گروه آموزشی متالورژی
روز کاری گروه : دوشنبهگروه آموزشی متالورژی
روز کاری گروه : دوشنبهچدن آستمپرشده
مقدمه ای بر چدن های داکتیل آستمپر شده
مقدمه:
این مقاله به معرفی جدن های جدیدی که به دلیل خواص قابل مقایسه خود با
فولاد ها، بصورت روز افزون جای خود را در صنعت ریخته گری باز کرده است، می پردازد. این نوع چدن ها از انواع چدن های داکتیل می باشد که دارای ساختار زمینه جدیدی بنام آسفریت(Ausferrite) است. این ساختار زمینه دارای خواص بسیار مطلوبی است که در ساختار های زمینه معمول در چدن ها (فریت، پرلیت و مارتنزیت تمپر شده ) این خواص مشاهده نمی شود. به همین جهت این نوع چدن های داکتیل تحت عنوان جدیدی ( چدن های داکتیل آستمپر شده Austempered Ductile Iron, ADI) نامگذاری شده اند و شماره های استاندارد مخصوصی (گرید 1 تا 5) را به خود اختصاص داده اند. لازم به ذکر است که ساختار زمینه آسفریت تنها در چدن ها ی داکتیل و خاکستری قابل دستیابی است.
انواع چدن ها:
در ابتدا جا دارد در خصوص دسته بندی چدن ها صحبت مختصری داشته باشیم. چدن سفید چدنی است که در آن کربن فقط بصورت ترکیبی ( ترکیب با آهن که به نام سمنتیت با ترکیب Fe3C شناخته شده است) حضور می یابد. در انواع دیگر چدن ها کربن بصورت غیر ترکیبی و به شکل گرافیت حضور می یابد. بسته به ساختار زمینه چدن ممکن است تقریبا تمام کربن بصورت گرافیت ظاهر شود مانند در چدن های خاکستری با زمینه فریتی. و یا ممکن است مقداری از کربن در تشکیل فاز زمینه شرکت نماید مثل چدن خاکستری با زمینه پرلیتی.
شکل 1 محدوده ترکیب شمیایی برای تولید انواع چدن خاکستری و چدن سفید با توجه به سرعت سرد کردن. چنانچه از شکل مشاهده می شود، هر چقدر سرعت سرد کردن بیشتر می شود محدوده ترکیبی چدن سفید بیشتر می گردد.
تولید گرافیت آزاد در چدن ها طی ریخته گری و هنگام انجماد بستگی به دو عامل ترکیب شیمیایی و سرعت سرد کردن قطعه دارد. مسلماَ در پروسه های معمول ریخته گری که سرعت سرد کردن تقریبا یکسان است، تولید انواع چدن با کنترل ترکیب شیمیایی میسر است. در شکل 1 اثر دو پارامتر ترکیب شیمیایی و سرعت سرد کردن روی ساختار چدن به صورت شماتیک نشان داده شده است. چدن های خالدار از نظر ساختار ما بین چدن های خاکستری و چدن های سفید قرار دارند، در شکلز نیز ترکیب این نوع چدن ما بین چدن خاکستری پریتی و چدن سفید قرار گرفته است.
علاوه بر جدن خاکستری، چدن های داکتیل نیز از انواع چدن های با گرافیت آزاد می باشند. از نظر ساختاری تفاوت اصلی بین این دو نوع چدن، شکل گرافیت ها در آنها می باشد. در چدن خاکستری گرافیت ها بصورت ورقه ای حضور دارند و در چدن های داکتیل گرافیت ها کروی می باشند. بدلیل این تفاوت ساختاری، خواص این دو گروه از چدن ها کاملا متفاوت می باشد. ضمن اینکه ساختار زمینه آنها نیز بر خواص کلی اثرات خواص به خود را دارد. شکل 2 ساختار این دو نوع چدن را با هم مقایسه میکند.
شکل 2 ساختار میکروسکپی چدن خاکستری (a) با ترکیب Fe-3.2%C-1.1%Si، شامل ورقه های گرافیتی در زمینه پرلیتی.
ساختار چدن داکتیل(b) با ترکیب Fe- 3.2%C-2.5% Si- 0.05%Mg شامل گرافیت های کروی در زمینه فریتی. زمینه فریتی توسط آنیل کردن بدست آمده است.
از انواع چدن ها، چدن های مالیبل(Malleable) هستند که با انجام عملیات حرارتی طولانی ( چند روز) بر روی چدن های سفید، در دمای حدود 900 درجه سانتیگراد تولید می شوند. طی این عملیات حرارتی، سمنتیت در چدن های سفید تجزیه شده و به گرافیت تبدیل می کردد. در این حالت گرافیت شکل برفکی داشته و خواص مکانیکی چدن نسبت به چدن های خاکستری بهبود می یابد. در شکل 3 ساختار میکروسکپی چدن سفید و چدن داکتیل با هم مقایسه شده است.
در سالهای اخیر استفاده از چدن های مالیبل بدلیل هزینه های تولید زیاد، بسیار محدود شده است بنحویکه در سالهای اخیر تنها در حد کمتر از 1% از محصولات چدنی را بخود اختصاص داده است. دلیل این امر به بازار آمدن چدن داکتیل می باشد که با هزینه های تولید کم خواصی بمراتب بهتر از چدن های مالیبل را نیز ایجاد می کند. بالعکس چدن های داکتیل در صنعت بصورت روز افزونی جای خود را باز کرده و روند سعودی را دارد. شکل 4 روند صعودی تولید و استفاده از چدن های داکتیل را در سالهای اخیر نشان می دهد. در کنار این افزایش کاهش میزان مصرف چدن های خاکستری و چدن های مالیبل بخوبی مشاهده می گردد.
شکل 3 ساختار میکروسکپی چدن سفید (a) ، با ترکیب Fe-3.6%C-0.1%Si ، دندریت های پرلیت ( محصول آستنیت هیپو یوتکتیک که در دماهای پایین تبدیل به پرلیت شده است) بوسیله مناطق پرلیتی و سمنتیت احاطه شده است، ساختار چدن مالیبل (b) که با حرارت دادن چدن سفید در دمای بین 900 تا 950 درجه سانتیگراد بمدت چند روز بدست آمده است. این ساختار شامل گرافیت های برفکی شکل در زمینه فریتی می باشد.
شکل4 روند تولیدات انواع چدن در بازار آمریکا از ده 1970 تا سال 2000، دقت نمایید که محور عمودی مربوط به چدن های مالیبل اسکیل جداگانه ای دارد. چنانچه مشاهده می گردد میزان تولید چدن های داکتیل سیر سعودی داشته و با توجه به نرخ افزایشی مشاهده شده پیش بینی می شود که این روند ادامه دارد.
چدن های داکتیل آستمپر شده Austempered Ductile Iron (ADI) :
چنانچه گفته شد زمینه چدن ها خواص آنها را تغییر می دهد. در انواع زمینه های قابل دستیابی پس از ریخته گری اعم از زمینه فریتی، پرلیتی و حتی قطعات کوانچ شده و تمپر شده (مارتنزیت تمپر شده) ، پایه اصلی فریت با کریستال BCC می باشد. تغییر در سختی و خواص کششی ناشی از اختلاف در توزیع، شکل و اندازه ذرات کاربید آهن (سمنتیت Fe3C) در این زمینه اصلی می باشد. در نرم ترین زمینه یعنی زمینه فریتی هیچ کاربیدی حضور ندارد، در حالیکه لایههای کاربید در پرلیت در ایجاد سختی بالا موثر است. سخت ترین زمینه، مارتنزیت تمپر شده است که در حقیقت توزیع کاربید های بسیار ظریف در فریت می باشد. در شکل 5 خواص گرید های مختلف چدن های داکتیل نشان داده شده است. دایره های سیاه رنگ حداقل خواص گرید استاندارد را مشخص می کندو منطقه خاکستری روشن تر بالای آنها خواص کششی قابل دست یابی در انواع چدن های داکتیل با زمینه اصلی BCC ( فریت) را نشان می دهد.
در سال های اخیر نوعی چدن بعنوان چدن داکتیل آستمپر شده (ADI) شناخته شده است، که توسط عملیات حرارتی پس از ریخته گری تولید می گردد و ساختار اصلی زمینه آن آستنیت FCC، آستنیت که در دمای محیط باقی می ماند، می باشد. از شکل 5 می توانید مشاهده کنید که گرید های چدنADI بطور قابل ملاحظه ای استحکام بالاتری نسبت به دیگر چدن های داکتیل معمول با زمینه های مختلف دارند ، در عین حالیکه این نوع چدن، داکتیلیتی خوبی را نیز دارا می باشد.
شکل 5 مقایسه خواص مکانیکی چدن های داکتیل معمول و چدن های ADI دایره ها حداقل خواص مورد تایید استاندارد برای گرید های مختلف را نشان می دهد. چنانچه مشاهده می کنید خواص چدن های ADI کاملا بالا تر از چدن های داکتیل معمول می باشد.
علت اصلی این افزایش فوق العاده خواص، ریشه در حضور زمینه FCC همراه با توزیع تیغه های ریز فریت در آن را دارد. گرید های ASTM نشان دهنده حداقل استحکام کششی و داکتیلیتی می باشند و منطقه خاکستری تیره تر نشان داده شده در منطقه بالای گرید های تعیین شده در استاندارد، خواص قابل دست یابی در این نوع چدن ها را نشان می دهد. واضح است که چدن های ADI فرصت های جدیدی را برای کاربرد در چدن های داکتیل ایجاد می کند. در حقیقت چدن های ADI با توجه به استحکام و داکتیلیتی بالا در بسیاری کاربرد ها رقیب فولاد های فورج شده و فولاد های ریختگی شده اند. و این موضوع باعث افزایش مصرف روز افزون این نوع چدن ها گردیده است.
نحوه عملیات حرارتی (روش تولید) چدن های ADI:
ریخته گری چدن های ADI مشابه ریخته گری چدن های داکتیل می باشد. پس از ریخته گری، چدن ها تحت عملیات حرارتی آستمپرینگ که شامل حرارت دادن در دمای آستنیته و سپس کوانچ کردن در مذاب حمام نمک می باشد، قرار می گیرند تا تحول تبدیل آستنیت به آسفریت (مخلوط فریت وآستنیت) انجام پذیر و ساختار زمینه مطلوب بدست آید. برای درک بهتر این عملیات حرارتی و شناخت پارامترهای آن، توضیحاتی در این زمینه ارائه می شود. به این منظور یک دیاگرام ITT بصورت شماتیک در شکل 6 نشان داده شده است. چدن داکتیل در دمای Tγ که در حدود 840 تا 950 درجه سانتیگراداست، آستنیته می شود و در دمای TA (230 تا 400 درجه سانتیگراد) آستمپر می گردد. چهار مرحله طی این عملیات حرارتی وجود دارد که بصورت شماتیک در شکل نیز نشان داده شده است و در زیر توضیح داده می شوند.
مرحله اول- آستنیته کردن چدن در طول زمان مشخصی که تمام زمینه آستنیتی شود و کربن نیز بصورت هموژن در آن توزیع گردد. زمان مناسب نگهداری در دمای آستنیته یک ساعت برای هر اینچ ( 2.5 سانتیمتر) ضخامت می باشد. دمای آستنیته به ترکیب شیمیایی چدن بستگی دارد.
مرحله دوم – سرد کردن تا دمای آستمپرینگ با سرعتی که دماغه پرلیت را قطع نکند. این امر بوسیله کوانچ کردن در حمام مذاب حاصل می گردد. در ضخامت های زیاد ضروری است که عناصری مثل مس، نیکل و مولیبدن به ترکیب چدن اضافه گردد. افزودن این عناصر باعث انتقال دیاگرام ITT به سمت راست می گردد و اجازه نمی دهد که پرلیت در ساختار ایجاد گردد.
شکل 6 نمای شماتیکی از یک دیاگرام ITT در چدن ها
مرحله سوم – نگهداری چدن در دمای آستمپرینگ می باشد تا ااینکه تحول تبدیل آستنیت به آسفریت یعنی
انجام شده و تکمیل گردد. شکل 7 بصورت شماتیک این تحول را نشان می دهد. با توجه به شکل نبایستی زمان آنقدر طولانی باشد که تحول تبدیل آستنیت به بینایت یعنی
بوقوع بپیوندد. این زمان با توجه به ترکیب شیمیایی و دمای آستنیته تعیین می گردد.
شکل 7 تحول آستنیت به آسفریت بصورت شماتیک
مرحله چهارم – سرد کردن تا دمای محیط. در این مرحله لزومی به سریع سرد کردن نمی باشد. بیشتر بایستی توجه داشت که قطعه بصورت یکنواخت سرد شود تا در آن تنش های پسماند به حداقل برسد.
شکل 8 ساختار یک چدن ADI را نشان می دهد.
شکل 8 ساختار میکروسکپی چدن ADI شامل گرافیت کروی در زمینه آستنیت (فاز سفید رنگ) و تیغه های فریت(فاز تیره رنگ)
لازم به ذکر است که در یک قطعه فولادی که به همین روش مورد عملیات حرارتی قرار بگیرد، آستنیت به بینایت ، ساختاری شامل زمینه فریتی و کاربید آهن Fe3C ، تبدیل می شود. در صورتیکه در چدن ها حضور سیلیسیم زیاد از تشکیل کاربید جلو گیری می کند. در این حالت سیستم آهن و کربن یک دیاگرام نیمه تعادلیMetastable جدیدی را نشان می دهد که در آن آستنیت در دمای محیط پایدار می باشد. این نوع عملیات حرارتی می تواند بر روی چدن های خاکستری نیز انجام شود و در نتیجه آن زمینه آسفریت را در چدن های خاکستری ایجاد نمود به این ترتیب چدن های خاکستری آستمپر شده Austempered Gray Iron (AGI) تولید می گردد که از خواص ویژه ای برخوردار می باشد. بررسی این نوع چدن و کاربرد های آن در جای خود قابل بحث می باشد.
گرید های مختلف چدن های ADI:
پنج نوع مختلف چدن ADI دسته بندی شده اند که بوسیله انتخاب روش مناسب عملیات حرارتی می توان آنها را از یک چدن با ترکیب شیمیایی ثابت تولید کرد. جدول 1 مشخصات انواع چدن های ADI که در استاندارد ASTM 897-90 and 897M-90 دسته بندی شده اند، را نشان می دهد.
جدول 1 مشخصات گریدهای چدن های ADI که در استاندارد ASTM 897-90 and 897M-90 دسته بندی شده اند
گرید چدن | استحکام کششی MPa | استحکام تسلیم MPa | کرنش % | انرژی ضربه J | سختی HBW |
1 | 850 | 550 | 10 | 100 | 269-321 |
2 | 1050 | 700 | 7 | 80 | 302-363 |
3 | 1200 | 850 | 4 | 60 | 341-444 |
4 | 1400 | 1100 | 1 | 35 | 388-477 |
5 | 1600 | 1300 | N/A | N/A | 444-555 |
مهمترین پارامتر کنترل کننده خواص مکانیکی چدن های ADI که با کیفیت مطلوب ریخته گری و عملیات حرارتی شده باشند، انتخاب دمای آستمپرینگ می باشد. این پارامتر، عامل کنترل کننده ظرافت آسفریت تولید شده می باشد. منظور از ظرافت اندازه و تعداد ذرات فریتی است که در زمینه آستنیت وجود دارد. بطور کلی دماهای بالای آستمپرینگ ساختار نسبتا درشتی را می دهد که در نتیجه آن استحکام کم و داکتیلیتی زیاد می باشد. از طرف دیگر دما های پایین آستمپرینگ ساختار بسیار ریزی با استحکام زیاد ولی داکتیلیتی کم را می دهد. دماهای آستمپرینگ بالایی در حدود 400 تا 425 درجه سانتیگراد، چدن ADI گرید 1 را تولید می کند و دماهای آستمپرینگ 275 تا 300 درجه سانتیگراد چدن ADI گرید 4 را تولید می کند.
کاربرد ها و مقایسه خواص مکانیکی چدن های ADI :
چدن های ADI بطور باور نکردنی دارای نسبت استحکام به وزن بالایی همراه استحکام خستگی وتافنس شکست خوبی هستند. دانسیته چدن های ADI ، 10 درصد کمتر از فولادها میباشد و لذا این چدن ها میتوانند جایگزین فولاد های فورج شده و فولاد های ریخته گی بمنظور کاهش وزن گردند. از طرف دیگر با استحکامی سه برابر استحکام آلومینیوم و وزن فقط دو برابر ونیم آن ، چدن ها ی ADI میتوانند برای صرفه جویی در هزینه ها جایگزین قطعات آلومینیومی هم وزن شوند. به این دلایل این نوع چدن ها خیلی سریع در صنعت جای خود را باز کرده در بسیاری موارد جایگزین فولاد ها شده اند. مثال هایی از کاربردهای چدن های ADI شامل چرخ دنده ها، میل لنگ ماشین های مختلف، ناخن بار برداری در لودرها، میل بادامک ماشین و غیره می باشد. در شکل 9 نمونه ای از میل لنگ تولید شده از چدن ADI نشان داده شده است.
شکل 9 میل لنگ یک ماشین اسپورت از جنس چدن نشکن آستمپرشده
بعنوان مثال میل لنگ ها قبلا از فولاد و یا چدن داکتیل ساخته می شدند ولی امروزه در بسیاری موارد از چدن ADI تهیه میشوند. جهت مقایسه خواص مکانیکی چدن های ADI با مواد دیگر، نمونه های تست مکانیکی از میل لنگ های ساخته شده از فولاد ، چدن داکتیل و ADI تهیه و مورد آزمایش قرار داده شده اند. نتایج این آزمایشات در جدول 2 آورده شده است. چنانچه مشاهده می شود، در هر دو مورد استفاده از فولاد و یا چدنADI خواص به مراتب بالا تر از چدن داکتیل می باشد. توجه کنید که مقاومت به ضربه چدن ADI Grade 1 از فولاد نیز بهتر می باشد و این خاصیت بخصوص در کاربرد آن در میل لنگ بسیار مطلوب می باشد. دیگر مزایای استفاده از چدن ADI نسبت به فولاد فورج شده هزینه تولید کمتر آن و سبکتر بودن آن می باشد.
جدول 2 مقایسه خواص میل لنگ ساخته شده از سه جنس مختلف
خاصیت | فولاد فورج شده | چدن داکتیل | ADI |
استحکام تسلیم MPa | 738 | 538 | 827 |
استحکام کششی MPa | 910 | 903 | 1083 |
استحکام خستگی MPa | 400 | 324 | 427 |
کرنش (%) | 23.2 | 10.8 | 13.7 |
سختی BHN | 226-266 | 262-277 | 300 |
نتیجه گیری:
با توجه به خواص مطلوب چدن ها یADI ، هزینه های تولید نسبتا کمتر و چگالی کمتر نسبت به فولاد ها، این نوع چدن های داکتیل در صنعت ریخته گری جایگاه خاصی پیدا کرده است و در حال جایگزین شدن به جای فولاد های معمولی می باشد. این نوع چدن ها به بازار ایران نیز وارد شده و خواهند شد. لذا لازم است متخصصین ایرانی با این نوع چدن ها بیشتر آشنا شده و جهت گسترش تکنولوژی آن در داخل کوشا باشند.
مراجع:
· http://www.felezat.com/scientific.
چدن نشکن آستمپرشده:
ازدکترامیرعابدی استادیاردانشگاه شهیدرجائی
چدن های داکتیل آستمپر شده
مقدمه:
این مقاله به معرفی جدن های جدیدی که به دلیل خواص قابل مقایسه خود با
فولاد ها، بصورت روز افزون جای خود را در صنعت ریخته گری باز کرده است، می پردازد. این نوع چدن ها از انواع چدن های داکتیل می باشد که دارای ساختار زمینه جدیدی بنام آسفریت(Ausferrite) است. این ساختار زمینه دارای خواص بسیار مطلوبی است که در ساختار های زمینه معمول در چدن ها (فریت، پرلیت و مارتنزیت تمپر شده ) این خواص مشاهده نمی شود. به همین جهت این نوع چدن های داکتیل تحت عنوان جدیدی ( چدن های داکتیل آستمپر شده Austempered Ductile Iron, ADI) نامگذاری شده اند و شماره های استاندارد مخصوصی (گرید 1 تا 5) را به خود اختصاص داده اند. لازم به ذکر است که ساختار زمینه آسفریت تنها در چدن ها ی داکتیل و خاکستری قابل دستیابی است.
انواع چدن ها:
در ابتدا جا دارد در خصوص دسته بندی چدن ها صحبت مختصری داشته باشیم. چدن سفید چدنی است که در آن کربن فقط بصورت ترکیبی ( ترکیب با آهن که به نام سمنتیت با ترکیب Fe3C شناخته شده است) حضور می یابد. در انواع دیگر چدن ها کربن بصورت غیر ترکیبی و به شکل گرافیت حضور می یابد. بسته به ساختار زمینه چدن ممکن است تقریبا تمام کربن بصورت گرافیت ظاهر شود مانند در چدن های خاکستری با زمینه فریتی. و یا ممکن است مقداری از کربن در تشکیل فاز زمینه شرکت نماید مثل چدن خاکستری با زمینه پرلیتی.
شکل 1 محدوده ترکیب شمیایی برای تولید انواع چدن خاکستری و چدن سفید با توجه به سرعت سرد کردن. چنانچه از شکل مشاهده می شود، هر چقدر سرعت سرد کردن بیشتر می شود محدوده ترکیبی چدن سفید بیشتر می گردد.
تولید گرافیت آزاد در چدن ها طی ریخته گری و هنگام انجماد بستگی به دو عامل ترکیب شیمیایی و سرعت سرد کردن قطعه دارد. مسلماَ در پروسه های معمول ریخته گری که سرعت سرد کردن تقریبا یکسان است، تولید انواع چدن با کنترل ترکیب شیمیایی میسر است. در شکل 1 اثر دو پارامتر ترکیب شیمیایی و سرعت سرد کردن روی ساختار چدن به صورت شماتیک نشان داده شده است. چدن های خالدار از نظر ساختار ما بین چدن های خاکستری و چدن های سفید قرار دارند، در شکلز نیز ترکیب این نوع چدن ما بین چدن خاکستری پریتی و چدن سفید قرار گرفته است.
علاوه بر جدن خاکستری، چدن های داکتیل نیز از انواع چدن های با گرافیت آزاد می باشند. از نظر ساختاری تفاوت اصلی بین این دو نوع چدن، شکل گرافیت ها در آنها می باشد. در چدن خاکستری گرافیت ها بصورت ورقه ای حضور دارند و در چدن های داکتیل گرافیت ها کروی می باشند. بدلیل این تفاوت ساختاری، خواص این دو گروه از چدن ها کاملا متفاوت می باشد. ضمن اینکه ساختار زمینه آنها نیز بر خواص کلی اثرات خواص به خود را دارد. شکل 2 ساختار این دو نوع چدن را با هم مقایسه میکند.
شکل 2 ساختار میکروسکپی چدن خاکستری (a) با ترکیب Fe-3.2%C-1.1%Si، شامل ورقه های گرافیتی در زمینه پرلیتی.
ساختار چدن داکتیل(b) با ترکیب Fe- 3.2%C-2.5% Si- 0.05%Mg شامل گرافیت های کروی در زمینه فریتی. زمینه فریتی توسط آنیل کردن بدست آمده است.
از انواع چدن ها، چدن های مالیبل(Malleable) هستند که با انجام عملیات حرارتی طولانی ( چند روز) بر روی چدن های سفید، در دمای حدود 900 درجه سانتیگراد تولید می شوند. طی این عملیات حرارتی، سمنتیت در چدن های سفید تجزیه شده و به گرافیت تبدیل می کردد. در این حالت گرافیت شکل برفکی داشته و خواص مکانیکی چدن نسبت به چدن های خاکستری بهبود می یابد. در شکل 3 ساختار میکروسکپی چدن سفید و چدن داکتیل با هم مقایسه شده است.
در سالهای اخیر استفاده از چدن های مالیبل بدلیل هزینه های تولید زیاد، بسیار محدود شده است بنحویکه در سالهای اخیر تنها در حد کمتر از 1% از محصولات چدنی را بخود اختصاص داده است. دلیل این امر به بازار آمدن چدن داکتیل می باشد که با هزینه های تولید کم خواصی بمراتب بهتر از چدن های مالیبل را نیز ایجاد می کند. بالعکس چدن های داکتیل در صنعت بصورت روز افزونی جای خود را باز کرده و روند سعودی را دارد. شکل 4 روند صعودی تولید و استفاده از چدن های داکتیل را در سالهای اخیر نشان می دهد. در کنار این افزایش کاهش میزان مصرف چدن های خاکستری و چدن های مالیبل بخوبی مشاهده می گردد.
شکل 3 ساختار میکروسکپی چدن سفید (a) ، با ترکیب Fe-3.6%C-0.1%Si ، دندریت های پرلیت ( محصول آستنیت هیپو یوتکتیک که در دماهای پایین تبدیل به پرلیت شده است) بوسیله مناطق پرلیتی و سمنتیت احاطه شده است، ساختار چدن مالیبل (b) که با حرارت دادن چدن سفید در دمای بین 900 تا 950 درجه سانتیگراد بمدت چند روز بدست آمده است. این ساختار شامل گرافیت های برفکی شکل در زمینه فریتی می باشد.
شکل4 روند تولیدات انواع چدن در بازار آمریکا از ده 1970 تا سال 2000، دقت نمایید که محور عمودی مربوط به چدن های مالیبل اسکیل جداگانه ای دارد. چنانچه مشاهده می گردد میزان تولید چدن های داکتیل سیر سعودی داشته و با توجه به نرخ افزایشی مشاهده شده پیش بینی می شود که این روند ادامه دارد.
چدن های داکتیل آستمپر شده Austempered Ductile Iron (ADI) :
چنانچه گفته شد زمینه چدن ها خواص آنها را تغییر می دهد. در انواع زمینه های قابل دستیابی پس از ریخته گری اعم از زمینه فریتی، پرلیتی و حتی قطعات کوانچ شده و تمپر شده (مارتنزیت تمپر شده) ، پایه اصلی فریت با کریستال BCC می باشد. تغییر در سختی و خواص کششی ناشی از اختلاف در توزیع، شکل و اندازه ذرات کاربید آهن (سمنتیت Fe3C) در این زمینه اصلی می باشد. در نرم ترین زمینه یعنی زمینه فریتی هیچ کاربیدی حضور ندارد، در حالیکه لایههای کاربید در پرلیت در ایجاد سختی بالا موثر است. سخت ترین زمینه، مارتنزیت تمپر شده است که در حقیقت توزیع کاربید های بسیار ظریف در فریت می باشد. در شکل 5 خواص گرید های مختلف چدن های داکتیل نشان داده شده است. دایره های سیاه رنگ حداقل خواص گرید استاندارد را مشخص می کندو منطقه خاکستری روشن تر بالای آنها خواص کششی قابل دست یابی در انواع چدن های داکتیل با زمینه اصلی BCC ( فریت) را نشان می دهد.
در سال های اخیر نوعی چدن بعنوان چدن داکتیل آستمپر شده (ADI) شناخته شده است، که توسط عملیات حرارتی پس از ریخته گری تولید می گردد و ساختار اصلی زمینه آن آستنیت FCC، آستنیت که در دمای محیط باقی می ماند، می باشد. از شکل 5 می توانید مشاهده کنید که گرید های چدنADI بطور قابل ملاحظه ای استحکام بالاتری نسبت به دیگر چدن های داکتیل معمول با زمینه های مختلف دارند ، در عین حالیکه این نوع چدن، داکتیلیتی خوبی را نیز دارا می باشد.
علت اصلی این افزایش فوق العاده خواص، ریشه در حضور زمینه FCC همراه با توزیع تیغه های ریز فریت در آن را دارد. گرید های ASTM نشان دهنده حداقل استحکام کششی و داکتیلیتی می باشند و منطقه خاکستری تیره تر نشان داده شده در منطقه بالای گرید های تعیین شده در استاندارد، خواص قابل دست یابی در این نوع چدن ها را نشان می دهد. واضح است که چدن های ADI فرصت های جدیدی را برای کاربرد در چدن های داکتیل ایجاد می کند. در حقیقت چدن های ADI با توجه به استحکام و داکتیلیتی بالا در بسیاری کاربرد ها رقیب فولاد های فورج شده و فولاد های ریختگی شده اند. و این موضوع باعث افزایش مصرف روز افزون این نوع چدن ها گردیده است.
نحوه عملیات حرارتی (روش تولید) چدن های ADI:
ریخته گری چدن های ADI مشابه ریخته گری چدن های داکتیل می باشد. پس از ریخته گری، چدن ها تحت عملیات حرارتی آستمپرینگ که شامل حرارت دادن در دمای آستنیته و سپس کوانچ کردن در مذاب حمام نمک می باشد، قرار می گیرند تا تحول تبدیل آستنیت به آسفریت (مخلوط فریت وآستنیت) انجام پذیر و ساختار زمینه مطلوب بدست آید. برای درک بهتر این عملیات حرارتی و شناخت پارامترهای آن، توضیحاتی در این زمینه ارائه می شود. به این منظور یک دیاگرام ITT بصورت شماتیک در شکل 6 نشان داده شده است. چدن داکتیل در دمای Tγ که در حدود 840 تا 950 درجه سانتیگراداست، آستنیته می شود و در دمای TA (230 تا 400 درجه سانتیگراد) آستمپر می گردد. چهار مرحله طی این عملیات حرارتی وجود دارد که بصورت شماتیک در شکل نیز نشان داده شده است و در زیر توضیح داده می شوند.
مرحله اول- آستنیته کردن چدن در طول زمان مشخصی که تمام زمینه آستنیتی شود و کربن نیز بصورت هموژن در آن توزیع گردد. زمان مناسب نگهداری در دمای آستنیته یک ساعت برای هر اینچ ( 2.5 سانتیمتر) ضخامت می باشد. دمای آستنیته به ترکیب شیمیایی چدن بستگی دارد.
مرحله دوم – سرد کردن تا دمای آستمپرینگ با سرعتی که دماغه پرلیت را قطع نکند. این امر بوسیله کوانچ کردن در حمام مذاب حاصل می گردد. در ضخامت های زیاد ضروری است که عناصری مثل مس، نیکل و مولیبدن به ترکیب چدن اضافه گردد. افزودن این عناصر باعث انتقال دیاگرام ITT به سمت راست می گردد و اجازه نمی دهد که پرلیت در ساختار ایجاد گردد.
شکل 6 نمای شماتیکی از یک دیاگرام ITT در چدن ها
مرحله سوم – نگهداری چدن در دمای آستمپرینگ می باشد تا ااینکه تحول تبدیل آستنیت به آسفریت یعنی
انجام شده و تکمیل گردد. شکل 7 بصورت شماتیک این تحول را نشان می دهد. با توجه به شکل نبایستی زمان آنقدر طولانی باشد که تحول تبدیل آستنیت به بینایت یعنی
بوقوع بپیوندد. این زمان با توجه به ترکیب شیمیایی و دمای آستنیته تعیین می گردد.
شکل 7 تحول آستنیت به آسفریت بصورت شماتیک
مرحله چهارم – سرد کردن تا دمای محیط. در این مرحله لزومی به سریع سرد کردن نمی باشد. بیشتر بایستی توجه داشت که قطعه بصورت یکنواخت سرد شود تا در آن تنش های پسماند به حداقل برسد.
شکل 8 ساختار یک چدن ADI را نشان می دهد.
شکل 8 ساختار میکروسکپی چدن ADI شامل گرافیت کروی در زمینه آستنیت (فاز سفید رنگ) و تیغه های فریت(فاز تیره رنگ)
لازم به ذکر است که در یک قطعه فولادی که به همین روش مورد عملیات حرارتی قرار بگیرد، آستنیت به بینایت ، ساختاری شامل زمینه فریتی و کاربید آهن Fe3C ، تبدیل می شود. در صورتیکه در چدن ها حضور سیلیسیم زیاد از تشکیل کاربید جلو گیری می کند. در این حالت سیستم آهن و کربن یک دیاگرام نیمه تعادلیMetastable جدیدی را نشان می دهد که در آن آستنیت در دمای محیط پایدار می باشد. این نوع عملیات حرارتی می تواند بر روی چدن های خاکستری نیز انجام شود و در نتیجه آن زمینه آسفریت را در چدن های خاکستری ایجاد نمود به این ترتیب چدن های خاکستری آستمپر شده Austempered Gray Iron (AGI) تولید می گردد که از خواص ویژه ای برخوردار می باشد. بررسی این نوع چدن و کاربرد های آن در جای خود قابل بحث می باشد.
گرید های مختلف چدن های ADI:
پنج نوع مختلف چدن ADI دسته بندی شده اند که بوسیله انتخاب روش مناسب عملیات حرارتی می توان آنها را از یک چدن با ترکیب شیمیایی ثابت تولید کرد. جدول 1 مشخصات انواع چدن های ADI که در استاندارد ASTM 897-90 and 897M-90 دسته بندی شده اند، را نشان می دهد.
جدول 1 مشخصات گریدهای چدن های ADI که در استاندارد ASTM 897-90 and 897M-90 دسته بندی شده اند
گرید چدن | استحکام کششی MPa | استحکام تسلیم MPa | کرنش % | انرژی ضربه J | سختی HBW |
1 | 850 | 550 | 10 | 100 | 269-321 |
2 | 1050 | 700 | 7 | 80 | 302-363 |
3 | 1200 | 850 | 4 | 60 | 341-444 |
4 | 1400 | 1100 | 1 | 35 | 388-477 |
5 | 1600 | 1300 | N/A | N/A | 444-555 |
مهمترین پارامتر کنترل کننده خواص مکانیکی چدن های ADI که با کیفیت مطلوب ریخته گری و عملیات حرارتی شده باشند، انتخاب دمای آستمپرینگ می باشد. این پارامتر، عامل کنترل کننده ظرافت آسفریت تولید شده می باشد. منظور از ظرافت اندازه و تعداد ذرات فریتی است که در زمینه آستنیت وجود دارد. بطور کلی دماهای بالای آستمپرینگ ساختار نسبتا درشتی را می دهد که در نتیجه آن استحکام کم و داکتیلیتی زیاد می باشد. از طرف دیگر دما های پایین آستمپرینگ ساختار بسیار ریزی با استحکام زیاد ولی داکتیلیتی کم را می دهد. دماهای آستمپرینگ بالایی در حدود 400 تا 425 درجه سانتیگراد، چدن ADI گرید 1 را تولید می کند و دماهای آستمپرینگ 275 تا 300 درجه سانتیگراد چدن ADI گرید 4 را تولید می کند.
کاربرد ها و مقایسه خواص مکانیکی چدن های ADI :
چدن های ADI بطور باور نکردنی دارای نسبت استحکام به وزن بالایی همراه استحکام خستگی وتافنس شکست خوبی هستند. دانسیته چدن های ADI ، 10 درصد کمتر از فولادها میباشد و لذا این چدن ها میتوانند جایگزین فولاد های فورج شده و فولاد های ریخته گی بمنظور کاهش وزن گردند. از طرف دیگر با استحکامی سه برابر استحکام آلومینیوم و وزن فقط دو برابر ونیم آن ، چدن ها ی ADI میتوانند برای صرفه جویی در هزینه ها جایگزین قطعات آلومینیومی هم وزن شوند. به این دلایل این نوع چدن ها خیلی سریع در صنعت جای خود را باز کرده در بسیاری موارد جایگزین فولاد ها شده اند. مثال هایی از کاربردهای چدن های ADI شامل چرخ دنده ها، میل لنگ ماشین های مختلف، ناخن بار برداری در لودرها، میل بادامک ماشین و غیره می باشد. در شکل 9 نمونه ای از میل لنگ تولید شده از چدن ADI نشان داده شده است.
شکل 9 میل لنگ یک ماشین اسپورت از جنس چدن نشکن آستمپرشده
بعنوان مثال میل لنگ ها قبلا از فولاد و یا چدن داکتیل ساخته می شدند ولی امروزه در بسیاری موارد از چدن ADI تهیه میشوند. جهت مقایسه خواص مکانیکی چدن های ADI با مواد دیگر، نمونه های تست مکانیکی از میل لنگ های ساخته شده از فولاد ، چدن داکتیل و ADI تهیه و مورد آزمایش قرار داده شده اند. نتایج این آزمایشات در جدول 2 آورده شده است. چنانچه مشاهده می شود، در هر دو مورد استفاده از فولاد و یا چدنADI خواص به مراتب بالا تر از چدن داکتیل می باشد. توجه کنید که مقاومت به ضربه چدن ADI Grade 1 از فولاد نیز بهتر می باشد و این خاصیت بخصوص در کاربرد آن در میل لنگ بسیار مطلوب می باشد. دیگر مزایای استفاده از چدن ADI نسبت به فولاد فورج شده هزینه تولید کمتر آن و سبکتر بودن آن می باشد.
جدول 2 مقایسه خواص میل لنگ ساخته شده از سه جنس مختلف
خاصیت | فولاد فورج شده | چدن داکتیل | ADI |
استحکام تسلیم MPa | 738 | 538 | 827 |
استحکام کششی MPa | 910 | 903 | 1083 |
استحکام خستگی MPa | 400 | 324 | 427 |
کرنش (%) | 23.2 | 10.8 | 13.7 |
سختی BHN | 226-266 | 262-277 | 300 |
نتیجه گیری:
با توجه به خواص مطلوب چدن ها یADI ، هزینه های تولید نسبتا کمتر و چگالی کمتر نسبت به فولاد ها، این نوع چدن های داکتیل در صنعت ریخته گری جایگاه خاصی پیدا کرده است و در حال جایگزین شدن به جای فولاد های معمولی می باشد. این نوع چدن ها به بازار ایران نیز وارد شده و خواهند شد. لذا لازم است متخصصین ایرانی با این نوع چدن ها بیشتر آشنا شده و جهت گسترش تکنولوژی آن در داخل کوشا باشند.
مراجع:
· http://www.felezat.com/scientific.
چدن نشکن آستمپرشده:
ازدکترامیرعابدی استادیاردانشگاه شهیدرجائی
شکل 5 مقایسه خواص مکانیکی چدن های داکتیل معمول و چدن های ADI دایره ها حداقل خواص مورد تایید استاندارد برای گرید های مختلف را نشان می دهد. چنانچه مشاهده می کنید خواص چدن های ADI کاملا بالا تر از چدن های داکتیل معمول می باشد.