تأثير منگنز بر منحني هاي سرد شدن، ريزساختار و خواص مكانيكي چدن خاكستري

فهرست مطالب
با تشكر از: 4
چكيده: 7
مقدمه: 8
خواص عمومي چدن هاي خاكستري 10
1-1 جوانه زايي چدنها با آلياژ سيليسيم 11
1-2 انجماد و مكانيزم ورقه اي شدن گرافيت در چدن خاكستري: 11
شكل 1-1 منحني انجماد ايده آل واقعي چدن خاكستري ] 40[ 12
فصل دوم 12
مروري بر منابع 12
2-1 تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي خاكستري 13
2-1-1 تشكيل حلقه هاي فريت در اثر تجزيه آستنيت 14
شكل 2-2: الف – طرحي از يك گرافيت ورقه اي در زمينه اي از آستنيت، درست پيش از تجزيه آستنيت 15
2-1-2 تشكيل پرليت در اثر تجريه آستنيت 16
2-2 اثر منگنز، بر سينتيك تغيير حالت يوتكتوئيد در چدنهاي خاكستري 17
شكل 4-2: مقطعي از نمودار تعادلي سه تايي Fe-C-Si ]17[. 20
شكل 5-2: طرحي از مكانيزم تجزيه آستنيت و تشكيل حلقه هاي فريت ]17[. 21
2-2-1  اثر منگنز، بر منحني هاي سرد كردن 21
شكل 7-2: تغييرات محدوده دمايي تغيير حالت يوتكتوئيد برحسب درصد در مقادير مختلفي از منگنز]3[. 23
شكل 8-2: اثر منگنز بر منحني سرد كردن در محدودة تغيير حالت يوتكتوئيد ]3[ 24
شكل 9-2: اثر منگنز يا قلع بر زمان شروع و پايان تغيير حالت يوتكتوئيد ]3[. 25
2-3 اثر منگنز، بر ريز ساختار چدنهاي خاكستري 28
2-3-1 اثر منگنز، بر ساختار زمينة چدنهاي خاكستري 29
شكل 11-2: اثر عناصر آلياژي مختلف بر سختي محلولي فاز فريت [17]. 30
شكل 12-2: اثر منگنز، بر ريز سختي پرليت 32
شكل 13-2: اثر منگنز، قلع يا منگنز بر تجزيه حرارتي پرليت در دماي 680 درجة سانتيگراد [27]. 33
2-3-2 اثر منگنز بر مشخصات گرافيتهاي ورقه اي 33
2-4  اثر منگنز، بر خواص مكانيكي چدنهاي خاكستري 35
شكل 14-2: اثر منگنز، قلع يا منگنز بر خواص كششي نمونه هايي از چدن خاكستري (نمونه هاي كششي از كيل بلوكهاي به ضخامت 4/25 ميليمتر تهيه شده است [27]. 36
2-4-2) اثر منگنز، بر سختي چدنهاي خاكستري 37
شكل 15-2:اثر منگنز، بر سختي نمونه اي از چدن خاكستري با درصد هاي متغير از اين عنصر 37
شكل 16-2 اثر درصد پرليت حاصل از افزايش عنصر منگنز، بر سختي نمونه اي از چدن خاكستري [27]. 38
شكل 17-2: تغييرات سختي در چدنهاي خاكستري با درصدهاي متفاوتي از منگنز و قلع، برحسب درصد قلع [30].333 39
شكل 18-2: تغييرات انرژي ضربه در چدنهاي خاكستريي با درصد هاي متفاوت از منگنز و قلع، برحسب درصد قلع (نمونه ها از نوع شارپي و بدون شيار هستند) [30]. 40
فصل سوم 42
روش انجام آزمايش 42
3-1 استانداردهای آزمایش 43
فصل چهارم 45
نتايج 45
4-1 بررسي منحني‌هاي سرد شدن 46
4-2 بررسي ريز ساختار 46
4-3 بررسي عمق تبريد و دانسيته 47
4-4 بررسي خواص مکانيکي 48
فصل پنجم 49
نتيجه گيري 49
نتایج بدست آمده 50
منابع و مآخذ 51
ABSTRACT 54

چكيده:
با توجه به كار برد وسيع چدنهاي خاکستری در صنايع كه مي تواند جايگزين مناسبي براي برخي از فولادها باشد لذا اهميت اين موضوع سبب گرديده كه در اين زمينه تحقيقات فراواني صورت گيرد.
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 اين تحقيق تأثير درصدهاي مختلف منگنز (445/0 تا 092/1 درصد) بر منحني‌هاي سرد شدن، ريز ساختار و خواص چدن خاکستري بررسي شده است. نتايج نشان مي‌دهندکه در چدني با کربن معال 8/3 درصد و مقدار متوسط گوگرد 047/0 درصد با افزايش درصد منگنز تا 661/0 درصد دماي يوتکتيک افزايش مي‌يابد و با افزايش بيشتر درصد منگنز دماي يوتکتيک کاهش مي‌يابد ولي دماي يوتکتوئيد با افزايش درصد منگنز همواره کاهش مي‌يابد. همچنين افزايش درصد منگنز تا 661/0 درصد سبب افزايش درصد حجمي گرافيت‌ها و درصد گرافيت‌هاي نوع A شده و با افزايش بيشتر درصد منگنز موارد مذکور کاهش مي‌يابند. همچنين با افزايش درصد منگنز طول لايه‌هاي گرافيت‌ کاهش يافته ولي ضخامت آنها تغيير محسوسي نمي‌کند و با افزايش درصد منگنز تا 760/0 درصد تعداد سلول‌هاي يوتکتيک بر واحد سطح افزايش مي‌يابد. تغييرات درصد منگنز تأثيري بر فاصله بازوهاي دندريتي ندارد ولي با افزايش درصد اين عنصر ميزان پرليت در ساختار چدن خاکستري افزايش مي‌يابد. عمق تبريد با افزايش درصد منگنز تا 661/0 درصد کاهش و دانسيته چدن با افزايش درصد اين عنصر همواره کاهش مي‌يابد. نتايج آزمايشات کشش و سختي سنجي روي نمونه‌‌هاي چدني نشان داد که افزايش درصد منگنز سبب افزايش سختي، استحکام تسليم، استحکام نهايي و مدول کشساني چدن شده و نسبت استحکام به سختي را کاهش مي‌دهد.
مقدمه:
منگنز از عناصر آلياژي اصلي در ساختار چدن مي‌باشد. نقش اصلي منگنز در ترکيب چدن خنثي کردن اثرات مخرب گوگرد مي‌باشد. منگنز با گوگرد ترکيب شده و سولفيد منگنز توليد که به مقياس زيادي وارد سرباره مي‌شود. حداقل ميزان منگنز لازم جهت خنثي کردن اثر گوگرد از رابطه زير به دست مي‌آيد]1[.              % Mn = 1.7%S + 0.3

(1)
عليرغم اينکه منگنز به تنهايي در چدن اثر کاربيدزايي دارد ولي به دليل اينکه گوگرد را که يک عامل کاربيد‌زاي قوي مي‌باشد از ترکيب چدن خارج مي‌کند در مجموع نقش گرافيت‌زايي دارد. جهت پرليتي کردن ساختار چدن خاکستري درصد منگنز مورد نياز از رابطه زير به دست مي‌آيد. ]1[.             % Mn = 3%S + 0.35
(2)
هدف
در صورتي که درصد منگنز بيش از مقدار فوق باشد تمايل به سفيد شدن چدن خاکستري افزايش پيدا مي‌کند. در چدن‌هاي خاکستري غيرآلياژي بسته به ترکيب شيميايي و خواص مودر نظر درصد منگنز در حد 2/0 تا يک درصد مي‌باشد ]2[. تاثير منگنز بر خواص چدن خاکستري متاثر از درصد گوگرد مذاب مي‌باشد. در صورتيکه درصد منگنز در توازن با درصد گوگرد باشد.
ضمن ايجاد ريز ساختار مطلوب و کاهش عمق تبريد، خواص کششي چدن خاکتسري نيز بهبود مي‌يابد ]6،5،4،3[. هدف از تحقيق حاضر بررسي تاثير درصد‌هاي مختلف منگنز (0/445 تا 092/1 درصد) بر منحني‌هاي سرد شدن، ريز ساختار، عمق تبريد، سختي و خواص کششي چدن خاکستري با کربن معادل 8/3 و مقدار متوسط گوگرد 047/0 درصد مي‌باشد.
اندازه گرافيت ورقه اي مي تواند روي خواص مكانيكي تأثير بگذارد. اندازه گرافيت ها به دو پارامتر بستگي دارد:
1- آهنگ سرد شدن يا اندازه سطح مقطع. چون مقاطع نازك سريع سرد مي شوند، تعداد بيشتري گرافيت ورقه اي خواهند داشت.
2- جوانه زني با آلياژ سيليسيم، افزايش تعداد گرافيت ورقه اي و كاهش تمايل به تبريدي بودن مخصوصاً در مقاطع نازك را باعث مي شود. افزايش مقدار جوانه زا باعث افزايش تعداد گرافيتهاي ورقه اي مي شود.
در حين ريخته گري اين نوع چدن مي توان به ساختار زمينه فريت، پرليت، مخلوط فريت و پرليت، آستنيت، بينايت و مار تنزيت دست يافت. چدنهاي خاكستري پرليني استحكام بالايي دارند ولي چقرمگي آنها كمتر است. چدنهاي خاكستري فريتي – استحكام كمتري دارند ولي ازدياد طول مبني آنها بيشتر و مقاومت به ضربه شان خوب است.

پیشینه تحقیق
در حال حاضر، در تمام كارخانه ها، براي ورقه اي نمودن گرافيتهاي چدن خاكستري از منگنز، استفاده مي گردد. در ضمن عناصر جزئي مانند سريم و عناصر خاكي نادر موجود در آلياژ فروسيليكو منگنز Fe-Si-Mn براي خنثي كردن عناصر جزيي مضرو راندمال بهتر در عمل جوانه زايي، اهميت زيادي دارند.
روش افزودن منگنز به روشهاي مختلف اعم از ساده و پيچيده مي باشد. در انتخاب يكي از روشها براي يك كارگاه معين بايد فاكتور هاي زيادي مورد نظر قرار گيرد و در بين آنها مهمترين فاكتورها با تعيين اولويتها مشخص گردد. فاكتورهاي اصلي به قرار زير مي باشند:
1. روش انتخاب شده نبايد با ايجاد نور و دود همراه باشد.
2. قيمت تمام شده چدن توليدي بايد حداقل باشد.
3. روش نبايد احتياج به سرمايه گذاري زياد در تجهيزات داشته باشد.
4. كيفيت چدن توليدي بايد مطلوب باشد.
5. روش بايد توانايي ريختن قطعات با وزن هاي مختلف را دارا باشد.
براي توليد چدن خاكستري مرغوب بايد كنترل دقيق به عمل آيد تا مقدار منگنز باقيمانده كم يا زياد نباشد. از آنجائيكه دما و تركيب شيمياي براي بازيابي منگنز موثر ميباشند، فرآيند و مواد مناسب ورقه اي سازي مطلوب، بزرگترين عوامل بالقوه براي تغييرات منگنز باقيمانده مي باشندو

روش کار و تحقیق
مذاب چدن با استفاده از 50درصد برگشتي چدن و 50 درصد قراضه فولاد با ترکيب مندرج در جدول (1) در يک کوره القايي 25 کيلوگرمي و با فرکانس سه کيلو هرتز تهيه شد. سپس با افزودن درصدهاي مختلف کک نفتي با خلوص 60درصد، فروسيليسيم 75درصد و فرو منگنز 75درصد چدن‌هايي با کربن معادل يکسان (تقريباً 8/3درصد) و حاوي درصدهاي مختلف منگنز (445/0، 661/0، 760/0، 092/1 درصد) تهيه و در تمامي موارد از 3/0 درصد فروسيليسيم به عنوان جوانه‌‌زا در پاتيل استفاده شد و ريخته‌گري نمونه‌ها در دماي بارريزي 1350 درجه سانتيگراد صورت گرفت. ترکيب شيميايي کليه نمونه‌ها در جدول (2) نشان داده شده است.

فصل اول

خواص عمومي چدن هاي خاكستري
1-1 جوانه زايي چدنها با آلياژ سيليسيم
1- افزايش تعداد هسته هاي يوتكتيكي
2- كاهش تبريدي (كاهش مادون انجماد)
استفاده از مواد جوانه زا براي توليد چدن خاكستري موجب تشكيل مراكز هسته سازي براي رسوب گرافيت مي گردد و با بودن اين مراكز در طول انجماد رسوب گرافيت آسانتر انجام مي گيرد. وجود هسته هاي گرافيت به تعداد كافي يكي ار عوامل مهم براي جلوگيري از پديده مادون انجماد (Undercooking) مي باشد. بدون وجود هسته ها، كاربيدها مي توانند در قطعات تشكيل شوند. وجود كاربيد ها موجب نامرغوبي چدن از ديدگاه قابليت خاكستري بودن و ماشينكاري مي گردد. علاوه بر آن، گرافيتي كه از تجزيه بعدي كاربيد ها به وجود مي آيد، ممكن است داراي شكل نامنظم باشد. چنانچه تلقيح مواد بشكل مناسب انجام پذيرد. معمولاً هسته هاي كافي براي انجام عمليات تشكيل مي گردد. بطور كلي هسته سازي بيشتر كاربيدها در طول انجماد كمتر بوده است. در حقيقت چنانچه بخواهيم قطعات چدن خاكستري مي باشد و با انجام اين كار ساختار در چدن خاكستري ريخته شده، قطعاتي با خواص مكانيكي مناسب خواهيم داشت. اين خواص عبارت است از: استحكام كشش و تسليم، قابليت انعطاف پذيري و مقاومت به ضربه مي باشند.