استمپر شدن چدن

چکیده:

آستمپرکردن، چدن داکتیل را به یک ماده عالی بهبود می بخشد که ابن ماده دارای خواص جالبی مانند استحکام بالا ،داکتیلیته و چقرمگی ،آمیخته با پوششی مقاوم وقابلیت ماشینکاری می باشد .همه این خواص را میتوان با عملیات حرارتی کافی بدست آورد ،که حاصل آن میکرو ساختاری مطلوب بایک ترکیب شیمیائی معین است. دراین مقاله نتایج آستمپرکردن آلیاژی با45/0 درصد مس برای یک محدوده زمانی ودمایی گزارش وبررسی شد.درتمامی عملیات ریز ساختار ومقطع شکست با وسائلی نظیرمیکروسکوپ نوری والکترونی وپراش اشعه ایکس تعین گردید.اینها استحکام را نشان می دهند،افزایش طول وانرژی شکست شدیدا به مقدار فریت بینیتی و آستنیت باقیمانده وابسته است .
کلمات کلیدی :چدن داکتیل ، آستمپرکردن،استحکام،انرژی شکست،شکست

مقدمه:

بسیاری کاربردهای آستمپر گزارش می شود .دلیل این پیشنهاد یک ترکیبی ازاستحکام بالا وچقرمگی وپوشش مقاوم با قیمت پایین است.خواص مکانیکی ADIوابسته به ساختار آستمپر شده است.هر کدام به نوبه خود تابعی از زمان ودمای آستمپرهستند.اغلب تحقیقات جدید متمرکز شده اند به اثر عناصر آلیاژی وتاثیر آن بر ریز ساختار وخواص آن و واکنش آن درADI.بعنوان مثال عنصر آلیاژی مس ،منطقه آستنیت را در دیاگرام فازی عریض می کند ،دراین میان افزایش سرعت دگرگونی در مراحل آستمپرودر صد کربن در زمینه موثرهستند.از طرف دیگر در طی مراحل بعدی آستمپر،مس شاید از تشکیل کاربید جلو گیری کند.هدف ازاین تحقیق ومطالعه اثر متغیرهای آستمپر(دما وزمان) برریز ساختار وخواص مکانیکی چدن داکتیل آلیاژشده با مس است.

آزمایشات:

نمونه های گوه ای چدن داکتیل با ترکیب شیمیایC%6/3،Si%5/2،Cr%04/0،Cu%45/0،P%014/0،S%014/0،Mg%066/0در کوره های القایی ریختگی تولید گردید .مذاب در حدودCo1420داخل قالبهای ماسه ای Y blockبا استانداردmm5/24 سالم ومطمئن ریخته گری شد.نمونه کشش ،قطرmm6وطولmm30ونمونه های شارپیmm (10×10×55)بدون شکاف ازY block گرفته شد.نمونه ها دریک اتمسفر محافظ آرگون درCo 900 بمدت 2 ساعت آستنیته می شوند.
بسرعت به یک حمام نمک مذاب در دماهایCo (300و350و400)منتقل می شوند به مدت (1و2و3و4)ساعت آستمپرمی شوند،سپس در هوا خنک می شوند.نمونه استاندارد متالوگرافی بدین صورت(ماشینکاری،پولیش واچ با محلول نایتال)آماده می گردند،پیش از انکه برای آزمایشات میکروسکوپ نوری بکار میروند.یک Leitzمیکروسکوپ متالوگرافی برای تشخیص ریز ساختارها استفاده می شود. میکروسکوپ نوری مجهز به نرم افزار Vidasکاربرد آن برای اندازه گیری وتوزیع گرافیت کروی و کسری از حجم آستنیت باقیمانده.تغییر کسری از حجم آستنیت باقیمانده در طول آستمپرکردن بوسیله پراش اشعه ایکس با استفاده از یک پراش سنجی که با نیکل فیلتر شده وپرتو افکن Cukزیمنس500D- تعین شد.تست کشش نمونه های آستمپرشده دریک ماشین هیدرولیکKN50با سرعت ثابت mm/min10انجام شد.2/0درصد تنش تسلیم درتنش کشش نهای (UTS)وافزایش طول در اندازه شکست.نمونه های شارپی آستمپرشدهدر دمای اتاق حداقل در3نمونه موردآزمایش قرار گرفتند،سطح شکست با یک میکروسکوپ الکترونی بررسی شد

ریز ساختار:

مرفولوژی گرافیتهای کروی در ریزساختار ریختگی چدن داکتیل در شکل(a,b1)نشان داده شده.کاملا کروی با تعداد80تا 90گرافیت کروی درmm2،کمتر از %90کروی شدن داریم میانگین اندازه گرافیتها µm17است. ریز ساختار چدن داکتیل بالای%80 پرلیت است. ریز ساختارADIنشان داده شده در شکل (a-d2)نمونه های آستمپر شده در Co300به مدت 1ساعت که شامل فریت بینیتی و آستنیت باقیمانده ومقدار کمی مارتنزیت است(شکلa2).سپس زمان آستمپررا به 2ساعت افزایش دادیم ، مارتنزیت از ریز ساختارمحو می گردد.نمونه های آستمپر شده در Co300نوعی بینیت پایینی با پیدایش یک ریز ساختار فریت بینیتی سوزنی نشان می دهد، فریت بینیتی سوزنی درزمینه ای از آستنیت باقیمانده ظاهرمی شود(مقدار آستنیت باقیمانده با میانگین 25تا15درصد حجمی).این ریز ساختاربعداز آستمپرکردن در دمای Co350نیز حاضر است(شکلc2).حاصل آستمپردر دمای بالا فریت بینیتی بشقابی شکل و آستنیت باقیمانده زیادتری است (شکلd2).

شکل1.LM ریز ساختارنمونه ریختگی(a)قبل از اچ (b)اچ شده
این ریز ساختار بعد از آستمپرکردن در مدت زمان طولانی ترمشاهده شد، مارتنزیت محوشد وساختار تنها فریت بینیتی آستنیت باقیمانده بود .این توضیح شاید در مورد تشکیل مارتنزیت درمدت زمان کوتاه آستمپردرست باشد،که علت آن کم بودن کربن که آستنیت ناپایدار می شود،وازاین رو به سوی مارتنزیت تغییرمی کند.رفتار ریز ساختار آستمپرشده در مدت زمان طولانی تر بعلت وجود کربن کافی آستنیت باقیمانده داریم حتی پس از آنکه درهوا سرد شد.

شکل2.LM ریز ساختار بعداز آستمپرکردن برای1ساعت در(a) Co300وبرای 2ساعت
(b) Co300 (c) Co350 و(d) Co400 مارتنزیت
زمان ودما استحاله ایزوترمال در طی عملیات آستمپرکردن تاثیر محسوسی در مقدار نسبی آستنیت باقیمانده دارد(شکل3).

طبق منحنی شکل 3 دو مرحله پیچیده درشکل استحاله ایزو ترمال آشکار شده ،در مرحله 1(زمانها کمتر از 2) مقدار آستنیت باقیمانده با افزایش زمان می گردد .شایداین توضیحی برای استحاله ناقص بینیتی باشد. مناطق آستنیتی دارای غلظت پائین Siوبالای کربن،e.gدرمیان گرافیتهای کروی،استحاله تبدیل آستنیت به فریت بینیتی درمدت زمان کوتاه آستمپر کردن انجام پذیر نیست ومارتنزیت آشکار می گردد.سرد شدن هم نمی تواند مطابق آستمپردردمای اتاق جلو گیری کند.با قدری افزایش زمان آستمپر کردن مقدارآستنیته باقیمانده افزایش می یابد ودر مدت 2 ساعت به بیشترین مقدار خود می رسد.رفتار،بعد از 2ساعت مقدار آستنیت باقیمانده کاهش می یابد،که این مشخص مرحله 2 درواکنش آستمپر کردن است سپس آستنیت باقیمانده به فریت بینیتی و کاربید تجزیه می شود.این کاهش در دمای Co 400 مشخص تر است وتجزیه آستنیت به فریت وکاربید.

شکست شناسی:

سطح شکست درنمونه آزمایش ضربه برای 1ساعت درCo300 آستمپرشده شکستی کاملا ترد نشان می دهد.مقطع شکست نمونه های آزمایش ضربه که دردمای Co (300و350و450 ) برای مدت 2ساعت آستمپرشده در Co300یک زمینه نرم و شکست ترد نشان می دهد.i,e گودی وشکاف شکست پدیدار شده درشکل(b4).تنها در نمونه که در Co350 آستمپر شده شکست نرم بطور کامل معلوم شد(شکلc4)بطورکلی شکست درCo400شکست ترد است.

اثر متغیرها آستمپر بر خواص مکانیکی:

تغییرات2/0%تنش تسلیم ،افزایش طول،انرژی شکست نسبت به زمان و درجه حرارتCo(400و300و350) آستمپر کردن در شکل(a-c5)نشان داده شده،استحکام به طور کلی پایدار است.اگر مقدار افزایش بعد از 3 ساعت آستمپر کردن درCo300و350 پدیدار شده است(a,b5).

شکل4.تصاویر میکروسکوپ الکترونی ازآزمایش ضربه نمونه های آستمپرشده برای1ساعت در Co300(a)و آستمپرشده برای2ساعت در(b) Co300(c) Co350و(d) Co400
کم بودن مقدار افزایش طول وانرژی شکست به زمان کوتاه آستمپر کردن وابسته است،که علت شکست ترد وجود مارتنزیت در ساختار است.بر خلاف در زمانهای طولانی ،مارتنزیت از ساختار ناپدید می گردد،چون مقدار فریت بینیتی وآستنیت باقیمانده افزایش می یابد،درنتیجه بیشترین مقدارافزایش طول وانرژی شکست را بعد از 2 ساعت آستمپرمی دهد،با افزایش بیشتر زمان،کاهش افزایش طول وانرژی شکست رخ می دهد.این کاهش مخصوصادرCo400ظاهرمی گردد.کاهش مقدار افزایش طول وانرژی شکست به کاهش مقدارآستنیت باقیماندهدر مدت زمان طولانی تر آستمپر مربوط می شود.تغیرات2/0درصدتنش تسلیم،,UTSافزایش طول،انرژی شکست بعد از 2ساعت آستمپر در دماهای مختلف در شکل( a-b6)نشان داده شده.استحکام بالا در دمای پائین آستمپر(شکلa6)وابسته به پیدایش فریت بینیتی سوزنی با مقداری مارتنزیت وآستنیت باقیمانده،ساختارظریف فریت بشقابی ومقدار کم آستنیت باقیمانده به استحکام بالا کمک می کند.هچنین نباید از دیگر پارامترها غافل شد.

چدن نشکن آستمپر شده

چدنهاي نشكن آستمپرشده ADI ( Astempered Ductile Iron) خانواده جديدي از چدنهاي نشكن هستند كه در صنعت امروز از جايگاه ويژه‌اي برخوردارند نياز روزافزون به قطعات با استحكام بالا همراه با انعطاف‌پذيري خوب باعث رشد سريع اين چدنها در دهه 1980 ميلادي گشت. بطوريكه اين دهه در صنايع ريخته‌گري جهان به دهه آستمپر مشهور شده است. در گذشته برای قطعات با استحكام و انعطاف‌پذيري بالا، عموماً از فولادهاي كم آلياژي و يا فولاد‌هاي فورج و عمليات حرارتي شده استفاده می شد. اما از آنجا كه صنعت فولادريزي و آهنگري اصولاً مشكل‌تر از ريخته‌گري چدنها مي‌باشد، سعي بر آن است كه چدنهای آستمپرشده جایگزین آنها شده و به این ترتیب از مشكلات تولید آنها كاسته و سرعت توليد را نيز افزايش دهند.
ساختار اصلي زمينه چدنهای آستمپرشده، بينايت می باشد. این زمینه توسط افزودن عناصر آلياژي مثل نيكل و موليبدن به ترکیب چدن های داکتیل و انجام عمليات حرارتي آستمپرینگ ( حرارت دادن تا دمای آستنیت و سپس نگهداری در دماهای تشکیل بینایت) حاصل می گردد. در شکل های زیر تفاوت ساختار چدن داکتیل آستمپر نشده و آستمپر شده را مشاهده می کنید.

چدن نشکن پس از ریخته گری.

گرافیت های کروی در زمینه پرلیتی(قسمت های سیاه) و فریتی( مناطق سفید). اچ شده با نتال 2 درصد.
در بزرگنمایی بالاتر


چدن نشکن آستمپر شده
) توسط عملیات حرارتی، آستنیت شده در دمای 950 درجه و تمپر شده در دمای 350 درجه بمدت 64 دقیقه(
در بزرگنمایی بالاتر
بايد توجه داشت كه با تغيير پارامترهاي مختلف عمليات حرارتي از جمله دما و زمان آستينيته و همچنين دما و زمان آستمپرینگ، مي‌توان به ساختارهاي با درصدهاي مختلف از فريت، آستنيت باقي مانده، كاربيد و مارتنزيت در زمينه دست يافت. وجود فريت و آستنيت باعث استحكام اين نوع چدنها در برابر ضربه خواهد شد و وجود كاربيد و مارتنزيت در زمينه نيز افزايش سختي را حاصل مي‌نمايد. در شکل های زیر برخی از کاربردهای چدن داکتیل آستمپرشده را مشاهده می کنید.

ماشین اسپرت TVR ، شش دنده با میل لنگ از جنس چدن داکتیل آستمپرشده

میل لنگ ماشین اسپورت TVR از جنس چدن نشکن آستمپرشده

محور تعلیق ماشین کبرای موستنگ فوردFord Mustang Cobra از جنس چدن داکتیل آستمپرشده

محور تعلیق کامیون تریلی از جنس چدن داکتیل آستمپرشده
1- http://www.cloob.com
2-مجموعه مقاله‌هاي شانزدهمين سمينار سالانه جامعه ريخته‌گران ايران ناشرانتشارات جامعه ريخته گران ايران
3-http://iran-eng.com
/خ