پایان نامه تاثیر منگنز بر منحنی های سردشدن، ریزساختار و خواص مکانیکی چدن خاکستری
چكيده:
با توجه به كار برد وسيع چدنهاي خاکستری در صنايع كه مي تواند جايگزين مناسبي براي برخي از فولادها باشد لذا اهميت اين موضوع سبب گرديده كه در اين زمينه تحقيقات فراواني صورت گيرد.
منگنز از عناصر آلیاژی اصلی در ساختار چدن می باشد. نقش اصلی منگنز در ترکیب چدن خنثی کردن اثرات مخرب گوگرد می باشد. منگنز با گوگرد ترکیب شده و سولفید منگنز تولید که به مقیاس زیادی وارد سرباره می شود.
در اين تحقيق تأثير درصدهاي مختلف منگنز (445/0 تا 092/1 درصد) بر منحنيهاي سرد شدن، ريز ساختار و خواص چدن خاکستري بررسي شده است. نتايج نشان ميدهندکه در چدني با کربن معال 8/3 درصد و مقدار متوسط گوگرد 047/0 درصد با افزايش درصد منگنز تا 661/0 درصد دماي يوتکتيک افزايش مييابد و با افزايش بيشتر درصد منگنز دماي يوتکتيک کاهش مييابد ولي دماي يوتکتوئيد با افزايش درصد منگنز همواره کاهش مييابد. همچنين افزايش درصد منگنز تا 661/0 درصد سبب افزايش درصد حجمي گرافيتها و درصد گرافيتهاي نوع A شده و با افزايش بيشتر درصد منگنز موارد مذکور کاهش مييابند. همچنين با افزايش درصد منگنز طول لايههاي گرافيت کاهش يافته ولي ضخامت آنها تغيير محسوسي نميکند و با افزايش درصد منگنز تا 760/0 درصد تعداد سلولهاي يوتکتيک بر واحد سطح افزايش مييابد. تغييرات درصد منگنز تأثيري بر فاصله بازوهاي دندريتي ندارد ولي با افزايش درصد اين عنصر ميزان پرليت در ساختار چدن خاکستري افزايش مييابد. عمق تبريد با افزايش درصد منگنز تا 661/0 درصد کاهش و دانسيته چدن با افزايش درصد اين عنصر همواره کاهش مييابد. نتايج آزمايشات کشش و سختي سنجي روي نمونههاي چدني نشان داد که افزايش درصد منگنز سبب افزايش سختي، استحکام تسليم، استحکام نهايي و مدول کشساني چدن شده و نسبت استحکام به سختي را کاهش ميدهد.
مقدمه:
منگنز از عناصر آلياژي اصلي در ساختار چدن ميباشد. نقش اصلي منگنز در ترکيب چدن خنثي کردن اثرات مخرب گوگرد ميباشد. منگنز با گوگرد ترکيب شده و سولفيد منگنز توليد که به مقياس زيادي وارد سرباره ميشود. حداقل ميزان منگنز لازم جهت خنثي کردن اثر گوگرد از رابطه زير به دست ميآيد]1[. % Mn = 1.7%S + 0.3
(1)
عليرغم اينکه منگنز به تنهايي در چدن اثر کاربيدزايي دارد ولي به دليل اينکه گوگرد را که يک عامل کاربيدزاي قوي ميباشد از ترکيب چدن خارج ميکند در مجموع نقش گرافيتزايي دارد. جهت پرليتي کردن ساختار چدن خاکستري درصد منگنز مورد نياز از رابطه زير به دست ميآيد. ]1[. % Mn = 3%S + 0.35
(2)
هدف
در صورتي که درصد منگنز بيش از مقدار فوق باشد تمايل به سفيد شدن چدن خاکستري افزايش پيدا ميکند. در چدنهاي خاکستري غيرآلياژي بسته به ترکيب شيميايي و خواص مودر نظر درصد منگنز در حد 2/0 تا يک درصد ميباشد ]2[. تاثير منگنز بر خواص چدن خاکستري متاثر از درصد گوگرد مذاب ميباشد. در صورتيکه درصد منگنز در توازن با درصد گوگرد باشد.
ضمن ايجاد ريز ساختار مطلوب و کاهش عمق تبريد، خواص کششي چدن خاکتسري نيز بهبود مييابد ]6،5،4،3[. هدف از تحقيق حاضر بررسي تاثير درصدهاي مختلف منگنز (0/445 تا 092/1 درصد) بر منحنيهاي سرد شدن، ريز ساختار، عمق تبريد، سختي و خواص کششي چدن خاکستري با کربن معادل 8/3 و مقدار متوسط گوگرد 047/0 درصد ميباشد.
اندازه گرافيت ورقه اي مي تواند روي خواص مكانيكي تأثير بگذارد. اندازه گرافيت ها به دو پارامتر بستگي دارد:
- آهنگ سرد شدن يا اندازه سطح مقطع. چون مقاطع نازك سريع سرد مي شوند، تعداد بيشتري گرافيت ورقه اي خواهند داشت.
- جوانه زني با آلياژ سيليسيم، افزايش تعداد گرافيت ورقه اي و كاهش تمايل به تبريدي بودن مخصوصاً در مقاطع نازك را باعث مي شود. افزايش مقدار جوانه زا باعث افزايش تعداد گرافيتهاي ورقه اي مي شود.
در حين ريخته گري اين نوع چدن مي توان به ساختار زمينه فريت، پرليت، مخلوط فريت و پرليت، آستنيت، بينايت و مار تنزيت دست يافت. چدنهاي خاكستري پرليني استحكام بالايي دارند ولي چقرمگي آنها كمتر است. چدنهاي خاكستري فريتي – استحكام كمتري دارند ولي ازدياد طول مبني آنها بيشتر و مقاومت به ضربه شان خوب است.
پیشینه تحقیق
در حال حاضر، در تمام كارخانه ها، براي ورقه اي نمودن گرافيتهاي چدن خاكستري از منگنز، استفاده مي گردد. در ضمن عناصر جزئي مانند سريم و عناصر خاكي نادر موجود در آلياژ فروسيليكو منگنز Fe-Si-Mn براي خنثي كردن عناصر جزيي مضرو راندمال بهتر در عمل جوانه زايي، اهميت زيادي دارند.
روش افزودن منگنز به روشهاي مختلف اعم از ساده و پيچيده مي باشد. در انتخاب يكي از روشها براي يك كارگاه معين بايد فاكتور هاي زيادي مورد نظر قرار گيرد و در بين آنها مهمترين فاكتورها با تعيين اولويتها مشخص گردد. فاكتورهاي اصلي به قرار زير مي باشند:
- روش انتخاب شده نبايد با ايجاد نور و دود همراه باشد.
- قيمت تمام شده چدن توليدي بايد حداقل باشد.
- روش نبايد احتياج به سرمايه گذاري زياد در تجهيزات داشته باشد.
- كيفيت چدن توليدي بايد مطلوب باشد.
- روش بايد توانايي ريختن قطعات با وزن هاي مختلف را دارا باشد.
براي توليد چدن خاكستري مرغوب بايد كنترل دقيق به عمل آيد تا مقدار منگنز باقيمانده كم يا زياد نباشد. از آنجائيكه دما و تركيب شيمياي براي بازيابي منگنز موثر ميباشند، فرآيند و مواد مناسب ورقه اي سازي مطلوب، بزرگترين عوامل بالقوه براي تغييرات منگنز باقيمانده مي باشندو
روش کار و تحقیق
مذاب چدن با استفاده از 50درصد برگشتي چدن و 50 درصد قراضه فولاد با ترکيب مندرج در جدول (1) در يک کوره القايي 25 کيلوگرمي و با فرکانس سه کيلو هرتز تهيه شد. سپس با افزودن درصدهاي مختلف کک نفتي با خلوص 60درصد، فروسيليسيم 75درصد و فرو منگنز 75درصد چدنهايي با کربن معادل يکسان (تقريباً 8/3درصد) و حاوي درصدهاي مختلف منگنز (445/0، 661/0، 760/0، 092/1 درصد) تهيه و در تمامي موارد از 3/0 درصد فروسيليسيم به عنوان جوانهزا در پاتيل استفاده شد و ريختهگري نمونهها در دماي بارريزي 1350 درجه سانتيگراد صورت گرفت. ترکيب شيميايي کليه نمونهها در جدول (2) نشان داده شده است.
فصل اول
خواص عمومي چدن هاي خاكستري
1-1 جوانه زايي چدنها با آلياژ سيليسيم
- افزايش تعداد هسته هاي يوتكتيكي
- كاهش تبريدي (كاهش مادون انجماد)
استفاده از مواد جوانه زا براي توليد چدن خاكستري موجب تشكيل مراكز هسته سازي براي رسوب گرافيت مي گردد و با بودن اين مراكز در طول انجماد رسوب گرافيت آسانتر انجام مي گيرد. وجود هسته هاي گرافيت به تعداد كافي يكي ار عوامل مهم براي جلوگيري از پديده مادون انجماد (Undercooking) مي باشد. بدون وجود هسته ها، كاربيدها مي توانند در قطعات تشكيل شوند. وجود كاربيد ها موجب نامرغوبي چدن از ديدگاه قابليت خاكستري بودن و ماشينكاري مي گردد. علاوه بر آن، گرافيتي كه از تجزيه بعدي كاربيد ها به وجود مي آيد، ممكن است داراي شكل نامنظم باشد. چنانچه تلقيح مواد بشكل مناسب انجام پذيرد. معمولاً هسته هاي كافي براي انجام عمليات تشكيل مي گردد. بطور كلي هسته سازي بيشتر كاربيدها در طول انجماد كمتر بوده است. در حقيقت چنانچه بخواهيم قطعات چدن خاكستري مي باشد و با انجام اين كار ساختار در چدن خاكستري ريخته شده، قطعاتي با خواص مكانيكي مناسب خواهيم داشت. اين خواص عبارت است از: استحكام كشش و تسليم، قابليت انعطاف پذيري و مقاومت به ضربه مي باشند.
1-2 انجماد و مكانيزم ورقه اي شدن گرافيت در چدن خاكستري:
در انجماد چدن با گرافيت ورقه اي، يوتكتيك گرافيت و آستنيت تشكيل مي شود. در انجماد، اين يوتكتيك و گرافيت و آستنيت با مذاب در تماس است. رشد دندريت هاي آستنيت و هسته هاي گرافيت ورقه اي تا زماني كه ذوب كاملاً منجمد شود، ادامه خواهد داشت. انجماد يوتكتيك گرافيت در چدن خاكستري نسبت به چدن با گرافيت ورقه اي در دماي بالاتري شروع مي شود. در حين انجماد چدن خاكستري، پوسته اي از آستنيت پيرامون گرافيت ورقه اي تشكيل مي شود. و بهمين علت، فقط فاز آستنيت با مذاب در تماس خواهد بود و چنين انجماد انجمادي را نيويوتكتيك مي نامند هر واحد گرافيت ورقه اي و پوسته آستنيت دور آن را مي توان يك هسته در نظر گرفت كه كربن بايد به داخل اين هسته نفوذ كند تا رشد گرافيت ورقه اي و پوسته آستنيت دور آن را به انجماد چدن خاكستري، با سرعت كمتري انجام مي شود و با شروع انجماد نيويوتكتيك هسته سازي گرافيت ورقه اي به اتمام مي رسد بنابراين تعداد گرافيتهاي ورقه اي در مرحله اول انجماد تعيين مي شود. با ادامه انجماد تا دماي يوتكتيك گرافيتهاي داخل پوسته هاي آستينيتي به رشد خود ادامه خواهند داد.
تعداد و ميزان ورقه اي شدن گرافيتها بر روي خواص چدن خاكستري تأثير بسزايي دارد. وقتي تعداد هسته يا پوسته هاي آستنيت كم باشد، مناطق براي نفوذ كردن به داخل پوسته آستنيت كمتر شده، و نتيجتاً تعداد گرافيت هاي ورقه اي كاهش مي يابد. بسته به فرايند توليد احتمال ايجاد گرافيت ورقه اي يا ورقه اي ناقص و يا سمنتيت وجود دارد.
شكل شماره 1-1 انجماد يوتكتيكي را با منحني خنك شدن بررسي مي كند.
شكل 1-1 منحني انجماد ايده آل واقعي چدن خاكستري ] 40[
فصل دوم
مروري بر منابع
2-1 تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي خاكستري
خواص مكانيكي چدنهاي خاكستري بستگي به مشخصات ريز ساختار آنها دارد. قسمتي از اين ريز ساختار (شكل، اندازه و نحوة توزيع گرافيت) پس از انجماد و يا به عبارتي پس از تغيير حالت يوتكتيك و قسمتي ديگر يعني ساختار زمينه كه نقش عمده را در تعيين خواص مكانيكي چدن خاكستري دارا مي باشد، پس از تغيير حالت يوتكتوئيد شكل مي گيرد ]7-1[ و از نيرو مي توان تأثير عناصر آلياژي بر روي خواص مكانيكي چدنهاي خاكستري را به اثر آنها بر تغيير حالت يوتكتوئيد و منگنزائل سينتيكي آن داراي اهميت زيادي مي باشد.
بررسي تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنها نسبت به فولادها پيچيده تر است. زيرا بر خلاف فولادها كه واكنش فراپايدار «» در آنها واكنش غالب است، در چدنها اين تغيير حالت بوسيلة هر دو واكنش پايدار «»كه منجر به تشكيل فريت و گرافيت مي شود و واكنش فرا پايدار «» كه منجر به تشكيل پرليت مي شود صورت مي پذيرد ]5-1[. بنابراين چون تغيير حالت صورت مي پذيرد، بايد با در نظر گرفتن سينتيك رشدي كه هر دو واكنش را در برداشته باشد مورد بررسي قرار گيرد ]2[.
به دليل طبيعت چند جزيي چدنها، واكنشهاي پايدار و فراپايدار در يك درجه حرارت ثابت انجام نمي شوند. بلكه در يك محدودة دمايي صورت مي پذيرند. محدودة دمايي انجام اين واكنشها بستگي به تركيب شيميائي آستنيت داشته و بوسيلة عناصر آلياژي تحت تأثير قرار مي گيرد. ضمناً محدودة دمايي انجام هر يك از اين دو واكنش مي تواند بر روي هم قرار گيرد. ]7 و 6 و4[.
همانطور كه قبلاً نيز اشاره شد اين واكنشها حالت رقابتي دارند، بطوريكه در خلال سرد كردن آهسته از ميان محدودة دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد، فريت در دماهاي بالاتر تشكيل شده و به رشد خود همراه با رسوب گرافيت ادامه مي دهد. با كاهش بيشتر درجه حرارت و رسيدن به محدودة دمايي تشكيل پرليت، باقيمانده آستنيت به پرليت تبديل مي شود. عامل كنترل كنندة سرعت در هر دو حالت نفوذ اتمهاي كربن در آستنيت است ]14-4[.
شكل 1-2: مقطعي از نمودار تعادلي سه تايي Fe – C – Si با 2 درصد سيليسيم ]7[.
شكل 1-2 مقطعي از نمودار تعادلي سه تايي آهن – كربن – سيليسيم با مقدار ثابت 2 درصد سيليسيم را نشان مي دهد. براساس اين نمودار تغيير حالت يوتكوئيد در يك نمونه چدن خاكستري با تركيب يوتكتيك را مي توان به صورت زير توضيح داد:
بلافاصله پس از كامل شده انجماد چدن خاكستري و درست قبل از رسيدن درجه حرارت به دماي تغيير حالت يوتكتوئيد، ساختار چدن شامل تركيبي از گرافيتهاي ورقه اي در زمينه اي از آستنيت است. ميزان كربن محلول در آستنيت در اين حالت مطابق شكل 1-2 حدود 57/1 درصد مي باد (نقطه E). با ادامه سرد كردن حد حلاليت كربن در آستنيت بطور قابل توجهي كاهش مي يابد، در نتيجه كربن از زمينة آستنيت خارج شده و با مهاجرت اتمهاي كربن از آستنيت به طرف گرافيتهاي ورقه اي، درصد كربن آستنيت كاهش پيدا مي كند. بطوريكه با رسيدن درجه حرارت به محدودة دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد، ميزان كربن محلول در آستنيت به حدود 67/0 درصد مي رسد (نقطه S). تحت اين ظرايط تغيير حالت يوتكتوئيد آستنيت به «فريت + گرافيت» در يك محدودة دمايي بين درجه حرارتهاي صورت مي گيرد ]شكل 1-2[.
2-1-1 تشكيل حلقه هاي فريت در اثر تجزيه آستنيت
با كاهش درجه حرارت از درجه حرارت پايداري آستنيت به زير درجة حرارتي كه در آن تغيير حالت يوتكتوئيد به وقوع مي پيوندد، آستنيت از نظر ترموديناميكي ناپايدار مي شود. در اين حالت واكنش پايدار«»نياز به جوانه زني فريت در فصل مشترك «آستنيت – گرافيت» دارد. جوانه زني و رشد فريت بايستي با پس زدن اتمهاي كربن از حجم استحاله كردة آستنيت همراه باشد، زيرا حلاليت كربن در فريت بمراتب كمتر از آستنيت است. كربن پس زده شده از آستنيت به سمت گرافيتهاي ورقه اي نفوذ مي كند. در حقيقت اين گرافيتها كه قبل از تغيير حالت يوتكتوئيد شكل گرفته اند (گرافيتهاي پرويوتكتوئيد) بعنوان يك نوع بانك كربن عمل مي كنند، بطوريكه اتمهاي كربني را كه در خلال تشكيل فريت از ساختار زمينه پس زده مي شوند، مي پذيرند و اتمهاي كربن لازم را در خلال تشكيل آستينت در حين عمليات آستنيته كردن فراهم مي كنند ]7[.
تشكيل فريت بستگي به سرعت نفوذ كربن در ساختار زمينه دارد. در مرحلة جوانه زني نفوذ در فاز آستنيت صورت مي گيرد در حاليكه به محض تشكيل حلقه هاي فريت پيرامون گرافيتهاي ورقه اي، نفوذ كربن بايستي از ميان حلقه هاي فريت صورت گيرد. در يك درجه حرارت ثابت سرعت نفوذ كربن در فريت حدود 10 برابر سرعت نفوذ كربن در آستنيت است ]7 و 4[ در نتيجه نفوذ كربن در آستنيت عامل كنترل كنندة سرعت مي باشد. سرعت نفوذ كربن در آستنيت با كاهش درجه حرارت بصورت نمائي كاهش مي يابد و بطور كلي با حضور عناصر آلياژي در چدن نيز كاهش پيدا مي كند ]9و4و2و1[.
طرح ارائه شده در شكل 2-2 به درك بهتر مطالبي كه در بالا به آن اشاره شد كمك مي كند ]7[.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.