۵۰۴ با ۷۵% مـس در دمای محیط و در سرعتهای سرمایش ترمودینامیکی، حاوی ۰۹% فاز βاست در حالیکه همان آلیاﮊ با ۰۶%
مس حاوی ۰۳% فاز βخواهد بود. این موضوع منجر بـه تغییـر کلـی سـاختار و پیشـبینی ناپـذیری خـواص مکانیکی و دماهای پیشگرم خواهد شد. در این استاندارد تحت عنوان ویژگی ها و روشهای آزمـون بـرنج آهنگری، خواص مکانیکی آلیاﮊ بیان نشده است. همچنین اندازه و شکل دانه ها،نحوه توزیع فـاز αو β و
ذرات سرب در فاز زمینه از جمله نکات تاثیرگذاری است که در این استاندارد مـورد توجـه قـرار نگرفتـه است. کمبودهای موجود، استفاده از یک استاندارد تکمیلی معـادل ماننـد ASTM B 455-96 را در کنـار استاندارد ملی ضروری می سازد]۵-۳. [
الف-۲: عناصر آلیاﮊی حضورسایر عناصر آلیاﮊی در جدول ١ با توجه به ضریب روی معادل، ساختار آلیاﮊ را به سمت فـاز غنـی
تر βسوق می دهد. افزایش فاز βناشی از افـزایش میـزان روی، افـزایش سـختی، کـاهش قابلیـت ماشـین کاری و افزایش کیفیت سطح تمام شده را به همراه خواهد داشت. افزایش میزان سرب برنج خوشتراش از ۰ تا ۵/۳% قابلیت ماشین کاری را از ۵۲ تا۰۰۱% افزایش می دهد]۶. [ سرب به صـورت ذرات نـامحلول در دمای محیط به عنوان یک روان کار جامد در آلیاﮊ عمل مـی کنـد. حلالیـت سـرب در بـرنج βدر دمـای
فورجینگ حداکثر حدود ۲% است. افزایش میزان سرب بیش از حـد حلالیـت در بـرنج آهنگـری، تجمـع ذرات مذاب سرب و نهایتا پارگی داغ در مرحله فورجینگ را به همراه خواهد داشت. در شکل١ ترکهای ناشی از پارگی داغ در لبه یک شیر بالوالو"¾ ملاحظه میشود. آنـالیز کوانتـومتری، میـزان سـرب، آهـن و نیکل موجود در شیر را به ترتیب ٥/٣، ٤٥/٠و ٣/٠ درصـد نشـان داد کـه بـالاتر از حـداکثر مجـاز انحـلال سرب در دمای فورجینگ و سـایر عناصـر آلیـاﮊی اسـت. سیلسـیم و نیکـل نیـز بـه واسـطه افـزایش دمـای فورجینگ، استهلاک قالب را افزایش داده و فورجینگ را با مشکل روبرو می کننـد. افـزایش میـزان قلـع سختی را افزایش و قابلیت ماشین کاری را کاهش می دهد]۷. [ عنصـر روی بـه علـت فشـار بخـار بـالا در دماهای ریخته گری بیشتر از مس و سرب تبخیر میگردد، بنابراین توجـه بـه میـزان اتـلاف عناصـر فـوق و جلوگیری از انحراف ترکیب از اهمیت فراوان برخوردار است.
الف-۳: ناخالصی و پوسته های اکسیدی با توجه به اینکه اکثر تولید کنندگان قطعات برنجی، براده های تراشکاری و محصولات برگشتی خـود را
مجدا ذوب و به بیلت تبدیل می کنند، حضور آخالهای اکسیدی و ناخالصی های ناشـی از بـار برگشـتی و آلیاﮊهای تجاری در مذاب محتمل است. اکسایش سطحی براده ها، محصـولات برگشـتی محتـوی پـیچ و ساچمه و پوششهای الکترولیتی برروی قطعاتی چون گلوله های بالوالو، منشا ورود ناخالصی در بار هستند.
این ناخالصی ها به دلیل جداسازی نامناسب برگشتی ها و سرباره گیری نامطلوب به وجود می آیند. پوسته های اکسیدی در سطح بیلت و لقمه خام ناشی از فرایند پیشـگرم، از عوامـل دیگـر حضـور ناخالصـی مـی باشند. این ناخالصی ها به واسطه طبیعت ناپیوسته و ناهماهنگی با زمینـه اطرافشـان بـه عنـوان مراکـز تجمـع تنش عمل کرده و منجر به کاهش خواص مکانیکی و فیزیکی محصـول میگردنـد. در ریختـه گـری هـای مداوم و نیمه مداوم در کوره های القائی یا شعله ای تیلت که شـمش توسـط پاشـش آب خنـک میگـردد، میزان این عیوب به حداقل می رسد. در حالیکه در ریخته گـری هـای تکبـاری کـه بیلـت هـا در قالبهـای چدنی ریخته گری و به آرامی خنک میگردند، بیشترین عیب ملاحظه میشود. در ریخته گریهـای مـداوم و نیمه مداوم بیلت ها به طول کانتینر بریده میشوند، ولـی در ریختـه گریهـای تکبـاری طـول و قطـر قالبهـای چدنی متناسب با کانتینر انتخاب میشود. رشد بیش از حد دانه ها خصوصا دانه های سـتونی و تجمـع ذرات سرب در مرز دانه به واسطه سرعت سرمایش پایین از عیوب دیگر این نوع بیلتها است. در شـکلهای ٢ و٣ به ترتیب ساختار ریختگی تکباری و پیوسته ملاحظه میگردد. رشد دانه ها و نسبت بالاتر دانه هـای سـتونی کاملا مشهود است. در این نوع ریخته گری، ناخالصی و حبابهای گازی فرصت تجمع در مرکز شمش بـه عنوان آخرین نقطه انجماد را می یابند. حفره های انقباضی یـک نقـص متـداول دیگـر در ایـن نـوع بیلـت هاست. این عیب عموما به صورت مخروطی یا لوله ای شکل بوده و گاهی تا مناطق پائینی بیلت ادامـه مـی یابد]۸.[ این عیب با انتقال به میلگرد منجر به نشتی شیر یا ایجاد ترک در آن میگردد. در شکل٤ دو مقطـع از ابتدای یک میلگرد اکسترود شده محتوی این عیب ملاحظه میگردد. تجمع این ناخالصی ها، حفرات و حبابهای گازی عمدتا در مرکز سطح شمش بوده و در صورتیکه سطح بیلـت بعـد از ریختـه گـری بریـده
نشود به ابتدای میلگرد منتقل میگردند. در شکلهای٥ و٦ مقطع برآمده میلگردی که به واسـطه حـبس گـاز در بیلت به وسط میلگرد انتقال یافته بـه همـراه سـاختار سـطحی حفـره گـازی باسـختیHRB ٥٩ مشـاهده میشود. قرار دادن بیلت در کانتینر به صورتی که سر بیلت در تماس با دامی و انتهای آن در تماس بـا قالـب باشد نیز میتواند از انتقال این عیوب به میلگرد جلوگیری کند. مدل سیلان در فراینـد اکسـتروﮊن برنجهـای محتوی دو فاز αو β مدل سیلان C نامیده میشود. در این مدل، میـزان اصـطکاک و تـنش جریـان فلـز در ناحیه کناری نسبت به مرکز بیلت بالاتر است بـه طوریکـه ناحیـه فلـز مـرده جلـوی قالـب تـا انتهـای بیلـت گسترش می یابد. در مدل C ابتدا مواد داخل قیف که دارای تنش سیلان پائین تری نسبت بـه ناحیـه مـرده اطراف قیف هستند اکسترود میگردد و سطح کنـاری کـه حـاوی پوسـته هـای اکسـیدی اسـت در انتهـای میلگرد قرار می گیرد. میزان بالای اصطکاک در جداره بیلت ناشـی از تشـکیل پوسـته سـخت اکسـیدی و کاهش دمای ناحیه کناری به واسطه زمان ماند بالاتر این ناحیه نسبت به مرکز بیلت است]۹. [
سرد شدن جداره خارجی بیلت منجر به تبدیل فاز βبه فاز αدر این ناحیه میگردد. چون تـنش سـیلان فـاز
αدر دماهای بالا بسیار بالاتر از فاز β است، تـنش سـیلان در ناحیـه کنـاری افـزایش مـی یابـد. گرادیـان حرارتی بالا بین کانتینر و سطح بیلت نیز این موضوع را تشدید مـی کنـد. پوسـته هـای اکسـیدی در پایـان فرایند اکستروﮊن به مرکز رانده شده و با ایجاد تنش سیلان بسیار بالا و به صورت شعاعی در قالب جریـان می یابند]۱.[ جلوگیری از اکسایش سطحی بیلت در مرحله ریختـه گـری، ایجـاد یـک محـیط احیـائی در مرحله پیشگرم بیلت، باقی گذاشتن حداقل ۰۱% انتهای بیلت در کانتینر و نهایتا جدا کـردن ناحیـه محتـوی پوسته های اکسیدی از میلگرد، عیوب ناشی از ناخالصی های اکسیدی را به حداقل خواهد رساند.
میزان این ناخالصی های اکسیدی در میلگردی با قطر mm ۷۲ و طول m۵ که جهت فورج بدنـه شـیرهای بالوالو" ½ مورد استفاده قرار می گیرد، ناشی از اکسترود شدن بیلتی به قطر cm۰۱ و طول cm۰۳ کـه بـه صورت تکباری در قالب چدنی ریخته گری شده است می تواند تا m۱ انتهای میلگرد هم ادامـه یابـد. در شکل٧ تجمع رگه ناخالصی در محل خط جدایش بدنه یک شیر اجاق گاز مشاهده میشود. ایـن ناخالصـی ها به صورت حلقه ای متقارن نسبت به مرکز شمش و با چشم قابل مشاهده انـد. در شـکلهای٩ و١٠ سـطح مقطع ماکروسکوپی و میکروسکوپی ناخالصی حلقوی ناشـی از پوسـته هـای اکسـیدی در انتهـای میلگـرد ملاحظه میگردد. ناخالصی ها و آخالهای اکسیدی پس از عملیات فورج داغ متناسـب بـا شـکل قطعـه، بـه داخل اجزاﺀ محصول کشیده شده و از سطح تا مرکز محصول گسترش می یابند. ناخالصی های ذکر شـده به علت سختی بسیار بالاتر از فاز زمینه، در مرحله براده برداری منجر به استهلاک بـالای ابـزار تراشـکاری میگردند. در شکل٨ مقطع یک نمونه شیر بالوالو" ½ که ناخالصی حلقوی آن تا زیر استپر گسترش یافتـه و منجر به شکستن نوک ابزار گردیده است مشاهده میشود. این ناخالصی ها به عنوان مراکـز تجمـع تـنش عمل کرده و در نقاط پر تنش مانند لبه ها و گوشه های تیز منشـا پیـدایش و گسـترش تـرک در محصـول هستند. در شکل١١ دو مقطع از یک نمونه شیر بالوالو" ¾ که ناخالصی حلقـوی در آن منجـر بـه ایجـاد و اشاعه ترک در لبه های شیر گردیده است مشاهده میشود. لقمه های تهیه شده از میلگرد به واسطه سرعت
بالاتر برش گیوتین نسبت به اره ممکن است توسط گیوتین به سایز مناسب قالـب فـورج بریـده شـوند. در شکل١٢ مقطع گیوتین شده میلگردی محتوی ناخالصی حلقوی مشاهده میشود. شکست به صـورت تـرد و قلوه کن انجام شده است. لایه های ناخالصی و آخالهای اکسیدی به لایه های فلزی آلیاﮊ نمی چسـبند. در صورتیکه این لایه ها تا سطح یا زیر سطح نمونه کشیده شوند منجر به ایجاد عیوب سـطحی و ظـاهری در قطعه میگردند. در شکل١٣ دو نمونه از این عیوب مشاهده میشود.
ب:دمای پیشگرم و نحوه گرمایش فورجینگ اتصالات رزوه ای و شیرها ی قطع و وصل گاز و اجاق گاز از میلگردهای برنجی، در دماهـای
بالا امکان پذیر است. نسبت بیشتر فاز β به عنوان یک فاز شکل پذیرتر نسبت به فـاز αدر دماهـای بـالاتر منجر به کاهش نیروهای اعمالی میگردد. بیلت و لقمه خام داغ به واسطه سـیالیت بـالا، نیروهـای برشـی و فشاری کمتری به قالب وارد کرده و عمر قالب نیز افـزایش مـی یابـد. انتخـاب ترمودینـامیکی دمـایی کـه بالاترین میزان فاز βدر آن دما تشکیل شود به طـور مسـتقیم متـاثر از درصـد عنصـر روی و سـایر عناصـر آلیاﮊی و ناخالصی ها می باشـد. بـه طوریکـه در ترکیـب ۷۳% روی در دمـای °C۰۸۶ اولـین جوانـه هـای فاز βدر مرز دانه های α تشکیل میشود و با افزایش دما مقدار فاز β افزایش مـی یابـد، امـا قبـل از ناحیـه تکفاز β آلیاﮊ ذوب میگردد. آلیاﮊ با ۰۴% روی از دمای °C۰۵۴ تا °C۰۵۷ در ناحیه دو فازی αو β قـرار دارد. در دماهای بالاتر آلیاﮊ وارد ناحیه تکفاز β میگردد. مناسبترین دما برای کار گـرم سـاختار دو فـازی غنی از β است. بنابرین با کاهش درصدروی باید دمای پیشگرم افزایش یابد، بـه طوریکـه مناسـبترین دمـا جهت پیشـگرم بـرنج آهنگـری متناسـب بـا میـزان روی آلیـاﮊ، از °C۰۵۶ تـا °C۰۶۷ پیشـنهاد میشـود]۹.[
مناسبترین کوره جهت پیشگرم بیلت و لقمه خام کوره القائی میباشد. در این کوره ها سطح و مغز قطعه در مدت زمان کم به طور یکنواخت تا دمای مورد نظر گرم میگردد. استفاده از کوره هـای شـعله ای مسـتقیم منجر بـه اکسـایش سـطحی نمونـه هـا خواهـد شـد، بنـابراین اسـتفاده از شـعله احیـائی خصوصـا در دمـای بالای °C۵۰۷در این کوره ها توصیه میگردد]۹.[ علاوه بر ایـن سـاختار آلیـاﮊ متناسـب بـا دمـای هـر لایـه متفاوت بوده بنابراین خواص مکانیکی متفاوتی به وجود خواهد آمد. استفاده از ترموکوپل و کنترل زمـان از اثرات نامطلوب گرمایش موضعی در کوره های شعله ای می کاهد. گاهی سرخی سطح بیلت و لقمه به صورت تجربی معیار رسیدن به دمای مطلوب قرار می گیرد. در این روش علاوه بـر افـزایش ضـایعات بـه واسطه ذوب موضعی ناشی از عدم کنترل دقیـق دمـا، تعیـین دمـای سـطح قطعـه بـا دقـت حـداقل °C۰۵± صورت میگیرد که پیش بینی ناپذیری ساختار و خواص مکانیکی را به همراه خواهد داشت. علاوه بر ایـن تفاوت سیالیت مغز و سطح قطعه منجر به ایجاد ترکهای داخلی میگردد. در شکل١٤ ترکهـای داخلـی در دو مقطع طولی و عرضی میلگرد مشاهده میگردد. قطرهای بالاتر به واسطه اختلاف دمائی بیشتر در معرض ایجاد ترکهای سطحی اند. بنابراین باید به صورت یکنواخت تر و طی مدت زمان بیشتری پیشگرم شوند.
ج:سرعت و نحوه سرمایش سرعتهای سرمایش میلگرد و قطعه خام پس از اکستروﮊن و فورجینگ بر سا ختار فازها، درصد توزیع هـر
