مقدمه

نخستین خانواده چدنهای پر آلیاژ که بیشترین اهمیت را کسب کردند چدن نایهارد بودند با زمینه مارتنزینی، کاربیدی، کربن در آنها از 5/2% تا 6/3% متغیر می‌باشد. در چدن نایهارد وجود عنصر نیکل است که به منظور به تعویق افتادن تشکیل پرلیت و کاهش سرعت بحرانی سرد شدن در رنج 3/3% تا5/0 به کار می‌رود که نتیجتاً مارتنزیت به همراه مقداری آستنیت باقیمانده در زمینه ساختار به وجود می‌آید. کروم در رنج %5/3 – 4/1% اضافه می‌شود، برای حصول اطمینان از اینکه مازاد کربن آلیاژ به جرم کاربیدهای پایدار می‌سازد و همچنین از خاصیت گرافیت زایی نیکل نیز جلوگیری به عمل می‌آید. ترکیب کاربیدها به علاوه مارتنزیت زمینه‌ای


با مقاومت سایشی خوبی ایجاد می‌کند. تعیین درصد عناصر آلیاژی در چدن نایهارد بستگی دارد به ابعاد قطعه و خواصی که از آن انتظار می‌رود. زمانیکه مقاومت سایشی خوب و ضربه‌پذیری پایین مورد نظر باشد کاربیدهای درشت‌تر انتخاب شده و نتیجتاً درصد کربن بین 6/3 -3/3% انتخاب می‌شود و زمانیکه قطعه در معرض بارهای ضربه‌ای قرار می‌گیرد کربن بین 2/3-7/2% متغیر خواهد بود. درصد عناصر بستگی به سرعت سرد شدن و ضخامت قطعه دارد برای قطعات با ضخامت 1 تا 2 اینچ سیکل بین 2/4 – 4/3% برای به تعویق انداختن در تبدیل پرلیتی و اطمینان از تبدیل کامل مارتنزیتی ضروری است. چنانچه ضخامت قطعه بالاتر باشد نیکل از 5/5 – 4% مورد استفاده قرار می‌گیرد تا پرلیت تشکیل شود.

در چدن نایهارد نوع II چنانچه درصد نیکل پایین باشد پرلیت تشکیل می‌شود و چنانچه مقدار نیکل زیاد باشد به پایداری استنیت کمک می‌کند. تفاوت اصلی در بین 4 آلیاژ چدن نایهارد در کاربردد آنهاست.

 

M5%

%cr

% Ni

%mn

%si

%T.c

Tape

Specify no

Specifying body

Min

 

4/1

5/3

 

 

3

A

A532

Fe3c

 

 

(fecr)7c3

 

 

 

 

Astm

Max

1

4

5

3/1

8/0

6/3

Min

 

4/1

5/3

 

 

5/2

B

Max

1

4

5

3/1

8/0

3

Min

 

1/1

7/2

 

 

9/2

C

Max

1

5/1

4

3/1

8/0

7/3

Min

 

7

5

 

1

5/2

D

Max

1

11

7

3/1

2/2

6/3

مقاومت به ضربه نوع D بسیار بالاتر از سه مورد قبل (A, B, C) می‌باشد. SI در آن بالاست و نقش کمک کردن به تشکیل کاربید را تسریع می‌کند چون حلالیت کربن در گاما را کاهش می‌دهد. چدن نایهارد بوفور در عملیات خرد کردن، پودر کردن، نورد کردن، و حمل مواد به کار برده می‌شوند. دو گروه عمده چدن نایهارد وجود دارند، چدنهای با 4% نیکل و چدنهای با 6% نیکل و 9% کروم که معمولاً به چدن نایهارد 2 و 4 موسوم‌اند. نوع 2 چدن نایهارد شامل کاربیدهای یوتکتیکی M3C  لدبوریتی است و بنابراین دارای چقرمگی کمی است در صورتیکه نوع 4 چدن نایهارد عمدتاً شامل کاربیدهای ناپیوسته M7C3  است و در نتیجه چقرمگی چدن نایهارد 4 بیشتر است. ر نوع 2 چقرمگی کمتری دارد عمدتاً در تولید غلطکهای فلز کاری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

متالورژی و کاربرد چدن نایهارد نوع 4 تقریباً مشابه چدنهای پرکروم است. اما مشاهده شده است  که در کاربردهای خاص مانند گلوله‌های آسیاب و جدار پوسته آسیابهای سیمان با قطر زیاد که قطعات ریختگی در آن هم تحت سایش و هم ضربات مکرر سنگین قرار دارند چدن نایهارد 4 مقاومت لازم برای شکست را ایجاد نمی‌کند. به طور کلی مقاومت شکست چدنهای پرکروم بیش از چدن نایهارد 4 است. مشخصه‌ای که سبب ارجحیت بارز چدن نایهارد 4 در مقایسه با چدنهای پرکروم می‌شود قابلیت سختی‌پذیری عالی آن است.

محدودیت استفاده از چدن نایهارد مخصوصاً در نوع 2، مربوط به شبکه پیوسته کاربید آهن می‌شود که دانه‌های آستینت رادر خود احاطه کرده است و باعث تردی آن می‌گردد. همچنین در مقاطع ضخیم چدن نایهارد را نمی‌توان تولید نمود زیرا امکان به وجود آمدن گرافیت آزاد و کاهش مقاومت به سایش وجود دارد. دیگر اینکه در چدن نایهارد سختی فاز کاربید آهن از کاربیدهای آلیاژی کمتر است. سمانتیت یا کاربید آهن را می‌توان با کاربیدهای دیگر جایگزین نمود به این طریق این امکان وجود دارد که چدنی تولید نمود که فاز کاربید آن از سمانتیت سخت تر بوده و از نظر ساختاری نیز خواص مکانیکی بهتری را عاید نماید.

ساختمان سطح مقطع و تاثیر آن روی خواص مکانیکی چدن نایهارد:

عواملی که روی خواص چدن نایهارد مخصوصاً بر روی سختی ضربه‌پذیری آن اثر می‌گذارند عبارتند از:

1-      نوع کاربید

2-      شکل و اندازه کاربیدها

3-      اندازه دانه‌ ها

4-      ساختمان زمینه

فازهای کاربیدی در چدن نایهارد

ترکیب شیمیایی تمام چدن نایهارد طوری انتخاب می‌شود که بیشتر ساختار به صورت کاربید یوتکتیک و آستنیت جامد شود. مقدار کاربید یوتکتیک که تشکیل می‌شود و نیز ساختار زمینه به ترکیب شیمیایی چدن بستگی دارند.

تفاوت بین ساختار کاربیدی در انواع 2 و 4 چدن نایهارد در شکل زیر نشان داده شده است.

 

چدن نایهارد نوع 2 دارای ساختار لدبوریتی خاصی است که در آن کاربید M3C در برابر زیر ساختار پیوسته حضور دارد. ساختار کاربیدی علاوه بر اینکه محل مساعدی برای شروع ترک است مسیر بهتری برای اشاعه ترک نیز است. بر عکس چدن نایهارد نوع 4 دارای ساختار یوتکتیکی است که در آن کاربیدهای نوع M7C3 به طور ناپیوسته حضور دارند. مزیت این نوع ساختار کاربیدی این است که گر چه کاربید M7C3  به اندازه M3C  ترد است ولی ترکهایی که در آن ایجاد می‌شوند قبل از این که وارد زمینه به مراتب نرمتری شوند نمی‌توانند خیلی اشاعه پیدا کنند و به این دلیل چدن نایهارد نوع 4 مقاومت به وضوح بیشتری به شکست دارند تا نوع چدن نایهارد 2.

کاربیدهای نوع M7C3  نسبت به کاربیدهای M3C از سختی بیشتری برخوردارند ضمن این که کاربیدهای نوع M7C3 ساختار ظریفتر را ایجاد می‌نماید که منجر به سختی‌پذیری بهتر می‌گردد. کاربیدهای M3C عموماً دارای شبکه پیوسته هستند که باعث می‌شوند در مقایسه با کاربیدهای M7C3 ضربه‌پذیری و سختی کمتری داشته باشند.

تمام عناصر آلیاژی موجب افزایش درصد حجمی فاز کاربید در چدن نایهارد می‌شوند. اما تاثیر این عناصر در مقایسه با اثر خود کربن جزئی است. دامنه حجمی کاربید در نوع 4 چدن نایهارد کلی چدن نایهارد دخالت دارد.

تاثیر شکل و اندازه کاربیدها در چدن نایهارد

معمولاً ریزتر بودن کاربیدها و یک‌نواختی آنها نیز خواص ضربه را بهتر می‌کند لذا استفاده از روشهای انجماد سریع و اضافه کردن پاره‌ای مواد تلقیحی نظیر فرونیتانیوم یا فروکروم کربن به ذوب می‌‌تواند ساختاری ظریفتر و یکنواخت‌تر را ترغیب نماید. البته اخیراً با روشهای دیگری نظیر عملیات حرارتی خاص و یا کنترل ترکیب آنالیز توانسته‌اند شکل کاربیدها را نیز کنترل نماید.

 اندازه دانه‌ها در چدن نایهارد

هر قدر اندازه دانه‌ها کوچکتر باشند مقاومت به ضربه چدن نایهارد را بهبود می‌بخشد.

ساختمان زمینه چدن نایهارد:

ساختار زمینه توسط آلیاژی کردن صحیح قطعه با توجه به اندازه آن کنترل می‌شود. چدن نایهارد درحالت ریخته شده فاقد گرافیت بوده و دارای ساختار شامل کاربیدهای یوتکتیکی با زمینه‌ای که آستنیت در آن غالب است می‌باشند. در صورتیکه عناصر آلیاژی به مقدار کافی موجود نباشند ممکن است به جای آستنیت مقادیری پرلیت نرمتر یا گرافیت به وجود آید. انجام عملیات آلیاژی کردن سبب ایجاد مقادیر زیادی آستنیت باقیمانده بعد از عملیات حرارتی می‌شود. به منظور ایجاد حداکثر سختی و مقاومت به سایش چدن نایهارد عملیات حرارتی انجام می‌شود تا زمینه‌ای با ساختار مارتنزیت فاقد آستنیت باقمیمانده ایجاد شود. بهترین ترکیب شیمیایی چدن نایهارد به ابعاد قطعه زیختگی و خواص مورد نظر بستگی داشته و معمولاً در دامنه زیر قرار دارد:

کربن                         3/3-6/2%

سیلیسم           2-5/1%

منگنز            8/0-6/0%

کروم                         9-8%

نیکل              5/5-8/4%

مولیبدن          1-5/0%

با در نظر گرفتن این مطلب که %si  + 0/3 % Cr از 1/4 بزرگتر است. مطمئناً توسط این ترکیب به جای کاربیدهای لدبوریتی، کاربیدهای ناپیوسته تشکیل می‌شوند.

علاوه بر کاربیدها آنچه خواص مکانیکی چدن نایهارد را تحت تاثیر قرار می‌دهد مابقی ساختار است. جهت حصول بهتر مقاومت سایش بهتر است زمینه مارتنزیتی به دست بیاید منتهی محدودیتهای نظیر عدم اطلاع دقیق از نحوه خروج حرارت از قطعه و تاثیر تغییر ضخامت و ترکیب شیمیایی و ... باعث عدم توفیق ریخته‌گران در به دست آوردن زمینه مارتنزیتی می‌باشد. مشکل این است که در هنگام سرد کردن تبدیل آستنیت به پرلیت صورت گرفته و حضور پرلیت در جوار کاربید به شدت  از مقاومت فرسایشی قطعه می‌کاهد و کروم به تنهایی برای جلوگیری از این تحول کافی نمی‌باشد لذا از عناصر آلیاژی مولیبدن، مس و نیکل جهت کاهش سرعت بحرانی سرد شدن می‌توان استفاده نمود.

مساله دیگر این است که به دلیل حلالیت زیاد کربن در آستنیت امکان باقی ماندن مقداری آستنیت باقی مانده تا درجه حرارت محیط وجود دارد. در مورد آستنیت باقیمانده دو نظر وجود دارد: در حالیکه صرفاً مقاومت سایشی مطرح است و ضربه وجود ندارد آستنیت باقیمانده نامطلوب تلقی می‌شود زیرا سختی مجموعه کمتر می‌شود و در مواردی که سایش توام با ضربه شدید وجود دارد کار سختی در لایه تماس صورت گرفته در حالی که میان قطعه دارای انعطاف بیشتری است در چنین صورت وجود مقداری آستنیت باقی مانده مجاز خواهد بود که مقدار آن باید زیر 5% درچدن نایهارد باشد.

اثر عناصر آلیاژی در چدن نایهارد

کربن: سختی به مقدار زیاد توسط مقدار کاربیدهای موجود، که خود به مقدار کربن بستگی دارد کنترل می‌شود. در کاربردهایی که حداکثر سختی و مقاومت به بارگذاری ضربه‌ای از اهمیت ثانوی برخوردار است از کربن به مقدار 3/3% استفاده کرد ولی در جایی که ضربات تکراری اعمال می‌شود  باید مقدار کربن در دامنه 6/2 تا 9/2 باشد. جدول زیر اثر مقدار کربن را بر عمر سختی ناشی از ضربه در چدن نایهارد نوع 4 نشان می‌دهد.

مقدار کربن %

عملیات حرارتی

عمر خستگی – ضربه‌ای (تعداد ضربات)

48/3

8 ساعت –0c800 سرد شدن در هوا

648

01/3

8 ساعت –0c800 سرد شدن در هوا

1670

90/2

8 ساعت –0c800 سرد شدن در هوا

3728

60/2

8 ساعت –0c800 سرد شدن در هوا

4590

 

 

 

 

چقرمگی تحت ضربات تکراری (عمر خستگی ضربه‌ای) بر حسب تعدا ضربات لازم برای شروع شکست در یک گلوله چدن نایهارد به قطر mm60 که مکرراً از ارتفاع m7 بر روی یک سندان فولادی شیب‌دار می‌افتد ارزیابی شده است.

جهت حصول حجم مناسب از کاربیدهای m7c3  و ایجاد سختی‌پذیری لازم در چدن نایهارد مقدار آن

Grade 2A  Bs2/3 – 7/2% و B2 Grade   Bs% 6/3 -2/3 انتخاب می‌شود. ازدیاد کربن باعث ازدیاد مقدار کاربید شده که سختی قطعه را افزایش می‌دهد و همچنین تردی را نیز زیادتر می‌کند. در مقادیر ماقبل یوتکتیک (اگر مقدار کربن یوتکتیک برای 7% کروم حدود 2/3 است) ابتدا مذاب آستنیت جدا شده در تحول یوتکتیک مابقی ذوب به کاربید m7c3  و آستنیت تبدیل می‌شود که نهایتاً زمینه دارای کاربیدهای محصور در زمینه آستنیت است. در حوالی کربن یوتکتیک ساختمان یکنواختی از کاربید m7c3 و آستنیت یوتکتیکی ظاهر می‌شود اما چنانچه مقدار کربن بیشتر از یوتکتیک باشد از مذاب کاربیدهای m7c3 جدا شده که دانه‌های یوتکتیکی را احاطه کرده است. چنانچه مقدار کربن خیلی پایین باشد با تشکیل کاربید کروم درصد کربن آستنیت‌ به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد و لذا در تبدیلات بعدی نخواهد توانست سختی‌پذیری کافی را داشته باشد.

کرم: چنانچه درصد آن پایین باشد (حوالی 3% ) پیدایش کاربیدهای نوع M3c را ترغیب می‌کند و چنانچه درصد کرم به حوالی 10% برسد کاربیدهای m7c3  تشکیل می‌شود. با افزایش درصد آن نقطه یوتکتیک به سمت چپ متمایل شده و منطقه آستنیت نیز کوچکتر می‌شود. به این لحاظ حد حلالیت کربن در آستنیت نیز کاهش می‌یابد. همچنین کروم دیاگرام T.T.T  را به سمت راست و خط مارتنزیت استارت (Ms) را هم پایین می‌برد. وجود مقدار کروم بیش از حد طوری که سبب تشکیل کاربید کرم بسیار نرم‌تر M23c6 شود ضرورت ندارد. سیلیسیم (si) به علت گرافیت‌زایی خیلی کم مورد استفاده قرار می‌گیرد و مقدار آن بین 2- 5/1% است. اخیراً مطلبی در مورد تاثیر si بر نوع کاربیدها در چدن نایهارد نوع 4 ذکر شده که حاوی 5% نیکل، 8% کرم، و 5/3% کربن بوده و کاربیدهایی از نوع M3c، m7c3 با si  35/0% بودند اما موقعیکه si به %95/1 رسید کاربیدها همگی تبدیل به m7c3 شدند که مطلوبترند. اثر دیگر آن این است که درجه حرارت شروع و تحول مارتنزیتی (ms) را افزایش می‌دهد. Si موجب کاهش حلالیت کربن در آستنیت و در نتیجه بالا رفتن درصد کربن در کاربیدها و تشکیل آنها به m7c3 شده است. si موجب پایداری کاربیده m7c3 شده و بنابراین مقدار کرم مورد نیاز برای ایجاد ساختار کاربیدی ناپیوسته را کاهش می‌دهد اما وجود سیلیسیم همراه با آهنگ سرد شدن آهسته وجود کربن به مقدار زیاد، موجب تشکیل گرافیت آزاد می‌شود. به طور کلی SI به تسریع تبدیل مارتنزیتی کمک می‌کند.

منگنز: جزء پایدار کنند آستنیت است. MN هم در زمینه و هم در کاربید می‌تواند حل شود که باعث کاهش سختی و افزایش آستنیت باقی مانده می‌شود. حل شدن منگنز در کاربید سختی آنرا افزایش می‌دهد. در این مورد گزارش داده شده است که کاربید M3c بوجود نیامده است. از این رو کاهش سختی کاربید ارتباطی با تغییر نوع کاربید ندارد و می‌توان انتظار داشت که با ورود MN به کاربید m7c3 سختی آن کاهش یافته است. سختی فاز زمینه همراه با کاهش فاز کاربید مقاومت سایش قطعه را به دنبال دارد.

وانادیوم: وانادیوم از عناصر کاربیدزای قوی می‌باشد. اضافه شدن کروم به زمینه به طور موثر مانع از پرلیتی شدن زمینه می‌شود و پیدایش زمینه آستنیتی را ترغیب می‌نماید. وانادیوم می‌تواند جایگزین کروم در کاربید شده و کروم را وارد زمینه کند.

مس: مس معمولاً به عنوان عنصری که سختی‌پذیری را افزایش می‌دهد، باعث افزایش سختی و افزایش آستنیت باقی مانده  می‌شود و همچنین مقاومت به خوردگی را کاهش می‌دهد. برای قطعات ضخیم مس معمولاً برای جلوگیری از تشکیل پرلیت به کار می‌رود.  مس Ms را پایین می‌آورد.

مولیبدن: مولیبدن سختی و سختی‌پذیری آلیاژ را بالا می‌برد تاثیر چندانی روی mS ندارد. در چدنهای سفید تا حدود 3% به کار می‌رود. چنانچه بیش از 4% حضور یابد کاربیدهای نوع M4C مشاهده می‌شود که این نوع کاربیدها باعث افزایش سختی می‌شود و مقاومت به یش را کم می‌کند و مقاومت به ضربه‌ و خوردگی را افزایش می‌دهد. با مولیبدن کمتر به ندرت از 3% تجاوز نماید کاربیدهای ظریف محصور شده مشاهده می‌شود که کاربیدهای یوتکتیکی یا M2C و یاM6C هستند. سرعت بحرانی سرد شدن را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد که اطمینان از تحول مارتنزیت در موقع سخت کردن را در مقاطع ضخیم بیشتر نماید.

مولیبدن باعث باقیماندن درصد بیشتری آستنیت تا درجه حرارت محیط می‌شود ولی مکانیزم آن با عناصری که  را وسیع می‌کنند مانند Ni (نیکل) و منگز MN متفاوت می‌باشد. عناصر اخیر MS را نیز به میران قابل توجهی کاهش می‌دهند در حالی که مولیبدن تاثیر قابل توجهی روی درجه حرارت Ms ندارد. مولیبدن سرعت رسوب کاربید ثانویه را از آستنیت تقلیل می‌دهد لذا باقیماندن کربن در محلول بیشتر در آستنیت آن را پایدار می‌نماید. مولیبدن دارای اثر ایجاد تاخیر در تشکیل پرلیت می‌باشد. وجود مقادیر بیشتر مولیبدن، استفاده از مقادیر بیشتر کربن را مجاز می‌کند. چون حلالیت مولیبدن در m7C3  محدود است اثر مولیبدن بر سختی حداقل می‌باشد.

نیکل: نیکل در بالابردن قابلیت سختی‌پذیری ضروری است. از تشکیل پرلیت جلوگیری کرده و بعد از عملیات حرارتی سبب ایجاد ساختار مارتنزیتی می‌شود و مقدار مورد نیاز آن به آهنگ سرد شدن و ضخامت قطعه ریختگی بستگی دارد. برای مقاطع به ضخامت تا MM 50 دامنه مقدار نیکل از 4/4% الی %8/4 درصد است. در صورتی که مقدار نیکل قطعات ضخیم‌تر بین 5 الی 6 درصد قرار دارد. نیکل بیش از حد ممکن است سبب ایجاد آستنیت باقیمانده بعد از عملیات حرارتی و ورقه ورقه شدن سطح در حین کار شود.

گوگرد (S): چنانچه گوگرد توسط منگز خنثی شده باشد موجب پایداری کاربید، می‌شود ولی در مواردی که مقاومت به شوک مهم باشد گوگرد  متناسب با مواد خام مصرفی و نحوه عمل ذوب تا حد امکان پایین نگه داشته می‌شود.

فسفر (P): چنانچه مقدار فسفر از 2/0 تجاوز کند موجب تردی ماده شده لذا باید تاحد امکان پایین نگه داشته شود.

به طور کلی در مورد ترکیب شیمیایی می‌توان گفت:

-       انتخاب ترکیب شیمیایی برای گرفتن حداکثر سختی توام بادرصد کنترل شده‌ای از آستنیت باقیمانده برای حفظ  (چقرمگی) و قابلیت کار سختی‌پذیری بعدی صورت می‌گیرد.

-       تعیین مقدار کمی تاثیر عناصر روی پارامترهای فوق دقیقاً نیست و بهترین روش برای نیل به بهترین شرایط کیفی ریختن آلیاژ و اصلاح ترکیب آن تا گرفتن شرایط ایده‌آل می‌باشد.

-       درصدر کربن کنترل کننده مقدار کاربیدهاست و می‌تواند در حدودی که ساختمان اولیه مورد نظر را از میزان وجود کاربید تامین نماید تغییر کند.

-       عناصر پایدار کننده آستنیت سختی‌پذیری را افزایش می‌دهند و روی سختی یا تاثیری ندارند یا اثر کمی می‌گذارند اما MS  را به مقدار قابل توجهی کاهش می‌دهند.

-               افزایش مزان کروم سختی‌پذیری را بالا می‌برد و MS  را نیز بالا می‌برد لیکن برای

برای سختی‌ تاثیر منفی دارد زیرا مقدار کربن زمینه را کاهش می‌دهد.

-              مولیبدن تنها عنصری است که سختی و سختی‌پذیری را بالا می‌برد  در حالی که تاثیر کمی روی درجه حرارت MS دارد.

تجهیزات ذوب در چدن نایهارد

چدن نایهارد ممکن است در کوره‌های الکتریکی یا دوار یا بوته‌ای تولید شوند. برای تولید آنها از مواد نسوز اسیدی و یا بازی استفاده می‌شود. اما فقط کوره‌های الکتریکی قادر به ارائه ترکیب صحیحی از فاز کنترل دما است. با کوره‌ها معمولاً شامل چدن خام، قراضه فولاد، نیکل، فروکروم، فروسیلیسم و فرو مولیبدن است. انجام عملکربوره شدن در ذوب کوره الکتریکی امری متداول است. برای تهیه بار ارزان قیمت‌تر ممکن است باری شامل چدن خام، قراضه فولاد، فولاد زنگ نزن مورد استفاده قرار گیرند.

دمایی که برای ریختن چدن نایهارد توصیه می‌شود در دامنه‌ 0C1370 -0C1340 است. فلز باید مستقیماًٌ به درون سر تغذیه ریخته شود طوری که سرعت آن برابر این که سطح فلز را در بالای کانال فرعی در راهباره نگه دارد، کافی باشد.

عملیات ذوب چدن در کوره‌ القایی بدون هسته برای چدن نایهارد:

مشخصات و مقدار مواد مختلفی که به کوره القایی شارژ می‌شود، بستگی به نوع و کیفیت چدن نایهارد تولیدی دارد. خواص فیزیکی و شیمیایی مواد شارژ کوره از قبیل اندازه چگالی، تمیزی و عاری از اکسیده بودن و پوشش‌های فلزی و غیز فلزی و درجه آلودگی می‌تواند بر مواد زیر اثر بگذارد.

-              کیفیت چدن نایهارد تولید شده

-              میزان سرعت ذوب چدن نایهارد

-              حجم سربارخ تولید شده چدن نایهارد

-              طول عمر نسوز کوره القایی

-              معرف انرژی الکتریکی

به علت وجود تلاطم در ذوب مواد آلیاژی به سرعت و با کمترین افت جذب ذوب می‌شود. این مطلب در زمانی که کربن به ذوب اضافه می‌شود، تفاوت می‌کند. بدین صورت که به دلیل پایین‌تر بودن وزن مخصوص آن نسبت به مذاب چدن کربن تمایل زیادی به روی سطح مذاب آمدن دارد. با نشستن کربن روی سطح مذاب چون که در تماس با کربن است اشباع می‌شود. این مذاب اشباع شده بر اثر تلاطم به کنار رفته و مذاب اشباع نشده جای آن را می‌گیردو سپس این مذاب نیز به نوبه خود از کربن اشباع می‌شود و به این ترتیب کربن در داخل مذاب حل می‌شود. باید دقت داشت که کربن به روی سطح مذاب تمیز ریخته شود و نه روی سرباره که در غیر این صورت کربن به صورت منواکسید کربن از دست می‌رود. کارآیی عمل کربن  دهی به ذوب بستگی به دمای ذوب ترکیب شیمیایی و نیز زمان و شرایط افزودن کرنبن دارد. هنگامیکه قراضه به کوره ریخته می‌شود. بهترین راه افزودن کربن ریختن تدریجی آن است. پس از رسیدن میزان کربن به درصد مورد نظر بایستی سیلیس و دیگر آلیاژها را به حد مطلوب خود برسانیم.

ملاحظات خاک نسوز کوره برای چدن نایهارد

در حال حاضر ماسه ی سیلیسی بهترین عایق کوره برای ذوب چدن نایهارد در کوره‌های القایی است. مهمترین علت آن است که این خاک از نظر شیمیایی مناسب‌ترین تطابق را با سرباره اسیدی تولید شده در ذوب چدن نایهارد دارد.

عمر این عایق کوره متاثر از دمای متوسط کار آن و درصد کربن و سیلیسیم ذوب است. دمای متوسط نیز به نوبه خود وابسته به دمای ذوب‌ریزی، اندازه ذوب‌گیری در هر نوبت و مواد افزودنی به کوره است.

رابطه کلی فعل و انفعالات برای خاک سیلیسیمی به شکل زیر است:

(در ذوبCo +Si2 (در خاک نسوز) Sio2 + (در ذوب) C2

همانطور که مشاهده می‌گردد، این فعل و انفعال در هر زمان دو طرفه یا برگشت‌پذیر است. زمانیکه سرعت فعل و انفعال در هر دو طرف برابر شود، به شرایط تعادل رسیده و در هیچ طرف واکنش موثری مشاهده نخواهد شد.

قالبگیری چدن نایهارد

اجزاء مخلوط ماسه قالب‌گیری

به علت فراوانی ماسه با درصد سلیسی بالا و خاک رس کم و دشواری ساخت قطعات ریختگی چدنی بزرگ با ماسه‌های چسبدار طبیعی، استفاده از ماسه‌های مصنوعی (با درصد سیلیس بالا و در نتیجه ندرجه دیرگدازی بالا) مطرح شده است.

محدودیت اصلی ماسه‌های مصنوعی در مقابله ماسه‌های طبیعی بالا بودن قیمت اولیه آنها (حدود 5/2 تا 7 برابر) است.

یک مقایسه ساده مابین ماسه تر و ماسه خشک نشان می‌دهد که ماسه خشک خواص برتر و بهتری مثل استحکام طبیعت بیشتر و پایداری حرارتی بهتر وارد و ضمناً به دلیل عدم وجود آب اضافی در آن، احتمال ایجاد عیوبی که ناشی از تبخیر آب است به شدت کاهش می‌یابد. بنابراین در عمل ابتدا ماسه با آب کافی مخلوط می‌شود و قالبگیری با استفاده از خصوصاً جذب و قابلیت شکل‌پذیری مناسب یک مخلوط‌تر انجام می‌گیرد و سپس قالب خشک می‌شود  تا خو اص مطلوب ایجاد گردد.

پودر سلیس و اکسید آهن بهطور گشترده‌ا برای افزایش استحکام گرم و بالا بردن مقاومت در برابر سایش به کار می‌رود. قیر اغلب به منظور کسب استحکام بیشتر و اصلاح سطح تمام شده نهایی قطعه به مخلوط اضافه می‌شود.

عملیات حرارتی چدنهای سفید

خواص نهایی نقش عمده‌ای را که ساختار بعد از عملیات حرارتی ایفا می‌کند در نحوه کارکرد چدنهای سفید مقاوم در برابر سایش تاثیر به سزایی دارد. لذا بهتر است قبل از ورود به این بحث ساختمان میکروسکوپی حالت ریخته شده را بررسی نماییم.

در موقع انجماد چدنهای هیپو یوتکتیک به محض عبور از درجه حرارت لیکوئیدس دندریتهای آستنیت اولیه جدا شده و تا درجه حرارت یوتکتیک ادامه می‌یابد.

در درجه حرارت یوتکیتیک ذوب باقیمانده تبدیل به کاربید و آستنیت می‌شود سپس در هنگام عبور از منطقه آستنیت کاربید ثانویه از آن جدا شده و به این وسیله حلالیت کربن در زمینه تقلیل می‌یابد و به ناپایداری آن کمک می‌کند ضمن این که اطراف کاربیدهای ثانویه از نظر ترکیبی نسبت به کربن فقیر می‌شود و در تبدیل بعدی‌‌ هاله‌ای از مارتنزیت در کاربیدهای ثانویه به وجود می‌آورند که عامل تردی می‌باشد ضمن این که مرز دانه‌ها نیز به نوبه خود عامل تردی و کاهش مقاومت فرسایشی توام با ضربه‌ می‌باشد. چنانچه قطعه ضخیم و یا ترکیب شیمیایی مناسب نباشد در تبدیل آستنیت، پرلیت به وجود می‌آید که در کنار کاربید زمینه نامناسبی را در هنگام کار فراهم می‌کند و فرسایش پرلیت باعث کنده شدن کاربیدها و فرسایش سریع قطعه می‌شود. علاوه بر اینها مقداری آستنیت باقی مانده به دلیل فرصت کافی برای جدا شدن کاربیدهای ثانویه معمولاً در قطعه به وجود می‌آید.

هنگام انجماد چدنهای سفید هایپر به محض عبور از درجه حرارت لیکوئیدوس کاربیدهای اولیه از ذوب جدا شده و تا درجه حرارت تکتیک جدا شدن و رشد کاربیدهای اولیه ادامه می‌یابد در درجه حرارت پوتکتیک ذوب باقیمانده به استفاده و کاربید تبدیل می‌شود که کاربیدهای یوتکتیکی بعضاً روی کاربیدهای اولیه رسوب می‌نماید این آلیاژها به علت داشتن کاربیدهای اولیه خشن و درشت دارای خواص مکانیکی و ضربه خواری مطلوب نبوده و اخیراً روی آنها سیکل عملیات حرارتی مخصوصی (High tem – treatment)

انجام می‌دهند. در حوالی 0c150 تا 0c1200 به مدت سه ساعت که طی این پروسه کاربیدهای یوتکتیکی در کاربیدهای اولیه حل می‌شوند ضمن این که فرم کاربیدها هم از حالت داشتن لبه‌های تیز خارج شده و خواص مکانیکی آنها را ار نظر پذیرش ضربه بهتر می‌شود. در نتیجه در حالت ریختگی ساختمان سطح مقطع عبارت است از کاربید M7c3 در زمینه آستنیت ، و همچنین می‌تواند پرلیت، مارتنزیت و مقداری آستنیت باقیمانده باشد که بستگی به ترکیب شیمیایی اولیه دارد. چنانچه چدن سفید فقط حاوی کروم باشد و عناصر آلیاژی دیگری حضور نداشته باشد زمینه شامل کاربید M7c3  کاربیدهای ثانویه و زمینه پرلیتی ریز و مقداری آستنیت باقیمانده است و اگر آلیاژ حاوی نیکل و منگز که پایدار کننده آستنیت هستند و یا مولیبدن که به باقیماندن مقدار بیشتری از آستنیت کمک می‌کند، باشد زمینه دارای کاربید M7c3،،آستنیت باقیمانده، مارتنزیت به علاوه پرلیت خواهد بود، که استفاده باقیمانده همچنین پرلیت دارای مقاومت به سایش بالا نبوده و در نتیجه نیاز به عملیات حرارتی مارتنزیت کردن وجود خواهد داشت.

تبدیل آستنیت در ارتباط با عملیات حرارتی

آلیاژهایی که در حالت As – cast ساختمان آستنیتی دارند در درجه حرارت مورد نظر برای آنیل از نظر کربن به حالت فوق اشباع هستند. در نتیجه رسوب کاربید از آستنیت آغاز می‌شود و تا هنگامی که تعادل حاصل شود این مساله ادامه پیدا می‌کند. بنابراین هر قدر زمان نگه‌داری کمتر باشد میزان کربن و آستنیت باقیمانده بعد از عملیات حرارتی بیشتر خواهد بود. نکته دیگری که باید در این زمینه ذکر شود این است که گاهی برای از بین بردن تردی در اثر وجود کاربیدهای ثانویه در مرز دانه‌ها عملیات حرارتی با درجه حرارت بالا اعمال می‌شود. دیده شده که عبور از منطقه  در حین سرد کردن باعث رسوب کاربیدهای یوتکتیکی و مرز دانه‌ها می‌شود. راه جلوگیری از این قضیه عملیات حرارتی در درجه حرارت بالا می‌باشد. اما این مساله باعث رشد دانه‌های آستنیت می‌شود ضمن اینکه حرارت برای کوئینچ خیلی بالاست و امکان ترک خوردن قطعه به وجود می‌آید همچنین این امکان وجود ندارد که مستقیماً از درجه حرارت حل کردن تا درجه حرارت کوئینچ عبور کنیم بدون این که کاربید بین دانه‌ها نماند، راه جلوگیری از این مشکل این است که قبلاً عملیات حرارتی پرلیت کردن صورت گیرد.

در حالت ریخته شده سختی چدن نایهارد نوع 4 نسبتاً کم و بین 500-400 برنیل است. این سختی ممکن است به زیاد بودن مقدار آستنیت در زیر ساختار بستگی داشته باشد.

برای تبدیل آستنیت به مارتنزیت از عملیات حرارتی استفاده می‌شود که سبب ایجاد حداکثر سختی و مقاومت به سایش می‌شود. چدن نایهارد با ساختار کاملاً مارتنزیتی در برابر ورقه شدن تحت ضربات تکراری مقاومت زیادی دارند.

تبدیل مارتنزیتی

مارتنزیت که در چدن نایهارد نوع 4 تشکیل می‌شود مارتنزیت از نوع سوزنی پرکربن است. در چدنهای پرکربن، کربن بیشترین تاثیر را در تبدیل مارتنزیتی دارد و تبدیل آستنیت به سختی انجام می‌شود. مقدار کربن آستنیت از طریق اثر آن بر سختی مارتنزیت و مقدار تبدیل مارتنزیت بر سختی آلیاژ تاثیر زیادی می‌گذارد.

دو نوع عملیات حرارتی متداول بر چدن نایهارد نوع 4 انجام می‌شود. متداولترین عملیات آن است که قطعات ریختگی تا 0c800 حرارت داده شده و در این و مارتنزیتی به مدت 8 ساعت نگهداری و سپس در هوا سرد می‌شوند. عملیات باز پخت در 0c 450 برای به دست آوردن حداکثر چقرمگی به کار می‌رود. قطعات با اشکال پیچیده و یا اندازه مقاطع مختلف ممکن است تحت یک عملیات حرارتی دو گانه به مدت ن4 ساعت در 0c550 و پس از آن 16 ساعت در 0c450 قرار گرفتته و سپس در هوا سرد شوند.

 

تنوع درجه حرارت آستنیت کردن در ارتباط با میزان حلالیت کربن در آستنیت و سرعت سرد کردن از مهترین عوامل هستند که تحول مارتنزیتی را تحت تاثیر قرار می‌دهند. در حالیکه آستنیته کردن ساختمان سطح مقطع پرلیتی خیلی سریع صورت می‌گیرد. (تا حدودی که زمینه نسبت به کربن اشباع شود. تبدیل کاربید m3c حدوداً چهار ساعت طول می‌کشد هر قدر زمان از 4 ساعت کمتر باشد روی مقدار آستنیت باقیمانده اثر نمی‌گذارد ولی سختی‌پذیری را کاهش می‌دهد. سختی مارتنزیت بستگی به میزان کربن محلول در آن دارد. اما با توجه با آستنیت باقیمانده و عواملی نظیر ناهمگن بودن ساختمان آستنیت به دلیل رسوب کاربیدهای ثانویه و توزیع آنها و ... سختی نیز یکسان نمی‌باشد.

چدن قطعات آلیاژی کروم بالا در هوا سخت می‌شوند در انتهای مرحله سرد شدن به دلیل کاهش سرعت خروج حرارت از قطعات ضخیم تمپر کردن خود به خود صورت می‌گیرد و چنانچه مقدار مارتنزیت از 50% تجاوز نماید، سختی مجموعه از 25 تا 75 ویکرز کاهش می‌یابد.

تمپر کردن

تبدیل آستنیت به مارتنزیت با 6% افزایش حجم همراه است که باعث به وجود آمدن تنش قابل توجهی در قطعه می‌شود. لذا برای از بین بردن این تنشها آنها را در 0c200 تمپر می‌کنند اما هنگامیکه آستنیت باقیمانده زیاد باشد بین 0c500 -0c400 حرارت می‌دهند تا کربن محتوی آستنیت به شکل کاربید ثانویه تقلیل یافته ناپایدار شده و آستنیت به مارتنزیت تبدیل شود.

تعیین سختی چدن نایهارد

اندازه‌گیری دقیق و مداوم سختی قطعات ریختگی به عنوان یک وسیله کنترل مرغوبیت بسیار مفید است. لیکن به تنهایی مفید نیست. بنابراین برای به دست آوردن مرغوب‌ترین نوع چدن نیکل – سخت کنترل‌های دیگری از قبیل آنالیز شیمیایی و مطالعه ساختمان میکروسکوپی از اهمیت خاصی برخوردارند.

منابع

1-                                                                  haud book – Casting

2-                                                                      متالورژی کاربردی چدنها – جلد 1 مرعش مرعشی

3-                                                                        تکنولوژی چدن – روی الیوت، ترجمه: مهندس علیرضا علیپور

4-   چدن سفید مارتنزیتی – احمد ساعتچی  مجله ریخته‌گری، جامعه ریخته‌گران ایران- سال سوم- بهار61- شماره 1

 

منبع: بانک اطلاعات متالورژی

 

 

 


نوشته شده در تاريخ ۱۳۸۸/۸/۱٦ توسط رضا علیزاده-سید محمد درودی
.: Weblog Themes By Blog Skin :.

اسلایدر