مقدمه

چدن نشكن آستمپر (1ADI) گروهي از چدن هاي نشكن هستند كـه جهـت بـه دسـت آوردن ريـز سـاختار اساسـاًبينايتي تحت عمليـات حرارتـيايزوترمـال (آسـتمپرينگ )قـرار مـي گيرنـد. چـدن هـايADI بيشـترين خـواصاستحكامي را در كل خانواده چدن ها دارا هستند. اين خواص اساساً به تركيب شيميايي و شـرايط عمليـات بسـتگيدارد خواص چدن ها در حدي است كه قطعات ساخته شده از اين نوع چدن، تحت شرايطي بـه راحتـي مـي تواننـدجايگزين قطعات ساخته شده از فولادهاي ريختگي، فولادهـ اي آهنگـري شـده، فولادهـاي كـم آليـاژ پـر اسـتحكام(HSLA) و فولادهاي سخت شونده سطحي (Case Hardening) شوند در قطعات با ضخامت بالا تجمع عناصـرآلياژي در يك مكان باعث افزايش اثرات تخريب كننده عناصر آلياژي بر روي خواص مكانيكي مي شود.

ساختار زمينه تيغه هاي فريت غني از كربن (آسفريت )، فريت به همراه كاربايد ، آستنيت غني از كـربن، آسـتينيتتحول نيافته UAV و در مواردي مارتنزيت در مناطق مـرز بـين سـلولي اسـت چـدن ADI بـه راحتـي مـي توانـدجايگزين فولاد ريخته گري شود و همچنين در بسياري از كاربردها مي تواند جايگزين فولاد كم آلياژ آهنگري شود.

استحاله آستمپرينگ در چدن داكتيل دو مرحله اي است. در مرحلـه اول اسـتحاله ، آسـتنيت بـه فريـت سـوزني يـامجموعه اي از فريت و كاربيد وآستنيت پركربن تبديل مي شـود . در مرحلـه دوم اسـتحاله چنانچـه قطعـه ريختگـيطولاني تر از زمان مورد نياز در دماي آستمپر نگه داشته شود زمينه آستنيتي به فريـت و كاربيـد تجربـه مـي شـوداستحكام بالا توام با تافنس بالا ناشي ازساختار ميكروسكوپي شامل آستينت پركربن و فريـت سـوزني مـي باشـد كـهكميته ASTM آن را آسفريت نام نهاده است از آنجايي كه در قطعات ضـخيم سـاخته شـده از چـدن هـايADI ناگزير بايد از عناصر آلياژي استفاده شود ( به جهت بالا بردن قابليت آستمپر پذيري ) سعي شده اسـت كـه عوامـلموثر بر مورفولوژي گرافيت و همچنين عيوب ايجاد شده در اين قطعات بر اثـر اسـتفاده از عناصـر آليـاژي بـه طـورخلاصه شرح داده شود.

فهرست مطالب

فصل اول: مقدمه   ……………………… 22

1- 1 چدن نشكن آستمپر شده  ………………. ………. ………….. 12

فصل دوم: استاندارد هاي چدن نشكن آستمپرشده …………. 16

2- 3 مقايسه چدن داكتيل آستمپرشده با فولاد . … ……….   . … 18

فصل سوم: عمليات حرارتي آستمپرينگ چدن داكتيل ………… 20

3- 1 انواع روشهاي عمليات حرارتي براي چدن نشكن  ……………. 20

3- 2 مراحل مختلف عمليات حرارتي آستمپرينگ …………………22

3- 3 عمليات حرارتي آستمپرينگ  …………….. …………………. 23

3- 4 آستنيته كردن چدن نشكن  ………. ……. ………………..27

3- 4- 1 دما و زمان مناسب براي آستنيته كردن  …….. ……….. 28

3- 4- 2 دما و زمان مناسب براي آستمپر كردن ……… …..  ………. 29

فصل چهارم: موثر در عمليات حرارتي آستمپرينگ قطعات چدني با ضخامت بالا …. 30

4- 1 سختي پذيري چدن نشكن  ………… ……. ……….. 32

4- 2 تاثير عناصر آلياژي …………………….. ………………….. 37

4- 2- 1 تاثير موليبدن  ……… …………………..40

4- 2- 2 تاثير منگنز و سيليسيم …. ….. ……… …………………….. 41

4- 2- 3 تاثير مس …. ……… ………………………………………. 42

4- 3 مورفولوژي آسفريت ..  …………………………… 43

4- 4 قابليت آستمپر پذيري  ………………………………………….. 46

4- 5استحاله بينايتي  ………. …………………………………. 50

4- 5- 1تأثير عناصر آلياژي بر استحاله بينايتي …….. ……………….. 53

4- 6 تأثير افزايش دما بر روي خواص مكانيكي و ريز ساختار چدن ADIا…………..55

فصل پنجم: جدايش ……………………………….. 59

5- 1 عوامل موثر بر جدايش … ……………… …………………59

5- 2 جدايش عناصر آلياژي در چدن نشكن كم آلياژي . ………. 60

5- 3 جدايش عناصر آلياژي در حين انجماد ……………………………62

5- 4 تاثير عناصر آلياژي بر روي آستنيته كردن  .. …………………….. 69

5- 5 مشكلات ناشي از انجماد در مقاطع ضخيم چدن نشكن ………… 71

فهرست جداول

2- 1 :مقايسه ارزش قطعات پايه آهني ………………………………… 14

2- 2 :درصد مناسب عناصر در چدن ADI ………………ا…………. 16

2- 3 :مشخصات گروه هاي ADI در استاندارد هاي مختلف ……….. .. 17

4- 1 :رابطه موليبدن با ساختار   ……………………………………… 40

4- 2 :تاثير Cu بر توسعه ميكروساختار……………………………….. 43

فهرست شكل ها

2- 1 :مقايسه خواص استحكامي و چقرمگي دسته هاي مختلف ADI با ديگر دسته هاي چدن نشكن ……………… 12

2- 2 :مقايسه خواص استحكامي گروه هاي مختلف چدن ADI با فولاد هاي آهنگري شده ……………………………….. 14

2- 3 :ميزان هزينه بر استحكام تسليم ADI در مقايسه با آلومينيوم فورج و ريخته و فولاد آهنگري …………………. 18

  • 4 : وزن برتنش تسليم ADI در مقايسه با آلومينيم آهنگري و ريخته و فولاد آهنگري …………………………………. 18
  • 1 : پرليت در ريز ساختارADI ناشي از عدم سرد كردن سريع از دماي آستنيته تا آستمپر …………………………… 21

3- 2 :ذرات كاربيد موليبدن در ريز ساختار ADI به علت بيش از حد بودن Mo ……………………………………………… 22

3- 3 :مراحل اساسي فرآيند آستمپرينگ  ………………………………. 24

3- 4 :تأثير دما، زمان و تعداد كره هاي گرافيت بر روي ميزان كربن محلول در آستنيت ……………………………………… 24

3- 5 :اثر افزايش دماي آستنيته كردن بر روي درشت دانگي  …. ….. 25

3- 6 :نمونه اي از دياگرام CCT چدن نشكن داراي عناصر آلياژي 0.27%Mo, 0.5%Ni, 0.5%Cu ….ا……… 26

  • 7 : دياگرام تعادلي آهن گرافيت نشانگر دماي بحراني بالا (UTS ) و پايين (LCT ) براي آستنيته ………………. 29
  • 1 : تغيرات استحكام كششي و تسليم بر اساس ميزان افزايش در موليبدن در دماي آستمپرينگ ……………………. 33

4- 2 :تغييرات كرنش بر اساس ميزان افزايش درصد موليبدن در دماي آستمپرينگ ……………………………………………. 34

4- 3 :نشان دهنده تغيرات سختي بر اساس افزايش درصد موليبدن …….. ……………………….. 41

4- 4 :نتيجه جدايش مارتنزيت در آلياژ ريختگي ………… 42

4- 5 :دياگرام CCT شماتيك تاثير افزودني هاي آلياژي(همچون Mo ) ا………42

4- 6 :ريز ساختار چدن ADI شامل گرافيت هاي كروي در زمينه آسفريت …………………………………………………………. 43

4- 7 :منحني سرد شدن مغز ميله هاي استوانه اي شكل با قطر 10، 20، 30، 40، 50 ميليمتر …………………………. 47

4- 8 :نمونه اي از نمودار هاي تعيين قطر بحراني با دماي آستمپرينگ و تركيب شيميايي ………………………………….. 48

4- 9 :روش به دست آوردن پارامتر   ……………………………….. 50

4- 10 :ساختارآسفريت به ترتيب از راست به چپ بينيت پاييني ، بينيت بالايي ………………………………………………….. 51

4- 11 :شماتيك واكنش آستمپرينگ واكنش در دماي پايين آستمپرينگ ………………………………………………………….. 51

4- 12 :پايداري فاز آستنيت غني از كربن تا دماي 80- درجه سانتيگراد ……………………………………………………………… 52

4- 13 :شماتيك تغييرات انعطاف پذيري با افزايش زمان آستمپرينگ و نوع مرحله واكنش آستمپرينگ   …………. 53

  • 14 : توزيع عناصر آلياژي حين انجماد در مقطع ميكروسكوپي چدن نشكن ……………………………………………………. 55
  • 1 :جدايش Mn ( نواحي سفيد ) در چدن ADI با ندول كانت پايين در چدن داكتيل   ……………………………….. 61

5- 2 :نمودار توزيع عناصر آلياژي در مرز سلول هاي اتكتيك  ……….. 64

5- 3 :تشكيل كاربيد ها و ريز حفرات انقباضي در مرز سلول هاي يوتكتيك. …………………………………………………………. 64

5- 4 :كاهش ميزان سطح اشغال شده مناطق تمركز عناصر آلياژي با افزايش ضخامت قطعه ……………………………….. 65

5- 5 :افزايش موضعي زمان انجماد در اثر افزايش ضخامت قطعه ………………………….. ……………………… 66

5- 6 :افزايش سطح كلي گرافيت ها با افزايش N.C براي چدن نشكن با كسر حجمي مختلف گرافيت ……………… 68

٢١چدن نشكن آستمپر شده (ADI):

چدن نشكن آستمپر (ADI) گروهي از چدن هاي نشكن هستند كه تحت عمليات حرارتيايزوترمال(آستمپرينگ)جهت به دست آوردن ريز ساختار اساساً بينايتي، قرار مي گيرند. چدن هاي ADI بيشترين خواص اسـتحكامي را دركل خانواده چدن ها دارا هستند. اين خواص اساساً به تركيب شيميايي و شرايط عمليـات بسـتگي دارد. مقايسـه ايبين خواص كششي و چقرمگي اين دسته با ديگر دسته هاي چدن نشـكن در شـكل2- 1 و شـكل 2-2 نشـان دادهشده است [1،2،3]. 

شكل 2- 1 : مقايسه خواص استحكامي و چقرمگي دسته هاي مختلف ADI

با ديگر دسته هاي چدن نشكن   الف) خواص استحكامي   ب) خواص چقرمگي [2] .

اگر چه خواص چدن نشكن آستمپر با تغيير دماي آستمپرينگ به طور پيوسته تغيير خواهد كـرد، ولـي اساسـاً سـهگروه عمده اين چدن ها شناخته شده و توسعه يافته اند كه عبارتند از:

چدن نشكن آستمپر شده در دماي پـايين (300-240 درجـه سـانتيگراد) كـه داراي ريـز سـاختارظريف هستند و استحكام، مقاومت به سايش و سختي بالايي دارند. گروه I:
چدن نشكن آستمپر شده در دماي بـالا (400-300 درجـه سـانتيگراد) كـه داراي سـاختار نسـبتاً گروه II :

خشن بوده و از استحكام خستگي، انعطاف پذيري و چقرمگي بالايي برخوردار است.

Gundlach، [4] گروه سوم را هم به صورت زير پيشنهاد كرده است.

گروه III : چدن نشكن آستمپر-تمپر مجدد شده در دماي به قـدر كـافي بـالا (480 درجـه سـانتيگراد) كـهبخشي از آستنيت پايدار آن به فريت و گرافيت استحاله يابد.

در اين دسته از چدن هاي نشكن، مي توان با استفاده از تغيير شرايط آستمپرينگ، طيف نسـبتاً وسـيعي از خـواصاستحكامي را به دست آورد. خواص چدن ها در حدي است كه قطعات ساخته شده از اين نوع چدن، تحت شـرايطيبه راحتي مي توانند جايگزين قطعات ساخته شده از فولادهاي ريختگي، فولادهاي آهنگري شده، فولادهاي كم آلياژ پر استحكام (HSLA) و فولادهاي سخت شونده سطحي (Case Hardening) شوند [7،6،5،1].

چدن هاي ADI از لحاظ قيمت تمام شده هم با دسته هاي چدن هاي ديگر و فولاد قابل مقايسه اسـت بـه طـوريكه، شاخص قيمت تمام شده بر روي استحكام كششي ($/N) اين دسته از چدن هـا كمتـر از چـدن هـاي ديگـر وفولاد است جدول 2-1[7].

شكل 2-2 : مقايسه خواص استحكامي گروه هاي مختلف چدن ADI با فولاد هاي               آهنگري شده، كم آلياژ، پر استحكام و ريختگي [3].

جدول 2 -1 : مقايسه ارزش قطعات پايه آهني[7]

نوع ماده قيمت ويژه (دلار بر تن) استحكام كششي تقريبي (MPa) ارزش بر واحد استحكام (دلار بر نيوتن)
چدن خاكستري 1000 – 1500 250 6
فولاد ريختگي 1000 – 3000 500 6
چدن ماليبل 1000 – 2000 400 5
چدن نشكن 1000 – 1700 500 3/4
ADI 1000 – 2500 1000 2/5

در كل، چدن هاي ADI در مقايسه با فولادهاي آهنگري شده، عمليات حرارتي شـونده، سـختي سـطحي شـونده وفولادهاي ريختگي داراي مزاياي زير است:

  • مقدار انرژي مصرف شده از مرحله ذوب تا اتمام مرحله توليد قطعه كمتر ودر نتيجه قيمت تمـام شـده آن كمتـراست. اين كاهش قيمت در مقايسه با فولادهاي آهنگري شده حاوي كروم و موليبدنيم كـه تحـت عمليـات حرارتـيسخت كردن سطحي قرار مي گيرند، حدود 36% ذكر شده است شكل 2-3 [9،8].
  • قطعات ساخته شده از چدن ADI داراي قابليت ماشينكاري عالي ( قبل از عمليات حرارتي )، دوام ابـزار تـراش وسرعت ماشينكاري بالا و همچنين كيفيت سطوح ماشينكاري شده بسيار خوب مي باشند [8،7،6].
  • چدن هاي ADI به دليل وجود گرافيت و نوع ساختار زمينه مقاومت به سايش بالايي دارند [9،6].
  • سرعت و توانايي جذب ارتعاش بيشتر به علت ظرفيت ميرا كردن ارتعاش بالا ودر نتيجه عملكرد با كيفيت بـالاترقطعات چدن ADI تحت شرايط كاري همراه با ارتعاش (كاهش ارتعاش در حـدود dB80 و افـزايش سـرعت جـذبارتعاش حدود 40%) [12،11،9،6].
  • كاهش وزن قطعه به ميزان حداقل ده در صد در مقايسه با فولاد شكل 2-4 [10،9،6].
  • سيكل عمليات حرارتي كوتاه تر [6].
  • ايجاد ترك و تاب برداشتن در حين عمليات حرارتي (آستمپرينگ) كمتر از عمليات حرارتي كوئنچ- تمپـر اسـت

.[9]

  • عمر خستگي بالاتر مخصوصاً در موارد خستگي خمشي [13،10].
  • خواص استحكامي و چقرمگي خوب [11].
  • قابليت كارايي بالا در شرايط كاري اعمال تنش هاي سطحي

با توجه به مطالب فوق و در راستاي به دست آوردن پارامترهاي فني و تكنولوژيكي موثر بر خواص ميـل لنـگ هـايچدني توليد شده از چدن ADI كه به راحتي كارايي مناسب را تحت شرايط كاري ميل لنـگ هـاي فـولادي داشـتهباشد در ادامه، به انجماد و مشكلات ناشي از آن در طي ريخته گـري چـدن نشـكن در مقـاطع ضـخيم و همچنـينعمليات حرارتي و تأثير پارامترهـاي مختلـف آن بـر خـواص( نظيـر اسـتحاله بينـايتي، آسـتمپر پـذيري، جـدايشميكروسكوپي و ماكروسكوپي ) و همچنين استانداردهاي مختلف چدن نشكن آستمپر، اشاره شده است.

22 استانداردهاي چدن نشكن آستمپرشده:

استانداردهاي موجود به صورت استانداردهاي ملي، انجمني، و يا شركتي (كارخانـه اي ) هسـتند و بـر اسـاس سـطحدانش غني، توانايي توليد كنندگان، تجهيزات و نوع قطعات توليدي دسته بندي و مشخصات هر گـروه تعيـين شـدهاسـت [9،7،3،1] درصـد مناسـب عناصـر در چـدن ADI در جـدول 2-2 نشـان داده شـده اسـت نمونـه هـايي از استانداردهاي چدن نشكن آستمپر در جدول2- 3 ارايه گرديده است.

جدول 2-2 : درصد مناسب عناصر در چدن ADI[5]

Element Suggested Target Typical Control Range
Carbon – C 3.6% ± 0.20%
Silicon – Si 2.5% ± 0.20%
Magnesium – Mg (%S x 0.76)+0.025% ± 0.005%
Manganese – MnMax Section > 13 mmMax Section < 13 mm 0.35% maximum0.60% maximum ± 0.05%
Copper – Cu 0.80% maximum(only as needed) ± 0.05%
Nickel – Ni 2.00% maximum(only as needed) ± 0.10%
Molybdenum – Mo 0.30% maximum(only as needed) ± 0.03%
Tin – Sn 0.02% maximum(only as needed) ± 0.003%
Antimony – Sb 0.002% maximum (only as needed) ± 0.0003%
Phosphorus – P 0.04% maximum
Sulfur – S 0.02% maximum
Oxygen – O 50 ppm maximum
Chromium – Cr 0.10% maximum
Titanium – Ti 0.040% maximum
Vanadium – V 0.10% maximum
Aluminum – Al 0.050% maximum
Arsenic – As 0.020% maximum
Bismuth – Bi 0.002% maximum
Boron – B 0.002% maximum
Cadmium – Cd 0.005% maximum
Lead – Pb 0.002% maximum
Selenium – Se 0.030% maximum
Tellurium – Te 0.020% maximum

جدول 2 -3 : مشخصات گروه هاي ADI در استاندارد هاي مختلف[7]

رديف نام چدن استحكام كششي MPa, Min استحكام تسليم 0.2%, MPa, Min ازدياد طول نسبي % Min سختي HB مقاومت به ضربه j, Min
ASTM   (USA)
1 Grade 1 850 550 10 269-321 100
2 Grade 2 1050 700 7 302-363 80
3 Grade 3 1200 850 4 334-444 60
4 Grade 4 1400 1100 1 388-477 35
5 Grade 5 1600 1300 1 444-555
BCIRA   (U.K.)
1 950/6 950 670 6 300-310
2 1050/3 1050 780 3 345-355
3 1200/1 1200 940 1 390-400
SULZER   (Switzerland)
1 GGG-80 800 505 8 250-310
2 GGG-100 1000 705 5 280-340
3 GGG-120 1200 950 2 330-390
GEORGE FISCHER (G.F)
1 GF90 850 600 5-12
2 GF120 1200 950 2-5
3 GF140 1400 1200 1-2
4 GF100 1000
JIS   (Japan)
1 1 900 8
2 2 1000 5
3 3 1200 2
KYMIKYMMENE   (FIN)
1 K-9007 900 730 6 280-310
2 K-1005 1000 800 3 300-350
3 K-12003 1200 1000 1 380-430

شكل 2-3: ميزان هزينه بر استحكام تسليم ADI در مقايسه با آلومينيوم فورج و ريخته ،   فولاد آهنگري ، ريخته و عمليات حرارتي شده در چدن داكتيل [4 ].

شكل 2-4 : وزن برتنش تسليم ADI در مقايسه با آلومينيم آهنگري و ريخته ،   فولاد آهنگري ، ريخته و عمليات حرارتي شده در چدن داكتيل [4].

23 مقايسه چدن داكتيل آستمپرشده با فولاد:

چدن نشكن آستمپر شده (ADI) ، در سال هاي اخير با بروز خواص مكانيكي همچوناستحكام بـالا و در كنـار آنچقرمگي خوب ، استحكام بالاي خستگي و همچنين مقاومت به سايش بالا،نظرها را بخود جلب نموده است .هزينـهتوليد ADI در مقايسه با فولاد كار شده يا فورج بطور چشمگيري پايين تر است علاوه بر آن چگالي ADI از فـولادكمتر است بنابراين ADI ، امتياز داشتن استحكام بالاي بخصوص را نسبت به فولاد داراستADI بعنوان يك مـادهي مهندسي اميد بخش و يك ماده ي مهم اقتصادي نسبت به فولاد فورج ، در چندين كـاربرد سـازه اي ، همچـونصنايع خودرو سازي ( ميل لنگ ، ميل بادامك چرخ دنده هاي انتقال قدرت شفت هاي اتصال و …) صنايع دفـاعي( پوسته ي توپ هاي جنگي ، چرخ دنده هاي فرود هواپيما و …) در نظر گرفتـه مـي شـود تركيـب شـيمياييADI ، دقيقا مشابه با چدن نشكن معمولي يا همان چدن گرافيت كروي مي باشد با اين حال اغلـب برخـي عناصـر آليـاژيهمچون : نيكل ، موليبدن و مس براي افزايش قابليت عمليات حرارتي افزوده مي شوند به عبارت ديگر اين عناصـر آغاز تجزيه ي آستنيت به پرليت را به تاخير مي اندازند.

ساختار زمينه تيغه هاي فريت غني از كربن (آسفريت ) ، فريت به همراه كاربايد ، آستنيت غني از كربن، آسـتينيتتحول نيافته UAV و در مواردي مارتنزيت در مناطق مرز بين سلولي است و عناصري همچون Moو Ni مي تواند نرخ تجزيه شدن آستينيت غني از كربن را كاهش دهند چدن ADIبه راحتي مي تواند جايگزين فولاد ريختـه گـريشود و همچنين در بسياري از كاربردها مي تواند جايگزين فولاد كم آلياژ آهنگري شود.


مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصاله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

فایل pdf همراه با فایل word

قیمت35000تومان