عمليات حرارتي چدن نشكن(داكتيل)

عمليات حرارتي چدن نشكن

خلاصه:
مهمترين عمليات حرارتي كه روي چدن نشكن انجام مي شود و هدف از انجام آنها :
عمليات حرارتي كه در دماي پايين براي كاهش يا آزاد كردن تنش هاي داخلي باقي مانده پس از ريخته گري انجام مي شود.
● آنيل كردن
عمليات حرارتي كه براي بهبود انعطاف پذيري و چقرمگي ، كاهش سختي و حذف كاربيدها انجام مي شود.
● نرماله كردن
عمليات حرارتي كه به منظور بهبود استحكام به همراه كمي انعطاف پذيري انجام مي شود .
● سخت كردن و تمپر كردن
عمليات حرارتي كه به منظور افزايش سختي يا بهبود استحكام و بالا بردن نسبت تنش (تنش تسليم) انجام مي شود .
● آستمپر كردن
عمليات حرارتي كه به منظور بدست آمدن ساختاري با استحكام بالا به همراه كمي انعطاف پذيري و مقاومت به سايش عالي انجام مي شود .
● سخت كردن سطحي به وسيله ي القاء ، شعله يا ليزر
عمليات حرارتي كه به منظور مقاوم به سايش ساختن و سخت كردن موضعي سطح انتخاب شده انجام مي شود .
در اين مقاله عمليات آنيلينگ ، نرماله كردن ، آستمپر كردن ، كونچ كردن و تمپر كردن چدن نشكن شرح داده مي شود.
آستنيته كردن چدن نشكن
هدف معمول آستنيته كردن اين است كه تا حد امكان زمينه ي آستنيتي با مقدار كربن يكسان قبل از پروسه ى حرارتى توليد شود. به عنوان مثال در چدن نشكن هيپريوتكتيك براي آستنيته كردن بايد از دماى بحرانى كمي بالاتر برويم به طورى كه دماى آستنيته در منطقه ى دو فازى ( آستنيت و گرافيت ) باشد. دماى آستنيته كردن به وسيله ى عناصر آلياژى موجود در چدن نشكن تغيير مى كند .
با افزايش دماي آستنيته كردن مي توان آستنيت تعادلي حاوى كربن كه در حال تعادل با گرافيت است را افزايش داد. كه اين پارامتر قابل انتخاب است( در زمان محدود). كربن موجود در زمينه ي آستنيتي كنترل دماي آستنيته كردن را مهم ساخته كه اين دما به منظور جلو بردن واكنش به مقدار زيادي به كربن موجود در زمينه ي آستنيتي بستگي دارد ، اين ساختار مخصوصاً براي آستمر كردن ساخته مي شود ، سختي پذيري (قابليت آستمپر كردن ) به ميزان زيادي به كربن موجود در زمينه و در واقع به عناصر الياژي موجود در چدن نشكن بستگي دارد ، ميكرو ساختار اصلي و سطح مقطع قطعه تعيين كننده ي زمان مورد نياز براي آستنيته كردن مي باشند
مراحل بعد از آستنيته كردن هنگامي كه مورد اهميت باشند عبارتند از : آنيل كردن ، نرماله كردن ، كونچ و تمپر كردن و آستمپر كردن .
آنيلينگ چدن نشكن
هنگامي كه حداكثر انعطاف پذيري و قابليت ماشينكاري عالي مورد نياز باشد و استحكام بالا مورد نياز نباشد ، عموماً چدن نشكن آنيل فريتي مي شود . بدين گونه كه ميكروساختار به فريت متحول مي شود و كربن اضافي به صورت مي باشد، اگر ماشينكاري عالي مورد 60-40-18 نوع ASTM كروي رسوب مي كند. اين عمليات حرارتي ساخته ي نياز باشد بايد مقدار منگنز ، فسفر و عناصر آلياژي از قبيل كرم و موليبدن درحد امكان پايين باشد زيرا باعث آهسته كردن پروسه ي آنيل مي شوند .
نحوه ي آنيل كردن توصيه شده براي چدن نشكن آلياژي و چدن نشكن با كاربيد يوتكتيك و بدو ن كاربيد يوتكتيك در پايين شرح داده شده است :
آنيل كامل براي چدن نشكن با 2%-3% سيليسيم و بدون كاربيد يوتكتيك :
گرم كردن تا دماي 870- 900 درجه ي سانتي گراد و نگهدار ي در اين دما به مدت 1 ساعت در ازاي هر اينچ ضخامت ،سپس سرد كردن در كوره با سرعت 55 درجه سانتي گراد در ساعت تا دماي 345 درجه ي سانتي گراد سپس سرد كردن در هوا.
آنيل كامل در صورت وجود كاربيد يوتكتيك :
گرم كردن تا دماي900C-870C و نگهداري در اين دما براي 2 ساعت و بيشتر از اين زمان براي ضاخمت هاي زياد ، سپس سرد كردن در كوره با سرعت 110C/hتا دماي 700Cو نگهداري در اين دما براي 2 ساعت ، سپس سرد كردن در كوره تا دماي 345Cبا سرعت 55C/h ، سپس سرد كردن در هوا .
آنيل كردن زير منطقه ي بحراني براي تبديل پرليت به فريت:
گرم كردن قطعات تا دماي705C-720Cونگهداري در اين دما به مدت 1 ساعت در ازاي هر اينچ ضخانت ، سپس سرد كردن در كوره با سرعت55C/h تا دماي 345C و سپس سرد كردن در هوا .
وقتي كه در چدن نشكن عناصر آلياژي وجود داشته باشد از سرد كردن سرتاسري قطعه جلوگيري مي شود و كاهش درجه حرارت از نقطه ي بحراني تا400C ادامه مي يابد و سرعت سرد كردن از55C/h كمتر مي باشد .
به هر حال برخي عناصر در شكل كاربيد خود اگر تجزيه ناپذير باشند به شكل كاربيد اوليه كه بسيار سخت است مي باشندكه اين حالت بيشتر در كرم مي باشد ، به عنوان مثال% 0.25 كرم باعث تشكيل كاربيد اوليه ي بين نشيني مي شود كه در اثر عمليات حرارتي تا دماي 925C و نگهداري در مدت2h-20h حتي نيز از بين نمي رود . زمينه ي حاصل از رسوب پرليت ، زمينه ي فريتي با كاربيد مي باشد كه فقط 5% ازياد طول دارد .
نمونه هاي ديگري از عناصر كه به شكل كاربيد در چدن نشكن وجود دارند عبارتند از موليبدن بيشتر از 0.3% و واناديم وتنگستن در مقدير بيش از 0.05%.
سختي پذيري چدن نشكن
سختي پذيري چدن نشكن يك پارامتر مهم تعيين كننده ي واكنش ثابت آهن براي نرماله كردن ، كونچ كردن و تمپركردن يا آستنيته كردن مي باشد.
سختي پذيري معمولاً به وسيله ي آزمايش جاميني تعيين مي شود ، كه در آن از يك ميله با اندازه ي استاندارد (قطر 1 اينچ و ارتفاع 4 اينچ) استفاده مي شود كه آن را آستنيته مي كنند سپس يك سر آن را به وسيله ي آب سرد مي كنند ، نوسان در سرعت سرد كردن باعث بي ثباتي (متفاوت بودن) در ميكروساختار مي شود كه سختي آنها تغيير مي كند سپس آنها را تعيين و ثبت مي كنند.
زمينه ي با كربن بالا باعث بالا رفتن دماي آستنيته كردن و در نتيجه ي آن باعث افزايش سختي پذيري مي شود (منحني جاميني فاصله ي زيادي تا پايان سرد كردن پيدا مي كند ) و همچنين قطعه حداكثر سختي بالاتري پيدا مي كند.
هدف از اضافه كردن عناصر آلياژي به چدن نشكن افزايش سختي پذيري است ، منگنز و موليبدن برحسب وزن اضافه شده به چدن نشكن نسبت به مس و نيكل عناصر بسيار موثري در افزايش سختي هستند.
در هر حال همانند فولاد افزودن تركيب نيكل - موليبدن يا مس - موليبدن يا مس - نيكل - منگنز نسبت به اينكه اين عناصر را به صورت جداگانه به چدن اضافه كنيم ، تاثير بيشتري خواهند داشت.
بنابراين براي ريخته گري مقاطع زياد كه نياز به سختي و آستمر زياد دارند معمولاً از تركيب ان عنصر استفاده مي كنند . سيليسيم صرف نظر از تاثيري كه روي زمينه ي حاوي كربن دارد تاثير زيادي روي سختي پذيري ندارد .
نرماله كردن چدن نشكن

نرماله كردن (سرد كردن در هوا در جريان آستنيته كردن) به طور قابل توجهي مي تواند باعث بهبود استحكام كششي شود.و امكان استفاده در ساخت چدن نشكن ASTM نوع 30-70-100 وجود دارد .
ميكروساختار حاصل از نرماله كردن به تركيب شيميايي چدن و سرعت سرد كردن بستگي دارد سختي تحميل شده به
وسيله ي تركيب شيميايي قطعه به موقعيت منطقه ي زمان - دماي دياگرام CCT بستگي دارد .
سرعت سرد كردن به حجم قطعه ي ريختگي بستگي دارد ولي شايد بيشتر تحت تاثير دما و جريان هواي اطراف قطعه ي در حال سرد شدن باشد .
اگر چدن حاوي مقدار زيادي سيليسيم نباشد و دست كم حاوي مقدار مناسبي منگنز(يا بالاتر0.5 %-0.3%) باشد به طور كلي نرماله كردن ، ساختار پرليت ظريف توليد خواهد كرد . قطعات سنگين در صورتي كه نياز به نرماله شدن داشته باشند براي بدست آوردن ساختاري كاملاً پرليتي و سختي پذيري بيشتر بعداز نرماله كردن حاوي عناصر الياژي از قبيل موليبدن و نيكل و منگنز اضافي هستند . قطعا ت سبك چدن هاي آلياژي ممكن است بعد از نرماله كردن حاوي ساختارمارتنزيتي يا بينيتي باشند
دماي نرماله كردن معمولاً بين870C-940C مي باشد و زمان استاندارد نگهداري 1h براي هر اينچ ضخامت و نگهداري به مدت 1h به عنوان حداقل در اين دما كافي است .براي چدن هاي حاوي عناصر آلياژي به دليل كاهش نفوذ كربن در آستنيت زمان بيشتري نياز است به عنوان مثال قلع و آنتيموان براي گرافيت هاي كروي ، به طور موثري از حل شدن كربن در زمينه ي حاوي گرافيت كروي جلوگيري مي كنند .

گاهي اوقات بعد از نرماله كردن ، قطعات را به منظور دست يافتن به سختي مورد نظر و حذف تنش هاي باقي مانده در اثر تفاوت سرعت سرد كردن در قسمتهاي مختلف قطعه به دليل اختلاف اندازه ي مقطع، قطعه ي ريختگي را تمپرمي كنند.
تمپر كردن قطعات بعد از نرماله كردن براي دستيابي به چقرمگي بالا و مقاومت به ضربه مي باشد. تاثير تمپر كردن در سختي و استحكام كششي به تركيب شيميايي چدن و ميزان سختي بدست آمده از نرماله كردن بستگي دارد.
تمپر كردن شامل حرارت دادن مجدد تا دماي425C-650C و نگهداري در اين دما به مدت1h براي هر اينچ ضخامت از مقطع مي باشد . اين دما براي دستيابي به مشخصات گوناگون در مدت بالاي رنج معمول، متفاوت مي باشد.
كونچ و تمپر كردن چدن داكتيل
قطعا ت تجاري قبل از كونچ و تمپركردن معمولاً در دمايي بين845C-925C آستنيته مي شوند.براي به حداقل رساندن تنش و جلوگيري از ترك خوردن قطعه براي كونچ متوسط روغن ترجيحاً از روغن استفاده ميشود ولي براي قطعات با اشكال ساده از آب يا آب نمك استفاده مي شود و قطعا ت پيچيده را به منظور جلوگيري از ترك خوردن در حين كونچ، در روغن پيش گرم شده تا دماي 80C-100Cكونچ مي كنند .
تاثيركونچ كردن درآب مكعبي ازجنس چدن نشكن كه تا دماي آستنيته گرم شده بود بدست آمدن سختي بالايي(55-75HRC) بوده است. دماي آستنيته كردن دراين مكعب بين 845C-870C بوده است . در دمايي بالاتر از 870C مقدار زمينه ي حاوي كربن (آستنيت) بيشتري بدست خواهد آمد به همين دليل مقدار آستنيت بيشتري(پس از كونچ كردن) حفظ خواهد شد كه در نتيجه ي اين امر سختي كاهش پيدا مي كند .
قطعا ت بعد از كونچ شدن بايد تمپر شوند تا تنش حاصل از كونچ شدن آزاد گردد. سختي حاصله بعد از تمپر كردن به
عناصر آلياژي موجود ، دماي تمپر كردن و به همان اندازه زمان تمپر كردن بستگي دارد . تمپر كردن در دماي 450C - 600C باعث كاهش سختي مي شود كه ميزان آن به عناصر آلياژي موجود،سختي اوليه وزمان تمپر بستگي دارد . سختي ويكرز چدن نشكن كونچ شده به وسيله ي دما و زمان تمپر كردن تغيير مي كند .
تمپر كردن چدن نشكن از يك فرآيند دو مرحله اي تشكيل مي شود. مرحله ي اول همانند فرآيند فولادها رسوب دادن كاربيدها است . مرحله ي دوم (معمولاً به وسيله ي كاهش سختي در زمان طولاني تر مشخص مي شود) جوانه زني و رشد گرافيت ثانويه كه حاصل از مصرف شدن كاربيدها مي باشد. كاهش سختي به همراه تشكيل گرافيت ثانويه همانند كاهش استحكام كششي و به همان اندازه كاهش استحكام خستگي مي باشد. هر آلياژي با در صد مشخص (عناصر) داري درجه حرارت تمپر مفيد خواهد بود.
آستمپر كردن چدن نشكن
هنگامي كه استحكام مناسب به همراه انعطاف پذيري مورد نظر باشد، عمليات حرارتي كننده اجازه مي دهد ساختار آستمپر شده از آستنيت و فريت توليد گردد. زمينه ي آستمپر شده باعث بهبود قابل توجه استحكام كششي و انعطاف پذيري مي شود كه در هر نوع چدن داكتيل ممكن مي باشد. براي بدست آوردن آن خواص مطلوب نياز است كه به اندازه ي سطح مقطع ، زمان و درجه حرارت داده شده به قطعه در خلال آستنيته و آستمپركردن دقت و توجه كافي شود .
اندازه سطح مقطع و عناصر آلياژي
با افزايش سطح مقطع سرعت كاهش درجه حرارت بين دماي آستنيته و دماي آستمپر كردن تغيير مي كند . آستمپر كردن يا شامل كونچ كردن در روغن داغ 240C ، كونچ كردن به وسيله ي جريان نيتريت / نيترات،كونچ كردن توسط جريان هوا (فقط براي قطعات نازك يا قسمت هاي كوچك) و براي نوع ابزار كونچ كردن در حمام سرب.
به منظور جلوگيري از واكنش محصولات در درجه حرارت بالا (مثل پرليت در مقاطع ضخيم) بايد آنها را در حمام نمك كونچ كرد . سختي به وسيله ي كونچ كردن در آب يا افزودن عناصر آلياژي (مثل مس ، نيكل ، منگنز ، يا موليبدن ) كه باعث تسهيل سختي پذيري پرليت مي شوند . اين نكته مهم است مه بدانيم عناصر فوق باعث به وجود آمدن جدايش در هنگام انجماد مي شوند كه اين امر براي قابليت آستمپر شدن و در نتيجه ي آن براي خواص مكانيكي مضر خواهد بود. انعطاف پذيري و مقاومت به ضربه پارامترهايي هستند كه شديداً تحت تاثير قرار مي گيرند .
منگنز و موليبدن بيشترين تاثير را در سختي پذيري پرليت دارند اما به منظور افزايش آهن يا تعديل كاربيدها هميشه موجب سگرگاسيون و سرد شدن ناحيه ي بين سلولي در قطعه مي شوند . در صورتيكه مس و نيكلبه همان اندازه تاثيري در سختي
پذيري ندارند ولي باعث جدا شدن گرافيت كروي در زمينه ميشوند و از به وجود آمدن كاربيدهاي مضرجلوگيري مي كنند. تركيبي از اين عناصر به اندازه ي مساوي به دليل تاثير آنها در سختي پذيري به قطعه افزوده مي شود.
دما و زمان آستنيته كردن
معمولاً شكل شماتيك دياگرام نشان مي دهد كه با افزايش دماي استنيته كردن ، زمينه ي حاوي كربن (آستنيت) نيز افزايش مي يابد. زمينه ي فعلي حاوي كربن ، به شكل مخلوط شدن عناصر موجود در زمينه ، مقدار آنها و موقعيت آنها در زمينه بستگي دارد (سگرگاسيون) .
مهمترين عامل تعيين كننده در زمينه ي حاوي كربن در چدن داكتيل سيليسيم موجود در آن است ، با افزايش سيليسيم براي دماي آستنيته ي معيين مقدار كربن موجود در زمينه كاهش مي يابد. دماي آستنيته بين845C-925C معمولاً مناسب است و زمان آستنيته كردن براي كربن گيري مجدد تمام زمينه تقريباً 2 ساعت كافي مي باشد.
دماي استنيته كردن كاملاً تحت تاثير مقدار كربن موجود در زمينه مي باشد كه اثر مهم آن در سختي پذيري مي باشد. دماي آستنيته ي بالا و مقدار كربن بالا باعث افزايش سختي پذيري مي شود . كه باعث كاهش سرعت دگرگوني آستنيت همدما مي شود .
زمان و دماي آستپمر كردن
دماي آستمپر كردن اولين پارامتر تعيين كننده ي ميكروساختار نهايي در قطعه و در نتيجه ي آن سختي و استحكام محصول آستمر شده است . با افزايش دماي آستمپر كردن ، سختي و مقاومت به ضربه ي متفاوتي خواهيم داشت.
دستيابي به حداكثر انعطاف پذيري در دماي معيين آستمپر كردن ، تابع حساس زمان مي باشد . افزايش اوليه ي ازياد طول نسبي در مرحله ي (1) رخ مي دهد و پيشرفت ازياد طول نسبي در مرحله ي نهايي اتفاق مي افتد كه در آن نقطه ي شكست
آستنيت حداكثر مي باشد . آستمپر كردن مجدد فقط به منظور كاهش انعطاف پذيري در مرحله ي (2)واكنش كه در نتيجه ي تجزيه ي ساختار به تعادل بينيت مي باشد . زمان آستمپر كردن از 4-1 ساعت متفاوت مي باشد .