ریزساختار چدن تقویت‌شده تولیدشده به روش لاست فوم

چکیده

در این مقاله، فرآیند تولید قطعات ریختگی از جنس چدن خاکستری تقویت‌شده به روش لاست فوم (Lost Foam Casting – LFC) مورد بررسی قرار گرفته است. هدف اصلی این تحقیق، مطالعه نحوه شکل‌گیری ریزساختار چدن خاکستری تقویت‌شده با استفاده از مغزی‌هایی از جنس فولاد کربنی و فولاد ضدزنگ در این روش ریخته‌گری است.

نتایج نشان می‌دهد محصولات حاصل از تجزیه پلی‌استایرن منبسط‌شونده (EPS) نقش مثبتی در بهبود اتصال بین چدن و مغزی‌های تقویت‌کننده ایفا می‌کنند. در نمونه‌های تقویت‌شده با مفتول فولاد کربنی، یک لایه دکربوره‌شده در اطراف مفتول شکل می‌گیرد که در آن اندازه و تعداد آخال‌های گرافیتی نسبت به فلز پایه کاهش یافته است. به دلیل دکربوره شدن، ساختار زمینه در ناحیه تقویت از فریت به پرلیت همراه با سمانتیت تغییر می‌یابد. این نوع تقویت موجب افزایش استحکام و چقرمگی چدن خاکستری می‌شود.

در نمونه‌های تقویت‌شده با فولاد ضدزنگ، یک لایه انتقالی در ناحیه تماس تشکیل می‌شود که حاوی لدبوریت آلیاژی با کروم حل‌شده است. وجود این لایه موجب افزایش مقاومت به سایش چدن می‌گردد.

1. مقدمه

ریخته‌گری قطعات کامپوزیتی در صنایع مختلف به‌طور گسترده‌ای در حال توسعه است. ترکیب خواص متفاوت در یک قطعه، امکان افزایش بهره‌وری و بهبود عملکرد را فراهم می‌کند. برای تولید قطعات کامپوزیتی با هندسه پیچیده، روش ریخته‌گری به‌عنوان منطقی‌ترین گزینه مطرح است، زیرا نیاز به ماشین‌کاری را به حداقل می‌رساند.

در میان روش‌های ریخته‌گری، فرآیند لاست فوم (LFC) به‌عنوان روشی مناسب برای تولید قطعات کامپوزیتی و دو فلزی با دقت بالا و اشکال پیچیده شناخته می‌شود. تاکنون نمونه‌های متعددی از کامپوزیت‌های ریختگی مانند آلومینیوم–مس، آلومینیوم–فولاد، آلومینیوم–منیزیم، چدن–مس و چدن–فولاد به این روش تولید شده‌اند.

در روش LFC، اجزای تقویت‌کننده در مدل فومی قرار می‌گیرند و هنگام بارریزی، پلی‌استایرن می‌سوزد و محیطی احیاکننده در ناحیه تماس مذاب و مدل ایجاد می‌شود. این شرایط می‌تواند واکنش‌های متالورژیکی بین فلز پایه و تقویت‌کننده را به‌شدت تحت تأثیر قرار دهد.

چدن خاکستری به دلیل خواص مناسب ریخته‌گری، قابلیت ماشین‌کاری مطلوب و قیمت پایین، کاربرد گسترده‌ای دارد؛ با این حال، خواص مکانیکی آن محدود است. از این‌رو، افزایش استحکام و چقرمگی آن با استفاده از تقویت‌کننده‌های فلزی با خواص مکانیکی بالاتر، هدف اصلی این تحقیق محسوب می‌شود.

2. روش آزمایش

مدل‌های فداشونده از جنس EPS با چگالی 20kg/m³  به شکل صفحات مستطیلی تهیه شدند. مغزی‌های تقویت‌کننده از جنس فولاد کربنی و فولاد ضدزنگ با قطرهای 1، 2، 3 و 4 میلی‌متر به‌صورت طولی در داخل مدل‌ها قرار گرفتند. پس از پوشش‌دهی نسوز، مجموعه در ماسه سیلیسی خشک قالب‌گیری شد.

بارریزی با چدن خاکستری EN-GJL-250 در دمای 1400 درجه سانتی‌گراد و تحت خلأ انجام گرفت. نمونه‌های متالوگرافی از قطعات ریختگی تهیه و پس از آماده‌سازی، ریزساختار آن‌ها با میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مجهز به سیستم EDS مورد بررسی قرار گرفت.

3. نتایج و بحث

بررسی نمونه‌های چدن خاکستری بدون تقویت نشان‌دهنده وجود گرافیت‌های ورقه‌ای نوع A با توزیع یکنواخت و زمینه‌ای عمدتاً پرلیتی با مقدار کمی فریت بود.

در نمونه‌های تقویت‌شده با مغزی‌هایی به قطر 1 میلی‌متر، مغزی‌ها در حین ریخته‌گری به‌طور کامل ذوب شده و قابل مشاهده نبودند. در مقابل، در نمونه‌های با قطرهای 2، 3 و 4 میلی‌متر، اتصال مناسبی بین چدن و مغزی‌ها شکل گرفت.

در اطراف مفتول‌های فولاد کربنی، اندازه ذرات گرافیت کاهش یافته و ناحیه‌ای دکربوره‌شده ایجاد شد. این پدیده ناشی از نفوذ کربن از چدن به فولاد و افزایش سرعت انجماد موضعی بود. در نتیجه، ساختار زمینه در نزدیکی فصل مشترک به پرلیت همراه با شبکه سمانتیت تبدیل شد.

در نمونه‌های تقویت‌شده با فولاد ضدزنگ، ناحیه انتقالی ضخیم‌تری مشاهده شد که حاوی پرلیت آلیاژی، لدبوریت و کاربیدهای غنی از کروم بود. این ساختار موجب افزایش مقاومت به سایش، اما کاهش نسبی چقرمگی شد. ضخامت لایه انتقالی به قطر و شکل تقویت‌کننده و شرایط انتقال حرارت بستگی داشت.

4. نتیجه‌گیری

کامپوزیت‌های ریختگی چدن خاکستری تقویت‌شده با فولاد کربنی و فولاد ضدزنگ با موفقیت به روش لاست فوم تولید شدند. در تقویت با فولاد کربنی، تشکیل یک لایه انتقالی همگن ناشی از نفوذ کربن موجب بهبود اتصال و افزایش استحکام و چقرمگی گردید. در تقویت با فولاد ضدزنگ، لایه انتقالی ضخیم‌تر و بدون فصل مشترک مشخص ایجاد شد که حاوی پرلیت و سمانتیت آلیاژی با کروم و نیکل است.

ریزساختار و ابعاد ناحیه انتقالی تحت تأثیر ترکیب شیمیایی فلز پایه و تقویت‌کننده، دمای مذاب، سرعت خنک‌کاری و شکل و مقدار تقویت‌کننده قرار دارد. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد روش LFC قابلیت بالایی برای تولید کامپوزیت‌های ریختگی چدنی با خواص بهبود‌یافته دارد.