ارزیابی خواص مکانیکی چدن خاکستری بااستفاده از اندازه گیری مقاومت ویژه الکتریکی

چکیده

در مقاله حاضر تلاش گردیده تا ارتباط بین مقاومت ویژه الکتریکی با اســتحکام کششــی و ســختی چدن با کربن معادل در محدوده 3/93 تا 4/48 درصد تعیین گردد. آزمایشــات بر روی 12 ذوب متفاوت چدن خاکســتری با ترکیبات شیمیایی متفاوت انجام و از هر ذوب 6 نمونه بارریزی گردید.

بر مبنای مقاومت الکتریکی و مکانیکی تغییرات اســتحکام کشــش و ســختی و مقاومت ویژه الکتریکی به صورت تابعی از کربن معادل تعیین شــد. سپس معادلات رگراســیون به صورت توابع نمایی برای مشخص شدن ارتباط بین مقاومت ویژه قطعات ریختگی و استحکام کششی و سختی آنها توسعه یافت.

مشخص گردید که معادلات سطح بالایی از رگراسیون میتوانند برای اندازه گیری نقاط به خصوص با توجه به معادله Rm=f(ρ) اســتفاده شــود. نتایج ابتدایی به دســت آمده همچنین نشــان داد امکان اســتفاده از روش تعیین مقاومت قطعات ریختگی آزمایشــی در خط تولید هنگام تولید ســری وجود دارد زیرا شکل هندسی محصول تغییر نمیکند.

مقدمه

در صنايع ریخته گری سال هاســت كه گرايش برای به كارگيری سيستم های تحقيقاتی با اســتفاده از روش های غيرمخرب گســترش يافته است. آزمايشات غيرمخرب راهی برای به حداقل رســاندن هزينه های مديريت ريسک در اقتصاد پيشــرفته می باشد.

صنايع ريخته گری چدن با بسياری از صنايع مانند صنايع خودرو و ماشين ســازی مرتبــط بوده و تامين الزامات اســتحکام و كيفيت مورد تقاضای خريداران هدف اوليه بهبود مســتمر اين آلياژ اســت.

روش های جديد برای كاهش هزينه ضمن دســتيابی يا افزايش چرخه كنترلی محصولات توليدی هنوز تحت بررسی و مطالعه می باشد و يکی از اين راه حل ها به كارگيری روش اندازه گيری ســريع مقاومت محصول مستقيما در خط توليد است.

مقاومت قطعه ريختگی بســتگی به شکل هندسی و خصوصيات آلياژی آن دارد و در شرايط ثابت توليدی و برای يک نوع مشخص قطعه ريختگی مقاومت با تركيب شيميايی و ساختار ريختگی چدن مشخص خواهد شد.

بدين ترتيب ساختار زمينه، تعداد و اندازه گرافيت يا حضور ســمانتيت ثانويــه، آخال های غيرفلزی و غيره و همزمان بر تغييرات مقاومت قطعه ريختگی اثر خواهند داشــت. در مورد قطعات ريختگی با اشــکال هندسی متفاومت بررسی مقايســه ای اثرات ناشی از عوامل ساختاری میتواند براســاس مقاومت ويژه الکتريکی قطعه ريختگی انجام شود.

ساختار و تركيب شــيميايی چدن با خصوصيات فيزيکی و خصوصيات مکانيکی مرتبط اســت. اما ويژگی چدن خاكستری معمولا با استحکام كششی و يا سختی مشــخص میگردد و انطباق مقاومت ويژه خصوصيــات مکانيکی میتواند برای ارزيابــی تقريبی كيفيت محصولات توليدی بــه كار رود.

امتياز روش اندازه گيری مقاومت توانايی تعيين اندازه گيری هــای عددی در نقاط مختلف قطعه ريختگی اســت كه در آنها نواحی بحرانی از نظر يکنواختی ســاختاری مطرح میباشد. روش های معمول اندازه اســتحکام كششــی مخرب و برای انجام آن نيازمند به آماده ســازی نمونه می باشــد و جهت اندازه گيری كلاســيک نيز نياز به استفاده از تجهيزات ويژه ای بوده كه هزينه های آن بســيار بالاتر از يک دســتگاه برای اندازه گيری مقاومت اســت.

زمان و هزينه مطالعات هنگام به كارگيری روش های كلاســيک موجب میگردد روش های جايگزين منطقی باشــد و درخصوص روش های غيرمخرب NDT امتياز بزرگ عدم نياز بــه تخريب محصول برای تعيين خصوصيات مکانيکی می باشد. امکان تاييد نتايج مطالعه بر روی محصول نهايی نيز برای خريدار بسيار مهم بوده و اطمينان مصرف كننده را افزايش میدهد.

روش آزمایش و مواد به کاررفته

بــرای آزمايش از مقاومتســنج كوچک MMR-630 با دقــت بالای 0/1 ميکرواُهم اســتفاده شــد. جريان بالای آزمون برای محدوده های فرعی مستقل و حالت های كاری مناسب امکان اندازه گيری مقاومت را همچنين برای قطعات تحت جريان های القايی (مانند ترانسفرماتور و موتورها) فراهم می آورد.

چندكاره بودن اين دستگاه با قابليت ويژه آن امکان استفاده در اندازه گيری های سريال در چرخه توليد را ميســر می نمايد به عنوان مثال كنترل تکبارهای بزرگ با اندازه يکسان. در اين آزمايش 12 ذوب مختلف چدن خاكستری با مقادير كربن معادله ای مخلف آماده گرديــد و با آنها 36 نمونه به ابعــاد 123×43×18 ميلیمتر برای آزمون مقاومت الکتريکی و 36 نمونه برای آزمايش كشش مطابق استاندارد 527-1 ISO بارريزی گرديد.

قالب های ماسه با فرآيند سيليکات سديم و گاز CO2 تهيه گرديده و ذوب ها نيز در يک كوره القايی فركانس متوســط با ظرفيت 12 كيلوگرم آماده شــد. از هر ذوب دو قالب نمونه های كشــش و نمونه های اندازه گيری مقاومت بارريزی گرديد و قبل از بارريزی نيز مقدار 0/1 درصد جوانه زا به مذاب افزوده شــد.

سپس قطعات پس از خنک شــدن درون قالب، تخليه شده تا ابعاد 120×40×15 ميلیمتر جهت انجام آزمون مقاومت الکتريکی ماشينکاری شدند. برای اندازه گيری مقاومت روش 4 سيم به جهت جبران مقاومت كابل به كار رفت و از پروب Kelvin كه برای اتصال مناسب ترين است استفاده شد.

اندازه گيری بر پايه به كارگيری پروب ها در دو طرف نمونه ها در ˚C 20، نگه داشتن و خواندن مقاومت انجام گرديد. اندازه گيری برای هر نمونه سه بار انجام شد و ميانگين مقادير تعيين شده از سه اندازه گيری ثبت گرديد. مقادير ميانگين با استفاده از معادله 1 به صورت مقاومت ويژه محاسبه شد:

معادله 1:

ρ =مقاومت ویژه، مقاومت=R، سطح مقطع عرضی=S، طول قطعه=l

نتایج

براســاس مطالعات انجامشــده ارتباط بین مقاومت ویژه با ســختی و اســتحکام کششــی تعیین گردید. نتایج حاصل از معادله رگراســیون برای 2R بوده که نشان 2R و برای اســتحکام کششــی 0/96= ســختی 0/83= میدهد معادله رگراســیون در محدوده کربن معــادل 3/93-4/48=CE و اندازه قطعات 15×40×120 میلیمتر مناسب بوده است.
معادله :2 -714ρ×150/79=HB
HB =سختی برحسب برینل
معادله :3 -1/909ρ×102/13=Rm
کربن معادل=CE و مقاومت ویژه برحســب μΩ.m=ρ و اســتحکام نهایی 2mm/N=Rm کشش برحسب در شکلهای 2 تا 5 وابستگی خصوصیات مکانیکی چدن را با مقاومت ویژه و در شکلهای 6 و 7 ریزساختار نمونههای مورد مطالعه ارایه شده است.

بنابــر نتایج با افزایش کربن معادل مقاومــت ویژه چدن افزایش یافته و این روند در ارتباط با تغییرات اســتحکام کشش برعکس است. برای هر 0/1 درصد افزایش کربــن معادل مقاومت ویژه 0/05 افزایــش یافته و محدوده مقاومت ویژه 0/6 تا 0/7 نیز معادل محدوده Rm 100 است.

نمونه متالوگرافی نیز پس از آمادهسازی با نیتال 4 درصد اچشده و با بزرگنمایی 500 برابر ارایه شدهاند. نمونه ذوب شماره 4 دارای مقدار گرافیتهای ورقهای کمتر با زمینه پرلیتی و رســوبات فریت ظریف به میزان 5 درصد و 3 درصد نیز ســمانتیت بوده همچنین رسوبات بیشتری سمانتیت صفحه های شکل در اطراف دانههای پرلیت مشاهده میشود.

مقادیر اندک رسوبات فریت نیز در سطوح نمونه ها بهطور یکنواخت توزیع شده در ســطح نمونه قابل رویت اســت. اما نمونه متالوگرافی ذوب شماره 1 دارای تعداد بیشتری گرافیتهای ورقهای بوده و زمینه آن نیز پرلیتی با رسوبات ظريف فريت تا 5 درصد و 1 درصد هم سمانتيت میباشد.

مقادير اندک رسوبات فريت ظريف كه به طور يکنواخت توزيع شده بر روی سطح نمونه ها قابل رويت است.

نتیجه گیری

براســاس نتايج به دســت آمده بايد گفت كه مقاومت ويژه الکتريکی در ابعاد ثابت به ميزان زيادی مرتبط با اســتحکام كششــی است. يک واقعيت جالب توجه اينكه ارتباط ارايه شــده را میتــوان در جداول مقالات (4و5) نيز مشــاهده نمود.

ارتباط به دست آمده در محدوده مورد مطالعه با دقت بالا میتواند در تعيين مقادير استحکام بر مبنای مقاومت ويژه اندازه گيری شده، به كار برد. قابليــت تکرارپذيری روش اندازه گيری قابل توجه بوده و بر دقت نتايج آزمون موثر است.

اندازه گيری مقاومت به خصوص در توليد انبوهه مانند توليد پوســته موتور وزنه های تعادل و غيره توصيه میشــود زيرا اين امکان را جهت پيشبينی اندازه گيری برای اشــکال هندسی ثابت فراهم مینمايد.

روش آزمايش به جهت به كارگيری آسان است و نيازمند الزامات خاص نبوده و حدود 15 برابر هزينه های كمتر نســبت روش های استاندارد معمول دارد. براساس نتيجه گيری فوق الذكر میتوان گفت كه ادامه آزمايش مقاومت و يا مقاومت ويژه چدن فرصت بزرگی را برای آگاهی از ارتباط برای بســياری از خصوصيــات ديگر مواد و مواد به كاررفته برای توليد آن را مانند كيفيت مواد كربنده مثل كک و گرافيت فراهم مینمايد.

منابع

منبع خارجی: Archives of Foundry Engineering Vol.16.2016

منبع فارسی: بهمن و اسفند 1395 – مجله صنعت ریخته گری

ترجمه : انجمن صنفی ریختهگری ایران