مروری بر اهمیت و خواص چدنهای با گرافبت های فشرده - √دنیـــــــای متـــــــــــالورژی فقـــــــط از ایـــــــنجا
به "با سابقه ترين و محبوب ترين وبلاگ متالورژي در ايران" خوش آمديد

مروری بر اهمیت و خواص چدنهای با گرافبت های فشرده

نویسنده: فاطمه رضانژاد  و  سمیه کاویان

دانشجویان دانشگاه شهبد رجایی

"معرفي اوليه" :

 چدن با گرافيت فشرده و یا ""Compacted Graphite Cast Iron محدوده اي از چدنها هستند كه از نظر خواص فيزيكي و مكانيكي بين چدنهاي خاكستري و داكتيل قرار دارند و به دليل دارا بودن تركيبي از استحكام، هدايت حرارتي بالا و قابليت ريخته گري مناسب مورد توجه ريخته گران قرار گرفته است. كارآيي CGI در اكثر موارد كاربردي مورد تاييد قرار گرفته است، اما توليد انبوه اين نوع چدن به علت تغييرات وسيع ريز ساختار و به خاطر به كار بردن تيتانيم براي تثبيت ساختار گرافيت فشرده، محدود شده بود.[1]

" منظور از چدن با گرافيت فشرده اين است كه چدن عاري از گرافيت ورقه اي و داراي 20% گرافيت كروي و 80% گرافيت فشرده باشد".[2]

در حقيقت پيدايش چدنهاي با گرافيت فشرده شايد به طور اتفاقي در جهت ايجاد گرافيتهاي كروي حاصل شده باشد.

در واقع  هنگام توليد چدنهاي نشكن در مواردي كه مقدار منيزيم كم بوده اين ساختار گرافيت پديد آمده و محققين با اين ساختار گرافيت مواجه شدند و كم كم به فكر بازرسي بيشتر اين ساختار و يافتن خواص آن افتادند.

توليد صنعتي اين چدنها براي مصارف صنعتي در سال 1965 و توسط R.D.Schelleng پتنت شد.

ولي قابل توجه اينكه امروزه طراحان موتور با افزايش ميزان فشار اشتعال در داخل موتور موفق به بهبود كاركرد موتور، كاهش ميزان مصرف سوخت و آلاينده ها شده اند. به همين خاطر در ساخت موتورها بايستي از مواد با استحكام بالا استفاده شود كه چدن خاكستري جوابگوي اين مسيله نيست.

چدن داكتيل نيز به خاطر هدايت حرارتي پايين آن مورد توجه قرار نگرفته است. چدن با گرافيت فشرده تنها نوع چدن است كه هم خاصيت استحكام و هم هدايت حرارتي بالا را دارا مي باشد. امروزه شركت اتومبيل سازي  Ford پيشتاز در امر توليد موتور از جنس CGI است.

بدنه و سر سيلندر موتور مستلزم ايجاد ساختار تقريبا يكنواخت گرافيت و عدم استفاده از تيتانيم به علت تضعيف خاصيت ماشينكاري آن است.

 بعضي از نمونه هايي كاربردي CGI  عبارتند از : "مانيفلد خروجي دود، سر سيلندر، بدنه موتور، اجزاي سيستم ترمز و قطعات مقاوم به خستگي حرارتي".[1]

ريز ساختار " : "CGI

 گرافيتها در چدن CGI به صورت كرمي شكل (Worm-Shape ) ديده مي شوند اين ذرات مانند گرافيتهاي ورقه اي در جهات تصادفي آرايش يافته اند با اين تفاوت كه نسبت به آن كوتاهتر و ضخيم تر و گوشه هاي آن گرد مي باشد.( در شکل 1 و 2 نمونه ای از این ساختار دیده می شود.)

 

شکل1: شکل گرافیت های فشرده با  10 % کرویت در متالوگرافی

 

شکل 2: تصویر سه بعدی از مورفولوژی گرافیت[2]

 با  اين كه ذرات كرمي شكل (worm shape) به حالت دو بعدي به صورت مجزا ديده مي شوند ولي در حالت سه بعدي با گرافيت هاي كناري خود در فاز زمينه مرتبط هستند.

مورفولوژي پيچيده مرجاني شكل اين نوع گرافيتها همراه با گوشه هاي گرد سطح نا صاف، منجر به چسبندگي قوي ذرات با فاز زمينه مي گردد كه به خاطر همين مسئله از شروع و اشاعه ترك جلوگيري مي كند و موجب بهبود خواص مكانيكي مي گردد.

 در شکل 3 می توانید چگونگی مورفولوژی گرافیت را در سه نوع چدن خاکستری،  گرافیت فشرده و نشکن مورد بررسی قرار دهید.
 

الف- ورقه ای

 

    پ- كروي

 ب- فشرده

شکل 3: عكس هاي SEM از گرافيتهاي کروی، فشرده و خاکستری[1]

 

حضور گرافيت هاي كروي در ريز ساختارهاي چدنهاي CGI اجتناب ناپذير مي باشد. با افزايش ميزان گرافيت كروي، استحكام و سختي افزايش ولي قابليت ريخته گري، ماشينكاري و هدايت حرارتي كاهش مي يابد. فاز زمينه اين نوع چدنها بر حسب نوع مصارف آن و خواص مورد نظر قطعه مي تواند كاملا پرليتي، فريتي و يا مخلوطي از هر دو باشد.

يكي از مهمترين مسايل در ارتباط با اين چدن تعيين ميزان فشردگي و درصد كروي شدن است. مي توان از فرمولهاي معتبر نيز براي تعيين ميزان درصد گرافيت كروي در مقطع خاصي از قطعه استفاده كرد، در معادله زير مي توان با استفاده از مساحت گرافيتهاي كروي به كل مساحت گرافيتها ، درصد كرويت را تعيين كرد.

 

 

تركيب شيميايي:

 مشخصات و خواص چدن با گرافيت فشرده در دامنه وسيعي از كربن معادل هيپويوتكتيك يعني 7/3% و تا هايپر يوتكتيك يعني 7/4%، با ميزان كربن 4-1/3%  و ميزان سيليسيم 3-7/1% تعريف شده است .

 با مقدار سيليسيم ثابت، انتخاب كربن معادل پايينتر احتمال تبريدي شدن را افزايش مي دهد و باعث شمارش ندول كمتري مي گردد. با مقدار كربن معادل ثابت، مقدار سيليسيم بالاتر، تعداد گرافيتهاي كروي را افزايش مي دهد. مقدار كربن و سيليسيم بهينه را مي توان از روي شكل زير انتخاب نمود:

                        شکل 4: تعیین میزان سیلیسیم و کربن بهینه برای تولید CGI

 

كربن معادل بهينه بايستي بر مبناي ضخامت قطعه انتخاب شود، براي اين ضخامت معين، كربن معادل بالاتر ايجاد گرافيت شناور و كربن معادل پايين تر تمايل به تبريدي شدن را افزايش مي دهد.

براي ضخامت هاي 10-40 mm، تركيبات يوتكتيك (CE=4.3) توصيه مي شود تا خواص مطلوبي در قطعه به دست آيد . مقدار منگنز مي تواند 0.1-0.6% باشد. فسفر بايد پايين تر از 0.06% باشد چون ميزان بالاتر از آن باعث كاهش چقرمگي مي شود.

 هر چند چدن CGI با درصد گوگرد بالا حدود (0.07-0.12%) توليد شده است، اما احتمالا كاهش گوگرد به 0.01-0.025% اقتصادي تر مي باشد. چنانچه مقدار گوگرد زياد باشد مصرف آلياژ افزايش مي يابد. در ضمن وضعيت تركيب شيميايي نيز دگرگون مي گردد زيرا عناصر مخصوص عمليات بايد با گوگرد باقيمانده متوازن گردد. مقدار گوگرد باقيمانده پس از عمليات حدود 0.01-0.02% خواهد بود. به منظور حصول اطمينان از تشكيل گرافيتهاي فشرده (كرمي شكل) لازم است همانند فرآيند توليد چدن نشكن از عناصري براي عمليات چدن سازي استفاده گردد. اين عناصر عبارتند از"منيزيم، عناصر نادر خاكي ( سريم، لانتانيم و غيره) ، كلسيم، تيتانيم و الومينيوم".

 

 ذوب:

مواد مورد نياز براي توليد چدن CGI در اصل همانند موادي مي باشند كه براي توليد چدن SG به كار مي روند. براي ذوب كردن چدن CG از كوره هاي القايي ، كوپل، قوس الكتريكي استفاه مي شود. نيازمنديهاي مربوط به مواد، گرم نمودن زياد و گوگرد زدايي قبل از آماده نمودن نهايي ذوب، مشابه چدن نشكن است. تهیه مذاب براي ساختن قطعات چدني با گرافيت فشرده به كمك فرو سيليس منيزيم انجام مي گيرد.

حضور عناصر خاكي نادر در كنار آليا‍ژ فروسيليس منيزيم باعث افزايش فشردگي گرافيت و در نتيجه باعث ايجاد خواص مكانيكي بهتر مي شود.

روش هاي مختلفي براي توليد چدن گرافيت فشرده در صنايع ريخته گري ابداع شده است. متداولترين روش عمليات مذاب پايه با عناصر كروي كننده مانند     "Ce ,Mg" و ضد كروي كننده مانند" " Sn ,Ti ,Al مي باشد. استفاده از عناصر آلومينيوم و تيتانيم و قلع موجب تشكيل كاربيد و پرليت در قطعات صنعتي مي شوند كه بايستي براي ماشينكاري بهتر داراي زمينه فريتي باشند.

 

"عمليات ذوب":

 مهمترين روشهاي توليد چدن CG مي تواند به قرار زير طبقه بندي گردند:

1-   عمليات ذوب با آلياژهاي منيزيم

2-   عمليات ذوب با آلياژهاي فشرده كننده و همچنين آلياژهاي مانع فشرده شدن گرافيتها

3-   عمليات ذوب با آلياژهايي كه پايه آنها فلزات نادر خاكي يا آلياژهاي نادر خاكي –منيزيم مي باشد.

4-  عمليات بر روي چدن اصلي حاوي مقادير نسبتا بالايي از عناصر گوگرد و آلومينيوم همراه با الياژهاي حاوي عناصر فشرده كننده گرافيت.

هنگاميكه منيزيم باقيمانده 0.013-0.022%  كنترل و ثابت گردد در اين صورت چدن CG حاصل مي شود. كنترل مقدار منيزيم  در حد فوق هنگام عمليات در پاتيل مشكل مي شود زيرا چنانچه مقدار منيزيم باقيمانده از مقدار فوق افزونتر شود چدن نشكن حاصل گرديده و در صورتي كه اين مقدار كاهش يابد چدن به دست آمده چدن خاكستري خواهد بود.

"مواد قالبگيري":

 همانند جدن نشكن از كليه موادي كه براي توليد SG به كار گرفته مي شود در اين زمينه نيز مي توان استفاده كرد. اين مواد عبارتند از ماسه مخلوط با بنتونيت، ماسه با سيمان و ماسه با رزين .

مواد مذاب چدنهاي گرافيت فشرده حساسيت بيشتري نسبت به جذب گوگرد از قالب نسبت به مواد مذاب چدن نشكن دارد. بر خلاف چدن نشكن چدن CG نبايد بيش از اندازه عمليات گردد. هنگام استفاده از ماسه رزيني بازيابي شده ، با اسيد پاراتولو سولفونيك (PTS) به عنوان كاتاليست سخت كننده بايد دقت زيادي معطوف گردد  چون باعث افزايش ميزان گوگرد جذب شده به مذاب مي گردد.[1]

 

"خواص مكانيكي و فيزيكي":

 *سياليت چدن بستگي زيادي به ميزان كربن، سيليسيم و دما دارد. افزون بر آن مورفولوژي انجماد در اين زمينه نقش دارد . چدن با گرافيت ورقه اي داراي بهترين سياليت مي باشد و چدن نشكن از اين ديدگاه بدترين وضع را دارد . همانطور كه انتظار مي رفت چدن CG بين اين دو وضعيت واقع شده است.

 *نظر به اين كه چدنهاي CG شكل با CE يكسان نسبت به چدنهاي خاكستري داراي استحكام بيشتري مي باشند. در مورد  مشخصات انقباضي اين چدن بايد گفت كه  توليد قطعات CGI سالم و عاري از كشيدگي هاي ريز داخل و خارجي نسبت به چدنهاي نشكن آسانتر بوده و كمي از چدنهاي خاكستري مشكلتر مي باشد. به علت پايين بودن مقدار انقباض كه چدن CG امكان عدم استفاده از تغذيه مقدور مي باشد. به اين ترتيب هزينه ساخت با اصلاح مدل هنگام تبديل مواد از خاكستري به CG كاهش خواهد يافت و مي توان با همان سيستم راهگاهي بكار رفته در چدن خاكستري، چدن كرمي شكل را (گرافيت فشرده) توليد كرد. در واقع نسبت به چدن نشكن انقباض حاصل از انجماد (Shrinkage) كمتري داشته و تغذيه هاي محدودتري نياز دارد كه در نتيجه راندمان ريختگي ان بالاتر خواهد بود.

*چدن CG در مقايسه با چدن خاكستري داراي انعطاف پذيري و استحكام بالاتري مي باشد. استحكام كششي و تنش تسليم اين چدن، كمي پايين تر از چدن نشكن بوده و بسيار بيشتر از چدن با گرافيت ورقه اي مي باشد.

                      چدن كروي < مدول الاستيسيته چدن CG < چدن ورقه اي

*استحكام چدنهاي با گرافيت فشرده با افزايش ضخامت كاهش مي يابد.

*چون هدايت حرارتي گرافيت در چدنها بيشتر از زمينه فلزي مي باشد، پس شكل، مقدار، اندازه و پراكندگي گرافيت هاي موجود در چدن نقش تعيين كننده در كنترل هدايت حرارتي دارد. در چدنهاي نشكن كه گرافيت كروي و منفصل دارند، هدايت حرارتي كمتر است.

*هدايت حرارتي با زمينه فريتي بيشتر از هدايت حرارتي با زمينه پرليتي است.

*هدايت حرارت خوب و استحكام كششي بالاي اين چدن ، كاربردش را در درجه حرارتهاي بالا مناسب مي سازد كه بايد در برابر رشد و پوسته شدن مقاومت از خود نشان دهد.

*براي ساخت قالب هاي چدني و قالب شمش ريزي در صنعت فولاد، سر سيلندرهاي موتورهاي ديزلي و نيز محافظ احتراق توربين بسيار مناسب هستند.

افزايش مقدار سيليسيم تا  2.6% موجب بهبود استحكام و سختي در چدن به صورت ريخته و آنيل شده مي گردد كه علت آن افزايش مقدار فريت مي باشد. سيليسيم به صورت محلول جامد در فاز فريت رسوب كرده و موجب افزايش استحكام آن مي شود.

*چدن با گرافيت فشرده با ساختار زمينه فريتي و پرليتي داراي حالت الاستيك خطي است و حد ارتجاعي ان از چدن نشكن كمتر است.[3]

جدول 1: خواص مکانیکی و فیزیکی CGI با 10% گرافیت کروی را نشان میدهد:[2]

100% پرلیت

70% پرلیت

درجه حرارت (سانتیگراد)

خواص

450

430

410

420

415

375

25

100

300

استحکام کششی نهایی(Mpa )

370

335

320

315

295

284

25

100

300

0.2% استحکام تسلیم( Mpa )

145

140

130

145

140

130

25

100

300

مدول الاستیک(Gpa )

1.0

1.0

1.0

1.5

1.5

1.0

25

100

300

ازدیاد طول نسبی( %)

210

195

175

195

185

165

25

100

300

حد خستگی بدون ناچ (Mpa)

0.44

0.44

0.43

0.46

0.45

0.44

25

100

300

نسبت خستگی

36

36

35

37

37

36

25

100

300

هدایت حرارتی یا رسانائی گرمائی (w/mc )

11.0

11.5

12.0

11.0

11.5

12.0

25

100

300

ضریب انبساط حرارتی (µm/mc )

0.26

0.26

0.27

0.26

0.26

0.27

25

100

300

ضریب پواسون

430

370

400

300

25

400

0.2 درصد استحکام تسلیم (Mpa )

7.1-7.0

7.1-7.0

25

دانسیته (g/cc)

255-207

225-190

25

سختی برینل (BHN)

 

 

شکل5: استحکام کششی نهایی و 0.2% استحکام تسلیم چدنهای CGI با 85-100% پرلیت به عنوان تابعی از دما و ندولاریته.[3]

 

 

شکل6: تاثیر میزان پرلیت بر استحکام نهایی و استحکام تسلیم 0.2% چدنهای CGI با 0-10% ندولاریته.[3]

  

"کاربرد های  عملی در صنعت":

 تولید و کاربردهای عملی CGI در ابتدای سال 1960 آغاز گردید. مثال بارز این موارد منیفلد های اگزوز، اجزا ترمز، محفظه های پمپ و فلایویل ها می باشند.

با توجه به گزارش AFS Metal Casting Forecast حدود 66000 تن از محصولات CGI در طول سال 2001در آمریکا تولید شده است. به طور نمونه دو نوع بلوک سیلندر از جنس CGI در همان زمان تولید گردید:

"بلوک سیلندر Audi33Lit V8TDI وپوسته موتوردیزلی BMW3 LitV8D"

از کابردهای چدن CGI ، تولید با حجم بالای قطعات پیچیده ای مانند بلوک سیلندرها و سر سیلندرها می توان نام برد که دارای مشخصات ریز ساختاری محدودی بوده و همچنین مجاز به استفاده از تیتانیم به منظور افزایش میزان قابلیت ماشینکاری نیز نمی باشند.

به طوریکه حجم بالایی از تولید بلوک سیلندر CGI در طی سال 2003 جهت مصارف کمپانی های فورد و آئودی صورت پذیرفته است.

مشخصات مربوط به ریز ساختار بسته به شرایط کاری و نیازهای مربوط به تولید انتخاب می گرددند به طور مثال تولید منیفلدهای اگزوز از جنس CGI به میزان حدود 50% کروی شدن گرافیت را به همراه خواهد داشت به طور کلی می توان گفت که کروی شدن گرافیت ها در تولید مناسب و بدون عیوب قطعات ریختگی و همچنین عدم آسیب در هنگام ماشینکاری بسیار موثر می باشد به طور مثال، شرکت دایملر کرایسلر با افزایش میزان کروی شدن گرافیتها تا 50% عیوب ترک را در قطعات  bed plate  کاهش داده است.

 در این مورد میزان کروی شدن گرافیتها بالاتر از حد مجاز می باشد چرا که ماشینکاری این قطعه تنها به فرز کاری  و ایجاد سوراخهای کوچک توسط دریل محدود می گردد و قطعه تحت بارگذاری حرارتی قرار نمی گیرد.

هم اکنون تولید منیفلدهای CGI در شرکت tupy"" با افزودن 0.1-15 % تیتانیم امکانپذیر شده است، افزودن تیتانیم اثر مخربی در رشد گرافیتها داشته و برای تولید چدنهای با گرافیت فشرده بایستی که مقدار زیادی منیزیم به مذاب اضافه شود، حضور بیشتر منیزیم این اطمینان را می دهد که تیتانیم مانع از رشد گرافیتهای کروی نشده و سبب ایجاد گرافیتهای ورقه ای شکل نمی شود.

 زمانی که از فرآیند افزودن تیتانیم برای تولید مانیفولد استفاده می شود، تشکیل نهایی آخالهای کربو نیترید سخت باعث تشکیل یک پوشش ساینده روی سطح شده و اجازه ماشینکاری زیادی را همانند بلوکهای سیلندر و سر سیلندر نمی دهد تاثیر تیتانیم و قابلیت قطعات CGI زمانی آشکار می شود که بدانیم برای افزودن هر 0.1% تیتانیم اضافه شده بیش از هزار آخال کربو نیترید تیتانیم در هر میلیمتر مربعی از سطحی که ماشینکاری می شود وجود خواهد داشت.

حتی با افزایش مقادیر کم تیتانیم به طور شگرفی عمر ابزار در طول عملیات برش ممتد کاهش می یابد بنابر این این امر بدان معنا است که حضور تیتانیم در فرایند تولید  CGI نمی تواند برای تولید بلوکهای سیلندر و سر سیلندر مورد استفاده قرار گیرد.[2]

"نکته مهم":

چدن با گرافیت فشرده می تواند با مقادیر متغیر پرلیت به تناسب کاربرد مورد نظر تولید شود، منیفلدها نیاز به بیش از 95% فریت به منظور جلوگیری از افزایش دمای بالا را دارند در مقایسه بلوکهای سیلندر و سر سیلندر به طور معمول با میزان پرلیت بالا به منظور افزایش استحکام و سختی تولید می شوند.

چدن های با گرافیت فشرده ممکن است با 98-60% پرلیت به منظور فراهم آوردن میزان سختی مشابه BHN (190-225 ) مانند چدنهای خاکستری متداول مورد توجه واقع شوند، به هر حال ساختارهای تمام پرلیت (100% پرلیت) برای قطعات کمی کاربرد داشته و منجر به ایجاد خواص مکانیکی بالاتری در قطعات می گردند.

 

"در مقایسه با خاکستری مزایای "CGI :

*کاهش ضخامت دیواره با توجه به بارگدازی مشابه، از نقطه نظر طراحی مشخص شده است که پتانسیل کاهش ضخامت مقاطع دیواره های محفظه های سیلندر در CGI بیشتر از خاکستری است،

* افزایش میزان بارگذاری با توجه به طراحی موجود،

* کاهش میزان فاکتورهای ایمنی با توجه به میزان کمتر تغییرات در خواص قطعات،

* کاهش میزان ترک ترد در جابجایی مونتاژ و سایر موارد با توجه به میزان انعطافپذیری بالاتر،

* کاهش میزان ترک ترد در جابجایی و مونتاژ و سایر موارد با توجه به میزان انعطاف پذیری،

* کاهش میزان ترک گرم در حین تخلیه قطعات،

* استحکام بالاتر و نبودن نیاز به فرایند آلیاژسازی.

"در مقایسه با نشکن مزایای CGI ":

*قابلیت ریخته گری بهتر قطعات با ترکیب پیچیده تر،

* بهبود در میزان استحکام ،

* قابلیت تا 20% کاهش میزان تجمع تنش با توجه به میزان هدایت حرارتی بالاتر و نزول پایین تر، بهبود در مقادیر گرمای مبادله شده.[3]

 منابع:

1- AFS Transaction 2000 " What's the CGI?"

2- تولید قطعات چدنی با گرافیت فشرده در صنایع خودروسازی (ماهنامه صنعت ریخته گری شماره 10 آبان 83 )

3- "Mechanical and physical properties for engine design" Dr. Steve Dawson (Based on a paper presented at: Werkstoff und Automobilantrieb) Materials in power train VDI ( verein deutscher Ingenieure) Dresden Germany 28-29 october 1999)



ارسال توسط محسن حیدری
آخرين مطالب
کارت اعتباری ویزا

کتاب کسب درآمد از اینترنت در ۷ روز

آدرس مجازی خارجی برای گوگل ادسنس