چدن

– مقدمه
چدن خاکستری يک گروه وسيع از آلياژهای ريختگی آهنی است که معمولا” بوسيله يک ميکروساختار از گرافيت ورقه ای (flake graphite) در يک زمينه آهنی مشخص می شود. آن اساسا” يک آلياژ Fe–C–Si شامل مقادير کوچکی از عناصر آلياژی ديگر و بيشترين آلياژ ريختگی مورداستفاده و با توليد جهانی ساليانه ۶ ميليون تن است که چندين برابر ديگر فلزات ريختگی است[۱].

ميکروساختار چدن خاکستری معمولا” شامل گرافيت ورقه ای و يک زمينه پرليت و يا فريت است که خواص مکانيکی، قابليت ماشينکاری و غيره به آن بستگی دارد. چدنهای خاکستری معمولی، زمينه پرليتی و استحکام کششی در محدوده ۱۴۰ تا ۴۰۰ Mpa دارند. وسيله اصلی برای بهبود خواص مکانيکی، کاهش کربن معادل است که درصد گرافيت را کاهش و پرليت را افزايش می دهد. جدول(۱) انواع تجاری چدن خاکستری و خواص مکانيکی مربوط به آنها را نشان می دهد.

برای بهبود خواص چدن خاکستری، تحقيق بر روی گسترش ميکروساختار آسفريت بيش از ۴۰ سال انجام گرفته است[۶-۲]. يک بهبود مهم ويژه در خواص، نتيجه ای از گسترش چدن خاکستری آستمپر شده است[۷-۳]. چدنهای خاکستری آستمپر شده به مهندس چاره هایی با ترکيبات فرايندی/موادی معمولی پيشنهاد می دهد[۷]. از طريق آستمپرينگ، زمينه فريتی يا پرليتی، چدن خاکستری به يک ساختار سوزنی شامل ۷۰ تا ۸۰% فريت بينيتی بدون کاربيد و آستنيت باقيمانده ۲۰ تا ۳۰% تغيير می يابد. چنين ساختاری به اصطلاح آسفريت است[۶]. نشان داده شده است که چنين ساختار زمينه ای، يک چدن خاکستری با يک ترکيب منحصر بفرد از استحکام، مقاومت سايشی، جذب صدا و يا لرزش و تافنس شکست بالا را توليد می کند[۶و۷].

يک عمليات حرارتی معمولی آستمپرينگ چدن خاکستری، آستنيته کردن در دمای ۸۴۰–۹۰۰º C برای چند ساعت بر اساس ترکيب و ضخامت ريختگی و آستمپر کردن در ۲۳۰–۴۲۵º C است[۶و۷].
در حالی که اين برنامه زمانی عمليات حرارتی تولید چدن خاکستری با يک محدوده عالی از خواص ، به انرژی قابل ملاحظه و فضای توليد نياز دارد و ممکن است باعث آلودگی محيطی بعلاوه

اکسيداسيون و ترک در اجزا شود. اين مشکلات ، توليد گسترده چدن خاکستری آستمپر شده را محدود کرده اند، بنابراين تحقيق بر روی گسترش چدن خاکستری آسفريتی را بوسيله ريخته گری مستقيم وادار می کنند[۵]. کار حاضر قصد دارد نشان دهد که چگونه تغييرات سيستماتيک در اضافه کردن آلياژی به يک چدن خاکستری معمولی در طی ريخته گری می تواند يک آلياژ با ميکروساختار فريت بينيتی-آستنيتی (آسفريتی) با خواص مکانيکی قابل مقايسه با چدن خاکستری آستمپر شده را توليد کند.

جدول(۱): ترکيب و خواص مکانيکی کلاسهای مختلف چدن خاکستری

Class Total carbon (wt.%) Total silicon (wt.%) Tensile strength (MPa) Transverse load on test bar (kg f) Hardness (HB)
20 3.40–۳٫۶۰ ۲٫۳۰–۲٫۵۰ ۱۵۲ ۸۳۹ ۵۶

۲۵ – – ۱۷۹ ۹۸۷ ۱۷۴
۳۰ ۳٫۱۰–۳٫۳۰ ۲٫۱۰–۲٫۳۰ ۲۱۴ ۱۱۴۵ ۲۱۰
۳۵ – – ۲۵۲ ۱۲۹۳ ۲۱۲

۲- تجربی
۲-۱- مواد و روش ريخته گری
هدف اصلی از کار حاضر تعيين تاثير عناصر آلياژی کليدی بر توسعه ميکروساختاری چدن خاکستری و اثرآن بر خواص مکانيکی بود. آزمايشات ريخته گری با استفاده از يک ترکيب آلياژی اصلی حاصله از آميژانها (جدول۲) و بوسيله تغيير سيستماتيک عناصر آلياژی که عمده آنها : Mo, Mn, Si, Cu بود، انجام گرفت. ترکيب اصلی نشان داده شده در جدول۲ مربوط به آلياژ کلاس ۳۵ (جدول۱) است. جدول۲ همجنين نشان می دهد که چگونه Mo, Mn, Si, Cu بطور سيستماتيک از اين ترکيب اصلی تغيير می يابند.

چدن خاکستری اصلی در يک کوره القائی در دمای ۱۵۰۰º C ذوب شد که آميژانها به مذاب برای توليد ترکيب مطلوب، اضافه شدند. از طريق ترکيب کردن در دمای ۱۴۸۰-۱۵۲۰º C ، يک قسمت از مذاب با ترکيب مورد نياز با يک ملاقه ريخته شد که با ۵/۰ درصد وزنی از آلياژ ۷۵Si–۲۵Fe تلقيح شد. برای نمونه های متالوگرافی، قالبهای ساخته شده از ماسه سيليکای خشک مخلوط با رزين به همراه فالبهايی برای نمونه های تست مکانيکی توليد شده با سيليکای خشک اما مخلوط با

خاک رس و با يک رنگ گرافيتی با زمینه آب، رنگ شد. هر دو نوع قالب با همان مشخصات سرد کردن در طی ريخته گری بعلاوه همان ميکروساختار توليد شد[۹]. دمای ريختگری ۱۳۸۰-۱۴۲۰º C بود. در ادامه ريخته گری، همه فالبهای نمونه ها در هوا با دمای اتاق، خنک شدند.

۲-۲- متالوگرافی و خواص مکانيکی
ميلگردهای استوانه ای با ۱۲۰ mm× ۳۰mm Ø و ۳۵۰mm×۳۰mm Ø برای آزمايش متالوگرافی و تست مکانيکی ، به ترتيب، با استفاده دومی برای تعيين تنش شکست متقاطع و تست ضربه شارپی ريخته گری شدند[۹]. نمونه ها برای تعيين تنش کششی نهايی (UTS) از نيمه پايين از هر نمونه شکسته متقاطع، ماشينکاری شدند. برای يک ترکيب مفروض، سه نمونه ريخته گری شدند و ميکروساختار خواص مکانيکی تعيين شدند. با ادامه گرفتن ريخته گری، نمونه ها برای متالوگرافی نوری عمود بر محور طولی ميلگردهای استوانه ای قرار گرفتند و با دنبال کردن خواص مکانيکی،

سطوح شکست با استفاده از ميکروسکوپ الکترونی Hitachi S4500 مورد آزمايش قرار گرفتند. اندازه گيری های کسر حجمی از ميکرو اجزای زمينه (فريت، پرليت، آسفريت، مارتنزيت و گرافيت) با استفاده از Adobe Photoshop 6.0 به همراه ميکروسکوپ نوری Nikon Epiphot 200 با camera DXM 1200 Nikon digital انجام گرفت. برای هر نمونه، شش مورد اتفاقی با بزرگنمايی ۱۰۰ با کسر حجمی از ميکرو اجزای تعيين شده بوسيله متالوگرافی کمی، مورد تحليل قرار گرفتند.
جدول(۲): محدوده آلياژهای مورد استفاده در اين کار(درصد وزنی)

Cu Si Mn Mo C
عنصر
<0.005 1.41 0.55 <0.005 3.2 ترکيب آلياژ اصلی
۰٫۳۲, ۰٫۵۳Mo 1.0Cu 1.0Cu 1.0Cu ترکيب آلياژهای کنترلی
۰٫۵۵Mn 0.32Mo 0.32Mo 0.55Mn
2.0Si 1.05Mn 1.80Si 2.0Si
0.78-1.79 1.41-2.32 0.68-2.34 0.11-1.17

ترکيب آلياژی اصلی در رديف۲ آمده است و آلياژهای کنترلی در رديف۳ آمده است و عناصر آلياژی در اين آلياژهای کنترلی بصورت رديف۶ تغيير می يابد.
۳- نتايج و بحث
۳-۱-تاثير عناصر آلياژی بر توسعه ميکروساختاری
۳-۱-۱- موليبدن(Mo)

برای يک ترکيب اصلی ثابت Fe–۳٫۲C–۱٫۰Cu–۰٫۵۵Mn–۲٫۰Si ، موليبدن به مذاب در محدوده x = 0.11–۱٫۱۷ (wt.%) اضافه شد. تاثير موليبدن بر توسعه ميکروساختاری در جدول۳ و شکل۱- الف نشان داده شده است که آن می تواند در بزرگتر از ۰٫۶۲%Mo ديده شود که يک زمينه

ميکروساختار ۱۰۰% آسفريت بدون تغيير در شکل گرافيت را توليد کند. ميکروگرافهای SEM و نوری آلياژ شامل ۰٫۶۲%Mo در شکل۲ با نشان دادن توزيع يکنواخت نوع گرافيت ورقه ای E (شکل۲-الف) در يک زمينه و (شکل۲-ب) آمده است. برای مقادير کم Mo ، پرليت به شکل لايه ای شبيه به پرليت در فولاد توليد می شود در حالی که برای مقادير بالاتر Mo ، آسفريت بصورت توزيع سوزنی فريت در زمينه آستنيت توليد می شود. مقدار Mo بيش از ۰٫۹۵% برای توليد کاربيد موليبدن در مرزهای سلول يوتکتيکی معلوم شد.

۳-۱-۲- منگنز و سيليسيم
۳-۱-۲-۱- Fe–۳٫۲C–۱٫۰Cu–yMn–zSi. : آزمايشات ريخته گری محدود بر روی آلياژ بدون موليبدن بوسيله افزايش Mn و Si تا ۲٫۷۵ و ۲٫۹% ،به ترتيب، انجام گرفت[۹]. در غياب Mo ، آسفريت در طی ريخته گری توليد نشد و يک ساختار پرليتی با کسر حجمی کم از مارتنزيت توليد شد.
۳-۱-۲-۲- Fe–۳٫۲C–۱٫۰Cu–۰٫۳۲Mo–yMn–zSi. : برای اين آلياژ، اثر Mn و Si در محدوده ۰٫۶۸-۲٫۳۴ و ۱٫۴۱-۲٫۳۲% ، به ترتيب، بر تشکيل ميکروساختار آسفريت در جدول۴ با اثر ترکيب بر ميکروساختار در شکل۳ نشان داده شده است. نتايج نشان می دهد که با حضور ۰٫۳۲%Mo ، هم Mn و هم Si تشکيل آسفريت را تقويت می کنند و مقادير Mn و Si بيشتر از ۱٫۰۲ و ۱٫۴۱% ، به ترتيب، برای توليد زمينه ميکروساختار شامل ۹۵% آسفريت و تقريبا” ۵% مارتنزيت لازم است. شکل۴

ميکروساختار ريختگی چدن خاکستری شامل ۱٫۲۵%Mo و ۲٫۰%Si را با نشان دادن ۹۵% آسفريت و تقريبا” ۵% مارتنزيت (ناحيه خاکستری سياه در منطقه مرکزی شکل۴) و بدون گرافيت ورقه ای E را ارائه می دهد.که آن شبيه ناحيه های مارتنزيت است چنانچه در شکل۴ نشان داده شده، يک نتيجه از جدايش در آلياژ ريختگی است بنابراين ناحيه های اشباع برای تبديل به فريت بينيتی در طی سرد کردن ناتوان هستند اما به مارتنزيت تجزيه می شوند. برای يک مقدار Si مفروض (۱٫۴۱-۲٫۳۲%) ، مقادير Mn بزرگتر از ۱٫۵۲% ، بينيت کمتری، مارتنزيت و مقداری آستنيت توليد شد(جدول۴).

شکل(۱) : تاثير Mo بر Fe–۳٫۲C–۱٫۰Cu–۰٫۵۵Mn–۱٫۸Si ( a : ارائه فازها در ميکروساختار b,c : خواص مکانيکی)
دول(۳) : اثر Mo بر ميکروساختار ريختگی xMo–۰٫۵۵Mn–۲٫۰Si Fe–۳٫۲C–۱٫۰Cu–

گرافيت ورقه ای ساختار زمينه (%) Mo%
درصد نوع پرليت بینیت آستنيت
۷٫۵ E 100 0 0 0.11

۸٫۲ E 100 0 0 0.22
7.9 E 94.5 4.7 0.8 0.31
7.5 E 80.2 16 3.8 0.40
6.8 E 28 50.9 21.1 0.51

۶٫۵ E 5 68.2 27.8 0.62
6.7 E 2.3 69 28.7 0.73
6.4 E 0 68.1 31.9 0.95
6.1 E 0 68.7 31.3 1.17

شکل(۲) : a : نوری و b : ميکروگراف SEM از چدن خاکستری ريختگی شامل ۰٫۶۲%Mo با نمايش توزيع گرافيت ورقه ای و زمينه کاملا” آسفريت.

شکل(۳): اثر Mn و Si بر کسر حجمی آسفريت در چدن خاکستری ريختگی(۰٫۳۲%Mo-1.0%Cu)

جدول(۴) : افزودنی های آلياژی و ارائه فازها در نمونه های متالوگرافی از آلياژ Fe–۳٫۲C–۱٫۰Cu–۰٫۳۲Mo–yMn–zSi

مارتنزيت(%) پرليت(%) بینیت(%) آستنيت(%) Si% Mn%
1-2 98 0 0 1.41 0.68
1-2 98 0 0 1.63
1-2 98 0 0 1.85
1-2 98 0 0 2.10
1-2 98 0 0 2.32
1-2 98 0 0 1.41
1-2 98 0 0 1.63
1-2 98 0 0 1.85

۱-۲ ۹۸ ۰ ۰ ۲٫۱۰
۱-۲ ۹۸ ۰ ۰ ۲٫۳۲
۳٫۱ ۷۸ ۱۳٫۱ ۵٫۷ ۱٫۴۱
۴٫۲ ۴۱٫۲ ۴۰٫۰ ۱۴٫۶ ۱٫۶۳
۱٫۸ ۲۷٫۳ ۵۰٫۴ ۲۰٫۵ ۱٫۸۵
۲٫۳ ۱۵٫۸ ۶۱٫۶ ۲۰٫۳ ۲٫۱۰
۱٫۵ ۸٫۷ ۶۸٫۷ ۲۱٫۱ ۲٫۳۲
۵٫۵ ۶۱٫۳ ۲۳٫۰ ۱۰٫۲ ۱٫۴۱
۴٫۹ ۷٫۵ ۶۵٫۴ ۲۲٫۲ ۱٫۶۳
۴٫۳ ۵٫۶ ۶۸٫۰ ۲۲٫۱ ۱٫۸۵
۴٫۲ ۴٫۸ ۶۸٫۴ ۲۲٫۶ ۲٫۱۰
۵٫۴ ۱٫۷ ۶۹٫۹ ۲۳٫۰ ۲٫۳۲
۲۲٫۸ ۰ ۵۰٫۲ ۱۷٫۰ ۱٫۴۱

۳۳٫۵ ۰ ۵۰٫۵ ۱۶٫۵ ۱٫۶۳
۳۴٫۴ ۰ ۵۵٫۶ ۱۰٫۰ ۱٫۸۵
۳۴٫۲ ۰ ۵۶٫۴ ۹٫۴ ۲٫۱۰
۲۲٫۳ ۰ ۵۷٫۲ ۹٫۵ ۲٫۳۲
۹۳٫۳ ۰ ۰ ۶٫۷ ۲٫۱۰
۹۲٫۶ ۰ ۰ ۷٫۴ ۲٫۳۲

همه آلياژها شامل گرافيت ورقه ایE هستند.

شکل(۴) : ميکروگراف نوری با نمايش ميکروساختار آسفريت در Fe–۰٫۳۲Mo–۱٫۰Cu–۱٫۲۵Mn–۲٫۰Si با نشان دادن ناحيه مارتنزيتی(قسمت مشکی).
۳-۱-۳- مس
برای يک ترکيب اصلی ثابتFe–۳٫۲C–۰٫۵۵Mn–۲٫۰Si ، موليبدن به مذاب با غلظت ۰٫۳۲ و ۰٫۵۳% اضافه شد و سپس به همراه Cu در محدوده ۰٫۷۸-۱٫۷۹% تغيير يافت. تاثير Cu بر توسعه ميکروساختار در جدول۵ داده شده است. واضح است که يک مقدار کم Mo (0.32%) ، آسفريت را توليد نمی کند در حالی که ۰٫۵۳%Mo برای توليد افزايشی کسر حجمی از آسفريت(۰-۹۵٫۹%) با افزايش مقدار Cu کافی است. اين گرايش ها عموما” شبيه به ديگر عناصر آلياژی هستند.