نایهارد

دانلود پایان نامه

B (600-550) افزایش مییابد.
عملیات حرارتی این چدنها شامل ناپایدارسازی در دماهای ۷۵۰ تا ۸۲۰ درجه سانتی گراد بوده و آنچه در عملیات حرارتی صورت میگیرد رسیدن به ریزساختاری عاری از پرلیت است. این قطعات پس از ناپایدارسازی با سرعت آهستهای سرد میشوند. از پارامترهای مهم در عملیات حرارتی، زمان و دمای ناپایدارسازی میباشد. بهترین دمای ناپایدارسازی برای رسیدن به ماکزیمم سختی برای هر ترکیب شیمیایی متغیر است.
دمای ناپایدارسازی مقدار کربنی که باید در زمینه آستنیتی بصورت محلول باقی بماند را تعیین میکند. دماهای خیلی بالا پایداری آستنیت را افزایش داده لذا مقادیر آستنیت باقیمانده بیشتر، سبب کاهش سختی میشود. دماهای پایین هم منجر به مارتنزیت کم کربن شده و باعث کاهش سختی و مقاومت به سایش میشود. بنابراین تعیین این پارامترها در خواص مورد نظر کاملاً موثر میباشند.
در این تحقیق سعی شد تا تاثیر دما و زمان ناپایدارسازی بر ریزساختار و خواص سایشی چدن نایهارد۴ با انجام آزمایشهای مختلف بررسی شود. لذا با ثابت در نظر گرفتن سایر پارامترها، ناپایدارسازی نمونههای چدن نایهارد۴ در چهار دمای ۷۵۰،۸۰۰،۸۵۰،۹۰۰ درجه سانتیگراد و زمانهای ۱،۲،۳،۴،۵،۶ ساعت صورت گرفت و سپس با انجام آزمایشهای مختلف اثر این پارامترها بر ریزساختار چدن نایهارد بررسی شد.
آزمون سایش هم در شرایط تنش آرام به روش Pin On Disc و با ساینده Al2O3 بر روی نمونهها انجام شد تا اثر پارامترهای مورد نظر بر روی خواص سایشی چدن نایهارد مورد بررسی قرار گیرد.
لازم به ذکر است که برای بررسی تاثیر پارامترهای دما و زمان ناپایدارسازی آزمایشهای مختلفی چون تعیین ریزسختیسنجی و درشتسختیسنجی به روش ویکرز، تعیین ریزساختار با میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ SEM، آنالیز XRD صورت گرفته تا نتایج حاصله بتواند تحلیل درستی را ارائه نماید.

فصل ۲- مرور بر منابع
۲-۱- معرفی چدن های سفید مقاوم به سایش (چدن نایهارد)
چدنهای نایهارد بر مبنای سیستم سه تایی Fe-Cr-C و از مهمترین آلیاژهای مقاوم به سایش در صنعت میباشند. این آلیاژها به دلیل خواص ضد سایش، به طور گسترده‌ای در صنایع سیمان، فولاد و آسیابهای خرد کننده به کار میروند. قطعاتی که در آسیابها استفاده میشوند، نه تنها در مقابل سایش، بلکه در برابر تنشهای دینامیکی متعدد در حین کار باید مقاوم بوده تا از بروز عیوب ناگهانی و شکست قطعات جلوگیری شود [۱،۲].
چدنهای غیر آلیاژی یا کم آلیاژ با کربن حدود ۴% با اینکه ساختارشان مارتنزیتی است، چقرمگی پایینی دارند. چدنهای سفید غیر آلیاژی که اغلب کاربید موجود در آنها به صورت سمانتیت است، به خاطر مقاومت در مقابل سایش مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ضعف عمده این چدنها در ساختارشان است [۳].
فاز کاریبد یک شبکه پیوسته‌ای را در اطراف دانه‌های آستنیت تشکیل داده و موجب تردی و ترک‌دار شدن می‌گردد. افزایش یک عنصر آلیاژی که کربن را به صورت کاربیدی غیر از سمانتیت با سختی بیشتر و خواص مطلوب‌تر درآورده و مقدار کربن زمینه را کاهش دهد، موجب بهبود هم ‌زمان چقرمگی و مقاومت سایشی میشود. عنصر مورد استفاده معمولاً کروم بوده و کاربید آن به صورت M7C3 میباشد [۳،۴].
چدن‌های مقاوم به سایش بر مبنای ریزساختار و آلیاژهای آنها، به پنج گروه عمده شامل چدن‌های پرلیتی (FeC)، نایهارد یا نیکل – کروم (M3C)، نایهارد ۴ (M7C3)، پرکروم (M7C3) و در نهایت ویژه (MXC) تقسیم میشود [۵].
نخستین خانواده چدنهای پرآلیاژ که بیشترین اهمیت را کسب کرده‌اند، چدنهای نایهارد با زمینه مارتنزیتی، کاربیدی بوده که مقدار کربن در آنها از ۵/۲ تا ۶/۳ درصد متغیر میباشد. نایهارد نام عمومی برای خانواده چدنهای سفید است که با نیکل و کروم آلیاژ شده و مقاومت سایشی بالایی دارند. نایهارد شامل ریزساختاری از کاربیدها و یک زمینهی مارتنزیتی- آستنیتی- بینیتی یا زمینه‌ی غالباً مارتنزیتی است که این ساختار توسط مقادیر کربن، نیکل، کروم، سیلیس و نیز عملیات حرارتی نهایی ایجاد می‌شود [۲،۶].
در چدن نایهارد وجود عنصر نیکل به منظور به تعویق افتادن تشکیل پرلیت و نیز کاهش سرعت بحرانی سرد شدن در محدودهی ۳/۳ تا ۵ درصد، به کار می‌رود که منجر به تشکیل مارتنزیت به همراه مقداری آستنیت باقی مانده در زمینه ساختار میشود. کروم از خاصیت گرافیت‌زایی نیکل جلوگیری کرده و باعث پایداری کاربیدها میشود [۲،۷،۸،۹].
ترکیب کاربیدها با زمینهی مارتنزیتی مقاومت سایشی خوبی ایجاد می‌کند. تعیین درصد عناصر آلیاژی در چدن نایهارد به ابعاد قطعه و خواصی که از آن انتظار می‌رود، بستگی دارد. زمانیکه مقاومت سایشی خوب و ضربه پذیری پایین مورد نظر باشد، کاربیدهای درشتتر انتخاب شده و مقدار کربن بین ۳/۳ تا ۶/۳ بوده و در صورتی که قطعه در معرض بارهای ضربهای قرار میگیرد مقدار کربن بین ۷/۲ تا ۲/۳ درصد متغیر خواهد بود [۹،۱۰].
۲-۲- تاریخچه
در اواسط سال ۱۹۲۰ میلادی تحقیقات کمپانی بین المللی نیکل منجر به کشف ترکیبی از نیکل و کروم شد که به چدن اضافه شده و ساختار مارتنزیتی و آستنیتی با مقاومت به سایش بالا در حالت ریختگی را ایجاد میکرد. بر خلاف چدنهای پرکروم، نایهارد با هر ضخامتی میتوانست ریخته گری شده و با توجه به مقادیر عناصر آلیاژی، ساختار عاری از پرلیت با مقاومت به سایش بالا به وجود آورد ]۵[.
با ادامه تحقیقات توسط این کمپانی برای بهبود خواص چدن نایهارد به ویژه مقاومت به سایش و مقاومت به ضربه، سبب شد تا
چدن نایهارد یوتکتیک اولیه شامل عناصر۸ درصد کروم، ۶درصد نیکل و۲ درصد سیلسیم در سال۱۹۵۰ گسترش یافته و چدن نایهارد۴ نامیده شود. تولید چدن نایهارد ۴ به دلیل بهبود ساختار کاربید و سیالیت عالی آن در بعضی کارخانجات کاربرد زیادی پیدا کرده است. نقطه ذوب چدن نایهارد ۴ در حدودF2250 است که حدود F125 کمتر از چدن پرکروم است. چدن نایهارد۴، مقاومت شکست بهتری در مقایسه با چدن نایهارد۱ و چدن پر کروم دارد و این نشان دهنده پتانسیل گسترش چدن نایهارد ۴ است [۵،۱۱].
۲-۳- کاربرد چدن‌های نایهارد
مصرف چدن‌های نایهارد در تولید قطعاتی نظیر بوشها، سیلندرها، بوش سیلندرها، کاسه چرخ و … است. به منظور افزایش مقاومت در مقابل سایش چدنها، معمولاً از عناصری نظیر کروم و مولیبدن استفاده میگردد. مصارف دیگر این چدنها در ساخت قالبهای حدیده مربوط به کشش سیم، گلولهها و زره آسیابها، غلطک نوارهای نقاله و پمپهای ضد سایش میباشد. شکل (۲-۱) صفحه لاینر آسیاب از جنس چدن نایهارد را نشان میدهد[۲،۹].

شکل (۲-۱) صفحه لاینر آسیاب ]۲[
یکی دیگر از موارد استفاده این نوع چدنها درصفحات داخلی بدنه سنگ شکن های فکی است که ابعادی حدود ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ میلی متر دارند. هرساله مقدار زیادی از این چدن، به صورت قطعات ریختگی با سطح مقطعی حدود ۱۰۰میلی متر، به عنوان غلتکها و چکشهای سنگ شکن مورد استفاده در صنایع معدن ‌ قرار میگیرد. بعنوان قطعات خاص می توان از آستر تلمبه‌های لجن ‌کش که در عملیات چاهزنی بکار میروند، بدنهها و پروانههای تلمبههای بزرگ گریز از مرکز که برای جابجا کردن دوغاب در خطوط حمل ونقل استفاده میشود، پروانههای تلمبه‌های تخلیه، صفحههای سایشی آسیابهای گلولهای بزرگ، پوشش محافظ در برابر کوارتز که بر روی میله فولاد منگنزدار قرار میگیرد، سرندهای میلهای، صفحه ‌های جایگزین شونده سرندهای تای-راک و کفشک‌های سایشی فایر گلاسی ‌مارپیچی ماسه نام برد. پمپ لایروبی ساخته شده از چدن نایهارد۴ در شکل (۲-۲) آمده است [۲،۹،۱۲]. از نوع پر کربن ۵۵/۳ درصد آن، برای مقاطع ریختهگری با مقاطع نسبتاً نازک استفاده میشود که در معرض بارگذاری ضربه‌ای قرار ندارند، اما باید در برابر سایش شدید پایداری داشته باشد. در بدنه آسیاب از نایهارد به جای فولاد استفاده میشود، تا سائیدگی را از۱۰۰۰گرم در تن به ۵۰گرم در تن کاهش دهد [۱۲].

شکل (۲-۲) پمپ لایروبی ساخته شده از چدن نایهارد ۴ ]۲[
دستگاه ایجاد دمش در معدن الماس از جنس نایهارد۴ در شکل (۲-۳) آمده است.

شکل (۲-۳) دستگاه ایجاد دمش در معدن الماس]۵[
۲-۴- چدن‌های نایهارد و استانداردهای آن
۲-۴-۱- ترکیب شیمیایی و ریزساختار
چدن‌های سفید مقاوم به سایش Ni-Cr با ترکیب شیمیایی مختلف وجود دارد که عنصر نیکل در سختی‌پذیری این آلیاژ نقش عمده‌ای ایفا می‌کند. عنصر مهم دیگر، کروم است که برای تشکیل کاربید‌های فلزی به جای گرافیت استفاده می‌شود. ریزساختار این چدن شامل مخلوط یوتکتیکی از آستنیت و کاربید بوده که دارای سختی بالاست و این سختی بالا به دلیل وجود کاربید‌های سخت یوتکتیک و نیز مقادیر بالای نیکل که که منجر به تشکیل مقداری مارتنزیت به جای پرلیت در حالت ریختگی شده، می‌باشد ]۵[.
چدن نایهارد در استاندارد ASTM 532 و کلاس I در انواع A, B, C, D و دیگر استاندارد‌های کشور‌‌های دیگر وجود دارد [۲،۵،۱۰]. جدول (۲-۱) استاندارد اروپایی چدنهای نایهارد را بیان میکند. نایهارد به دو گروه تقسیم می‌شود، گروه اول آلیاژهای متوسط شامل نایهارد ۱و۲ وگروه دوم شامل نایهارد ۴ است [۲،۵،۱۳،۱۴]. در جدول (۲-۲) ترکیب شیمیایی این چدن‌ها آمده است. در چدن نایهارد نوع۲ چنانچه درصد نیکل پایین باشد پرلیت تشکیل میشود و چنانچه مقدار نیکل زیاد باشد به پایداری آستنیت کمک میکند [۳،۱۰].

جدول (۲-۱) استاندارد اروپایی چدنهای نایهارد ]۲[
USA
ASTM A532
Sweden
SIS 1404XX
India
IS
۷۹۲۵
UK
BS 4844
Germany
DIN 1685
France
NFA 32-401
EU
number
EU
designaion
International trade name
Class 1. Type B
۰۵۱۲
Type 1a Nil Cr 30/500
۲A
GX 260 NiCr4 2
FB Ni4 Cr2BC
EN-JN2020
EN-GJN-HV520
Ni-Hard type2
Class 1. Type A
۰۵۱۳
Type 1a Nil Cr 34/550
۲B
GA 330 NiCr4 2
FB Ni4 Cr2HC
EN-JN2030
EN-GJN-HV550
Ni-Hard type1
Class 1. Type C




FBA


Ni-Hard type3
Class 1. Type D
۰۴۵۷
Type 1b NiHCr
۲C+2D+2E
GX 300 Cr NiSi 9 5 2
FB Cr9Ni5
EN-JN2040
EN-GJN-HV600
Ni-Hard type4

جدول (۲-۲) ترکیب شیمیایی انواع چدنهای نایهارد [۲،۵]
Mo
Cr
Ni
P
S
Mn
Si
C
نوع چدن
۴/۰-۰
۶/۲-۵/۱
۸/۴-۳/۳
Max
۳/۰
Max 15/0
۷/۰-۳/۰
۵/۰-۳/۰
۶/۳-۳
نایهارد ۱
۴/۰-۰
۴/۲-۴/۱
۵-۳/۳
Max
۳/۰
Max 15/0
۷/۰-۳/۰
۵/۰-۳/۰
Max
۹/۲
نایهارد ۲
۴/۰-۰
۹-۸
۵/۶-۵/۴
Max 06/0
Max
۱/۰
۶/۰-۴/۰
۲-۸/۱
۲/۳-۶/۲
نایهارد ۴

۲-۴-۲- چدن نایهارد ۱ و۲
نایهارد ۱ و ۲ اساساً شامل ۴ درصد نیکل و ۲ درصد کروم است. ریزساختار این چدنها شامل دندریتهای اولیه و کاربید یوتکتیک بوده، که این کاربیدها به صورت صفحات کاربید M3C میباشد ]۲،۱۳[.
شکل (۲-۴) ریزساختار نایهارد ۱ را نمایش میدهد.

شکل (۲-۴) ریزساختار نایهارد ۱ در حالت ریختگی ]۲[
کاربید یوتکتیک M3C تشکیل شده در ریزساختار چدن نایهارد۱ در شکل (۲-۵) آمده است.

شکل (۲-۵) کاربید یوتکتیک M3C در زمینه ]۲[
سختی چدن نایهارد ۱ تابعی از مقدار کاربید و ساختار زمینه است. بعد از انجماد، آستنیت به م
ارتنزیت، مقداری بینیت، آستنیت باقیمانده و کاربیدهای ثانویه تبدیل میشود. زمینه نهایی به ترکیب شیمیایی آلیاژ، سرعت سرد شدن بعد از ریختهگری و عملیات حرارتی اعمال شده بستگی دارد. سختی قطعه ریختگی به مقدار مارتنزیت موجود در زمینه بستگی داشته که برای رسیدن به بیشترین مقدار سختی و مقاومت به سایش، مقدار مارتنزیت حالت ریختگی تا حد امکان باید بالا باشد ]۲،۵،۱۳،۱۵[

شکل (۲-۶) اثر مارتزیت زمینه بر سختی چدن نایهارد ۲]۲[
شکل (۲-۶) اثر مارتنزیت زمینه بر سختی چدن نایهارد را نشان میدهد. مقدار کربن، مقدار موثر کاربید در زمینه و نیز سختی وارد شده به ساختار زمینه را مشخص میکند. نایهارد۱ شامل تقریباً %(۴۴-۴۰) کاربید یوتکتیک نوع M3C و نایهارد۲ تقریباً دارای %(۴۰-۳۵) کاربید میباشد. اختلاف در مقدار کاربید، تفاوت اساسی بین چدن نایهارد ۱ و ۲ است ]۲،۱۲،۱۳،۱۵[.
عنصر نیکل برای تشکیل ساختار زمینه مارتنزیتی – بینیتی بدون پرلیت اضافه میشود. آنچه که مهم میباشد این است که مقادیر کم نیکل برای جلوگیری از تشکیل پرلیت کافی نبوده و منجر به کاهش سختی و مقاومت به سایش میشود. این در حالی است که مقادیر زیاد نیکل هم باعث تشکیل آستنیت باقیمانده شده و منجر به کاهش سختی میشود ]۱۵[.
عنصر مهم دیگر، کروم بوده که در فاز کاربید متمرکز شده و سختی آنرا افزایش میدهد. کروم اثر گرافیت زایی نیکل را جبران کرده و ریزساختار کاملاً سفید و بدون گرافیت میدهد ]۲،۱۳[.
۲-۴-۳- چدن نایهارد ۴
همانطور که ذکر شد دو گروه عمده چدن نایهارد وجود دارند. چدنهای با ۴درصد نیکل و چدنهای با ۶ درصد نیکل و ۹درصد کروم که معمولاً به چدن نایهارد ۲ و ۴ موسوم ‌اند. نوع ۲ چدن نایهارد شامل کاربیدهای یوتکتیکی M3C لدبوریتی بوده و بنابراین چقرمگی کمتری خواهد داشت و عمدتاً در تولید غلطکهای فلز کاری مورد استفاده قرار میگیرد. چقرمگی پایین یک نقطه ضعف برای چدن نایهارد ۱ و ۲ است. حضور عناصری که منجر به تشکیل کاربید M7C3 شود، باعث افزایش چقرمگی چدن نایهارد میشود که به این نوع از چدن، چدن نایهارد ۴ گویند ]۲،۵،۱۳[.
نایهارد ۴ چدن سفیدی با ۹% کروم، ۶% نیکل و ۲% سیلیس بوده که ساختاری با کاربیدهای یوتکتیک (Cr,Fe)7C3 و زمینهی عاری از پرلیت در حالت ریختگی و نیز بعد از عملیات حرارتی به صورت غالباً مارتنزیتی حتی در قطعات ریختگی سنگین خواهد بود ]۲[.
این ساختار کاربیدی مطلوب، نتیجه پیوستن مقادیر کروم،

Author: mitra4--javid

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *