مقدمه

ویژگیهـاي چـدنهـاي نـشکن آستمپـر شـده

(Austempered Ductile Irons, ADIs) از جملــه خواص مکانیکی مطلوب، مقاومت بـه سـایش خـوب،

قابلیت ریختهگري و قیمت مناسب و ماننـد آن، باعـث

استفادهي گسترده ار آنها در صـنایع مختلـف از قبیـل خودروسازي، ساخت تجهیزات نظامی، ساختمانسازي

و نظیر آن شده است .[۱]

براي تولید این چدنها، چدن نشکن ریخته شده مطابق با نمودار ITT در شکل (۱)، آستمپر مـیشـود.

عملیات آستمپر از چهار مرحلهي آسـتنیته کـردن (I)،

کوئنچ کردن تا دماي آستمپـر (II)، نگـهداري در ایـن دما براي تبدیل فاز آستنیت به آسفریت (مخلوط فریت و آستنیت) (III)، و سرد کردن تـا دمـاي محـیط (IV)،

تشکیل شده است . [۲,۳]

مطالعات انجام شده در زمینهي تـشکیل سـاختار آسفریت حین عملیات حرارتی آستمپر نشان میدهنـد که واکنش تشکیل آن دو مرحلـهاي اسـت (شـکل .(۲

مدت زمان نگهداري نمونه در دماي آستمپـر مـیبایـد بــهگونـهاي انتخـاب شـود تـا مرحلـهي اول واکـنش

( γ → γhc + α ) کامـل انجـام شـده و از شـروع مرحلهي دوم واکنش (γhc → α + carbide) جلوگیري بهعمل آید .[۳,۴]
بهبود خواص چدن نشکن پس از مرحلـهي اول واکنش آستمپر، به توزیع یکنواخت فاز فریت سوزنی شکل در زمینهي فاز آستنیت پایدار بـستگی دارد. ایـن در حالی است کـه در مرحلـهي دوم واکـنش، تـشکیل ذرات کاربیدي در فصل مشترك فازهاي زمینـه باعـث ایجاد مسیر آسان براي رشد ترك و کـاهش چـشمگیـر انعطافپذیري آلیاژ میشود .[۵,۶]

سختیپذیري مناسب چدن نشکناولیه، یکـی از

مهمترین عوامل کنترل کننـدهي ریزسـاختار و خـواص

مکانیکی آن است. بهاین دلیل، ترکیب شـیمیایی چـدن

نشکن میبایددقیقـاً انتخـاب شـود. از عناصـر آلیـاژي

افزوده شده به ترکیب شیمیایی چدن نشکن میتوان بـه مولیبدن، منگنز، نیکل، مس و غیره اشـاره کـرد کـه بـا

جلوگیري از وقوع استحالهي آستنیت بـه پرلیـت حـین

سرد کردن از دماي آستنیته کردن تـا دمـاي آستمپـر و نیز، با افزایش فاصلهي زمانی میان دو مرحله از واکنش

تـشکیل آسـفریت، باعــث افـزایش کــارائی عملیـات

آستمپر و سختیپذیري چدن نشکن میشوند .[۷,۸]

جدایش و توزیع غیر یکنواخت عناصـر آلیـاژي،

از جمله مشخصههاي چدن نشکن ریخته شده هـستند.

وقوع این دو پدیده منجر بـهحلالیـت غیـر یکنواخـت کربن در مناطق مختلف زمینـه و سـختیپـذیري متغیـر

ماده و نیز، تغییر سینتیک استحالهي آستمپر در نـواحی مختلف ساختار میشود. ایـن تغییـرات افـت خـواص چدنهاي نشکن آستمپر شده را بهدنبال دارند .[۹,۱۰]
مطالعات داتا و همکاران، [۱]، نشان دادهاند که عناصـر

کرُم، منگنز، مولیبدن و وانادیم جدایش مثبـت داشـته و تمایل به جـدایش در پایـان انجمـاد و در منـاطق بـین
سلولی دارند. این در حالی است که عناصـر سیلیـسیم،

مس و نیکل جدایش منفی داشته و تمایل بـه جـدایش در ابتداي انجماد و در اطراف کرههاي گرافیـت دارنـد.

افزون بر این، بررسیهاي لین و همکاران، [۱۲]، نـشان

دادهاند که جدایش عناصر آلیاژي در چدن نشکن تـأثیر زیادي بر سختی نداردام، ا چقرمگی و ضربهپـذیري آن

را شدبهت تغییر میدهند. بنابراین، براي بهدست آوردن

چدن نشکن با خواص و کارایی مطلوب، کاهش میزان جدایش و یا جلوگیري از وقـوع آن در زمینـه ضـروي است.
تحقیقات نشان دادهاند که همگنسازي در حالت

جامد و بهروشهاي مرسوم تأثیر چنـدانی بـر جـدایش عناصـر آلیـاژي نـدارد .[۱۳,۱۴] عـدم انجـام مطلـوب

همگنسازي در چدنهاي نشکن بهروشهاي متعارف،

انگیزهاي را بـراي انجـام پـژوهش حاضـر در زمینـهي

همگنسـازي چـدن نـشکن بـهوسـیلهي ذوب جزئـی بـــهوجـــود آورد. در ایـــن روش، انتخـــاب دمـــاي

نشریه مهندسی متالورژي و مواد ۴۹

همگنسازي در محدوده دماي خـط انجمـاد (solidus)

منجر به تشکیل حوضچههـاي مـذاب در نـواحی بـین

سلولی در زمینه میشود و این، نفوذ سـریعتـر عناصـر آلیاژي در فاز مذاب نسبت به فاز جامـد و نیـز، امکـان

کاهش میزان جدایش و یا حذف آن در زمینـهي چـدن

نشکن را فراهم میآورد .[۱۵]

روش تحقیق

پس از تهیه و آمادهسازي مواداولیـه، فراینـدهاي ذوب کـردن و آلیاژسـازي چـدن نـشکن در کـورهي القـایی

فرکانس متوسط انجام شدند. فرایند کروي سازي چدن بـهوسـیلهي فروسیلیـسیم- منیـزیم ۴۹%Fe-45%Si-) (6%Mg و بــهروش ســاندویچی در پاتیــل، و عمــل جوانهزایی با استفاده از فروسیلیسیم (۸۰%Fe-20%Si)
آنجام شد. نمونههاي آزمون بـهصـورت بلوکـههـاي Y

شکل درون قالب CO2 ریخته شدند. ترکیـب شـیمیایی نمونهي ریخته شده بهکمک دستگاه کوانتـومتري مـدل

ARL-3460 اندازهگیري شد، و نتیجـهي آن در جـدول

(۱) نشان داده شده است.

براي مطالعهي شرایط همگنسازي بهروش ذوب

جزئی، نمونههایی به ابعاد ۱۰×۱۰×۱۰ mm3 از نـواحی

مختلف درون شمش ریختـه شـده بریـده شـدند و در محدوده دمایی ۱۱۱۰ C تا ۱۱۵۰ C و بـازهي زمـانی
۱۰ تا ۱۸۰ دقیقیه عملیات حرارتی شدند.

براي بررسـی تـأثیر عملیـات همگـنسـازي بـر کارایی عملیات آستمپر، نمونهها در دو حالت همگـن

و همگن نشده آستمپر شدند. عملیات آستمپر شـامل

آستنیته کردن بـهمـدت ۹۰ دقیقیـه در دمـاي ۹۰۰ œC،

کوئنچ کردن درحمام نمک مـذاب بـا دمـاي ۳۷۵ œC،

نگهداري در آن مدبهت ۱۲۰ دقیقه و سرد کردن در هوا تا دماي محیط بود. پـس از هـر مرحلـه از فراینـدهاي همگنسازي و آستمپر، سطح نمونهها مطابق با اصول استاندارد متالوگرافی آمـاده شـده و سـپس بـا محلـول نایتال (۲cc HNO3 + 98cc CH3OH) 2% مدبهت زمـان

۳ تــا ۴ ثانیــهحکّــاکی شــدند. پــس از ایــن مرحلـه، ریزســاختار نمونــههــا بررســی شــدند. مطالعــات ریزســاختاري بــهکمــک میکروســکپهــاي نــوري و الکترونی روبشی (مدل (Philips-XL30 انجام شد.

شکل۱ نمودار ITT و سیکل عملیات حرارتی آستمپر در چدنهاي نشکن .[۱]

۰۵ بررسی تاثیر عملیات حرارتی همگن سازي از طریق..

شکل ۲ تغییرات ریزساختار چدنهاي نشکن بر حسبمدت زمان فرایند آستمپر [۳]

جدول ۱ ترکیب شیمیایی نمونه هاي ریخته شده

etc Cr Ni Cu S P Fe Mg Mn Si C عنصر

۰٫۰۶ ۰٫۰۱ ۰٫۰۳ ۰٫۰۷ ۰٫۰۱ ۰٫۰۳ ۹۳٫۳۴ ۰٫۰۳۶ ۱٫۰۴۵ ۲٫۴۲ ۲٫۹۵ درصد وزنی (wt.%)

براي مطالعهيکمی و کیفی فازها در ریزساختار، از روش تحلیــل فــازي تفــرق اشــعه (XRD) X و
تحلیلگر تصویري اسـتفاده شـد. تحلیـل فـازي XRD

بهوسـیلهي دسـتگاه XPERT و بـا اسـتفاده از پرتـوي

تکرنگ Cu-kα در محدوده دمایی ۲۰ °C تـا ۱۰۰ °C

و با نرخ پیشروي ۰٫۰۵ °C/s انجام شد.

بــهمنظــور ارزیــابی تــأثیر عملیــات حرارتــی

همگــنســازي بــهروش ذوب جزئــی روي خــواص مکانیکی نمونهها، از آزمونهاي کشش و ضربه استفاده

شد. نمونههـاي کـشش مطـابق بـا اسـتاندارد ASTM-A897 تهیه شدند و بـا نـرخ کـرنش ۴ ۱/s تـا ۱۰ ۱/s

کشیده شدند. نمونههاي بدون شیار آزمون ضربه مطابق

با استاندارد ASTM-8375 بـه ابعـاد ۱۰×۱۰×۵۵ mm3

ساخته شدند و آزمون ضربه با استفاده از این نمونـههـا انجام شد. شکستنگاري سطح شکست نمونهها توسط

میکروسکپ الکترونی روبشی مدل XL30 انجام شد.

نتایج و بحث

مطالعهي ریزساختار نمونهي ریخته شـده. در شـکل

(۳)، ریزساختار چدن نـشکن ریختـه شـده نـشان داده شده است. ریزساختار این نمونـهعمـدتاً از کـرههـاي گرافیـت (بـا درصـد کـروي بـودن (۹۰% – ۷ درون

زمینهي فریت + پرلیت تشکیل شده است. دلایل کروي

بودن گرافیت در ریزساختار چدن نشکن ریختـه شـده توسط محققان مختلـف بررسـی شـده اسـت. در ایـن

پژوهش، با توجه به ترکیب شیمیایی چـدن در جـدول

(۱)، میتـوان بـه حـضور عناصـر گرافیـتزا از جملـه

منیزیم و ایجاد بخارهاي ناشی از تبخیر آن در تـشکیل کرههاي گرافیت اشاره کرد .[۱۶]

اختلاف وضوح رنگ در شکل -۳) ب)، توزیـع

نشریه مهندسی متالورژي و مواد ۵۱

غیر یکنواخـت عناصـر آلیـاژي در زمینـه و در نتیجـه،

تفــاوت درحکّــاکی نــواحی مختلــف در ریزســاختار

نمونهي ریخته شده را نشان میدهد.

بررسی ریزساختار نمونهي همگنسازي شده بهروش

ذوب جزئی. مطالعات ریزساختاري انجام شـده عـدم تشکیل فاز مذاب حین همگنسازي در دماي ۱۱۱۰ œC

(شکل-۴ الف تا -۴ پ) و تکمیل نشدن انجماد همدما

در نمونههاي همگن شده در دماي ۱۱۴۰ œC (شکل-۴

چ تا -۴ خ) را نشان دادند. برخلاف نمونههاي همگـن

شده در این محدودههاي دمایی، همگنسازي نمونههـا در دماي ۱۱۳۰ – ۵ œC باعـث تـشکیل حوضـچههـاي مذاب در زمینهي نمونـههـا (شـکل-۴ ت و -۴ ث) و

تکمیل انجماد این حوضچهها در دمـاي همگـنسـازي

(شکل-۴ ج) پس از حدود ۴۵ دقیقه نگهداري در دماي همگنسازي شده است.
تــشکیل حوضــچههــاي فــاز مــذاب حــین

همگنسازي را میتوان بـه تغییـرات دمـاي اسـتحالهي یوتکتیک در زمینهي چدن نشکن ریختـه شـده نـسبت

داد. بهعبارت دیگر، توزیع غیر یکنواخت عناصر آلیاژي

در زمینهي چدن نشکن ریخته شده (بـهدلیـل جـدایش عناصر گرافیتزا نظیـر سیلیـسیم، مـس و ماننـد آن در

نواحی اطـراف کـرههـاي گرافیـت و جـدایش عناصـر

کاربیدزا نظیرکُـرم، منگنـز و ماننـد آن در منـاطق بـین

کرههاي گرافیت) مطابق با رابطهي ۱ موجب کـاهش و افزایش دماي استحالهي یوتکتیک بهترتیـب در نـواحی

بین و اطراف کرههاي گرافیت میشـود. در رابطـهي ۱،

دماي یوتکتیک بر حسب درصد وزنی عناصـر آلیـاژي

بیان شده است :[۱۷]

TE (C) =1148 + 4× %Si + 5×% Cu + 8×%Al + 2×%Mn-4×%Ni (1)

بنابراین، با انتخاب دمـاي همگـنسـازي بـین ایـن دو محدوده دماي استحالهي یوتکتیک، حوضچههاي مذاب

در زمینه تشکیل میشوند.

عــدم تــشکیل حوضــچههــاي فــاز مــذاب در

نمونههاي همگن شده در دماي کـمتـر از ۱۱۲۰ œC را

میتوان بهدلیل پایینتر بودن دماي همگنسازي نـسبت به حداقل دماي استحالهي یوتکتیک در نواحی مختلف

زمینه دانست. افـزون بـر ایـن، تـشکیل فـاز مـذاب در

نمونههاي همگن شده در دمـاي ۱۱۳۰ – ۵œC و بـالاتر را نیز میتوان به بالاتر بودن دماي همگنسازي نـسبت

به حداقل دماي استحالهي یوتکتیک در زمینهي نمونهها

مرتبط دانست.

۱۵۰ʽm 150ʽm ب
۷۵ʽm الفا ۱۵۰ʽm

شکل ۳ ریزساختار نمونهي چدن نشکن ریخته شده؛ (الف ): قبل ازحکّاکی، (ب): بعد ازحکّاکی

۲۵ بررسی تاثیر عملیات حرارتی همگن سازي از طریق..

mʽ۰۵۱ الف ۱۵۰ʽm ب ۱۵۰ʽm پ

L

L

۱۵۰ʽm ت ۱۵۰ʽm ث ۱۵۰ʽm ج

L
L
150ʽm چ ۱۵۰ʽm ح ۱۵۰ʽm خ

شکل۴ ریزساختار نمونههاي همگن شده؛ (الف): ۱۱۱۰ œC/10 min، (ب): ۱۱۱۰ œC/30 min، (پ): ۱۱۱۰ œC/45 min،

(ت): ۱۱۲۰ œC/10 min، (ث): ۱۱۲۰ œC/30 min، (ج): ۱۱۲۰ œC/45 min، (چ): ۱۱۴۰ œC/10 min،

(ح): ۱۱۴۰ œC/30 min، (خ): .۱۱۴۰ œC/60 min حرف L در تصویرهاي این شکل فاز لدبوریت را نشان میدهد.

همگــنســازي در دمـاي ۱۱۳۰ – ۵œC باعــث دیده میشود، افزایشمدت زمـان نگـهداري در دمـاي
قرارگیري نواحی بـین کـرههـاي گرافیـت در دماهـاي ۱۱۳۰ – ۵œC باعث کاهش میزان لدبوریت و یا ناپدیـد
بالاتر از دماي استحالهي یوتکتیک این نـواحی شـده و شدن آن در زمینهي نمونهها شده اسـت، و ایـن پدیـده
در نتیجه، حوضچههاي مـذاب در ایـن نـواحی ایجـاد انجماد حوضچههاي فاز مذاب در دماي همگـنسـازي
میشوند. تشکیل فاز لدبوریت در نواحی بـین گرافیـت (انجماد همدما) را نشان میدهد. با افزایشمدت زمـان
در شکل -۴ ت نشاندهندهي ایجاد فاز مذاب و انجماد نگهداري نمونهها در محدوده دمـاي فـوقالـذکر بـراي
آن حین سریع سرد شدن تا دماي محیط است. همگنسازي (۱۱۳۰ – ۵ œC)، نفوذ عناصر آلیـاژي بـین
همانگونه که در شکلهـاي -۴) ت) تـا -۴ ج) فاز مذاب و فاز جامد اطراف آن موجب تغییـر ترکیـب