مطالعه و بررسي پديده سايش (Wear) به عنوان يك معضل در صنعت

فهرست مطالب

– تعريف سايش و عوامل موثر بر آن 6
1- چدنهاي سفيد Ni-hard 7
2- چدنهاي سفيد پركرم 8
فصل اول : 9
چدنهاي كرم دارمقدمه: 9
مقدمه: 10
چدنهاي كرم دار 10
اثر ساختار ميكروسكوپي 12
جدول 1 13
انتخاب زمينه 13
شكل 1 15
تركهاي ناشي از سنگ زني 19
ارتباطات فازي 20
شكل 2- سيستم سه تايي ليكيدوس (FE-CR-C ). 21
شكل 3- منطقة 900- 1000- 1150 درجه سانتي گراد نقشة سيستم سه تايي ليكيدوس(FE-CR-C ). 22
سختي پذيري 23
مقادير كربن و كرم 24
شكل4- تركيب اصلي چدنهاي پركرم طبق استاندارد ASTM-A-532 25
شكل 5-  12% Chromium- hardened 27
شكل6 27
شكل 8-  25% Chromium- hardened 28
عناصر آلياژي ديگر: 29
شكل9- چكش و سندان در سنگ شكن كوبيت از آلياژ چدن پر كرم 31
شكل10- نماي قسمتي از آسياب سيمان كه نشانگر بدنه هاي مختلف و گلوله ها ا 33
شكل 11- نماي داخلي دستگاه مخلوط كن بتون. جنس تيغه ها و بدنه ها از چدن پر كرُم مي باشد. 34
شكل12- نمايي از پمپ ضد سايش با آلياژ چدن پر كرُم 35
عمليات حرارتي چدنهاي پر كرم 39
– روش آستنيته كردن 40
دماي كوئنچ (آبدادن) 44
شكل 13- چدن با 15% كرم كه آنيل شده است. ساختار كاريدهاي يوتكتيكي كرم در زمينه پرليت. 47
فصل دوم: 48
چدنهاي نيكل دار 48
Ni-Hard 48
تركيب شيميايي 53
جدول3- حدود متوسط تركيب شيميائي Ni- Hard 53
منگنز 55
نيكل 56
ساختمان ميكروسكوپي (Microstructure) 57
شكل16- چدن سفيد مارتنزيتي (Ni- Hard)ريختگي در قالب فلزي 59
شكل17- چدن سفيد مارتنزيتي با عنصر آلياژي زياد 61
ذوب در كوره كوپل : 62
ذوب در كوره هاي برقي : 64
ذوب در كوره هاي بوته اي (Crucible Furnaces) : 65
ذوب در كوره هاي شعله اي (Air Furnaces): 65
قراضه هاي نيكل – سخت : 67
ماهيچه سازي : 68
جلوگيري از پيچيدگي قطعات مبرددار : 69
شكل19- قطعات قابل تراوش براي جا دادن در داخل قالب 71
ريختن مذاب و تغذيه قطعه ريختگي 72
عمليات تميز كاري ( Fettling) : 73
تعيين سختي : 74
جدول 4- تبديلات تقريبي سختي 75
آناليز شيميايي : 77
شكل 21- دستگاه نمونه گيري از مذاب نيكل سخت 78
مطالعات ميكروسكوپي: 78
عمليات حرارتي Ni-Hard : 79
شكل22- Ni-Hard عمليات حرارتي 81
شكل23- Ni-Hard عمليات حرارتي دو مرحله اي شده نشاندهندة مارتنزيت تمپر شده و عدم وجود آستنيت باقيمانده. 82
1000× اچ در محلول 2 درصد نايتال 82
Ni-Hard يوتكتيك: 83
جوشكاري 84
جدول 5- الكترودهاي جوشكاري 84
عمليات تكميلي و نهايي ( Finishing) 85
عمليات سنگ زني : ( Grinding Operations) 86
ماشينكاري 87
ماشينكاري بدنة پمپ هاي گريز از مركز 88
ماشينكاري ميله (Bar Srock) 88
صفحات مقاوم در  مقابل سايش (Wear Plates) 88
فصل سوم: 90
شرح آزمايش و نتيجه آزمايشعنوان‌آزمايش : 90
عنوان‌آزمايش : 91
نمونه 1- بزرگنمايي 100X 91
نمونه 2- بزرگنمايي 100X 91
نمونه 3- بزرگنمايي 100X 92
نمونه 4- بزرگنمايي 100X 92
نمونه 5- بزرگنمايي 100X 92
نمونه 5-T=600ºC 96
فاز زمينه 97
نتايج به دست آمده از آزمايش : 98

چكيده :
 پديده سايش (Wear) يكي از معضلاتي است كه صنعت از ديرباز با آن مواجه بوده است . برخورد منطقي در جهت رفع اين مشكل ، مرهون بررسي دقيق پديده و عوامل موثر بر آن مي باشد . بدين منظور برخي از مواد مناسبي كه با توجه به مباني متالورژيكي در عمل قابل استفاده مي بانشد مانند (چدنهاي سفيد كرم دار، Ni-hard) مورد بررسي قرار مي دهيم .
– تعريف سايش و عوامل موثر بر آن
سايش عبارت است از تلفات مكانيكي ماده از سطح يك جسم بواسطة تماس آن با سطح يا جسم ديگر عليرغم مكانيكي بودن اين پديده ، گاه با واكنشهاي شيميايي نيز همراه مي شود .
– فاكتورهاي كليدي موثر برسايش عبارتند از :
1) متغيرهاي متالورژيكي نظير سختي ، چقرمگي ( tough ness) ساختار ميكروسكوپي و تركيب شيميايي
2) متغيرهايي نظير مواد در حال تماس ( نظير ساينده ها و مشخصات آنها ) نوع و روش بارگذاري (Loading) ،سرعت ، دما ، زمان ، خشونت سطحي ، روانكاري ( Lubrication) و خوردگي .
در اينجا ما دو نوع ا زمواد مقاوم به سايش را مورد بررسي قرار مي دهيم كه عبارتند از چدنهاي سفيد پركرم و چدنهاي سفيد Ni-hard كه ابتدا چكيده اي از اين دو نوع چدن سفيد را در پايين مي آوريم .
در اينجا دو نوع چدن سفيد پركرم و Ni-hard را مورد بررسي قرار ميدهيم .
1- چدنهاي سفيد Ni-hard
Ni-hard چدن سفيد آلياژي نيكل – كرم داري است كه مقاومت قابل ملاحظه اي در مقابل سايش دارد . بيش از 50 سال است كه اين آلياژ وارد صنعت شده و موارد مصرف ، منحصر به فردي در صنايعي چون شكل دادن فلزات ، استخراج معدن ، نيروگاهها ، سيمان ، سراميك ، رنگ، حفاري ، زغال سنگ و كك ، ريخته گري و ديگر صنايع پيدا كرده است اين آلياژ (كه قيمت نسبي آن پايين است ) را مي توان به جاي چدن سفيد معمولي در مواردي كه به مقاومت در مقابل سايش مورد نياز است و نيز به جاي فولاد 12 درصد منگنز در مواردي كه به مقاومت در مقابل آلياژ، غلطك هاي نورد ، زره آسياب ها ، رينگ هاي بولدوزر ، كلاهك غلطك (‌ Noll-heads)اجزاء پمپهايي كه در گل و لاي كار مي كنند لوله و زانوها و خرد كننده ها مي باشد .
در حاليكه Ni-hard نام مناسبي براي قطعات ريختگي اين كلاس آلياژي است ، و در حقيقت در پاره اي از كشورهاي صنعتي جهان اين نام بعنوان يك نام تجاري به ثبت رسيده است ، اما قطعاتي با تركيب شيميايي Ni-hard بوسيله توليد كننده هايي كه در اين زمينه تجربياتي دارند تحت عناوين تجارتي خودشان از قبيل NI CROMAX , DIAMAX , BF954, ELVERITE, DIAMITE نيز توليد مي شوند .
2- چدنهاي سفيد پركرم
چدنهاي سفيد پركرم از جمله پرمصرفترين آلياژها در ساخت قطعات مقاوم به سايش هستند اين آلياژها اغلب با روش ريخته گري توليد مي شوند و عمليات حرراتي عمدتاً باعث بهبود مقاومت سايشي انها مي گردد ، ليكن گزارشاتي در ارتباط با قابليت «‌كارسختي پذيري » آستنيت در حين سايش وجوددارد .
چدنهاي سفيد پركرم يكي از مهمترين آلياژهاي مقاوم به سايش در صنعت مي باشند و كاربرد وسيعي در ساخت گلوله وزره آسياها و قطعات مقاوم به سايش دارند بكار گيري اين آلياژها رد صنعت اغلب بدليل نتايج مطلوب خصوصاً در مورد گلوله هاي آسيا به علت نرخ سايش پايين تر آنها نسبت به ساير آلياژهاي مقاوم به سايش بوده است .
ما در اينجا اين دو نوع از چدن سفيد ( پركرم و Ni-hard) را از جهات مختلفي مانند (‌ساختار ميكروسكوپي ، پروسه توليد ، عمليات حرارتي ، ملاحظات متالورژيكي وغيره و…) مورد بررسي قرار داديم .

فصل اول :
چدنهاي كرم دار
مقدمه:
چدنهاي كرم دار
در تجهيزاتي كه عمليات سايش انجام مي گيرد آلياژهاي آهني با بيشترين كربن بهترين مقاومت سايشي را دارند. ولي بخاطر تنشهاي متعددي كه هنگام كار به وجود مي آيد بايد ماده به كار رفته چقرمگي كافي براي جلوگيري از بروز عيوب گوناگون را داشته باشد. فولادهاي غير آلياژي يا كم آلياژ با كربني حدود 4/0% در حالتي كه ساختارشان مارتنزيتي است چقرمگي پائيني دارند. چدنهاي سفيد غير آلياژي كه اغلب كاربيد موجود در انها سمنيتت است سالها به علت مقاومتي كه در مقابل سايش دارند مورد استفاده قرار گرفته اند. با اين حال در موارد متعددي استفاده از انها رضايت بخش نبوده است. ضعف اين چدنها در ساختارشان است. فاز كاربيد يك شبكه پيوسته اي را در اطراف دانه هاي آستنيت تشكيل داده و موجب تردي و ترك خوردن مي گردد. افزايش يك عنصر آلياژي كه كربن را به صورت كاربيدي غير از سمنتيت با سختي بيشتر و خواص مطلوب تر در آورده و نيز مقدار كربن زمينه را كاهش دهد، موجب بهبود همزمان چقرمگي و مقاومت سايشي مي شود. عنصري كه معمولاً مورد استفاده قرار مي گيرد كرم است، و كاربيد آن بيشتر به صورت M7C3 مي باشد. در خردكننده ها قطعاتي كه تحت سايش هستند بايد نه تنها در مقابل سايش بلكه در مقابل تنشهاي ديناميكي هم كه مي تواند منجر به شكستهاي ناگهاني شود مقاومت كنند. قطعاتي كه در معرض تنشهاي سنگين هستند مشكل بزرگي را به وجود مي آورند و آن اينكه قطعه بايد دو خاصيت متناقض را در كنار هم داشته باشد كه عبارت است از مقاومت سايشي و چقرمگي.
مقاومت در مقابل شكست ناگهاني در اين قطعات خاصييت پيچيده اي است كه نه تنها به چقرمگي بلكه به شكل هندسي قطعه و نحوه توزيع تنشهاي داخلي بستگي دارد. چقرمگي وابسته به پارامترهاي متعدد مكانيكي، فيزيكي و متالورژيكي است. كربن مهمترين عاملي است كه روي مقاومت سايشي و چقرمگي آلياژهاي آهني به طور همزمان ولي در خلاف جهت هم اثر مي گذارد. با افزايش مقدار كربن تأثير آن روي مقاومت سايشي بيشتر مي شود. انتخاب تركيب شيميائي و عمليات حرارتي براي كسي كه درصدد يافتن راهي براي بهينه كردن مقاومت سايشي و چقرمگي باشد از بيشترين اهميت برخوردار است. جهت بدست آوردن سختي پذيري كافي است براي ضخامت مشخص مقدار عنصر آلياژي مناسب انتخاب شود. ساختار ميكروسكوپي اين گروه از چدنهاي سفيد شامل كاربيدهاي آهن – كرم يوتكتيك ناپيوسته (Cr, Fe)7 C3 و كاربيدهاي ثانويه غني از كرم در زمينه اي از آستنيت يا محصولات استحاله آن مي باشد. به كمك عمليات حرارتي مي توان زمينه آستنيتي، مارتنزيتي، بينيتي و يا پرليتي بدست آورد. مقاومت سايشي بهينه و بهترين تركيب مقاومت سايشي – استحكام – چقرمگي در چدنهائي كه زمينه مارتنزيتي دارند مي آيد. نامهاي معروف چدنهاي سفيد آلياژي تجارتي عبارتند از: چدنهاي نيكل هارد CR (IV, II, I)12، CR15، CR20، CR25.

اثر ساختار ميكروسكوپي
بيشترين مقاومت سايشي اين چدنها نتيجه مستقيم ساختار ميكروسكوپي آنهاست. اغلب فرايندهاي سايشي را مي توان يك عمل برشي يا فراشي تعريف نمود. نظير عمليات ماشينكاري كه يك ذره ساينده به سطح فلز فرورفته و خطوط سايش و تغيير شكل ايجاد كرده و ذراتي را از سطح جدا مي كند. براده هائي كه از محل سايش بدست آمده اند حاوي ذرات بسيار ريزي هستند كه از قلم تراش در حين عمليات ماشينكاري جدا شده اند. براي عملي شدن مكانيزم سايش كاملاً ضروري است كه وسيله ساينده از فلز سخت تر باشد. اگر اين وسيله نرمتر باشد فرآيند بيشتر به خوردگي و اكسيداسيون شبيه خواهد باشد. اگر اين وسيله نرمتر باشد فرآيند بيشتر به خوردگي و اكسيداسيون شبيه خواهد بود و فقط سايش ناچيزي انجام مي گيرد. جدول 1 سختي ميانگين تعدادي از مينرالها، كاربيدها و آلياژهاي پر آهن با تركيبات مختلف زمينه را نشان مي دهد. اين مقايسه مشخص مي كند كه كوارتز كه مهمترين تركيب در اغلب مينرالهاي ساينده مي باشد از آلياژهاي آهن با هر نوع ساختاري كه زمينه آنها داشته باشد سخت تر است به همين جهت مي تواند به راحتي آنها را بسايد. كاربيد آهن (سمنيتت) كه بيشترين كاربيد در چدنهاي سفيد كم آلياژ مي باشد از كوارتز نرمتر است و كاربيد كرم كه بيشترين كاربيد در چدنهاي پر كرم است از كوارتز سخت تر است و به همين جهت در مقابل سايش مقاومت مي كند. كاربيدهاي زيادي هستند كه از كاربيد كرم هم سخت تر مي باشند ولي متأسفانه بسيار گران هستند و اين مسئله موجب محدود شدن كاربرد آنها شده است. در چدن سفيد كاربيدها چيزي كمتر از 50- 40 درصد از كل حجم قطعه را نشان مي دهند بقيه زمينه است و چون اين زمينه از كوارتز نرمتر است سائيده مي شود بنابراين ممكن است كاربيدها كنده شده و از زمينه خارج شوند و فقط از قسمتي از مقاومت سايشي آنها به طور كامل استفاده گردد.

جدول 1
انتخاب زمينه
بهترين زمينه اي كه مي توان انتخاب كرد مارتنزيت پر كربن و سختي است كه سختي آن ناشي از كاربيدهاي ثانويه پراكنده مي باشد. دومين انتخاب خوب مي تواند آستنيت ناپايدار كار سختي پذير باشد. بهترين اتحاد بين استحكام و چقرمگي را مي توان بر اساس ساختار ميكروسكوپي توضيح داد. در چدنهاي سفيد پر كرم كاربيدها در زمينه پراكنده شده اند كه اين برخلاف حالتي است كه در چدنهاي سفيد پر كرم كاربيدها در زمينه پراكنده شده اند كه اين بر خلاف حالتي است كه در چدنهاي سفيد كم آلياژ لدبوريتي وجود دارد. در اين حالت ساختار را مي تواند به صورت زمينه اي از سمنتيت با محصولات گوناگون استحاله آستنيت كه فاز ترد كاربيد بر استحكام و چقرمگي غلبه كرده است، توصيف نمود.
افزايش مقدار كربن حجم كاربيدها را در ساختار افزايش مي دهد از آنجائيكه اين كاربيدها سختي و مقاومت سايشي بالائي دارند افزايش كربن موجب افزايش مقاومت سايشي نيز مي شود. به هر حال اگر مقدار كربن از مقدار يوتكتيك زيادتر شود كاربيدهاي اوليه زيادي تشكيل خواهند شد كه اينها ترد بوده و تحت ضربه ذرات ساينده منجر به شكست مي شوند و در نتيجه باعث افزايش كاهش وزن در اثر سايش مي گردند و اين با يك كاهش در چقرمگي و خواص مكانيكي همراه است. به عنوان نتيجه حداكثر مقدار كربن مجاز براي اغلب كاربردها تا حد يوتكتيك است. تنها در حالتهائي كه سطح چه در مقياس ميكروسكوپي و چه در مقياس ماكروسكوپي تحت ضربه و تنشهاي مكانيكي پائيني باشد مقدار كربن هيپريوتكتيك مفيد خواهد بود.
درصد كربن يوتكتيك در مذابي با cr15% تقريباً 6/3% و در مذابي با CR20%، 2/3% و در CR25%، 3% مي باشد. عناصر ديگري مي توانند اين مقادير را تغيير دهند مخصوصاً سيلسيم كه آن را كاهش مي دهد.
اهميت زمينه از شكل 1 معلوم است. هر چه زمينه نرمتر باشد مقاومت سايشي آن كمتر شده و تمايل كاربيدها براي خارج شدن از زمينه افزايش خواهد يافت. اثر
نامطلوب ديگري كه به وجود آمدن زمينه نرم در پي دارد پائين بودن استحكام تسليم
مي باشد. ممكن است چنين زمينه هائي نتوانند ساپورت و پشتوانه كافي براي كاربيدها را جهت مقاومت در برابر تنشهاي مكانيكي وارده ايجاد كنند و نتيجتاً كاربيدها در اثر اعمال تنش برشي توأم با سايش بشكنند. در اين رابطه خصوصاً پرليت مهم است و اگر مقدار پرليت 10% و يا كمتر باشد ممكن است اثرات زيان آوري روي مقاومت سايشي داشته باشد.

شكل 1
در بسياري از فرآيندهاي سايش آستنيت چدنهاي پر كرم  مشابه با فولادهاي هادفيلد با 12% منگنز مي تواند كار سخت شود ولي به هر حال اين كار سختي زمينه مقاومت سايشي چدن را به اندازه چدن پر كرم با زمينه مارتنزيتي افزايش نمي دهد. اين موضوع را جدول 2 نشان مي دهد. طبقه بنديهائي كه در اين جدول روي آلياژها انجام گرفته عملاً در بسياري از عمليات خرد كردن و اسياب كردن تجربه شده است. و اين چيزي است كه منطقاً از تست هاي سايشي آزمايشگاهي انتظار ميرود. عيب ديگر يك زمينه آستنيتي و يا نيمه آستنيتي، نا پايدار بودن آن است كه ممكن است تحت تنش هاي مكانيكي و يا افزايش دما تبديل به مارتنزيت شود. تغييرات حجمي كه اين تبديل بدنبال خواهد داشت، تنشهائي را به وجود مي آورد كه ممكن است قطعه را شكسته و يا موجب ترك خوردن سطح آن شود. مقاومت سايشي مارتنزيت با افزايش مقدار كربن بالا ميرود. كاربيدهاي ثانويه پخش شده در زمينه عمليات حرارتي تشكيل شده اند، به علت تشكيل نقاط سخت و پراكنده در زمينه در بسياري از كاربردها مقاومت سايشي را افزايش مي دهند. آلياژهائي كه در حالت مارتنزيت بهترين مقاومت سايشي را دارند حاوي 12 تا 22% كرم مي باشند اگر مقدار كرم كمتر از 12% بوده و مقدار كربن درحد يوتكتيك و يا حتي كمي به سمت هيپويوتكتيك باشد ممكن است مقداري كاربيد يوتكتيكي كه بيشتر به صورت سمنتيت است تا كاربيد كرم، تشكيل شده و منجر به كاهش محسوسي در مقاومت سايشي و چقرمگي شود. در حالتي هم كه مقدار كرم بالاي 22- 20 درصد و مقدار كربن در حد تركيب يوتكتيك باشد قسمت اعظم كربن به صورت كاربيد كرم در آمده و در نتيجه يك زمينه مارتنزيتي كم كربن بدست مي آيد كه مقاومت سايشي اين زمينه كم خواهد بود.
ذوب و ريخته گري چدنهاي پر كرم
چدنهاي پر كرم را مي توان در انواع كوره هاي الكتريكي و كوره هاي سوختي توليد كرد. اصولاً نسوز كاري اين كوره ها مي تواند خنثي و يا اسيدي باشد در حالتي كه از نسوز اسيدي استفاده شود امكان دارد كه بين كرم موجود در مذاب و سيليس نسوز واكنشي انجام گيرد ولي اين حقيقت كه مقادير زيادي از چدنهاي پركرم كه در كوره هاي القائي با جداره اسيدي توليد ميشود، معلوم مي كند كه از ديدگاه عملي اين موضوع مسئله اي را پيش نمي آورد. كوره‌هاي كوپل به علت اكسيده شدن و از بين رفتن زياد كرم و نيز وارد شدن كربن زياد و تبديل تركيب شيميائي به هايپريوتكتيك براي ذوب چدنهاي پر كرم مناسب نمي باشد. معمولاً مواد شارژ عبارتند از: قراضه هاي فولادي آلياژي و غير آلياژي، بر گشتي قطعات ضد سايش و فروكرم پر كربن.