چکيده:

آستمپرکردن، چدن داکتيل را به يک ماده عالي بهبود مي بخشد که ابن ماده داراي خواص جالبي مانند استحکام بالا ،داکتيليته و چقرمگي ،آميخته با پوششي مقاوم وقابليت ماشينکاري مي باشد .همه اين خواص را ميتوان با عمليات حرارتي کافي بدست آورد ،که حاصل آن ميکرو ساختاري مطلوب بايک ترکيب شيميائي معين است. دراين مقاله نتايج آستمپرکردن آلياژي با45/0 درصد مس براي يک محدوده زماني ودمايي گزارش وبررسي شد.درتمامي عمليات ريز ساختار ومقطع شکست با وسائلي نظيرميکروسکوپ نوري والکتروني وپراش اشعه ايکس تعين گرديد.اينها استحکام را نشان مي دهند،افزايش طول وانرژي شکست شديدا به مقدار فريت بينيتي و آستنيت باقيمانده وابسته است .
کلمات کليدي :چدن داکتيل ، آستمپرکردن،استحکام،انرژي شکست،شکست

مقدمه:

بسياري کاربردهاي آستمپر گزارش مي شود .دليل اين پيشنهاد يک ترکيبي ازاستحکام بالا وچقرمگي وپوشش مقاوم با قيمت پايين است.خواص مکانيکي ADIوابسته به ساختار آستمپر شده است.هر کدام به نوبه خود تابعي از زمان ودماي آستمپرهستند.اغلب تحقيقات جديد متمرکز شده اند به اثر عناصر آلياژي وتاثير آن بر ريز ساختار وخواص آن و واکنش آن درADI.بعنوان مثال عنصر آلياژي مس ،منطقه آستنيت را در دياگرام فازي عريض مي کند ،دراين ميان افزايش سرعت دگرگوني در مراحل آستمپرودر صد کربن در زمينه موثرهستند.از طرف ديگر در طي مراحل بعدي آستمپر،مس شايد از تشکيل کاربيد جلو گيري کند.هدف ازاين تحقيق ومطالعه اثر متغيرهاي آستمپر(دما وزمان) برريز ساختار وخواص مکانيکي چدن داکتيل آلياژشده با مس است.

آزمايشات:

نمونه هاي گوه اي چدن داکتيل با ترکيب شيميايC%6/3،Si%5/2،Cr%04/0،Cu%45/0،P%014/0،S%014/0،Mg%066/0در کوره هاي القايي ريختگي توليد گرديد .مذاب در حدودCo1420داخل قالبهاي ماسه اي Y blockبا استانداردmm5/24 سالم ومطمئن ريخته گري شد.نمونه کشش ،قطرmm6وطولmm30ونمونه هاي شارپيmm (10×10×55)بدون شکاف ازY block گرفته شد.نمونه ها دريک اتمسفر محافظ آرگون درCo 900 بمدت 2 ساعت آستنيته مي شوند.
بسرعت به يک حمام نمک مذاب در دماهايCo (300و350و400)منتقل مي شوند به مدت (1و2و3و4)ساعت آستمپرمي شوند،سپس در هوا خنک مي شوند.نمونه استاندارد متالوگرافي بدين صورت(ماشينکاري،پوليش واچ با محلول نايتال)آماده مي گردند،پيش از انکه براي آزمايشات ميکروسکوپ نوري بکار ميروند.يک Leitzميکروسکوپ متالوگرافي براي تشخيص ريز ساختارها استفاده مي شود. ميکروسکوپ نوري مجهز به نرم افزار Vidasکاربرد آن براي اندازه گيري وتوزيع گرافيت کروي و کسري از حجم آستنيت باقيمانده.تغيير کسري از حجم آستنيت باقيمانده در طول آستمپرکردن بوسيله پراش اشعه ايکس با استفاده از يک پراش سنجي که با نيکل فيلتر شده وپرتو افکن Cukزيمنس500D- تعين شد.تست کشش نمونه هاي آستمپرشده دريک ماشين هيدروليکKN50با سرعت ثابت mm/min10انجام شد.2/0درصد تنش تسليم درتنش کشش نهاي (UTS)وافزايش طول در اندازه شکست.نمونه هاي شارپي آستمپرشدهدر دماي اتاق حداقل در3نمونه موردآزمايش قرار گرفتند،سطح شکست با يک ميکروسکوپ الکتروني بررسي شد

ريز ساختار:

مرفولوژي گرافيتهاي کروي در ريزساختار ريختگي چدن داکتيل در شکل(a,b1)نشان داده شده.کاملا کروي با تعداد80تا 90گرافيت کروي درmm2،کمتر از %90کروي شدن داريم ميانگين اندازه گرافيتها µm17است. ريز ساختار چدن داکتيل بالاي%80 پرليت است. ريز ساختارADIنشان داده شده در شکل (a-d2)نمونه هاي آستمپر شده در Co300به مدت 1ساعت که شامل فريت بينيتي و آستنيت باقيمانده ومقدار کمي مارتنزيت است(شکلa2).سپس زمان آستمپررا به 2ساعت افزايش داديم ، مارتنزيت از ريز ساختارمحو مي گردد.نمونه هاي آستمپر شده در Co300نوعي بينيت پاييني با پيدايش يک ريز ساختار فريت بينيتي سوزني نشان مي دهد، فريت بينيتي سوزني درزمينه اي از آستنيت باقيمانده ظاهرمي شود(مقدار آستنيت باقيمانده با ميانگين 25تا15درصد حجمي).اين ريز ساختاربعداز آستمپرکردن در دماي Co350نيز حاضر است(شکلc2).حاصل آستمپردر دماي بالا فريت بينيتي بشقابي شکل و آستنيت باقيمانده زيادتري است (شکلd2).

شکل1.LM ريز ساختارنمونه ريختگي(a)قبل از اچ (b)اچ شده
اين ريز ساختار بعد از آستمپرکردن در مدت زمان طولاني ترمشاهده شد، مارتنزيت محوشد وساختار تنها فريت بينيتي آستنيت باقيمانده بود .اين توضيح شايد در مورد تشکيل مارتنزيت درمدت زمان کوتاه آستمپردرست باشد،که علت آن کم بودن کربن که آستنيت ناپايدار مي شود،وازاين رو به سوي مارتنزيت تغييرمي کند.رفتار ريز ساختار آستمپرشده در مدت زمان طولاني تر بعلت وجود کربن کافي آستنيت باقيمانده داريم حتي پس از آنکه درهوا سرد شد.

شکل2.LM ريز ساختار بعداز آستمپرکردن براي1ساعت در(a) Co300وبراي 2ساعت
(b) Co300 (c) Co350 و(d) Co400 مارتنزيت
زمان ودما استحاله ايزوترمال در طي عمليات آستمپرکردن تاثير محسوسي در مقدار نسبي آستنيت باقيمانده دارد(شکل3).

طبق منحني شکل 3 دو مرحله پيچيده درشکل استحاله ايزو ترمال آشکار شده ،در مرحله 1(زمانها کمتر از 2) مقدار آستنيت باقيمانده با افزايش زمان مي گردد .شايداين توضيحي براي استحاله ناقص بينيتي باشد. مناطق آستنيتي داراي غلظت پائين Siوبالاي کربن،e.gدرميان گرافيتهاي کروي،استحاله تبديل آستنيت به فريت بينيتي درمدت زمان کوتاه آستمپر کردن انجام پذير نيست ومارتنزيت آشکار مي گردد.سرد شدن هم نمي تواند مطابق آستمپردردماي اتاق جلو گيري کند.با قدري افزايش زمان آستمپر کردن مقدارآستنيته باقيمانده افزايش مي يابد ودر مدت 2 ساعت به بيشترين مقدار خود مي رسد.رفتار،بعد از 2ساعت مقدار آستنيت باقيمانده کاهش مي يابد،که اين مشخص مرحله 2 درواکنش آستمپر کردن است سپس آستنيت باقيمانده به فريت بينيتي و کاربيد تجزيه مي شود.اين کاهش در دماي Co 400 مشخص تر است وتجزيه آستنيت به فريت وکاربيد.

شکست شناسي:

سطح شکست درنمونه آزمايش ضربه براي 1ساعت درCo300 آستمپرشده شکستي کاملا ترد نشان مي دهد.مقطع شکست نمونه هاي آزمايش ضربه که دردماي Co (300و350و450 ) براي مدت 2ساعت آستمپرشده در Co300يک زمينه نرم و شکست ترد نشان مي دهد.i,e گودي وشکاف شکست پديدار شده درشکل(b4).تنها در نمونه که در Co350 آستمپر شده شکست نرم بطور کامل معلوم شد(شکلc4)بطورکلي شکست درCo400شکست ترد است.

اثر متغيرها آستمپر بر خواص مکانيکي:

تغييرات2/0%تنش تسليم ،افزايش طول،انرژي شکست نسبت به زمان و درجه حرارتCo(400و300و350) آستمپر کردن در شکل(a-c5)نشان داده شده،استحکام به طور کلي پايدار است.اگر مقدار افزايش بعد از 3 ساعت آستمپر کردن درCo300و350 پديدار شده است(a,b5).

شکل4.تصاوير ميکروسکوپ الکتروني ازآزمايش ضربه نمونه هاي آستمپرشده براي1ساعت در Co300(a)و آستمپرشده براي2ساعت در(b) Co300(c) Co350و(d) Co400
کم بودن مقدار افزايش طول وانرژي شکست به زمان کوتاه آستمپر کردن وابسته است،که علت شکست ترد وجود مارتنزيت در ساختار است.بر خلاف در زمانهاي طولاني ،مارتنزيت از ساختار ناپديد مي گردد،چون مقدار فريت بينيتي وآستنيت باقيمانده افزايش مي يابد،درنتيجه بيشترين مقدارافزايش طول وانرژي شکست را بعد از 2 ساعت آستمپرمي دهد،با افزايش بيشتر زمان،کاهش افزايش طول وانرژي شکست رخ مي دهد.اين کاهش مخصوصادرCo400ظاهرمي گردد.کاهش مقدار افزايش طول وانرژي شکست به کاهش مقدارآستنيت باقيماندهدر مدت زمان طولاني تر آستمپر مربوط مي شود.تغيرات2/0درصدتنش تسليم،,UTSافزايش طول،انرژي شکست بعد از 2ساعت آستمپر در دماهاي مختلف در شکل( a-b6)نشان داده شده.استحکام بالا در دماي پائين آستمپر(شکلa6)وابسته به پيدايش فريت بينيتي سوزني با مقداري مارتنزيت وآستنيت باقيمانده،ساختارظريف فريت بشقابي ومقدار کم آستنيت باقيمانده به استحکام بالا کمک مي کند.هچنين نبايد از ديگر پارامترها غافل شد.

چدن نشکن آستمپر شده

چدنهاي نشكن آستمپرشده ADI ( Astempered Ductile Iron) خانواده جديدي از چدنهاي نشكن هستند كه در صنعت امروز از جايگاه ويژه‌اي برخوردارند نياز روزافزون به قطعات با استحكام بالا همراه با انعطاف‌پذيري خوب باعث رشد سريع اين چدنها در دهه 1980 ميلادي گشت. بطوريكه اين دهه در صنايع ريخته‌گري جهان به دهه آستمپر مشهور شده است. در گذشته براي قطعات با استحكام و انعطاف‌پذيري بالا، عموماً از فولادهاي كم آلياژي و يا فولاد‌هاي فورج و عمليات حرارتي شده استفاده مي شد. اما از آنجا كه صنعت فولادريزي و آهنگري اصولاً مشكل‌تر از ريخته‌گري چدنها مي‌باشد، سعي بر آن است كه چدنهاي آستمپرشده جايگزين آنها شده و به اين ترتيب از مشكلات توليد آنها كاسته و سرعت توليد را نيز افزايش دهند.
ساختار اصلي زمينه چدنهاي آستمپرشده، بينايت مي باشد. اين زمينه توسط افزودن عناصر آلياژي مثل نيكل و موليبدن به ترکيب چدن هاي داکتيل و انجام عمليات حرارتي آستمپرينگ ( حرارت دادن تا دماي آستنيت و سپس نگهداري در دماهاي تشکيل بينايت) حاصل مي گردد. در شکل هاي زير تفاوت ساختار چدن داکتيل آستمپر نشده و آستمپر شده را مشاهده مي کنيد.

چدن نشکن پس از ريخته گري.

گرافيت هاي کروي در زمينه پرليتي(قسمت هاي سياه) و فريتي( مناطق سفيد). اچ شده با نتال 2 درصد.
در بزرگنمايي بالاتر


چدن نشکن آستمپر شده
) توسط عمليات حرارتي، آستنيت شده در دماي 950 درجه و تمپر شده در دماي 350 درجه بمدت 64 دقيقه(
در بزرگنمايي بالاتر
بايد توجه داشت كه با تغيير پارامترهاي مختلف عمليات حرارتي از جمله دما و زمان آستينيته و همچنين دما و زمان آستمپرينگ، مي‌توان به ساختارهاي با درصدهاي مختلف از فريت، آستنيت باقي مانده، كاربيد و مارتنزيت در زمينه دست يافت. وجود فريت و آستنيت باعث استحكام اين نوع چدنها در برابر ضربه خواهد شد و وجود كاربيد و مارتنزيت در زمينه نيز افزايش سختي را حاصل مي‌نمايد. در شکل هاي زير برخي از کاربردهاي چدن داکتيل آستمپرشده را مشاهده مي کنيد.

ماشين اسپرت TVR ، شش دنده با ميل لنگ از جنس چدن داکتيل آستمپرشده

ميل لنگ ماشين اسپورت TVR از جنس چدن نشکن آستمپرشده

محور تعليق ماشين کبراي موستنگ فوردFord Mustang Cobra از جنس چدن داکتيل آستمپرشده

محور تعليق کاميون تريلي از جنس چدن داکتيل آستمپرشده
منابع:
1- http://www.cloob.com
2-مجموعه مقاله‌هاي شانزدهمين سمينار سالانه جامعه ريخته‌گران ايران ناشرانتشارات جامعه ريخته گران ايران
3-http://iran-eng.com
/خ