بسمه تعالي
دانشکده مهندسي مواد
بررسي تاثير متغيرهاي عمليات حرارتي بر ريزساختار و
مقاومت به سايش چدن نايهارد 4
پايان‌نامه براي اخذ درجه کارشناسي ارشد در رشته
مهندسي مواد گرايش شناسايي و انتخاب مواد مهندسي
علي رزاقي
اساتيد راهنما:
دکتر مجيد عباسي- دکتر محمود ربيعي
استاد مشاور:
بهمن 1393
تعهد نامه
تقديم به
همسر مهربانم بابت اميدي که در لحظه لحظه زندگي به من ارزاني کرد

تقدير و تشکر
با سپاس از قادر متعال، هستي بخش وجود
سپاس خدايي را که بر من منت نهاد تا يک‌بار ديگر افتخار کسب علم و دانش و تجربهاندوزي را در محيطي صميمي با اساتيد مجرب و دلسوز اين بار در دانشگاه نوشيرواني بابل داشته باشم.
برخود لازم مي‌دانم تا از همه کساني که در به اتمام رساندن اين پروژه مرا ياري نمودند، تشکر نمايم.
از راهنمايي‌ها و توصيه‌هاي دلسوزانه اساتيد بزرگوار جناب آقاي دکتر عباسي و جناب آقاي دکتر ربيعي به عنوان استاد راهنما که در تمام مراحل اين پروژه مرا ياري نمودند، تقدير و تشکر ميشود.
از مديريت و کارکنان شريف شرکت ريختهگري فولاد طبرستان، خصوصاً آقايان مهندس طالبي‌پور، مهندس فيروزبخت، مهندس قاسميان و خانم مهندس اولادي به خاطر همکاري صميمانه در انجام اين پروژه تشکر مي‌شود.
لازم است تا از واحدهاي قالب‌سازي، ذوب و ريخته‌گري و آزمايشگاه شرکت ريخته‌گري فولاد طبرستان و جناب آقايان حسن‌زاده و تقي‌زاده کمال تشکر و قدرداني به عمل آيد.
از همکاري صميمانه مجموعه آزمايشگاه‌هاي ريخته‌گري و عمليات حرارتي دانشگاه صنعتي نوشيرواني بابل و آقاي مهندس طاهرنژاد و آقاي گلي تقدير به عمل مي‌آيد.
لازم مي‌دانم تا از کمک‌هاي دوست عزيز و گرامي جناب آقاي مهندس عشقيان ياد نموده و براي همه اين عزيزان آرزوي توفيق و سربلندي از خداوند منان خواستارم.
در انتها از خانواده عزيزم، پدر و مادر بزرگوار و همسرم به خاطر همراهي‌ها و تشويقات بي‌دريغشان صميمانه سپاس‌گزارم.
چکيده
در اين تحقيق اثر دما و زمان ناپايدارسازي آستنيت بر ريزساختار و مقاومت به سايش چدن نايهارد نوع 4 مورد مطالعه قرار گرفت. به اين منظور پس از تهيه ذوب و ريخته‌گري، نمونه‌ها در چهار دماي 750، 800، 850 و C°900 به مدت يک تا شش ساعت ناپايدار شده و سپس در شرايط يکسان در هواي ساکن محيط سرد شدند. مطالعات ريزساختاري با استفاده از ميکروسکوپ‌ نوري مجهز به سيستم آناليزگر تصويري و ميکروسکوپ‌ الکتروني روبشي و XRD انجام شد. همچنين ريزسختي‌سنجي و درشت‌سختي‌سنجي به روش ويکرز انجام شد. آزمون سايش به روش پين روي ديسک با استفاده از سنگ ساينده Al2O3 در شرايط تنش آرام تحت نيروي N30 و سرعت خطي cm/s4 انجام شد. نمونه‌هاي سايش قبل از آزمون، تحت عمليات حرارتي برگشت در دماي C°300 به مدت 3 ساعت قرار گرفتند.
نتايج نشان داد که ريزساختار ريختگي چدن نايهارد با سختي 495 ويکرز شامل 67 درصد حجمي آستنيت باقيمانده، 13 درصد حجمي مارتنزيت و 20 درصد حجمي کاربيدهاي يوتکتيک M7C3 است. با انجام عمليات ناپايدارسازي، آستنيت باقيمانده به مارتنزيت و کاربيدهاي ثانويه تبديل مي‌شود و سختي افزايش مي‌يابد. تغييرات ناشي از اين فرايند به شدت تابعي از دما و زمان ناپايداري است. با افزايش بيشتر دماي ناپايدارسازي، آستنيت کمتري به مارتنزيت تبديل مي‌شود. همچنين افزايش زمان سبب کاهش ميزان آستنيت باقيمانده و افزايش کاربيدهاي ثانويه مي‌شود. مورفولوژي کاربيدهاي ثانويه M3C با افزايش دما و زمان از لايه‌اي يا تيغه‌اي به کروي تبديل مي‌شوند. با توجه به نتايج آزمون سايش و مطالعات ريزساختاري، بهترين شرايط براي ناپايدارسازي آستنيت و بهبود مقاومت به سايش، دماي 800 الي C°850 به مدت 3 تا 4 ساعت است.
واژه‌هاي کليدي: چدن نايهارد4، کاربيد يوتکتيک، کاربيد ثانويه، دما و زمان ناپايدارسازي آستنيت، مقاومت سايشي
فهرست مطالب
فصل 1- مقدمه1
فصل 2- مرور بر منابع5
2-1- معرفي چدن هاي سفيد مقاوم به سايش (چدن نايهارد)5
2-2- تاريخچه6
2-3- کاربرد چدن‌هاي نايهارد7
2-4- چدن‌هاي نايهارد و استانداردهاي آن9
2-4-1- ترکيب شيميايي و ريزساختار9
2-4-2- چدن نايهارد 1 و210
2-4-3- چدن نايهارد 412
2-5- تاثير عناصر آلياژي14
2-5-1- کربن14
2-5-2- کروم16
2-5-3- نيکل17
2-5-4- موليبدن18
2-5-5- تنگستن18
2-5-6- نيوبيم19
2-5-7- واناديم21
2-5-8- منگنز22
2-5-9- مس22
2-5-10- سيليسيم22
2-5-11- بور24
2-5-12- گوگرد24
2-5-13- فسفر24
2-5-14- نتيجه گيري24
2-6- ساختار متالورژيکي چدن نايهارد25
2-6-1- فازهاي مختلف موجود در چدن نايهارد25
2-6-2- فازهاي کاربيدي در چدن نايهارد26
2-6-3- تاثير شکل و اندازه کاربيدها در چدن نايهارد31
2-6-4- ساختمان زمينه چدن نايهارد31
2-7- ذوب و ريخته گري34
2-8- انجماد چدن نايهارد35
2-9- عمليات حرارتي38
2-10- عمليات ناپايدارسازي و تبديل آستنيت در آن41
2-10-1- تشريح فرايند41
2-10-2- تبديل مارتنزيتي در حين عمليات حرارتي ناپايدارسازي43
2-11- عمليات حراتي تمپر43
2-12- پارامترهاي عمليات حرارتي44
2-13- مقاومت به سايش چدن‌هاي نايهارد47
2-13-1- رابطه بين سختي و مقاومت به سايش48
2-13-2- درصد کربن و ريزساختار48
2-13-3- مورفولوژي، مقدار حجمي و اندازه کاربيد يوتکتيک50
2-13-4- دماي تمپر50
2-13-5- اثر آستنيت باقيمانده50
2-13-6- روش‌هاي آزمون سايش51
2-14- خلاصه تحقيقات انجام شده در خصوص نايهارد 453
2-15- جمع ‌بندي و هدف از تحقيق54
فصل 3- روش تحقيق55
3-1- طراحي آزمايش56
3-1-2- تهيه مدل و قالبگيري57
3-1-3- ذوب و بارريزي58
3-1-4- ترکيب شيمايي چدن نايهارد4 ريخته شده58
3-1-5- عمليات حرارتي ناپايدارسازي59
3-1-6- مطالعات ميکروسکوپي براي بررسي ريزساختار59
3-1-7- آناليز تفرق اشعه X (XRD)60
3-1-8- آزمون سختي60
3-1-9- آزمون سايش61
فصل 4- نتايج و بحث63
4-1- بررسي ريزساختار و سختي چدن نايهارد در حالت ريختگي63
4-2- اثر زمان ناپايدارسازي بر سختي65
4-3- اثر زمان ناپايدارسازي در دماهاي مختلف بر ريزساختار68
4-4- اثر دماي ناپايدارسازي در زمان ثابت بر سختي79
4-5- اثر دماي ناپايدارسازي بر ريزساختار در زمان ثابت82
4-6- بررسي ريزساختار با ميکروسکپ‌الکتروني روبشي85
4-7- اثر عمليات تمپر بر تغييرات سختي و ريزساختار86
4-8- اثر عمليات ناپايدارسازي بر مقاومت به سايش چدن نايهارد91
نتيجه‌‌گيري97
پيشنهادات براي تحقيقات بيشتر99
مراجع101
پيوست ‌ها107
فهرست شکل ‌ها
عنوان صفحه
شكل (2-1) صفحه لاينر آسياب ]2[7
شكل (2-2) پمپ لايروبي ساخته شده از چدن نايهارد 4 ]2[8
شكل (2-3) دستگاه ايجاد دمش در معدن الماس]5[9
شكل (2-4) ريزساختار نايهارد 1 در حالت ريختگي ]2[11
شكل (2-5) کاربيد يوتکتيک M3C در زمينه ]2[11
شكل (2-6) اثر مارتزيت زمينه بر سختي چدن نايهارد 2]2[12
شكل (2-7) ريزساختار کاربيد يوتکتيک چدن نايهارد 4 و کاربيد ميلهاي شکل يوتکتيک(تصوير راست) [2،17]13
شكل (2-8) اثر کربن بر سختي و مقاومت به ضربه نايهارد 4 بعد از عمليات حرارتي [2،19].15
شكل (2-9) دياگرام فازي آهن- کربن- کروم [18].16
شكل (2-10) اثر کروم بر مقاومت سايشي (a) سخت کردن?C820 (b) سخت کردن?C800 [20].17
شكل (2-11) کاربيدهاي يوتکتيکي M2C ]17،21[19
شكل (2-12) تشکيل کاربيد نيوبيم ‌در چدن‌هاي نايهارد ]24[20
شكل (2-13) تغييرات مقاومت سايشي نسبت به درصد واناديم ‌[15،18]21
شكل (2-14) اثر افزودن سيليسيم ‌بر مقاومت سايشي (a) سخت کردن در دماي ?C820 (b) سخت کردن در ?C850]20[23
شكل (2-15) اثر افزودن سيليسيم ‌ بر سختي(a) سخت کردن در دماي ?C820 (b) سخت کردن در?C850]20[23
شكل (2-16) ريزساختار ريختگي چدن نايهارد با کاربيد M3C ]17[27
شكل (2-17) ريزساختار قطعه ريختگي با کاربيد يوتکتيک M7C3 ]17[28
شكل (2-18) مورفولوژي تيغهاي کاربيد M7C3 ]17،31[28
شكل (2-19) تشکيل کاريبد يوتکتيک M7C3 ]31[29
شكل (2-20) ساختار دو گانهاي از کاربيدها در چدن نايهارد ]5،17[29
شكل (2-21) کاربيدهاي ثانويه ايجاد شده در چدن نايهارد ]17[30
شكل (2-22) کاربيدهاي ثانويه تشکيل شده در چدن نايهارد ]30[31
شكل (2-23) نمودار فازي دو تايي چدن نايهارد 4 ]2[35
شكل (2-24) سطح شکست ريزساختار انجماد چدن سفيد هيپو با فوق گداز کم ]36[37
شكل (2-25) سطح شکست ريزساختار انجمادي چدن سفيد هيپو با فوق گداز بالا]36[37
شكل (2-26) تاثير سرعت انجماد بر ريزساختار چدن مقاوم به سايش ]36[37
شكل (2-27) تشکيل کاربيد M3C طبق واکنش پريتکتيک ]36[38
شكل (2-28) نمودارپيوسته چدن Ni-hard 4 ]2[41
شكل (2-29) نمودار ايزوترمال چدن Ni-hard 4 ]2[42
شكل (2-30) رابطه درصد آستنيت باقيمانده، قبل و بعد از عمليات حرارتي با درجه حرارت ]39[45
شكل (2-31) تاثير دماي عمليات حرارتي بر سختي چدن نايهارد ]39[45
شكل (2-32) تصوير ميکروسکوپ نوري مربوط به نمونهاي که در هواي آرام سرد شده است ]38[46
شكل (2-33) تصوير ميکروسکوپ نوري مربوط به نمونه شکل (2-32) که در روغن سرد شده است ]38[46
شكل (2-34) تاثير دماي تمپر بر روي سختي چدن نايهارد ]38[47
شكل (2-35) تغييرات مقاومت سايش با نسبت سختي ماده به سختي ساينده در چدن سفيد ]2،40[48
شكل (2-36) مقاومت سايشي بر حسب مقدار کربن و ريزساختار فولادها و چدنهاي سفيد ]2[49
شكل (2-37) نمايي از دستگاه پين روي ديسک ]44[52
شكل (2-38) نمايي از ديسک ساينده و نگهدارنده پين ]44[53
شكل (3-1) فلوچارت طراحي آزمايش.56
شكل (3-2) مدل فومي ريخته شده57
شكل (3-3) قالب ريخته شده جهت ذوب ريزي57
شكل (3-4) نمونه پينهاي آزمون سايش62
شكل (3-5) سنگ ساينده مورد استفاده در آزمون سايش62
شكل (3-6) نحوه انجام آزمون سايش62
شكل (4-1) ريزساختار نمونه ريختگي چدن نايهارد 463
شكل (4-2) اثر زمان ناپايدارسازي بر ماکروسختي در دماها و زمانهاي مختلف66
شكل (4-3) اثر دما و زمان ناپايدارسازي بر ميکروسختي نمونههاي نايهارد67
شكل (4-4) ريزساختار نمونه ناپايدار شده در دماي C°750 در زمان‌هاي مختلف 1 تا 6 ساعت.69
شكل (4-5) ريزساختار نمونه ناپايدار شده در دماي C°800 در زمان‌هاي مختلف 1 تا 6 ساعت.71
شكل (4-6) ريزساختار نمونه ناپايدار شده در دماي C°850 در زمان‌هاي مختلف 1 تا 6 ساعت.73
شكل (4-7) ريزساختار نمونه ناپايدار شده در دماي C°900 در زمان‌هاي مختلف 1 تا 6 ساعت.74
شكل (4-8) تاثير زمان ناپايدارسازي بر مقدار حجمي فازها77
شكل (4-9) اثر زمان ناپايدارسازي بر مقدار آستنيت باقيمانده در دماهاي ناپايدارسازي78
شكل (4-10) اثر زمان ناپايدارسازي بر مقدار حجمي فازها79
شكل (4-11) اثر دماي ناپايدارسازي بر سختي در زمان ثابت 5 ساعت80
شكل (4-12) اثر دماي ناپايدارسازي بر سختي در زمان ثابت شش ساعت80
شكل (4-13) اثر دماي ناپايدارسازي بر مقدار حجمي فازهادر زمان 6 ساعت81
شكل (4-14) اثر دماي ناپايدارسازي بر ريزساختار نمونهها در زمان 5 ساعت82
شكل (4-15) اثر دماي ناپايدارسازي بر ريزساختار نمونهها در زمان 6 ساعت83
شكل (4-16) اثر دماي ناپايدارسازي بر مقدار حجمي فازها84
شكل (4-17) ريزساختار مشاهده شده توسط SEM از نمونههاي ناپايدار شده86
شكل (4-18) اثر دماي تمپر بر سختي87
شكل (4-19) ريزساختار نمونه‌هاي تمپر شده بعد از ناپايدارسازي آستنيت در دماي C°75088
شكل (4-20) ريزساختار نمونه‌هاي تمپر شده بعد از ناپايدارسازي آستنيت در دماي C°80089
شكل (4-21) ريزساختار نمونه‌هاي تمپر شده بعد از ناپايدارسازي آستنيت در دماي C°85090
شكل (4-22) ريزساختار نمونه‌هاي تمپر شده بعد از ناپايدارسازي آستنيت در دماي C°90091
شكل (4-23) اثر عمليات ناپايدارسازي بر مقاومت به سايش چدن نايهارد92
شكل (4-24) تصوير SEM گرفته شده از سطح سايش نمونههاي نايهارد493
شكل (4-25) اثر سختي معادل بر مقاومت به سايش96
فهرست جدول ‌ها
جدول (2-1) استاندارد اروپايي چدنهاي نايهارد ]2[10
جدول (2-2) ترکيب شيميايي انواع چدنهاي نايهارد [2،5]10
جدول (3-1) اطلاعات مربوط به فرايند ذوب58
جدول (3-2) آناليز ذوب نايهارد 458
جدول (3-3) شرايط انجام عمليات حرارتي59
جدول (4-1) درصد حجمي فازهاي تشکيل شده در نمونه ريختگي65
جدول (4-2) اثر دما و زمان ناپايدارسازي بر ماکروسختي نمونهها بر حسب ويکرز66
جدول (4-3) درصد حجمي فازهاي تشکيل شده در دماي 750 درجه سانتي‌گراد75
جدول (4-4) درصد حجمي فازهاي تشکيل شده در دماي 800 درجه سانتيگراد75
جدول (4-5) درصد حجمي فازهاي تشکيل شده در دماي 850 درجه سانتيگراد76
جدول (4-6) درصد حجمي فازهاي تشکيل شده در دماي 900 درجه سانتيگراد76
جدول (4-7) اثر دماي تمپر بر سختي نمونهها بر حسب ويکرز87
فصل 1- مقدمه
چدنهاي مقاوم به سايش بر مبناي ريزساختار و آلياژهاي آنها به پنج گروه عمده تقسيم ميشود که در اين ميان چدن نايهارد4 چدني با 6% نيکل، 9% کروم و 2% سيليسيم با کربن يوتکتيک و ساختاري با کاربيدهاي يوتکتيک M7C3 و زمينه عاري از پرليت در حالت ريختگي و نيز بعد از عمليات حرارتي غالباً بصورت مارتنزيتي ميباشد. اين آلياژها از طريق يک واکنش يوتکتيک که منجر به تشکيل آستنيت و کاربيد يوتکتيک M7C3 شده، منجمد ميشود.
چدن نايهارد4 از قديميترين گروه هاي چدنهاي پر آلياژ در صنعت بوده که بيش از 50 سال قدمت داشته و مواد بسيار مناسبي در آسيابهاي سيمان محسوب ميشوند. همچنين مصرف اين نوع چدنها در توليد قطعاتي نظير بوش ‌ها، سيلندرها، بوش سيلندرها، کاسه چرخ و … مي باشد.
در اين چدن، نيکل عنصري است که مانع از تشکيل پرليت از زمينه آستنيتي شده و باعث تشکيل يک ساختار سخت مارتنزيتي در حين سرد شدن در قالب ميشود. کروم هم در تشکيل کاربيدهاي يوتکتيک M7C3 و نيز بي اثر کردن اثر گرافيت زايي نيکل مورد استفاده قرار ميگيرد.
مقاومت سايشي و خواص مکانيکي چدن نايهارد به نوع، مورفولوژي و توزيع کاربيدهاي يوتکتيک و نيز ماهيت ساختار زمينه بستگي دارد. ترکيب شيميايي، شرايط انجماد و نيز عمليات حرارتي بر اين پارامترها تاثير گذار خواهند بود.
مقاومت سايشي خوب چدنهاي نايهارد به دليل ريزساختار آنهاست که شامل کاربيدهاي سخت يوتکتيک توزيع شده در زمينه مارتنزيتي، آستنيتي و رسوب کاربيدهاي ثانويه ميباشد. در مجموع ساختار زمينه ميتواند هم روي مقاومت سايشي و هم مقاومت ضربه تاثير گذار باشد.
ريزساختار آلياژ يک نقش اساسي را در رفتار سايشي ايفا ميکند. همانطور که بيان شد مقدار حجمي کاربيدها و نيز ساختار زمينه و توانايي آن براي تغيير فرم و کارسختي در حين سايش، بر مقاومت سايشي موثر ميباشند. با مطالعات صورت گرفته، مشحص شد که ارتباط بسيار قوي بين پارامترهاي ريزساختاري و مقاومت به سايش با شرايط عمليات حرارتي وجود دارد. لذا تعيين پارامترهاي عمليات حرارتي براي بهبود مقاومت به سايش و خواص مکانيکي چدن نايهارد موثر ميباشد..
ساختار بعد از عمليات حرارتي نقش عمدهاي را بر خواص مکانيکي و متالورژيکي ايفا ميکند که در نحوه کارکرد چدنهاي نايهارد تاثير به سزايي دارد. اين چدن در حالت ريختگي شامل 50% آستنيت باقيمانده بوده و داراي سختي HB (500-400) بوده که با انجام سيکل عمليات حرارتي جهت تشکيل مارتنزيت مقدار سختي به HB (600-550) افزايش مييابد.
عمليات حرارتي اين چدنها شامل ناپايدارسازي در دماهاي 750 تا 820 درجه سانتي گراد بوده و آنچه در عمليات حرارتي صورت ميگيرد رسيدن به ريزساختاري عاري از پرليت است. اين قطعات پس از ناپايدارسازي با سرعت آهستهاي سرد ميشوند. از پارامترهاي مهم در عمليات حرارتي، زمان و دماي ناپايدارسازي ميباشد. بهترين دماي ناپايدارسازي براي رسيدن به ماکزيمم سختي براي هر ترکيب شيميايي متغير است.
دماي ناپايدارسازي مقدار کربني که بايد در زمينه آستنيتي بصورت محلول باقي بماند را تعيين ميکند. دماهاي خيلي بالا پايداري آستنيت را افزايش داده لذا مقادير آستنيت باقيمانده بيشتر، سبب کاهش سختي ميشود. دماهاي پايين هم منجر به مارتنزيت کم کربن شده و باعث کاهش سختي و مقاومت به سايش ميشود. بنابراين تعيين اين پارامترها در خواص مورد نظر کاملاً موثر ميباشند.
در اين تحقيق سعي شد تا تاثير دما و زمان ناپايدارسازي بر ريزساختار و خواص سايشي چدن نايهارد4 با انجام آزمايشهاي مختلف بررسي شود. لذا با ثابت در نظر گرفتن ساير پارامترها، ناپايدارسازي نمونههاي چدن نايهارد4 در چهار دماي 750،800،850،900 درجه سانتيگراد و زمانهاي 1،2،3،4،5،6 ساعت صورت گرفت و سپس با انجام آزمايشهاي مختلف اثر اين پارامترها بر ريزساختار چدن نايهارد بررسي شد.
آزمون سايش هم در شرايط تنش آرام به روش Pin On Disc و با ساينده Al2O3 بر روي نمونهها انجام شد تا اثر پارامترهاي مورد نظر بر روي خواص سايشي چدن نايهارد مورد بررسي قرار گيرد.
لازم به ذکر است که براي بررسي تاثير پارامترهاي دما و زمان ناپايدارسازي آزمايشهاي مختلفي چون تعيين ريزسختيسنجي و درشتسختيسنجي به روش ويکرز، تعيين ريزساختار با ميکروسکوپ نوري و ميکروسکوپ SEM، آناليز XRD صورت گرفته تا نتايج حاصله بتواند تحليل درستي را ارائه نمايد.
فصل 2- مرور بر منابع
2-1- معرفي چدن هاي سفيد مقاوم به سايش (چدن نايهارد)
چدنهاي نايهارد بر مبناي سيستم سه تايي Fe-Cr-C و از مهمترين آلياژهاي مقاوم به سايش در صنعت ميباشند. اين آلياژها به دليل خواص ضد سايش، به طور گسترده‌اي در صنايع سيمان، فولاد و آسيابهاي خرد کننده به کار ميروند. قطعاتي که در آسيابها استفاده ميشوند، نه تنها در مقابل سايش، بلکه در برابر تنشهاي ديناميکي متعدد در حين کار بايد مقاوم بوده تا از بروز عيوب ناگهاني و شکست قطعات جلوگيري شود [1،2].
چدنهاي غير آلياژي يا کم آلياژ با کربن حدود 4% با اينکه ساختارشان مارتنزيتي است، چقرمگي پاييني دارند. چدنهاي سفيد غير آلياژي که اغلب کاربيد موجود در آنها به صورت سمانتيت است، به خاطر مقاومت در مقابل سايش مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ضعف عمده اين چدنها در ساختارشان است [3].
فاز کاريبد يک شبکه پيوسته‌اي را در اطراف دانه‌هاي آستنيت تشکيل داده و موجب تردي و ترک‌دار شدن مي‌گردد. افزايش يک عنصر آلياژي که کربن را به صورت کاربيدي غير از سمانتيت با سختي بيشتر و خواص مطلوب‌تر درآورده و مقدار کربن زمينه را کاهش دهد، موجب بهبود هم ‌زمان چقرمگي و مقاومت سايشي ميشود. عنصر مورد استفاده معمولاً کروم بوده و کاربيد آن به صورت M7C3 ميباشد [3،4].
چدن‌هاي مقاوم به سايش بر مبناي ريزساختار و آلياژهاي آنها، به پنج گروه عمده شامل چدن‌هاي پرليتي (FeC)، نايهارد يا نيکل – کروم (M3C)، نايهارد 4 (M7C3)، پرکروم (M7C3) و در نهايت ويژه (MXC) تقسيم ميشود [5].
نخستين خانواده چدنهاي پرآلياژ که بيشترين اهميت را کسب کرده‌اند، چدنهاي نايهارد با زمينه مارتنزيتي، کاربيدي بوده که مقدار کربن در آنها از 5/2 تا 6/3 درصد متغير ميباشد. نايهارد نام عمومي براي خانواده چدنهاي سفيد است که با نيکل و کروم آلياژ شده و مقاومت سايشي بالايي دارند. نايهارد شامل ريزساختاري از کاربيدها و يک زمينهي مارتنزيتي- آستنيتي- بينيتي يا زمينه‌ي غالباً مارتنزيتي است که اين ساختار توسط مقادير کربن، نيکل، کروم، سيليس و نيز عمليات حرارتي نهايي ايجاد مي‌شود [2،6].
در چدن نايهارد وجود عنصر نيکل به منظور به تعويق افتادن تشکيل پرليت و نيز کاهش سرعت بحراني سرد شدن در محدودهي 3/3 تا 5 درصد، به کار مي‌رود که منجر به تشکيل مارتنزيت به همراه مقداري آستنيت باقي مانده در زمينه ساختار ميشود. کروم از خاصيت گرافيت‌زايي نيکل جلوگيري کرده و باعث پايداري کاربيدها ميشود [2،7،8،9].
ترکيب کاربيدها با زمينهي مارتنزيتي مقاومت سايشي خوبي ايجاد مي‌کند. تعيين درصد عناصر آلياژي در چدن نايهارد به ابعاد قطعه و خواصي که از آن انتظار مي‌رود، بستگي دارد. زمانيکه مقاومت سايشي خوب و ضربه پذيري پايين مورد نظر باشد، کاربيدهاي درشتتر انتخاب شده و مقدار کربن بين 3/3 تا 6/3 بوده و در صورتي که قطعه در معرض بارهاي ضربهاي قرار ميگيرد مقدار کربن بين 7/2 تا 2/3 درصد متغير خواهد بود [9،10].
2-2- تاريخچه
در اواسط سال 1920 ميلادي تحقيقات کمپاني بين المللي نيکل منجر به کشف ترکيبي از نيکل و کروم شد که به چدن اضافه شده و ساختار مارتنزيتي و آستنيتي با مقاومت به سايش بالا در حالت ريختگي را ايجاد ميکرد. بر خلاف چدنهاي پرکروم، نايهارد با هر ضخامتي ميتوانست ريخته گري شده و با توجه به مقادير عناصر آلياژي، ساختار عاري از پرليت با مقاومت به سايش بالا به وجود آورد ]5[.
با ادامه تحقيقات توسط اين کمپاني براي بهبود خواص چدن نايهارد به ويژه مقاومت به سايش و مقاومت به ضربه، سبب شد تا چدن نايهارد يوتکتيک اوليه شامل عناصر8 درصد کروم، 6درصد نيکل و2 درصد سيلسيم در سال1950 گسترش يافته و چدن نايهارد4 ناميده شود. توليد چدن نايهارد 4 به دليل بهبود ساختار کاربيد و سياليت عالي آن در بعضي کارخانجات کاربرد زيادي پيدا کرده است. نقطه ذوب چدن نايهارد 4 در حدودF2250 است که حدود F125 کمتر از چدن پرکروم است. چدن نايهارد4، مقاومت شکست بهتري در مقايسه با چدن نايهارد1 و چدن پر کروم دارد و اين نشان دهنده پتانسيل گسترش چدن نايهارد 4 است [5،11].
2-3- کاربرد چدن‌هاي نايهارد
مصرف چدن‌هاي نايهارد در توليد قطعاتي نظير بوشها، سيلندرها، بوش سيلندرها، کاسه چرخ و … است. به منظور افزايش مقاومت در مقابل سايش چدنها، معمولاً از عناصري نظير کروم و موليبدن استفاده ميگردد. مصارف ديگر اين چدنها در ساخت قالبهاي حديده مربوط به کشش سيم، گلولهها و زره آسيابها، غلطک نوارهاي نقاله و پمپهاي ضد سايش ميباشد. شکل (2-1) صفحه لاينر آسياب از جنس چدن نايهارد را نشان ميدهد[2،9].
شكل (2-1) صفحه لاينر آسياب ]2[
يکي ديگر از موارد استفاده اين نوع چدنها درصفحات داخلي بدنه سنگ شکن هاي فکي است که ابعادي حدود 500 تا 1000 ميلي متر دارند. هرساله مقدار زيادي از اين چدن، به صورت قطعات ريختگي با سطح مقطعي حدود 100ميلي متر، به عنوان غلتکها و چکشهاي سنگ شکن مورد استفاده در صنايع معدن ‌ قرار ميگيرد. بعنوان قطعات خاص مي توان از آستر تلمبه‌هاي لجن ‌کش که در عمليات چاهزني بکار ميروند، بدنهها و پروانههاي تلمبههاي بزرگ گريز از مرکز که براي جابجا کردن دوغاب در خطوط حمل ونقل استفاده ميشود، پروانههاي تلمبه‌هاي تخليه، صفحههاي سايشي آسيابهاي گلولهاي بزرگ، پوشش محافظ در برابر کوارتز که بر روي ميله فولاد منگنزدار قرار ميگيرد، سرندهاي ميلهاي، صفحه ‌هاي جايگزين شونده سرندهاي تاي-راک و کفشک‌هاي سايشي فاير گلاسي ‌مارپيچي ماسه نام برد. پمپ لايروبي ساخته شده از چدن نايهارد4 در شکل (2-2) آمده است [2،9،12]. از نوع پر کربن 55/3 درصد آن، براي مقاطع ريختهگري با مقاطع نسبتاً نازک استفاده ميشود که در معرض بارگذاري ضربه‌اي قرار ندارند، اما بايد در برابر سايش شديد پايداري داشته باشد. در بدنه آسياب از نايهارد به جاي فولاد استفاده ميشود، تا سائيدگي را از1000گرم در تن به 50گرم در تن کاهش دهد [12].
شكل (2-2) پمپ لايروبي ساخته شده از چدن نايهارد 4 ]2[
دستگاه ايجاد دمش در معدن الماس از جنس نايهارد4 در شکل (2-3) آمده است.
شكل (2-3) دستگاه ايجاد دمش در معدن الماس]5[
2-4- چدن‌هاي نايهارد و استانداردهاي آن
2-4-1- ترکيب شيميايي و ريزساختار
چدن‌هاي سفيد مقاوم به سايش Ni-Cr با ترکيب شيميايي مختلف وجود دارد که عنصر نيکل در سختي‌پذيري اين آلياژ نقش عمده‌اي ايفا مي‌کند. عنصر مهم ديگر، کروم است که براي تشکيل کاربيد‌هاي فلزي به جاي گرافيت استفاده مي‌شود. ريزساختار اين چدن شامل مخلوط يوتکتيکي از آستنيت و کاربيد بوده که داراي سختي بالاست و اين سختي بالا به دليل وجود کاربيد‌هاي سخت يوتکتيک و نيز مقادير بالاي نيکل که که منجر به تشکيل مقداري مارتنزيت به جاي پرليت در حالت ريختگي شده، مي‌باشد ]5[.
چدن نايهارد در استاندارد ASTM 532 و کلاس I در انواع A, B, C, D و ديگر استاندارد‌هاي کشور‌‌هاي ديگر وجود دارد [2،5،10]. جدول (2-1) استاندارد اروپايي چدنهاي نايهارد را بيان ميکند. نايهارد به دو گروه تقسيم مي‌شود، گروه اول آلياژهاي متوسط شامل نايهارد 1و2 وگروه دوم شامل نايهارد 4 است [2،5،13،14]. در جدول (2-2) ترکيب شيميايي اين چدن‌ها آمده است. در چدن نايهارد نوع2 چنانچه درصد نيکل پايين باشد پرليت تشکيل ميشود و چنانچه مقدار نيکل زياد باشد به پايداري آستنيت کمک ميکند [3،10].
جدول (2-1) استاندارد اروپايي چدنهاي نايهارد ]2[
USA
ASTM A532Sweden
SIS 1404XXIndia
IS
7925UK
BS 4844Germany
DIN 1685France
NFA 32-401EU
numberEU
designaionInternational trade nameClass 1. Type B0512Type 1a Nil Cr 30/5002AGX 260 NiCr4 2FB Ni4 Cr2BCEN-JN2020EN-GJN-HV520Ni-Hard type2Class 1. Type A0513Type 1a Nil Cr 34/5502BGA 330 NiCr4 2FB Ni4 Cr2HCEN-JN2030EN-GJN-HV550Ni-Hard type1Class 1. Type C—-FBA–Ni-Hard type3Class 1. Type D0457Type 1b NiHCr2C+2D+2EGX 300 Cr NiSi 9 5 2FB Cr9Ni5EN-JN2040EN-GJN-HV600Ni-Hard type4
جدول (2-2) ترکيب شيميايي انواع چدنهاي نايهارد [2،5]
MoCrNiPSMnSiCنوع چدن4/0-06/2-5/18/4-3/3Max
3/0Max 15/07/0-3/05/0-3/06/3-3نايهارد 14/0-04/2-4/15-3/3Max
3/0Max 15/07/0-3/05/0-3/0Max
9/2نايهارد 24/0-09-85/6-5/4Max 06/0Max
1/06/0-4/02-8/12/3-6/2نايهارد 4
2-4-2- چدن نايهارد 1 و2
نايهارد 1 و 2 اساساً شامل 4 درصد نيکل و 2 درصد کروم است. ريزساختار اين چدنها شامل دندريتهاي اوليه و کاربيد يوتکتيک بوده، که اين کاربيدها به صورت صفحات کاربيد M3C ميباشد ]2،13[.
شکل (2-4) ريزساختار نايهارد 1 را نمايش ميدهد.
شكل (2-4) ريزساختار نايهارد 1 در حالت ريختگي ]2[
کاربيد يوتکتيک M3C تشکيل شده در ريزساختار چدن نايهارد1 در شکل (2-5) آمده است.
شكل (2-5) کاربيد يوتکتيک M3C در زمينه ]2[
سختي چدن نايهارد 1 تابعي از مقدار کاربيد و ساختار زمينه است. بعد از انجماد، آستنيت به مارتنزيت، مقداري بينيت، آستنيت باقيمانده و کاربيدهاي ثانويه تبديل ميشود. زمينه نهايي به ترکيب شيميايي آلياژ، سرعت سرد شدن بعد از ريختهگري و عمليات حرارتي اعمال شده بستگي دارد. سختي قطعه ريختگي به مقدار مارتنزيت موجود در زمينه بستگي داشته که براي رسيدن به بيشترين مقدار سختي و مقاومت به سايش، مقدار مارتنزيت حالت ريختگي تا حد امکان بايد بالا باشد ]2،5،13،15[
شكل (2-6) اثر مارتزيت زمينه بر سختي چدن نايهارد 2]2[
شکل (2-6) اثر مارتنزيت زمينه بر سختي چدن نايهارد را نشان ميدهد. مقدار کربن، مقدار موثر کاربيد در زمينه و نيز سختي وارد شده به ساختار زمينه را مشخص ميکند. نايهارد1 شامل تقريباً %(44-40) کاربيد يوتکتيک نوع M3C و نايهارد2 تقريباً داراي %(40-35) کاربيد ميباشد. اختلاف در مقدار کاربيد، تفاوت اساسي بين چدن نايهارد 1 و 2 است ]2،12،13،15[.
عنصر نيکل براي تشکيل ساختار زمينه مارتنزيتي – بينيتي بدون پرليت اضافه ميشود. آنچه که مهم ميباشد اين است که مقادير کم نيکل براي جلوگيري از تشکيل پرليت کافي نبوده و منجر به کاهش سختي و مقاومت به سايش ميشود. اين در حالي است که مقادير زياد نيکل هم باعث تشکيل آستنيت باقيمانده شده و منجر به کاهش سختي ميشود ]15[.
عنصر مهم ديگر، کروم بوده که در فاز کاربيد متمرکز شده و سختي آنرا افزايش ميدهد. کروم اثر گرافيت زايي نيکل را جبران کرده و ريزساختار کاملاً سفيد و بدون گرافيت ميدهد ]2،13[.
2-4-3- چدن نايهارد 4
همانطور که ذکر شد دو گروه عمده چدن نايهارد وجود دارند. چدنهاي با 4درصد نيکل و چدنهاي با 6 درصد نيکل و 9درصد کروم که معمولاً به چدن نايهارد 2 و 4 موسوم ‌اند. نوع 2 چدن نايهارد شامل کاربيدهاي يوتکتيکي M3C لدبوريتي بوده و بنابراين چقرمگي کمتري خواهد داشت و عمدتاً در توليد غلطکهاي فلز کاري مورد استفاده قرار ميگيرد. چقرمگي پايين يک نقطه ضعف براي چدن نايهارد 1 و 2 است. حضور عناصري که منجر به تشکيل کاربيد M7C3 شود، باعث افزايش چقرمگي چدن نايهارد ميشود که به اين نوع از چدن، چدن نايهارد 4 گويند ]2،5،13[.
نايهارد 4 چدن سفيدي با 9% کروم، 6% نيکل و 2% سيليس بوده که ساختاري با کاربيدهاي يوتکتيک (Cr,Fe)7C3 و زمينهي عاري از پرليت در حالت ريختگي و نيز بعد از عمليات حرارتي به صورت غالباً مارتنزيتي حتي در قطعات ريختگي سنگين خواهد بود ]2[.
اين ساختار کاربيدي مطلوب، نتيجه پيوستن مقادير کروم، نيکل و سيليس با کربن يوتکتيک يا هيپو يوتکتيک ميباشد. مقادير کاربيد در چدن نايهارد 4، %(28-20)کمتر از نايهارد 1 يا 2 است [2،17].
ريزساختار عمومي نايهارد 4 در شکل (2-7) آمده است.
شكل (2-7) ريزساختار کاربيد يوتکتيک چدن نايهارد 4 و کاربيد ميلهاي شکل يوتکتيک(تصوير راست) [2،17]
به دليل مقدار پايين کاربيد و مورفولوژي ميلهاي مانند آن، چدن نايهارد 4 مقاومت شکست بالاتري نسبت به نوع 1 و 2 دارد. ساختار زمينه ريختگي شامل مقادير تقريباً مساوي از مارتنزيت و آستنيت ميباشد. با عمليات حرارتي اکثر آستنيت به مارتنزيت و بينيت و کاربيدهاي ثانويهي بيشترتبديل ميشود. مقدار آستنيت باقي مانده %(20-10) است [2،17].
متالورژي و کاربرد چدن نايهارد نوع 4 تقريباً مشابه چدنهاي پرکروم ميباشد. اما با وجود تشابه ميان اين دو چدن، به طور کلي مشخصه‌اي که سبب ارجحيت بارز چدن نايهارد 4 در مقايسه با چدنهاي پرکروم شده، قابليت سختي ‌پذيري عالي آن ميباشد [8،9،10].
محدوديت استفاده از چدن نايهارد مخصوصاً در نوع 2، مربوط به شبکه پيوسته کاربيد است که دانه‌‌هاي آستينت را در خود احاطه کرده و سبب تردي آن مي‌‌گردد. همچنين در مقاطع ضخيم چدن نايهارد را نمي ‌توان توليد نمود زيرا امکان به وجود آمدن گرافيت آزاد و کاهش مقاومت به سايش وجود دارد. همچنين در چدن نايهارد2 سختي فاز کاربيد از کاربيدهاي آلياژي کمتر است. سمانتيت يا کاربيد آهن را مي ‌توان با کاربيدهاي ديگر جايگزين نمود، در نتيجه اين امکان وجود دارد تا چدني توليد نمود که فاز کاربيد آن از سمانتيت سختتر بوده و از نظر ساختاري نيز خواص مکانيکي بهتري را ايجاد نمايد [13،15،18].
2-5- تاثير عناصر آلياژي
2-5-1- کربن
سختي به مقدار زياد توسط مقدار کاربيدهاي موجود، که خود به مقدار کربن بستگي دارد، کنترل ميشود. در کاربردهايي که حداکثر سختي و مقاومت به بارگذاري ضربه‌اي از اهميت ثانويه برخوردار است، بايد از کربن به مقدار 3/3درصد استفاده کرد ولي در جايي که ضربات تکراري اعمال ميشود بايد مقدار کربن در دامنه 6/2 تا 9/2درصد باشد ]2،10،19[.
جهت حصول حجم مناسب از کاربيدهاي M7C3 و ايجاد سختي ‌پذيري لازم در چدن نايهارد، مقدارکربن آن در گريد 1 نوع D 6/3 – 5/2 وگريد 1 نوع C، 7/3 – 5/2 انتخاب مي‌شود. ازدياد کربن باعث ازدياد مقدار کاربيد شده که سختي قطعه را افزايش داده و تردي را نيز زيادتر مي‌‌کند. در مقادير قبل از يوتکتيک ( مقدار کربن يوتکتيک براي 7درصد کروم، حدود 2/3 است) ابتدا آستنيت جدا شده و در تحول يوتکتيک مابقي ذوب به کاربيد M7C3 و آستنيت تبديل ميشود که نهايتاً ساختار داراي کاربيدهاي محصور در زمينه آستنيت خواهد شد. در حوالي کربن يوتکتيک ساختمان يکنواختي از کاربيد M7C3 و آستنيت يوتکتيکي ظاهر ميشود. اما چنانچه مقدار کربن بيشتر از يوتکتيک باشد، از مذاب کاربيدهاي M7C3 جدا خواهد شد که دانههاي يوتکتيکي را احاطه ميکند. چنانچه مقدار کربن خيلي پايين باشد با تشکيل کاربيد کروم، درصد کربن آستنيت ‌ به ميزان قابل توجهي کاهش يافته و لذا در تبديلات بعدي نخواهد توانست سختي ‌پذيري کافي را داشته باشد [18،19].
بنابراين مقدار کربن نايهارد 4 يک ترکيب يوتکتيک يا هيپو يوتکتيک ميدهد . مقدار کربن، مقدار شکست کاربيدهاي يوتکتيک را مشخص ميکند. اين مقدار در %5/2 کربن، نهايتاً %20 و در %5/3 کربن، مقدار شکست کاربيدها تقريباً %28 است. تاثير درصد کربن بر روي سختي بعد از عمليات حرارتي در ‏شكل (2-7) نشان داده شده است. حجم کم کاربيد و شکل ميلهاي کاربيد و غير پيوسته بودن که در ‏شكل (2-7) نشان داده شده، علت مقاومت به شکست بهتر کاربيد نايهارد4 نسبت به نايهارد1و2 است. به طور معمول در چدن نايهارد4، مقدار کربن بين 2/3-9/2 درصد بوده تا مقاومت سايشي و تافنس همزمان تامين شود [2،5].
شكل (2-8) اثر کربن بر سختي و مقاومت به ضربه نايهارد 4 بعد از عمليات حرارتي [2،19].
2-5-2- کروم
کروم سه هدف عمده را در چدن نايهارد 4 فراهم ميکند. مقدار کروم از %(10-8) براي تشکيل کاربيدهاي (Cr,Fe)7C3 به جاي کاربيد (Fe,C)3Cلازم است. همچنين کروم از تشکيل گرافيت به دليل اثر Si جلوگيري کرده و در نهايت سختي پذيري چدن نايهارد را حتي اگر بخش عمده آن در کاربيد متمرکز شده باشد، افزايش ميدهد ]2،5[.
چنانچه درصد کروم پايين باشد (حوالي 3درصد)، تشکيل کاربيدهاي نوع M3C را ترغيب کرده و چنانچه درصد کروم به حوالي 10% برسد کاربيدهاي M7C3 تشکيل مي‌شود. با افزايش درصد آن، نقطه يوتکتيک به سمت چپ متمايل شده و منطقه آستنيت نيز کوچکتر خواهد شد، در نتيجه حد حلاليت کربن در آستنيت نيز کاهش مييابد. همچنين کروم دياگرام TTT را به سمت راست و خط مارتنزيت Ms را هم پايين مي ‌برد. وجود مقادير کروم بيش از حد، طوري که سبب تشکيل کاربيد کروم بسيار نرم ‌تر M23C6 شود، ضرورت ندارد که اين مهم در شکل (2-9) نشان داده شده است [2،5،18].
شكل (2-9) دياگرام فازي آهن- کربن- کروم [18].
کروم بر مرفولوژي و نوع کاربيد اثر ميگذارد. کاربيد کروم در چدن نايهارد4 به صورت M7C3 تشکيل شده که توزيع ريز و غيرپيوسته آن مهم ميباشد. با افزايش کروم مقدار کاربيد کروم افزايش مييابد، گر چه اين افزايش باعث تاثير بر ساختار زمينه هم ميشود. البته همانطور که اشاره شد، مقادير بالاتر کروم منجر به تشکيل کاربيد هاي از نوع M23C6 شده که باعث عدم بهبود مقاومت به سايش ميشوند. تاثير مقدار کروم بر افزايش مقاومت به سايش چدن نايهارد در شکل (2-10) نشان داده شده است ]20[.
شكل (2-10) اثر کروم بر مقاومت سايشي (a) سخت کردن?C820 (b) سخت کردن?C800 [20].
2-5-3- نيکل
در چدنهاي نايهارد، نيکل اولين عنصري است که در توقف تبديل زمينهي آستنيتي به پرليت موثر بوده و باعث ايجاد يک ساختار سخت مارتنزيتي در حين سرد شدن در قالب ميشود. لذا وجود نيکل در بالابردن قابليت سختي ‌پذيري ضروري بوده، از تشکيل پرليت جلوگيري کرده و بعد از عمليات حرارتي نيز سبب ايجاد ساختار مارتنزيتي ميشود ]2،15[.
مقدار مورد نياز نيکل به آهنگ سرد شدن و ضخامت قطعه ريختگي بستگي دارد. براي مقاطع با ضخامت mm 50 مقدار نيکل از 4/4 درصد الي 8/4 درصد بوده، در صورتي که مقدار نيکل در قطعات ضخيم‌تر بين 5 الي 6 درصد قرار دارد. مقدار حداقل نيکل در چدن نايهارد، در حدود 5% بايد نگه داشته شود تا از تشکيل پرليت در حين سرد شدن آهسته در قالب و يا در حين عمليات حرارتي جلوگيري به عمل آيد. البته نيکل بيش از حد ممکن است سبب ايجاد آستنيت باقيمانده بعد از عمليات حرارتي و ورقه ورقه شدن سطح در حين کار شود. بنابراين اگر قابليت سختي پذيري بالاتر مورد نياز باشد، اضافه کردن موليبدن راه حل بهتري نسبت به افزايش بيشتر مقدار نيکل است ]2،15،18[.
2-5-4- موليبدن
موليبدن سختي و سختي ‌پذيري آلياژ را بالا برده ولي تاثير چنداني روي MS ندارد. در چدن‌هاي سفيد موليبدن تا حدود 3 درصد به کار مي‌رود. چنانچه بيش از 4 درصد حضور يابد، کاربيدهاي نوعM4C مشاهده ميشود که اين نوع کاربيدها باعث افزايش سختي شده و مقاومت به سايش را کم مي‌‌کند و در نتيجه باعث افزايش مقاومت به ضربه ‌و خوردگي خواهد شد. موليبدن به ندرت از 3 درصد تجاوز مي‌کند ]20،21[.
موليبدن سبب پايداري مقدار بيشتري از آستنيت تا دماي محيط مي‌‌شود ولي مکانيزم آن با عناصري مانند نيکل و منگنز که باعث افزايش منطقه گاما مي‌شوند، متفاوت است. عناصر اخير MS را نيز به ميزان قابل توجهي کاهش مي‌دهند در حالي که موليبدن تاثير قابل توجهي روي درجه حرارت MS ندارد. موليبدن سرعت رسوب کاربيد ثانويه را از آستنيت تقليل داده و داراي اثر ايجاد تاخير در تشکيل پرليت مي‌‌باشد. وجود مقادير بيشتر موليبدن استفاده از مقادير بيشتر کربن را مجاز ميکند، چون حلاليت موليبدن در M7C3 محدود بوده و اثر آن بر سختي حداقل مي‌‌باشد ]5،20،21[.
2-5-5- تنگستن
اصولاً کاربيدهاي تنگستن در آلياژهايي با مقادير بيشتر از3 درصد تنگستن ايجاد ميشوند. کاربيدهاي تنگستن بدليل جدايش بلند دامنه در حين انجماد و به واسطه يک واکنش يوتکتيک مانند تشکيل ميشوند. در اين استحاله يوتکتيکي مذاب حاوي تنگستن به آستنيت، کاربيد يوتکتيک کروم و کاربيد تنگستن تبديل شده که دو نوع کاربيد ذکر شده بر روي هم رشد مي‌کنند. علت اين پديده آن است که هر دو کاربيد در يک بازه دمايي و زماني مشابه تشکيل شده و نيز هر دو فاز، ساختار کريستالوگرافي مشابهي (هگزاگونال) داشته و شعاع اتمي تنگستن وکروم به هم نزديک مي‌باشد. ظاهراً تشکيل کاربيدهاي يوتکتيک استخوان ماهي شکل تنگستن به واسطه جدايش بلند دامنه تنگستن در حين انجماد رخ داده، که اين کاربيدها بر روي کاربيدهاي يوتکتيک تشکيل ميشوند. ازآنجا که تشکيل اين کاربيدها حاصل واکنش يوتکتيک در سيستم سه تايي آهن-تنگستن-کربن بوده و مستقل از ميزان کروم آلياژ ميباشد، با پيشرفت واکنش يوتکتيک آهن-کروم-کربن و پس زده شدن تنگستن نامحلول در محصولات ، به مرور غلظت تنگستن درمناطق اطراف کاربيدهاي کروم افزايش يافته و سرانجام يوتکتيک Fe7W5C2(M12C6 ) يا همانM2C بر روي کاربيدهاي يوتکتيک تشکيل ميشود. اين نوع کاربيد در شکل (2-11) نشان داده شده است ]22[.
شكل (2-11) کاربيدهاي يوتکتيکي M2C ]17،21[
2-5-6- نيوبيم
افزودن نيوبيم ‌به چدنها باعث شکل‌گيري کاربيد سخت NbC با سختي HV2400 مي شود. نيوبيم ‌باعث تغيير مکان نقطه يوتکتيک به سمت راست مي‌شود. مرفولوژي کاربيد نيوبيم ‌بلوک-قلابي بوده و در محدوده 47/3-17/0 درصد اضافه مي شود. با افزودن نيوبيم ‌تغيير چنداني در ساختارها بوجود نمي‌آيد اما باعث خرد شدن کاربيدهاي کروم و همچنين کوچک شدن دندريتهاي آستنيت خواهد شد. به اين معني که افزودن نيوبيم ‌بر مرفولوژي کاربيدهاي يوتکتيکي کروم تاثير خواهد داشت. لذا ميتوان گفت که با افزايش نيوبيم ‌به اين چدنها، شبکه غيرپيوسته کاربيدي غير پيوستهتر خواهد شد که اين خود يک عامل بسيار مهم در بهبود رفتار سايشي و چقرمگي اين آلياژها ميباشد. علت ريز شدن کاربيدهاي يوتکتيکي را اين طور ميتوان توجيه کرد که چون کاربيدهاي نيوبيم ‌از کاربيدهاي M7C3 تشکيل ميشوند و اغلب کاربيدهايNbC در مرز دندريت ها تشکيل شده، لذا رشد دندريت‌هاي آستنيت توسط کاربيدهاي نيوبيم ‌محدود مي‌گردد ]24،2،23[.
شكل (2-12) تشکيل کاربيد نيوبيم ‌در چدن‌هاي نايهارد ]24[
همانطور که اشاره شد افزودن نيوبيم ‌بر ميزان کاربيدها تاثيري نداشته و مقدار کاربيدها تا حدودي ثابت خواهند ماند و اين بدان معني است که با افزايش نيوبيم ‌از ميزان کاربيدهاي نوع M7C3 کاسته خواهد شد و کاربيدهاي NbC جايگزين آن ها خواهد شد ]24[.
سختي کاربيد نيوبيم ‌HV2400 بوده که نسبت به سختي کاربيدهاي نوع M7C3بسيار زيادتر است، لذا خود عاملي خواهد بود تا سختي چدنهاي سفيد با افزودن نيوبيم ‌افزايش يابد. همچنين نيوبيم ‌باعث افزايش سختي زمينه يا آستنيت مي‌شود. نتايج آزمايش‌هاي سايش نشان مي‌دهد که ميزان سايش در نمونه ها با افزايش نيوبيم ‌کاهش مي يابد که مي توان کاهش ميزان سايش را با افزودن Nb ، با افزايش کاربيد نيوبيم ‌و جايگزين شدن آن بجاي کاربيدهاي يوتکتيکي M7C3 و همچنين توزيع غير پيوسته شبکه کاربيدي، توجيه کرد ]23،24[.
2-5-7- واناديم
واناديم ‌از عناصر کاربيدزاي قوي مي‌باشد. اضافه شدن کروم به زمينه به طور موثر مانع از پرليتي شدن زمينه شده و پيدايش زمينه آستنيتي را ترغيب مي ‌نمايد. واناديم ‌ميتواند جايگزين کروم در کاربيد شده و کروم را وارد زمينه کند. واناديم ‌باعث ايجاد کاربيد واناديم ‌با سختيHV2800 در مقايسه با کاربيد يوتکتيک ) HV1200-1800) در چدن پرکروم مي شود . شکل کروي VC باعث جلوگيري از رشد ترک در زمينه شده که اين باعث افزايش چقرمگي ميشود. زماني که درصد واناديم ‌از 4 درصد بيشتر شود، رسوبات ثانويه کاربيدVC در آستنيت مشاهده ميشود ]18،25[.
تاثير افزودن واناديم ‌بر مقاومت سايشي درشکل (2-13) نشان داده شده است که با افزايش درصد واناديم ‌مقاومت سايشي بهبود پيدا ميکند. اين به دليل افزايش درصد کاربيد نوعMC در ساختاربوده که باعث بهبود رفتار زمينه در برابر ذرات ساينده ميشود اگر چه با افزايش واناديم ‌درصد آستنيت باقيمانده افزايش مي‌يابد، اما سهم بهبود مقاومت سايشي به صورت زياد تابع مقدار کاربيد نوع MC بوده و اين موضوع ثابت مي کند که شاخص سختي براي مقاومت سايشي کافي نيست ]15،18،26[.
شكل (2-13) تغييرات مقاومت سايشي نسبت به درصد واناديم ‌[15،18]
2-5-8- منگنز
منگنز جزء پايدار کنندههاي آستنيت بوده که هم در زمينه و هم در کاربيد ميتواند حل شده و باعث کاهش سختي و افزايش آستنيت باقيمانده ‌شود. حل شدن منگنز در کاربيد سختي آنرا افزايش مي‌دهد. در اين مورد گزارش داده شده است که کاربيد M3C بوجود نيامده، از اين رو کاهش سختي کاربيد، ارتباطي با تغيير نوع کاربيد ندارد و ميتوان انتظار داشت که با ورود منگنز به کاربيد M7C3 ، سختي آن کاهش مييابد. با کاهش سختي فاز زمينه همراه با فاز کاربيد، مقاومت سايشي قطعه هم کاهش خواهد يافت ]2،27،28[.
2-5-9- مس
مس معمولاً به عنوان عنصري که سختي ‌پذيري را افزايش ميدهد، باعث افزايش سختي و افزايش آستنيت باقيمانده شده و مقاومت به خوردگي را کاهش ميدهد. براي قطعات ضخيم، مس معمولاً براي جلوگيري از تشکيل پرليت به کار ميرود. مس همچنين دماي Ms را پايين



قیمت: تومان


پاسخ دهید