مقدمه

چدن نشکن آستمپر (1ADI) گروهی از چدن های نشکن هستند کـه جهـت بـه دسـت آوردن ریـز سـاختار اساسـاًبینایتی تحت عملیـات حرارتـیایزوترمـال (آسـتمپرینگ )قـرار مـی گیرنـد. چـدن هـایADI بیشـترین خـواصاستحکامی را در کل خانواده چدن ها دارا هستند. این خواص اساساً به ترکیب شیمیایی و شـرایط عملیـات بسـتگیدارد خواص چدن ها در حدی است که قطعات ساخته شده از این نوع چدن، تحت شرایطی بـه راحتـی مـی تواننـدجایگزین قطعات ساخته شده از فولادهای ریختگی، فولادهـ ای آهنگـری شـده، فولادهـای کـم آلیـاژ پـر اسـتحکام(HSLA) و فولادهای سخت شونده سطحی (Case Hardening) شوند در قطعات با ضخامت بالا تجمع عناصـرآلیاژی در یک مکان باعث افزایش اثرات تخریب کننده عناصر آلیاژی بر روی خواص مکانیکی می شود.

ساختار زمینه تیغه های فریت غنی از کربن (آسفریت )، فریت به همراه کارباید ، آستنیت غنی از کـربن، آسـتینیتتحول نیافته UAV و در مواردی مارتنزیت در مناطق مـرز بـین سـلولی اسـت چـدن ADI بـه راحتـی مـی توانـدجایگزین فولاد ریخته گری شود و همچنین در بسیاری از کاربردها می تواند جایگزین فولاد کم آلیاژ آهنگری شود.

استحاله آستمپرینگ در چدن داکتیل دو مرحله ای است. در مرحلـه اول اسـتحاله ، آسـتنیت بـه فریـت سـوزنی یـامجموعه ای از فریت و کاربید وآستنیت پرکربن تبدیل می شـود . در مرحلـه دوم اسـتحاله چنانچـه قطعـه ریختگـیطولانی تر از زمان مورد نیاز در دمای آستمپر نگه داشته شود زمینه آستنیتی به فریـت و کاربیـد تجربـه مـی شـوداستحکام بالا توام با تافنس بالا ناشی ازساختار میکروسکوپی شامل آستینت پرکربن و فریـت سـوزنی مـی باشـد کـهکمیته ASTM آن را آسفریت نام نهاده است از آنجایی که در قطعات ضـخیم سـاخته شـده از چـدن هـایADI ناگزیر باید از عناصر آلیاژی استفاده شود ( به جهت بالا بردن قابلیت آستمپر پذیری ) سعی شده اسـت کـه عوامـلموثر بر مورفولوژی گرافیت و همچنین عیوب ایجاد شده در این قطعات بر اثـر اسـتفاده از عناصـر آلیـاژی بـه طـورخلاصه شرح داده شود.

فهرست مطالب

فصل اول: مقدمه   ……………………… 22

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

فصل دوم: استاندارد های چدن نشکن آستمپرشده …………. 16

2- 3 مقایسه چدن داکتیل آستمپرشده با فولاد . … ……….   . … 18

فصل سوم: عملیات حرارتی آستمپرینگ چدن داکتیل ………… 20

3- 1 انواع روشهای عملیات حرارتی برای چدن نشکن  ……………. 20

3- 2 مراحل مختلف عملیات حرارتی آستمپرینگ …………………22

3- 3 عملیات حرارتی آستمپرینگ  …………….. …………………. 23

3- 4 آستنیته کردن چدن نشکن  ………. ……. ………………..27

3- 4- 1 دما و زمان مناسب برای آستنیته کردن  …….. ……….. 28

3- 4- 2 دما و زمان مناسب برای آستمپر کردن ……… …..  ………. 29

فصل چهارم: موثر در عملیات حرارتی آستمپرینگ قطعات چدنی با ضخامت بالا …. 30

4- 1 سختی پذیری چدن نشکن  ………… ……. ……….. 32

4- 2 تاثیر عناصر آلیاژی …………………….. ………………….. 37

4- 2- 1 تاثیر مولیبدن  ……… …………………..40

4- 2- 2 تاثیر منگنز و سیلیسیم …. ….. ……… …………………….. 41

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

4- 3 مورفولوژی آسفریت ..  …………………………… 43

4- 4 قابلیت آستمپر پذیری  ………………………………………….. 46

4- 5استحاله بینایتی  ………. …………………………………. 50

4- 5- 1تأثیر عناصر آلیاژی بر استحاله بینایتی …….. ……………….. 53

4- 6 تأثیر افزایش دما بر روی خواص مکانیکی و ریز ساختار چدن ADIا…………..55

فصل پنجم: جدایش ……………………………….. 59

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

5- 2 جدایش عناصر آلیاژی در چدن نشکن کم آلیاژی . ………. 60

5- 3 جدایش عناصر آلیاژی در حین انجماد ……………………………62

5- 4 تاثیر عناصر آلیاژی بر روی آستنیته کردن  .. …………………….. 69

5- 5 مشکلات ناشی از انجماد در مقاطع ضخیم چدن نشکن ………… 71

فهرست جداول

2- 1 :مقایسه ارزش قطعات پایه آهنی ………………………………… 14

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

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

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

4- 2 :تاثیر Cu بر توسعه میکروساختار……………………………….. 43

فهرست شکل ها

2- 1 :مقایسه خواص استحکامی و چقرمگی دسته های مختلف ADI با دیگر دسته های چدن نشکن ……………… 12

2- 2 :مقایسه خواص استحکامی گروه های مختلف چدن ADI با فولاد های آهنگری شده ……………………………….. 14

2- 3 :میزان هزینه بر استحکام تسلیم ADI در مقایسه با آلومینیوم فورج و ریخته و فولاد آهنگری …………………. 18

  • 4 : وزن برتنش تسلیم ADI در مقایسه با آلومینیم آهنگری و ریخته و فولاد آهنگری …………………………………. 18
  • 1 : پرلیت در ریز ساختارADI ناشی از عدم سرد کردن سریع از دمای آستنیته تا آستمپر …………………………… 21

3- 2 :ذرات کاربید مولیبدن در ریز ساختار ADI به علت بیش از حد بودن Mo ……………………………………………… 22

3- 3 :مراحل اساسی فرآیند آستمپرینگ  ………………………………. 24

3- 4 :تأثیر دما، زمان و تعداد کره های گرافیت بر روی میزان کربن محلول در آستنیت ……………………………………… 24

3- 5 :اثر افزایش دمای آستنیته کردن بر روی درشت دانگی  …. ….. 25

3- 6 :نمونه ای از دیاگرام CCT چدن نشکن دارای عناصر آلیاژی 0.27%Mo, 0.5%Ni, 0.5%Cu ….ا……… 26

  • 7 : دیاگرام تعادلی آهن گرافیت نشانگر دمای بحرانی بالا (UTS ) و پایین (LCT ) برای آستنیته ………………. 29
  • 1 : تغیرات استحکام کششی و تسلیم بر اساس میزان افزایش در مولیبدن در دمای آستمپرینگ ……………………. 33

4- 2 :تغییرات کرنش بر اساس میزان افزایش درصد مولیبدن در دمای آستمپرینگ ……………………………………………. 34

4- 3 :نشان دهنده تغیرات سختی بر اساس افزایش درصد مولیبدن …….. ……………………….. 41

4- 4 :نتیجه جدایش مارتنزیت در آلیاژ ریختگی ………… 42

4- 5 :دیاگرام CCT شماتیک تاثیر افزودنی های آلیاژی(همچون Mo ) ا………42

4- 6 :ریز ساختار چدن ADI شامل گرافیت های کروی در زمینه آسفریت …………………………………………………………. 43

4- 7 :منحنی سرد شدن مغز میله های استوانه ای شکل با قطر 10، 20، 30، 40، 50 میلیمتر …………………………. 47

4- 8 :نمونه ای از نمودار های تعیین قطر بحرانی با دمای آستمپرینگ و ترکیب شیمیایی ………………………………….. 48

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

4- 10 :ساختارآسفریت به ترتیب از راست به چپ بینیت پایینی ، بینیت بالایی ………………………………………………….. 51

4- 11 :شماتیک واکنش آستمپرینگ واکنش در دمای پایین آستمپرینگ ………………………………………………………….. 51

4- 12 :پایداری فاز آستنیت غنی از کربن تا دمای 80- درجه سانتیگراد ……………………………………………………………… 52

4- 13 :شماتیک تغییرات انعطاف پذیری با افزایش زمان آستمپرینگ و نوع مرحله واکنش آستمپرینگ   …………. 53

  • 14 : توزیع عناصر آلیاژی حین انجماد در مقطع میکروسکوپی چدن نشکن ……………………………………………………. 55
  • 1 :جدایش Mn ( نواحی سفید ) در چدن ADI با ندول کانت پایین در چدن داکتیل   ……………………………….. 61

5- 2 :نمودار توزیع عناصر آلیاژی در مرز سلول های اتکتیک  ……….. 64

5- 3 :تشکیل کاربید ها و ریز حفرات انقباضی در مرز سلول های یوتکتیک. …………………………………………………………. 64

5- 4 :کاهش میزان سطح اشغال شده مناطق تمرکز عناصر آلیاژی با افزایش ضخامت قطعه ……………………………….. 65

5- 5 :افزایش موضعی زمان انجماد در اثر افزایش ضخامت قطعه ………………………….. ……………………… 66

5- 6 :افزایش سطح کلی گرافیت ها با افزایش N.C برای چدن نشکن با کسر حجمی مختلف گرافیت ……………… 68

٢١چدن نشکن آستمپر شده (ADI):

چدن نشکن آستمپر (ADI) گروهی از چدن های نشکن هستند که تحت عملیات حرارتیایزوترمال(آستمپرینگ)جهت به دست آوردن ریز ساختار اساساً بینایتی، قرار می گیرند. چدن های ADI بیشترین خواص اسـتحکامی را درکل خانواده چدن ها دارا هستند. این خواص اساساً به ترکیب شیمیایی و شرایط عملیـات بسـتگی دارد. مقایسـه ایبین خواص کششی و چقرمگی این دسته با دیگر دسته های چدن نشـکن در شـکل2- 1 و شـکل 2-2 نشـان دادهشده است [1،2،3]. 

شکل 2- 1 : مقایسه خواص استحکامی و چقرمگی دسته های مختلف ADI

با دیگر دسته های چدن نشکن   الف) خواص استحکامی   ب) خواص چقرمگی [2] .

اگر چه خواص چدن نشکن آستمپر با تغییر دمای آستمپرینگ به طور پیوسته تغییر خواهد کـرد، ولـی اساسـاً سـهگروه عمده این چدن ها شناخته شده و توسعه یافته اند که عبارتند از:

چدن نشکن آستمپر شده در دمای پـایین (300-240 درجـه سـانتیگراد) کـه دارای ریـز سـاختارظریف هستند و استحکام، مقاومت به سایش و سختی بالایی دارند. گروه I:
چدن نشکن آستمپر شده در دمای بـالا (400-300 درجـه سـانتیگراد) کـه دارای سـاختار نسـبتاً گروه II :

خشن بوده و از استحکام خستگی، انعطاف پذیری و چقرمگی بالایی برخوردار است.

Gundlach، [4] گروه سوم را هم به صورت زیر پیشنهاد کرده است.

گروه III : چدن نشکن آستمپر-تمپر مجدد شده در دمای به قـدر کـافی بـالا (480 درجـه سـانتیگراد) کـهبخشی از آستنیت پایدار آن به فریت و گرافیت استحاله یابد.

در این دسته از چدن های نشکن، می توان با استفاده از تغییر شرایط آستمپرینگ، طیف نسـبتاً وسـیعی از خـواصاستحکامی را به دست آورد. خواص چدن ها در حدی است که قطعات ساخته شده از این نوع چدن، تحت شـرایطیبه راحتی می توانند جایگزین قطعات ساخته شده از فولادهای ریختگی، فولادهای آهنگری شده، فولادهای کم آلیاژ پر استحکام (HSLA) و فولادهای سخت شونده سطحی (Case Hardening) شوند [7،6،5،1].

چدن های ADI از لحاظ قیمت تمام شده هم با دسته های چدن های دیگر و فولاد قابل مقایسه اسـت بـه طـوریکه، شاخص قیمت تمام شده بر روی استحکام کششی ($/N) این دسته از چدن هـا کمتـر از چـدن هـای دیگـر وفولاد است جدول 2-1[7].

شکل 2-2 : مقایسه خواص استحکامی گروه های مختلف چدن ADI با فولاد های               آهنگری شده، کم آلیاژ، پر استحکام و ریختگی [3].

جدول 2 -1 : مقایسه ارزش قطعات پایه آهنی[7]

نوع ماده قیمت ویژه (دلار بر تن) استحکام کششی تقریبی (MPa) ارزش بر واحد استحکام (دلار بر نیوتن)
چدن خاکستری 1000 – 1500 250 6
فولاد ریختگی 1000 – 3000 500 6
چدن مالیبل 1000 – 2000 400 5
چدن نشکن 1000 – 1700 500 3/4
ADI 1000 – 2500 1000 2/5

در کل، چدن های ADI در مقایسه با فولادهای آهنگری شده، عملیات حرارتی شـونده، سـختی سـطحی شـونده وفولادهای ریختگی دارای مزایای زیر است:

  • مقدار انرژی مصرف شده از مرحله ذوب تا اتمام مرحله تولید قطعه کمتر ودر نتیجه قیمت تمـام شـده آن کمتـراست. این کاهش قیمت در مقایسه با فولادهای آهنگری شده حاوی کروم و مولیبدنیم کـه تحـت عملیـات حرارتـیسخت کردن سطحی قرار می گیرند، حدود 36% ذکر شده است شکل 2-3 [9،8].
  • قطعات ساخته شده از چدن ADI دارای قابلیت ماشینکاری عالی ( قبل از عملیات حرارتی )، دوام ابـزار تـراش وسرعت ماشینکاری بالا و همچنین کیفیت سطوح ماشینکاری شده بسیار خوب می باشند [8،7،6].
  • چدن های ADI به دلیل وجود گرافیت و نوع ساختار زمینه مقاومت به سایش بالایی دارند [9،6].
  • سرعت و توانایی جذب ارتعاش بیشتر به علت ظرفیت میرا کردن ارتعاش بالا ودر نتیجه عملکرد با کیفیت بـالاترقطعات چدن ADI تحت شرایط کاری همراه با ارتعاش (کاهش ارتعاش در حـدود dB80 و افـزایش سـرعت جـذبارتعاش حدود 40%) [12،11،9،6].
  • کاهش وزن قطعه به میزان حداقل ده در صد در مقایسه با فولاد شکل 2-4 [10،9،6].
  • سیکل عملیات حرارتی کوتاه تر [6].
  • ایجاد ترک و تاب برداشتن در حین عملیات حرارتی (آستمپرینگ) کمتر از عملیات حرارتی کوئنچ- تمپـر اسـت

.[9]

  • عمر خستگی بالاتر مخصوصاً در موارد خستگی خمشی [13،10].
  • خواص استحکامی و چقرمگی خوب [11].
  • قابلیت کارایی بالا در شرایط کاری اعمال تنش های سطحی

با توجه به مطالب فوق و در راستای به دست آوردن پارامترهای فنی و تکنولوژیکی موثر بر خواص میـل لنـگ هـایچدنی تولید شده از چدن ADI که به راحتی کارایی مناسب را تحت شرایط کاری میل لنـگ هـای فـولادی داشـتهباشد در ادامه، به انجماد و مشکلات ناشی از آن در طی ریخته گـری چـدن نشـکن در مقـاطع ضـخیم و همچنـینعملیات حرارتی و تأثیر پارامترهـای مختلـف آن بـر خـواص( نظیـر اسـتحاله بینـایتی، آسـتمپر پـذیری، جـدایشمیکروسکوپی و ماکروسکوپی ) و همچنین استانداردهای مختلف چدن نشکن آستمپر، اشاره شده است.

22 استانداردهای چدن نشکن آستمپرشده:

استانداردهای موجود به صورت استانداردهای ملی، انجمنی، و یا شرکتی (کارخانـه ای ) هسـتند و بـر اسـاس سـطحدانش غنی، توانایی تولید کنندگان، تجهیزات و نوع قطعات تولیدی دسته بندی و مشخصات هر گـروه تعیـین شـدهاسـت [9،7،3،1] درصـد مناسـب عناصـر در چـدن ADI در جـدول 2-2 نشـان داده شـده اسـت نمونـه هـایی از استانداردهای چدن نشکن آستمپر در جدول2- 3 ارایه گردیده 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 های ADI در استاندارد های مختلف[7]

ردیف نام چدن استحکام کششی MPa, Min استحکام تسلیم 0.2%, MPa, Min ازدیاد طول نسبی % Min سختی 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

شکل 2-3: میزان هزینه بر استحکام تسلیم ADI در مقایسه با آلومینیوم فورج و ریخته ،   فولاد آهنگری ، ریخته و عملیات حرارتی شده در چدن داکتیل [4 ].

شکل 2-4 : وزن برتنش تسلیم ADI در مقایسه با آلومینیم آهنگری و ریخته ،   فولاد آهنگری ، ریخته و عملیات حرارتی شده در چدن داکتیل [4].

23 مقایسه چدن داکتیل آستمپرشده با فولاد:

چدن نشکن آستمپر شده (ADI) ، در سال های اخیر با بروز خواص مکانیکی همچوناستحکام بـالا و در کنـار آنچقرمگی خوب ، استحکام بالای خستگی و همچنین مقاومت به سایش بالا،نظرها را بخود جلب نموده است .هزینـهتولید ADI در مقایسه با فولاد کار شده یا فورج بطور چشمگیری پایین تر است علاوه بر آن چگالی ADI از فـولادکمتر است بنابراین ADI ، امتیاز داشتن استحکام بالای بخصوص را نسبت به فولاد داراستADI بعنوان یک مـادهی مهندسی امید بخش و یک ماده ی مهم اقتصادی نسبت به فولاد فورج ، در چندین کـاربرد سـازه ای ، همچـونصنایع خودرو سازی ( میل لنگ ، میل بادامک چرخ دنده های انتقال قدرت شفت های اتصال و …) صنایع دفـاعی( پوسته ی توپ های جنگی ، چرخ دنده های فرود هواپیما و …) در نظر گرفتـه مـی شـود ترکیـب شـیمیاییADI ، دقیقا مشابه با چدن نشکن معمولی یا همان چدن گرافیت کروی می باشد با این حال اغلـب برخـی عناصـر آلیـاژیهمچون : نیکل ، مولیبدن و مس برای افزایش قابلیت عملیات حرارتی افزوده می شوند به عبارت دیگر این عناصـر آغاز تجزیه ی آستنیت به پرلیت را به تاخیر می اندازند.

ساختار زمینه تیغه های فریت غنی از کربن (آسفریت ) ، فریت به همراه کارباید ، آستنیت غنی از کربن، آسـتینیتتحول نیافته UAV و در مواردی مارتنزیت در مناطق مرز بین سلولی است و عناصری همچون Moو Ni می تواند نرخ تجزیه شدن آستینیت غنی از کربن را کاهش دهند چدن ADIبه راحتی می تواند جایگزین فولاد ریختـه گـریشود و همچنین در بسیاری از کاربردها می تواند جایگزین فولاد کم آلیاژ آهنگری 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