دانلود تحقیق چدن خاکستری استنیتی

1- چدنهای پر آلیاژ
1-1- مقدمه
گروه مهمی از چدنهای آلیاژی که با چدنهای ریختگی معمولی تفاوت دارند، به نام چدنهای پرآلیاژ یا چدنهای مخصوص شناخته می‌شوند.

چدن‌های پر آلیاژ را جداگانه بررسی می‌کنیم زیرا مقدار عنصرهای آلیاژی در آنها از 3 درصد بیشتر است و نمی توان آنها را در پاتیل با افزودن عنصرهای آلیاژی به چدنهای با ترکیب شیمیایی استاندارد تولید کرد.

چدنهای پر آلیاژ معمولا در ریخته گریهایی تولید می‌شوند که به تجهیزات لازم برای تولید این گونه ترکیبها مجهزند.

این چدن‌ها را معمولا در کوره‌های قوس الکتریکی یا القایی ذوب می‌کنند .

در این کوره‌ها می‌توان ترکیب شیمیایی و دما را به دقت کنترل کرد.

چدنهای پر آلیاژ گران قیمت ترند و در شرایط دشوار کاربردی از چدن‌های معمولی بهتر کار می‌کنند.

می‌توان ریخته گریهایی را که این گونه چدن‌ها را تولید می‌کنند به کوره‌های عملیات گرمایی و تجهیزات آبدادن با سرمایش مجهز کرد تا از عنصرهای آلیاژی به اقتصادیترین شیوه استفاده شود.

چدن‌های آلیاژی را معمولا برای کاربرد اقتصادی و رضایت بخش در شرایط خاص انتخاب می‌کنند.

عنصرهای آلیاژی گوناگون و مشخصه‌های آنها را در سه نوع وضعیت کاری بررسی می‌شود:
کار در محیط خورنده
الف- چدن‌های نیکل دار ب – چدن‌های پرسیلیسیم
کار در دمای بالا
الف- چدن نیکل دار ب- چدن‌های پر سیلیسیم ج – چدن آلومینیم دار د- چدن سفید پرکرم

کار در محیطهای ساینده و فرساینده الف- چدن‌های سفید نیکل – کروم دار (نای هارد) ب- چدن‌های سفید پر کروم مولیبدن ج- چدن سفید کروم دار
ترکیب شیمیایی بسیاری از این چدن‌های مخصوص در مشخصات فنی استاندارد گنجانیده شده است اما بعضی از آنها ترکیب شیمیایی اختصاصی دارند.

برای دستیابی به سودمندترین خواص بعضی از این چدن‌ها را عملیات گرمایی می‌کنند.

2-چدن خاکستری آستنیتی نای ر زیست
از زمانی که اولین نوع چدن آستنیتی تهیه گردید یعنی از حدود پنجاه سال پیش تا کنون انواع زیادی از این چدن با خواص مطلوب تولید شده است.

در حال حاضر انواع مختلفی از این نوع چدن‌ها با 36-14% نیکل و همچنین مقادیر متغیری از عناصر دیگر نظیر سیلیسیم، منگنز، مس کرم و مولیبدن وجود دارد.

گروهی معروف از چدن‌های پرآلیاژ با نام تجاری نای رزیست شناخته می‌شوند و از مدتها پیش به منظور مقاومت در برابر خوردگی تولید شده اند.

مقاومت عالی این چدن‌های پرکاربرد در برابر خوردگی مدیون وجود 5/13 تا 36 درصد نیکل و 8/1تا 6 درصد کرم و در یک نوع 5/5 تا 5/7 درصد مس در آنهاست.

از چدن‌های نای رزیست برای حل مسائل خوردگی مربوط به تلمبه کردن حمل و پالایش نفت چاههای ترش اب شور، بعضی اسیدها و قلیاها استفاده می‌شود.

اغلب چدن‌های نای رزیست را می‌توان به صورت چدن خاکستری یا داکتیل تولید کرد.

چدن‌های نای رزیست در مشخصات فنی ASTM جداول 1 و 2 گنجانیده شده اند.

در برابر اکسایش در دمای زیاد و نیز در محیطهای خورنده مقاوم اند.

وجود نیکل زیاد باعث تشکیل پولکهای گرافیت در حین انجماد حتی در حضور کروم زیاد ( تا 6 درصد در چدن نوع 2b) می‌شود.

زیاد بودن مقدار نیکل از تبدیل زمینه آستنیتی نیز جلوگیری می‌کند.

خواص مکانیکی و فیزیکی چدن‌های خاکستری نای رزیست که در جدولهای 3 و 4 ارائه شده است حاکی از ریز ساختار گرافیت پولکی در زمینه آستنیتی است.

به طور کلی استحکام کششی در گسترده 170 تا 240 مگان پاسکال خواهد بود، و اگر چه چدن‌های خاکستری نای رزیست پر آلیاژند، نباید تصور کرد که پراستحکام نیز هستند.

معمولا چدن‌های نای رزیست عملیات گرمایی نمی شوند اما در بعضی کاربردها و هنگامی که قطعات ریختگی باید در دمای زیاد کار کنند آنها را باید از لحاظ ابعادی پایدار کرد.

این گونه عملیات گرمایی ساختار زمینه آستنیتی را تغییر نخواهد داد.

فازآستنیت در چدن‌ها کاملا مانند فولادها نمی تواند در درجه حرارت معمولی حفظ شود مگر اینکه نقطه Ms با افزایش عناصر مناسب به اندازه مناسبی پایین رود.

برای این منظور عناصر منگنز نیکل مس یا ترکیب کروم + نیکل که استنیت را پایدار می‌کند به کار می‌برند.

بعلت مقدار زیاد کربن در چدن اگر بخواهیم از گذار کربن به حالت ترکیبی با ناپدید شدن گرافیت و سرانجام به دست آمدن چدن سفید اجتناب شود نباید عناصر منگنز و کروم که کربورهای کمپلکس می‌دهند بیش از اندازه لازم افزوده شوند.

بنابر این نمی توان یک چدن خاکستری بر طبق فرمول مخصوص فولاد تهیه نمود.

برای اینکه چدن خاکستری استنیتی همراه با کربورهای آزاد یا بدون آنرا به دست آوریم با در نظر گرفتن اینکه افزایش مسی نباید از حد حلالیت فراتر رود، و اینکه افزایش منگنز و کروم نباید ایجاد مقدار زیادر کربور بنماید، اساسا از عنصر نیکل استفاده می‌گردد.

دامنه موارد استعمال چدن‌های خاکستری استنیتی فقط بعضی از کاربردهای ویژه را در بر می‌گیرد انواع نای رزیست زمانی که مقاومت در برابر خوردگی مورد تقاضاست، مناسب می‌باشد.

انواع غیر مغناطیسی در قطعات موتورها و ماشینهایی که قابلیت نفوذ مغناطیسی آنها باید حداقل باشد به کار می‌روند نوع minvar دارای ضریب انبساط فوق العاده کوچکی است و نوع أهزقخسهمشم در درجات حرارتی بالا مورد استعمال دارد.

چدن‌های آستنیتی بدلیل مقاومت در برابر خوردگی وابستگی شدیدی به ترکیب دارند بنابر این رعایت حدود تغییرات عناصر در محدوده‌های تعیین شده بسیار مهم است.

از آنجائیکه سیلیسیم از تشکیل کاربیدها جلوگیری نموده و باعث رسوب گرافیت می‌شود لذا بایستی با در نظر گرفتن محدوده مجاز استاندارد مقدار آنرا به بالاترین حد ممکن رساند.

نوع کاربید تاثیر مهمی بر خواص ریخته گری دارد تشکیل کاربید بیانگر این نکته است که در هنگام انجماد گرافیت کمتری رسوب نموده است و در این صورت میزان انبساط چدن در قالب کمتر می‌باشد.

بعلاوه کاربیدهای یوتکتیک کرم در مراحل انتهای انجماد نمی توانند بخوبی تغذیه شوند در نتیجه باعث ایجاد خلل و فرخ و همچنین بروز انقباضهای بین دندریتی در قطعه می‌شوند بنابر این از نظر انقباض ناشی از انجماد بهتر است که میزان کاربیدها حداقل باشد.

در بیشتر چدن‌های آوستینتی کرم وجود دارد که تشکیل کاربیدهای کرم را می‌دهد.

به هر حال کرم مقاومت در برابر خوردگی و اکسید شدن را افزایش می‌دهد و در بعضی موارد برای ایجاد مقاومت سایشی زیاد بیش از 3% کرم به آلیاژ اضافه می‌شود.

چدن‌های آوستنیتی نظیر چدن‌های خاکستری غیر آلیاژی نسبت به ضخامت حساس هستند بدین معنی که مقاطع نازکتر نسبت به مقاطع ضخیمتر دارای کاربیدهای بیشتری هستند.

همچنین مقدار کاربید با افزایش کربن معادل کاهش می‌یابد.

کربن معادل باید به نحوی انتخاب شود که از قابلیت ریخته گری تشکیل تخلخل درونی استحکام و ساختمان گرافیت مطلوبترین شرایط بدست آید، چدن آوستنیتی قادر به تولید ساختمانهای گرافیتی کامل نظیر آنچه که در چدن‌های غیر آلیاژی دیده می‌شوند نیستند.

کربن معادل طبق فرمول زیر قابل محاسبه است: ‍CE=C%+0.33% Si+0.047% Ni – 0-0055% Ni*Si% مشخصه مشترک چدن‌های استنیتی مختلف مقاومت ضعیف آنها در برابر کشش است.

این مقاومت وقتی که گرافیت ورقه ای باشد 13 تا 25 کیلوگرم بر میلیمتر مربع و وقتی که گرافیت کروی باشد 32 تا 45 کیلوگرم بر میلیمتر مربع است.

این امر ناشی از آنست که زمینه بسیار نرم می‌باشد.

اما با وجود این این زمینه بسیار قابل کشش بوده و این چدن‌ها افزایش طولی قابل اندازه گیری ای را در آزمایش کشش نشان می‌دهند حتی با گرافیت ورقه ای افزایش طول مربوطه می‌تواند به 2 تا 3 درصد برسد زمانی که گرافیت کروی باشد این اعداد به مقدار زیادی بالاتر هستند.

حتی اگر خواص مکانیکی این چدن‌ها همیشه از اهمیت قابل ملاحظه ای برخوردار باشد، انتخاب این چدن‌ها اساسا بعلت خواص کاربردی بسیار ویژه شان توجیه می‌گردد.

انواع نای رزیست مقاومت خوبی در برابر خوردگی بوسیله اسیدها یا بوسیله نمکهای معدنی یا آلی، نشان می‌دهند.

مقاومت آنها در بسیاری از حالات به طور غیر قابل مقایسه ای بهتر از مقاومت یک چدن معمولی با یک چدن کم آلیاژ است.

انواع نی رزیست که دارای مس هستند به استثنای حالت خوردگی توسط بازها و در حالتی که باید با تمام قوا از آلوده شدن محصولات مورد عمل بوسیله مس اجتناب شود ترجیح داده می‌شوند.

در کنار اینها باید متذکر شد که انواع دارای مقدار کربن کم خواص مکانیکی بهتری داشته و علاوه بر این نوع 4 در برابر اکسید شدن در درجات حرارت بالا مقاومت بهتری دارد.

غالب چدن‌های استنیتی اصولا بعلت حضور کربورها، مغناطیس ضعیفی هستند،‌قابلیت نفوذ مغناطیسی آنها بین 1/1 تا 4/1 واقع شده است در حالی که چدن خاکستری معمولی که شدیدا مغناطیسی است قابلیت نفوذی نزدیک به 200 گوس بر ارستد دارد.

برای چدن‌های واقعا غیر مغناطیسی مانند انواع نوماگ و 556 برعکس قابلیت نفوذی پایینتر از 05/1 و گاهی اوقات پایینتر از 03/1 مورد مطالبه است.

یک چنین مقدار پایینی فقط می‌تواند در غیاب کربورها مثلا به کمک تلقیح گرافیتی کننده به دست آید.

می دانیم که آستنیت ضریب انبساط حرارتی اش بزرگتر از فریت است، در مقابل در جه سانتیگراد بین صفر و 200 درچه سانتی گراد بر عکس، آستنیت انوار غنی از نیکل ضریب انبساط حرارتی فوق العاده ضعیفی دارد.

بین صفر و 200 درجه سانتی گراد) نای رزیست معمولی (نوع 1)‌ ضریب انبساط حرارتی حدود درجه سانتی گراد دارد، این ضریب به تدریج که مقدار نیکل افزایش می‌یابد کاهش می‌پذیرد و در چدنی نی‌وار به حداقل خود یعنی بین صفر و 200 درجه سانتی گراد می‌رسد.

از این خاصیت زمانی که پایداری ابعاد باید فوق العاده دقیق باشند استفاده می‌شود مثلا برای بعضی از قطعات ماشین‌های ابزار دقیق و غیره.

چدنNicrosilal دارای خواص مکانیکی تقریبا رضایت بخش حتی در درجات حرارت بالا می‌باشد، این چدن در مقابل اکسید شدن تا حدود 900 درجه سانتی گراد نیز نسبتا خوب مقاومت می‌کمند.

با وجود این مقاومت در برابر اکسید شدن Nicrosilal در درجات حرارت بالا کمتر از مقاومت آلیاژ‌های غنی از کروم ( 12 تا 35 درصد) که گاهی با فولادها و گاهی با چدن‌ها طبقه بندی می‌شوند می‌باشد.

ساختار چدن‌های آستنیتی تشریح بسیار ساده ای دارند.

این چدن‌ها از یک زمینه آستنیتی همراه با گرافیت به صورت ورقه ای یا کروی و همراه با کربورهای اتکتیک تشکیل شده است.

جدول 1_انواع چدن استنیتی 3- تاثیر عناصر آلیاژی 1-3-کربن مقدار کربن معمولا حدود 3-4/2% می‌باشد.

باید توجه داشت مقدار کربن با افزایش نیکل کاهش می‌یابد.

تقریبا 20 % کربن به ازای هر 0.2% نیکل.

در چدن‌های کم کربن آستنیتی، مقدار کربن آزاد کمی کمتر از چدن‌های غیر آلیاژی است.

2-3-مس مس نسبت به نیکل ارزان است و بهمین خاطر می‌توان مقداری از آن را جانشین نیکل نمود.

ولی اگر قرار باشد قطعه در مجاورت محلولهای قلیایی و مواد غذایی باشد استفاده از آن مناسب نمی باشد.

3-3-کروم در چدن‌های آستنیتی وجود کرم باعث افزایش سختی و افزایش مقاومت در برابر پوسته شدن حرارتی و نیز افزایش استحکام می‌شود.

در این نوع چدن‌ها کرم بصورت کاربید وجود دارد.

اگر مقدار کرم کم حدود 1% باشد می‌تواند بصورت محلول در ساختار چدن وجود داشته باشد که این مسئله باعث پایدار شدن آستنیت می‌گردد.

در چدن آستنیتی کرم دار بعلت بالا بودن مقاومت در برابر سایش ماشینکاری مشکل و هزینه آن زیاد خواهد بود.

4-3-منگنز منگنز در حدود 5/1 – 5/0 % در چدن‌های آستنیتی وجود دارد.

البته گاهی نیز بخاطر بالا بردن مقاومت در مقابل ضربه در درجه حرارتهای پایین ممکن است میزان آن به حدود 7% نیز برسد.

5-3-سیلیسیم بعلت اینکه ساختمان زمینه آستنیتی می‌باشد سیلیسیم در آن اثر چندانی ندارد و بیشتر برای رسوب ورقه‌های گرافیتها استفاده و بطور معمول مقدار آن بین 5/2 تا 2/1% می‌باشد ( نسبت به ضخامت قطعه)، با افزایش میزان سیلیسیم به حدود 5/5 تا 5/4% و کاهش کربن به مقدار 2/2 -6/1 مقاومت درجه حرارت بالا خزش و مقاومت در برابر اکسید شدن افزایش می‌یابد.

حضور بیشتر از 5/5% سیلیسیم، خطر تشکیل فاز ترد سیلیکوفریت را در قطعات بوجود می‌آورد.

6-3-فسفر فسفر باعث ترد و شکننده شدن قطعات می‌شود.

لذا در تمامی چدن‌های آستنیتی عنصری مضر می‌باشد و مقدار آن به حداکثر 08/0% محدود می‌گردد.

7-3-سایر عناصر سایر عناصر بمقدار جزیی وجود دارند که در میان آنها می‌توان از سرب آرسنیک و آنتیموان و بیسموت به عنوان عناصر مضر نام برد.

4-کنترل دقیق متغیرها تحقیق و تجربه نشان داده است که تغییرات جزئی در ترکیب درجه حرارت و سایر پارامترهای متغیر تاثیر زیادی در ساختار زمینه و میزان تخلخل دارد.

بنابر این هنگام تولید قطعات از چدن‌های آستنیتی بایستی کنترل دقیقی روی متغیرها اعمال شود.

درجه حرارت بهینه در حدود 80 درجه بالای درجه حرارت لیکوئیدوس می‌باشد.

مثلا در مورد چدنی که حاوی 20% نیکل و 8/3% کربن معادل می‌باشد درجه حرارت مناسب حدود 1350 درجه خواهد بود.

1-4-اهمیت کربن معادل انتخاب کربن معادل باید به گونه ای باشد که مطلوبت ترین شرایط از نظر قابلیت ریخته گری، تشکیل تخلخل درونی، استحکام و ساختار گرافیت بدست آید.

مثلا در مورد قطعاتی که نیاز به تغذیه گذاری دارند استفاده از چدن‌هایی که ترکیب آنها باعث بوجود آمدن کمترین درجه