بهبود ويژگيهاي مكانيكي چدنهاي نشكن آستمپر جهت افزايش قابليت ماشينكاري و
استحكام خستگي
مهران تدين سعيدي*1، ناصر ورهرام2، جي.وي.اس.ناگسوارا راؤ3 و نيما باقرسايي4

چكيده
چدنهاي نشكن آستمپر به دليل ويژگيهاي مناسب مكانيكي مانند: استحكام بالا، داكتيليتي مناسب و مقاومت سايشي، داراي كاربردهايي وسيع در صنايع گوناگون از جمله خودروسازي، راه آهن و ديگر صنايع سنگين ميباشند، اما محدوديت بزرگ آنها سختي نسبتأ بالا و قابليت ماشينكاري كم و بالا رفتن هزينهي توليد آن از اين جهت ميباشد. “چدن نشكن آستمپر با قابليت ماشينكاري” يك ماده جديد مهندسي با ويژگيهاي بسيار مناسب است و در مقايسه با چدنهاي نشكن معمولي داراي استحكام بالاتر در سختي نسبتأ يكسان و نيز قابليت ماشينكاري و در مقايسه با چدنهاي نشكن آستمپر معمولي با استحكام خستگي بهتر ميباشد. در اين پژوهش امكان توليد “چدن نشكن آستمپر با قابليت ماشينكاري” با انتخاب تركيب شيميايي مناسب و سيكل عمليات حرارتي آستنيته در دماي 850 درجهي سانتيگراد به مدت 60 دقيقه، آستمپرينگ در دماي 390 درجهي سانتيگراد به مدت 60 دقيقه، ايجاد ساختار آسفرايتي با استحكام كششي 900 و استحكام تسليم 705 نيوتن بر ميليمتر مربع، ازدياد طول نسبي 15درصد، سختي 232 برينل، استحكام خستگي 370 نيوتن بر ميليمتر مربع و بهبود برآيند نيروي برشي و در نتيجه بهبود قابليت ماشينكاري به مقدار 20درصد امكانپذير شد.

واژههاي كليدي: چدن نشكن آستمپر، مقاومت خستگي، ماشينكاري.

دكتراي مهندسي مواد و متالورژي، استاديار، گروه مهندسي مواد، دانشگاه آزاد اسلامي واحد كرج.
دكتراي مهندسي مواد و متالورژي، استاد دانشكدهي مهندسي و علم مواد، دانشگاه صنعتي شريف.
دكتراي مهندسي مواد و متالورژي، دانشيار گروه مهندسي مواد و متالورژي، انستيتو ملي تكنولوژي، هندوستان.
۴- كارشناس ارشد مهندسي مواد، گروه مهندسي مواد، دانشگاه آزاد اسلامي واحد كرج.
mehrantadayonsaidi@yahoo.com :نويسندهي مسئول مقاله -*
پيشگفتار
“چدنهاي نشكن آستمپر با قابليت ماشينكاري” يا
MADI گروه جديدي از چدنهاي نشكن ميباشند كه با چدنهاي نشكن آستمپر معمولي تفاوت دارند و البته، همانند چدنهاي نشكن آستمپر معمولي داراي ويژگيهاي كششي بالاتري نسبت به چدنهاي نشكن معمولي ميباشند (شكل 1). توسعه و تجاري سازي چدنهاي نشكن آستمپر براي مهندسين طراح گروه جديدي از مواد با تركيب استثنايي ويژگيهاي مكانيكي مشابه با فولادهاي ريختگي و فورج شده و هزينههاي توليدي مشابه با چدنهاي نشكن معمولي را فراهم ساخته است. اگر چه چدنهاي نشكن آستمپر جايگزيني تثبيت شده در بسياري از كاربردها كه پيش از اين در انحصار قطعات فولادي، آهنگري، آلومينيومي و متالورژي پودر بوده، هستند، اما چدنهاي نشكن آستمپر براحتي چدنهاي داكتيل فريتي يا پرليتي ماشينكاري نميشوند. مهمترين محدوديت چدنهاي نشكن آستمپر سختي بالا و قابليت ماشينكاري كم آن ميباشد و توليد آنها در چهار مرحله:
ريخته گري، ماشينكاري عمدهي اوليه، عمليات حرارتي و ماشينكاري جزئي نهايي انجام ميشود و اين دو مرحلهاي بودن ماشينكاري ناشي از سختي بالاي قطعات پس از عمليات حرارتي آستمپرينگ ميباشد كه همين دو مرحلهاي شدن فرآيند ماشينكاري باعث افزايش هزينهي توليد چدن نشكن آستمپر ميشود[4-1]. چدنهاي جديد نشكن آستمپر كه قابليت ماشينكاري آنها بهبود يافته است، به نام “چدنهاي نشكن آستمپر با قابليت ماشينكاري” نامگذاري شدهاند و داراي تركيب شيميايي و سيكل عمليات حرارتي مخصوصي ميباشند و فرايند توليد آنها در سه مرحلهي ريخته گري، عمليات حرارتي و ماشينكاري انجام ميشود كه همين كاهش يك مرحلهاي و حذف يك سيكل ماشينكاري منجر به كاهش هزينهي توليد و افزايش بهره وري توليد ميشود. در اين پژوهش سعي بر توليد اين مادهي جديد همراه با كاهش هزينههاي توليد ميباشد به گونهاي كه عناصر آلياژي، دما و زمان در سيكل عمليات حرارتي آستنيته و آستمپر در كمترين حد ممكن باشند و از سوي ديگر، ويژگيهايمكانيكي مناسب شامل كاهش سختي، افزايش ازدياد طول نسبي، افزايش استحكام خستگي و قابليت ماشينكاري بهبود يابد. در اينجا مشخصههاي توليد “چدن نشكن آستمپر با قابليت ماشينكاري” شامل تركيب شيميايي و سيكل عمليات حرارتي ( دما و زمان آستنيته و آستمپرينگ) ميباشد و سپس به ويژگيهاي خستگي و قابليت ماشينكاري آنها پرداخته ميشود.

تركيب شيميايي
مبناي انتخاب بر اساس تركيب شيميايي چدنهاي نشكن آستمپر معمولي حاوي مقادير كم منگنز، مس، نيكل و موليبدن با ملاحظات صرفهي اقتصادي و نيز جلوگيري از مشكلات متالورژيكي و سختيپذيري مناسب در چدنهاي نشكن آستمپر انتخاب ميگردد و بايستي عناصر ياد شده در كمترين مقدار لازم در قطعه ريخته شده در نظر گرفته شوند و تنها در مواردي كه افزايش قابليت سختي پذيري مدنظر باشد، اضافه شوند؛ در غير اين صورت باعث كاهش ويژگيهاي مكانيكي و پيچيدگي عمليات و هزينههاي توليد ميشود. ويژگيهاي چدن نشكن آستمپر بر اساس تركيب شيميايي و عمليات حرارتي آنها، مشخص كنندهي ابعاد و توزيع و پايداري فازهاي موجود در ساختار نهايي ميباشند. كنترل تركيب شيميايي در چدنهاي نشكن آستمپر جهت حصول به ويژگيهاي مكانيكي مطلوب و ايجاد ساختار آسفرايتي كمك شاياني مي كند به گونهاي كه ساختار بايستي داراي كمترين مقدار آستنيت واكنش نيافته، كاربيدهاي يوتكتيكي و مارتنزيت باشد زيرا در حين انجماد كاربيدهاي يوتكتيكي در مناطق بين سلولي جدايش يافته و سپس در فرايند عمليات حرارتي، مناطق فقير از كربن و آستنيت واكنش نيافته ايجاد ميكنند و در پي آن فاز مارتنزيت تشكيل ميشود. پس انتخاب تركيب شيميايي مناسب و پس از آن سيكل عمليات حرارتي مناسب جهت حصول به ساختار آسفرايتي شامل شاخههاي منظم فريت در كنار آستنيت پر كربن بسيار موثر است. عنصر كربن در توليد چدنهاي نشكن آستمپر در محدودهي 7/3- 5/3 درصد انتخاب ميشود زيرا در اين حالت مناسبترين ويژگيهاي كششي را دارد. همچنين، هرچه ميزان كربن بالاتر و در محدودهي ياد شده باشد، زمان نگهداري نمونهها در دماي آستنيته جهت رسيدن به ساختار آستنيتي بمراتب كمتر است. عنصر سيليسيم مهمترين عنصر در چدنهاي نشكن آستمپر است و باعث بهبود تشكيل گرافيت، كاهش انحلال كربن در آستنيت، افزايش دماي يوتكتوئيد و جلوگيري از تشكيل كاربيدها ميگردد و مقدار آن بايستي در محدودهي 8/2- 4/2 درصد كنترل شود. عنصر منگنز نقش كاربيدزايي، ايجاد جدايش و افزايش سختي پذيري در چدنهاي نشكن آستمپر دارد واندازهي آن در حد 3/0 درصد نگاه داشته ميشود. عنصر موليبدن نقش عمده در بهبود قابليت سختي پذيري در مقاطع ضخيم دارد و به دليل تمايل به ايجاد جدايش و تشكيل كاربيدهاي يوتكتيكي موجب كاهش قابليت انعطاف پذيري و ماشينكاري ميشود و در حد 25/0 درصد مناسب است. عنصر نيكل باعث افزايش قابليت سختي پذيري ميشود و افزودن بيشتر موجب جدايش و ايجاد كاربيدها ميگردد و مقدار آن تا 1درصد مناسب است[8- 5].

عمليات حرارتي
“چدن نشكن آستمپر با قابليت ماشينكاري” به وسيلهي يك سيكل عمليات حرارتي ايزوترمال به نام آستمپر توليد ميشود كه شامل مراحل زير است:
سيكل آستنيته كردن: يكي از مهمترين عاملها در توليد “چدن هاي نشكن آستمپر با قابليت ماشينكاري” دما و زمان آستنيته كردن است. دماي آستنيته مقدار كربن در آستنيت را كنترل ميكند كه به ترتيب بر ساختار و ويژگيهاي قطعهي آستمپر تأثير ميگذارد. دماي آستنيتهي بالا، باعث افزايش مقدار كربن آستنيت و همچنين، افزايش سختي پذيري آن ميشود، اما استحاله در حين آستمپرينگ را دشوارتر ميكند و ويژگي هاي مكانيكي پس از آستمپرينگ را كاهش ميدهد (آستنيت با كربن بيشتر به زمان بيشتري جهت استحاله به آسفرايت نياز دارد). زمان آستنيته بايستي كمترين حد لازم جهت حرارت يكسان كل قطعه به دماي آستنيته و اشباع استنيت با مقدار تعادلي كربن باشد (معمولاً حدود 1/1 تا 3/1 درصد باشد)، همچنين، افزون بر شكل وضخامت قطعه، زمان آستنيته تحت تأثير تركيب شيميايي، دماي آستنيته و ندول كانت ميباشد. از آنجا كه استحالهي آستمپر تحولي نفوذي است و به دليل حلاليت پايين كربن در فريت همراه با جوانه زني و رشد فريت، كربن به داخل آستنيت پس زده ميشود و هرچه غلظت كربن در آستنيت اوليه كمتر باشد، اختلاف پتانسيل شيميايي جهت نفوذ كربن از فريت به آستنيت بيشتر ميشود و مقدار كربن آستنيت باقيمانده با سرعت بيشتري افزايش مييابد و منجر به كاهش مدت مرحلهي نخست پنجرهي عمليات درآستمپرينگ ميگردد. پس هرچه بتوان با كاهش غلظت كربن باعث وسعت پنجرهي عمليات در سيكل عمليات حرارتي و تأخير در ورود به مرحلهي دوم پنجرهي عمليات و جلوگيري از ايجاد كاربيدهاي بينيتي و اپسيلون شد، به تشكيل ساختار يكنواخت آسفرايتي در چدنهاي نشكن آستمپري با قابليت ماشينكاري كمك شاياني ميشود و بمنظور اينكه ميزان كربن حل شده در آستنيت اوليه در حين عمليات حرارتي كمينه باشد، بايستي دماي آستنيته كردن و همچنين مدت آن تا حد مناسبي كاهش يابد[10و9].
سيكل آستمپرينگ : دماي آستمپرينگ يكـي از عوامـلاصلي تعيين كننده در ويژگيهاي مكانيكي چـدن نـشكنآستمپر ميباشد. از آنجا كه تشكيل ساختار آسفرايت كـهرشد شاخه هاي فريت به درون فاز آسـتنيت اسـت ، نـوعي تحول نفوذي است و وابسته به درجهي حرارت مـي باشـد، لذا، با افزايش درجهي حرارت ميتوان به افـزايش ضـريبنفوذ كربن تا حدي كمك كرد. بمنظور توليد چدن نـشكنآستمپر با استحكام مناسب و سختي پايين، امـا بـا ازديـادطول بـالا و چقرمگـي شكـست بـالا ( مشخـصهي قابليـتماشينكاري خ وب) بايستي دماي آستمپرينگ بين 350 تا400 درجهي سانتيگراد انتخاب شود تا باعث ايجاد ساختار آسفرايتي همراه با مقادير بالاي آستنيت كربن پايـدار(20 تا 40 درصد) شود، پس از انتخاب دماي آستمپرينگ زمانآستمپرينگ بايد انتخاب شـود تـا ويژگـي هـاي بهينـه بـاتشكيل ساختار پايدار آسفرايت بدست آيد، در زمـانهـايكوتاه آستمپرينگ نفوذ كربن به آستنيت جهـت پايـداريآن كافي نميباشد و احتمال دارد در حين سـرد شـدن تـادماي اتاق فاز مارتنزيت تشكيل شود. ريز سـاختار بدسـتآمـده سـختي بـالاتري خواهـد داشـت، امـا داكتيليتـي وچقرمگي شكـست پـايينتـري خواهـد داشـت ( بـويژه دردماهاي پايين )، هر چه زمان استمپرينگ بـيشتـر باشـد، باعث تجزيه ي بيش تري از آسـفرايت بـه فريـت و كاربيـد(بينيت) ميشـود كـه منجـر بـه اسـتحكام، داكتيليتـي وچقرمگي شكست پايينتر مي شود [13-11].

ويژگيهاي خستگي
چدنهاي نشكن آستمپر ماشينكاري شـده داراي حـدخستگي بالاتري نسبت به چدنهاي نشكن ريختگـي و بـاعمليات حرارتي معمولي و نيز فولاد هاي ريختگي و سخت شده مي باشد. در كاربردهايي نظير ميل لنگ و چرخ دندهويژگ يه اي خ ستگي مه م مـيباش د، روي هـم رفت ه، چدنهـاي نـشكن آسـتمپر بـا زمينـهي آسـفرايت شـامل فريتهاي س وزني و آستنيت پركـربن اسـتحكام خـستگيبــالاتري از چــدن هــاي نــشكن آســتمپر بــا زمينــهي فريتي- پرليتي نشان ميدهند و حضور ناخالصيها و عـدمكروي بودن گرافيتها عواملي هـستند كـه باعـث كـاهشاستحكام خستگي ميگردد. پژوهشها نشان ميدهـد كـهاستحكام خستگي در يـك زمينـهي آ سـفريتي (فريـت بـاآستنيت پر كربن) در يك چدن نشكن آستمپر آليـاژي بـامقاطع ضـخيم، 60-45 درصـد بـالاتر از سـاختار پرليتـياست. حد خستگي چدنهاي نشكن آستمپر داراي نـسبتمستقيم با استحكام كشـشي يـا سـختي نمـيباشـد و بـهچقرمگي و ميزان آستنيت باقيمانده ارتبـاط دارد و هرچـهاين دو بيش تر باشد ، حد خستگي بالاتر است. باور بـر ايـناست كه در حين تغيير شكل، آستنيت باقيمانده در جلوينوك ترك خستگي تبديل به مارتنزيت شده و رشد تـركرا به تاخير بياندازد [15-13].

قابليت ماشينكاري
قابليت ماشين كاري چدن ها به عوامل گونـاگون ي ماننـدويژگــيهــاي مكــانيكي، ســاختار ميكروســكپي، شــرايطماشينكـاري و شـرايط سـطحي قطعـه دارد. اسـتحكام وسختي نسبتأ بـالاي چـدنهـاي نـشكن آسـتمپر شـرايطماشـينك اري را مـشكل مـيكن د ك ه عمـدتا بـه ت اثير ريزساختار مربوط است چراكه آستنيت واكنش نيافتـه بـهدليل تنش اعمال شده در حين ماشينكاري به مارتنزيـتاستحاله مييابـد و قابليـت ماشـينكـاري چـدن نـشكنآســتمپر را كــاهش مــي دهــد. روي هــم رفتــه، قابليــت ماشينكاري مواد را ميتوان بر اساس يكـي از عامـل هـاي : طول عمـر ابـزار بـرش، نـرخ سـايش ابـزار برشـي، مقـدار نيروهـاي برشـي، كيفيـت سـطحي و شـكل بـراده مـورد ارزشـيابي و سـنجش قـرار داد. كيفيـت سـطحي و شـكل برادهها معمولا تغيير قابل تـوجهي در چـدنهـاي نـشكنندارند و براحتي خرد ميشوند. كيفيت سطحي نيز بيشتر متأثر از ندول گرافيتها مي باشد؛ لذا ، بهترين روش انـدازهگيري و محاسبه ي دقيق قابليت ماشـين كـاري بـر مبنـايان دازهگي ري نيروه اي برش ي در س ه جه ت مخت صات ميباشد. در شكل 2 قابليت نسبي ماشـينكـاري برخـي از مواد فولادي و چدني مقايسه شده است[17،16،12،10].

مواد و روشها
تركيب شيميايي : قالبهايY بلوك بر اساس اسـتانداردASTM A536-84 تهيه و فلـز مـذاب پـس از تنظـيمشارژ به داخل قالبهـاي ماسـه اي دي اكـسيد كـربن بـاچسب سيليكات سديم بارريزي شد و عمليات كروي كردن گرافيت ها بـه روش فروبـري و جوانـه زنـي بـه وسـيلهي فروسيليسيم انجام گرديد. سپس قالبها تا دمـاي محـيطخنك شدند. انتخاب تركيب شيميايي بـا در نظـر گـرفتنص رفهي اقت صادي و ت اثير عناص ر ب ر س ختي پ ذيري چدنهاي نشكن آستمپر و نيز بر اساس دادههاي مراجع وتجارب پيـشين مـؤلفين انتخـاب گرديـد. نمونـههـايي بـادرصدهاي متفاوت سيليسيم از 3/3-2/2درصـد ، منگنـز از13/0- 5/0درصد، نيكل از 3/1- 87/0درصـد ، موليبـدن از
35/0- 2/0درصد و مس از 7/0-5/0درصد تهيه گرديدند و پس از بررسـيهـاي سـاختاري و ويژگـي هـاي مكـانيكي،تركيب مناسب و مد نظر بـر اسـاس جـدول 1 و بـا نـدولكانت 160 انتخاب شد.
عمليات حرارتي : سيكل عمليـات حرارتـي در دو بخـشآستنيته و آستمپر در دمـا و زمـانهـاي متفـاوت صـورتپذيرفت به گونهاي كه آستنيته كردن نمونهها در حمـامنمك مذاب در دماهاي بالاتر از خط يوتكتوئيد در دماهايآستنيته 750-800- 850- 900 درجه ي سـانتيگراد و درزمانهاي 60-120-180 دقيقـه آسـتنيته شـدند و بـرايآستمپرينگ نيز متناسـب بـا آن در دماهـاي 350 و 400 درجهي سانتيگراد و در زمانهـاي 60-120-180 دقيقـهانجام گرديد و سپس تا دماي محيط سـرد شـدند . پـس ازبررسيهاي ساختاري و با كمك آناليز تصويري و عمليـاتاچ رنگــي حرارتــي جهــت تعيــين فازهــا و نيــز بررســي ويژگيهاي مكانيكي، در نهايـت ، سـيكل بهينـه در دمـايآستنيتهي 850 درجه ي سانتيگراد به مـدت 60 دقيقـه ودماي آستمپرينگ 390 درجه ي سـانتيگراد بـه مـدت 60 دقيقه انتخاب گرديد.
ويژگيهاي مكانيكي : استحكام كششي، استحكام تسليمو درصد ازدياد طول نسبي به وسـيله دسـتگاه كـشش 30 كيل و ني وتن (اين سترون) انج ام و ب ر اس اس اس تاندارد ASTM A370 اندازه گيري شد. آزمـايش خـستگي بـراساس استاندارد ASTM E 468 و با دستگاه دورانـي – خمشي و تعداد سيكل 2800 دور در دقيقه انجام گرديد وبالاترين تنشي كه نمونه 107 سـيكل را تحمـل كنـد، بـه عنـوان اس تحكام خ ستگي در نظ ر گرفتـه شـد . آزم ون خستگي در مورد نمونه ي “چدن نشكن آستمپر با قابليـتماشينكاري” و نمونهي چدن نـشكن آسـتمپر اسـتانداردآمريكا گريد يك متـداول در كاربردهـاي صـنعتي صـورتپذيرفت تا اندازهي بهبود آن مشخص گردد.
آزمون ماشين كـاري : فرزكـاري و دريـلكـاري دو روشمتداول جهت بررسي قابليت ماشينكاري مواد مـيباشـندكه در اين پژوهش روش فرزكاري بكار برده شد. در مـورد تعدادي از نمونههاي چدن نشكن معمـولي، چـدن نـشكن آستمپر معمولي استاندارد آمريكـايي گريـد يـك و چـدننشكن آستمپر با قابليـت ماشـينكـاري آزمـون فرزكـاريانـدازه گيـري شـد و مقايـسه انجـام گرفـت. آزمـونهـاي ماشينكاري در مورد نمونه هاي تخت به ابعاد 50×50×15 ميليمتر مكعب انجام شد و ارزيابي آنها بر اسـاس مقـدار نيروهاي بر شي در سه جهت محوري مختصات با اسـتفادهاز دستگاه دينامومتر اندازه گيري و ثبت گرديد. نيروهـايبرشي در سه جهت با سيگنالهاي پيزوالكتريك و نرم افزار مربوطه جهت نمايش و ثبت به اين دستگاه منتقـل مـي-شوند. نيروي برآيند ناشي از اين سه مؤلفه نيـز بـا فرمـول محاسبهي برآ يند بدسـت مـيآيـد . عمليـات فرزكـاري درشرايط گوناگون عمق برش، نرخ براده برداري و سرعت فرزانجام گرفت كه نتايج بهترين شرايط در حالت عمق بـرش3 ميليمتر، نـرخ بـراده بـرداري 50 ميليمتـر بـر دقيقـه وسرعت فرز 360 دور در دقيقه بدست آمد.

نتايج و بحث
استحكام كششي، استحكام تسليم و درصد ازدياد طولنسبي بر حسب دماهـاي متفـاوت آسـتنيته و آسـتمپر درشكلهاي 3، 4 و 5 نمايش داده شده است. همان گونه كهملاحظه مي شود، اسـتحكام كشـشي و تـسليم بـا افـزايشدماي آستنيته افزايش مي يابند و در ارتباط بـا تغييـراتازدياد طول نسبي، با افزايش دماي آستنيته تا حدود 850 درجهي سانتيگراد ، ازدياد طول افزايش مـييابـد كـه ايـنمورد در نمونـهي آسـتمپر شـده در دمـاي 390 درجـهي سانتيگراد از مقادير بالاتري برخوردار است.
تأثير دماي آستنيته بر سختي در شكل 6 نمايش دادهشده است، همان گونه كه ملاحظـه مـي شـود، بـا افـزايشدماي آستنيته تا 850 درجه ي سانتيگراد سـختي كـاهشمييابد و پس از آن افزايش نسبي مشاهده مـيشـود و درحالتي كـه كـمتـرين مقـدار را داراسـت ، ماشـينكـاري راسهولت ميبخشد.
تأثير دماي آستنيته بر مقـادير آسـتنيت باقيمانـده درشكل 7 نشان داده شده است. با انجـام عمليـات اچ رنگـيحرارتي و استفاده از آناليز تصويري بررسي و مشاهده شـد كه كمترين مقادير آستنيت باقيمانده در دماي آستنيتهي 850 درجــهي ســانتيگراد و آســتمپرينگ 390 درجــهي سانتيگراد وجود دارد كه هرچه آستنيت باقيمانـده كـمتـرباشد، به دليل احتمال كمتر تبديل به مارتنزيـت در حـين ماشينكاري بهتر ميباشد. ساختار نمونهي آستنيته شـدهدر دماي 850 درجه ي سانتيگراد و آستمپر شده در دماي390 درجهي سانتيگراد در شكل 8 نمايش داده شده است كه در اين حالت كمترين مقادير آستنيت باقيمانده نـسبت به ساير موارد مشاهده شد كه مطلوب هدف ما ميباشد.
مقايسه ي نتايج بدست آمده از آزمون خستگي در مورد نمونههاي چدن نشكن با قابليت ماشينكاري ناشي از ايـنپژوهش با چدنهاي نـشكن آسـتمپر معمـولي اسـتانداردASTM گريد يك كه درشكل 9 نمايش داده شده است، بيانگر بهبود و افزايش استحكام خستگي ميباشد. در ايـنپژوهش سـاختار آليـاژ چـدن نـشكن آسـتمپر بـا قابليـتماشينكاري حاوي مقادير بالاي آسفرايت با بالاترين حجمآستنيت واكنش يافته و پايدار است كه ازدياد طول نـسبيو استحكام خستگي را در مقايسه با چدن نـشكن آسـتمپرمعمولي افـزايش مـيدهـد . افـزايش 20 درصـد اسـتحكامخستگي “چدنهاي نشكن آستمپر با قابليت ماشينكاري” با 370 نيوتن بر ميليمتر مربـع نـسبت بـه چـدن نـشكنآستمپر معمولي با 309 نيوتن بـر ميليمتـر مربـع كـاربرد آنها را در مواردي كه استحكام بيشتر خستگي و قابليـتماشينكاري بهتر مورد نياز است را امكانپذير ميسازد.
بر اساس نمودار وضعيت نيروهاي برشي در سه جهت محور مختصات در شكل- 10، مشاهده ميشود كه چدنهاي آستمپر معمولي نيروهاي برشي بالاتري از چدنهاي نشكن معمولي دارا هستند، اين قابليت پايين ماشينكاري چدنهاي نشكن آستمپر را ميتوان به سختي بالا و استحالهي آستنيت به مارتنزيت ناشي از تنش اعمالي در حين كاركرد تيغهي فرز دانست. از سوي ديگر، “چدن نشكن آستمپر با قابليت ماشينكاري” داراي نيروهاي برشي كمتري در مقايسه با چدن نشكن آستمپر معمولي هستند كه باعث افزايش قابليت ماشينكاري نسبت به چدنهاي آستمپر معمولي متداول در كاربردهاي صنعتي ميگردد، اين بهبود قابلبت ماشينكاري ناشي از سختي كمتر و مقادير ناچيز آستنيت باقيمانده در ساختار است كه تاثير قابل توجهي در تحول مارتنزيتي ناشي از تنش اعمالي دارد.

نتيجهگيري
در اين پژوهش بمنظور توليد “چدن نشكن آسـتمپر بـاقابليـت ماشـينكـاري”، پـس از تهيـهي نمونـههـايي بـا درصـدهاي متفـاوت عناصـر آليـاژي، انجـام سـيكلهـاي متفاوت عمليات حرارتي در دما و زمان هاي گوناگون، انجام آزمونهاي مكانيكي و با توجه بـه نتـايج بدسـت آمـده ، از آنجايي كه فراسنج هاي عمليات حرارتـي آسـتمپر شـاملدما و زمان تا حد زيادي ويژگيهـاي مـاده را تحـت تـاثير قرار مي دهند، در مرحلهي سـيكل آسـتنيته بهبـود نفـوذكربن از فريت در حـال رشـد بـه درون آسـتنيت و ايجـادشرايط بهينه جهت واكنش تبديل فريت بـه آسـتنيت پـركربن در مرحلهي آسـتمپر مـد نظـر مـيباشـد و بايـستيانرژي ترموديناميكي سامانه كاهش يابـد و هـمچنـين ، درمرحلهي سيكل آستمپرينگ چون جوانه زني و رشد فريتبا سرعت بالاي نفوذ كربن لازم است، بر اين اساس سـيكلعمليــات حرارتــي بــا دمــاي آســتنيتهي 850 درجــهي سانتيگراد به مدت 60 دقيقه و نيز سيكل آسـتمپرينگ دردماي 390 درجه ي سانتيگراد به مدت 60 دقيقه در مورد نمونهاي با تركيب شيميايي: كربن 58/3درصد، سيليـسيم80/2درصد، منگنـز 13/0درصـد ، موليبـدن 23/0درصـد ، نيكل 87/0درصد، مس 55/0درصـد ، منجـر بـه اسـتحكامنهايي 900 نيوتن / ميليمتر مربـع، اسـتحكام تـسليم 705 نيوتن/ ميليمتر مربـع، سـختي 232 برينـل، ازديـاد طـولنسبي 15درصد و استحكام خستگي 370 نيوتن / ميليمتـرمربع ميگردد كه مطلوب هدف اين پژوهش ميباشد.
“چ دن نــشكن آســتمپر ب ا قابليــت ماشــينكــاري” ياMADI با مشخصات يـاد شـده در مقايـسه بـا چـدننشكن آستمپر معمولي گريد يـك اسـتاندارد آمريكـايي ازيك سو استحكام آن تـا حـدودي حفـظ شـده و از سـوي ديگر، كاهش ميزان سختي( عموماً پذيرف ته شده است كهمواد با سختي بين 170 تا 250 برينل بـه انـدازهي كـافيقابليت ماشين كاري دار نـ د و پـر واضـح اسـت كـه هرچـهسختي ماده بالاتر باشد، سايش ابزار برش بـيشتـر اسـت . افزون بر اين، كار سختي ايجاد شده در حين ماشينكاري، به دليل تمايل آستنيت باقيمانده به استحاله به مارتنزيتماشينكاري را دشوارتر مـي كنـد [15و10و2]) و افـزايشازدياد طول نسبي آن موجـب افـزايش 20 درصـد قابليـتماش ينك اري و اف زايش 20 درص د اس تحكام خ ستگي مـيگـردد. بنـابراين، مـيتـوان ايـن مـادهي جديـد را بـا چـدنه اي نـشكن آسـتمپر معم ولي و متناسـب بـا آن، فولادهـاي فـورج كـه بـا محـدوديت ماشـينكاري مواجـه هستند، جايگزين كرد. افزون بر اين، مهم ترين مزيت اصلي اين خانواده از چدنهاي نشكن آستمپر افزايش راندمان ازنقطه نظر كاهش زمان و افزايش سرعت توليد (حذف يـكمرحله عمليات ماشـينكـاري پـيش از عمليـات حرارتـي،كاهش عناصر آلياژي، كاهش دما و زمان سـيكل عمليـاتحرارتي) نسبت بـه چـدنهـاي نـشكن آسـتمپر معمـولي
Irons having Different Austempering Temperatures and Times”, Materials and Design, 29 (2008) 937–942
J. Aranzabal., I. Gutierrez., and J. Urcola.,
“Influence of Heat Treatment on
Microstructure of Austempered Ductile Iron”, Mater. Sci. Technol., 1994, 10:728-737
K. Brandenberg., “Machining Austempered Ductile Iron”, Application Engineer, Applied Process Inc. Technologies Div. Livonia, MI, SME Report, 5/2002
S. Yoshino., “Mechanical Properties of Fatigue of Austempered Ductile Iron”, in 2nd International Conference on ADI, ASME-Gear Research Insitute, 1986, pp. 337-348
J.F Janowak., Alagarsamy A, and Venugopalan D., “Fatigue Strength of Commercial Ductile Irons”. AFS Trans., 1990; 123:511–518.
J. Zapletal., S. Vechet., J. Kohout., and K. Orbtlik.,”Fatigue Life Time of Austempered Ductile Iron from ultimate Tensile Strength to Permanent fatigue limit”,J.Strength of Materials, Vol.40,No.1, 2008,pp.32-35. 16- U. Seker., and H. Hasirci., Evaluation of machinability of austrempered ductile irons in terms of cutting forces and surface quality, journal of Materials Processing Technology 173, pp 260-268, 2006
O. J. Moncoda., R. H. Spicacci., and J. A. Sikora., “Machinability of Austempere Ductile Iron”, AFS Trans., 1998, 106:39-44
O. Yanagisawa., and N. Varahraam., “Properties of Austempered Ductile Iron in Equipment Designed for Consecutive instream Treatment Gravity-Die Casting, and Direct Austempering”, Cast تدين سعيدي، م.، و ثابت، ح. مباني چدن نشكن، انتشارات -19 .1386 دانشگاه آزاد اسلامي واحد كرج، سال
پيوستها ميباشد. منابع
John R. Keough., “ADI Developments in North America”, World Conference on ADI, USA, Sep. 2002.
J. R. Keough., “Austempered Ductile Iron”, Section VI, Sorel Metal, Ductile Iron Data for Design Engineers, Aug.1998
Alan P. Druschitz., and David C. Fitzgerald., Introduction a new Machinable Austempered Ductile Iron, 2003 SAE World Cngress, Detroit, Michigan, March 3-6, 2003 4- F. Zanardi., Fatigue properties and machinability of ADI, Italy, Fonderia, 10, pp.27-32, 2005.
B. Kovacs., Heat treating of austempered ductile iron, AFS Trans.91-75, pp.281-286, 1991
S.E. Stenford., J. Storesun., and R. Sandstorm., “Influence of Heat Treatment and Composition on the Mechanical Properties and Machinability of Austempered Ductile Iron”, ASME, 1986, pp. 227-236
T. Shiokawa., “The Influence of Alloying Elements and Heat Treatment Condition on the Microstructure and Mechanical Properties of Austempered Ductile Iron”, in Proc. of 3rd
International Conference on ADI. Chicago, 1991. pp.375-387
B. Y. Lin., E. T. Chen., and T. S. Lei., “The Effect of Alloy Elements on the Microstructure and Properties of Austempered Ductile Irons”, Scripta Metall. Mater., 1995, 32: 1363-1367 9- M. C. Cakir., A. Bayram., Y. Isik., and B. Salar., “The Effects of Austempering Temperature and Time onto the Machinability of Austempered Ductile Iron”, Mater. Sci. Eng. A, 2005, 407:147-153
10- M.C. Cakir., and Y. Isik., “Investigating the Machinability of Austempered Ductile
جدول 1- تركيب شيميايي آلياژ.
C درصد Si درصد Mn درصد Ni درصد Cu درصد Mo درصد
3/58 2/80 0/13 0/87 0/55 0/23

كاري” با ساير مواد.شكل 1- مقايسهي ويژگيهاي مكانيكي “چدن نشكن آستمپر با قابليت ماشين

شكل 2- مقايسهي قابليت نسبي ماشينكاري مواد گوناگون.

800
820
840
860
880
900
920
940
960
850
700
750
800
900
950

سانتيگراد

درجه

آس تنيته

دم اي
(

مربع

متر

ميلي
/

نيوتن
)

آششي

استحكام
390
آستمپر

دماي

350
آستمپر

دماي

800



قیمت: تومان


پاسخ دهید