پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مکانیک و ریخته گری با عنوان تولید چدن با گرافیت فشرده با استفاده روش افزودن گوگرد به مذاب عملیات شده با منیزیم
چكیده:
چدن با گرافیت فشرده دسته‌‌ای از چدنها میباشد كه دارای خواص مكانیكی و فیزیكی مابین چدن خاكستری و چدن داكتیل میباشد. گرافیتها به صورت ذرات كرمی شكل می باشند و در مقایسه با گرافیت ورقهای، كوتاهتر، ضخیم‌تر و دارای گوشه‌های گرد میباشند. روشهای مختلفی برای تولید این نوع چدن وجود دارد از قبیل افزودن منیزیم به همراه عناصر نادر خاكی، عملیات مذاب توسط آلیاژ فروسیلیكومنیزیم حاوی عناصر تیتانیوم و آلومینیم و یا افزودن گوگرد به مذاب عملیات شده با منیزیم.در این تحقیق از روش افزودن گوگرد به مذاب عملیات شده با منیزیم برای تولید چدن با گرافیت فشرده استفاده شد. گوگرد به صورت پودر پریت با دانه بندی زیر 100 مش جهت عملیات فشرده‌سازی گرافیت استفاده شد.
برای عملیات كروی كردن گرافیتها از آلیاژ فروسیلیكومنیزیم با دانه‌بندی 1-4 میلیمتر استفاده شد. محدوده منیزیم از 035/0 درصد تا 088/0 درصد و محدوده گوگرد نیز از 014/0 تا 085/0 درصد انتخاب شد. اثر تغییرات نسبت Mg/S بر استحكام كششی، استحكام تسلیم، درصد ازدیاد طول، انرژی ضربه و قابلیت ماشینكاری نمونه‌ها مورد بررسی قرار گرفت. همچنین تاثیر تغییرات نسبت Mg/S بر فاكتور شكل گرافیت، تشكیل كاربید و تغییرات درصد پرلیت و فریت مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آزمایش‌ها نشان داد كه با افزایش نسبت Mg/S استحكام كششی، استحكام تسلیم، انرژی ضربه و درصد ازدیاد طول افزایش می‌یابد و قابلیت ماشینكاری بهبود می‌یابد. همچنین افزایش نسبت Mg/S منجر به كاهش فاكتور شكل گرافیت و افزایش احتمال تشكیل كاربید بخصوص در مقاطع نازكتر می‌گردد.با كاهش ضخامت نمونه ها از 51 میلیمتر به 3 میلیمتر اندازه ذرات گرافیت از حدود 90 میكرومتر به حدود 45 میكرومتر كاهش یافت و نسبت CG:SG از 5:95 به 100:0 تغییر پیدا كرد.
کلمات کلیدی:
چدن با گرافیت فشرده
مکانیزم تشکیل گرافیت فشرده
ریز ساختاری و مورفولوژی چدن
روش افزودن گوگرد و حلالیت آن در مذاب
مقدمه
چدن با گرافیت فشرده دسته ای از چدنها هستند كه اخیراً به خانواده چدنها اضافه شده است. چدن با گرافیت فشرده چدنی است كه در آن گرافیتها بصورت كوتاه با گوشه های گرد كرمی شكل در ساختار ظاهر می شود. این نوع گرافیت دارای شكلی مابین ورقه های بزرگ چدن خاكستری نوع A و گرافیتهای كروی چدن داكتیل است [1]. تا اوایل دهه 1950 تولید قطعات چدن از جنس چدن با گرافیت فشرده به صورت تصادفی بود و بنابراین قطعات تولید شده از نظر كیفیت چندان مطلوب نبودند [2].تا دهه 1970 تمایل نسبتاً كمی به استفاده از مواد مهندسی در صنایع اتومبیل وجود داشت. چدنها بدلیل ارزان قیمت بودن و دارا بودن ویژگیهای خاص از قبیل خواص مكانیكی و قابلیت ریخته‌گری خوب، معمولاً در اكثر كاربردها ترجیح داده می‌شد.
اخیراً تلاشهای فزاینده بمنظور كاهش وزن قطعات و بهبود كارایی، طراحان اتومبیل را وادار به جایگزینی موادی نظیر سرامیكها، آلیاژهای سبك و پلاستیكها نموده است. در راستای تحقیقات انجام گرفته توسط بیش از 30 شركت اتومبیل بهترین جایگزین ماده‌ای از خانواده چدنها، یعنی چدن با گرافیت فشرده تشخیص داده شده است [3].چدنهای با گرافیت فشرده گستره‌ای از چدنها هستند كه دارای خواص فیزیكی و مكانیكی مابین چدن داكتیل و خاكستری است و تولید آن نیز نسبت به دو نوع دیگر چدن مشكلتر است. این نوع چدن به دلیل دارا بودن همزمان استحكام، هدایت حرارتی، مقاومت خستگی حرارتی و مكانیكی و دیگر خواص از جمله مواد مهندسی است كه اخیراً توجه زیادی به آن شده است [4]. لذا انتخابی مناسب برای تولید بدنه موتور، سرسیلندر و دیگر قطعاتی بود كه همزمان استحكام و هدایت حرارتی را نیاز داشتند [1].
چدن با گرافیت فشرده بدلیل دارا بودن ساختاری مابین چدن خاكستری و داكتیل انتظار می رود كه دارای خواص مكانیكی بین چدن داكتیل و خاكستری باشد. استحكام، داكتیلیته و چقرمگی چدن با گرافیت فشرده بالاتر از چدن خاكستری و در حد چدن داكتیل است و هدایت حرارتی و ظرفیت جذبی آن بالاتر از چدن داكتیل است. قابلیت ماشینكاری آن بالاتر از چدن داكتیل است و كمتر از آن تولید سرباره می كند و كمتر مستعد حفرات انقباضی و تشكیل كاربید است. به دلیل دارا بودن این خواص چدن با گرافیت فشرده در تولید قالبهای شمش، كفشك ترمز، سرسیلندرها، شیرها و بدنه موتورها كاربرد پیدا كرده است [5 و 6].
فهرست مطالب
فصل اول: مقدمه ………………………………………………………………1
فصل دوم: مروری بر منابع
2-1- تعریف ریز ساختاری و مورفولوژی چدن با گرافیت فشرده …………………………5
2-2- رابطه بین منحنی سرد شدن و ریزساختار گرافیت……………………………… 7
2-3- خواص مكانیكی چدن با گرافیت فشرده………………………………………10
2-3-1- استحكام كششی……………………………………………………10
2-3-2- قابلیت ریخته‌گری …………………………………………………12
2-3-3- خواص انقباضی ……………………………………………………12
2-3-4- تشكیل سرباره ……………………………………………………13
2-3-5- تمایل به تشكیل مناطق تبریدی………………………………………14
2-3-6- قابلیت ماشینكاری …………………………………………………14
2-3-7- استحكام خستگی …………………………………………………17
2-3-8- خواص سایشی …………………………………………………….19
2-3-9- خواص خوردگی ……………………………………………………20
2-4- مکانیزم تشکیل گرافیت فشرده ……………………………………………20
2-4-1- شكل اولیه و فرایند تشكیل گرافیت فشرده………………………………22
2-4-2- مدلهای رشد گرافیت فشرده ………………………………………….23
2-4-3- جهت كریستالوگرافی رشد چدن با گرافیت فشرده …………………………24
2-4-4- تاثیر عناصر كروی كننده بر تشكیل گرافیت فشرده …………………………25
2-4-5- اثر آستنیت بر تشكیل گرافیت فشرده ……………………………………27
2-5- تاثیر عناصر آلیاژی ………………………………………………………29
2-5-1- منیزیم……………………………………………………………30
2-5-2- لانتانیدها …………………………………………………………30
2-5-3- گوگرد ……………………………………………………………31
2- 5-4- سیلیسیم …………………………………………………………31
2- 5-5- كربن معادل ………………………………………………………32
2- 5- 6- تیتانیوم و آلومینیم…………………………………………………33
2- 5-7- مس ……………………………………………………………34
2- 5-8- سریم ……………………………………………………………34
فصل سوم: روش تحقیق
3-1- ساخت مدل و قالبگیری ……………………………………………………37
3-2- مواد اولیه و عملیات ذوب ریزی………………………………………………38
3-3- آنالیز شیمیایی……………………………………………………………39
3-4- آزمایشهای خواص مکانیکی …………………………………………………39
3-4-1- آزمایش استحکام و ازدیاد طول…………………………………………39
3-4-2- آزمایش انرژی ضربه …………………………………………………40
3-4-3- آزمایش قابلیت ماشینکاری……………………………………………40
3-5- متالوگرافی نمونه ها ………………………………………………………41
فصل چهارم: نتایج و بحث
4-1- تعیین روش افزودن گوگرد و حلالیت آن در مذاب ………………………………43
4-2- بررسیهای متالورژیکی ……………………………………………………44
4-2-1- شکل گرافیت ………………………………………………………45
4-2-1-1- اثر نسبت Mg/S ………………………………………………45
4-2-1-2- اثر ضخامت …………………………………………………47
4-2-2- بررسی فاز…………………………………………………………50
4-2-2-1- اثر نسبت Mg/S……………………………………………50
4-2-2-2- اثر ضخامت……………………………………………………51
4-2-3- بررسی کاربید………………………………………………………55
4-2-3-1- اثر نسبت Mg/S ………………………………………………55
4-2-3-2- اثر ضخامت ………………………………………………… 57
4-3- بررسی خواص مکانیکی……………………………………………………58
4-3-1- استحكام كششی……………………………………………………58
4-3-2- ازدیاد طول…………………………………………………………63
4-3-3- آزمایش ضربه………………………………………………………66
4-4- بررسی ماشینکاری ………………………………………………………68
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها
نتیجه گیری…………………………………………………………………74
پیشنهادها……………………………………………………………………75
منابع و مراجع …………………………………………………………………85
فهرست جدولها
فصل دوم
جدول2-1- خواص مكانیكی چدن با گرافیت فشرده ................................10
جدول 2-2- مقایسه قابلیت ماشینكاری انواع مختلف چدن ....................16
فصل سوم
جدول 3-1- آنالیز مذاب پایه (درصد وزنی) ...............................................43
فصل چهارم
جدول 4-1- نتایج حاصل از افزودن پریت به روش اینمولد ....................43
جدول 4-2- مقایسه میزان حلالیت گوگرد به دو روش Stream , In-mold ..........................................44
جدول 4-3- ترکیب شیمیایی نمونه ها ........................................................45
جدول 4-4- اثر افزایش گوگرد بر شکل گرافیت ........................................46
جدول 4-5- اثر افزایش میزان گوگرد برفاکتور شکل گرافیت .................46
جدول 4-6- نتایج حاصل از اندازه گیری طول گرافیتها مربوط به نمونه E2 ................................................49
جدول 4-7- نتایج حاصل از اندازه گیری فاکتور شکل در ضخامتهای مختلف ..............................................49
جدول 4-8- تاثیر تغییر ضخامت بر درصد فاز نمونه ها (% Fe3C + % F + % P) .......................................54
جدول 4-9 - نتایج حاصل از آزمایش كشش نمونه های چدن با گرافیت فشرده .........................................63
جدول 4-10- مقادیر ازدیاد طول نمونه ها .................................................63
جدول 4-11- نتایج حاصل از آزمایش ضربه نمونه های چدن با گرافیت فشرده ..........................................66
جدول 4-12- نتایج حاصل از آزمایش ماشینكاری ....................................69
جدول 4-13- مقایسه قابلیت ماشینكاری نمونه های مختلف .................69
فهرست شكلها
فصل دوم
شكل 2-1- شكل ریز ساختار چدن با گرافیت فشرده و خاكستری و داكتیل ................................................5
شكل2-2- تصویر میكروسكوپی ریز ساختار چدن با گرافیت فشرده a- در حالت اچ عمیق و b- حالت اچ
نشده ..........................................................6
شكل 2-3- تاثیر افزایش میزان منیزیم باقی مانده بر ریزساختار چدن .7
شكل 2-4- منحنی سرد شدن كه ساختارهای مختلف گرافیت و تعریف T1 و T2 وTΔ را نشان می‌دهد 8
شكل 2-5- ارتباط بین ساختار گرافیت و اطلاعات منحنی سرد شدن .9
شكل 2-6- ساختار گرافیت بر حسب مساحت زیر منحنی ......................9
شكل 2-7- رابطه بین فاكتور شكل و استحكام نهایی ...............................11
شكل 2-8- نمونـه‌هـای تـست سیـالیت بـرای سه نوع چدن خاكستری، چدن با گرافیت فشرده و چـدن
داكتیل ....................................................12
شـكل 2-9- مقـایـسه حـفره انـقبـاضـی و ابـعـاد چــدن خـاكسـتری، چـدن بـا گـرافـیت فـشـرده و
چدن داكتیل، ریخته شده در قالب ماسه‌ای ...............................................13
شكل 2-10- نیروی برش (a) و طول ماشینكاری تحت سایش ابزار (b) برای چدن با انواع گرافیت .......15
شكل2-11- ارتباط بین نیروی برشی و استحكام فشاری چدنها ............15
شكل 2-12- منـحنی خستـگی چدن بـا گرافـیت فشرده، A- با زمینه فریتی، B- با زمینه پرلیتی، C- با
كرویت بالا ................................................17
شكل 2-13- ارتباط فاكتور مقاومت خستگی با میزان كاهش وزن ......19
شكل 2-14- رفتار خوردگی چدنهای مختلف در محیط اسیدی ..........20
شكل2-15- تصویر شماتیك رشد سلول یوتكتیك، گرافیت تغییرشكل یافته در مناطق مختلف خمیری 22
شكل2-16- تصویر SEM، نشاندهنده شكل اولیه گرافیت فشرده (x2500) .................................................23
شكل 2-17- گرافیت كروی بدون پوسته آستنیتی (x1000) ...............23
شكل 2-18- تصویر SEM نشان دهنده لبه‌های در حال رشد گرافیت فشرده. (1) مقعر، (2) صفحهای، (3)
محدب .......................................................24
شكل 2-19- تصویر شماتیك از جهت رشد كریستالوگرافیكی گرافیت فشرده، ورقهای و كروی ...............25
شكل2-20- تصویرSEM از انتهای گرافیت فشرده كه در راستای a رشد می‌كند (x4000) ...................25
شكل2-21- تصویرSEM از انتهای گرافیت فشرده كه در راستای c رشد می‌كند (x7500)....................25
شكل2-22- توزیع منیزیم، سریم و گوگرد در جبهه در حال رشد گرافیت فشرده ......................................26
شكل2-23- تشكیل گرافیت فشرده در داخل مذاب در میان آستنیت .27
شكل2-24- انتهای در حال رشد گرافیت فشرده كه توسط آستنیت احاطه شده است ...............................28
شكل2-25- تصویر میكروسكوپی از ریزساختار نمونه‌ای كه در چند مرحله اچ شده است ..........................29
شكل2-26- محدوده Si , Cو نسبت Si-C و CE برای تولید چدن گرافیت فشرده با بیش از 80 درصد
گرافیت فشرده در ضخامت 5/0 تا 5 اینچ ....................................................32
شكل 2-27- تاثیر عناصر مختلف بر اكتیویته گوگرد ...............................32
شكل 2-28- تغییرات میزان پرلیت، سختی و استحكام كششی بر حسب مقدار آلومینیوم در چدن گرافیت
فشرده .......................................................34
فصل سوم
شکل 3-1- تصویر شماتیکی از مدل پله ای ................................................37
شکل 3-2- تصویر شماتیک نمونه کشش ....................................................40
شکل 3-3- تصویر شماتیك از نمونه ماشینكاری .....................................41
فصل چهارم
شکل 4-1- تاثیر ضخامت قطعه بر شکل گرافیت ......................................48
شکل 4-2- تاثیر نسبت Mg/S بر درصد فریت ..........................................51
شکل 4-3- نمودار تغییرات درصد فریت بر حسب تغییرات ضخامت ....52
شکل 4-4- تصاویر میکروسکوپ نوری از پله های مختلف .....................53
شکل 4-5- اثر میزان تحت تبرید بر شکل گرافیت ...................................55
شکل 4-6- اثر میزان Mg/S بر تشکیل کاربید 1) نسبت Mg/S=1.75 2) نسبت Mg/S=0.75 .............56
شکل 4-7- تاثیر میزان منیزیم بر تشکیل کاربید در نسبت Mg/S یکسان ...................................................57
شكل 4-8- تصویر شماتیك نمودار سرد شدن، نشاندهنده تاثیر نرخ سرد شدن بر منحنی انجماد و
ریزساختار چدن با گرافیت فشرده .......57
شکل 4-9- تاثیر افزایش میزان گوگرد بر استحكام كششی و استحكام تسلیم .............................................60
شکل 4-10- تاثیر نسبت Mg/S بر استحکام کششی و تسلیم چدن با گرافیت فشرده ..............................62
شکل 4-11- رابطه استحکام کششی و تسلیم با فاکتور شکل گرافیت .62
شکل 4-12- رابطه فاکتور شکل گرافیت با میزان ازدیاد طول چدن گرافیت فشرده ...................................64
شکل 4-13- رابطه بین نسبت Mg/S با ازدیاد طول نمونه های چدن با گرافیت فشرده ..........................65
شکل 4-14- تاثیر تغییرات نسبت Mg/S بر انرژی ضربه نمونه های چدن با گرافیت فشرده ....................67
شكل 4-15- تصاویر میكروسكوپی از سایش ابزار .....................................71
دانلود طرح توجیهی پوشال کولر