بررسي پايداري حرارتي آستنيت باقي مانده درچدنهاي نشكن

گروه مهندسى متالورژى و مواد – دانشکده فنى دانشگاه تهران

بررسي پايداري حرارتي آستنيت باقي مانده درچدنهاي نشكن


آستمپرغيرآلياژي دردماهاي پايين

دانشگاه صنعتي شريف

چكيده:

درمقايسه باقطعات ADI بهبود قابليت ريختگي،خواص متالورژيكي ،كاهش وزن قطعات وكاهش ميزان انرژي مصرفي درتوليد
شده است. ADI فولاد فورج شده ازجمله عواملي هستند كه سبب افزايش تمايل صنعت درجهت جايگزيني قطعات فولادي با
غيرآلياژي فاقد عناصر پايدار ADI چدنهاي نشكن آستمپر غالبًا به دوص ورت آلياژي وغير آلياژي توليد مي شوند.چدنهاي
كننده آستنيت بوده ودرساخت قطعات صنعتي بامقاطع نازك وهمچنين چرخ دنده هاي خودرو مورد استفاده قرارمي
غير آلياژي درگروه پايداري حرارتي آستنيت باقي مانده مي باشد،لذا بررسي ADI گيرند .ازآنجا كه خواص مطلوب چدنهاي
پايداري اين فاز در دماهاي پايين وامكان انجام استحاله آستنيت باقي مانده به مارتنزيت حائز اهميت مي باشدودرزمينه امكان
غير آلياژي بافولادهاي فورج شده ويا ريختگي نقش اساسي وتعيين كننده اي رادارد. ADI جايگزيني قطعات
دراين مقاله تاثير س يكل عمليات حرارتي وعدم حظورعناصر آلياژي برپايداري حرارتي آستنيت باقيمانده درچدنهاي نشكن
آستمپر غيرآلياژي دردماهاي پايين موردبررسي ومطالعه قرارگرفته است.

مقدمه:

زمينه بينيتي درچدنهاي نشكن بصورت ريختگي (با افزودن عناصر آلياژي )وياتوسط اعمال شرايط خاص عمليا ت
حرارتي ايجاد مي شود .اگر چه دست يابي به ساختار بينيتي توسط ريخته گري بدليل قابليت ماشينكاري ضعيف
وهزينه بالاي اضافه كردن عناصر آلياژي خيلي مطلوب نمي باشد،اما مسئله اصلي جهت انتخاب ساختار بينيتي ،سختي
داراي تافنس واستحكام بيشتري نسبت به چدنهاي نشكن ADI بالا به همراه تافنس مطلوب مي باشد .بعبارت ديگر
بازمينه بينيتي ريختگي مي باشدومقدار كم عناصر آلياژي سبب اقتصادي تر بودن توليد آنها شده است .اين نتايج
دركاربردهايي كه داراي حجم تنش وعمر خستگي بالايي هستند مي باشد .طبق ADI مطلوب سبب استفاده بيشتر
برپايه تركيب شيميايي،سيكل عمليات حرارتي،حضورعناصرآلياژي وابعاد قطعه ADI گزارشهاي ارائه شده خواص
[ ريختگي مي باشد. [ 1,2,3
تاكنون تحقيقات زيادي درزمينه خواص فيزيكي ،مكانيكي وهمچنين تاثير ابعاد درزمينه چدنهاي نشكن آستمپر غير
آلياژي انجام گرفته است .اما آنچه دراين مقاله به آن پردا خته شده، دستيابي به سيكل عمليات حرارتي مناسب جهت
دستيابي به استحكام كششي بالاتر درچدنهاي نشكن آستمپر غير آلياژي وهمچنين بررسي پايداري حرارتي آستنيت
باقي مانده دردماهاي زير صفر درشرايط عدم حضور عناصر پايدار كننده استنيت از قبيل نيكل وموليبدن
[ مي باشد . [ 4,5
٠/ ٠ تا ٥ / نيكل وموليبدن جزء عناصرپايداركننده آستنيت مي باشندوتركيب مناسب آنها ١ تا ٢ درصد نيكل به همراه ٢٥
درصد موليبدن گزارش شده است.
1.5-2% سبب تغيير درمورفولوژي بينيت وهمچنين Ni حضور نيكل تا ١ درصد اثر محسوسي رابر ساختار ندارد ،اما
حضور نيكل تا ٢ ADI افز ايش داكتيليته واستحكام ضربه دردماهاي آستمپرينگ پائينتر از ٣٥٠ مي شود . درچدنهاي
درصد سبب افزايش سختي پذيري مي شود.
مي باشد ودرمقاطع بزرگ سبب جلوگيري از تشكيل ADI موليبدن موثرترين عنصر افزايش دهنده سختي پذيري
پرليت درساختار م ي شود .اگر چه ب اافزايش درصد موليبدن استحكام كششي وداكتيليته كاهش مي يابد .طبق
٠ درصد / كه داراي ١ ADI گزارشهاي ارائه شده براي جلوگيري ازتشكيل مارتنزيت درمرز دانه ها درچدنهاي
موليبدن مي باشندمعمولا بيش از ١ درصد نيكل اضافه مي گردد.
مس اثر محسوسي بر خواص كششي ندارداما سبب افز ايش داكتيليته دردماهاي آستمپرينگ پائينتر از ٣٥٠ مي
[ مي شود. [ 6,7 ADI ٠ درصد سبب افزايش سختي پذيري در / شود.همچنين مس تا ٨
نتيجه يك فرايند عمليات حرارتي مي باشندلذا مراحل اصلي فرايند آستمپرينگ چدن ADI ازآانجا كه چدنهاي
[ مربوط به آن درشكل ١ آورده شده است. [ 8,9 CCT نشكن باتوجه به دياگرام
اين فرايند داراي چهار مرحله اصلي زير است:

١) آستنيته كردن:

دراين مرحله قطعات دردماي آستنيته مناسب براي مدت كافي نگهداشته مي شوند .پارامترهاي دما وزمان آستنيته
كردن به مواردي همچون اندازه دانه ويا تعداد كره هاي گرافيت ونوع وميزان عناص ر آلياژي بستگي دارد . بطور
٩٣٠ پيشنهاد شده است .پارامترزمان با توجه به دما ومشخصات متالورژيكي ( ºC معمول دماي آستنيته كردن ٨٧٠ الي
نوع وميزان عناصر آلياژي ،مقدار ندول كانت و …)تعيين مي شود .كمترين زمان آستنيته كردن ٣٠ دقيقه است
وباافزودن عناصر آلياژي همچون موليبدن ،مس ،نيكل و… به دوالي سه ساعت افزايش مي يابد.

٢ ) سرد كردن سريع .

دراين مرحله قطعات از دماي آستنيته كردن تا دماي مورد نظرجهت آستمپرينگ ،به سرعت سردمي شوند .سرعت
سرد كردن بايد بگونه اي باشدكه از تشكيل پرليت ويافريت درحين سرد كردن جلوگيري شود.

٣) نگهداري دردماي آستمپرينگ:

٤٥٠ ) به مدت كافي جهت كامل شدن استحاله بينيتي ºC دراين مرحله قطعات دردماي آستمپرينگ (بين ٢٣٥ تا
نگهداري مي شوند .زمان نگهداري دراين مرحله به دماي آستمپرينگ ونوع وميزان عناصري آلياژي بستگي
داردومعمو ً لا بين نيم الي پنج ساعت است .دماي آستمپرينگ يكي از پارامترهاي محدود كننده خواص مكانيكي مي
با استحكام وسختي كم اما الانگيشن بالاو همچنين دست يابي به زمينه آسفريتي به همراه كربن ADI باشد .براي توليد
ADI 350-400 )مي بايست لحاظ شود .از طرفي براي توليد ºC) 20 ) ،دماهاي بالاي آستمپرينگ - پايدار درآستنيت (% 40
350 مي بايست انتخاب ºc با ا ستحكام ومقاومت به سائيدگي بيشتر وتافنس شكست كم ،دماهاي آستمپرينگ زير
[ شود. [
10٤) سرد شدن درهوا تا دماي محيط.


دراين مرحله قطعات معمو ً لاپس از طي مراحل آستمپرينگ تا دماي محيط درهوا خنك مي شوند .دربعضي مواردكه
از حمام نمك براي آستمپرينگ استفاده شده باشد،استفاده از حمام آب گرم براي سرد كردن قطعات به جهت
شستشوي قطعات درحين سرد شدن مفيداست.
روش تحقيق:
استفاده گرديد.قالب گيري به ASTM A536- بلوك يك اينچ مطابق بااستاندارد 89 Y جهت انجام آزمايش ها از
انجام شد .درتهيه ذوب مورد نظر از آميژا ن فروسيلسيم ٧٥ درصد،فروسيلسيم منيزيم ٥درصدبا دانه بندي ٣ CO روش 2
الي ٦ ميليمتر به عنوان عامل كروي كننده ،مس خالص استفاده شد .مس به روش فروبري به همراه فروسيليس به مذاب
Y اضافه شده ونمونه ها مطابق با درصد ذكر شده درجدول ١ بدست آمدند .درتهيه نمونه هاي كشش ،نمونه هاي
بل وك پيش از اعمال سيكل عمليات حرارتي برش خورده واستوانه اي مشابه ابعاد نمونه آزمايش كشش استاندارد
بدست آمد. ASTM A357
سيكل عمليات حرارتي اعمالي برنمونه ها عبارتست از :عمليات آستنيته كردن دردماي ٩٠٠ به مدت يك ساعت
٦٠ و ٩٠ دقيقه نگهداري ، وهمچنين براي دست يابي به بهينه زمان آستمپرينگ ،نمونه ها دردماي ٣٧٥ به مدت ٣٠
شده وسپس درهوا سرد شدند.
بمنظور بررسي تاثير دماي پايين بر انجام استحاله آستنيت باقي مانده به مارتنزيت ،نمونه ها دردماهاي محيط (نمونه
١٠٠ - و ١٥٠ - درجه سانتيگرادنگهداري شده وسپس تست كش وآز مايشات متالوگرافي ،- هاي شاهد) ، ٥٠
دردوبزرگنمايي ١٠٠ و ١٠٠٠ برروي آنها انجام شد،كه بعموان نمونه مقطع نمونه هاي ٧،٨ و ٩ ونمونه نگه داشته شده در
١٥٠ - تست ميكروسختي گرفته شد. ºC ١٥٠ -ارائه شده است.همچنين از مقطع نمونه هاي قرارگرفته دردماي ºC دماي
ارائه نتايج.
خواص مكانيكي نمونه هاي آزمايش درجدول ٢ ارائه شده است .درمرحله نخست بمنظور بررسي سيكل عمليات
٦٠ و ٩٠ دقيقه نگهداري شده وسپس تا دماي محيط ، ٣٧٥ درسه زمان ٣٠ ºC حرارتي آستمپرينگ ،نمونه ها دردماي
٣٧٥ داراي ºC سرد شدند .نتايج بدست آمده حاكي ا زآن است كه نمونه هاي آستمپر شده به مدت ٩٠ دقيقه دردماي
١١٥٠ با درصد ازدياد طول نسبي ٨% مي باشندكه درمقايسه با نمونه هاي آستمپر شده به (Mpa) استحكام كششي
مدت ٣٠ و ٦٠ دقيقه از استحكام ودرصد ازدياد طول نسبي بهتري برخوردارهستند.
درادامه بمنظور بررسي اثر دماي پايين برپايداري آستنيت باقي مانده نمونه ها مطابق جدول ٢ كدگذاري شده
ودردماهاي ٥٠ - و ١٠٠ - درجه سانتيگراد نگهداري شدند .نتايج بدست آمده حاكي از آن است كه كه نگهداري
٥٠ -اثر خاصي رابر خواص مكانيكي نمونه ºC نمونه هاي آستمپر شده درزمانهاي ٣٠،٦٠ و ٩٠ دقيقه دردماهاي
ها(استحكام كششيودرصدازدياد طول نسبي)ندارد.(جدول ٢) طي بررسي هايمتالوگرافي انجام شده برروي نمونه هانيز
تغيراتي درريز ساختار نمونه هاايجاد نشده است.
١٠٠ - حاكي از آنست كه استحكام كششي نمونه ها افزايش يافته واز طرفي ºC بررسي نمونه هاي قرارگرفته در دماي
درصد ازدياد طول نسبي نمونه ها حدود ٧% كاهش يافت ه است.(جدول ٢) بررسي متالوگرافي مقطع نمونه ها نيز
نشاندهنده انجام جزئي استحاله آستنيت باقي مانده به مارتنزيت درساختار نمونه ها مي باشد.
بمنظور بررسي ساختار نمونه هاي شاهدونمونه هاي نگه داشته شده دردماهي ٥٠ -و ١٠٠ - از مقطع كليه نمونه ها
دردوبزرگنماي ي ١٠٠ و ١٠٠٠ عكسهاي متالوگرافي تهيه شد .-مقطع نمونه هاي ٧،٨ و ٩در شكلهاي ٢،٣ و ٤ ارائه شده
است
- درادامه از نمونه هاي كه بمدت ٩٠ دقيقه آستمپرشده بودندسه عدد نمونه متالوگرافي تهيه شده وتا دماي ١٥٠
نگهداري شدند وسپس بررسي هاي متالوگرافي دربزرگنمايي ١٠٠ و ١٠٠٠ برروي آنها ان جام گرفت و نتايج بدست
آمده درشكل ٤ ارائه شده است .نتايج حاكي از آن است كه فاز زمينه درمقايسه با نمونه هاي شاهد كام ً لا تغيير كرده
وبدين ترتيب احتمال انجام كامل استحاله آستنيت باقي به مارتنزيت قوت مي گيرد .درادامه از مقطع نمونه ها تست
ميكروسختي انجام شدكه مقاط عي راكه مارتنزيت تشخيص داده شده بود داراي سختي معادل ٤٥٠ ويكرز بودند،لذا
١٥٠ - ناپايدار بوده وبطور ºC مي توان نتيجه گرفت آستنيت باقي مانده درچدنهاي نشكن آستمپر غير آلياژي دردماي
كامل به مارتنزيت تبديل مي شود.

نتيجه گيري :

١- بررسي خواص مكانيكي نشاندهنده آنست كه نمونه هاي آستمپر شده به مدت ٩٠ دقيقه از استحكام كششي
بالاتري نسبت به نمونه هاي آستمپرشده به مدت ٣٠ و ٦٠ دقيقه برخوردارهستند.
٥٠ - اثر محسوسي رابرخواص مكانيكي (استحكام كششي ºC ٢- درحالت كلي نگهداري نمونه ها تا دماي
وازديادطول نسبي) نمونه ها ندارد.
١٠٠ - ،سبب افزايش جزئي استحكام كششي واز طرفي كاهش حدود ٧% ازدياد ºC ٣- نگهداري نمونه هاتا دماي
طول نسبي نمونه ها مي گردد.
١٥٠ - سبب تغير كلي ريز ساختار آستنيت باقي مانده به مارتنزيت شده كه سبب ºC ٤- نگهداري نمونه ها در دماي
افزايش ميكروسختي زمينه نيز شده است

مراجع.

1 . J.R.Keough, "Austempered ductile iron" ,ductile iron data for design
engineers,August 1998.
2. J.Panasiewiez & C.Grupte and J.Huth, Proceeding of the 1991 word conference
on austempered ductile iron, USA.
3. "Heat treatment of ductile iron, heat treating", vol.4, ASM HAND BOOK, ASM
international, 1991,p.682-692.
4. M.A.Yescas,"Model for the maximum fraction of retained austenite in
austempered ductile iron", material science and engineering, august 2001.
5. R.C.Thomson and D.C.Putman "Modeling microstructure evolution and
mechanical properties of austempered ductile iron",material science and
technology,Vol.16,December 2000.
6. D.Krishnaraj & S.Seshan,"structure and properties of ADI as affected by low
alloy additions", Indian institute of science,AFS Transaction,92-100,p.105-112.
6. 7. Y.Ishara, "Mechanical properties of ADI at elavated and low temperature "
,The Proceeding of Casting Reserch & Development center ,Hitachi Metals
LTD,japan, 1994,p.1.
8. Liu, "Process for austempering ductile iron", United states of
patent,appl.no:5753055, 1998.
٩. نيما باقرسايي،مهران تدين سعيدي،ناصر ورهرام، " بررسي پايداري حرارتي آستنيت باقي مانده درچدنهاي نشكن
. آستمپر آلياژي دردماهاي پايين "،چهاردهمين سمينار سالانه جامعه ريخته گران ايران،دانشگاه صنعتي شريف، ١٣٨١
10. D.Krishnary, "influence of austempering variable on the structure and properties
of unalloy ADI" Indian institute of science,AFS Transaction,95-119,p.767-775.
11. "Ductile iron production practices",stephen istvan karsay,American foundry
society,1985.
جدول ١.تركيب شيميايي نمونه هاي موردآزمايش.
% Fe %Sn %Cu %Mo %Ni % Cr % Mn % S % P %Si % C آناليز
0.02 بقيه 0.76 0.0006 0.018 0.014 0.24 0.005 0.24 نمونه 2.2 3.6
جدول ٢. خواص مكانيكي نمونه هاي مورد آزمايش.
Elongation
(%)
Ultimate tensile
strength (Mpa)
Yield strength
(Mpa) شرايط عمليات حرارتي كد نمونه
7 666 453 ------ As cast 1
11 آستمپرينگ به مدت 1012 769 30
دقيقه 2 شاهد
10.5 1035 824 آستمپرينگ به مدت 30
دقيقه
نگهداري دردماي
ºc٥٠- 3
8 1080 860 آستمپرينگ به مدت 30
دقيقه
نگهداري دردماي
-100ºc 4
12 997 آستمپرينگ به مدت 824 60
شاهد دقيقه 5
11 945 آستمپرينگ به مدت 747 60
دقيقه
نگهداري دردماي
-50 ºc 6
8 1033 آستمپرينگ به مدت 883 60
دقيقه
نگهداري دردماي
-100ºc 7
8 1184 آستمپرينگ به مدت 1058 90
دقيقه 8 شاهد
8 1159 آستمپرينگ به مدت 832 90
دقيقه
نگهداري دردماي
-50 ºc 9
5.5 1111 981 آستمپرينگ به مدت ٩٠
دقيقه
نگهداري دردماي
-100ºc 10
شكل ١.سيكل عمليات حرارتي آستمپرينگ درچدنهاي نشكن.
20 μm
200 μm
الف)بزرگنمايي ١٠
. . ب)بزرگنمايي ١٠٠٠
.-٥٠ ºC شكل ٢.مقطع نمونه هاي قرارگرفته در دماي
200 μm
. الف)بزرگنمايي ١٠٠
20 μm
. ب)بزرگنمايي ١٠٠٠
.-١٠٠ ºC شكل ٣.مقطع نمونه هاي قرارگرفته در دماي
. . ب)بزرگنمايي ١٠٠٠
.-١٥٠ ºC شكل ٤.مقطع نمونه هاي قرارگرفته در دماي
200 μm
الف)بزرگنمايي ١٠٠
20 μm