ریزساختار فولاد ریختگی پرمنگنز حاوی تیتانیم

فولاد ریختگی هدفیلد که به طور گســترده در صنایع نیروگاهی و معدنی به کار میرود مقاوم به فرســایش است اما فقــط هنگامی کــه در جریان کارکرد در مقابل بارهای ضربه ای قرار گیرد. قطعات ساخته شــده از این آلیاژ که تحت اثر ســایش در شرایط بدون اعمال بار قرار گیرند دچار فرســایش زودهنگام و سریع خواهند شد.

چکیده

فولاد ریخته گری هدفیلد که به طور گســترده در صنایع نیروگاهی و معدنی به کار میرود مقاوم به فرســایش است اما فقــط هنگامی کــه در جریان کارکرد در مقابل بارهای ضربه ای قرار گیرد.

قطعات ساخته شــده از این آلیاژ که تحت اثر ســایش در شرایط بدون اعمال بار قرار گیرند دچار فرســایش زودهنگام و سریع خواهند شد. به منظور افزایش مقاومت به ســایش فولادهای ریختگی پرمنگنز تحت شرایطی که هیچ بار دینامیکی اعمال نمیشود، کاربیدهای اولیه تیتانیم در فرآیند ذوب فولاد ایجاد میشــود تا پس از انجماد و ســرد شدن ریزساختار دارای کاربیدهای اولیه بسیار ســخت با توزیع یکنواخت در زمینه آستنیت باشد و بدین ترتیب سختی نســبت به فولادهای معمولی هدفیلد بیشتر گردد.

کاربیدهای ســخت تیتانیم در نهایت موجب ارتقای مقاومت به فرسایش قطعات تحت شرایط نیروهای برشی میگردد. میکروســختی اندازه گیری شــده زمینه نمونه ها در شــرایط ریختگی با افزایش مقدار تیتانیم افزایش یافته به طوری که با 0/4 درصد تیتانیم میکروسختی HV0.02 380 و با 1/5 درصد میکروسختی به HV0.02 410 و با 2 و 2/5 درصد تیتانیم میکروسختی HV0.02 510 بوده است.

پس از عملیات حرارتی انحلالی نیز میکروسختی زمینه بــرای ذوب هــای T2، T3 و T6 460 تا HV0.02 480 و بــرای ذوب T4 HV0.02 580 بوده که بالاتر از مقادیر به دست آمده برای فولادهای معمولی هدفیلد است سختی معمول در شرایط ریختگی HV0.02 370 و پس از عملیات حرارتی انحلالی HV0.02 340-370 میکروســختی اندازه گیری شده سمانتیت آلیاژی HV0.02 1030-1270 و میکروسختی کاربیدها به HV0.02 2650-2400 رسیده است.

مقدمه

امروزه قطعاتی مانند آســتر آســياب، چکش ها، فک ها و مخروطی های سنگ شــکن ها، قطعات ماشين آلات ساختمانی و قطعات صنايع نيروگاهی از جنس فولاد ريختگی پرمنگنز (هدفيلد) و جايگزين آن با به سازی هايی شامل افزودن عناصر كاربيدزا مانند كروم و موليبدن، ساخته میشوند.

استفاده از اين فولاد برای مصارف ذكرشده تابع شرايط كاری قطعات ريختگی و چگونگی اثر بارهای اعمال شــده اســت. هنگامی كه يک قطعه فولاد هدفيلد تحت شــرايط اعمال بارهای ملايم مانند سايش ماسه است مقاومت به فرسايش آن قابل مقايسه با فولادهای كربنی ريختگی است.

جدول 1 تركيبات شيميايی تعدادی از انواع فولادهای ريختگی هدفيلد را برحسب درصدهای وزنی نشان میدهد. ريزساختار فولادهای هدفيلد در شرايط ريختگی دارای زمينه آستنيتی به همراه رسوبات سمانتيت آلياژی (Fe,Mn)xCy اســت.

همچنين ريزســاختار میتواند حاوی آخال های غيرفلزی و در مقادير فســفر بالای 0/04 درصد (1) همچنين يک يوتکتيک سهتايی فسفر-كاربيد Fe(Fe,Mn)3C-(Fe,Mn)3P باشد. كاربيدهای رسوب يافته در جريان انجماد و خنک شــدن قطعات ريختگی تشــکيل يک شبکه بر روی مرز دانه های آســتنيت داده و به ميزان زيادی موجب كاهش چقرمگی آلياژ میشــوند.

رسوبات انواع كاربيدها باعث تشکيل تنش های داخلی زيادی شده كه اين امر موجب گســيختگی زودهنگام در اثر تشــکيل ترک ها در مرحله انجماد قطعه در قالب میگردد. چکشخواری پايين در حالت ريختگی قطعات فــولاد هدفيلد، توجيهی برای اعمال عمليات حرارتی انحلالی و خنک كردن در آب است.

اين نوع از عمليات حرارتی باعث میشود ساختار زمينه آستنيتی عاری از رســوبات سمانتيت آلياژی (7 تا 12) گردد. اما در برخی از انــواع فولادهای هدفيلد تعمدا مقادير اندكی عناصر قوی كاربيدزا مانند كروم يــا موليبدن افزوده میشــود و هدف از اين كار ارتقای مقاومت به ســايش فرسايشی قطعات ريختگی می باشد.

تغييرات در تركيب شيميايی موجب تغيير ريزساختار شده و در نهايت موجب میشود مقادير زيادی رسوبات كاربيدهای كمپلکــس نه تنها بيرون بلکه درون مرزهــای دانه ها به وجود آيد.بدين ترتيــب در قطعات ريختگی حاوی مقاديــر بالای عناصر كاربيــدزا عمليات حرارتی انحلالی الزاما موجب به وجود آمدن يک ســاختار آســتنيت خالص نمیگردد و متاسفانه نه افزايش درجه حرارت آستنيته كردن و نه طولانی نمودن زمان تضمينی برای انحلال كاربيدها ايجاد نخواهد كرد.

از تحقيــق (6) به خوبی مشــخص گرديده كه تركيب شــيميايی فــولاد پرمنگنز میتواند با افــزودن واناديم تغيير يابــد و در C %2/3، Mn %11 و حدود V %6 ريزساختار شامل يک زمينه آستنيتی با يوتکتيک كاربيدهای واناديم خواهد بود.

اما بنابر گزارشات حضور اين نوع كاربيدها در مذابهای آزمايشی موجب استحکام ضربه بسيار پايين (3 تا 6 ژول بر ســانتیمتر مربع) شده است. در تحقيق ديگری (11) با تركيب C %1/6، Mn %10 و V %5/5 ريزســاختاری متشــکل از يک زمينه آســتنيتی و كاربيدهای اوليه با توزيع يکنواخت در زمينه بهدست آمده (شــکل 6) ولی در آزمون مقاومت به سايش با ماشين Miller اين فولاد ريختگی دو برابر فولاد معمولی هدفيلد مقاومت به سايش بيشتر داشته است .

تايج مثبت از افزودن واناديم نويسندگان مقاله حاضر را تشــويق نمود تا آزمايشات بيشــتری را بر روی فولادهای پرمنگنز با افزودن تيتانيم انجام دهند تا با حضور كربن كاربيدهايی با سختی حتی بالاتر تشکيل گردد.

روش آزمایش

ذوب در يک كوره القايی با ظرفيت 30 كيلوگرم متشــکل از قراضه های فولاد هدفيلد و افزودنی Fe-Ti و در شمشهای Y شکل ريخته گری گرديد و نمونه آزمايشی نيز از شــمش های ريختگی با ابعاد ضخامت 25 ميلیمتر بريده شدند.افزودن مقدار مناسب تيتانيم به مذاب موجب تشکيل كاربيدهای اوليه تيتانيم شــده كه در جريان انجماد به طور يکنواخت در ســاختار زمينه توزيع شــده اند.

چهار قطعه شمش آزمايشی با مقادير مختلف كربن و تيتانيم ريخته گری گرديد و نمونه های بريده شده برخی در حالت ريختگی و برخــی پس از عمليــات حرارتی محلولی (در 1050˚C ســپس كوئنچ در آب) مورد آزمايش قرار گرفتند.

تركيب شــيميايی با استفاده از اسپکترومتری به وسيله ED/XRF تعيين و مطالعه ريزساختارها با استفاده از ميکروسکوپ نوری 32 Neophot مجهز به دوربين ديجيتال ضبط تصاوير، و ميکروسختی ســنجی نيز برای تعيين سختی زمينه و كاربيدها به روش ويکرز با اعمال بار 20 گرم انجام گرديد. مطالعه و بررسی تركيب شيميايی رسوبات قابل رويت با استفاده از ميکروســکوپ الکترونی روبشی مجهز به آناليزور EDS انجام شد.

سگالش

براساس نتايج به دســت آمده در خصوص تركيب شــيميايی (جدول 2) مشخص گرديد كه مقدار عناصر اصلی در ذوب قابل مقايسه با عناصر فولاد ريختگی هدفيلد اســت. در نمونه های ريختگــی مقادير بالاتر كروم (¼ تا %1/2) و سيليسيم (2/4 تا %1/5) همراه با مقادير متغير تيتانيم (2/5 تا %0/4) به دست آمد.

براساس بررسی های انجام شــده با ميکروسکوپ نوری (شکل های 7 تا 13) و SEM (شــکل 14) و نتايج تركيبات شــيميايی رســوبات قابل رويت جدول 3 و شــکل های 15 و 16 مشخص شد كه ريزساختار ريختگی فولاد پرمنگنز مورد مطالعه متشــکل از زمينه آستنيت و كاربيدهای اوليه تيتانيم با توزيع يکنواخت در زمينه اســت.

البته در ذوب های T2 و T3 مقادير بســيار اندكی ســمانتيت آلياژی در مرز دانه ها (شکل های 7 و 8) مشاهده گرديد، اما در ذوب های T4 و T6 مقدار سمانتيت رسوب كرده (شکل های 9 و 10) بسيار بالاتر بود.

حضور رسوبات ســمانتيت آلياژی ثانويه در ذوب های آزمايشی به علت وجود مقادير بالای كروم با حضور تيتانيم (با بيشــتر شدن مقدار تيتانيم مقدار سمانتيت رسوب يافته كاهش می يابد) و جدايش سنگين عناصر آلياژی در جريان انجماد و سرد شدن شمش ها است.

عمليات حرارتی محلولی ريزســاختار نمونه ها را تغييــر داده و به دنبال آن در تمامی نمونه ها امکان دســتيابی به ريزساختاری متشکل از يک زمينه آستنيتی و كاربيدهای اوليه تيتانيم با توزيع يکنواخت در زمينه و مرزهای دانه عاری از حضور رسوبات سمانتيت (شکل 9) فراهم میگردد.

ميکروسختی های تعيين شده در زمينه ريختگی نمونه ها نشان داد كه با افزايش مقدار تيتانيم ســختی از HV0.02 380 با 0/4 درصــد تيتانيم به HV0.02 410 در 1/5 درصــد تيتانيم و HV0.02 510 برای نمونه های حاوی 2 و 2/5 درصد تيتانيم رســيد.

امــا پس از عمليات حرارتــی محلولی ميکروســختی زمينه برای ذوب های T2، T3 و T6 HV0.02 480 تا 460 و برای ذوب T4 HV0.02 580 بوده و بالاتر از ميکروسختی فولاد هدفيلد معمولی يعنی HV0.02 370 در شرايط ريختگی و HV0.02 370 تا 340 پس از عمليات حرارتی انحلالی است. ميکروسختی اندازه گيری شده سمانتيت های آلياژی نيز HV0.02 1270 تا 1030 و كاربيد HV0.02 4000 تا 2650 بوده است.

نتیجه گیری

ريزســاختار ريختگی فولادهای مورد مطالعه شــامل زمينه آستنيت پرمنگنز، كاربيدهــای اوليه تيتانيم با توزيع يکنواخــت در زمينه و همچنين سمانتيت آلياژی است.
پس از عمليات حرارتی انحلالی ساختار به دست آمده شامل يک زمينه آستنيتی و كاربيدهای اوليه تيتانيم با توزيع يکنواخت در زمينه است.
ميکروســختی زمينه در شرايط ريختگی HV0.02 510 تا 380 بوده كه با زياد شدن مقدار تيتانيم افزايش می يابد.
عمليات حرارتی محلولی منجر به افزايش بيشتر ميکروسختی زمينه تا HV0.02 580 میگردد.
ميکروسختی سمانتيت آلياژی وكاربيدهابه ترتيب به1270و4000 HV0.02 میرسد.