تاثیر عناصر آلیاژی بر میکروساختار و استحکام چدن خاکستری

چدن خاکستری یک گروه وسیع از آلیاژهای ریختگی آهنی است که معمولا” بوسیله یک میکروساختار از گرافیت ورقه ای (flake graphite) در یک زمینه آهنی مشخص می شود. آن اساسا” یک آلیاژ Fe–C–Si شامل مقادیر کوچکی از عناصر آلیاژی دیگر و بیشترین آلیاژ ریختگی مورد استفاده و با تولید جهانی سالیانه 6 میلیون تن است که چندین برابر دیگر فلزات ریختگی است[1].
میکروساختار چدن خاکستری معمولا” شامل گرافیت ورقه ای و یک زمینه پرلیت و یا فریت است که خواص مکانیکی، قابلیت ماشینکاری و غیره به آن بستگی دارد. چدنهای خاکستری معمولی، زمینه پرلیتی و استحکام کششی در محدوده 140 تا 400 Mpa دارند. وسیله اصلی برای بهبود خواص مکانیکی، کاهش کربن معادل است که درصد گرافیت را کاهش و پرلیت را افزایش می دهد. جدول(1) انواع تجاری چدن خاکستری و خواص مکانیکی مربوط به آنها را نشان می دهد.
برای بهبود خواص چدن خاکستری، تحقیق بر روی گسترش میکرو ساختار آسفریت بیش از 40 سال انجام گرفته است[6-2]. یک بهبود مهم ویژه در خواص، نتیجه ای از گسترش چدن خاکستری آستمپر شده است[7-3]. چدنهای خاکستری آستمپر شده به مهندس چاره هایی با ترکیبات فرایندی/موادی معمولی پیشنهاد می دهد[7]. از طریق آستمپرینگ، زمینه فریتی یا پرلیتی، چدن خاکستری به یک ساختار سوزنی شامل 70 تا 80% فریت بینیتی بدون کاربید و آستنیت باقیمانده 20 تا 30% تغییر می یابد. چنین ساختاری به اصطلاح آسفریت است[6]. نشان داده شده است که چنین ساختار زمینه ای، یک چدن خاکستری با یک ترکیب منحصر بفرد از استحکام، مقاومت سایشی، جذب صدا و یا لرزش و تافنس شکست بالا را تولید می کند[6و7].
یک عملیات حرارتی معمولی آستمپرینگ چدن خاکستری، آستنیته کردن در دمای 840–900º C برای چند ساعت بر اساس ترکیب و ضخامت ریختگی و آستمپر کردن در 230–425º C است[6و7].
در حالی که این برنامه زمانی عملیات حرارتی تولید چدن خاکستری با یک محدوده عالی از خواص ، به انرژی قابل ملاحظه و فضای تولید نیاز دارد و ممکن است باعث آلودگی محیطی بعلاوه اکسیداسیون و ترک در اجزا شود. این مشکلات ، تولید گسترده چدن خاکستری آستمپر شده را محدود کرده اند، بنابراین تحقیق بر روی گسترش چدن خاکستری آسفریتی را بوسیله ریخته گری مستقیم وادار می کنند[5]. کار حاضر قصد دارد نشان دهد که چگونه تغییرات سیستماتیک در اضافه کردن آلیاژی به یک چدن خاکستری معمولی در طی ریخته گری می تواند یک آلیاژ با میکروساختار فریت بینیتی-آستنیتی (آسفریتی) با خواص مکانیکی قابل مقایسه با چدن خاکستری آستمپر شده را تولید کند.

چکیده

آزمایشات ریخته گری برای تولید چدنهای خاکستری باترکیباتی در محدوده(درصد وزنی):

Fe–3.2C–wCu–xMo–yMn–zSi که w = 0.78–1.79, x = 0.11–1.17, y = 0.68–2.34 و z = 1.41–2.32 انجام شده است.
این عناصر کلیدی بطور سیستماتیک در طی ریخته گری ماسه ای بصورت میلگردهای با قطر 30-mm برای ارزیابی تاثیرشان بر توسعه میکروساختار و خواص مکانیکی،تغییریافتند.معلوم شد که محدوده میکروساختارها از پرلیت کامل تا ترکیبی از آستنیت باقیمانده و فریت بینیتی به اصطلاح آسفریت (ausferrite) تولید شدند و یک همبستگی خطی مستدل بین کسر حجمی شکستن و استحکام آسفریت مشاهده شد. ترکیب بهینه خواص مکانیکی در یک آلیاژ با ترکیب تقریبی Fe–3.2C–1.0Cu–0.7Mo–0.55Mn–2.0Si بدست آمد که 100% آسفریت بدون کاربیدهای آلیاژی تولید شد. این آلیاژ یک میکروساختار و خواص مکانیکی قابل مقایسه با چدن خاکستری آستمپر شده بدون مشکلات زیاد همراه با آستمپرینگ داشت.

کلمات کلیدی: چدن خاکستری، میکروساختار، ریخته گری و آسفریت

مواد و روش ریخته گری

هدف اصلی از کار حاضر تعیین تاثیر عناصر آلیاژی کلیدی بر توسعه میکروساختاری چدن خاکستری و اثرآن بر خواص مکانیکی بود. آزمایشات ریخته گری با استفاده از یک ترکیب آلیاژی اصلی حاصله از آمیژانها (جدول2) و بوسیله تغییر سیستماتیک عناصر آلیاژی که عمده آنها : Mo, Mn, Si, Cu بود، انجام گرفت. ترکیب اصلی نشان داده شده در جدول2 مربوط به آلیاژ کلاس 35 (جدول1) است. جدول2 همجنین نشان می دهد که چگونه Mo, Mn, Si, Cu بطور سیستماتیک از این ترکیب اصلی تغییر می یابند.
چدن خاکستری اصلی در یک کوره القائی در دمای 1500º C ذوب شد که آمیژانها به مذاب برای تولید ترکیب مطلوب، اضافه شدند. از طریق ترکیب کردن در دمای 1480-1520º C ، یک قسمت از مذاب با ترکیب مورد نیاز با یک ملاقه ریخته شد که با 5/0 درصد وزنی از آلیاژ 75Si–25Fe تلقیح شد. برای نمونه های متالوگرافی، قالبهای ساخته شده از ماسه سیلیکای خشک مخلوط با رزین به همراه فالبهایی برای نمونه های تست مکانیکی تولید شده با سیلیکای خشک اما مخلوط با خاک رس و با یک رنگ گرافیتی با زمینه آب، رنگ شد. هر دو نوع قالب با همان مشخصات سرد کردن در طی ریخته گری بعلاوه همان میکروساختار تولید شد[9]. دمای ریختگری 1380-1420º C بود. در ادامه ریخته گری، همه فالبهای نمونه ها در هوا با دمای اتاق، خنک شدند.

متالوگرافی و خواص مکانیکی

میلگردهای استوانه ای با 120 mm× 30mm Ø و 350mm×30mm Ø برای آزمایش متالوگرافی و تست مکانیکی ، به ترتیب، با استفاده دومی برای تعیین تنش شکست متقاطع و تست ضربه شارپی ریخته گری شدند[9]. نمونه ها برای تعیین تنش کششی نهایی (UTS) از نیمه پایین از هر نمونه شکسته متقاطع، ماشینکاری شدند. برای یک ترکیب مفروض، سه نمونه ریخته گری شدند و میکروساختار خواص مکانیکی تعیین شدند. با ادامه گرفتن ریخته گری، نمونه ها برای متالوگرافی نوری عمود بر محور طولی میلگردهای استوانه ای قرار گرفتند و با دنبال کردن خواص مکانیکی، سطوح شکست با استفاده از میکروسکوپ الکترونی Hitachi S4500 مورد آزمایش قرار گرفتند. اندازه گیری های کسر حجمی از میکرو اجزای زمینه (فریت، پرلیت، آسفریت، مارتنزیت و گرافیت) با استفاده از Adobe Photoshop 6.0 به همراه میکروسکوپ نوری Nikon Epiphot 200 با camera DXM 1200 Nikon digital انجام گرفت. برای هر نمونه، شش مورد اتفاقی با بزرگنمایی 100 با کسر حجمی از میکرو اجزای تعیین شده بوسیله متالوگرافی کمی، مورد تحلیل قرار گرفتند.

تاثیر میکرو ساختار بر خواص مکانیکی

کلاس استاندارد 35 چدن خاکستری بطور کامل پرلیتی با یک UTS و FTS اسمی 252 و 475MPa ،(به ترتیب) می باشد‍]2]. آلیاژ اصلی آزمایشی داده شده در جدول(2) با یک UTS و FTS، 285 و 530MPa (به ترتیب) معلوم شد، با وجود اینکه این آلیاژ همچنین یک میکروساختار کاملا” پرلیتی را نشان می دهد. بهبود در خواص مکانیکی احتمالا” نتیجه افزودن 1.0%Cu است که شناخته می شود که استحکام دهنده محلول جامد قابل قبول فریت و همچنین بعنوان ریزکننده فضای پرلیت عمل می کند[2].
مثالهای انتخاب شده از اثر افزودنی های آلیاژی بر خواص مکانیکی چدن خاکستری در شکل 1b,c و 6b,c داده شده، نشان می دهد که برای Fe–3.2C–1.0Cu–0.55Mn–2.0Si یک افزایش در مولیبدن، افزایش در UTS و FTS با بهبود قابل توجه در مقاومت به ضربه شارپی و داکتیلیته در طی خمش عرضی را نتیجه می دهد(شکل1c ). می توان دید که ترکیب بهینه خواص مکانیکی برای یک آلیاژ با مقدار 0.7%Mo بدست می آید که به میکروساختار زمینه 100% آسفریت مربوط می شود. در مقادیر بالاتر Mo ، یک افت جزئی در خواص مکانیکی وجود دارد که احتمالا” نتیجه جدایش مولیبدن به مرزهای سلول یوتکتیک در طی ریخته گری و همچنین از طریق تشکیل کاربیدهای مولیبدن در این ناحیه ها باشد. برای Fe–3.2C–1.0Cu–0.32Mo–2.0Si ، یک افزایش در منگنز تا 1/1% همچنین UTS و FTS (شکل6b ) و مقاومت به ضربه و داکتیلیته(شکل6c ) را ، اما با یک مقدار کمتر از MO، بهبود می بخشد. در این آلیاژ، ترکیب بهینه در خواص مکانیکی با یک میکروساختار زمینه شامل 27% پرلیت، 70% آسفریت و 3% مارتنزیت همراه می شود(جدول4).

نتایج
افزودن آلیاژی Mo, Mn, Si, Cu در طی ریخته گری با قالب ماسه ای یک چدن خاکستری نوع 35 از ASTM با ترکیب Fe–3.2C–0.55Mn–1.41Si برای تولید یک محدوده وسیع از میکروساختارها و خواص مکانیکی مشخص شد. معلوم شد که:

1. راجع به میزان و نوع افزودنی آلیاژی، گرافیت نوع E در همه آلیاژها تشکیل می شود.
2.  برای چدن خاکستری بدون Mo ، ترکیبات مختلف Mn, Cu, Si تشکیل یک میکروساختار شامل یک پراکندگی از آستنیت و فریت بینیتی (به اصطلاح آسفریت) را تقویت می کند اما یک آلیاژ پرلیتی کامل شامل لایه های گرافیت تولید شد.
3. یک زمینه آسفریت در یک آلیاژ شامل 0.32%Mo بوسیله اضافه کردن بیشتر از 1.02%Mn برای همه مقادیر Si تولید شد یا برای یک مقدار ثابت 1.21%Mn و بیشتر از 1.41%Si ، یک میکروساختار مارتنزیتی شامل یک کسر کوچک از آستنیت باقیمانده ایجاد شد.

• چکیده
• ۱- مقدم
• ۲- تجربی
• ۲-۱- مواد و روش ریخته گری
• ۲-۲- متالوگرافی و خواص مکانیکی
• ۳- نتایج و بحث
• ۳-۱- تاثیر عناصر آلیاژی بر توسعه میکروساختاری
• ۳-۱-۱- مولیبدن (Mo)
• ۳-۱-۲- منگنز و سیلیسیم
• ۳-۲- مورفولوژی آسفریت
• ۳-۳- روش تجزیه آستنیت
• ۳-۴- تاثیر میکرو ساختار بر خواص مکانیکی
• ۴- نتایج