تاثیر منگنز بر منحنی های سردشدن، ریزساختار و خواص مکانیکی چدن خاکستری

دانلود تحقیق و مقالات رشته مهندسی مواد – متالوژی صنعتی با عنوان تاثیر منگنز بر منحنی های سردشدن، ریزساختار و خواص مکانیکی چدن خاکستری در قالب ورد و قابل ویرایش و در ۶۴ صفحه گرد آوری شده است. در زیر به مختصری از آنچه شما در این فایل دریافت می کنید اشاره شده است.

چکیده:
با توجه به کار برد وسیع چدنهای خاکستری در صنایع که می تواند جایگزین مناسبی برای برخی از فولادها باشد لذا اهمیت این موضوع سبب گردیده که در این زمینه تحقیقات فراوانی صورت گیرد.

منگنز از عناصر آلیاژی اصلی در ساختار چدن می باشد. نقش اصلی منگنز در ترکیب چدن خنثی کردن اثرات مخرب گوگرد می باشد. منگنز با گوگرد ترکیب شده و سولفید منگنز تولید که به مقیاس زیادی وارد سرباره می شود.

در این تحقیق تأثیر درصدهای مختلف منگنز (۴۴۵/۰ تا ۰۹۲/۱ درصد) بر منحنی‌های سرد شدن، ریز ساختار و خواص چدن خاکستری بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهندکه در چدنی با کربن معال ۸/۳ درصد و مقدار متوسط گوگرد ۰۴۷/۰ درصد با افزایش درصد منگنز تا ۶۶۱/۰ درصد دمای یوتکتیک افزایش می‌یابد و با افزایش بیشتر درصد منگنز دمای یوتکتیک کاهش می‌یابد ولی دمای یوتکتوئید با افزایش درصد منگنز همواره کاهش می‌یابد. همچنین افزایش درصد منگنز تا ۶۶۱/۰ درصد سبب افزایش درصد حجمی گرافیت‌ها و درصد گرافیت‌های نوع A شده و با افزایش بیشتر درصد منگنز موارد مذکور کاهش می‌یابند. همچنین با افزایش درصد منگنز طول لایه‌های گرافیت‌ کاهش یافته ولی ضخامت آنها تغییر محسوسی نمی‌کند و با افزایش درصد منگنز تا ۷۶۰/۰ درصد تعداد سلول‌های یوتکتیک بر واحد سطح افزایش می‌یابد. تغییرات درصد منگنز تأثیری بر فاصله بازوهای دندریتی ندارد ولی با افزایش درصد این عنصر میزان پرلیت در ساختار چدن خاکستری افزایش می‌یابد. عمق تبرید با افزایش درصد منگنز تا ۶۶۱/۰ درصد کاهش و دانسیته چدن با افزایش درصد این عنصر همواره کاهش می‌یابد. نتایج آزمایشات کشش و سختی سنجی روی نمونه‌‌های چدنی نشان داد که افزایش درصد منگنز سبب افزایش سختی، استحکام تسلیم، استحکام نهایی و مدول کشسانی چدن شده و نسبت استحکام به سختی را کاهش می‌دهد.

مقدمه:
منگنز از عناصر آلیاژی اصلی در ساختار چدن می‌باشد. نقش اصلی منگنز در ترکیب چدن خنثی کردن اثرات مخرب گوگرد می‌باشد. منگنز با گوگرد ترکیب شده و سولفید منگنز تولید که به مقیاس زیادی وارد سرباره می‌شود. حداقل میزان منگنز لازم جهت خنثی کردن اثر گوگرد از رابطه زیر به دست می‌آید]۱[.              % Mn = 1.7%S + 0.3
(۱)

علیرغم اینکه منگنز به تنهایی در چدن اثر کاربیدزایی دارد ولی به دلیل اینکه گوگرد را که یک عامل کاربید‌زای قوی می‌باشد از ترکیب چدن خارج می‌کند در مجموع نقش گرافیت‌زایی دارد. جهت پرلیتی کردن ساختار چدن خاکستری درصد منگنز مورد نیاز از رابطه زیر به دست می‌آید. ]۱[.             % Mn = 3%S + 0.35
(۲)

هدف
در صورتی که درصد منگنز بیش از مقدار فوق باشد تمایل به سفید شدن چدن خاکستری افزایش پیدا می‌کند. در چدن‌های خاکستری غیرآلیاژی بسته به ترکیب شیمیایی و خواص مودر نظر درصد منگنز در حد ۲/۰ تا یک درصد می‌باشد ]۲[. تاثیر منگنز بر خواص چدن خاکستری متاثر از درصد گوگرد مذاب می‌باشد. در صورتیکه درصد منگنز در توازن با درصد گوگرد باشد.

ضمن ایجاد ریز ساختار مطلوب و کاهش عمق تبرید، خواص کششی چدن خاکتسری نیز بهبود می‌یابد ]۶،۵،۴،۳[. هدف از تحقیق حاضر بررسی تاثیر درصد‌های مختلف منگنز (۰/۴۴۵ تا ۰۹۲/۱ درصد) بر منحنی‌های سرد شدن، ریز ساختار، عمق تبرید، سختی و خواص کششی چدن خاکستری با کربن معادل ۸/۳ و مقدار متوسط گوگرد ۰۴۷/۰ درصد می‌باشد.

اندازه گرافیت ورقه ای می تواند روی خواص مکانیکی تأثیر بگذارد. اندازه گرافیت ها به دو پارامتر بستگی دارد:

۱- آهنگ سرد شدن یا اندازه سطح مقطع. چون مقاطع نازک سریع سرد می شوند، تعداد بیشتری گرافیت ورقه ای خواهند داشت.

۲- جوانه زنی با آلیاژ سیلیسیم، افزایش تعداد گرافیت ورقه ای و کاهش تمایل به تبریدی بودن مخصوصاً در مقاطع نازک را باعث می شود. افزایش مقدار جوانه زا باعث افزایش تعداد گرافیتهای ورقه ای می شود.

در حین ریخته گری این نوع چدن می توان به ساختار زمینه فریت، پرلیت، مخلوط فریت و پرلیت، آستنیت، بینایت و مار تنزیت دست یافت. چدنهای خاکستری پرلینی استحکام بالایی دارند ولی چقرمگی آنها کمتر است. چدنهای خاکستری فریتی – استحکام کمتری دارند ولی ازدیاد طول مبنی آنها بیشتر و مقاومت به ضربه شان خوب است.

پیشینه تحقیق
در حال حاضر، در تمام کارخانه ها، برای ورقه ای نمودن گرافیتهای چدن خاکستری از منگنز، استفاده می گردد. در ضمن عناصر جزئی مانند سریم و عناصر خاکی نادر موجود در آلیاژ فروسیلیکو منگنز Fe-Si-Mn برای خنثی کردن عناصر جزیی مضرو راندمال بهتر در عمل جوانه زایی، اهمیت زیادی دارند.

روش افزودن منگنز به روشهای مختلف اعم از ساده و پیچیده می باشد. در انتخاب یکی از روشها برای یک کارگاه معین باید فاکتور های زیادی مورد نظر قرار گیرد و در بین آنها مهمترین فاکتورها با تعیین اولویتها مشخص گردد. فاکتورهای اصلی به قرار زیر می باشند:
روش انتخاب شده نباید با ایجاد نور و دود همراه باشد.
قیمت تمام شده چدن تولیدی باید حداقل باشد.
روش نباید احتیاج به سرمایه گذاری زیاد در تجهیزات داشته باشد.
کیفیت چدن تولیدی باید مطلوب باشد.
روش باید توانایی ریختن قطعات با وزن های مختلف را دارا باشد.
برای تولید چدن خاکستری مرغوب باید کنترل دقیق به عمل آید تا مقدار منگنز باقیمانده کم یا زیاد نباشد. از آنجائیکه دما و ترکیب شیمیای برای بازیابی منگنز موثر میباشند، فرآیند و مواد مناسب ورقه ای سازی مطلوب، بزرگترین عوامل بالقوه برای تغییرات منگنز باقیمانده می باشندو

روش کار و تحقیق
مذاب چدن با استفاده از ۵۰درصد برگشتی چدن و ۵۰ درصد قراضه فولاد با ترکیب مندرج در جدول (۱) در یک کوره القایی ۲۵ کیلوگرمی و با فرکانس سه کیلو هرتز تهیه شد. سپس با افزودن درصدهای مختلف کک نفتی با خلوص ۶۰درصد، فروسیلیسیم ۷۵درصد و فرو منگنز ۷۵درصد چدن‌هایی با کربن معادل یکسان (تقریباً ۸/۳درصد) و حاوی درصدهای مختلف منگنز (۴۴۵/۰، ۶۶۱/۰، ۷۶۰/۰، ۰۹۲/۱ درصد) تهیه و در تمامی موارد از ۳/۰ درصد فروسیلیسیم به عنوان جوانه‌‌زا در پاتیل استفاده شد و ریخته‌گری نمونه‌ها در دمای بارریزی ۱۳۵۰ درجه سانتیگراد صورت گرفت. ترکیب شیمیایی کلیه نمونه‌ها در جدول (۲) نشان داده شده است.

خواص عمومی چدن های خاکستری
۱-۱ جوانه زایی چدنها با آلیاژ سیلیسیم
۱- افزایش تعداد هسته های یوتکتیکی
۲- کاهش تبریدی (کاهش مادون انجماد)
استفاده از مواد جوانه زا برای تولید چدن خاکستری موجب تشکیل مراکز هسته سازی برای رسوب گرافیت می گردد و با بودن این مراکز در طول انجماد رسوب گرافیت آسانتر انجام می گیرد. وجود هسته های گرافیت به تعداد کافی یکی ار عوامل مهم برای جلوگیری از پدیده مادون انجماد (Undercooking) می باشد. بدون وجود هسته ها، کاربیدها می توانند در قطعات تشکیل شوند. وجود کاربید ها موجب نامرغوبی چدن از دیدگاه قابلیت خاکستری بودن و ماشینکاری می گردد. علاوه بر آن، گرافیتی که از تجزیه بعدی کاربید ها به وجود می آید، ممکن است دارای شکل نامنظم باشد. چنانچه تلقیح مواد بشکل مناسب انجام پذیرد. معمولاً هسته های کافی برای انجام عملیات تشکیل می گردد. بطور کلی هسته سازی بیشتر کاربیدها در طول انجماد کمتر بوده است. در حقیقت چنانچه بخواهیم قطعات چدن خاکستری می باشد و با انجام این کار ساختار در چدن خاکستری ریخته شده، قطعاتی با خواص مکانیکی مناسب خواهیم داشت. این خواص عبارت است از: استحکام کشش و تسلیم، قابلیت انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه می باشند.

۱-۲ انجماد و مکانیزم ورقه ای شدن گرافیت در چدن خاکستری:
در انجماد چدن با گرافیت ورقه ای، یوتکتیک گرافیت و آستنیت تشکیل می شود. در انجماد، این یوتکتیک و گرافیت و آستنیت با مذاب در تماس است. رشد دندریت های آستنیت و هسته های گرافیت ورقه ای تا زمانی که ذوب کاملاً منجمد شود، ادامه خواهد داشت. انجماد یوتکتیک گرافیت در چدن خاکستری نسبت به چدن با گرافیت ورقه ای در دمای بالاتری شروع می شود. در حین انجماد چدن خاکستری، پوسته ای از آستنیت پیرامون گرافیت ورقه ای تشکیل می شود. و بهمین علت، فقط فاز آستنیت با مذاب در تماس خواهد بود و چنین انجماد انجمادی را نیویوتکتیک می نامند هر واحد گرافیت ورقه ای و پوسته آستنیت دور آن را می توان یک هسته در نظر گرفت که کربن باید به داخل این هسته نفوذ کند تا رشد گرافیت ورقه ای و پوسته آستنیت دور آن را به انجماد چدن خاکستری، با سرعت کمتری انجام می شود و با شروع انجماد نیویوتکتیک هسته سازی گرافیت ورقه ای به اتمام می رسد بنابراین تعداد گرافیتهای ورقه ای در مرحله اول انجماد تعیین می شود. با ادامه انجماد تا دمای یوتکتیک گرافیتهای داخل پوسته های آستینیتی به رشد خود ادامه خواهند داد.

تعداد و میزان ورقه ای شدن گرافیتها بر روی خواص چدن خاکستری تأثیر بسزایی دارد. وقتی تعداد هسته یا پوسته های آستنیت کم باشد، مناطق برای نفوذ کردن به داخل پوسته آستنیت کمتر شده، و نتیجتاً تعداد گرافیت های ورقه ای کاهش می یابد. بسته به فرایند تولید احتمال ایجاد گرافیت ورقه ای یا ورقه ای ناقص و یا سمنتیت وجود دارد.

شکل شماره ۱-۱ انجماد یوتکتیکی را با منحنی خنک شدن بررسی می کند.

فهرست مطالب
چکیده ۱
مقدمه ۲
هدف ۲
پیشینه تحقیق ۳
روش کار و تحقیق ۳
فصل اول:خواص عمومی چدن های خاکستری ۴
۱-۱جوانه زایی چدنها با آلیاژسیلسیم ۵
۱-۲ انجماد و مکانیزم ورقه ای شدن گرافیت در چدن خاکستری ۵
فصل دوم: مروری بر منابع ۷
۲-۱ تغییر حالت یوتکتوئید در چدنهای خاکستری ۸
۲-۱-۱ تشکیل حلقه های فریت در اثر تجزیه آستنیت ۹
۲-۱-۲تشکیل پرلیت در اثر تجزیه آستنیت ۱۲
۲-۲ اثر منگنز بر سینیتیک تغییر حالت یوتکتوئید در چدنهای خاکستری ۱۳
۲-۲-۱ اثر منگنز منحنی های سرد کردن ۱۸
۲-۲-۲ اثر منگنز بر منحنی های تغییر حالت برحسب زمان ۲۲
۲-۲-۳ اثر عناصر آلیاژی بر مکانیزمهای حاکم بر فرایند تغییر
حالت یوتکتوئید در چدنهای خاکستری ۲۴
۲-۳ اثر منگنز بر ریز ساختار چدنهای خاکستری ۲۶
۲-۳-۱ اثر منگنز بر ساختار زمینه چدنهای خاکستری ۲۷
۲-۳-۲ اثر منگنز بر مشخصات گرافیتهای ورقه ای ۳۱
۲-۴ اثر منگنز بر خواص مکانیکی چدنهای خاکستری ۳۳
۲-۴-۱ اثر منگنز بر خواص کششی چدنهای خاکستری ۳۳
۲-۳-۴ اثر منگنز بر سختی چدنهای خاکستری ۳۵
۲-۳-۵ اثر منگنز بر مقاومت به ضربه چدنهای خاکستری ۳۸
فصل سوم: روش آزمایش ۴۱
۳-۱استانداردهای آزمایش ۴۲
۳-۲ بررسی سختی ۴۵
۳-۳ ترکیب اسمی مذاب در مراحل آزمایش ۴۸
۳-۴ ترکیب شیمیایی ذوبهای ریخته شده ۴۹
فصل چهارم: نتایج ۵۰
۴-۱ بررسی منحنی های سرد شدن ۵۱
۴-۲ بررسی ریز ساختار ۵۱
۴-۳ بررسی عمق تبرید و دانسیته ۵۳
۴-۴ بررسی خواص مکانیکی ۵۳
فصل پنجم: نتیجه گیری ۵۶
منابع و مآخذ ۵۷

منابع
۱٫ W.C. Johnson and B.V. Kovacs: “The Effect of Additive on the Eutectoid Transformation of Ductil Iron” Metallurgical Transactions, A, Vol 9A pp 219-229 (1978).
۱٫ M.J. Lalich and C.R.Loper, Jr: “Effects of Pearlite- Promoting Elements on the Kinetics of the Eutectoid Transformation in Ductile Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 81, pp 217-228 (1973).
۲٫ E.N. Pam, M. S. Lou and C. R. Loper, Jr: “Effects of Copper, Tin, and Manganese on the Eutectoid Transformation of Grphitic Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 95, pp 819-840 (1987).
۳٫ R. C. Voigt and C. R. Loper, Jr: “Matrix Structure Development in Ductile Cast Iron”, ASL Transactions Vol 97, pp 595-604 (1989).
۴٫ E. N. Pan and C. R. Loper, Jr: “Matrix Development in Graphitic Cast Iron” , AFS AFS Transactions, Vol 94, pp 187-195 (1986).
۵٫ R. B. Gundlach and E. P Whelan: “Critical Temperatures in Ferritic Ductile Irons”, AFS Transactions, Vol 100, pp 713-718 (1992).
۶٫ S. K. Yu and C. R. Loper, Jr: “The Effect of Molybdenum, Copper, and Nickel on the Pearlitic and Martensitic Hardenability of Ductile Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 96, pp 811-821 (1988).
۷٫ E. L. Eckel: “A Study of the Ferritization of Nodular Iron” AFS Transactions, Vol 66, pp 151-165 (1958).
۸٫ G. Ohira and K. Ikawa: “Formation of Ferrite and Pearlite in Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 66, pp 526-532 (1958).
۹٫ R. E. Reed- Hill: “Physical Metallurgy Principles,” Van Nastrand Co. (1973).
۱۰٫ B. F. Brown and M. F. Hawkes: “Kinetics of Graphitization in Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 59, pp 181-200 (1951).
۱۱٫ R. C. Voigt and C. R. Loper, Jr: “Secondary Graphitization in Quenched and Tempered Ductile Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 90, pp 196-202 (1982).
۱۲٫ D. A. Porter and K. E. Easterling: “phase Transformation in Metals and Alloys”, Van Nostrand Reinhold (UK) Co. Itd (1981).
۱۳٫ I. J. Most: “The Influence of Some Elements of Some Elements on the Matrix and Properties of Ductile Iron Casting After Soldification in Sand and Ingot Molds”, Modern Casting, Vol 105, pp 61-67, July (1968).
۱۴٫ C. R. Isleib and R. E. Svage: “Ductile Iron Alloyed and Notmalized”, AFS Transactions, Vol 65, pp 75-83 (1957).
۱۵٫ V. K. Grigorovich: “Influence of Alloying Elements on Cementite Stability and Graphitization of Cast Iron”, Russian Casting Production, Vol 12, pp 557-561 (1964).
۱۶٫ A. de Sy: “Copper in Cast Iron- principal considerations”, AFS Transactions, Vol 67, pp 321-328 (1959).
۱۷٫ N. Carter and R. Barton: “Effect of Copper in Heavy- Section Nodular Iron Casting”, Foundry Trad J, Vol 121, pp 607 (1966).
۱۸٫ H. G. Kunsman: “Microstructure and Microstructural Model of Near Eutectic Pearlite Nodular Iron:, Ph.D. Thesis, University of Wisconsin- Madison.
۱۹٫ M. Ries: “Tin and Copper in Malleable Iron”, AFS Transactions, Vol 79, pp 565-570 (1971).
۲۰٫ “Metals Handbook Ninth Edition”, Vol 15, Casting, ASM International Publication (1988).
۲۲- دکتر جلال حجازی و مهندس منصور امامی: «تأثیر منگنز و قلع بر ساختار و خواص چدنهای خاکستری»، سمینار سالانه جامعه ریخته گران ایران»، (۱-۳ مرداد ۱۳۷۰).
۲۳٫ R. Barton: “The Influence of Alloying Elements in Cast Iron”, BCIRA Research Report No 559 (1960).
۲۴٫ T. C. Rooney, C. C. Wang, C. Rosenthal, C. R. Loper, Jr. and R. W. Heine: “Tin and copper in Gray Iron”, AFS Transactions, Vol 79, pp 189-198 (1971).
۲۵٫ C. C. Reynolds and H. F. Taylor: “Alloying and Heat Treating Spherulitic Graphite Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 42, pp 181-189 (1954).
۲۶٫ J. F. Wallace et al: “The Influence of Foundry Variables of Nodule Count in Ductile Iron”, AFS Transactions, Vol 93, pp 813-834 (1985).
۲۷٫ L. Guerin and M. Gagne: “Effect of Mn, Cu and Sn on the Microstructure and Properties of Ductile Iron Castings”, British Foundyman, Vol 80, pp 336-344 (1987).
۲۸٫ K. Bromage: “Present Position of Copper in Cast Iron”, Foundry Trade J. Vol 123, pp 845-849 (1967).
۲۹٫ T. Levin, P. C. rosenthal, C. R. Loper, Jr and R. W. Heine: “Tin and Copper in Ductile Iron”, AFS Transactions, Vol 79, pp 493-514 (1971).
۳۰٫ L. A. Neumeier, B. A. Bette, and D. H. Desy: “Tin and Copper Combinations in As- Cast Ductile Iron”, AFS Transactions, Vol 82, pp 131-138 (1974).
۳۱٫ L. A. Neumeire, B. A. Bettes: “Ductile Iron Containing Tin, Copper, and other Contaminats”, AFS Transactions, Vol 84, pp 265-280 (1976).
۳۲٫ M. M. Shea: “Influence of cooling Rate and Manganese and Copper Content on Hardness of As- Cast Duetile Iron”, AFS Transactions, Vol 78, pp 7-12 (1970).
۳۳٫ D. Venugopalan: “A Kinetic Model of the Gr Eutectoid Transformation in S.G Cast Iron”, Metallurgical Transactions, A, Vol 21A pp 308-312 (1990).
۳۴٫ D. M. Stefanescu, R. J. Warrick, L. R. Jenkins, G. Chen, and F. Martinez: “Influence of the chemical analysis of Alloys on the Nodule Count of Ductil Iron”, AFS Transactions, Vol 93, pp 835-484 (1985).
۳۵٫ G. N. J. Gilbert: “Properties of Perlitic and annealed Ferritic Nodular Iron Alloy With Copper”, Foundry Trade J. Vol 121, pp 507 (1969).
۳۶٫ E. C. Ellwood: “Tin Effect on structure and Properties of Flake and Nodular Graphite Cast Iron”, AFS Transactions, Vol 67, pp 423-430 (1959).
۳۷٫ N. K. Datta and N. N. Engels: “Influence of Nickel, Molybdenum, Tin, and Copper on the Isothernal Transformation of Carbide in Ductile Iron”, AFS Transactions, Vol 83, pp 121-126 (1975).
۳۸٫ J. Smith et al: “The Influence of Microstructure on the Fracture of Ductle Iron”, AFS Transactions, Vol 88, pp 302-310 (1980).
۳۹- دکتر مصطفی تفضلی یزدی، مهندس آیت بهرامی سامانی «اثر منگنز و قلع و منگنز بر ریز ساختار و خواص مکانیکی چدنهای خاکستری در حالت سیاهتاب» انتشارات جامعه ریخته گران (۱۳۷۴).
۴۰- متالوژزی کاربردی چدنها جلد (۲) مرعش مرعشی.