نتایج نشان داد که ریزساختار ریختگی چدن نایهارد با سختی 495 ویکرز شامل 67 درصد حجمی آستنیت باقیمانده، 13 درصد حجمی مارتنزیت و 20 درصد حجمی کاربیدهای یوتکتیک M7C3 است. با انجام عملیات ناپایدارسازی، آستنیت باقیمانده به مارتنزیت و کاربیدهای ثانویه تبدیل می‌شود و سختی افزایش می‌یابد. تغییرات ناشی از این فرایند به شدت تابعی از دما و زمان ناپایداری است. با افزایش بیشتر دمای ناپایدارسازی، آستنیت کمتری به مارتنزیت تبدیل می‌شود. همچنین افزایش زمان سبب کاهش میزان آستنیت باقیمانده و افزایش کاربیدهای ثانویه می‌شود. مورفولوژی کاربیدهای ثانویه M3C با افزایش دما و زمان از لایه‌ای یا تیغه‌ای به کروی تبدیل می‌شوند. با توجه به نتایج آزمون سایش و مطالعات ریزساختاری، بهترین شرایط برای ناپایدارسازی آستنیت و بهبود مقاومت به سایش، دمای 800 الی C°850 به مدت 3 تا 4 ساعت است.

واژه‌های کلیدی: چدن نایهارد4، کاربید یوتکتیک، کاربید ثانویه، دما و زمان ناپایدارسازی آستنیت، مقاومت سایشی

 فهرست مطالب

فصل 1- مقدمه   1

فصل 2- مرور بر منابع   5

2-1- معرفی چدن های سفید مقاوم به سایش (چدن نایهارد) 5

2-2- تاریخچه.. 6

2-3- کاربرد چدن‌های نایهارد.. 7

2-4- چدن‌های نایهارد و استانداردهای آن… 9

2-4-1- ترکیب شیمیایی و ریزساختار.. 9

2-4-2- چدن نایهارد 1 و2.. 10

2-4-3- چدن نایهارد 4.. 12

2-5- تاثیر عناصر آلیاژی… 14

2-5-1- کربن…. 14

2-5-2- کروم.. 16

2-5-3- نیکل…. 17

2-5-4- مولیبدن… 18

2-5-5- تنگستن…. 18

2-5-6- نیوبیم… 19

2-5-7- وانادیم… 21

2-5-8- منگنز… 22

2-5-9- مس    22

2-5-10- سیلیسیم… 22

2-5-11- بور.. 24

2-5-12- گوگرد.. 24

2-5-13- فسفر… 24

2-5-14- نتیجه گیری… 24

2-6- ساختار متالورژیکی چدن نایهارد.. 25

2-6-1- فازهای مختلف موجود در چدن نایهارد.. 25

2-6-2- فازهای کاربیدی در چدن نایهارد.. 26

2-6-3- تاثیر شکل و اندازه کاربیدها در چدن نایهارد.. 31

2-6-4- ساختمان زمینه چدن نایهارد.. 31

2-7- ذوب و ریخته گری… 34

2-8- انجماد چدن نایهارد.. 35

2-9- عملیات حرارتی…. 38

2-10- عملیات ناپایدارسازی و تبدیل آستنیت در آن… 41

2-10-1- تشریح فرایند… 41

2-10-2- تبدیل مارتنزیتی در حین عملیات حرارتی ناپایدارسازی… 43

2-11- عملیات حراتی تمپر… 43

2-12- پارامترهای عملیات حرارتی…. 44

 

 

2-13- مقاومت به سایش چدن‌های نایهارد.. 47

2-13-1- رابطه بین سختی و مقاومت به سایش……. 48

2-13-2- درصد کربن و ریزساختار.. 48

2-13-3- مورفولوژی، مقدار حجمی و اندازه کاربید یوتکتیک….. 50

2-13-4- دمای تمپر… 50

2-13-5- اثر آستنیت باقیمانده. 50

2-13-6- روش‌های آزمون سایش……. 51

2-14- خلاصه تحقیقات انجام شده در خصوص نایهارد 4.. 53

2-15- جمع ‌بندی و هدف از تحقیق…. 54

فصل 3- روش تحقیق   55

3-1- طراحی آزمایش……. 56

3-1-2- تهیه مدل و قالبگیری… 57

3-1-3- ذوب و بارریزی… 58

3-1-4- ترکیب شیمایی چدن نایهارد4 ریخته شده. 58

3-1-5- عملیات حرارتی ناپایدارسازی… 59

3-1-6- مطالعات میکروسکوپی برای بررسی ریزساختار.. 59

3-1-7- آنالیز تفرق اشعه X (XRD) 60

3-1-8- آزمون سختی…. 60

3-1-9- آزمون سایش……. 61

فصل 4- نتایج و بحث     63

4-1- بررسی ریزساختار و سختی چدن نایهارد در حالت ریختگی…. 63

4-2- اثر زمان ناپایدارسازی بر سختی…. 65

4-3- اثر زمان ناپایدارسازی در دماهای مختلف بر ریزساختار.. 68

4-4- اثر دمای ناپایدارسازی در زمان ثابت بر سختی…. 79

4-5- اثر دمای ناپایدارسازی بر ریزساختار در زمان ثابت….. 82

4-6- بررسی ریزساختار با میکروسکپ‌الکترونی روبشی…. 85

4-7- اثر عملیات تمپر بر تغییرات سختی و ریزساختار.. 86

4-8- اثر عملیات ناپایدارسازی بر مقاومت به سایش چدن نایهارد.. 91

نتیجه‌‌گیری   97

پیشنهادات برای تحقیقات بیشتر   99

مراجع   101

پیوست ‌ها 107

چدنهای مقاوم به سایش بر مبنای ریزساختار  و آلیاژهای آنها به پنج گروه عمده تقسیم می­ شود که در این میان چدن نایهارد4 چدنی با 6% نیکل، 9% کروم و 2% سیلیسیم با کربن یوتکتیک و ساختاری با کاربیدهای یوتکتیک M7C3  و زمینه عاری از پرلیت در حالت ریختگی و نیز بعد از عملیات حرارتی غالباً بصورت مارتنزیتی می­باشد. این آلیاژها از طریق یک واکنش یوتکتیک که منجر به تشکیل آستنیت و کاربید یوتکتیک M7C3  شده، منجمد می­ شود.

چدن نایهارد4 از قدیمی­ترین گروه های چدنهای پر آلیاژ در صنعت بوده که بیش از 50 سال قدمت داشته و مواد بسیار مناسبی در آسیابهای سیمان محسوب می­شوند. همچنین مصرف این نوع چدنها در تولید قطعاتی نظیر بوش ‌ها، سیلندرها، بوش سیلندرها، کاسه چرخ و … می باشد.

در این چدن، نیکل عنصری است که مانع از تشکیل پرلیت از زمینه آستنیتی شده و باعث تشکیل یک ساختار سخت مارتنزیتی در حین سرد شدن در قالب می­ شود. کروم هم در تشکیل کاربیدهای یوتکتیک M7C3  و نیز بی اثر کردن اثر گرافیت زایی نیکل مورد استفاده قرار می­گیرد.

مقاومت سایشی و خواص مکانیکی چدن نایهارد به نوع، مورفولوژی و توزیع کاربیدهای یوتکتیک و نیز ماهیت ساختار زمینه بستگی دارد. ترکیب شیمیایی، شرایط انجماد و نیز عملیات حرارتی بر این پارامترها تاثیر گذار خواهند بود.

مقاومت سایشی خوب چدنهای نایهارد به دلیل ریزساختار  آنهاست که شامل کاربیدهای سخت یوتکتیک توزیع شده در زمینه مارتنزیتی، آستنیتی و رسوب کاربیدهای ثانویه می­باشد. در مجموع ساختار زمینه می ­تواند هم روی مقاومت سایشی و هم مقاومت ضربه تاثیر گذار باشد.

ریزساختار  آلیاژ یک نقش اساسی را در رفتار سایشی ایفا می­ کند. همانطور که بیان شد مقدار حجمی کاربیدها و نیز ساختار زمینه و توانایی آن برای تغییر فرم و کارسختی در حین سایش، بر مقاومت سایشی موثر می­باشند. با مطالعات صورت گرفته، مشحص شد که ارتباط بسیار قوی بین پارامترهای ریزساختاری و مقاومت به سایش با شرایط عملیات حرارتی وجود دارد. لذا تعیین پارامترهای عملیات حرارتی برای بهبود مقاومت به سایش و خواص مکانیکی چدن نایهارد موثر می­باشد..

ساختار بعد از عملیات حرارتی نقش عمده­ای را بر خواص مکانیکی و متالورژیکی ایفا می­ کند که در نحوه کارکرد چدنهای نایهارد تاثیر به سزایی دارد. این چدن در حالت ریختگی شامل 50% آستنیت باقیمانده بوده و دارای سختی HB­ (500-400) بوده که با انجام سیکل عملیات حرارتی جهت تشکیل مارتنزیت مقدار سختی به HB (600-550) افزایش می­یابد.

عملیات حرارتی این چدنها شامل ناپایدارسازی در دماهای 750 تا 820 درجه سانتی گراد بوده و آنچه در عملیات حرارتی صورت می­گیرد رسیدن به ریزساختاری عاری از پرلیت است. این قطعات پس از ناپایدارسازی با سرعت آهسته­ای سرد می­شوند. از پارامترهای مهم در عملیات حرارتی، زمان و دمای ناپایدارسازی می­باشد. بهترین دمای ناپایدارسازی برای رسیدن به ماکزیمم سختی برای هر ترکیب شیمیایی متغیر است.

دمای ناپایدارسازی مقدار کربنی که باید در زمینه آستنیتی بصورت محلول باقی بماند را تعیین می­ کند. دماهای خیلی بالا پایداری آستنیت را افزایش داده لذا مقادیر آستنیت باقیمانده بیشتر، سبب کاهش سختی می­ شود. دماهای پایین هم منجر به مارتنزیت کم کربن شده و باعث کاهش سختی و مقاومت به سایش می­ شود. بنابراین تعیین این پارامترها در خواص مورد نظر کاملاً موثر می­باشند.

در این تحقیق سعی شد تا تاثیر دما و زمان ناپایدارسازی بر ریزساختار  و خواص سایشی چدن نایهارد4 با انجام آزمایشهای مختلف بررسی شود. لذا با ثابت در نظر گرفتن سایر پارامترها، ناپایدارسازی نمونه­های چدن نایهارد4 در چهار دمای 750،800،850،900 درجه سانتی ­گراد و زمان های 1،2،3،4،5،6 ساعت  صورت گرفت و سپس با انجام آزمایشهای مختلف اثر این پارامترها بر ریزساختار چدن نایهارد بررسی شد.

آزمون سایش هم در شرایط تنش آرام به روش Pin On Disc و با ساینده Al2O3 بر روی نمونه­ها انجام شد تا اثر پارامترهای مورد نظر بر روی خواص سایشی چدن نایهارد مورد بررسی قرار گیرد.

لازم به ذکر است که برای بررسی تاثیر پارامترهای دما و زمان ناپایدارسازی آزمایشهای مختلفی چون تعیین ریزسختی­سنجی و درشت­سختی­سنجی به روش ویکرز، تعیین ریزساختار با میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ SEM، آنالیز XRD صورت گرفته تا نتایج حاصله بتواند تحلیل درستی را ارائه نماید.

فصل 1- مرور بر منابع

1-1- معرفی چدن های سفید مقاوم به سایش (چدن نایهارد)

چدنهای نایهارد بر مبنای سیستم سه تایی Fe-Cr-C و از مهمترین آلیاژهای مقاوم به سایش در صنعت می­باشند. این آلیاژها به دلیل خواص ضد سایش، به طور گسترده­‌ای در صنایع سیمان، فولاد و آسیاب­های خرد کننده به کار می­روند. قطعاتی که در آسیاب­ها استفاده می­شوند، نه تنها در مقابل سایش، بلکه در برابر تنش­های دینامیکی متعدد در حین کار باید مقاوم بوده تا از بروز عیوب ناگهانی و شکست قطعات جلوگیری شود [1،2].

چدنهای غیر آلیاژی یا کم آلیاژ با کربن حدود 4% با اینکه ساختارشان مارتنزیتی است، چقرمگی پایینی دارند. چدنهای سفید غیر آلیاژی که اغلب کاربید موجود در آنها به صورت سمانتیت است، به خاطر مقاومت در مقابل سایش مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ضعف عمده این چدنها در ساختارشان است [3].

فاز کاریبد یک شبکه پیوسته‌ای را در اطراف دانه‌های آستنیت تشکیل داده و موجب تردی و ترک‌دار شدن می‌گردد. افزایش یک عنصر آلیاژی که کربن را به صورت کاربیدی غیر از سمانتیت با سختی بیشتر و خواص مطلوب‌تر درآورده و