مشخصاتی از ساختارهای میکروسکوپی قطعات ریختگی:
آلیاژهای ریختگی دارای ساختارهای میکروسکوپی متفاوتی هستند که نسبت به نوع استفاده آنهابایکدیگرتفاوت کلی داشته ودرمقابل تغییر در هر کدام از عوامل معین درآلیاژخواص مشخصی ازان تغییر پیدامیکند.دانه هاومرزدانه هایی که درمناطق ستونی وهم محور وجوددارددارای رنگهای متفاوتی هستند که توسط چشم غیر مسلح وبدون استفاده ازمیکروسکوپ یادربزرگنمایی های خیلی کم به وضوح قابل رویت هستندو ساختار ماکروسکپی هم همچنین مکانیزم های متفاوت و پیچیده ای که باعث ایجادانواع مختلف جدانشینیهای ماکرسکپی می گردند.عدم یکنواختی ترکیب شیمیایی در داخل قطعه ریختگی رابه وجود آورده ودر برخی مواقع همراه باایجادغیریکنواختی خواص مکانیکی موجب تغییرات موضعی درخواص قطعات میگردد.
ساختارهای دوتائی نیزدربرخی قطعات یا محصولات ریختگی به خصوص در غلطکها مورد استفاده قرار می گیرد.دانه های اولیه که درمرحله انجماد بدست می آید ودانه هائی که حاصل تغییر حالت های فازی در حالت جامد هستند بصورت ساختار میکروسکوپی و ماکروسکوپی قابل مشاهده هستند.
رشد دندریتی ویوتکتیکی دو نوع مهم از حالت های ویژه را در حالت های ریختگی پدید می اورند که در داخل دانه های اصلی ساختار میگروسکوپی بسیار تعیین کننده می باشد.جدانشینی عناصر آلیاژی در بین دانه ها یک پدیده عادی می باشد به طوری که جدانشینی دندریتی عناصر آلیاژی در محلول های جامد بصورت هسته دار شدن و در سیستمهای پیچیده تر بصورت فاز دوم مشاهده می گردد.
عملیات حرارتی و ساختارهای ناشی از ان مختص قطعات و آلیاژهای ریختگی نبوده بلکه برای ایجاد استحکام زیاد در موارد ساختمانی از اهمیت خاصی برخوردار می باشد.این ساختارها و محصولات بدست امده از عملیات حرارتی شامل تغییر حالت های مارتنزیتی ودیگر روش های مختلف رسوب دادن و عملیات انحلال هستند.همچنین مشاهده نتایج دست آوردهای برخی از اعمال که در عملیات حرارتی صورت می گیرد همیشه با میکروسکوپ های نوری امکان پذیر نبوده و به بزرگنمائی های بیشتری از طریق استفاده از میکروسکوپ های در الکترونی نیاز دارد که مثال هائی از این نوع مشاهده می گردد.
لازم به یاداوری است که در مورد استفاده از میکروسکوپ های الکترونی هدف انحصارا" بزرگ نمائی بیشتر نیست بلکه به منظور مشاهده سه بعدی نمنه ها نیز به کار می رود.
موردی دیگردر ساختار میکروسکوپی آلیاژهای ریختگی مربوط به مرحله ذوب و درصد خالص بودن مواد اولیه مذاب است.ناخالصی های موارد منگنز در فولاد در این طبقه بندی قرار میگیرد و نوع شکل موارد منگنز ایجاد شده در داخل فولاد در خواص مکانیکی و همچنین در حساسیت فولاد نسبت به شرایط محیطی تاثیر بسیار دارد.
اخال های مکانیکی بطور معمول بزرگتر بوده و در مراحل اصلی در مرحله ذوب از کوره بوته و از مواد نسوز مربوط به قالب ها در داخل قطعه ایجاد می شوند.
نفوذ داخل شدن گازها در داخل مذاب یا انقباض قطعه حین انجماد باعث ایجاد ریزی می گرددو به همین ترتیب از پیوستن ناخالصی ها از قطعات ریختگی از آنها ابعاد بزرگتری بوجود ما ایند که در بخش عیوب ریختگی مورد بررسی قرار می گیرند.به منظور بحث و بررسی صحیح و مناسب در ساختارهای میکروسکوپی استفاده از نمودارهای فازی بسیار لازم وضروری می باشد.
تهیه نمونه برای آزمایش ریز ساختار:
مطالعه ریز ساختار داخلی قطعات فلزی در آلیاژها همچنین بررسی صحیح آنها بستگی به مقدمات اولیه تهیه و اماده کردن نمونه های آزمایش دارد.اساس کار در روش های عملی در تمامی مراحل تهیه و اماده کردن نمونه ها می باشد.
قدم اول برای تهیه یک نمونه جهت آزمایش انتخاب محل و سپس بریدن ان است.بایستی در بریدن و تهیه یک نمونه متالوگرافی از گرم شدن زیاد در هنگام بریدن نمونه جلوگیری و ممانعت به عمل آید.معمولا" در حین مواقعی به منظور اجتناب از گرم شدن نمونه ها در حین برش از مایعات خنک کننده استفاده میگردد. در تهیه نمونه متالوگرافی از یک قطعه بزرگ که برش ان با گاز اکسی استیلن صورت میگیرد بدلیل اثرات نامطلوب گرم شدن نمونه در حین برش توسط گاز اکسی استیلن و در نتیجه تغییر ساختار نمونه تهیه شده نسبت به قطعه اصلی ابتدا یک قطعه کانی بزرگتر از نمونه اصلی تهیه نمود و سپس نمونه اصلی برای متالوگرافی را از قسمت وسط ان بریده و در مراحل بعد کار را روی ان انجام می دهند.به همین ترتیب در مورد قطعات بسیار سخت برای تهیه نمونه های متالوگرافی از آنها برش نمونه ها با استفاده از برنده های سختانجام می شودو سپس تحت شرایط قابل کنترل قشری از سطح حرارت دیده نمونه ها بوسیله سمباده از بین می رود.
در بسیاری از موارد پس از بریدن نمونه ها بهتر است آنها را در داخل مواد پلاستیکی حفاظت یا مانت نمائیم که معمولا" دو طریق برای مانت کردن نمونه ها وجود دارد:
الف:مانت سرد:
در این روش که معمولا" در مانو شیمیایی بصورت پودر مایع و یا مایع-مایع به نسبت های معین استفاده می شود.محلول بدست امده در حدود 50-40 درجه سانتیگراد حرارت دیده سپس در داخل قالب های پلاستیکی حاوی نمونه ها ریخته میشود.مانو مذبور پس از مدتی (از 1 تا 24 ساعت)پلیمریزه و سخت شده و نمونه ها را در بر
می گیرد.
ب:مانت گرم:
روش دوم با استفاده از مواد پلاستیکی ویژه ای انجام می گیرد.در این مرحله پس از قرار دادن نمونه در داخل محفظه دستگاه مانت و ریختن پودر پلوستیکی مورد نظر بر روی ان تحت فشاری حدود 3 تا 5 تن بر اینچ مربع و حرارت 200-150 درجه سانتیگراد پلیمیریزه و سخت می گردد و در بیشتر موارد با استفاده از مانت گرم و تحت فشار نتیجه نسبت به مانت های سرد بدست می آید.همچنین در این طریق مرز بین نمونه با مواد پلاستیکی پر شده و نفوذ موادی از قبیل محلول اچ الکل در ان قسمت تا مقدار زیادی کاهش می یابد.
اما ناگفته نماند که هر کدام از روش های فوق مزایای ویژه ای داشته و در مواردی خاص دارای مزایای بهتری نسبت به روش های دیگر دارد و انتخاب هر کدام به سلیقه شخصی و تجارب علمی فرد مذبور در این زمینه دارد.
سائیدن:
در ابتدا سائیدن نمونه ها با سمباده زدن به روش خیس بر روی دیسک هائی که با سرعت معینی می چرخد و با استفاده از کاغذهای سمباده ضد اب و یا سمباده هائی که بشکل نوار هستند انجام می گیرد.کاغذهای سمباده حاوی مواد ساینده ای از جنس بسیار سخت کربراندوم و کاربید کلسیم هستند و اندازه ذرات آنها تعیین کننده سختی و نرمی آنها نسبت به هم بوده و متناسب با سختی ما دو مورد نظر برای سائیدن سطح فلز یا آلیاژ انتخاب می گردند. قطر ذرات سختی که در روی کاغذهای سمباده قرار می گیرند مشخص کننده مش آنها بوده و معمولا" برای سمباده زدن و سائیدن سطوح فلزات و آلیاژها از سمباده هائی با شماره های 120-240-280-330-400-600 استفاده می شود. در هنگامسمباده زدن سطح یک جسم جریان اب بطور مداوم بر روی سمباده ها جاری می شود و نمونه در هر مرحله از سمباده زنی به اندازه 90 درجه نسبت به حالت قبل چرخیده و معمولا" قبل از شروع کار با سمباده ریزتر متوسط اب یا الکل شسته شده و بالاخره پس از مرحله نهایی و اخرین سایش نمونه پس از شستشوی اب یا الکل خشک شده و در مرحله دیگر براق یا صیقلی می گردد.دقت در سمباده زدن سطوح نمونه ها از فلزات و آلیاژهای مختلف نسبتا" متفاوت است. بطور مثال در مورد چدن های گرافیتی بدلیل از بین نرفتن گرافیت ها در سطوح زمان ادامه هر مرحله از سمباده زدن در مورد سمباده نهایی دقت بیشتری لازم است.
در بیشتر موارد پس از سمباده زدن نمونه ها به روش خیس معمولا" در مرحله نهایی از یک سمباده خشک 210 نیز استفاده می گردد که بدلیل از بین رفتن ذرات ریز کننده شده در حین سمباده زدن سطح نمونه بطور مداوم توسط الکل شسته شده و با پارچه نرمی خشک می گردد.برای مشاهده ساختار ماکروسکپی نمونه ها را پس از سمباده زدن کامل و اتمام مرحله نهایی سمباده کاری اچ ماکروسکپی می نمایند.
صیقل یا پولیش:
مرحلهپولیش و صیقل کردن سطح نمونه ها پس از مرحله سمباده زدن انجام می گیرد.در این مرحله پولیش سطح نمونه در روی دیسک چرخان که از نمد پوشیده شده با استفاده از خمیر الماس در اندازه های0.25-05-1-6 میکرون انجام می گیرد. برای پولیش نمونه های آلیاژی قلع-سرب-روی-منیزیمو آلومینیوم دستگاهی مشابهی با نمد مخصوص بکار میرود.در ابتدا با استفاده از خمیر الماس و به ترتیب با اندازه و دانه های 1و6 میکرون پولیش شده سپس بوسیله پولیش دستی و اب مقطر با خمیر اکسیر منیزیم و با اندازه دانه0.5 میکرون صیقل می شود.
برای پولیش چدن سفید ابتدا از خمیر الماس 1 میکرون و در اخر از خمیر 0.5 میکرون استفاده می گردد.پولیش نمونه های چدن خاکستری گرافیتی در چند مرحله پیاپی انجام می گیرد.بدین ترتیب که ابتدا پس از اتمام مرحله سمباده کاری نمونه مورد نظر با محلول شیمیایی که معمولا" پیکرال است اچ می گردد و پس از شستن و خشک کردن انرا پولیش می کنند.بدین ترتیب حداقل سه مرحله پیاپی سطح نمونه مورد نظر پولیش را اچ می گردد.در هر مرحله نمونه شسته و برای مرحله بعدی کاملا" خشک می گردد.برای نمونه هایی با کیفیت عالی و به منظور سطح تمام شده مناسب برای عکسبرداری معمولا" یک مرحله پولیش نهایی کوتاه مدت در روی نمد و خمیر الومینا با عدد ریزی زیاد انجام می گیرد.در مورد فلزات و آلیاژهای سخت تر از قبیل فولادهای نیکل و کبالت و پولیش نهایی با خمیر الماس 25% لازم و ضروری است. معمولا در مرحله پولیش نهایی با دو مسئله مهم مواجه هستیم که ابتدا تغییر صیقل شده است که به سیلات سطحی و نفوذ برخی ذرات خارجی از قبیل ذرات پولیش کننده در سطح نمونه ها در حین پولیش ایجاد می کند. با استفاده از عمل فشار سرعت و زمان مناسب برای پولیش و همچنین بکار بردن مقدار کافی از مواد صیقل دهنده شکل سریعا" برطرف می گردد.شکل دیگری که ممکن است دز نمونه ها در حین پولیش ظاهر گردد و خارج شدن ناخالصی های غیرفلزی از سطح در حال سایش که با کنترل مدت پولیش را بیش از حد صیقل نکردن سطوح نمونه ها این شکل نیز سایعا" برطرف خواهد شد.عیب ناخالصی های غیرفلزی را می توان قبل از اچ کردن سطح نمونه ها در زیر میکروسکوپ بطور کاری مشاهده نمود.همچنین در مورد برخی فلزات ریختگی روش پولیش و اچ کردن متناوب سطح نمونه ها نتایج بهتری در ظاهر شدن ریز ساختار و بطور کلی تهیه نمونه های میکروسکوپی خواهند داد.
پولیش الکترونی:
این مرحله که در بسیاری از موارد پس از پولیش نهایی مورد استفاده قرار می گیرد اغلب برای نمونه های کوچک و در واقع برای فلزات خالص تجاری یا آلیاژهای تک فاز استفاده می گردد.نمونه ها را پس از پولیش الکترونی می توان با هر دو روش اچ الکترونی و اچ شیمیایی اچ نمود.
اچ شیمیایی:بمنظور مشاهده زمینه دانه های یوتکتیکی اندازه دانه ها بطور کلی برای بررسی ریز ساختارها و ساختارهای ماکروسکپی قطعات فلزی و آلیاژها معمولا از روش اچ کردن شیمیایی استفاده می کنند.همجنین برای تشخیص مرغوبیت خمیری و یکنواختی نمونه های اماده شده پس از صیقل نمودن روش اچ کردن بکار برده می شود.
در موارد دیگر برای مشاهده عیوب ریختکی در مقیاس ماکروسکپی قطعات را اچ ماکروسکپی می نمایند.معمولا" برای اچ کردن نمونه های محلول های شیمیایی قوی که در داخل محفظه های مخصوص نگهداری می شوند مورد استفاده قرار می گیرند.همچنین اغلب محلول هایی که برای اچ ماکروسکپی بکار برده می شود پس از ترکیب شدن با فلز یا آلیاژ مورد نظر رسوباتی در روی سطح اچ شده باقی می گذارندو معمولا" به طریقه های شیمیایی یا مکانیکی آنها را از بین می برند.روش های علمی زیادی برای اچ ماکروسکپی و میکروسکپی مورد استفاده واقع می گردد اما بطور معمولی روش های غوطه ور سازی و همچنین اچ مالشی بیشتر استفاده می کنند که در روش غوطه ورسازی نمونه مورد نظر را در داخل محلول اچ در مدت زمان معینی حرکت می دهند سپس با اب و الکل سطح انرا تمیز می کنند.پارچه نرم یا پنبه را به محلول اغشته کرده سپس بر روی سطح اچ شونده انرا به ارامی مالش می دهند تا سطح مورد نظر توسط محلول اچ خورده شود. اچ میکروسکپی به خاطر چند علت زیر مورد استفاده قرار می گیرد:
الف) بمنظور ظاهر شدن ساختار زمینه دار دانه های یوتکتیکی و فازها.
ب) بمنظور ظاهر شدن جزئیات بیشتر در ساختار میکروسکپی از قبیل شاخه های دندریتی مرز دانه ها و هسته دار شدن دانه ها.
در بیشتر مواد لازم است که محلول های اچ متفاوتی را برای میکروسکپی مورد آزمایش قرار دهند وقتی ممکن است که در برخی موارد با یک محلول اچ به نتیجه دلخواه دست یافت یا اینکه برای اچ شدن مناسب یک قطعه انرا با چندین محلول اچ شیمیایی متوالا" اچ نمود.بهر حال برای اغلب فلزات و آلیاژهایی که ساخته شده است محلول های شیمیایی برای اچ کردن آنها مشخص شده است که در جداول مربوطه می توان به آنها دسترسی پیدا کرد .بطور مثال برای چدن های غیر آلیاژی و بخصوص برای مشاهده ساختار پرلیتی در چدن ها و همچنین بدلیل انکه شکل گرافیتها در حین اچ کردن کیفیت خود را از دست ندهد از محلول پیکران استفاده می کنند.یا بطور معمولی برای مشاهده مرزدانه های فریت از محلول نایتال استفاده استفاده می کنند در حالی که محلول شکل گرافیت را تغییر داده و باعث متورم شدن آنها می شود.پس از اتمام مرحله اچ کردن بآید نمونه های اچ شده را با دقت شسته و سپس خشک کرد در غیر این صورت پس از مدتی زمان کوتاه علائم زنگ زدگی در روی سطح اچ شده بوجود می آید که موجب اختلال در مورد بررسی های میکروسکپی خواهند گردید بخصوص در مورد نمونه هایی که اچ کردن آنها بطور عمقی صورت می گیرد.شستوشوی نمونه بآید با دقت کافی و بطریق غوطه ور سازی انجام گیرد و توصیه می گردد که نمونه های مربوط به قطعات ریخته شده از فولادها و چدنها پس از پایان کار با الکل شسته شود سپس در داخل استون کاملا" غوطه ور گردند سپس در داخل جریان هوای گرم کاملا" خشک شوند.
رعایت نکات ایمنی:
محلول های شیمیایی که به منظور اچ کردن مورد استفاده قرار می گیرند اغلب دارای اثرات خوردگی شدید سمی و حالت تبخیری و در بسیاری از موارد قابل اشتعال و انفجار هستند بهمین جهت ساختن و استفاده اینگونه محلول ها رعایت نکات ایمنی کاملا" ضروری و لازم است.
پیش بینی موارد احتیاطی لازم در جداول مربوطه یاداوری شده است اما به هر جهت لازم است در تمامی مواقع پیش بینی ها و احتیاط هایی از قبیل: پوشیدن دستکش حفاظتی- عینک و حفاظ های چشم-استفاده از هواکش و نیز خودداری از استعمال دخانیات کاملا" مورد دقت نظر قرار می گیرند.
ساختار ماکروسکپی فولاد ریختگی:
با در نظر گرفتن عناصر محلول در مذاب فلز و آلیاژ و اندازه شکل و خواص قالب و همچنین درجه حرارت و ریختن مذاب ان ساختارهای مختلفی پس از انجماد در داخل قالب ایجاد شده بلورها و جامد های اولیه که بلورهای تبرید شده (chill) نیز گفته می شود.اندازه های بسیار کوچک بر روی دیواره های قالبی بوجود آورده و معمولا" بعلت گرمای بیش از حد مذاب و همچنین به مناسبت کم بودن هدایت حرارتی ماسه مجددا" ذوب و در نتیجه بطور عادی مشاهده آنها در قطعات ریخته گری شده امکان پذیر
نمی گردد.
مرحله بعدی در روند انجماد شکل گرفتن بلورهای بلندی است که در جهت شیب حرارتی و عمود بر دیوار قالب رشد می کنند و بدلیل شکل های مشخصی که این بلورها دارند آنها را بلورهای ستونی می نامند و دارای اندازه و طول محدودی در فولادهای کربنی ساده و فولادهای آلیاژی هستند اما همین بلورها در فولادهای پرآلیاژ دارای اندازه و طول های بزرگتری بوده و تقریبا" در تمامی سطوح قطعه گسترده شده اند.در فولادهای کربنی ساده و فولادهای کم آلیاژی امکان جوانه زنی و رشد داشته باشند و منطقه مرکزی شش تشکیل خواهند گردید و همچنین ساختار ماکروسکپی کاملا" از بلورهای شاخه ای تشکیل گردیده است.
در صورتی که فولادهای پرآلیاژی حکاری هیچ گونه علامت و نشانه از بلورهای شاخه ای یا رشد دندریتی در ساختار ماکروسکپی ظاهر نمکنند.حتی در فولادهای کربنی ساده و فولادهای کم آلیاژی نیز ساختار داخلی همیشه بصورت دندریتی نبوده و در بسیاری موارد نیز بلورهای کوچکی شکل می گیرند که آنها را بلورهای هسته ای نیز می نامند.به همان ترتیبی که در شکل(241) نشان داده شده است بجز چند بلور هم محور منطقه مرکزی تقریبا" بطور کامل از بلورهای هسته ای تشکیل گردیده است. اما در قطعات که بطریقه ریخته گری گریز از مرکز تولید می شوند در اصل حرارت از یک جهت و توسط قالب فلزی به خارج هدایت می گردد و در نتیجه امکان دارد مناطق بصورت تماما" ستونی (242-الف) مخلوطی از ستونی و هم محور(242-ب) یا بطور کامل از بلورهای هم محور (242-ج) تشکیل شده باشد.
ساختار داخلی و خواص فولادهای کربنی ساده:
آلیاژ وآلیاژهایی که در نتیجه اضافه کردن کربن و عناصر آلیاژی دیگر به اهن تولید می گردند ارزش زیادی در صنعت داشته و دارای کاربردو موارد استفاده متنوع و بسیار وسیعی هستند.به همان ترتیبی که قبلا" نیز اشاره شد تقسیم بندی فولادهای کربنی ساده بر اساس درصد کربن بصورت فولادهای یوتکتوئیدی با 0.8% کربن و فولادهای قبل از یوتکتوئیدی با کمتر از 0.8% کربن و ساختار فریت و پرلیتی و فولادهای بعد از یوتکتوئیدی با بیشتر از 0.8% کربن و ساختار میکروسکپی سمانتیت و پرلیت است که این فولادها عاری از عناصر آلیاژی دیگر بوده و فآیده اصلی آنها در ارزان بودن آنهاست.ضمنا" تقسیم بندی دیگری که اغلب در این فولادها مورد استفاده قرار می گیرد و یک تقسیم بندی نسبتا" عملی تری است بصورت زیر انجام می گیرد:
1) فولادهای کم کربن : …. میزان کربن 0.2 درصد ….
2) فولادها با کربن متوسط: …. میزان کربن در حدود 0.2 تا 0.5 درصد…
3) فولادهای پر کربن …. میزان کربن بیش از 0.5 درصد….
نمونه ای از موارد کاربرد فولادهای کربنی ساده:
فولادهای ریخته گری شده کم کربن در عموم قطعات مهندسی ساختمان -کشتی ها-راه اهن و کارهای ساختمانی دیگر و در مواردی که احتیاج به کاری سخت و محکم و قابل اطمینان باشد بسیار مناسب هستند.
همچنین این فولادها دارای قابلیت جوشکاری خوب-نفوذپذیری مغناطیستی زیاد و در مواردی که قطعات بطور سطحی سخت گردند مورد استفاده قرار مم گیرند.
فولادهای ریخته گری شده با کربن متوسط در قطعات مربوط به راه اهن و صنایع حمل و نقل دیگر ماشین الات و دستگاههای نورد معادن راه سازی و ساختمان سازی و در مواردی که سایش در حد متوسطی مورد لزوم باشد بسیار نامناسب هستند.
فولادهای ریخته گری با کربن زیاد (پر کربن) در مواردی از قبیل خم کردن و شکل دادن قطعات-ساخت فولادها- غلطکها-ابزارالات ماشین های صنعتی ودر مواردی که سختی قابل ملاحظه ای در قطعات ریخته گری شده مورد احتیاج است-در قطعات با مقاومت در مقابل سائیدگی خوب زیاد مورد استفاده قرار می گیرند.
تاثیر میزان کربن در ساختار میکروسکپی فولادهای سیاه تاب:
در حالتی که یک فولاد کربنی با میزان تقریبی کمتر از 0.5 % کربن به ارامی در یک قالب سرد گردد اولین فاز جامدی که در ان بوجود میآید فاز دلتا می باشد که با ادامه سرد شدن این فولاد فاز درشت استنیت از ترکیب فاز دلتا و مذاب موجود ایجاد گردیده و به همین ترتیب نیز با کاهش درجه حرارت فاز استنیت به یک ساختار فریتی به شکل ساختار صفحه ای ویدمن اشتاتن تجزیه میگردد.در این حال استنیت باقی مانده و در درجه حرارت یوتکتوئیدی به پرلیت تغییر حالت داده و در مورد نتیجه پس از انجماد ساختار نهایی فولاد حاوی مزیتی ویدمن اشتاتن به رنگ روشن است که در مرز دانه های استنیت رسوب کرده و بقیه ساختار داخلی فولاد در این حالت به رنگ تیره از لایه های فریت و سمانتیت و پرلیت تشکیل می گردد.
بطور کلی فولاد فوق در شرایط سیاه تاب دارای خواص پایینی است و معمولا" برای دسترسی به خواص بهتر در این نوع فولادها آنها را پس از ریخته گری در داخل یک کوره تا درجه حرارت استنیت حرارت می دهند که میزان درجه حرارت اعمال شده بستگی کاملی به میزان درصد کربن محتوی فولاد خواهد داشت سپس بمنظور بدست آوردن خواص و ساختار دلخواه قطعات فولادی را با سرعت مناسبی سرد می کنند.
شکل های (243) تا (249) تاثیر افزایش کربن را در ساختارهای میکروسکپی فولادهای قبل از یوتکتوئیدی نشان می دهند.
ساختار سطوح مقاطع میکروسکپی فولادهای پس از اچ کردن توسط محلول 2% نایتال مناطق تیره رنگ پرلیتی و سفید رنگ فریتی را که فریت بشکل ویدمن اشتاتن از دانه های استنیتی اصلی تشکیل گردیده است نشان می دهند.همچنین سرد شدن نسبتا" ارام قطعات در قالب های ماسه ای باعث درشت تر شدن لایه های پرلیتی در ساختار آنها گردیده است بطوری که در شکل های (245)و(249) ملاحظه می گردد بدلیل افزایش مقدار منگنز محتوی فولاد ترکیب شیمیایی یوتکتوئیدی تغییر کرده و در نتیجه نسبت پرلیت و فریت با در نظر گرفتن مقدار عادی و از قبل پیش بینی شده آنها را در دیاگرام عادی اهن-کربن افزایش یافته است.شکل (248) ساختار یک منطقه پرلیتی را که حاوی لایه های فریت و سمانتیت است در بزرگنمائی بیشتر از 50 برابر نشان می دهد و نیز ساختار میکروسکپی از سطح مقطع ریخته گری یک فولاد بعد از یوتکتوئیدی با مقدار کربن 1.2 % که حاوی فازهای سمانتیت اولیه در مرزدانه های استنیتی و جزایر پرلیتی است در شکل (250) مشاهده می گردد.
بافت:…………………………………………………………………………………mcmory
این نوع ساختارهای میکروسکپی که اغلب در فولادهای ریختگی مشاهده می گردند در نتیجه عملیات حرارتی و سرد کردن ارام فولاد از درجه حرارت استنیتی ایجاد می گردد.در شکل های (278)و(279) ساختار میکروسکپی یک فولاد سیاه تاب (ماکروسکپی) مشاهده می گردد.
عملیات حرارتی فولادهای کم کربن(0.2%)
در شکل های (251) تا (258) نمونه ساختارهای میکروسکپی یک فولاد کم کربن پس از عملیات حرارتی مختلف مشاهده می شوند.
نوع عملیات حرارتی سیکل عملیات حرارتی
1) تابکاری بمدت دو ساعت در حرارت 950 درجه سانتیگراد
2) نرمال کردن بمدت دو ساعت در حرارت 950 درجه سانتیگراد
3) کونچ روغن بمدت دو ساعت در حرارت 950 درجه سانتیگراد
4) کونچ در اب بمدت دو ساعت در حرارت 950 درجه سانتیگراد
5) کونچ در روغن و تمپر الف:بمدت دو ساعت در حرارت 870 درجه سانتیگراد
ب: بمدت یک ساعت در حرارت 650 درجه سانتیگراد
عملا" کونچ کردن قطعات فولادی بدون باز پخت در صنعت مورد استفاده قرار
نمی گیرد.
ساختارهای میکروسکپی:
شکل251: تابکاری شده- حاوی دانه های چند وجهی فریت و پرلیت.
شکل252: نرمال شده- توزیع ظریف تر دانه های فریت و پرلیت.
شکل253: کونچ در روغن شامل فریت های ریز و سوزنی شکل و پرلیت.
شکل254: کونچ در اب شامل بینایت فوقانی-مقداری ساختار مارتنزیتی.
شکل255: کونچ در روغن و باز پخت- فریت بمقدار کمتری بصورت سوزنی شکل بوجود امده و پرلیت های ریز بصورت کروی شکل ایجاد گردیده است.
شکل256: کونچ در اب و بازپخت-شامل مخلوطی از بازپخت-بینایت-مارتنزیت-فریت.
شکل257: کونچ در روغن و باز پخت- مشابه شکل 255.
شکل258: کونچ در اب و باز پخت- مشابه شکل 256.
نمو نه ای از خواص مکانیکی:
تابکاری شده نرمال شده کونچ در اب و باز پخت
استحکام کششی 456 487 540
تنش تسلیم N/MM) ) 258 289 380
درصد ازدیاد طول نسبی 28 26 30
درصد کاهش سطح مقطع 50 45 60
عملیات حرارتی فولاد با کربن متوسط:
در شکل های(259)تا (266) نمونه ساختارهای میکروسکپی یک فولاد با کربن متوسط پس از عملیات حرارتی های مختلف مشاهده می شود:
نوع عملیات حرارتی سیکل عملیات حرارتی
1) تابکاری کردن بمدت 2 ساعت در حرارت 920 درجه سانتیگراد
2) نرمال کردن : " " " " " "
3) کونچ در روغن : " " " " " "
4) کونچ در اب: " " " " " "
5) کونچ در روغن و باز پخت: الف: " " " 900 " "
ب: " 1 " " 650 " "
6) کونچ در اب و باز پخت: الف: " 2 " " 900 " "
ب: " 2" " 650 " "
عملیات حرارتی شماره 3 تا 6 عملا" در صنعت انجام می گیرد.
ساختارهای میکروسکپی:
شکل 259: تابکاری شده- حاوی ساختار فریتی و پرلیتی.
شکل 260: نرمال شده-توزیع ریزتر فریت و پرلیت.
شکل 261: کونچ در روغن شامل ساختار بینایت و پرلیت کاملا" ریز.
شکل 262: کونچ در اب- حاوی یک ساختار مارتنزیتی و بینایتی.
شکل 263: کونچ در روغن و بازپخت-بینایت و پرلیت.
شکل 264: کونچ در اب و بازپخت – تمپر مارتنزیت و باز پخت بینایت.
شکل 265: کونچ در روغن و باز پخت – مشابه شکل 263.
شکل 266: کونچ در روغن و باز پخت – مشابه شکل 264.
………. نمونه خواص مکانیکی……….
تابکاری شده نرمال شده کونچ در روغن و بازپخت کونچ دراب و باز پخت
استحکام 672 704 795 806
تنش تسلیم378 15 494 586
%ازدیاد
طول نسبی 16 15 15 14
% کاهش
سطح مقطع 25 24 28 30
عملیات حرارتی فولاد پر کربن(0.64):
در شکل های (267) تا (274) نمونه ساختارهای میکروسکپی یک فولاد پر کربن و
پس از عملیات حرارتی های مختلف مشاهده می شود:
ساختارهای میکروسکپی:
شکل 267: تابکاری شده – ساختار فریتی و پرلیتی.
شکل 268: نرمال شده – ساختار فریتی و پرلیتی ریز.
شکل 269: کونچ در اب – ساختار مارتنزیتی.
شکل 270: کونچ در اب – مشابه شکل 269.
شکل 271: کونچ در اب وباز پخت- پرلیت بازپخت شده- بینایت و مناطقی از فریت.
شکل 272: کونچ در اب و باز پخت – مارتنزیت باز پخت شده.
شکل 273: کونچ در روغن و باز پخت- مشابه ساختار شکل 271.
شکل 274: کونچ در اب و باز پخت – مشابه ساختار شکل 272.
فولاد های مقاوم در مقابل حرارت:
فولادهای مقاوم در مقابل حرارت دارای(13-30 %) کرم بوده و در محیط های اکسید کننده و احیا کننده مقاومت بسیار خوبی از خود نشان میدهند و به همان صورتی که در بخش مربوط به فولادهای محتوی(13%) کرم (4%) نیکل (17%)کرم (0.2%) نیکل نشان داده شد. فولادهایی که محتوی کرم هستنددارای ساختار مارتنزیتی بوده وکاربرد آنها حداکثر به حرارت تقریبی C 750 محدودیت پیدا میکند.اما درصورت صورتی که مقدار کرم در این فولادها به مقادیر بیشتری افزایش یابد باعث ازدیاد مقاومت آنها در مقابل اکسیداسیون در درجه حرارت های بیشتر می گردد.بدیهی است که میزان کربن محتوی فولاد تاثیری زیاد بر روی ساختار میکروسکپی ان دارد بطوری که نسبت به میزان کربن حتی در فولادهای با مقدار 20% کرم می توان ساختاری بصورت فریتی ایجاد کردو بهمین جهت قطعات ریختهگری شده فولادهای تجاری با میزان 25تا 30 % کرم با وجود داشتن (0.5_1.5) درصد کربن یا حتی بالاتر بطور ثابت دارای ساختار فریتی و اندازه دانه های بزرگی هستند.
بمنظور تولید فولادهای استنیتی مقاوم در برابر حرارت در حدود 40% نیکل به فولاد اضافه می شود که در ضمن افزایش این نوع فولادها در مقابل اکسیداسیون در صورتی که این عنصر در فولادها همراه با عنصر کرم باشد باعث افزایش و بهبود خواص مکانیکی مانند استحکام و نرمی نیز در آنها می گردد و عناصر آلیاژی دیگر از قبیل کبالتco تنگستنw نیز دارای اثرات مشابهی هستند.
افزودن عنصر نیکل در فولادهایی که محتوی کرم زیادی هستند می تواند باعث افزایش بهتر فاز استنیت به فریت در ساختار آنها گردیده و نسبت به مقدار عناصر آلیاژی دیگر در فولاد ساختار زمینه می تواند بطور کامل استنیتی شود وقتی به میزان 14% برسد.
ساختار میکروسکپی:
ساختار میکروسکپی فولاد آلیاژی محتوی 0.8% کربن و 28% کرم در شکل های 345 و346 نشان داده شده است.ساختار زمینه در این فولاد فریتی به رنگ خاکستری همراه با مقدار کمی از فاز استنیت است که در بین دندریتها پخش گردیده است.همچنین تعدادی از کاربیدهای ثانویه در داخل دانه ها و نیز کاربیدهای اولیه در مرز دانه ها رسوب یافته اند.در صورتی که مقدار نیکل تا 12% افزایش یابد باعث ایجاد ساختار زمینه استنیتی همراه با بخش های کوچکتری از فریت که در شکل 347 و348 مشاهده می شود.که ملاحظه می گردد فازهای فریتی عموما" در مرزدانه ها و در برخی موارد نیز توسط کاربیدهای اولیه که از تحول یوتکتیکی بوجود امده اند احاطه گردیده اند. حال در صورتی که موارد نیکل به 20% افزایش یابد ساختار زمینه بطور صد در صد به استنیت تبدیل شده شکل های 349 و 350 ساختار میکروسکپی فولاد آلیاژی محتوی 0.4% کربن و 35% نیکل و 25% کرم و نیز فولاد حاوی عناصر آلیاژی 0.4% کربن 40% نیکل و 20% کرم در شکل های 351 و352 نشان داده شده است.
به همان ترتیب که مشاهده می گردد کاربیدهای اولیه در این ساختارهای میکروسکپی مشابه کاربیدهای اولیه در شکل 349 و 350 از تحول یوتکتیکی بوجود امده و در مرز و همچنین داخل دانه ها قرار گرفته اند و نیز نسبت به آنها پیوسته و گسترش یافته تر هستند.از طرف دیگر مشخص تر شدن و پیوستن بیشتر کاربیدها در این نمونه ها بدلیل افزایش بیشتر مقدار نیکل در این نوع فولادهای کرم دار است.
فولادهای ضد زنگ با سختی رسوبی:
این نوع فولادها مقاومت بسیار خوبی در مقابل خوردگی داشته و دارای تنش تسلیم و استحکام کششی عالی هستند.از طرف دیگر بعلت زیاد بودن سختی در آنها مقاومت خوبی در مقابل سایش داشته و همچنین داری قابلیت جوشکاری عالی و از نظر چکش خواری نیز در حد قابل قبول هستند.اما چون خواص مورد نظری که در بالا بدان اشاره شد نسبت به سیکل های اعمال شده توسط عملیات حرارتی بر روی این فولادها بسیار حساس است.به این علت در بیشتر حالات بایستی این عملیات بطور کاملا" مناسبی بر روی این فولادهای مورد نظر اعمال گرددتا خواص بدست امده در حد قابل قبولی در آنها ایجاد گردد.
ساختار میکروسکپی این نوع فولادها به سه دسته تقسیم می شوند:
1) ساختار مارتنزیتی 2) ساختار استنیتی 3) ساختار نیمه استنیتی
این فولادها برای استفاده در محیط های خورنده و ساینده بسیار مناسب بوده و از طرف دیگر با یک عملیات حرارتی ساده در درجه حرارت کم و بطور مثال در حرارت C490 می توان سختی فولاد را بهبود بخشید.به همین ترتیب مشکلات جانبی دیگر از قبیل تنش های داخلی و پیچیدگی های داخلی را در فولاد و پیوسته شدن در سطح فولاد را نیز می توان با این روش به حااقل مقدار در قطعه کاهش داد.
ساختار میکروسکپی:
ساختار میکروسکپی فولاد آلیاژ مصرفی 14% کرم و 4% نیکل و 2% مولیبدن و2.5% مس و 0.06% کربن در شکل های 353 – 354 و همچنین ساختارهای مربوط به فولاد آلیاژی محتوی 17% کرم و 4% نیکل و 2.5% مس و 0.06% کربن در شکل های 355 – 356 نشان داده شده اند.
ساختارهای میکروسکپی
دو فولاد آلیاژی فوق در شرایط عملیات حرارتی شده و بدون عملیات حرارتی کاملا" مارتنزیتی بوده و بعلت انکه در ساختارهای مورد نظر در بزرگنمائی های کمتر مورد بررسی قرار گرفته اند در نتیجه رسوب هایی که باعث سخت گردیدن و بیشتر شدن استحکام در فولادهای مذبور گردیده در زیر میکروسکوپ قابل رویت نیستند.
چدن ها ……………………………………………Cast Iron
چدن ها آلیاژی از اهن و کربن هستند که حاوی تعداد دیگری عناصر آلیاژی مانند:سیلیسیم – منگنز – گوگرد و فسفر هستند.ترکیبات یوتکتیکی چدن ها شامل گرافیت (کاربیداهن) و استنیت است که در ادامه سرد شدن فاز استنیت به فازهای دیگر تبدیل می شود و بهمین ترتیب عوامل مهم دیگری که خواص چدن های ریختگی توسط آنها تعیین می گردد مقدار اندازه – شکل و توزیع گرافیت ها و یا کاربیداهن است یا به عبارت دیگر کنترل عوامل نامبرده مهمترین اصل در تولید چدنها می باشد.تغییر عواملی از قبیل ترکیب شیمیایی – نحوه جوانه زنی – سرعت انجماد در چدنها و نیز برخی عناصر آلیاژی در مقادیر بحرانی باعث تغییر زیادی در نوع شکل – اندازه و توزیع گرافیت ها می گردد.
استحکام در چدنهای خاکستری به نسبت گرافیت های نرم مناسبتر است یا بعبارت دیگر استحکام در این نوع چدنها به نزدیکتر بودن درصد کربن چدن به ترکیب یوتکتیکی بستگی دارد.
ساختار زمینه در این چدنها تاثیر زیادی در استحکام آنها دارد. کمتر بودن مقدار سیلیسیم در چدنها یا زیادتر بودن برخی عناصر آلیاژی از قبیل کرم و مجموعه عوامل که از تجزیه کردن جلوگیری می کند موجب می شود که دسته سومی از چدنها تحت عنوان چدنهای سفید با سختی زیاد قابلیت ماشین کاری کم و مقاطع شکست سفید تولید شود. چدنهای چکش خوار گروه دیگری از چدنها هستند که دارای اهمیت زیادی در صنعت بوده بمنظور تولید این چدنها ابتدا قطعات را بصورت چدن سفید ریخته گری و سپس با استفاده از یک سیکل عملیات حرارتی مناسب کاربیدها را تجزیه کرده و گرافیت به اشکالی خاص رسوب پیدا می کند. در ساختار میکروسکپی چدنها گرافیت ها و کاربیدهای یوتکتیکی بسهولت در زیر میکروسکوپ قابل تشخیص هستند. گرهفیت ها را می توان حتی در مقطع پولیش شده و بدون اچ به وضوح مشاهده کرد در حالیکه برای تشخیص کاربیدها سطح مقطع پولیش شده از نمونه حداقل بمقدار کمی اچ گردد و ترکیب مهم دیگری که در نتیجه تحول یوتکتیکی بوجود میایند فاز استنیت است که این فاز در مراحل نهایی انجماد حین سرد شدن قطعه به فازهای فریت و پرلیت یا فازهای تغییر یافته دیگر که زمینه نمونه را تشکیل می دهند اطراف گرافیت ها یا کاربیدهای یوتکتیکی را احاطه می کنند.
ساختار عمومی چدن های با گرافیت ورقه ای:
برخی از ساختارهای میکروسکپی در چدن های خاکستری را که در اصل بشکل میله ای با قطرmm 30 در قالب ماسه ای ریخته گری شده است در شکل 89 تا 92 مشاهده کرد . در شکل 89 ساختار میکروسکپی یک چدن خاکستری قبل از یوتکتیکی نشان داده شده است. بمنظور مشاهده ساختار ماکروسکپی ابتدا توسط سمباده نرمی ساییده شده سپس بمدت 2 دقیقه با محلول stedut اچ می گردد.در بررسی ساختار ماکروسکپی جزایر یوتکتیکی دارای 4.6 سلول در هر سانتیمتر مربع هستند و نیز جدایش عناصر ناخالصی که اغلب در چدنهای با فسفر ذیاد بوجود میآید در مرز سلول ها می توان مشاهده کرد.ساختار سطح مقطع میکروسکپی یک نمونه اچ شده از چدنهای خاکستری 90 نشان داده شده است.همانگونه که ملاحظه می شود در زمینه بجز گرافیت های ورقه ای هیچ گونه جزئیات دیگری قابل رویت نیست. در شکل 91 ساختار میکروسکپی اچ شده از یک چدن خاکستری قبل از یوتکتیکی مشاهده می گرددکه حاوی گرافیت های ورقه ای با زمینه ای کاملا" پرلیتی می باشد. در شکل 92 ساختار سطح مقطع چدن مربوط بشکل 91 پس از اچ عمقی توسط میکروسکوپ الکترونی نشان داده شده است. در این نوع میکروسکوپ ها شکل سه بعدی و شعاعی گرافیت ها به سادگی قابل مشاهده است.
تغییر کربن معادل در چدن های خاکستری:
مقدار گرافیت های ورقه ای مهمترین عاملی است که بر روی استحکام و خواص دیگر چدن خاکستری تاثیر می گزارد و تغییر در درمان مقدار آنها علت اصلی تغییر استحکام چدن ها می باشد که با استاندارد انگلیسی BS1457 مشخص شده است.ساختار زمینه در صورتی پرلیتی کامل است که مقدار سیلیسیم کمتر یا مقدار منگنز زیادتر باشدو بهمین ترتیب بر اثر وجود مقادیر بسیار کم و جزئی از عناصر پآیدار کننده پرلیت از قبیل ارسنیک -کرم – مس – نیکل و قلع در موارد اولیه با قراضه های برگشتی می توان زمینه ای کا ملا" پرلیتی بدست آید.
در مورد چدن هایی که دارای استحکام کمتری هستند ساختار زمینه دارای اهمیت کمتری نسبت به نوع گرافیت ها در چدن است. در صورتی که در چدن های با استحکام و مقاومت زیاد نوع ساختار زمینه اهمیت زیادی دارد بطوریکه در چنین مواردی سعی می شود تا ساختارهایی کاملا" پرلیتی یا بینایتی تولید گردد.
تاثیرات تغییرات ضخامت در ساختار میکروسکپی چدن خاکستری:
با افزایش ضخامت قطعه در چدن خاکستری استحکام افت می کند و بهمین دلیل معمولا" یک نمونه ای میله ای با قطر 30 میلی متر بعنوان مرجع برای استحکام و ساختار مورد استفاده قرار می گیرد.
ساختار میکروسکپی:
چگونگی افزایش ابعاد گرافیت ورقه ای شکل با زیادتر شدن سطح مقطع یک میله ریخته گری شده در قالب ماسه ای به قطر 15 میلی متر در شکل های 103 تا 106 نشان داده شده استکه تمام ساختارهای مسکروسکپی دارای زمینه ای پرلیتی می باشد.ساختار سطح مقطع میله ای به قطر 30 میلی متر در شکل 95 نشان داده شده است که اطلاعات مربوط به ان در جدول زیر آورده شده است:
طبقه بندی گرافیت:
نوع اندازه
شکل95: A 4
شکل103: A 5
شکل104: A 4
شکل105: A 3
شکل106: A 2-1
تلقیح موارد گرافیت زا در چدن خاکستری:
تلقیح یک مواد جوانه زا در چدن خاکستری عبارت است از اضافه کردن مقدار کمی از ان ماده بمنظور ازاد شدن گرافیت ها از حالت ترکیبی سمانتیت که در این حالت شکل های یوتکتیکی در ساختار چدن افزایش پیدا کرده همچنین فوق تبرید در حین انجماد نیز کاهش می یابد.بطور کلی مواد جوانه زا را اغلب بصورت ترکیباتی آلیاژی شامل عنصر جوانه زا است که بطور مثال مواد جوانه زایی که در چدن ها مورد استفاده قرار
می گیرد معمولا" فروسیلیسیم و کلسیم سیلیس است.
یک ماده جوانه زای مناسب عبارت است از ماده ای که افزودن مقادیر کمی از ان بدون انکه تغییر قابل ملاحظه در ترکیب شیمیایی آلیاژ کند اثر مناسب و کافی بر روی ساختار داخلی ایجاد کند.استحکام چدنی که قبل از تلقیح یک ماده جوانه زا دارای ساختار گرافیتی است معمولا" پس از اعمال تلقیح بدلایل زیر افزایش میابد:
الف)افزایش در تعداد شکل های یوتکتیک
ب) گرافیت های فوق تبرید اغلب همراه با فریت هستند و در صورت ایجاد گرافیت های بدون جهت در این حالت اغلب زمینه بصورت کاملا" پرلیتی می گردد که در نتیجه استحکام را افزایش می دهد.
ج) مواد جوانه زای سیلیسیم دار معمولا" حاوی آلومینیوم هستند و وجود آلومینیوم در چدنهای پرلیتی باعث افزایش استحکام آنها می شود.
ساختار میکروسکپی:
نمونه هایی که ساختار ماکروسکپی و اچ شده آنها قبل و بعد از تلقیح فرو سیلیسیم در شکل های 111 و 112 نشان داده شده اند بصورت میله ای و با قطر 30 میلی متر در قالب ماسه ای ریخته گری گردیده اند که قبل از عمل تلقیح تعداد شکل یوتکتیکی کمتر شکل 111 و تعداد زیادتر یوتکتیکی پس از عمل تلقیح در شکل 112 مشاهده می گردد.بهمین ترتیب مونه هایی که ساختار میکروسکپی و اچ نشده آنها قبل و بعد از تلقیح فروسیلیسیم در شکل های 113 و 114 نشان داده شده اند بصورت میله ای و با قطر 30 میلی متر در قالب ماسه ای ریخته گری گردیده که در شکل 113 گرافیت های ورقه ای پس از مرحله یوتکتیکی و گرافیت های ورقه ای بدون جهت نسبت به گرافیت های موجود در شکل 113 و 114 مشاهده می شوند.
گرافیت نوع Rosette در چدن خاکستری:
در چدن هایی که حاوی مقادیر فسفر بوده و در قالبهای ماسه ای ریخته گری شده باشند بویژه در سطوح مقاطع 7-6 میلی متر و کمتر از ان و بدون استفاده از تلقیح مواد جوانه زا گرافیت های نوع Rosette بدست میایند.(شکل 115)
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن سیلیسیم منگنز گوگرد فسفر کربن معادل
3.1 2.6 0.5 0.08 0.6 4
چدن خاکستری با گرافیت های فوق تبرید:
گرافیت های فوق تبرید بسیار ریز بوده وبدون استفاده از مواد جوانه زا از چدن ها ایجاد می گردد(شکل113) این نوع گرافیت ها را می توان با نگهداری بیشتر مذاب قبل از ریختن ان بداخل قالب و همچنین در چدن هایی که دارای میزان گوگرد بسیار کمی هستند تا با خارج کردن هیدروژن داخل مذاب به یک نسبت و در سرتاسر قطعه گسترش داد. در شکل 116 این نوع گرافیت ها یک چدن حاوی تیتانیم و با استفاده از فوق گداز 1500 درجه سانتیگراد و دمیدن گاز اکسید کربن بمنظور خارج کردن هیدروژن مذاب انجام گرفته است مشاهده می شود.نمونه مورد نظر بشکل میله ای به قطر 30 میلی متر بوده که داخل قالب ماسه ای ریخته گری شده و ساختار سطح مقطع میکروسکپی ان دارای زمینه ای فریتی با مقادیر بسیار کمی از پرلیت با رشد دندریتی است.
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن سیلیسیم منگنز گوگرد فسفر تیتانیم کربن معادل
2.1 0.6 0.5 0.1 0.15 0.1 3.6
ریخته گری چدن خاکستری در قالب های دائم:
معمولا" چدن های خاکستری که در قالب های دائمی فبزی ریخته گری می گردد از نوع چدن های بعد از یوتکتیکی هستند و بدلیل ایجاد کاربیدها در لبه ها تقاطع نازک قطعات را پس از ریخته گری انیل می کنند که بهمین لحاظ زمینه آنها اصولا" بصورت فریتی است.
ساختار میکروسکپی:
در شکل 117 ساختار میکروسکپی چدن با مقدار کربن معادل زیاد مشاهده می شودکه در یک قالب فلزی ریخته شده و در مرحله بعد در حرارت 950-800 درجه سانتبگراد انیل و سپس به ارامی سرد گردیده است.ساختار اینچدن حاوی گرافیت ورقه ای و گرافیت فوق تبرید شده همراه با گرافیت های ضخیم و بعد از یوتکتیکی کیش Kish در زمینه فریتی است.
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن سیلیسیم منگنز گوگرد فسفر کربن معادل
3.6 2.7 0.5 0.08 0.75 4.7
ساختار میکروسکپی:
ساختار داخلی یک نمونه قالب شمش در بزرگنمائی کم در شکل 118 نشان داده شده است که دارای گرافیت ورقه ای بسیار درشت و سلول های یوتکتیکی بزرگ است.شکل 119 ساختار میکروسکپی و اچ شده یک نمونه از قالب شمش را که حاوی گرافیت های ورقه ای درشت در یک زمینه پرلیتی با فریت بسیار اندک است نشان میدهد. در شکل 120 ساختار اچ شده یک قالب شمش با گرافیت فشرده نشان میدهد .در این ساختار گرافیت های کروی در برخی نقاط بطور اتفاقی بوجود امده و زمینه تماما" فریتی است.
گرافیت های فشرده در قطعاتی از جنس چدن خاکستری با مقاطع بزرگ:
گرافیت های فشرده که خود از نوع گرافیت های ورقه ای هستند بمنظور اصلاح استحکام قطعاتی از جنس چدن خاکستری در مقاطع بزرگتر مورد استفاده قرار می گیرند.برای ایجاد این نوع گرافیت ها شبیه به روش مورد استفاده در قالب شمش ها (شکل 120) میتوان با اضافه کردن منیزیم – تیتانیم یا بوسیله ترکیب نیتروژن در چدن هایی که دارای مقدار کمی از آلومینیوم – تیتانیم باشند.
ساختار داخلی:
در شکل 121 ساختار میکروسکپی یک نمونه از چدنی که نیتروژن محتوی ان افزایش پیدا کرده مشاهده می شود:
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن سیلیسیم منگنز گوگرد فسفر نیتروژن کربن معادل
3.6 1.7 0.7 0.05 0.15 0.008 4.2
فسفر در چدن خاکستری:
چدن های خاکستری مشابه چدن هایی که شرح داده شد ممکن است محتوی بیش از 0.5% فسفر باشد که معمولا" چنین چدن های فسفردار کمتر مورد استفاده قرار می گیرند. افزایش فسفر باعث افزایش بیش از حد سختی گردیده و در بیشتر موارد استحکام بیشتر از حد انتظار بوجود میآید.
ساختار داخلی:
در صورتیکه مقدار فسفر از 0.15% بیشتر باشد یک ترکیب یوتکتیکی در مناطق بین دندریتی و بین سلولی ساختار میکروسکپی ظاهر می شود.شکلهای 122 و 123 ساختار میکروسکپی اچ شده از یک چدن خاکستری فسفر داررا نشان می دهد که حاوی گرافیت های ورقه ای و بدون جهت در زمینه ای از پرلیت فاز یوتکتیکی فسفید بصورت گوشه دار است و نا خالصی های سولفور منگنز که به صورت گوشه دار و خاکستری رنگ است در دو نقطه در شکل 123 مشاهده میشود.شکل 124 فسفر اهن را که با محلول اپی پرسولفات امونیوم اچ شده است نشان می دهد. در این ساختار میکروسکپی فاز یوتکتیکی فسفید بطور کاملا" واقعی بصورت شبکه ای بین سلولی توزیع شده و نسبت به بقیه ساختار بمیزان کمتری اچ گردیده است.
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن سیلیسیم منگنز گوگرد فسفر کربن معادل
3.2 2.3 0.5 0.1 1-0.5 4.25
ترکیب یوتکتیکی سه تائی فسفید در چدن:
فسفر در ترکیب یوتکتیکی بصورت فسفید اهن است که ساختار ترکیبی ان تغییر می کند.یوتکتیک سه تائی فسفید مخلوطی از سه فاز است که عبارتند از:فسفید اهن – کاربید اهن و فریت که فاز استنیت نیز غنی از اهن است حین انجماد و سرد شدن تبدیل به فریت می گردد. یوتکتیک سه تائی فسفید اغلب در چدنها با سیلیسیم کم است یا حاوی عناصر کاربیدزا از قبیل کرم – منگنز و در چدنهای دارای سیلیسیم نسبتا" کم و مقاطع ریخته گری کوچکتر ایجاد می شود بطوری که در شکل های 125 تا 127 مشاهده می گردد. اجزا یوتکتیک سه تائی فسفید با روش های مناسب اچ ظاهر می شود. محلول های قلیایی پیکراتسدیم کاربید اهن را سیاه رنگ کرده و بر روی فازهای فریت و فسفید اهن اثری ندارد.در شکل 126 اچ و ظاهرگشتن سه جز مورد نظر در یوتکتیک مذبور با محلول قلیا یی پیکرات سدیم نشان داده شده است.
چدن مقاوم در برابر حرارت:
این نوع چدن در برابر حرارت مقاوم بوده و حاوی 6-5% عنصر سیلیسیم و مقادیری تیتانیم است.ریخته گری چدن مورد نظر با فوق گداز مناسبی انجام می گیرد و ساختار میکروسکپی ان دارای گرافیت ظریف ورقه ای و گرافیت های فوق تبرید شده و زمینه ای صد در صد فریتی است.
ساختار:
ساختار سطح مقطع میکروسکپی یک نمونه از چدن (Stlal) 20 میلی متر که در قالب های ماسه ای ریخته گری شده است در شکل 130 مشاهده می شود.بمنظور ایجاد گرافیت های ورقه ای و گرافیت فوق تبرید شده دمای ذوب قبل از ریخته گری در داخل قالب تا حرارت 1600 درجه سانتیگراد فوق گداز بالاتر برده می شود زمینه این نمونه صد در صد فریتی می باشد.
چدن های آلیاژی با ساختار وزنی شکل:
چدن های خاکستری که در شرایط ریخته گری زمینه بینایتی هستند به چدن های آلیاژی با ساختار سوزنی شکل معروف هستند.این نوع چدنها محتوی عناصر مولیبدن-نیکل و در برخی موارد مس هستند که عهده دار وظایف سنگین حین کار بوده و استحکام و خواص مهم دیگری مانند خستگی و مقاومت در برابر سایش از ویژگی های آنهاست.عناصر آلیاژی سیلیسیم- نیکل و مولیبدن در این چدنها دارای مقادیر بحرانی بوده و نسبت به سطح مقطع قطعه ریخته گری متغییر است و از طرف دیگر بعلت ترکیب پیچیده ای که مولیبدن و فسفر ایجاد می کند و در نتیجه باعث جلوگیری از ایجاد و گسترش کامل ساختار سوزنی شکل در قطعه می گردد.بایستی مقدار فسفر در حد بسیار کمی نگه داشته شود.ایجاد سهختار بینایتی در آلیاژها بوده و برخی موارد حتی بدون اضافه کردن عناصر آلیاژی خاص توسط عملیات حرارتی استمپرینگ در سطوح مقاطع ریختگی نازک امکان پذیر است.
ساختار:
قطعه ریخته گری شده از این آلیاژ بشکل میله ای و به قطر 30 میلی متر در قالب مهسه ای است.ساختار میکروسکپی نمونه ای از قطعه ریخته گری شده در فوق دارای یک ساختار سوزنی شکل همراه با مقادیر جزئی پرلیت و کاربیدها در زمینه نمونه حاوی گرافیت های ورقه ای متوسط است.شکل 131 فلزات اهنی در مواردی که دارای ساختار سوزنی شکل باشند اصولا" بکونه ای ناهمگن وغیریکنواخت اچ می شوند.
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن سیلیسیم منگنز گوگرد فسفر نیکل مولیبدن
3.2-2.7 2.5-2.2 1-0.5 0.1 0.08 2.5-2.2 0.9-0.7
چدن خاکستری با ساختار مارتنزیتی:
با استفاده از عناصر آلیاژی می توان سختی و مقاومت به سایش را با یک ساختار مارتنزیتی افزایش داد.شکل 132 ساختار میکروسکپی نمونه ای از یک قطعهمیله ای شکل به قطر 30 میلی متر را که در قالب ماسه ای ریخته گری شده است را نشان می دهد که عنصر آلیاژکننده ان نیکل بوده و ساختاری شامل زمینه ای کاملا" مارتنزیتی با مقادیر جزئی از فاز استنیت باقی مانده و به رنگ روشن میباشد.
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن سیلیسیم منگنز گوگرد فسفر نیکل
3.3-2 1.4-1 1-0.5 تا 0.1 تا 0.08 5.2-4.8
عملیات حرارتی چدن های خاکستری:
اصول عملیات حرارتی که برای چدنهای خاکستری مورد استفاده قرار می گیرد شامل
الف) عملیات حرارتی تابکاری بمنظور نرم و بهتر کردن قابلیت تراشکاری قبل از عملیات سخت کردن.
ب) اصلاح و بهبود استحکام سختی و مقاومت سایشی از طریق عملیات حرارتی و باز پخت کردن چدن ها.
ساختار داخلی:
شکل 133 ساختار میکروسکپی یک چدن محتوی فسفر را که در یک مقعط نازک ریخته گری شده است را نشان می دهد.این نمونه قبل از لعاب دادن در حرارت 850 تا 950 درجه سانتیگراد تابکاری سپس به ارامی سرد شده است. ساختار میکروسکپی در این چدن حاوی گرافیت ظریف از نوع Roestte با شبکه ای از فسفید یوتکتیکی در یک زمینه کاملا" فریتی است.
در شکل 134 ساختار سطح مقطع میکروسکپی انیل شده از یک چدن خاکستری مشاهده می گردد که حاوی گرافیت های ورقه ای نسبتا" متوسط در یک زمینه فریتی است.
در شکل 135 ساختار ریخته گری شده میکروسکپی گرافیت های ورقه ای در زمینه ای از مارتنزیت باز پخت شده و نیز شامل فسفید یوتکتیکی در برخی مناطق است و به دلیل جدایش اچ شده در زمینه چدن بطور غیر یکنواخت صورت می گیرد.
این نوع چدن بطور معمولی برای تولید چرخ دنده ها مورد استفاده قرار می گیرد.
چدن سفید:
تمام کربن یوتکتیکی در چدنهای غیر آلیاژی قطعاتی که در حین انجماد در قالب های ماسه ای دارای ضخامت های نازک و متوسطی بوده و حاوی مقدار سیلیسیم کمتری باشند بدون استفاده از تلقیح مواد جوانه زا به کاربید اهن تبدیل می گردد.
چنین چدنهایی دارای مقاطع شکست سفید بوده و به چدنهای سفید موسوم هستند.این نوع چدنها بصورت غیر آلیاژی و همراه مقادیر قابل توجهی از عناصر کاربید زا مانند کرم یا وانادیم مورد استفاده قرار می گیرند.مقاومت در برابر سائیدگی و سایش و چدنهای سفید دلیل اصلی استفاده از این نوع چدنها در صنعت محسوب می گردد و چدنهای مالیبل نیز جز همین چدنها میباشد.
ساختار داخلی:
در شکل های 136 و 137 ساختار میکروسکپی دو نوع غیرآلیاژی مشاهده می شود که بدلیل اختلاف در ترکیب شیمیایی دارای ساختارهای متفاوتی هستند.
در شکل 136 یک چدن سفید پرکربن که برای تولید چدن مالیبل مغز سفید مورد استفاده قرار می گیرد و دارای ساختار یوتکتیکی لدبوریت شامل کاربید اهن در زمینه پرلیت است نشان داده شده است.
در شکل 137 یک چدن کم کربن که در ساخت و تولید چدن مالیبل مغز سیاه استفاده می گردد و حاوی کاربیدهای صفحه ای در زمینه ای از پرلیت و نیز مقادیری کاربیدهای سوزنی شکل بیش از یوتکتوئیدی است مشاهده میگردد.چدن سفید یا ساختار مشابه شکل 137 دارای استحکام بیشتری نسبت به چدنی با ساختار میکروسکپی شبیه بشکل 136 است.
چدن مختلط:
در صورتی که ترکیب شیمیایی چدنی که در یک قالب ماسه ای ریخته گری می گردد در حدود وسط یک چدن خاکستری و چدن سفید قرار گیرد و دارای ساختاری مخلوط از گرافیت و کاربید اهن خواهد بود که به چدن مخلوط مشهور است.این نوع چدن دارای سطح مقطع شکست مخلوط از سفید و خاکستری بوده و در بسیاری از موارد بعنوان یک چدن مقاوم در مقابل سا یش نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
نمونه ترکیب شیمیایی :
کربن سیلیسیم منگنز گوگرد فسفر
3.2-3 1.4-1.2 1-0.5 1-0.5 0.15
چدن خاکستری با زمینه استنیتی:
بمنظور پآیدار کردن فاز استنیت در زمینه چدنهای خاکستری در حرارت متعارفی از عناصر نیکل – مس و منگنز استفاده می شود که مقدار عناصر آلیاژی مورد نظر بر اساس سطح مقطع قطعه ریخته گری برآورد می گردد.چدنهای خاکستری با زمینه استنیتی اغلب همراه با مقادیر عنصر کرم نیز هستند که باعث ایجاد کاربید کرمدر ساختار داخلی ان می گردد.
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن سیلیسیم منگنز نیکل کرم مس
شکل146: 3-2.6 2.8-1 1.5-1 22-18 2 7
شکل147: 3-2.6 2.8-1 1.5-1 22-18 3 7
میکروسیلان:
این نوع چدن در مقابل حرارت و خوردگی مقاوم بوده و حاوی عناصر آلیاژی نیکل – سیلیسیم و کرم میباشد.
ساختار میکروسکپی این چدن که در شکل 148 مشاهده می شود حاوی گرافیت های فوق تبرید نوع D و مقدار کمی کاربید یوتکتیکی در زمینه ای کاملا" استنیتی است.همچنین میزان عنصر کرم در این چدن برابر 1.8% میباشد که با ازدیاد ان بقدار کاربیدها نیز اضافه میشود.
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن سیلیسیم منگنز نیکل کرم
1.6-1.2 5.5-4.5 1.5-1 22-18 4.5-1.8
چدن غیر مغناطیستی:
چدن مورد نظر حاوی عناصر آلیاژی نیکل و منگنز بوده و ضونا" یک چدن آلیاژی غیر مغناطیستس میباشد.
ساختار میکروسکپی:
در شکل 149 ساختار میکروسکپی این نوع چدن که حاوی گرافیت های ورقه ای بدون جهت و مقادیری کاربید در یک زمینه کاملا" استنیتی است مشاهده می گردد.
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن سیلیسیم منگنز نیکل
3 2 6.5 13-10
موارد کاربرد:
تجهیزات الکتریکی از قبیل رینگها و حفاظ الترناتورها و دریچه های مقاومتی و …
چدن مالیبل:
اصولا" چدنهای مالیبل چدنهای قبل از یوتکتیکی کم آلیاژی یا غیر آلیاژی هستند که بمنظور ایجاد گرافیت های کروی و فشرده در آنها و نیز دسترسی به مجموعه ای از استحکام و نرمی تحت عملیات حرارتی و تابکاری قرار می گیرند. قطعات چدن مالیبل ابتدا بصورت چدن سفید ریخته گری می شوند بدین معنی که تمام کربن در این چدن در شرایط سیاه تاب بشکل ترکیبی بوده و سپس در مرحله عملیات حرارتی تا حرارت دادن تا منطقه استنیتی تشکیل می شود و بالاخره ادامه تابکاری و استفاده از یک عملیات حرارتی مناسب همچنین سرعت سرد کردن و با استفاده از یک مرحله توقف یا بدون استفاده از ان میتوان ساختار زمینه چدن را از فریتی کامل تا یک ساختار پرلیتی تغییر داد.ساختار زمینه قطعات را میتوان با سرد کردن سریع آنها در اخرین مرحله بازپخت کردن تغییر داد و خواص مطلوب را در این نوع چدنها بدست آورد.
چدن مالیبل سیاه تاب:
بهمان ترتیب که در شکل 150 نشان داده شده است ساختار چدن مالیبل در شرایط سیاه تاب شامل کاربیدهای یوتکتیکی در زمینه ای از پرلیت است.
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن سیلیسیم منگنز گوگرد فسفر
2.57 1.48 0.43 0.14 0.05
تابکاری ناقص در چدن مالیبل:
در مرحله اول عملیات حرارتی که کاربیدها در زمینه استنیتی حل می شوند کربن برفکی نیز جوانه زایی رشد می کند.شکل 151 ساختار میکروسکپی چدنی را که قبل از کامل شدن مرحله اول عملیات حرارتی بطور ارام سرد شده است را نشان می دهد.این چدن حاوی ذرات گرافیت و مقادیری از کاربیدها حل شده در زمینه ای از پرلیت است.این شکل روند ایجاد کربن برفکی را به وضوح نشان می دهد.
چدن مالیبل مغز سیاه:
بمنظور جلوگیری احتمالی از اکسیده شدن چدن مالیبل مغز سیاه عملیات حرارتی تابکاری چدنهای مورد نظر در یک جو حفاظت شده انجام میگیرد.در این مرحله حدود تغییرات درجه حرارت از 150 تا 980 درجه سانتیگراد است و در مرحله دوم بطور معمول چدن مذبور از درجه حرارت 690 تا 780 درجه سانتیگراد با سرعت 5-3 ساعت سرد و در این روند گرافیت متراکم در زمینه فریتی تومید می شوند که ممکن است ترکم گرافیت ها بطور خیلی فشرده یا معمولی و همچنین ساختار زمینه از لبه قطعه تا مرکز نسبتا" یکنواخت و حاوی مقادیر بسیار جزئی پرلیت نیز می باشد.این نوع چدن کاربرد وسیعی داشته و قابلیت ماشین کاری خوبی را نیز داراست.همچنین در این نوع ساختار میکروسکپی نشان می دهد که تابکاری مرحله اول در درجه حرارت زیادی انجام گرفته است.
در شکل 152 ساختار یک چدن مالیبل مغز سیاه فریتی که حاوی کربن برفکی در یک زمینه کاملا" فریتی است.در شکل 153 ساختار میکروسکپی چدنی مشابه که مقداری از سطح ان دی کربوره شده و در نتیجه ذرات کربن کمتری قابل رویت است نشان داده شده است در این چدن و در فاصله ای نزدیک به سطح قطعه اثراتی از کاربید در زمینه فریتی قابل مشاهده می باشد.
چدن مالیبل با زمینه پرلیتی:
چدن مالیبل پرلیتی شامل کربن های برفکی در زمینه ای از پرلیت ورقه ای یا پرلیت کروی در کاربیدهای کروی ریز است که دارای استحکام و قابلیت انعطاف بیشتری از چدنهای مالیبل فریتی است.جدنهای مالیبل پرلیتی در ابتدا با استفاده از تابکاری چدنهای مالیبل مغز سیاه که منگنز آنها 1.2-0.1% است تولید می گردد.
اما در حال حاضر تولید این نوع چدن با استفاده از روش های مختلفی کونچ و بازپخت بر روی چدن با ترکیب شیمیایی چدن مالیبل مغز سیاه عادی صورت می گیرد.
چدن مالیبل مغز سفید با گوگرد متناسب:
وقتی که میزان منگنز در چدن بیشتر شود از مقدار لازم برای بوجود امدن سولفیدمنگنز باشد اثر کاربیدزائی گوگرد از بین رفتن کربن برفکی باشد چدن مالیبل مغز سیاه بشکل گرافیت پولکی در کنار هم ایجاد می گردد.برخی موارد بدون انکه قطعه تحت تاثیر دی کربوره شدن قرار گیرد فاز فریت در مرکز ان ایجاد می شود و در نتیجه قابلیت چکش خواریو تراشکاری قطعات ریخته گری با مقاطع نسبتا" ضخیم بهبود می یابد.
نمونه ای از موارد کاربرد این نوع چدنها:
در اجزا و قطعات خودرو- ماشین های زراعی- قطعات و اجزا نوار نقاله های مکانیکی- قطعات دنده- حفاظ عایق ها- نگهداری کابلهاو…
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن(در شرایط سیاه تاب) سیلیسیم منگنز گوگرد فسفر
2.62 1.35 0.45 0.13 0.05
چدنهای مقاوم در مقابل حرارت با میزان کرم زیاد:
چدنهای مقاوم در مقابل حرارت محتوی حداکثر کربن و 35-20% کرم هستند.کرم بیشتر نقش زیادتری در مقاومت حرارت این نوع چدنها ایفا می کند و در مواردی که مقاومت در مقابل سایش در درجهحرارت های زیاد مورد نظر باشد این نوع چدنها با کربن بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.این چدنها همچنین مقاومت خوبی در مقابل خوردگی – اسید نیتریک رقیق- اب دریا- ابهای معدنی و برخی اسیدهای ابی دارند
ساختار مکروسکپی:
بطور کلی ساختار میکروسکپی این نوع چدنها حاوی کاربیدهای کرم در زمینه استنیتی یا فریتی با کرم زیاد است.ساختار میکروسکپی نمونه چدنی با ضخامت 15 میلی متر حاوی 20% کرم و 1% که در قالب ماسه ای ریخته گری گردیده شامل شبکه ای از کاربید کرم و زمینه استنیتس است.(شکل174)
ساختار میکروسکپی چدن فوق پس از کار کردن بمدت 12 ماه در حرارت 100 درجه سانتیگراد در شکل 175 نشان داده شده است که در این حالت حاوی کاربیدهای کروی و کاربیدهای ثانویه رسوب یافته در زمینه فریتی است. ساختارهای میکروسکپی چدن ریخته گری شده با 33% کرم و 1.5% سیلیسیم که دارای کلربیدهای یوتکتیکی در یک زمینه فریتی است در شکل 176 و 177 نشان داده شده است.
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن سیلیسیم منگنز گوگرد فسفر کرم
شکلهای175و174 1.11 1.5 0.62 0.04 0.03 20
شکلهای177و176 2-1 2.2-0.5 0.25 1.5-0.4 0.1 34-30
ریخته گری گریز از مرکز لوله های چدن خاکستری:
معمولی ترین روش تولید چدنی که در حال حاضر عمومیت زیادی در صنعت دارد بطریقه ریختن یکنواخت فلز مذاب در سطح داخلی یک قالب فولادی در حال چرخش که بطور افقی قرار گرفته است انجام می پذیردو در این حال سطح خارجی قالب توسط جریان اب سرد خنک میگردد.
در این روش ضخامت لوله های تولید شده توسط سرعت ریختن مذاب بداخل قالب فولادی معین گردیده و همچنین بمنظور ایجاد شکل انتهای هر لوله در محل اتصال لوله در موقع استفاده یک ماهیچه ماسه ای قبل از ریختن فلز مذاب بداخل قالب در قسمت انتهایی قالب قرار داده می شود.
انجماد سریع مذاب در ابتدای منطقه مذاب قالب بعلت تماس مذاب داغ با جداره سرد قالب و محل ریختن مذاب بداخل قالب باعث ایجاد مقادیر زیادی کاربید و همچنین مقدار کمی گرافیت در قشر خارجی لوله می گردد .نهایتا" وقتی که لوله در داخل بطور کامل منجمد گردید و بمنظور از بین بردن کاربیدها و ایجاد یک ساختار داخلی یکنواخت در ان بویژه بدست آوردن زمینه ای فریتی یک سیکل عملیات حرارتی بر روی لوله انجام می پذیرد که در نتیجه می توان ساختار داخلی این نوع لوله ها را هم بصورت گرافیت ورقه ای(خاکستری) و هم بصورت گرافیت کروی در زمینه فریتی به دست آورد.
عملیات حرارتی لوله ها شامل حرارت دادن یکنواخت آنها در درجه حرارت بین 900 تا 950 درجه سانتیگراد و سرد کردن ارام تا 680 درجه سانتیگراد در هوا انجام می گیرد.
چدن با گرافیت کروی:
چدنهایی که پس از ریخته گری و انجماد کامل دارای گرافیت هایی بشکل کروی هستند چدنهای با گرافیت کروی نامیده می شوند.شکل گرافیت ها در این حالت باعث بیشتر شدن استحکام و قابلیت انعطاف این نوع چدنها با گرافیت ورقه ای می گردد و معمولا" این نوع چدنها به چدنهای نشکن نیز معروف هستند.
چدنهای با گرافیت کروی معمولا" با اضافه کردن منیزیم بداخل مذاب چدن تهیه می شوند و بطور عادی حدود تغییرات منیذیم پا انجماد در چدنهایی با گرافیت کروی معمولی که در داخل ماسه ریخته گری میشود 0.08-0.04% است.
اما در قسمت هایی از قطعه که سریعتر منجمد می گردد شبیه به لوله هایی از جنس چدن با گرافیت کروی از طریق ریخته گری گریز از مرکز تولید می شوند.منیزیم به کمترین حد انیعنی 0.02% نیز کاهش می یابد.برخی موارد در مورد چدنهای با گرافیت کروی و بمنظور بهبود ساختار گرافیت ممکن است از سدیم نیز در مقادیر بسیار کم استفاده کرد.
چدنهای با گرافیت کروی در مقایسه با چدنهای خاکستری حساسیت بیشتری نسبت به سزعت سرد شدن دارند و بهمین علت برای حصول اطمینان از یک ساختار بدون کاربید در این چدنها معمولا" اضافه کردن سیلیسیم حاوی عوامل جوانه زا ضروری است.در صورتی که چدن محتوی منیزیم پس از انجماد حاوی کاربیدهای یوتکتیکی باشد می توان با یک عملیات حرارتی مناسب کاربیدها را تجزیه و گرافیت ها را بشکل کروی در آورد.
برخی از کاربرد های آلیاژ:
در مواردی که استحکام و تا حدودی همراه ان قابلیت انعطاف مورد نظر باشد این نوع چدن کاربرد پیدا می کند و همچنین در ممیل لنگ خودروها- قطعات ریخته گری- محورهای حرکت دهنده فرمان خودرو- اهرام لوله های محافظ یاتاقان های راه اهن- ماشین های پارچه بافی- ابزار و قطعات کمپرسورهاو… مورد استفاده قرار می گیرد.
غلطک های چدنی تبرید شده با منطقه سفید شده مشخص:
غلطک های چدنی تبرید شده با منطقه سفید شده مشخص به سطح سفید شده مشخص اصلی یک غلطک وجود سختی زیاد در سطح خارجی بدلیل یک ساختار چدنی سفید و عاری از گرافیت ان و همچنین تغییر تدریجی در قسمت های داخلی به یک ساختار چدنی خالدار و بالاخره بصورت چدن خاکستری با قابلیت انعطاف زیادتر در قسمتهای مرکزی است.
ساختار میکروسکپی:
ساختار میکروسکپی از سطح خارجی غلطک چدنی غیر آلیاژی تبرید شده با منطقه سفید مشخص به قطر 130 اینچ و عمق منطقه سفید شده به ضخامت 30- 120 میلی اینچ در شکل های 202 و203 مشاهده میگردد که دارای فاز سمنتیت و جزایر پرلیت به صورت لایه ای و همچنین فازفریت که به دلیل کمتر بودن عناصر آلیاژی به وجود امده است.
در شکل های 204 و 205 ساختار میکروسکپی از سطح خارجی غلطک چدنی و آلیاژ تبرید شده با منطقه سفید شده مشخص به قطر 30 اینچ نشان داده شده است که توزیع کاربید آنها مشابه شکل های 202 و 203 بود و اما به مناسبت ازدیاد عناصر آلیاژی زمینه بصورت یک ساختار پرلیتی کاملا" ریز تشکیل گردیده است.در صورت افزایش بیشتر عناصر آلیاژی امکان ایجاد زمینه ای با سختی بیشتر و ساختارهای بینایتی یا مارتنزیتی وجود دارد.
نمونه ترکیب شیمیایی:
کربن سیلیسیم منگنز گوگرد فسفر
شکلهای 202و203: 3.7-3 0.7-0.4 0.13-0.1 0.5-0.4 0.5-0.4
شکلهای204و205: 3.5-3 0.7-0.4 0.3-0.2 0.13-0.1 0.5-0.4
نمونه ای از موارد کاربرد:
غلطک های با جنس چدنی ساده و بدون عناصر آلیاژی در حال حاضر مورد استفاده این نوع غلطک ها نسبتا" محدود بوده و در مواردی اغلب بصورت اسیاب های میله ای بکار میرود. اما غلطک هایی که محتوی کربن بیشتری هستند اغلب بطور نسبتا" وسیع تری در صنایع کاغذسازی و پلاستیک سازی مورد استفاده قرار می گیرد.
آلیاژهای آلومینیوم:
آلیاژهای ریخته گری آلومینیوم نسبت به مواد تشکیل دهنده از نوع مشابهی هستند که اغلب عناصر بطور جزئی در آلومینیوم حل شده و مللول جامدی از آلومینیوم را بوجود می اورند.بطور مثال در صورت اضافه کردن مقادیر کمی از عناصر آلیاژی مس-منیزیم و سیلیسیم محلول جامد الفا-آلومینیوم تشکیل می گردد در حالی که با افزودن مقادیر زیادی از عناصر نام برده ترکیبات یوتکتیکی مخلوطی از Alcu Al2 و الفا-آلومینیوم در آلیاژ ایجاد می گردد.بطور کلی در صورت اضافه شدن دیگر عناصر آلیاژی سه حالت ممکن است اتفاق بیوفتد:
الف) عنصر یا عناصر اضافه شونده در فاز الفا-آلومینیوم حل می گردند.
ب) ترکیبات بین فلزی مختلفی را بوجود می اورند.
ج) همراه با فاز الفا-آلومینیوم مخلوط های یوتکتیکی مختلفی را ایجاد می کند.
اغلب عناصر آلیاژی حلالیت محدودی را در حالت جامد با آلومینیوم بوجود می اورند و مقدار اضافی این عناصر ترکیبات رسوبی ایجاد می کند که اساس عملیات حرارتی بعدی در این آلیاژهاست.معمولیترین نوع عملیات حرارتی که بمنظور سخت کردن در چنین آلیاژهایی صورت می گیرد عملیات انحلال سپس تشکیل رسوب بشکل ترکیبات مختلف در درجات حرارت گمتر سختی رسوبی یا پیری است.
بدین ترتیب ریختگی آلیاژهای آلومینیوم از نظر ساختمانی به سه گروه تقسیم بندی
می گردد:
1) آلیاژهای قبل از یوتکتیکی که اصلی ترین فاز تشکیل دهنده این آلیاژها فاز الفا-آلومینیوم بوده و فازهای دیگر شامل یوتکتیک و ترکیبات بین فلزی است که در زمینه قرار میگیرند.
2) آلیاژ یوتکتیکی که بیشترین مجموعه را در این آلیاژ مخلوط یوتکتیکی تشکیل داده و حاوی مقادیر جزئی از فاز اضافی الفا-آلومینیوم و همچنین ترکیبات دیگر است.
3) آلیاژهای بعد از یوتکتیک که حاوی یک فلز اولیه بعد از یوتکتیکی و ترکیبات دیگری که در داخل یوتکتیک توزیع می گردد هستند.
عوامل و مشخصه هایی که خواص آلیاژهای گروه با آنها کنترل می گردد شامل:
الف: اندازه و شکل دانه فاز زمینه.
ب: فاصله و اندازه های شاخه های دندریتی موجود در فاز زمینه.
ج: شکل و توزیع مجموعه یوتکتیکی و بالاخره ترکیبات بین فلزی است که توسط اصلاح و تغییر عواملی از قبیل ترکیب شیمیایی- اندازه دانه های فاز زمینه- سرعت سرد کردن حین انجمادو… می توان مشخصات ساختاری فوق را بطور اساسی تحت تاثیر قرار داد.
عملیات حرارتی متنوع و مختلف بصورت تک مرحله ای یا ترکیبی از چندین عملیات حرارتی مختلف از قبیل تنش گیری-سختس رسوبی-عملیات اخلال و پآیداری ساختار داخلی برروی آلیاژهای آلومینیوم عملا" کاربرد وسیع این آلیاژها را در صنعت امکان پذیر می سازد.عادی ترین نوع عملیات حرارتی که بطور معمول بر روی آلیاژهای آلومینیوم انجام میگیرد سخت کردن توسط سختی رسوبی و پیرسختی است و ترکیبات اصلی که بدین منظور در آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده قرار می گیرند فازهای CuAl2 و Mg2Si میباشد.
روش ریخته گری که در آلیاژها انتخاب می گردد نسبت به ترکیب شیمیایی آنها متفاوت است و با ترکیب شیمیایی که آلیاژ مورد نظر دارد و همچنین نسبت به مشخصات ساختار داخلی و خواص مکانیکی و فیزیکی مورد نظر انتخاب روش ریخته گری در قالب ماسه ای یا قالب فلزی کاملا" با یکدیگر تفاوت دارد و در برخی موارد مشاهده می گردد که بعضی از آلیاژها از نظر ترکیب شیمیایی مشابه یکدیگر هستند ودر صورتی که کاملا" از نظر قیمت و مقدار ناخالصی ها با هم تفاوت دارند.برخی عوامل دیگر که معمولا" در انتخاب آلیاژ مورد توجه قرار می گیرد شامل: طراحی قطعه ریخته گری -مقاومت قطعه در مقابل خوردگی و قابلیت جوشکاری و … می باشد.
نمونه ای از موارد کاربرد آلیاژهای آلومینیوم:
بیش از پنجاه درصد کل مصرف آلیاژهای آلومینیوم در ساخت وسایل نقلیه است و پنجاه درصد باقی مانده ان در مصارف عمومی مهندسی و وسایل خانگی است.
آلومینیوم خالص تجارتی:
ساختار میکروسکپی آلومینیوم خالص تجارتی در اغلب موارد بعنوان یک فلز خالص در نظر گرفته شده است اما در حقیقت بعلت وجود ناخالصی ها که بطور عادی در ان یافت می گردد میتوان انرا یک آلیاژ به حساب آورد.اغلب عناصر آلیاژی قابلیت حل شدن خوبی در فاز الفا-آلومینیوم دارند اما در حالت عادی مقدار عنصر اهن و سیلیسیم در داخل آلومینیوم به اندازه کافی زیاد بوده و وجود این دو عنصر تولید یک ترکیب بین فلزی در ساختار آلومینیوم تجاری میکند و بدین صورت ساختار میکروسکپی آلومینیوم تجاری خالص شامل محلول جامد الفا-آلومینیوم که در اصل زمینه ان را تشکیل میدهد.
آلیاژهای آلومینیوم:
آلومینیوم-مس:
علیرغم انکه عنصر مس در اغلب آلیاژهای ریخته گری آلومینیوم یافت می شود فقط در دو آلیاژ مهم از آلومینیوم و مس وجود دارند (0.5-0.4% مس و 0.9-0.1% مس) که مس بعنوان عنصر آلیاژ کننده اصلی در آنها بکار می روند.آلیاژ مس اگر کمتر باشد در این صورت تمایل به ایجاد حفره های اقباضی افزایش می یابد که بخاطر بهبود خواص ریخته گری در قطعه و همچنین بمنظور از بین بردن عیوب بوجود امده حین انجماد مقادیری عنصر سیلیسیم نیز به آلیاژ افزوده می گردد.
بهمین منوال در آلیاژهای آلومینیوم-مس که دارای عنصر مس بیشتری هستند مقادیر سیلیسیم و منیزیم بدلیل جلوگیری از تشکیل فاز MgSi درصد نازکی نگه داشته میشوند همچنین مقداری از ناخالصی های موجود از قبیل منیزیم-سیلیسیم-اهن و منگنز در آلیاژهای آلومینیوم-مس بصورت فازهای بین فلزی مانندMg2Si در میآیدوبخش دیگری نیز از این ناخالصی ها در داخلمحلول جامد زمینه حل می گردد.
وجود فاز CuAl2 در آلیاژ آلومینیوم محتوی 5-4% مس و همچنین وجود فازهای CuAl2 و Mg2Si در آلیاژ آلومینیوم محتوی 11-9% مس امکان عملیات حرارتی این آلیاژها را فراهم میسازد.عامل سرعت سرد شدن قطعه که توسط نوع قالب بکار برده می شود معیین گردد بر روی اندازه و توزیع ذرات فاز CuAl2 و ترکیب نا محلول تاثیر زیادی دارد و بهمان صورت که ساختار های میکروسکپی مربوط به این آلیاژ می باشد فازهای نام برده در قالب ماسه ای بزرگتر از قالب فلزی بوده بطوریکه در مورد آلیاژ ریخته شده است.
آلومینیوم-سیلیسیم:
آلیاژهای آلومینیوم -سیلیسیم وسیع ترین گروه آلیاژی آلومینیوم را دارا هستند که از آلیاژهای ساده دوتائی شروع و به سیستم های پیچیده تری ختم میشودولی با وجود این تمام آلیاژهایی که در این گروه قرار دارند از نظر ساختار میکروسکپی به سه گروه: قبل یوتکتیکی- یوتکتیکی و بعد یوتکتیکی تقسیم میشوند. در هر حال ترکیبات و فازهای ایجاد شده در تمام آلیاژها تقریبا" مشابه بوده و فقط از نظر حجم نسبی-اندازه و توزیع متفاوت هستند بدین معنی که فاز الفا-آلومینیوم تقریبا" در تمام آلیاژها وجود دارد و حتی در آلیاژهای بعد یوتکتیکی در شرایط غیر تعادلی شدید انجام می شود و نیز سیلیسیم که در هر سه گروه آلیاژها جدا می گردد. ریز کردن دانه های فاز الفا-آلومینیوم در زمینه آلیاژهای قبل یوتکتیکی معمولا" شبیه آلیاژهای Al-Cu است و با وجود انکه ریز کردن دانه ها در آلیاژهای یوتکتیکی و بعد یوتکتیکی به ندرت انجام می گیرد اما در مورد دو گروه آلیاژهای یوتکتیکی و بعد یوتکتیکی مشخصات ساختاری فاز سیلیسیم در ساختار میکروسکپی توسط برخی عملیات برروی مذاب از قبیل سرعت سرد کردن کنترل می گردد.ساختار میگروسکپیآلیاژ یوتکتیکی آلومینیوم-سیلیسیم در قالب فلزی بدون استفاده از هر گونه عوامل خارجی در مذاب شامل دانه ها و سلولهای یوتکتیکی است.کنترل فضای بین شاخه های دندریتی در آلیاژهای ما قبل یوتکتیکی و نیز اندازه و توزیع تمام ترکیبات موجود و فاز سیلیسیم توسط دو عامل سرعت سرد کردن حین انجماد و ریز کردن دانه ها انجام می گیرد اما با وجودانکه کنترل فاز سیلیسیم نیز تا حدودی توسط سرعت سرد شدن و عوامل ریز کننده صورت می گیرد لازم است در این قسمت ساختار اصلی این فاز با دقت نسبتا" بیشتری بررسی شود.
ساختار میکروسکپی آلیاژ ریخته گری شده در قالب فلزی از آلومینیوم-سیلیسیم در شکل 49 مشاهدهمی شود.ساختار سطح میکروسکپی این آلیاژ حاوی فاز اولیه در زمینه یوتکتیکی و به رنگ تیره و ترکیب بین فلزی به رنگ روشن است.
ساختار میکروسکپی آلیاژی مشابه که در قالب ماسه ای ریخته گری گردیده دارای ساختار مشابه با قالب فلزی است با تفاوت اینکه دارای فازهای میکروسکپی تشکیل دهنده بیشتری است در صورتی که قبل از ریختن مذاب آلیاژ فوق در قالب فلزی مقدار 0.05% از عنصر استرانیم به ان اضافه گردد بطور معمول ریخته گری آلیاژهای Lmt-Lmg- Lmz در قالب های اسه ای و فلزی انجام می گیرد.
همچنین عملیات حرارتی و سخت کردن آلیاژهای آلومینیوم-سیلیسیم با استفاده از مکانیزم های رسوبی فازهای CuAl2 با Mg2Si صورت می گیرد.
آلیاژهای منیزیم:
برخی از عناصر آلیاژی از قبیل آلومینیوم- روی و نقره ایجاد ترکیب های یوتکتیکی و برخی مانند زیرکنیم و منگنز ایجاد ترکیبات یوتکتیکی با منیزیم می کند و در صورتی که در آلیاژهای منیزیم از عناصر تشکیل دهنده یوتکتیکی استفاده شود در ساختارهای یوتکتیکی مختلفی که در اطراف دانه های الفا-منیزیم در ساختار قطعات ریخته گری تشکیل شده است تشابه زیادی مشاهده می گردد که البته با ساختارهای یوتکتیکی توزیع فازهای بین فلزی و نیز در سطح مقطع میکروسکپی می توان مشاهده گردد.
بطور کلی در ساختار میکروسکپی آلیاژهاییکه منیزیم بعنوان عنصر اصلی تشکیل دهنده در آنها بکار برده شده است دانه های الفا-منیزیم به ندرت بصورت دندریتی یا ستونی مشاهده می گردند زیرا دانه های مذبور در برخی از آلیاژهای فوق الذکر در نتیجه وجود زیرکنیم که ذاتا" دارای خاصیت ریزکنندگی شدیدی است ریزتر میگردد و به همین علت معمولا" آزمایش های میکزوسکپی در این آلیاژها بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.
آلیاژهای مس:
در بیشتر موارد مشخص کننده اصلی ساختار میکروسکپی آلیاژهای ریخته گری مس فاز زمینه الفا-مس است که انواع مختلف فازهای دیگر در ان توزیع و پخش شده اند بهمین دلیل به نظر می رسد که ساختارهای میکروسکپی قطعات ریختگی در آلیاژهای مس از این جهت شباهت زیادی به آلیاژهای سبک پیدا می کنند اما با وجود این این دو نوع از آلیاژهای مذکور دارای تفاوت هایی هستند که بویژه نحوه انجماد و تغییر فازها در حالت جامد پس از انجماد در آلیاژهای مس از ان جمله اند.
آلیاژهای ریخته گری مس مشابه آلیاژهایی نیز دارای چندین سیستم دو تائی از قبیل مس-قلع مس-آلومینیوم مس-کرم و مس-برلیم دارای تحول یوتکتیکی و آلیاژهای مس و روی – قلع و مس فازهای توزیع شده در زمینه شبیه یک فاز یوتکتیکی هستند.