چکیده

چدنهاي نشکن آستمپر به دلیل ویژگیهاي مناسب مکانیکی مانند: استحکام بالا، داکتیلیتی مناسب و مقاومت سایشی، داراي کاربردهایی وسیع در صنایع گوناگون از جمله خودروسازي، راه آهن و دیگر صنایع سنگین میباشند، اما محدودیت بزرگ آنها سختی نسبتأ بالا و قابلیت ماشینکاري کم و بالا رفتن هزینهي تولید آن از این جهت میباشد. “چدن نشکن آستمپر با قابلیت ماشینکاري” یک ماده جدید مهندسی با ویژگیهاي بسیار مناسب است و در مقایسه با چدنهاي نشکن معمولی داراي استحکام بالاتر در سختی نسبتأ یکسان و نیز قابلیت ماشینکاري و در مقایسه با چدنهاي نشکن آستمپر معمولی با استحکام خستگی بهتر میباشد. در این پژوهش امکان تولید “چدن نشکن آستمپر با قابلیت ماشینکاري” با انتخاب ترکیب شیمیایی مناسب و سیکل عملیات حرارتی آستنیته در دماي ۸۵۰ درجهي سانتیگراد به مدت ۶۰ دقیقه، آستمپرینگ در دماي ۳۹۰ درجهي سانتیگراد به مدت ۶۰ دقیقه، ایجاد ساختار آسفرایتی با استحکام کششی ۹۰۰ و استحکام تسلیم ۷۰۵

نیوتن بر میلیمتر مربع، ازدیاد طول نسبی ۱۵درصد، سختی ۲۳۲ برینل، استحکام خستگی ۳۷۰ نیوتن بر میلیمتر مربع و بهبود برآیند نیروي برشی و در نتیجه بهبود قابلیت ماشینکاري به مقدار ۲۰درصد امکانپذیر شد.

واژههاي کلیدي: چدن نشکن آستمپر، مقاومت خستگی، ماشینکاري.

١- دکتراي مهندسی مواد و متالورژي، استادیار، گروه مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج.

٢- دکتراي مهندسی مواد و متالورژي، استاد دانشکدهي مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف.

٣- دکتراي مهندسی مواد و متالورژي، دانشیار گروه مهندسی مواد و متالورژي، انستیتو ملی تکنولوژي، هندوستان.

۴- کارشناس ارشد مهندسی مواد، گروه مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج. -* نویسندهي مسئول مقاله: mehrantadayonsaidi@yahoo.com

۲۱ بهبود ویژگیهاي مکانیکی چدنهاي نشکن آستمپر جهت افزایش…

پیشگفتار

“چدنهاي نشکن آستمپر با قابلیت ماشینکاري” یا

MADI1 گروه جدیدي از چدنهاي نشکن میباشند که با چدنهاي نشکن آستمپر معمولی تفاوت دارند و البته، همانند چدنهاي نشکن آستمپر معمولی داراي ویژگیهاي کششی بالاتري نسبت به چدنهاي نشکن معمولی میباشند (شکل .(۱ توسعه و تجاري سازي چدنهاي نشکن آستمپر براي مهندسین طراح گروه جدیدي از مواد با ترکیب استثنایی ویژگیهاي مکانیکی مشابه با فولادهاي ریختگی و فورج شده و هزینههاي تولیدي مشابه با چدنهاي نشکن معمولی را فراهم ساخته است. اگر چه چدنهاي نشکن آستمپر جایگزینی تثبیت شده در بسیاري از کاربردها که پیش از این در انحصار قطعات فولادي، آهنگري، آلومینیومی و متالورژي پودر بوده، هستند، اما چدنهاي نشکن آستمپر براحتی چدنهاي داکتیل فریتی یا پرلیتی ماشینکاري نمیشوند. مهمترین محدودیت چدنهاي نشکن آستمپر سختی بالا و قابلیت ماشینکاري کم آن میباشد و تولید آنها در چهار مرحله:

ریخته گري، ماشینکاري عمدهي اولیه، عملیات حرارتی و ماشینکاري جزئی نهایی انجام میشود و این دو مرحلهاي بودن ماشینکاري ناشی از سختی بالاي قطعات پس از عملیات حرارتی آستمپرینگ میباشد که همین دو مرحلهاي شدن فرآیند ماشینکاري باعث افزایش هزینهي تولید چدن نشکن آستمپر میشود.[۱-۴] چدنهاي جدید نشکن آستمپر که قابلیت ماشینکاري آنها بهبود یافته است، به نام “چدنهاي نشکن آستمپر با قابلیت ماشینکاري” نامگذاري شدهاند و داراي ترکیب شیمیایی

æ سیکل عملیات حرارتی مخصوصی میباشند و فرایند تولید آنها در سه مرحلهي ریخته گري، عملیات حرارتی
æ ماشینکاري انجام میشود که همین کاهش یک مرحلهاي و حذف یک سیکل ماشینکاري منجر به کاهش هزینهي تولید و افزایش بهره وري تولید میشود. در این پژوهش سعی بر تولید این مادهي جدید همراه با کاهش هزینههاي تولید میباشد به گونهاي که عناصر آلیاژي، دما

æ زمان در سیکل عملیات حرارتی آستنیته و آستمپر در

۱ – Machinable Austempered Ductile Iron

کمترین حد ممکن باشند و از سوي دیگر، ویژگیهاي مکانیکی مناسب شامل کاهش سختی، افزایش ازدیاد طول نسبی، افزایش استحکام خستگی و قابلیت ماشینکاري بهبود یابد. در اینجا مشخصههاي تولید “چدن نشکن آستمپر با قابلیت ماشینکاري” شامل ترکیب شیمیایی و سیکل عملیات حرارتی ( دما و زمان آستنیته و آستمپرینگ) میباشد و سپس به ویژگیهاي خستگی و قابلیت ماشینکاري آنها پرداخته میشود.

ترکیب شیمیایی

مبناي انتخاب بر اساس ترکیب شیمیایی چدنهاي نشکن آستمپر معمولی حاوي مقادیر کم منگنز، مس، نیکل و مولیبدن با ملاحظات صرفهي اقتصادي و نیز جلوگیري از مشکلات متالورژیکی و سختیپذیري مناسب در چدنهاي نشکن آستمپر انتخاب میگردد و بایستی عناصر یاد شده در کمترین مقدار لازم در قطعه ریخته شده در نظر گرفته شوند و تنها در مواردي که افزایش قابلیت سختی پذیري مدنظر باشد، اضافه شوند؛ در غیر این صورت باعث کاهش ویژگیهاي مکانیکی و پیچیدگی عملیات و هزینههاي تولید میشود. ویژگیهاي چدن نشکن آستمپر بر اساس ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی آنها، مشخص کنندهي ابعاد و توزیع و پایداري فازهاي موجود در ساختار نهایی میباشند. کنترل ترکیب شیمیایی در چدنهاي نشکن آستمپر جهت حصول به ویژگیهاي مکانیکی مطلوب و ایجاد ساختار آسفرایتی کمک شایانی میکند به گونهاي که ساختار بایستی داراي کمترین مقدار آستنیت واکنش نیافته، کاربیدهاي یوتکتیکی و مارتنزیت باشد زیرا در حین انجماد کاربیدهاي یوتکتیکی در مناطق بین سلولی جدایش یافته و سپس در فرایند عملیات حرارتی، مناطق فقیر از کربن و آستنیت واکنش نیافته ایجاد میکنند و در پی آن فاز مارتنزیت تشکیل میشود. پس انتخاب ترکیب شیمیایی مناسب و پس از آن سیکل عملیات حرارتی مناسب جهت حصول به ساختار آسفرایتی شامل شاخههاي منظم فریت در کنار آستنیت پر کربن بسیار موثر است. عنصر کربن در تولید چدنهاي نشکن آستمپر در محدودهي ۳/۵-۳/۷

درصد انتخاب میشود زیرا در این حالت مناسبترین

مجلهي مواد نوین/ جلد /۱شمارهي /۳ بهار ۱۳۹۰

ویژگیهاي کششی را دارد. همچنین، هرچه میزان کربن بالاتر و در محدودهي یاد شده باشد، زمان نگهداري نمونهها در دماي آستنیته جهت رسیدن به ساختار آستنیتی بمراتب کمتر است. عنصر سیلیسیم مهمترین عنصر در چدنهاي نشکن آستمپر است و باعث بهبود تشکیل گرافیت، کاهش انحلال کربن در آستنیت، افزایش دماي یوتکتوئید و جلوگیري از تشکیل کاربیدها میگردد و مقدار آن بایستی در محدودهي ۲/۴-۲/۸ درصد کنترل شود. عنصر منگنز نقش کاربیدزایی، ایجاد جدایش و افزایش سختی پذیري در چدنهاي نشکن آستمپر دارد واندازهي آن در حد ۰/۳ درصد نگاه داشته میشود. عنصر مولیبدن نقش عمده در بهبود قابلیت سختی پذیري در مقاطع ضخیم دارد و به دلیل تمایل به ایجاد جدایش و تشکیل کاربیدهاي یوتکتیکی موجب کاهش قابلیت انعطاف پذیري و ماشینکاري میشود و در حد ۰/۲۵