مشکلات تولید چدن نشکن آسفریتی بدون عملیات حرارتی

چکیده:

مقاله حاضر نتایج آزمایشات انجام شده بر روی ساختار چدن نشکن آلیاژی آسفریتی با زمینه کاربیدی است. آسفریت در اثر افزودن عناصر آلیاژی Mo , Cu به وجود می آید و این امر عملیات حرارتی را از چرخه تولید آلیاژ حذف می کند. مقاله حاضر نتایج آزمایشات کیفیت به دست آمده در آلیاژ را ارائه می نماید. تمرکز تحقیقات بر بررسی متالوگرافی با میکروسکوپ نوری و الکترون میکروسکوپ بوده همچنین آزمایشات تعیین ترکیب شیمیایی و آنالیز EDS انجام شده و تعیین استحکام نیز در یک آزمایشگاه آکرودیته (آزمایشگاه تائید شده) صورت گرفته است.

بدین ترتیب تولید یک چدن آسفریتی با زمینه کاربیدی بدون انجام عملیات حرارتی امکان پذیر گردید. البته مشخص گردید برخی شاخص های کیفی چدن ناکافی بوده زیرا سختی به دست آمده ۵۱۵ برینل لیکن استحکام کشش Rm و انعطاف پذیری A5 بسیار پائین بوده ا ند. استحکام کشش پائین در اثر حضور گرافیت ورق های یا فشرده بوده است. آزمایشات همچنین نشان داد که آلیاژ میل به تخلخل انقباضی دارد که موجب تضعیف بیشتر آن می شود. چدن نشکن آسفریتی نسبت به حذف فرآیند عملیات حرارتی بسیار حساس هستند و باید فرآیند تولید و ترکیب شیمیایی آن ها بهینه شود.

1. مقدمه:

چدن نشکن تمپر شده با به کارگیری فرآیند ایزوترم ADI در انواع مختلف تولید می شود (۳ تا ۱) در مقالات علمی تحقیقات زیادی در خصوص چدن نشکن ( ۵- ۴)، آلیاژهای چدن نشکن با جداره نازک (۷- ۶) و همچنین چدن با گرافیت فشرده (۸) و زمینه آسفریتی وجود دارد. مبنای تولید چنین آلیاژی از چدن نشکن عملیات حرارتی است (۱۰ – ۹) و در اثر عملیات چدن خصوصیات ویژه ای را کسب می نماید.

این عملیات حرارتی استحکام کشش و سختی (۱۱) را افزایش می دهد همچنین امکان به وجود آمدن یک مقدار محدود انعطاف پذیری نیز فراهم می شود. در نتیجه چدن نشکن ADI می تواند در بسیاری از کاربردهای صنعتی به دلیل خصوصیات استثنایی مانند مقاومت به فرسایشی سایشی به کار رود (۱۴ تا ۱۲).

البته این آلیاژ نقاط ضعفی نیز دارد که یکی از آن ها محدودیت دمای به کار رفته آلیاژ بوده که باید پایین تر از درجه حرارت تمپر ایزوترم آن باشد. مشکل دیگر پرهزینه بودن عملیات حرارتی است زیرا طولانی بوده و نیازمند تجهیزات گران قیمت است و همچنین مقدار زیادی انرژی مصرف می کند. مخازن کوئنچ نیز باید با نمک های ویژه پر شوند که این نمک ها موجب خوردگی سطحی آلیاژها خواهد گردید.

حمام های نمک به کار رفته جهت عملیات تمپر ایزوترم چدن نشکن برای محیط زیست نیز مضر هستند. از سویی دیگر به لحاظ کوره های آستنیته کردن و مخازن تمپر، اندازه قطعات هم که ساختار آسفریت داشته باشند محدود خواهد بود. مقاله حاوی روش هایی در مورد حذف عملیات حرارتی از فرآیند تولید چدن نشکن  ADI  ۱۵ است. این امکان وجود دارد با سرد کردن مستقیم چدن نشکن (۱۶) یا استفاده از عناصر آلیاژی ۲۲ تا ۱۷  با اطمینان ریز ساختار آسفریتی ایجاد خواهد شد. این راه حل بسیار جذاب بوده خصوصاً با در نظر گرفتن رشد سریع قیمت های انرژی.

هدف تحقیق حاضر ابتدا تعیین امکان تولید قطعات ریختگی بزرگ با یک ساختار آسفریتی است. اثر برنامه ریزی شده تحقیق حاضر در نظر گرفتن خطاها (در ابعاد آزمایشگاهی)

2. روش آزمایش و آلیاژ:

ذوب در یک کوره القایی با فرکانس متوسط با ظرفیت ۲۵ کیلوگرم انجام شد. در جدول ۱ ترکیب شیمیایی چدن برگشتی به عنوان مواد ورودی (A)، چدن قبل از عملیات تلقیح ( B) و چدن نهایی پس از تلقیح (C) ارائه شده است. در جریان ذوب ترکیب شیمیایی با Mo به صورت 65FeMo و Cu خالص  ۹/ ۹۹ ٪ تکمیل شد.

پس از فوق گداز تا C° ۱۵۳۰ یک نمونه برای تعیین ترکیب شیمیایی برداشته شد (نمونه B) درجه حرارت تا C ۱۴۲۰° پائین آورده شد سپس با روش مفتول مغزه دار (کورد وایر) با Cedifil – NCD 4800 عمل تلقیح (افزودن منیزیم) انجام گردید.

سپس به جریان مذاب جوانه زای 400 Inoculin اضافه شد و پس از برداشتن نمونه برای آنالیز (نمونه C) یک استوانه به قطر ۳۰ میلیمتر و ارتفاع ۵۰ سانتی متر ریخته گری شده ترکیب شیمیایی بوسیله یک اسپکترومتر A 500GDS  شرکت Leco (کوانتومتر)تعیین گردید.

آزمایشات متالوگرافی با استفاده از میکروسکوپ نوری Eclipse LV 500N شرکت Nikon با استفاده از نرم افزار NIS – Element F 3.00 شرکت Nikon و همچنین الکترون میکروسکوپ Phenom ProX مجهز به EDS انجام شد. آزمایشات مکانیکی با دستگاه کشش استاتیک Louis Schopper و سختی سنج Falcon 500 G2 صورت گرفت.

بررسی ریز ساختار بر روی نمونه های اچ شده با محلول ۳ درصد نایتال در زمینه روشن و زمینه تاریک با استفاده از فیلترهای قابل دسترس در نرم افزار F 3.00 NIS – Efement شرکت Nikon انجام شد.

3. نتایج و سگالش

3-1 – میکروسکوپ نوری

شکل های ۱ تا ۸ ریزساختارهای چدن به دست آمده را نشان می دهند. در این ریزساختارها ذرات گرافیت در زمینه آسفریت قابل مشاهده است. همچنین در مرز دانه ها رسوبات روشن کاربید مولیبدن Mo2C وجود دارد. تمامی عناصر تشخیص داده در ریز ساختار علامت گذاری شده و در زیر تصویر توضیح داده شده اند.

همانطور که مشاهده می شود در ریزساختارهای آلیاژهای به دست آمده رسوبات گرافیت کروی تغییر شکل یافته (شکل ۵)

تصویر a با زمینه روشن تصویرb با زمینه تاریک و گرافیت ورق های (شکل های ۷ و ۸) وجود دارد. این امر به دلیل اثر عناصر آلیاژی بر فرآیند تبلور گرافیت است. در مقالات(۲۳ و ۲۴) در مورد پدیده تغییر شکل گرافیت کروی به صورت گرافیت ورق های هنگام حضور مقدار افزایش یافته مولیبدن اشاره شده است.

فرآیند صحیح تبلور گرافیت کروی همچنین تحت تاثیر مقدار بالای مس می باشد. بر اساس مقالات ۲۵ تا ۲۸ مس اثرات منفی بر فرآیند تبلور گرافیت کروی دارد و محققین مختلف مقادیر مختلفی را برای مس نشان داده اند که بیشتر از آن گرافیت کروی تغییر شکل می یابد.

3-2- مطالعه به وسیله SEM ، EDS

به منظور ارزیابی مشروح تر کیفیت آلیاژ مورد مطالعه از میکروسکوپ الکترونی استفاده شد. نتایج آنالیز EDS که در شکل ۹ ارائه شده بر این موضوع تاکید دارد که رسوبات روشن در مرزدانه ها حاوی مقادیر بالایی از مولیبدن است.

بنابراین در خصوص عناصر موجود در آلیاژ مورد مطالعه، این ذرات کاربیدهای مولیبدن هستند  Mo2C ، این موضوع همچنین در مقالات دیگر ۳۰ و ۲۹ نیز تایید شده است.

و گرافیت ورق های (شکل های ۷ و ۸) وجود دارد. این امر به دلیل اثر عناصر آلیاژی بر فرآیند تبلور گرافیت است. در مقالات( ۲۳ و ۲۴ ) در مورد پدیده تغییر شکل گرافیت کروی به صورت گرافیت ورق های هنگام حضور مقدار افزایش یافته مولیبدن اشاره شده است. فرآیند صحیح تبلور گرافیت کروی همچنین تحت تاثیر مقدار بالای مس می باشد. بر اساس مقالات ۲۵ تا ۲۸ مس اثرات منفی بر فرآیند تبلور گرافیت کروی دارد و محققین مختلف مقادیر مختلفی را برای مس نشان داده اند که بیشتر از آن گرافیت کروی تغییر شکل می یابد.

3-2- مطالعه به وسیله SEM ، EDS

به منظور ارزیابی مشروح تر کیفیت آلیاژ مورد مطالعه از میکروسکوپ الکترونی استفاده شد.

نتایج آنالیز EDS که در شکل ۹ ارائه شده بر این موضوع تاکید دارد که رسوبات روشن در مرزدانه ها حاوی مقادیر بالایی از مولیبدن است. بنابراین در خصوص عناصر موجود در آلیاژ مورد مطالعه، این ذرات کاربیدهای مولیبدن هستند  Mo2C،این موضوع همچنین در مقالات دیگر ۳۰ و ۲۹ نیز تایید شده است.

ترکیب شیمیایی گرافیت های کروی تغییر شکل یافته نیز تأئید شده شکل ۱۰ یک گرافیت فشرده ورق های را نشان می دهد که به وضوح حاوی مقدار زیادی کربن است. چنین نتیج های بدون تردید نشان دهنده یک گرافیت تغییر شکل یافته می باشد.

مرحله بعدی آنالیز SEM شامل بررسی سطوح شکست نمونه ها بوده و نتایج آن در تصاویر ۱۱ تا ۱۳ ارائه شده است.

بر اساس تصاویر ۱۱ تا ۱۳ رسوبات گرافیت در سطوح شکست به طور چشمگیری تغییر شکل یافته هستند. در شکل ۱۳ فقدان پیوستگی ساختار زمینه که کیفیت آلیاژ را کاهش می دهد مشاهده می شد. در این جا می توان عیوب انقباضی نیز ملاحظه نمود. اگر چنین عیوبی در قالب با ابعاد   74/0  سانتی متر حضور داشته باشد می توان انتظار داشت این عیوب به مقدار زیادی در ابعاد بزرگتر قطعه وجود خواهد داشت.

3-3) خصوصیات مکانیکی

آخرین مرحله آزمایشات شامل تعیین خصوصیات مکانیکی بوده است. به لحاظ ویژگی آزمایشات (آزمایشات اولیه) یک نمونه Y بلوک ریخته گری نشده و فقط یک استوانه به قطر ۳۰ میلیمتر ریخته گری گردید.

از این استوانه یک نمونه به ابعاد مطابق استاندارد PN EN 1564ماشینکاری شد و نتایج به دست آمده در جدول ۲ ارائه گردید. بر اساس آزمایشات استحکام می توان گفت که مقدار سختی به طور قابل توجهی از مقادیر چدن ADI مطابق استاندارد 1564 بالاتر است.

این نتایج به طور عمده ناشی از حضور کاربید مولیبدن در زمینه بوده که موجب افزایش سختی گردیده است. استحکام کشش پائین می باشد که به دلیل عدم یکنواختی ذرات گرافیت (گرافیت های فشرده و ورق های در نزدیک گرافیت کروی حضور دارند) بوده و بدین لحاظ مقدار Rm کاهش یافته است. همچنین انقباض مشخص شده در آلیاژ نیز مقدار Rm راکاهش داده است.

4. نتیجه گیری

نتایج به دست آمده از آزمایشات انجام شده بدین شرح می باشد:

۱- ۴- چدنی با یک ریز ساختار آسفریتی بدون عملیات حرارتی به طور موفقیت آمیزی به دست آمد.

۲- ۴- به دلیل مقدار بالای عناصر آلیاژی (Mo,Cu) استحکام کششی به طور قابل توجهی پائین تر بود که علت این امر

تغییر شکل ذرات گرافیت از کروی به فشرده تر ورق های شکل بوده است.

۳- ۴- آلیاژ مورد بررسی میل به بروز تخلخل انقباضی داشته که تاثیر منفی بر استحکام کشش آن داشت.

۴- ۴- مقدار سختی به دست آمده به دلیل حضور کاربید مولیبدن در مرز دانه ها بسیار بالا بود.

۵- ۴- چدن به دست آمده را می توان به دلیل حضور کاربیدها به عنوان چدنی با مورفولوژی متنوع دسته بندی نمود.

منبع فارسی: ماهنامه مهر 1402 – صنعت ریخته گری

منبع: 2023 4/ :No Foundry China

ترجمه: مرتضی اسالمبلچی مقدم

منابع:

Méndez, S., De La Torre, U., González-Martínez, R. &

Súarez. R. (2017). Advanced properties of ausferritic ductile

iron obtained in as-cast conditions. International Journal

of Metalcasting. 11(1), 116-122. DOI:10.1007/s40962-0160092-9.

Kashani, S.M. & Boutorabi. S. (2009). As-cast acicular

ductile aluminum cast iron. Journal of Iron and Steel

Research International. 16(6), 23-28. DOI:10.1016/S1006-706X(10)60022-2.

Ferry, M. & Xu. W. (2004). Microstructural and crystallographic

features of ausferrite in as-cast gray iron. Materials

Characterization. 53(1), 43-49. DOI:10.1016/j.

matchar.2004.07.008.

Stawarz, M. & Nuckowski. P. M. (2022). Corrosion behavior

of simo cast iron under controlled conditions. Materials15(9), 1-14. DOI:10.3390/ma15093225.

Stawarz, M. (2018). Crystallization process of silicon molybdenum

cast iron. Archives of Foundry Engineering. 18(2), 100-104. DOI:10.24425/122509.

Vaško, A., Belan, J. & Tillová. E. (2018). Effect of copper

and molybdenum on microstructure and fatigue properties of

nodular cast irons. Manufacturing Technology. 18(6), 1049-1052. DOI:10.21062/ujep/222.2018/a/1213-2489/mt/18/6/1048.

Silman, G.I., Kamynin, V.V. & Tarasov. A.A. (2003). Effect

of copper on structure formation in cast iron. Metal

Science and Heat Treatment. 45(7-8), 254-258.

DOI:10.1023/A:1027320116132.

Gumienny, G., Kacprzyk, B. & Gawroński, J. (2017). Effect

of copper on the crystallization process, microstructure and

selected properties of CGI. Archives of Foundry Engineering 17(1), 51-56. DOI:10.1515/afe2017-0010.

Vaško, A. (2017). Fatigue properties of nodular cast iron

at low frequency cyclic loading. Archives of Metallurgy and

Materials. 62(4), 2205-2210. DOI:10.1515/amm-2017-0325.

Stawarz, M. & Nuckowski. P.M. (2020). Effect of Mo addition

on the chemical corrosion process of SiMo cast iron. Materials13(7), 1-10. DOI:10.3390/ma13071745.

Stawarz, M. (2017). SiMo ductile iron crystallization process.

Archives of Foundry Engineering. 17(1), 147-152.

DOI:10.1515/afe-2017-0027.

Zych, J., Myszka, M. & Kaźnica, N. (2019). Control of selected

properties of „Vari-morph” (VM) cast iron by means of

the graphite form influence, described by the mean shape

indicator. Archives of Foundry Engineering. 19(3), 43-48.

DOI:10.24425/afe.2019.127137.