بخشی از مقاله
مطالعه تغييرات انجماد جهت دار قطعات ريختگي چدني با کنترل شيب حرارت دادن و سرعت سرد شدن
چکيده
در اين پژوهش اثرات سرعت سرد کردن و انتقال حرارت بر فرايند انجماد و ريزساختار چدن بررسي و گزارش يافته هاي آزمايش از مراحل انجماد جهت دار چدن هيپويوتکتيک گزارش مي شود. در مرحله اول هدف جهت دار کردن ساختار و يکنواختي سختي در نقاط مختلف قطعات چدني بود که پس از انجام آزمايشات و تست روشهاي مختلف مطالعات متالوگرافي با هدف چگونگي تغيير ريز ساختار بعنوان تابعي از متغيرهاي فرايند انجماد بررسي گرديد. ضمن اينکه درصد تعادلي فازها و ريز ساختار نمونه ها در شرايط سرعت سرد شدن کنترل شده و سريع سرد شدن ، با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني SEM گزارش مي گردد.
واژه هاي کليدي : انجماد جهت دار ، شيب حرارت دادن ، قطعات ريختگي چدني ، سرد شدن کنترل شده .
مقدمه
فرآيند انجماد که با منجمد شدن يک فلز مايع در قالب ايجاد مي شود نقش اساسي در تعيين مشخصات آلياژ ريخته گري بازي مي کند، اگر شکل نهايي محصول با فرم دهي شمش ها و شوشه ها ايجاد شده باشد، فرايند انجماد ساختار شمش ها و مشخصات محصول اثر گذار مي باشد[١و٢]. اثر فرآيند انجماد روي مشخصات محصول ناشي از شرايط متفاوت سرد کردن باعث تغيير ميکروساختارهاي انجمادي مي شود، که بسياري از مشکلات ريخته گري مانند تخلخل و انقباض بستگي به شرايط سرد شدن آلياژ در قالب دارد[٣].
دو فاکتور مهم در کنترل ريزساختارهاي انجمادي ترکيب قالب و شرايط و ميزان انتقال حرارت در قالب مي باشد، ميدان گرمايي در ريخته گري در تعيين ريز ساختار آلياژ ريخته گري شده بسيار اهميت دارد[٤]. در يک قالب دو نوع متفاوت انتقال حرارت ممکن است وجود داشته باشد، اولين مورد اين است که گراديان دما بين مايع و جامد مثبت باشد مانند پراکنده شدن و انتقال گرماي نهان ذوب توليد شده در تداخل بين فصل مشترک مايع و جامد از طريق جامد و انتقال حرارت به مايع که اينچنين ميدان گرمايي موجب ايجاد يک انجماد جهت دار مي گردد و نتيجتاً يک منطقه ستوني در ريخته گري را باعث مي گردد[٥]. دومين مورد ايجاد يک منطقه متساوي المحور با ابعاد يکنواخت مي باشد که اگر مذاب ، جامدي را که زير دماي ذوب است احاطه کند گراديان دمايي منفي در مايع ايجاد مي شود(جامد به مايع حرارت مي دهد) در اين حالت گرماي نهان ذوب در مايع شبيه آنچه که در مرکز قالب ايجاد شده پراکنده و يک منطقه هم محور را باعث مي گردد[٦و٧].
روش تحقيق
در اين پژوهش دو روش جهت ايجاد انجماد جهت دار در قطعات چدني مورد مطالعه بررسي گرديد، ابتدا روش
ريخته گري دقيق مطالعه شد، بدين صورت که مخلوطي از ماسة ، چسب سيليکات اتيل (سيليس کلوئيدي ) و آب آماده و با تهيه صفحه آب گرد با لوله مسي و قطعاتي مومي مرکب از باسيس ، پارافين خشک و واکس مونتان به اشکال مورد نظر، موم را به صفحه آب گرد متصل کرده و در مخلوط قالب گيري جهت ايجاد ضخامت مناسب فرو برديم ، جهت ذوب کردن موم ، قطعه بدست آمده را در کورة عمليات حرارتي قرار مي دهيم که موم مورد نظر در دماي ١٥٠C ذوب مي شود، و قبل از عمليات ذوب ريزي قطعه را تا دماي ١٠٠٠C گداخته کرده و ضمن اتصال سيستم آب گرد ذوب ريزي را انجام مي دهيم ، روش ديگري که مطرح و بررسي گرديد، اين بود که با ايجاد شيب حرارت کنترل شده سعي گرديد، شرايط جهت ايجاد انجماد جهت دار فراهم گردد. ابتدا جهت بررسي ريز ساختار قطعه چدني بدون کنترل سرعت سرد شدن دو درجه با مخلوط ماسه تر شامل (ماسه سيليسي طبيعي بادانه بندي AFS60 ٥ درصد بنتونيت ، ٢ درصد پودر زغال و ٥ درصد آب ) فرم گيري و جهت ذوب ريزي آماده گرديد، سپس براي بررسي کنترل شيب حرارت دادن و سرعت سرد کردن يکي از درجه ها (درجه زيري ) را با مخلوط ماسه تر و درجه رويي را با مخلوطي از ماسه Co2 (ماسه ، چسب سيليکات سديم ) فرم گيري نموده و با دمش گازCo2 استحکام کافي ايجاد گرديد، درجه رويي را تا دماي ٧٥٠C در کوره حرارت داده ، جهت جلوگيري از خروج حرارت در حين ذوب ريزي ، درجه زيري را در يک عايق از جنس پشم شيشه جاسازي کرده و درجه رويي را بلافاصله از کوره خارج نموده و روي درجه زيري جفت کرده و اطراف منطقه را از ماسه پر مي نمائيم که هيچ گونه انتقال حرارتي به خارج از مجموعه نداشته باشيم و عمل ذوب ريزي انجام گرديد. مذاب در کوره القايي تهيه شده و عمليات ذوب ريزي در اين درجه ها و قالب هاي تهيه شده از روش ريخته گري دقيق صورت گرفت . در نهايت پس از انجام آزمايشات متالوگرافي و مشاهده ريزساختارقطعات چدني توليد شده و بررسي سختي در مناطق مختلف اين قطعات جهت تأئيد مقادير سختي بدست آمده از هر مرحله ، توسط ميکروسکوپ الکتروني (SEM) و آزمايش ميکروهاردنس مقادير فازهاي موجود در ريزساختار که شامل فازهاي فريت و سمانتيت مي باشد، گزارش مي گردد.
نتايج و بحث
يکي از روشهاي ايجاد انجماد جهت دار در قطعات چدني به وجود آوردن قابليت هدايت حرارتي است ، يکي از روشهاي ايجاد انجماد جهت دار ريختن مذاب در داخل قالب موقت گرم شده در C (روش ريخته گري دقيق ) که داراي يک لوله مسي با سيستم آب گرد در زير است و در ادامه راجع به آن بحث مي شود صورت مي گيرد، همچنين بوسيله ريختن مذاب در داخل قالب دايم که داراي يک سيستم خنک کننده مسي با آب گرد مي باشد انجام مي شود، که در اين روش انجماد ابتدا از ته شروع شده ، سپس براي کنترل کردن عمل سرد کردن جهت دار از ته به بالا، قالب از ته به آرامي از کوره به عقب کشيده مي شود[٨]. در اين روش قالب طراحي شده و نيز به منظور حذف کردن دانه هايي که کمتر در مسير مورد نظر رشد مي کنند حفره هايي که به آن بلوک استارتر(BlC k Starter) گفته مي شود زير فضاي خالي اي که براي انجماد تيغه در نظر گرفته شده است قرار مي دهند، نتيجه اين عمليات يک تيغه با دانه هاي ستوني است که در جهت طول آن گسترش مي يابند[٩و١٠]. در روش ريخته گيري دقيق اعمال شده هدف اين بود که با کنترل عمل سرد کردن جهت دار در قالب موقت به توان دانه هايي با جهت مطلوب ايجاد کرد. اشکال عمده اين روش اين است که فقط براي قطعات با وزن کم کاربرد دارد[١١].
مقاومت بالاي ترموديناميکي ذاتي کريستال باعث انگيزه اي براي توسعه تيغه هاي جهت دار توربين ها شده است .نواقص مربوط به جذب گرما و عدم انجماد جهت دار کريستالها و شکل گرفتن دانه هاي پراکنده در جاهايي که منحني حاصل از مرز مذاب و ناحيه در حال سرد شدن به قسمت هاي پله دار قالب مي رسد در طول فرايند ريخته گري به وجودمي آيند[١٢]. جلوگيري از ناهمگني ساختار در طول انجماد کريستال ها و جهت دار کردن آنها سبب توليد سازه اي با قابليت کارکرد در دماهاي بالا مانند تيغه هاي توربين مي شود. عواملي مانند تعداد جوانه ها در مذاب و مقدار گرماي گرفته شده کنترل نشده از آن سبب ايجاد انجمادي ناهمگن نزديک ديواره قالب و تشکيل دانه هايي در خلاف جهت مورد نظر مي شوند[١٣]. به وسيله گرفتن حجم گرماي کنترل شده از منطقه درحال سرد شدن مي توان علاوه بر ايجاد شرايطي جهت بوجود آمدن همزمان دندريت ها در گوشه هاي کناري قالب و رسيدن دندريت هاي اوليه به مقطع بزرگ سازه ، شاهد دندريت هايي با ساختار ميکروسکوپي يک سو و جهت يافته در اين منطقه بود، از بوجود آمدن دندريت هاي ثانويه جلوگيري نمود. که با بررسي روشهاي مختلف نهايتاً به سمتي سوق پيدا کرديم که با کنترل شيب حرارت دادن و سرعت سرد کردن بتوان ساختار دندريتي توسعه يافته در ساختار را بدست آورد [١٤و١٥]. انجماد سريع ساختار اين احتمال را به وجود مي آورد که سازه در طول عمليات حرارتي اندکي تمايل به هم خوردگي کريستال ها را به خاطر اعوجاج شبکه داشته باشد [١٦]. تصوير ميکروسکوپي نمونه چدني ريخته شده در حالت معمولي و بدون کنترل سرعت سرد شدن در شکل (١) ديده مي شود که مناطق پرليتي پيوسته و آستنيتي به وضوح در ساختار قابل مشاهده است . همچنين ترکيب شيميايي اين چدن در جدول (١) آورده شده است .
در اشکال (٢) و(٣)شاخه هاي دندريتي در نمونه هاي با کنترل سرعت سرد کردن قابل مشاهده مي باشد. با افزايش سرعت انجماد فاصله بازوهاي دندريتي چدن هيپويوتکتيک منجمد شده به صورت جهت دار کاهش مي يابد که در شکل (٤)نشان داده شده است که اين مصادف با کاهش و نوسان سختي در نقاط مختلف قطعه مي باشد که در جدول (٢) آورده شده است . در اين حالت تعداد سلولهاي يوتکيتک افزايش يافته (شکل (٥)) و طول کلني پرليت در چدن سفيد و گرافيت لايه اي در چدن خاکستري همانطوريکه در شکل (٦) نشان داده شده است کاهش و ميزان حفره ها افزايش مي يابد که با کنترل سرعت سرد کردن علاوه بر ايجاد شرايطي جهت رسيدن به ساختار دندريتي مناسب مي توان تغييرات سختي را نيز در سرتا سر قطعه به رنج تقريباً يکنواختي رساند که در جداول (٣)و(٤) آورده شده است . در صورت مشاهده آخال در ساختار اين آخالها در نزديکي مرزهاي دندريتي واقع خواهند شد.
در شکل (٧) ساختار ميکروسکوپي سطح مقطع نمونه چدني ريخته شده بدون کنترل سرعت سرد شدن و در شکل (٨) ساختار ميکروسکوپي همان نمونه با کنترل سرعت سرد کردن نشان داده شده است که بوسيله ميکروسکوپ الکتروني (SEM) گزارش مي گردد. بعد از کنترل سرعت سرد کردن ظاهر ساختار ميکروسکوپي تغيير مي يابد و مناطق تاريک کمي عريض تر مي شود. با تخمين زدن درصد فازهاي فريت و سمانتيت مشخص گرديد که درصد تعادلي اين فازها ٤٣درصد فريت و ٥٧ درصد سمانتيت براي نمونه چدني با کنترل سرعت سرد شدن و ٣٨ درصد فريت و ٦٢ درصد سمانتيت براي نمونه چدني بدون کنترل سرعت سرد کردن گزارش مي گردد، اين اطلاعات به روشني نشان مي دهد که ساختار شبکه فريت و سمانتيت در چدن سريع سرد شده و درحالت سرد شدن کنترل شده متفاوت مي باشد و در نتيجه متفاوت بودن رنج سختي در مناطق مختلف قطعه چدني بدون کنترل سرعت سرد کردن را تأئيد مي نمايد.
نتيجه گيري
١- با افزايش سرعت سرد کردن (عدم سرد کردن تعادلي ) افزايش حفره و کاهش طول ورقه گرافيتي در چدن خاکستري و مجتمع شدن کلني هاي پرليتي در چدن سفيد را خواهيم داشت .
٢- در شرايط انتقال حرارت بين جامدهاي درحال رشد با يک مذاب فوق سرد يک ساختاردندريتي ايجاد مي گردد که ممکن است اين ساختار با ابعاد يکنواخت (شبيه به فلز خالص ) باشد.
٣- متفاوت بودن مقادير سختي در طول نمونه هاي ريخته شده بدون اعمال کنترل سرعت سرد کردن متفاوت بودن درصد تعادلي فازهاي مناطق مختلف در ساختار را نمايان مي سازد که با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني (SEM)
ثبات اين امر محقق مي گردد.
