مقدمه

تاکنون روشهايمتعد دي براي بهبود خواص مکانیکی

چدنهاي نشکن ابداع شده است. بالا بـودن هـمزمـان

استحکام و چقرمگـی در بـسیاري از قطعـات صـنعتی مطلوب است. افزایش همزمان استحکام و چقرمگی در

چدنهاي نشکن را میتوان با ایجاد همزمـان یـک فـاز

سخت (مانند مارتنزیت) و یک فاز نــرم (مانند فریت)

در زمینهي آنهاحقّمق کرد. روشهـایی در دهـهي ۸۰

میلادي براي ایجاد همزمان این دو فاز در زمینهي چدن

نشکن بهکار رفتهاند .[۱] ابتدا ساختارهاي بهدست آمده بسته به چگونگی توزیع فـاز سـخت و نـرم در آنهـا،

چـشم سـخت (Hard Eye) و چـشم نـرم (Soft Eye)

نامیده شدند [۱]ام،ا پس از آن به چدنهاي نـشکن بـا زمینهي دوفـازي (Dual Matrix Structure) تغییـر نـام دادند .[۲] فاز سخت، بسته بـه نـوع عملیـات حرارتـی انجام شده، مـیتوانـد مارتنزیـت یـا بینیـت باشـد، در حالیکه فاز نرم فریت است. گرافیت کروي در ساختار چدن مانند حفره عمل میکند. این حفرههـا بـا اعمـال تنش، بـهدلیـل تغییـر شـکل شـدید فریـت در اطـراف گرافیت، رشد کرده و بهیکدیگر میپیوندنـد و بـه ایـن ترتیب، باعث شکست نهایی چدن نشکن میشوند. بـه همین دلیل با ایجاد یک فاز مستحکم مانند مارتنزیت یا بینیت در نزدیکی ذرات گرافیت که باعث کاهش تغییـر شکل موضعی فاز فریـت در اطـراف آنهـا مـیشـود، خواص مکانیکی چدن نشکن بهبود مییابد .[۳] افـزون بر این، بـا تـشکیل مارتنزیـت بـر روي ذرات گرافیـت تنش فشاري وارد آمده و به این ترتیب، ایجاد تـرك در

آنها به تعویق میافتد .[۴]

تا بهحالمحقّقان زیادي تأثیر عوامـل مختلـف را در چدن نشکن با زمینهي دوفـازي بررسـی کـردهانـد.

تمرکز عمدهي آنها بر روي تأثیر درصـد حجمـی فـاز

سخت بر خواص مکانیکی چـدنهـاي دوفـازي بـوده است .[۵,۶] با توجه به تأثیري که توزیع فاز سـخت در اطراف ذرات کروي گرافیت بر خواص مکانیکی چـدن

نـشکن دارد، چگـونگی ایـن توزیـع در ریزسـاختار از اهمیت بـالایی برخـوردار اسـت .[۷] از طـرف دیگـر،

عناصر آلیاژي تغییرات گستردهاي میتوانند در خـواص

فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی چدن نشکن ایجـاد کننـد.

ایـن تغییـرات ممکـن اسـت در میـزان کـروي شـدن

گرافیت، تعداد ذرات گرافیت، ساختار زمینه و مانند آن

رخ دهند .[۸,۹,۱۰] یکی از علـتهـاي ایـن تـأثیرات، تغییر مکان خطهاي فازي یا مرزهاي نـواحی مختلـف

در نمودارهاي تعادلی فازي، نمودارهاي استحاله- دما-

زمان (TTT) و سرد کردن پیوسته (CCT) اسـت .[۱۱]

بهعنوان مثال، عناصري مانند نیکل و منگنـز بـا کـاهش

دماي اسـتحالهي آسـتنیت بـه فریـت (A1) و پایـداري آستنیت، و با انتقال نمودارهاي TTT و CCT به سـمت راست، سختیپذیري را افزایش میدهند .[۱۲] از طرف دیگر، عناصري ماننـد سیلیـسیم باعـث افـزایش دمـاي استحالهي آستنیت به فریت و تبدیل آن به یـک بـازهي دمایی میشوند. حضور عنـصر فریـتزا باعـث تولیـد زمینهي فریتی و کاهش استحکام چدن نـشکن خواهـد شد [۱۳]ام.ا جدایش مستقیم و یا معکوس این عناصـر نکتهاي بسیار مهم در این زمینـه اسـت، چـرا کـه ایـن تجمع باعث افزایش تأثیر هر یک از آنهـا بـهصـورت موضعی در نقاط معینی از زمینهي چدن نشکن خواهـد شــد ۱۴]و .[۱۵ در حقیقــت عناصــري کــه جــدایش معکوس دارند (مانند نیکل)، در نـواحی اطـراف ذرات کروي گرافیت و عناصري که جـدایش مـستقیم دارنـد

(مانند منگنز)، در نواحی مرزهـاي بـین سـلولی جمـع

میشوند. بنابراین، کاهش و یا افزایش جدایش کـه بـه

عوامل مختلفی از جمله مدول حجمی قطعات ریختگی

بستگی دارد، میتواند ساختار زمینه را بـا کـاهش و یـا افزایش تجمع موضعی عناصر آلیاژي تحت تـأثیر قـرار

دهد .[۱۶] در این پژوهش سعی شده است تا با تغییـر

مدول حجمی قطعات مختلف که سرعتهاي انجماد و توزیع عناصر را در ریزساختار تحت تأثیر قرار میدهد، تغییرات ریزساختاري یک چدن دوفـازي کـه بـا انجـام

نشریه مهندسی متالورژي و مواد ۳۷

عملیات حرارتی بر روي چدن زمینـه فریتـی بـهدسـت میآید، بررسی شود.

روش تحقیق

پس از تهیهي مدلپلّهاي نشان داده شده در شـکل (۱)

و قالبگیري آن در قالب ماسـهاي سیلیـسی، و تهیـهي

مذاب در کورهي القایی با فرکانس متوسط با جـدارهي اسیدي، ذوبریـزي چـدن در دمـاي ۱۴۵۰ C انجـام

گرفـت. عملیـات کـروي سـازي بـا اسـتفاده از آلیـاژ

فروسیلیکومنیزیم ۵ درصـد و بـا روش سـاندویچی، و عملیات تلقیح بهکمـک آلیـاژ فروسیلیـسیم ۷۵ درصـد

بلافاصله پیش از بارریزي انجام شد. ترکیـب شـیمیایی نمونهي پولکی شکل چدنی که با ریختهگري بـهدسـت آمده بود، بهروش اسپکتروفتومتري تعیین شد.

نمونـههـایی از قطعـات ریختـه شـده بـه ابعـاد

۰/۵×۰/۵×۰/۵ ســانتیمتــر بریــده شــدند و عملیــات

تـابکـاري بـراي تبـدیل ریزسـاختار فریتـی- پرلیتـی

آنها به فریتی کامل انجام شد (شکل .[۷] (۲

عملیات حرارتی دوفازي کردن نمونههاي چدن نـشکن

نـیز مطابق با نمودار شکل (۳) انجام شد. بـا توجـه بـه

اینکه زمانهاي لازم براي آستنیته شـدن جزئـی بـسیار کوتاه است (کمتر از ۳۰ ثانیه)، نمونهها ابتـدا در دمـاي

۶۰۰ C مدبهت ۱۰ دقیقه پیشگرم شدند تا در نتیجهي

آن با سرعت بالاتري به دماي آستنیته شـدن (۹۰۰ C)

درحمام آلومینیم مذاب برسند. ازحمام آلومینیم مذاب

بــهدلیــل ضـرورت وقـوع ســریع انتقـال حـرارت در زمانهاي استفاده شد.

شکل ۱ نمایی از مدلپلّهاي قالب گیري شده در این تحقیق (ابعاد به میلی متر هستند)

کوره با محیط هوا (۹۵۰ C)

کوره با محیط هوا (۷۰۰ C)

۱۵ ساعت

۵ ساعت

شکل ۲ نمودار مربوط به عملیات حرارتی تاب کاري براي ایجاد ریزساختار فریتی :F.C) سرد شدن در کوره، :A.C سرد شدن در هوا)

۸۳ اثر تعداد گرافیتهاي کروي در واحد سطح …

آلومینیم مذاب (۹۰۰ C)

کوره با محیط هوا

۱۰ دقیقه در ۶۰۰ C

روغن (۲۵ C)

شکل ۳ نمودارهاي مربوط به عملیات حرارتی دوفازي کردن نمونههايپلّههاي(۵ ضخامت) در این آزمایش

جدول ۱ ترکیب شیمیایی چدن نشکن استفاده شده در این تحقیق

eF C Si Ni Mo Mn Mg S P
.laB 3/32 3/00 0/82 0/28 0/25 0/03 0/014 0/019

نمونههاي متالوگرافی ابتدا سنگ زده شـدند تـا بـهایـن

وسیله اثرات اکسایش و کربن زدایی سـطحی در آنهـا

از بین بروند. سنباده زنـی آنهـا بـهشـکل دسـتی و بـا اسـتفاده از ســنبادههــاي ۶۰ تـا ۱۵۰۰ انجـام شــد. در

مرحلهي بعـدي، سـطوح نمونـههـا بـهوسـیلهي پـودر

آلومینـاي ۳ میکرونـی صـیقلی و سـپس بـا اسـتفاده از محلــول نایتــال ۲ درصــدحکّــاکی شــدند. از روش شمارش نقطـهاي مطـابق بـا اسـتاندارد ASTM-E562

بـراي محاسـبهي درصــدحجمی فازهـاي مختلــف در

ریزساختار نمونهها استفاده شـد. بـا شـمارش حـداقل

۷۲۰۰ نقطه در ریزساختار هر نمونه، خطاي محاسـبهي

درصد حجمی هر فاز در آن به کـمتـر از یـک درصـد کاهش یافت. در پایان، ترکیـب شـیمیایی نمونـههـا در

مناطق بین سـلولی و اطـراف ذرات گرافیـت بـهشـکل

نقطهاي با استفاده از میکروسکپ الکترونی روبشی نوع

Tescan-vega\\XMU با ولتاژ ۲۰ kV مجهـز بـه EDS

(موجود در دانشکدهي مهندسی مـواد دانـشگاه علـم و

صنعت ایران) تعیین شد.

نتایج و تحلیل آنها

ترکیب شیمیایی چـدن مـورد آزمـایش در جـدول (۱)

آمده است. کربن معادل این چـدن مطـابق بـا رابطـهي زیرقریباً،ت با کربن نقطهي یوتکتیک برابر است: