روش تولید بوش سیلندر اتومبیل
بوش سیلندر از جمله قطعات چدنی است که نسبت به ساختار زمینه بسیار حساس است و ویژگی های ساختاری قطعه تعیین کننده عمر و دوام و سلامت موتور اتومبیل می باشد . برای تولید این قطعه در صنعت از دو روش استفاده می شود . روش نخست ، ریخته گری در ماسه به روش سیلیکات سدیم است . بوشی که از این روش تولید می شود دارای استحکام پایینی بوده و بعلت رطوبت موجود در سیستم ، عیوب انقباضی و گازی فراوانی در قطعه مشاهده می شود .
روش صنعتی و جدید برای تولید بوش سیلندر ریخته گری در قالب فلزی به روش گریز از مرکز است . در این روش مذاب به سرعت در قالبی که در حال گردش است ، ریخته شده ، شکل می گیرد . استفاده از روشهای گریز از مرکز برای تولید بوش چدنی به جای روش ریخته گری در ماسه دارای مزایای زیر است :
1ـ حداقل عیوب گازی و انقباضی به همراه ضریب تراکم جرمی بالا
2ـ حذف سیستم راه گاهی و تغذیه و مشکلات موجود در این سیستمها
3ـ حذف سیستم ماهیچه گذاری و مشکلات موجود در این سیستم
4ـ تولید بوش با حداقل ضخامت ممکن برای انجام مراحل ماشین کاری
5ـ استحکام و خواص مکانیکی بالاتر نسبت به سیستم ریخته گری در ماسه
6ـ افزایش سرعت تولید
گرچه استفاده از روشهای گریز از مرکز در تولید بوش از مزایای زیادی برخوردار است ، ولی باید توجه داشت که به دلیل شرایط خاصی که به لحاظ استفاده از قالب فلزی بر نحوه انجماد حاکم است ، باعث می شود تا کنترل ساختار متالورژیکی قطعه با مشکلات عدیده ای روبرو باشد که از آنجمله می توان به موارد زیر اشاره کرد :
1ـ جدایش فازها در اثر نیروی گریز از مرکز
2ـ تغییر ساختار متالورژیکی و تشکیل مناطق کاربیدی
در فرآیندهای متداول ریخته گری سیلندر ، دستیابی به ساختاری مناسب در قسمت سیلندر با پیستون که سایش و حرارت بالایی ایجاد می کند عملاً غیر ممکن است . به منظور بالابردن مقاومت به سایش و ضریب هدایت حرارتی از به کار بردن قطعه ای استوانه ای شکل (بوش سیلندر) که بطور جداگانه با ساختار مطلوب ریخته گری می شود ، در آن محل استفاده می کنند . بوش سیلندر را معمولاً از جنس چدنهای خاکستری بدللی دارا بودن قابلیت ریخته گری خوب و خواص فیزیکی و مکانیکی ویژه تهیه می کنند . نوع و اندازه گرافیتها و فازهای تشکیل دهنده زمینه ریز ساختار پارامترهای اصلی تعیین کننده خواص چدنهای خاکستری هستند .
گرافیت نوع A (گرافیت لایه ای نازک با توزیع یکنواخت) با اندازه متوسط از نظر مقاومت به سایش عالی هستند . در چدنهای خاکستری با گرافیتی نوع A ، ورقه های گرافیت شبیه مخزن روغن کاری کننده عمل می کنند . همچنین این نوع گرافیتها باعث هدایت حرارتی و کنترل دمای سطوح مرتبط با منبع گرما می شوند . گرافیتهای ورقه ای ضمن داشتن قابلیت ماشین کاری خوب ، شرایط عالی در برابر سایش نیز دارند . برای افزایش مقاومت به سایش چدنهای خاکستری می توان از ایجاد فازهای مختلف و مناسب در ریز ساختار بهره گرفت . بطور کلی سختی چدن خاکستری با زمینه کاملاً پرلیتی حدود HB 180 است . با افزودن مقداری فسفر حدود 5/0 % به چدن فاز استریت با سختی حدود HB 400 در اطراف سلولهای یوتکتیک تشکیل می گردد . این فاز در برابر سایش بسیار مقاوم می باشد .
با توجه به مصرف گسترده بوشها و کاربرد حساس آنها در سیلندر تولید آنها با مشخصات مناسب ضروری می باشد لیکن با توجه به طبیعت انجماد جهت دار در ریخته گری گریز از مرکز ، تولید چنین محصولاتی با مشکلاتی روبرو خواهد بود . لذا هدف اصلی تولید چدن خاکستری با داشتن گرافیتهای نوع A ضمن داشتن ریز ساختاری شامل حدود 95% پرلیت و حدود 5% فسفید آهن می باشد .
قالب های مورد استفاده در روش ریخته گری گریز از مرکز افقی :
بسته به شرایط کاری ، سرعت تولید ، جنس آلیاژ ریخته گری به دو دسته مصرف شدنی و دائمی تقسیم بندی شده است ، که قالب های مورد استفاده در ریخته گری گریز از مرکز لوله های چدنی مورد نظر فولاد دائمی است .
جنس فولادهای قالب گریز از مرکز :
فولادهای قالب از نوع فولادهای گرم کار بوده که جهت تهیه لوله های چدنی و همچنین قالب های تزریقی پلاستیک در صنعت مورد توجه می باشند . در حین کار سطح داخلی آنها تحت درجه حرارت های بالا و بارهای مکانیکی نسبتاً بالا قرار دارد . فولادهای قالب درحین کار تحت تاثیر عواملی قرار می گیرند که بر طول عمر آنها تاثیر دارد . این عوامل عبارتند از :
1-سیکل تغییرات دما با دامنه تا در سطح داخلی قالب ( زمان یک دوره تغییرات دما تقریباً 210 ثانیه است .)
2-نیروی گریز از مرکز بالا در اثر چرخش قالب با سرعت حدود حاصل می شود .
3-تنشهای بالا در نزدیکی سطح داخلی (حدود فشار کششی )
4-خوردگی حاصل از گازها و هوا که از انجام واکنشها حاصل می شود .
5-ترکهای خراش که در هنگام بیرون کشیدن لوله ها از قالب در جهت محور قالب ایجاد می شوند.
مشخصات متالورژی و مکانیکی فولاد قالب
چقرمگی شکست
استحکام کششی
استحکام تسلیم
درصد زیاد طول
HBتختی
2600
850-700
700
17
240-200
فولاد 21
2400
900-750
700
17
240-200
فولاد 34
ضخامت قطعه و دمای جداره قالب :
بطور کلی با کاهش ضخامت قطعه سرعت انتقال حرارت از مذاب به جداره قالب افزایش می یابد و در نتیجه بر سرعت انجماد قطعه افزوده می شود . این امر شرایط را برای ایجاد یوتکتیک در ساختار قطعه فراهم کرده و باعث افزایش مقدار منطقه سفید شده در قطعه می شود .
افزایش دمای جداره قالب بطور طبیعی باعث کاهش در میزان تحت انجماد
می شود . ولی باید توّجه داشت که افزایش بیش از حد دمای جداره قالب ممکنست به تغییراتی در ساختار انجماد وایجاد انجماد معکوس ساختار قطعه شود .
آزمایشهای عملی :
مراحل کاری تهیه بوشهای چدن خاکستری به روش گریز از مرکز افقی :
1.تهیه مذاب با آنالیز مورد نظر .
2.پوششکاری قالب گریز از مرکز .
3.پوششکاری پیله بارریزو ناودان ذوب ریز .
4.جوانه زایی در پاتیل اولیه .
5.جوانه زایی ثانویه در مرحله ریختن مذاب به قالب .
1.تهیه مذاب با آنالیز مورد نظر :
کوره های مورد استفاده در تهیه مذاب از نوع القائی با ظرفیتهای k400 فرکانس متوسط و کوره Ton1 فرکانس پایین میباشد . و مواد اولیه در تهیه مذاب شامل درصد های مناسبی از شمش چدن خاکستری ، برگشتی ، قراضه ، براده ، می باشد که در نهایت مطابق آنالیز مورد نظر چدن خالستری ، مطابق با آنالیز زیر تهیه می گردند:
% CE % C % Si % P % Mn % S % Cr % Cu
45/0 13/0 <1/0 6/0 13/0-1/0 4/2-7/1 4-5/3 %C+%Si/3
آنالیز مذاب ، طی تهیه آن ، توسط قالب نمونه گیر آنالیز ، تهیه شده و به کمک دستگاه کوانتومتر در هر مرحله از تهیه مذاب سنجیده می شود .
2.پوشش کاری قالب گریز از مرکز ونوع پوشان آن:
قالبهای تهیه بوشهای گریز از مرکز ، در هر مرحله از شرایط کاری تعیین گردیده و با توجه به کاربرد پوشان در قالبها ، همزمان با چرخش قالب ، توسط کمپرسورهای پوشان بصورت منظم از انتهای قالب به سمت بیرون آن ، به داخل آنها پاشیده می شود تا به این ترتیب ، خواصی نظیر ، عدم چسبندگی مذاب به قالب ، افزایش عمر قالب ، کنترل و انتقال حرارت ، … را ایجاد نمایند.
پایه پوشان مورد استفاده در این قالبها :
پودر سیلیس ، نبتونیت ، مایع کف زا ، خاک دیاتومه ، آب به نسبتهای معین و مش بسیار ریز (کمتر از 001/0 – 01/0 میلی متر ) می باشد ، به طوری که غلظت پوشان مورد نظر حاصل از مخلوط نمودن مواد فوق در حدود 55-45 بوده که توسط دانسیمتر تعیین می کردند . ضخامت پوشان مورد استفاده در قالب در حدود 1-5/0 میلی متر می باشد .
در این تحقیق سعی میگردد ، تا علاوه بر تغییر کمیت در اندازه و حتی نوع جوانه زاها و به بکارگیری آنها در مرحله ثانویه جوانه زنی ، از مرحله جوانه زایی در پوشان قالب نیز آزمایش به عمل آمده و تاُثیر آن بر نوع گرافیتهای سطوح بوش و خواص آن نظیر سختی مورد بررسی قرارگیرد که در مراحل عملی به تشریح آنها پرداخته میشود .
3-پوششکاری پیاله بار ریز و ناودان ذوب ریز :
پوشان مورد استفاده در پیاله بار ریز و ناودانی ذوب ریز نصب شده روی دستگاه ریخته گری گریز از مرکز افقی جهت بوش ریزی ، از نوع پوشش گرافیتی (دوده و آب ) می باشد تابدین ترتیب تمامی خواص و انتظاراتی را که در بحث پوشان گفته شده ، بدست دهد .
این نوع پوشان بر روی سطوح پیاله بارریز (تندیش) و ناودان ذوب ریز به کمک قلمو قرار می گیرد و بعد از هر چند مرحله ذوب ریزی ، مجدداً استفاده می گردد .
4-جوانه زایی در پاتیل اولیه :
پاتیل اولیه ، پاتیل حمل مذاب از کوره های القایی ، به تندیش یا پیاله بارریز دستگاههای گریز از مرکز است ، که در آنها یک مرحله جوانه زایی توسط جوانه زای پایه فروسیلیس 75% با دانه بندی 5-3 میلی متر و به میزان wt %6/0 درصد وزنی مذاب که در کف پاتیل به آن اضافه می شود ، انجام گردد . در این مرحله دمای مذاب 1420 تا 1520 درجه سانتی گراد می باشد .
جوانه زایی ثانویه در مرحله ریختن مذاب به قالب ، و یا جوانه زایی در پوشان یا بر روی سطح آن :
از آنجائیکه این مرحله از کار ، اساس پروژه بوده و تحقیقات و بررسی های انجام شده ، در زمینه بهینه سازی اثر جوانه زاها در خواص چدن و نوع گرافیت ها ، مبحث اصلی تحقیق است ، تمامی آزمایشات بصورت مرحله به مرحله همراه با نتایج و عکسهای متالوگرافی و سختی سنجی و بررسی های آزمایش های متالوگرافی و متالورژیکی بیان می گردد.
بررسی متالوگرافی و سختی سنجی از نمونه های بوش:
بوشهای تولیدی به روش گریز از مرکز افقی دارای ابعاد و اوزان متنوعی می باشند که با تغییر و تعویض قالبهای مختلفی قابل تولید می باشند.
نمونه بوشهای تولیدی در بررسی اثر جوانه زا ها ، قسمتی از وسط یا ناحیه میانی بوش است .
نمونه فوق توسط دستگاه اره لنگ از ناحیه میانی بوش تهیه می شود . قسمت های تیز آن توسط سنگ گرفته شده و سطح مورد مطالعه نیز سنگ و سنباده و پولیش می گردد و تحت بررسی متالوگرافی در زیر میکروسکوپ با بزرگنمایی 200× قرار می گیرد ، عکس های متالوگرافی تهیه شده از نمونه ها از قسمت b می باشد .
جوانه زاهای مورد آزمایش:
جوانه زاهای زیر با مشخصات مربوط تهیه شده و تحت آنها بر اساس نوع و کیفیت و کمیت های آنها آزمایش های طرح ریزی و انجام گردید .
1-اینواسترانگ Inostrong
2- اینولیت Inolate
3-SRF75
4-SB5
5-VL7B
6-جوانه زای پایه فروسیلیس 75% بامش mm5/1 -5/0 (پودری).جدول ترکیب جوانه زاهای فوق به صورت زیر آورده شده است .
آزمایش های عملی در رابطه با جوانه زاها و ریزساختار و خواص قطعات (بوشهای) تولیدی :
1-بوش ریخته گری شده بدون مرحله جوانه زایی در پیاله بارریز :
از آنجائیکه بوشهای تولیدی توسط دستگاههای گریز از مرکز افقی ، با تغییر قالب ها ، دارای ابعاد و مشخصات متنوعی هستند ، آزمایش های انجام شده بر روی بوش به ابعاد و مشخصات زیر انجام شده است :
بوش قطر داخلی – قطر خارجی – طول شاخه-طول لبه-وزن شاخه
81-80 97-96 mm470 – kg334/7
در آزمایش ابتدایی ، بر روی بر روی قطعه تولیدی با مشخصات فوق ، %0 جوانه زا استفاده شد . یعنی ، هیچ مقدار جوانه زایی به مذاب در مرحله پیاله بار ریز اضافه نگردید و ملاحضات زیر و نتایج مربوط به آن به شرح زیر ارائه گردیده است :(جدول 8)
از سطح داخلی a تا سطح خارجی (سطح بوش)، گرافیت های نوع D
ملاحظه گردیده است و سختی سطح این نمونه HB255 برینل
گزارش شده است . تصویر متالوگرافی از قسمت میانی نمونه بدون 1 اینچ و با بزرگنمایی 200× برابر بصورت زیر ارائه می گردد :
شکل 52 – بدون جوانه زایی در تندیش – گرافیت های نوع D – 200×
نوع پودر داخل
ترکیب شیمیایی پودرهای مختلف جوانه زایی کننده
قالب جوانه زا
Si
Al
Ca
Ba
Sr
Mg
F
Fe
75%FeSi
76-74
25/1-6/0
1-5/0
ــــ
ــــ
ــــ
ــــ
بقیه
FeSi+CaSi
7/74
75/0
6/3
ــــ
ــــ
ــــ
ــــ
بقیه
FeSi+Al
77
83/0
75/0
ــــ
ــــ
ــــ
ــــ
بقیه
FeSi+FeSiMg
3/74
81/0
75/0
ــــ
ــــ
5/0
ــــ
بقیه
FeSi+CaSi+CaF2
63
65/0
4-4/3
ــــ
ــــ
ــــ
2/2/-1
بقیه
Supespeed
75
45/0
1/0
ــــ
8/0
ــــ
ــــ
بقیه
Skw-SB5
65-58
5/1-1
5/4-3
5/2-5/1
ــــ
ــــ
5/2-5/1
بقیه
2-جوانه زای پایه فروسیلیس 75 بامش mm3-1 مورد استفاده در شرکت مهارت به مقدار gr 9 (wt%13/0 مذاب)
مقدار gr9 جوانه زای پایه فروسیلیس با توجه به اینکه مقدار مذاب مورد مصرف بوش تولیدی حدود kg 7 می باشد برحسب درصدمی باشد . پس از بررسی متالوگرافی مشخص گردید که : ساختار بوش تولید شده از سطح داخلی دارای حدود mm 1 گرافیت A بعلاوه حدود mm1 مخلوط گرافیت های A و D و شش میلی متر باقی مانده گرافیت D است .
سختی چدن ریخته شده در حدود HB 244گزارش گردیده است .
نمونه ریز ساختار این چدن پس از متالوگرافی در زیر میکروسکوپ با بزرگنمایی 200×برابر ملاحظه شد
3-جوانه زای پایه فروسیلیس 75 بامش mm3-1 مورد استفاده در شرکت مهارت به مقدار gr7 : (wt 1/0%مذاب)
برحسب درصد ، مقدار gr7 از جوانه زای فوق در حدود
بوده و نتایج آزمایش های متالوگرافی و سختی سنجی نمونه فوق بصورت زیر است :
بررسی متالوگرافی نمونه فوق نشاندهنده حضور گرافیت تا mm3 از سطح داخلی به همراه mm1 مخلوط گرافیت های A و D و mm 4 گرافیت نوع D در سطح خارجی نمونه بوش فوق است . سختی نمونه فوق در حدود HB 229 بوده .
4-جوانه زای پایه فروسیلیس 75 با مش mm3-1 مورد استفاده شرکت مهارت به مقدار gr4:(057/0):
بررسی های متالوگرافی نمونه بوش ریخته شده با درصد وزنی wt%057/0 از جوانه زای پایه فروسیلیس 75 با مش mm 3-1 موید حضور گرافیت های نوع D از قسمت سطح داخلی تا خارجی بوش است . همچنین سختی آن در حدود HB 235 گزارش گردیده است . شکل ریزساختار این نمونه از قسمت میانی آن با بزرگنمایی 200× برابر بدون اچ در زیر نشان داده شده است .
از بررسی های فوق بهترین نتیجه در gr7 یعنی 1/0 درصد وزنی از جوانه زای مورد استفاده فوق نتیجه می شود .
5-استفاده از جوانه زای پایه فروسیلیس با مش mm1-5/0 در پوشش سطح داخلی:
در این آزمایش به جای اضافه کردن جوانه زای مرحله پیاله بارریز ، از آن در داخل قالب استفاده شده است . مقدار این جوانه زا در حدود gr7 یعنی wt%1/0 درصد وزنی مذاب بوده و پس از حرکت قالب و حین چرخش قالب به آن اضافه شده است .
نتایج پس از نمونه برداری و بررسی های متالوگرافی و سختی سنجی بصورت ز یر تائید گردیده است :
از سطح داخلی تا سطح خارجی گرافیت Aحدود mm3 بعلاوه mm1 مخلوط گرافیت های A و D بعلاوه mm4 گرافیت نوع D
سختی نمونه فوق در حدود HB234 گزارش گردیده است .
6-استفاده از جوانه زای پایه فروسیلیس با مش m1-5/0 به مقدارwt %1/0 وزنی مذاب در پیاله بارریز :
جوانه زای پایه فروسیلیس به میزان gr7 یعنیwt %1/0 وزنی مذاب به آن اضافه شد و این عمل در پیاله ریز صورت گرفت ، نتیجه پس از نمونه برداری به صورت زیر بوده است :
از قسمت سطح داخلی نمونه به سطح خارجی آن حدوداً mm 6 گرافیت از نوع A و mm 2 مخلوط گرافیت A و D است . که نتیجه مناسب و مطلوبی است و شکل ریزساختار قسمت میانی نمونه بوش مورد نظر با بزرگنمایی 200× به صورت زیر نشان داده شده است .
سختی نمونه فوق در حدود HB234 برنیل گزارش گردیده است .
7-استفاده از جوانه زای پایه فروسیلیسی با عنوان اینوکولین شرکت فیکسو با مش حدود mm3-5/1 به میزان wt%1/0 درصد وزنی مذاب در داخل پیاله بارریز :
حدود gr7 یعنی 1/0 درصد وزنی مذاب بوش هفت کیلوگرمی از جوانه زای فوق در پیاله بارریز استفاده گردید ، و نتایج زیر بدست آمد :
از سطح داخلی تا سطح خارجی شامل حدود mm5 گرافیت نوع A بعلاوه حدود mm3 مخلوط گرافیت های A و D بوده است که در شکل متالوگرافی از ریزساختار چدن خاکستری است . سختی آن در حدود HB224 گزارش گردیده است.
17