اثر افزودن مس بر ریزساختار(Microstructure) و خواص مکانیکی چدن داکتیل

با توجه به کار برد وسیع چدنهای نشکن در صنایع که می تواند جایگزین مناسبی برای برخی از فولادها باشد لذا اهمیت این موضوع سبب گردیده که در این زمینه تحقیقات فراوانی صورت گیرد.

در این پروژه اثر مس بر ریز ساختار و خواص مکانیکی چدنهای نشکن مورد بررسی قرار گرفته است. ریز ساختار نمونه های مورد آزماش در دو حالت قبل از اچ و پس از اچ بررسی و اثر این عنصر بر ساختار و خواص مکانیکی پرداخته شده است.

هدف از انجام آزمایش:

در این آزمایش سعی شده که به این سؤال پاسخ داده شود که به علت افزایش سختی در اثر افزودن مس در چدنهای نشکن چیست. لذا لازم می باشد که مختصری در مورد چدنهای نشکن نکاتی یادآوری شود.

چدن با گرافیت کروی:

چدنهای نشکن یا چدنهای گرافیت کروی، خانواده ای از چدنها هستند و همانطور که از اسمشان پیداست شکل گرافیت در آنها کروی است. همین کروی بودن گرافیت ها، باعث افزایش استحکام و چقرمگی در مقایسه با چدنهای با گرافیت ورقه ای می گردد. اصولاً چدن نشکن با افزودن منیزیم Mg در مذاب، تولید می شود. برای کروی شدن گرافیت های قطعاتی که در قالبهای ماسه ای تولید می شوند مقدار 0.07 – 0.04% منیزیم باقیمانده در قطعات ریخته شده کافی می باشد. برای قطعاتی که در قالبهای فلزی تولید می شوند مقدار % 0.02 منیزیم باقیمانده کافی می باشد. همانطور که گفته شد برای کروی نمودن گرافیتها، به منیزیم احتیاج داریم که اگر میزان منیزیم از حد مورد نظر کمی کمتر باشد، گرافیتهای فشرده با استحکام و چقرمگی پائین تری بدست می آید. اصولاً چدن نشکن در مقایسه با چدن گرافیت ورقه ای، تمایل به تبرید بیشتری دارد و برای بدست آوردن ساختار عاری از کار بید مخصوصاً در مقاطع نازک، لازم است جوانه زایی با آلیاژ سیلیسیم si انجام شود.

اندازه گرافیت کروی می تواند روی خواص مکانیکی تأثیر بگذارد. اندازه گرافیت ها به دو پارامتر بستگی دارد:

1. آهنگ سرد شدن یا اندازه سطح مقطع. چون مقاطع نازک سریع سرد می شوند، تعداد بیشتری گرافیت کروی خواهند داشت.
2. جوانه زنی با آلیاژ سیلیسیم، افزایش تعداد گرافیت کروی و کاهش تمایل به تبریدی بودن مخصوصاً در مقاطع نازک را باعث می شود. افزایش مقدار جوانه زا باعث افزایش تعداد گرافیتهای کروی می شود.

در حین ریخته گری این نوع چدن می توان به ساختار زمینه فریت، پرلیت، مخلوط فریت و پرلیت، آستنیت، بینایت و مار تنزیت دست یافت. چدنهای نشکن پرلینی استحکام بالایی دارند ولی چقرمگی آنها کمتر است. چدنهای نشکن فریتی – استحکام کمتری دارند ولی ازدیاد طول مبنی آنها بیشتر و مقاومت به ضربه شان خوب است.

2-1 کروی سازی گرافیت

در حال حاضر، در تمام کارخانه ها، برای کروی نمودن گرافیتهای چدن نشکن از منیزیم، استفاده می گردد. در ضمن عناصر جزئی مانند سریم و عناصر خاکی نادر موجود در آلیاژ فروسیلیکو منیزیم Fe-Si-Mg برای خنثی کردن عناصر جزیی مضرو راندمال بهتر در عمل جوانه زایی، اهمیت زیادی دارند.

روش افزودن منیزیم به روشهای مختلف اعم از ساده و پیچیده می باشد. در انتخاب یکی از روشها برای یک کارگاه معین باید فاکتور های زیادی مورد نظر قرار گیرد و در بین آنها مهمترین فاکتورها با تعیین اولویتها مشخص گردد. فاکتورهای اصلی به قرار زیر می باشند:

1. روش انتخاب شده نباید با ایجاد نور و دود همراه باشد.
2. قیمت تمام شده چدن تولیدی باید حداقل باشد.
3. روش نباید احتیاج به سرمایه گذاری زیاد در تجهیزات داشته باشد.
4. کیفیت چدن تولیدی باید مطلوب باشد.
5. روش باید توانایی ریختن قطعات با وزن های مختلف را دارا باشد.

برای تولید چدن نشکن مرغوب باید کنترل دقیق به عمل آید تا مقدار منیزیم باقیمانده کم یا زیاد نباشد. از آنجائیکه دما و ترکیب شیمیای برای بازیابی منیزیم موثر میباشند، فرآیند و مواد مناسب کروی سازی مطلوب، بزرگترین عوامل بالقوه برای تغییرات منیزیم باقیمانده می باشندو

3-1 مشکلات افزودن منیزیم

افزودن منیزیم و آلیاژ آن در مذاب چدن مشکلاتی در پی دارد که تا کنون در تمام روشهای کروی نمودن کاملاً حل نشده است.

میزان پائین حلالیت: منیزیم بمقدار خیلی کم در مذاب چدن حل می شود. بنابراین آلیاژ منیزیم با آهن بصورت فرومنیزیم Fe- Mg به هیچ وجه مورد استفاده قرار نمی گیرد.

نقطه جوش پائین: وارد کردن منیزیم خالص به چدن مذاب مشکل می باشد زیرا منیزیم در درجه حرارت 1102 می جوشد که خیلی پائین تر از حرارت مذاب می باشد. بعلاوه فشار بخار زیاد منیزیم در دمای کروی نمودن، حلالیت را بسیار دشوار می سازد.

وزن مخصوص: وزن مخصوص منیزیم که خیلی پائین تر از وزن مخصوص چدن است. چون منیزیم سبکتر است روی سطح مذاب می آید که باعث جوشیدن و اکسید شدن منیزیم و نتیجتاً کاهش راندمان بازیابی می گردد.

4-1  اهمیت جوانه زایی:

جوانه زایی چدنها با آلیاژ سیلیسیم به دلایل زیر انجام می گیرد.

• افزایش تعداد هسته های یوتکتیکی
• کاهش تبریدی (کاهش مادون انجماد)

استفاده از مواد جوانه زا برای تولید چدن نشکن موجب تشکیل مراکز هسته سازی برای رسوب گرافیت می گردد و با بودن این مراکز در طول انجماد رسوب گرافیت آسانتر انجام می گیرد. وجود هسته های گرافیت به تعداد کافی یکی ار عوامل مهم برای جلوگیری از پدیده مادون انجماد (Undercooking) می باشد. بدون وجود هسته ها، کاربیدها می توانند در قطعات تشکیل شوند. وجود کاربید ها موجب نامرغوبی چدن از دیدگاه قابلیت نشکن بودن و ماشینکاری می گردد. علاوه بر آن، گرافیتی که از تجزیه بعدی کاربید ها به وجود می آید، ممکن است دارای شکل نامنظم باشد. چنانچه تلقیح مواد بشکل مناسب انجام پذیرد. معمولاً هسته های کافی برای انجام عملیات تشکیل می گردد. بطور کلی هسته سازی بیشتر کاربیدها در طول انجماد کمتر بوده است. در حقیقت چنانچه بخواهیم قطعات چدن نشکن می باشد و با انجام این کار ساختار در چدن نشکن ریخته شده، قطعاتی با خواص مکانیکی مناسب خواهیم داشت. این خواص عبارت است از: استحکام کشش و تسلیم، قابلیت انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه می باشند.

5-1    انجماد و مکانیزم کروی شدن گرافیت در چدن نشکن:

در انجماد چدن با گرافیت ورقه ای، یوتکتیک گرافیت و آستنیت تشکیل می شود. در انجماد، این یوتکتیک و گرافیت و آستنیت با مذاب در تماس است. رشد دندریت های آستنیت و هسته های گرافیت ورقه ای تا زمانی که ذوب کاملاً منجمد شود، ادامه خواهد داشت. انجماد یوتکتیک گرافیت در چدن نشکن نسبت به چدن با گرافیت ورقه ای در دمای بالاتری شروع می شود. در حین انجماد چدن نشکن، پوسته ای از آستنیت پیرامون گرافیت کروی تشکیل می شود.

و بهمین علت، فقط فاز آستنیت با مذاب در تماس خواهد بود و چنین انجماد انجمادی را نیویوتکتیک می نامند هر واحد گرافیت کروی و پوسته آستنیت دور آن را می توان یک هسته در نظر گرفت که کربن باید به داخل این هسته نفوذ کند تا رشد گرافیت کروی و پوسته آستنیت دور آن را به انجماد چدن خاکستری، با سرعت کمتری انجام می شود و با شروع انجماد نیویوتکتیک هسته سازی گرافیت کروی به اتمام می رسد بنابراین تعداد گرافیتهای کروی در مرحله اول انجماد تعیین می شود. با ادامه انجماد تا دمای یوتکتیک گرافیتهای داخل پوسته های آستینیتی به رشد خود ادامه خواهند داد.

تعداد و میزان کروی شدن گرافیتها بر روی خواص چدن نشکن تأثیر بسزایی دارد. وقتی تعداد هسته یا پوسته های آستنیت کم باشد، مناطق برای نفوذ کردن به داخل پوسته آستنیت کمتر شده، و نتیجتاً تعداد گرافیت های کروی کاهش می یابد. بسته به فرایند تولید احتمال ایجاد گرافیت ورقه ای یا کروی ناقص و یا سمنتیت وجود دارد.

فصل اول: مقدمه

• هدف آزمایش
• چدن با گرافیت کروی
• کروی سازی گرافیت
• مشکلات افزودن منیزیم
• 4-1 اهمیت جوانه زایی
• انجماد و مکانیزم کروی شدن گرافیت در چدن نشکن

فصل دوم: مروری بر منابع

• تغییر حالت یوتکتوئید در چدنهای نشکن
• 1-1-2 تشکیل حلقه های فریت در اثر تجزیه آستنیت
• 2-1-2 تشکیل پرلیت در اثر تجزیه آستنیت
• اثر مس بر سینیتیک تغییر حالت یوتکتوئید در چدنهای نشکن
• اثر مس منحنی های سرد کردن
• 1-2-2 اثر مس بر منحنی های تغییر حالت برحسب زمان
• اثر عناصر آلیاژی بر مکانیزمهای حاکم بر فرایند تغییر حالت یوتکتوئید در چدنهای نشکن
• اثر مس بر ریز ساختار چدنهای نشکن
• 1-3-2 اثر مس بر ساختار زمینه چدنهای نشکن
• اثر مس بر مشخصات گرافیتهای کروی
• اثر مس بر خواص مکانیکی چدنهای نشکن
• اثر مس بر سختی چدنهای نشکن
• اثر مس بر مقاومت به ضربه چدنهای نشکن

فصل سوم: روش آزمایش

• روش آزمایش

فصل چهارم: نتایج

• 1-4- نتایج حاصل از بررسی ساختار نمونه های مورد آزمایش
• 2-4- نتایج حاصل از بررسی اثر مس بر ریز ساختار نمونه های مورد آزمایش
• 3-4- نتایج حاصل از بررسی های اثر مس بر درصد کروی شدن
• 4-4- نتایج حاصل از بررسی اثر مس بر اندازه گرافیتهای کروی
• 5-4- نتایج حاصل از بررسی اثر مس بر تعداد گرافیتهای کروی در واحد سطح
• 6-4- نتایج حاصل از بررسی اثر مس بر ساختار زمینه

فصل پنجم: نتیجه گیری

• 1-5- اثر مس بر ریز ساختار نمونه های مورد آزمایش
• 1-1-5- اثر مس بر درصد کروی شدن
• 2-1-5- اثر بر تعداد گرافیتهای کروی در واحد سطح
• 3-1-5- اثر مس بر اندازه گرافیتهای کروی
• 4-1-5- اثر مس بر ساختار زمینه
• 2-5- اثر مس بر خواص مکانیکی نمونه های مورد آزمایش
• 1-2-5- اثر مس بر خواص کشتی
• 2-2-5- اثر مس بر انرژی ضربه
• 2-2-5- اثر مس بر سختی
• 3-5- نتیجه گیری
• منابع و مآخذ
• پیوستها

منابع و مآخذ

1. W.C. Johnson and B.V. Kovacs: “The Effect of Additive on the Eutectoid Transformation of Ductil Iron” Metallurgical Transactions, A, Vol 9A pp 219-229 (1978).
2. J. Lalich and C.R.Loper, Jr: “Effects of Pearlite- Promoting Elements on the Kinetics of the Eutectoid Transformation in Ductile Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 81, pp 217-228 (1973).
3. N. Pam, M. S. Lou and C. R. Loper, Jr: “Effects of Copper, Tin, and Manganese on the Eutectoid Transformation of Grphitic Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 95, pp 819-840 (1987).
4. C. Voigt and C. R. Loper, Jr: “Matrix Structure Development in Ductile Cast Iron”, ASL Transactions Vol 97, pp 595-604 (1989).
5. N. Pan and C. R. Loper, Jr: “Matrix Development in Graphitic Cast Iron” , AFS AFS Transactions, Vol 94, pp 187-195 (1986).
6. B. Gundlach and E. P Whelan: “Critical Temperatures in Ferritic Ductile Irons”, AFS Transactions, Vol 100, pp 713-718 (1992).
7. K. Yu and C. R. Loper, Jr: “The Effect of Molybdenum, Copper, and Nickel on the Pearlitic and Martensitic Hardenability of Ductile Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 96, pp 811-821 (1988).
8. L. Eckel: “A Study of the Ferritization of Nodular Iron” AFS Transactions, Vol 66, pp 151-165 (1958).
9. Ohira and K. Ikawa: “Formation of Ferrite and Pearlite in Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 66, pp 526-532 (1958).
10. E. Reed- Hill: “Physical Metallurgy Principles,” Van Nastrand Co. (1973).
11. F. Brown and M. F. Hawkes: “Kinetics of Graphitization in Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 59, pp 181-200 (1951).
12. C. Voigt and C. R. Loper, Jr: “Secondary Graphitization in Quenched and Tempered Ductile Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 90, pp 196-202 (1982).
13. A. Porter and K. E. Easterling: “phase Transformation in Metals and Alloys”, Van Nostrand Reinhold (UK) Co. Itd (1981).
14. J. Most: “The Influence of Some Elements of Some Elements on the Matrix and Properties of Ductile Iron Casting After Soldification in Sand and Ingot Molds”, Modern Casting, Vol 105, pp 61-67, July (1968).
15. R. Isleib and R. E. Svage: “Ductile Iron Alloyed and Notmalized”, AFS Transactions, Vol 65, pp 75-83 (1957).
16. K. Grigorovich: “Influence of Alloying Elements on Cementite Stability and Graphitization of Cast Iron”, Russian Casting Production, Vol 12, pp 557-561 (1964).
17. de Sy: “Copper in Cast Iron- principal considerations”, AFS Transactions, Vol 67, pp 321-328 (1959).
18. Carter and R. Barton: “Effect of Copper in Heavy- Section Nodular Iron Casting”, Foundry Trad J, Vol 121, pp 607 (1966).
19. G. Kunsman: “Microstructure and Microstructural Model of Near Eutectic Pearlite Nodular Iron:, Ph.D. Thesis, University of Wisconsin- Madison.
20. Ries: “Tin and Copper in Malleable Iron”, AFS Transactions, Vol 79, pp 565-570 (1971).
21. “Metals Handbook Ninth Edition”, Vol 15, Casting, ASM International Publication (1988).

22- دکتر جلال حجازی و مهندس منصور امامی: «تأثیر مس و قلع بر ساختار و خواص چدنهای نشکن»، سمینار سالانة جامعه ریخته گران ایران»، (1-3 مرداد 1370).

23. Barton: “The Influence of Alloying Elements in Cast Iron”, BCIRA Research Report No 559 (1960).
24. C. Rooney, C. C. Wang, C. Rosenthal, C. R. Loper, Jr. and R. W. Heine: “Tin and copper in Gray Iron”, AFS Transactions, Vol 79, pp 189-198 (1971).
25. C. Reynolds and H. F. Taylor: “Alloying and Heat Treating Spherulitic Graphite Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 42, pp 181-189 (1954).
26. F. Wallace et al: “The Influence of Foundry Variables of Nodule Count in Ductile Iron”, AFS Transactions, Vol 93, pp 813-834 (1985).
27. Guerin and M. Gagne: “Effect of Mn, Cu and Sn on the Microstructure and Properties of Ductile Iron Castings”, British Foundyman, Vol 80, pp 336-344 (1987).
28. Bromage: “Present Position of Copper in Cast Iron”, Foundry Trade J. Vol 123, pp 845-849 (1967).
29. Levin, P. C. rosenthal, C. R. Loper, Jr and R. W. Heine: “Tin and Copper in Ductile Iron”, AFS Transactions, Vol 79, pp 493-514 (1971).
30. A. Neumeier, B. A. Bette, and D. H. Desy: “Tin and Copper Combinations in As- Cast Ductile Iron”, AFS Transactions, Vol 82, pp 131-138 (1974).
31. A. Neumeire, B. A. Bettes: “Ductile Iron Containing Tin, Copper, and other Contaminats”, AFS Transactions, Vol 84, pp 265-280 (1976).
32. M. Shea: “Influence of cooling Rate and Manganese and Copper Content on Hardness of As- Cast Duetile Iron”, AFS Transactions, Vol 78, pp 7-12 (1970).
33. Venugopalan: “A Kinetic Model of the Gr Eutectoid Transformation in S.G Cast Iron”, Metallurgical Transactions, A, Vol 21A pp 308-312 (1990).
34. M. Stefanescu, R. J. Warrick, L. R. Jenkins, G. Chen, and F. Martinez: “Influence of the chemical analysis of Alloys on the Nodule Count of Ductil Iron”, AFS Transactions, Vol 93, pp 835-484 (1985).
35. N. J. Gilbert: “Properties of  Perlitic and annealed Ferritic Nodular Iron Alloy With Copper”, Foundry Trade J. Vol 121, pp 507 (1969).
36. C. Ellwood: “Tin Effect on structure and Properties of Flake and Nodular Graphite Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 67, pp 423-430 (1959).
37. K. Datta and N. N. Engels: “Influence of Nickel, Molybdenum, Tin, and Copper on the Isothernal Transformation of Carbide in Ductile Iron”, AFS Transactions, Vol 83, pp 121-126 (1975).
38. Smith et al: “The Influence of Microstructure on the Fracture of Ductle Iron”, AFS Transactions, Vol 88, pp 302-310 (1980).

39- دکتر مصطفی تفضلی یزدی، مهندس آیت بهرامی سامانی «اثر مس و قلع و منگنز بر ریز ساختار و خواص مکانیکی چدنهای نشکن در حالت سیاهتاب» انتشارات جامعه ریخته گران (1374).

40- متالوژزی کاربردی چدنها جلد (2) مرعش مرعشی.