روش توليد بوش سيلندر اتومبيل

بوش سيلندر از جمله قطعات چدني است كه نسبت به ساختار زمينه بسيار حساس است و ويژگي هاي ساختاري قطعه تعيين كنندة عمر و دوام و سلامت موتور اتومبيل مي باشد . براي توليد اين قطعه در صنعت از دو روش استفاده مي شود . روش نخست ، ريخته گري در ماسه به روش سيليكات سديم است . بوشي كه از اين روش توليد مي شود داراي استحكام پاييني بوده و بعلت رطوبت موجود در سيستم ، عيوب انقباضي و گازي فراواني در قطعه مشاهده مي شود .

روش صنعتي و جديد براي توليد بوش سيلندر ريخته گري در قالب فلزي به روش گريز از مركز است . در اين روش مذاب به سرعت در قالبي كه در حال گردش است ، ريخته شده ، شكل مي گيرد . استفاده از روشهاي گريز از مركز براي توليد بوش چدني به جاي روش ريخته گري در ماسه داراي مزاياي زير است :
۱ـ حداقل عيوب گازي و انقباضي به همراه ضريب تراكم جرمي بالا
۲ـ حذف سيستم راه گاهي و تغذيه و مشكلات موجود در اين سيستمها

۳ـ حذف سيستم ماهيچه گذاري و مشكلات موجود در اين سيستم
۴ـ توليد بوش با حداقل ضخامت ممكن براي انجام مراحل ماشين كاري
۵ـ استحكام و خواص مكانيكي بالاتر نسبت به سيستم ريخته گري در ماسه
۶ـ افزايش سرعت توليد
گرچه استفاده از روشهاي گريز از مركز در توليد بوش از مزاياي زيادي برخوردار است ،‌ولي بايد توجه داشت كه به دليل شرايط خاصي كه به لحاظ استفاده از قالب فلزي بر نحوة انجماد حاكم است ،‌ باعث مي شود تا كنترل ساختار متالورژيكي قطعه با مشكلات عديده اي روبرو باشد كه از آنجمله مي توان به موارد زير اشاره كرد :
۱ـ جدايش فازها در اثر نيروي گريز از مركز

۲ـ تغيير ساختار متالورژيكي و تشكيل مناطق كاربيدي
در فرآيندهاي متداول ريخته گري سيلندر ، دستيابي به ساختاري مناسب در قسمت سيلندر با پيستون كه سايش و حرارت بالايي ايجاد مي كند عملاً غير ممكن است . به منظور بالابردن مقاومت به سايش و ضريب هدايت حرارتي از به كار بردن قطعه اي استوانه اي شكل (بوش سيلندر) كه بطور جداگانه با ساختار مطلوب ريخته گري مي شود ،‌در آن محل استفاده مي كنند . بوش سيلندر را معمولاً از جنس چدنهاي خاكستري بدللي دارا بودن قابليت ريخته گري خوب و

خواص فيزيكي و مكانيكي ويژه تهيه مي كنند . نوع و اندازة‌گرافيتها و فازهاي تشكيل دهندة زمينة‌ريز ساختار پارامترهاي اصلي تعيين كنندة‌خواص چدنهاي خاكستري هستند .
گرافيت نوع A (گرافيت لايه اي نازك با توزيع يكنواخت) با اندازة‌متوسط از نظر مقاومت به سايش عالي هستند . در چدنهاي خاكستري با گرافيتي نوع A ،‌ ورقه هاي گرافيت شبيه مخزن روغن كاري كننده عمل مي كنند . همچنين اين نوع گرافيتها باعث هدايت حرارتي و كنترل دماي سطوح مرتبط با منبع گرما مي شوند . گرافيتهاي ورقه اي ضمن داشتن قابليت ماشين كاري خوب

، شرايط عالي در برابر سايش نيز دارند . براي افزايش مقاومت به سايش چدنهاي خاكستري مي توان از ايجاد فازهاي مختلف و مناسب در ريز ساختار بهره گرفت . بطور كلي سختي چدن خاكستري با زمينة‌ كاملاً پرليتي حدود HB 180 است . با افزودن مقداري فسفر حدود ۵/۰ % به چدن فاز استريت با سختي حدود HB 400 در اطراف سلولهاي يوتكتيك تشكيل مي گردد . اين فاز در برابر سايش بسيار مقاوم مي باشد .

با توجه به مصرف گستردة‌ بوشها و كاربرد حساس آنها در سيلندر توليد آنها با مشخصات مناسب ضروري مي باشد ليكن با توجه به طبيعت انجماد جهت دار در ريخته گري گريز از مركز ، توليد چنين محصولاتي با مشكلاتي روبرو خواهد بود . لذا هدف اصلي توليد چدن خاكستري با داشتن گرافيتهاي نوع A ضمن داشتن ريز ساختاري شامل حدود ۹۵% پرليت و حدود ۵% فسفيد آهن مي باشد .

 

قالب هاي مورد استفاده در روش ريخته گري گريز از مركز افقي :
بسته به شرايط كاري ، سرعت توليد ، جنس آلياژ ريخته گري به دو دسته مصرف شدني و دائمي تقسيم بندي شده است ، كه قالب هاي مورد استفاده در ريخته گري گريز از مركز لوله هاي چدني مورد نظر فولاد دائمي است .

جنس فولادهاي قالب گريز از مركز :
فولادهاي قالب از نوع فولادهاي گرم كار بوده كه جهت تهيه لوله هاي چدني و همچنين قالب هاي تزريقي پلاستيك در صنعت مورد توجه مي باشند . در حين كار سطح داخلي آنها تحت درجه حرارت هاي بالا و بارهاي مكانيكي نسبتاً بالا قرار دارد . فولادهاي قالب درحين كار تحت تاثير عواملي قرار مي گيرند كه بر طول عمر آنها تاثير دارد . اين عوامل عبارتند از :
۱-سيكل تغييرات دما با دامنه تا در سطح داخلي قالب ( زمان يك دوره تغييرات دما تقريباً ۲۱۰ ثانيه است .)

۲-نيروي گريز از مركز بالا در اثر چرخش قالب با سرعت حدود حاصل مي شود .
۳-تنشهاي بالا در نزديكي سطح داخلي (حدود فشار كششي )
۴-خوردگي حاصل از گازها و هوا كه از انجام واكنشها حاصل مي شود .
۵-تركهاي خراش كه در هنگام بيرون كشيدن لوله ها از قالب در جهت محور قالب ايجاد مي شوند.

مشخصات متالورژي و مكانيكي فولاد قالب
چقرمگي شكست
استحكام كششي

استحكام تسليم
درصد زياد طول HBتختي
۲۶۰۰ ۸۵۰-۷۰۰ ۷۰۰ ۱۷ ۲۴۰-۲۰۰ فولاد ۲۱
۲۴۰۰ ۹۰۰-۷۵۰ ۷۰۰ ۱۷ ۲۴۰-۲۰۰ فولاد ۳۴

ضخامت قطعه و دماي جدارة قالب :
بطور كلي با كاهش ضخامت قطعه سرعت انتقال حرارت از مذاب به جدارة قالب افزايش مي يابد و در نتيجه بر سرعت انجماد قطعه افزوده مي شود . اين امر شرايط را براي ايجاد يوتكتيك در ساختار قطعه فراهم كرده و باعث افزايش مقدار منطقة سفيد شده در قطعه مي شود .
افزايش دماي جدارة قالب بطور طبيعي باعث كاهش در ميزان تحت انجماد
مي شود . ولي بايد توّجه داشت كه افزايش بيش از حد دماي جدارة قالب ممكنست به تغييراتي در ساختار انجماد وايجاد انجماد معكوس ساختار قطعه شود .

آزمايشهاي عملي :
مراحل كاري تهية بوشهاي چدن خاكستري به روش گريز از مركز افقي :
۱٫تهية مذاب با آناليز مورد نظر .
۲٫پوششكاري قالب گريز از مركز .
۳٫پوششكاري پيلة بارريزو ناودان ذوب ريز .
۴٫جوانه زايي در پاتيل اوليه .
۵٫جوانه زايي ثانويه در مرحلة ريختن مذاب به قالب .

۱٫تهية مذاب با آناليز مورد نظر :
كوره هاي مورد استفاده در تهية مذاب از نوع القائي با ظرفيتهاي k400 فركانس متوسط و كورة Ton1 فركانس پايين ميباشد . و مواد اولية در تهية مذاب شامل درصد هاي مناسبي از شمش چدن خاكستري ، برگشتي ، قراضه ، براده ، مي باشد كه در نهايت مطابق آناليز مورد نظر چدن خالستري ، مطابق با آناليز زير تهيه مي گردند:
% CE % C % Si % P % Mn % S % Cr % Cu

۴۵/۰ ۱۳/۰ <1/0 6/0 13/0-1/0 4/2-7/1 4-5/3 %C+%Si/3
آناليز مذاب ، طي تهية آن ، توسط قالب نمونه گير آناليز ، تهيه شده و به كمك دستگاه كوانتومتر در هر مرحله از تهية مذاب سنجيده مي شود .

۲٫پوشش كاري قالب گريز از مركز ونوع پوشان آن:
قالبهاي تهية بوشهاي گريز از مركز ، در هر مرحله از شرايط كاري تعيين گرديده و با توجه به كاربرد پوشان در قالبها ، همزمان با چرخش قالب ، توسط كمپرسورهاي پوشان بصورت منظم از انتهاي قالب به سمت بيرون آن ، به داخل آنها پاشيده مي شود تا به اين ترتيب ، خواصي نظير ، عدم چسبندگي مذاب به قالب ، افزايش عمر قالب ، كنترل و انتقال حرارت ، … را ايجاد نمايند.

پاية پوشان مورد استفاده در اين قالبها :
پودر سيليس ، نبتونيت ، مايع كف زا ، خاك دياتومه ، آب به نسبتهاي معين و مش بسيار ريز (كمتر از ۰۰۱/۰ – ۰۱/۰ ميلي متر ) مي باشد ، به طوري كه غلظت پوشان مورد نظر حاصل از مخلوط نمودن مواد فوق در حدود ۵۵-۴۵ بوده كه توسط دانسيمتر تعيين مي كردند . ضخامت پوشان مورد استفاده در قالب در حدود ۱-۵/۰ ميلي متر مي باشد .

در اين تحقيق سعي ميگردد ، تا علاوه بر تغيير كميت در اندازه و حتي نوع جوانه زاها و به بكارگيري آنها در مرحلة ثانوية جوانه زني ، از مرحلة جوانه زايي در پوشان قالب نيز آزمايش به عمل آمده و تاُثير آن بر نوع گرافيتهاي سطوح بوش و خواص آن نظير سختي مورد بررسي قرارگيرد كه در مراحل عملي به تشريح آنها پرداخته ميشود .

۳-پوششكاري پياله بار ريز و ناودان ذوب ريز :
پوشان مورد استفاده در پياله بار ريز و ناوداني ذوب ريز نصب شده روي دستگاه ريخته گري گريز از مركز افقي جهت بوش ريزي ، از نوع پوشش گرافيتي (دوده و آب ) مي باشد تابدين ترتيب تمامي خواص و انتظاراتي را كه در بحث پوشان گفته شده ، بدست دهد .
اين نوع پوشان بر روي سطوح پياله بارريز (تنديش) و ناودان ذوب ريز به كمك قلمو قرار مي گيرد و بعد از هر چند مرحله ذوب ريزي ، مجدداً استفاده مي گردد .

۴-جوانه زايي در پاتيل اوليه :
پاتيل اوليه ، پاتيل حمل مذاب از كوره هاي القايي ، به تنديش يا پياله بارريز دستگاههاي گريز از مركز است ، كه در آنها يك مرحله جوانه زايي توسط جوانه زاي پايه فروسيليس ۷۵% با دانه بندي ۵-۳ ميلي متر و به ميزان wt %6/0 درصد وزني مذاب كه در كف پاتيل به آن اضافه مي شود ، انجام گردد . در اين مرحله دماي مذاب ۱۴۲۰ تا ۱۵۲۰ درجه سانتي گراد مي باشد

.
جوانه زايي ثانويه در مرحله ريختن مذاب به قالب ، و يا جوانه زايي در پوشان يا بر روي سطح آن :
از آنجائيكه اين مرحله از كار ، اساس پروژه بوده و تحقيقات و بررسي هاي انجام شده ، در زمينه بهينه سازي اثر جوانه زاها در خواص چدن و نوع گرافيت ها ، مبحث اصلي تحقيق است ، تمامي آزمايشات بصورت مرحله به مرحله همراه با نتايج و عكسهاي متالوگرا

في و سختي سنجي و بررسي هاي آزمايش هاي متالوگرافي و متالورژيكي بيان مي گردد.

بررسي متالوگرافي و سختي سنجي از نمونه هاي بوش:
بوشهاي توليدي به روش گريز از مركز افقي داراي ابعاد و اوزان متنوعي مي باشند كه با تغيير و تعويض قالبهاي مختلفي قابل توليد مي باشند.
نمونه بوشهاي توليدي در بررسي اثر جوانه زا ها ، قسمتي از وسط يا ناحيه مياني بوش است .
نمونه فوق توسط دستگاه اره لنگ از ناحيه مياني بوش تهيه مي شود . قسمت هاي تيز آن توسط سنگ گرفته شده و سطح مورد مطالعه نيز سنگ و سنباده و پوليش مي گردد و تحت بررسي متالوگرافي در زير ميكروسكوپ با بزرگنمايي ۲۰۰× قرار مي گيرد ، عكس هاي متالوگرافي تهيه شده از نمونه ها از قسمت b مي باشد .

جوانه زاهاي مورد آزمايش:
جوانه زاهاي زير با مشخصات مربوط تهيه شده و تحت آنها بر اساس نوع و كيفيت و كميت هاي آنها آزمايش هاي طرح ريزي و انجام گرديد .
۱-اينواسترانگ Inostrong
2- اينوليت Inolate
3-SRF75
4-SB5
5-VL7B

۶-جوانه زاي پايه فروسيليس ۷۵% بامش mm5/1 –۵/۰ (پودري).جدول تركيب جوانه زاهاي فوق به صورت زير آورده شده است .

آزمايش هاي عملي در رابطه با جوانه زاها و ريزساختار و خواص قطعات (بوشهاي) توليدي :
۱-بوش ريخته گري شده بدون مرحله جوانه زايي در پياله بارريز :
از آنجائيكه بوشهاي توليدي توسط دستگاههاي گريز از مركز افقي ، با تغيير قالب ها ، داراي ابعاد و مشخصات متنوعي هستند ، آزمايش هاي انجام شده بر روي بوش به ابعاد و مشخصات زير انجام شده است :

بوش قطر داخلي – قطر خارجي – طول شاخه-طول لبه-وزن شاخه
۸۱-۸۰ ۹۷-۹۶ mm470 – kg334/7
در آزمايش ابتدايي ، بر روي بر روي قطعه توليدي با مشخصات فوق ، %۰ جوانه زا استفاده شد . يعني ، هيچ مقدار جوانه زايي به مذاب در مرحله پياله بار ريز اضافه نگرديد و ملاحضات زير و نتايج مربوط به آن به شرح زير ارائه گرديده است :(جدول ۸)
از سطح داخلي a تا سطح خارجي (سطح بوش)، گرافيت هاي نوع D

ملاحظه گرديده است و سختي سطح اين نمونه HB255 برينل
گزارش شده است . تصوير متالوگرافي از قسمت مياني نمونه بدون ۱ اينچ و با بزرگنمايي ۲۰۰×‌برابر بصورت زير ارائه مي گردد :
شكل ۵۲ – بدون جوانه زايي در تنديش – گرافيت هاي نوع D – ۲۰۰×
نوع پودر داخل تركيب شيميايي پودرهاي مختلف جوانه زايي كننده
قالب جوانه زا Si Al Ca Ba Sr Mg F Fe
75%FeSi 76-74 25/1-6/0 1-5/0 ــــ ــــ ــــ ــــ بقيه
FeSi+CaSi 7/74 75/0 6/3 ــــ ــــ ــــ ــــ بقيه
FeSi+Al 77 83/0 75/0 ــــ ــــ ــــ ــــ بقيه
FeSi+FeSiMg 3/74 81/0 75/0 ــــ ــــ ۵/۰ ــــ بقيه
FeSi+CaSi+CaF2 63 65/0 4-4/3 ــــ ــــ ــــ ۲/۲/-۱ بقيه
Supespeed 75 45/0 1/0 ــــ ۸/۰ ــــ ــــ بقيه
Skw-SB5 65-58 5/1-1 5/4-3 5/2-5/1 ــــ ــــ ۵/۲-۵/۱ بقيه

۲-جوانه زاي پايه فروسيليس ۷۵ بامش mm3-1 مورد استفاده در شركت مهارت به مقدار gr 9 (wt%13/0 مذاب)
مقدار gr9 جوانه زاي پايه فروسيليس با توجه به اينكه مقدار مذاب مورد مصرف بوش توليدي حدود kg 7 مي باشد برحسب درصد مي باشد . پس از بررسي متالوگرافي مشخص گرديد كه : ساختار بوش توليد شده از سطح داخلي داراي حدود mm 1 گرافيت A بعلاوه حدود mm1 مخلوط گرافيت هاي A و D و شش ميلي متر باقي مانده گرافيت D است .

سختي چدن ريخته شده در حدود HB 244گزارش گرديده است .
نمونه ريز ساختار اين چدن پس از متالوگرافي در زير ميكروسكوپ با بزرگنمايي ۲۰۰×برابر ملاحظه شد
۳-جوانه زاي پايه فروسيليس ۷۵ بامش mm3-1 مورد استفاده در شركت مهارت به مقدار gr7 : (wt 1/0%مذاب)
برحسب درصد ،‌مقدار gr7 از جوانه زاي فوق در حدود
بوده و نتايج آزمايش هاي متالوگرافي و سختي سنجي نمونه فوق بصورت زير است :
بررسي متالوگرافي نمونه فوق نشاندهنده حضور گرافيت تا mm3 از سطح داخلي به همراه mm1 مخلوط گرافيت هاي A و D و mm 4 گرافيت نوع D در سطح خارجي نمونه بوش فوق است . سختي نمونه فوق در حدود HB 229 بوده .

۴-جوانه زاي پايه فروسيليس ۷۵ با مش mm3-1 مورد استفاده شركت مهارت به مقدار gr4:(057/0):
بررسي هاي متالوگرافي نمونه بوش ريخته شده با درصد وزني wt%057/0 از جوانه زاي پايه فروسيليس ۷۵ با مش mm 3-1 مويد حضور گرافيت هاي نوع D از قسمت سطح داخلي تا خارجي بوش است . همچنين سختي آن در حدود HB 235 گزارش گرديده است . شكل ريزساختار اين نمونه از قسمت مياني آن با بزرگنمايي ۲۰۰×‌برابر بدون اچ در زير نشان داده شده است .
از بررسي هاي فوق بهترين نتيجه در gr7 يعني ۱/۰ درصد وزني از جوانه زاي مورد استفاده فوق نتيجه مي شود .
۵-استفاده از جوانه زاي پايه فروسيليس با مش mm1-5/0 در پوشش سطح داخلي:
در اين آزمايش به جاي اضافه كردن جوانه زاي مرحله پياله بارريز ، از آن در داخل قالب استفاده شده است . مقدار اين جوانه زا در حدود gr7 يعني wt%1/0 درصد وزني مذاب بوده و پس از حركت قالب و حين چرخش قالب به آن اضافه شده است .

نتايج پس از نمونه برداري و بررسي هاي متالوگرافي و سختي سنجي بصورت ز ير تائيد گرديده است :
از سطح داخلي تا سطح خارجي گرافيت Aحدود mm3 بعلاوه mm1 مخلوط گرافيت هاي A و D بعلاوه mm4 گرافيت نوع D
سختي نمونه فوق در حدود HB234 گزارش گرديده است .
۶-استفاده از جوانه زاي پايه فروسيليس با مش m1-5/0 به مقدارwt %1/0 وزني مذاب در پياله بارريز :
جوانه زاي پايه فروسيليس به ميزان gr7 يعنيwt %1/0 وزني مذاب به آن اضافه شد و اين عمل در پياله ريز صورت گرفت ، نتيجه پس از نمونه برداري به صورت زير بوده است :
از قسمت سطح داخلي نمونه به سطح خارجي آن حدوداً mm 6 گرافيت از نوع A و mm 2 مخلوط گرافيت A و D است . كه نتيجه مناسب و مطلوبي است و شكل ريزساختار قسمت مياني نمونه بوش مورد نظر با بزرگنمايي ۲۰۰× به صورت زير نشان داده شده است .

سختي نمونه فوق در حدود HB234 برنيل گزارش گرديده است .
۷-استفاده از جوانه زاي پايه فروسيليسي با عنوان اينوكولين شركت فيكسو با مش حدود mm3-5/1 به ميزان wt%1/0 درصد وزني مذاب در داخل پياله بارريز :
حدود gr7 يعني ۱/۰ درصد وزني مذاب بوش هفت كيلوگرمي از جوانه زاي فوق در پياله بارريز استفاده گرديد ، و نتايج زير بدست آمد :
از سطح داخلي تا سطح خارجي شامل حدود mm5 گرافيت نوع A بعلاوه حدود mm3 مخلوط گرافيت هاي A و D بوده است كه در شكل متالوگرافي از ريزساختار چدن خاكستري است . سختي آن در حدود HB224 گزارش گرديده است.