دانلود مقاله چدنهای آلومینیوم دار

مقدمه:

چدنهای آلومینیوم دار در دو نوع خاکستری و داکتایل وجود دارند.

در یکی از انواع آلومینیوم جایگزین سیلیسیم میشود و در نوع دوم آلومینیوم علاوه بر سیلیسیم در چدن حاضر است.

این چدنها بخاطر داشتن عناصر آلیاژی نسبتا ارزان و مقاومت خوب در برابر حرارت وخزش در گستره دمائی 570 تا 980 درجه سانتیگراد مورد توجه قرار گرفته است.

مقاومت در برابر حرارت بصورتی است که در چدنهای حاوی آلومینیوم لایه نازک اکسیدی نفوذ ناپذیر وچسبنده ای تشکیل میشود که از نفوذ اتمهای اکسیژن به درون فلز جلوگیری میکند.

متاسفانه ریختن چدنهای آلومینیوم دار دشوار است ،زیرا در دمای ذوب ریزی چدن ،آلومینیوم بسیار فعال است.

تماس آلیاژ مذاب با هوا و رطوبت باید به حداقل برسد تا از تشکیل سرباره فلزی ،سطح ناصاف و قطعه ناسالم جلوگیری میشود.

فرآیندهای تولید این آلیاژ در حال تکامل اند.

شکل1:اکسایش چدن آلومینیوم دار در هواودردمای زیاد

مقدار آلومینیوم انی چدنها بین 0 تا 12 درصد است .

آزمایشهای اکسایش در دماهای 800 ،900 ، 1000 ، 1100 انجام شده است.

مقدار آلومینیوم ،بر گرافیته شدن چدنهای خاکستری و داکتیل تاثیر میگذارد.

اگر مقدار آلومینیوم کمتر از 7 درصد باشد در حین انجماد گرافیت تشکیل میشود.

بین 7 و18 درصد آلومینیوم فاز کاربیدی پایداری ایجاد میشود و قطعات ریختگی اساسا فاقد گرافیت هستند.

چدنهای حاوی 18 تا 25 درصد آلومینیوم با ریزساختار گرافیتی ریز منجمد میشوند اگرچه مقدار کربن محلول در مذاب کاهش می یابد.

ماشینکاری چدنهای آلومینیوم راحت است و قطعات سالمتری تولید میشود.

چدنهای آلومینیوم دار به دو دسته تقسیم میشوند:

1_ چدنهای حاوی 1 تا 7 درصد آلومینیوم

2_ چدنهای حاوی  18 تا 25 درصد آلومینیوم

مطلوب ترین ریزساختار برای پایداری در دماهای زیاد ترکیبی از فریت و گرافیت است و اگر زمینه کاملا فریتی نباشد آنها را در 930 تا 1040  درجه سانتیگراد تابکاری میکنند تا سمنتیت باقی مانده در آنها تجزیه شود وپایداری ساختاری افزایش یابد.

چدن های خاکستری آلومینیوم دار:

آزمایشهای خوبی بر روی چدنهای آلومینیوم دار کم سیلیس انجام شده است .

آنها با آزمایش بر روی سه نوع چدن کم آلومینیوم و دو نوع چدن پر آلومینیوم نشان دادند که مقاومت چدنهای خاکستری در برابر اکسایش در هوا در دمای 650 تا 780  با افزایش مقدار آلومینیوم بشدت افزایش می یابد.

ولی با افزایش آلومینیوم خواص کششی در دمای محیط کاهش می یابد ولی این خاصیت در دمای بالا زیاد کاهش نمی یابد.

 

 

شماره ذوب

1

2

3

15

16

ترکیب

 

 

 

 

 

c

2.95

3.07

2.86

1.96

1.48

Si

0.77

0.76

0.83

1.51

1.56

Mn

1.10

1.05

1.05

0.68

0.59

Al

2.42

4.28

5.99

20.79

24.40

سختیBHN

260

270

281

156

179

استحکام کششی

 

 

 

 

 

در دمای c20(1000psi)

50.5

47

40.5

16

18

MPa

348

324

279

110

124

دردمایc425(1000psi)

29

30.9

27.8

14

17.8

MPa

200

213

192

97

123

دردمایc540 (1000psi)

MPa

25.4

175

28

193

24.4

168

11

76

14.9

103

جدول 1:خواص مکانیکی 5 نوع چدن خاکستری آلمینیوم دار

با افزایش مقدار آلومینیوم زمان شکست تحت تنش در دماهای بیشتر از 500 درجه سانتیگراد افزایش می یابد .(شکل های 2 ،3 و4 ).از مقدار آلومینیوم بر خواص مکانیکی چدنهای داکتایل در دمای تا 980 درجه آزمایش شد.

چدنهای آلومینیوم دار با چدن خاکستری غیر آلیاژی چدن داکتایل غیر آلیاژی با چدن خاکستری با 5.9% آلومینیوم و چدن خاکستری با %2.5 آلومینیوم مقایسه شدند.

(جدول 17 ).                      

شکل3:نمودارزمان تاشکست دردمایc540برحسب تنش اعمالی اولیه برای چدن خاکستری با مقدارهای مختلفAl

شکل4:نمودارزمان تاشکست دردمایc650برحسب تنش اعمالی اولیه برای چدن خاکستری با مقدارهای مختلف Al

 

داده های ارزشمندی از چدنهای داکتایل و خاکستری آلومینیوم دار بدست آمده اند تا مبنایی برای انتخاب اقتصادی ترین ترکیب شیمیائی برای کار در دمای 650 تا 980 درجه سانتیگراد باشد..

(الف)(ب)

(ج)

شکل5:مقایسه منحنیهای تنش گسیختگیچدنهای داکتیل وخاکستری Alداردر(الف)c650(ب)c760(ج)c870(د)980

 

شکل5(د)

کاربردهای چدن خاکستری آلومینیوم دار :

چند راهه های موتور دیزل را با موفقیت از دو جنس مختلف در ماسه ریخته اند ، یکی با %2 آلومینیوم ، %2 سیلیسیم ، %2.8 کربن.

روتورهای ترمز دیسکی ساخته شده از چدن خاکستری آلومینیوم دار از آزمون های کنترل کیفیت سربلند بیرون آمدند و در برابر ترک خوردگی حرارتی مقاومت عالی از خود نشان دادند مقاومت این چدن برابر سایش نسبت به مقاومت چدن خاکستری استا ندارد بیشتری بود.

چدن خاکستری آلومینیوم دار بدون کاربید ریخته شده در ماسه در پخش کننده دود خروجی از توربین بود که ضخامت دیواره های آن به 3.2 میلیمتر میرسید که در یک موتور توربینی نمونه آزمایش شده و خواسته های مکانیکی و مقاومت در برابر اکسایش را برآورده کرده خواص چدنهای آلومینیوم دار در دمای زیاد ، با افزودن 1 یا 2 درصد مولیبدن بشدت بهبود می یابد.

دیکنسون نشان داده است که با افزودن 5.2 درصد آلومینیوم و %1.2 مولیبدن به چدن خاکستری حاوی 2.75 تا 3.1 درصد کربن میتوان خواص مکانیکی در دمای زیاد را بهبود بخشید

شکل6:اثرعنصرهای آلیاژی بر استحکام کششی چدنهای داکتایل وخااکستری دردمای زیاد چدن خاکستری با 5.2 %    Al1.9 %  Moو چدن داکتایل با 5تا6 % Al و 2 %و 2 %Moآلیاژ شده است.

شکل7:مقدارهای تنش گسیختگی چدن داکتایل آلیاژی غیرآلیاژی در دمای 650 درجه سلسیوس

چدن های داکتایل پر آلومینیوم :

 

این نوع چدن ها مقاومت خوبی در برابر اکسایش دارند وخواص مکانیکی آنهانسبت به چدنهای خاکستری پرآلومینیوم بهتر است .

بهبود خواص چدن داکتایل در دمای زیاد بدلیل افزودن 5 تا 6 درصد آلومینیوم و در حدود 2 درصد مولیبدن ذکر شده است .

با ترکیب سیلیسیم زیاد و آلومینیوم و مولیبدن تولید میشود که برای کاربردهای دمای بالا بسیار عالی اند و مشکلات تولید چدنهای داکتیل حاوی 5 تا 6 درصد آلومینیوم همراه نیست.

اسپونسار، شولتز و راندل درباره چدنهای داکتیل پر آلومینیوم آزمایش انجام دادند و نتیجه گرفتند که مناسب ترین چدن داکتیل برای کاربردهایی که مستلزم مقاومت در برابر اکسایش می باشد چدنی با 4 درصد سیلیسیم 0.5 تا 1 درصد آلومینیوم و 2 درصد مولیبدن است.

شکل8:اثر مولیبدن بررفتار خزش گسیختگی چدن آلومینیوم دار حاوی 4 %سیلیسیوم یکنواخت شده در دماهای 650و815 درجه ی سلسیوس .

چدن داکتایل شده با 5.5% آلومینیوم و %3 سیلیسیم و%2 مولیبدن برای کار در دماهایی بالاتر از 820 درجه مورد بررسی قرار گرفته است.

آهنگ اکسایش این نوع چدن بسیار اندک است و خواص کششی آن در دماهای تا 925 درجه خوب است (جدول 20 ).

ذوب و ریخته گری چدن های آلومینیوم دار:

تولید چدنهای پر آلومینیوم ، به سبب دشواریهایی در ذوب وریخته گری هنوز چندان متداول نیست و ذوب و ریخته گری این چدن ها مستلزم بکارگیری شیوه های خاص است.

در هنگام ریختن چدنهای آلومینیوم دار باید دقت لازم را به خرج داد زیرا غالبا لایه ای از اکسیدها در پیرامون جریان فاز مناسب تشکیل میشود.

جلوگیری از کشیده شدن این لایه به درون قالب اهمیت دارد.

چدن های پرآلومینیوم بشدت در معرض خطر ایجاد مکهای گازی قرار دارند.

آلومینیوم حل شده در چدن مذاب با آب و هیدروکربن ها واکنش می دهد و هیدروژن آزاد تشکیل میدهد که در چدن مذاب حل شده و در حین انجماد بیرون رانده میشود پس باید قالبها کاملا خشک و فاقد رطوبت باشند و در ساخت آنها هیدروکربن بکار نرفته باشد.

همچنین کاهش سطح تماس فلز مذاب با اکسیژن ، به منظور به حداقل رسانیدن عیبهای ناشی از وجود سرباره در قطعه ریختگی ضرورت دارد.

با شستشوی حوضچه بارریز و قالب بوسیله گاز بی اثر قبل از بارریزی میتوان این کار را انجام داد.

شکل9: صفحه های خنک کن کلینکر سیمان داغ

شکل10:پخش کننده گاز خروجی توربین به قطر 1.2 متر

جدول2:خواص چدن داکتایل آلیاژی با5.5%آلومینیوم ،3%سیلیسیم و2%آلومینیوم دردمای زیاد

ترکیب شیمیایی،%

 

 

 

 

سختی برینل در حالت سیاه تاب،BHN

خواص پس از تابکاری در دمای 1040 درجه ی سلسیوس

سختی برینل BHN

استحکام کششی در دمای محیط ،MPa 

                                             Psi

خواص در دمای C925

استحکام تسلیم قراردادی با 0.2 در صد کرنش MPa

                                                               Psi

استحکام کششی نهایی ،MPa

                                Psi

طویل شدگی

کاهش سطح مقطع

تنش گسیختگی 1000ساعتی در C925MPa

                                                     Psi

نفوذ اکسیژن در C925 ،mm

                                   in

C 2.83%

Si2.92%

Mn0.35%

Al5.5%

Mo2.01

362

 

 

353

552

80000

 

21

3100

30

4400

65%

43%

3.1

450

0.008

0.0003

 

کلیاتی در مورد تولید چدن های آلومینیوم دار:

با توجه به فعال بودن آلومینیوم در دمای ذوب چدن ریختگی و تولید چدنهای آلومینیوم دار مشکل است وباید دقت لازم در هنگام تولید مبذول شود.

فعال بودن آلومینیوم در این دما باعث ایجاد ترکیبات مختلف باعناصر دیگر میشود از جمله اکسیدها و نیترورها ونیز افزایش حلالیت H در مذاب ونیز به همین ترتیب از دست دادن عناصر آلیاژی می شود.

مقدار H محلول در مذاب Al در دمای 1000 درجه سانتیگراد به بیش از 40mlit/kg می رسد.

البته اگر هیدروژنی در محیط نباشد میزان هیدروژن مذاب متناسب با دما بالا نمی رود .

این مسئله باید در عمل مورد توجه قرار گیرد چرا که رطوبت و هیدروژن همیشه وجود دارند و اگر بخواهیم میزان گاز کنترل شود باید از حرارتهای بالا اجتناب کنیم که در مورد ریخته گری چدنهای آلومینیوم دار نمی توان این کار را انجام داد.

مقدار هیدروژن کم فقط وقتی قابل حصول است که فشار جزئی هیدروژن پایین باشد بهمین دلیل است که بعضی ریخته گران هوای خشک تصفیه شده را به کوره میفرستند.

گاهگاهی هم از روش خلا به عنوان آخرین راه حل جلوگیری از انحلال هیدروژن استفاده شود که سایر اجزای محیطی مانند نسوزها هم احتمالا خشک می شوند.

در قالب آلومینیوم با بخار آب و ستیر مواد آلی مختلف واکنش نشان داده و ایجاد پوسیدگی جامد و هیدروژن آزاد میکند که میتواند در مذاب نفوذ کند.

این واکنشها گاهی اوقات بعد از انجماد و در خلال سرد شدن هم ادامه می یابند.

هیدروژن آزاد ، در رشد حفره های گازی که درست زیر سطح قطعه واقع میشوند ، نقش تعیین کننده ای دارند.

با توجه به فعال بودن آلومینیوم در دمای ذوب چدن ریختگی و تولید چدنهای آلومینیوم دار مشکل است وباید دقت لازم در هنگام تولید مبذول شود.

هیدروژن آزاد ، در رشد حفره های گازی که درست زیر سطح قطعه واقع میشوند ، نقش تعیین کننده ای دارند.

اتمسفر درون قابل : با گرفته شدن سطح درون قالب گازهای زیادی از سطح قالب می جوشد .ابتدا هوای وجود در محفظه قالب باعث رقیق شدن اولیه گاز های خارج شده می شود.

این گازها بسرعت از طریق هواکشها ، تهویه ها خارج شده ویا از طریق درجه بالائی به خارج نفوذ می نمایند پس از آن ، تجزیه گازهای قالب نسبتا ثابت می ماند.

در ریخته گری در قالب های ماسه تر ، مخلوط گازهای قالب حاوی بیش از %50 هیدروژن می باشد .

این افزایش در مقدار هیدروژن با مقدار آب موجود در چسب ماسه رابطه خطی دارد و قالبهای ماسه ای خشک عملا هیچگونه هیدروژنی ندارند.

سایر تغییراتی که در اثر افزایش رطوبت حاصل می شوند عبارتند از : کاهش اکسیژن ،افزایش نسبت co/co2 وظهور اندکی پارافین ، وجود آرد غلات در چسب باعث ایجاد اندکی اکسیژن می شود ، با این وجود تمرکز اکسیژن بواسطه رقیق شدن بوسیله گازهای دیگر در محیط احساس نمی شود.

فعل وانفعالات در سطح قالب : وقتی که پودر زغال با ترکیب آن به ماسه تر اضافه میشوند فعل و انفعالاتی بوجود می آید که اولین بار توسط کولرز و لوبرگ تشریح شد.

مواد فرار از زغال خارج می شوند تا یک اتمسفر احیایی بوجود آید.

هیدروکربن های گازی در سطح دانه های ماسه در نزدیک سطح داغ قالب تجزیه شده و یک فیلم نازک از گرافیت را بوجود می آورد.

ذغال، باد کرده و در اثر انبساط زیاد به درون حفره ها ی ماسه رانده میشود و باعث پلاستیکی شدن موقت چسب می شود.

این پدیده انبساط ماسه بدون اینکه باعث شکست سطحی بشود کمک میکند به افزایش دما ، توده های ماسه سخت شده و به صورت شبه کک در می آیند و از تماس و نفوذ مذاب در ماسه جلوگیری می نمایند.

محققان استفاده از پودر ذغال مصنوعی را توصیه نموده اند.

این مواد تمایل شدیدی برای تشکیل کربن آنتراسیت دارند و دارای ظرفیت پخت بالا و خواص نرم شوندگی خوبی دارند.

اثر آلومینیوم در چدن : تاثیرآلومینیوم در چدن های خاکستری : گرافیت زائی : براساس این خاصیت چدن های پر آلومینیوم به دو دسته تقسیم می شوند: 1_ چدن های با درصد آلومینیوم کم که هدف اصلی از مصرف آلومینیوم در این چدنها استفاده از خاصیت گرافیت زائی چدن می باشد.

2_ چدن های با مقادیر مختلف آلومینیوم (از کم تا زیاد) به منظور رسیدن به آلیاژ جدید با خواص خاص.

مقادیر بالای آلومینیوم و چدن های گروه دوم دارای مقاومت به پوسته شدن بسیار عالی و خواص مکانیکی خوب در دماهای بالا.

0.25 تا 0.02 درصد آلومینیوم در چدن باعث کاهش عمق تبرید می شود ولی بر خواص مکانیکی تاثیری ندارند.

0 تا 8 درصد آلومینیوم باعث گرافیت زائی در چدن می شود.

آلومینیوم بین 8 تا 18 درصد کاربیدزا می باشد.

آلومینیوم بین 18 تا 26 درصد مجددا باعث گرافیت زائی در چدن می شود.

آلومینیوم بین 26 تا 30 درصد کاربیدزا.

مناطق گرافیت زائی آلومینیوم : 0 تا 8 درصد آلومینیوم = بیشترین گرافیت زایی در این محدوده در %4 آلومینیوم میباشد.

18 تا 26 درصد آلومینیوم = بیشترین گرافیت زائی در این محدوده در %24 آلومینیوم می باشد.

چدنهای صنعتی حاوی آلومینیوم رامیتوان به دوگروه طبقه بندی کرد : 1_چدن های آلیاژی 1 تا 7 درصد آلومینیوم 2_چدن های آلیاژی با 18 تا 25 درصد آلومینیوم این آلیاژها علاوه بر قابلیت ماشینکاری مناسب به دلیل حضور گرافیت در ساختار ، خواص مکانیکی نسبتا مطلوب ومقاومت ماشینی بسیار خوب ، دارای مقاومت عالی در برابر پوسته شدن نیز می باشند بطوریکه می توان آنها را جزء مواد قابل کاربرد در دماهای بالا محسوب نمود.

آلومینیوم با مذاب چدن فعل وانفعال شدیدی دارد وواکنش آن با اکسیژن محیط زیاد است ؛حضور آلومینیوم باعث ایجاد تخلخل در چدن میشود.

با افزودن آلومینیوم به سیستم آهن_آلومینیوم ، از قابلیت تشکیل گاما کاسته شده وتمایل به ایجاد وپایداری فاز آلفا افزایش می یابد.

افزایش آلومینیوم در محدوده 0.5 تا 10 درصد موجب افزایش کربن محلول در گاما در دماهای بالا شده ومقدار آنرا از %1.7 به %2.3 می رساند.

در محدوده %0.5 تا %15 سبب جابجائی و کاهش وسعت منطقه پایدار گاما شده ،بطوریکه این فازدر حضور %15 آلومینیوم عملا حذف خواهد شد.

آلومینیوم بر روی ریزساختار چدن نیز تاثیر میگذارد.

بر این اساس چهار نوع چدن حاوی آلومینیوم بصورت زیر شناسایی گشته اند : چدن های پرلیتی (با کمتر از %9 آلومینیوم ) چدن های سفید (با %11 تا %19 آلومینیوم ) چدن های فریتی (با %21 تا %26 آلومینیوم ) چدن های لدبوریتی (با %28 تا %32 آلومینیوم ) میزان کربن موجود در چدن با افزایش آلومینیوم کاهش می یابد اما عمده کربن باقیمانده در چدن های هر آلومینیوم به گرافیت تبدیل خواهد شد.

فاز Fe3Al کاربید آهن _ آلومینیوم نیز در درصدهای بالای آلومینیوم ممکن است بصورت دندریتی در زمینه ایجاد شود.

%0.5 تا %15 آلومینیوم میزان کربن مورد نیاز جهت حصول گرافیت در ساختار نهایی رااز %0.5 به %2.8 افزایش میدهد.

سوال) واکنش Al با N2 ، H2 ، O2 وC به چه صورت است وبرای کاهش این واکنش ها چه باید کرد؟

نکات ریخته گری : افزودن آلومینیوم به مذاب چدن قبل از مرحله ریخته گری به مقدار قابل توجهی مانع از تشکیل عیوب مک و اکسایش در قطعات خواهد شد.

امکان وجود تخلخل ریز در قطعات ریخته گری وجود خواهد داشت زیرا امکان واکنش آلومینیوم محلول در مذاب چدن با رطوبت یا هیدروکربورهای موجود در قالب و در نتیجه آزاد شدن گاز هیدروژن و انحلال آن در مذاب وجود داشت ودر طی انجماد ،این گاز تمایل به خروج از مذاب و بنابراین ایجاد حفره های ریز خواهد نمود.

پس در این موارد لازم است که هر گونه رطوبت با هیدروکربورهای موجود در قالب حذف یا کاسته گردد.

در خلال افزودن آلومینیوم به مذاب چدن (یا بصورت مذاب ویا بصورت قطعات جامد) ، درجه حرارت مذاب بعلت آزاد شدن گرمای انحلال آلومینیوم به میزان قابل توجهی افزایش یافته و منجر به تشکیل مقادیر زیادی سرباره در سطح آن خواهد شد.بنابراین تشکیل سرباره نسبتا ویسکوز و ضخیم در حین و پس از افزودن آلومینیوم به مذاب چدن ، اجتناب ناپذیر بوده و امکان ورود سرباره و مواد ناخالص بدرون محفظه قالب وجود خواهد داشت.

در چنین شرایطی باید اقدامات لازم جهت کاهش اکسیداسیون آلومینیوم و نیز ورود مواد ناخواسته به قالب و آلودگی قطعات ریختگی به عمل آورد.

انجام این اقدامات به چندین طریق امکان پذیر است : تسریع در امر ریخته گری پس از افزودن آلومینیوم به مذاب چدن و اختلاط آن جهت به حداقل رساندن تماس مذاب نهائی با اکسیژن محیط.

تزریق آلومینیوم در زیر سطح مناسب چدن و قرار دادن آن تا انحلال کامل .

افزودن مذاب چدن به پاتیل حاوی آلومینیوم مذاب .

پوشاندن سطح مذاب نهائی توسط روانساز کلرید سدیم جهت سیال سازی سرباره و سهولت در جداسازی آن از مذاب.

طراحی صحیح سیستم راهگاهی جهت جلوگیری از ورود سرباره به درون قالب.

دقت واحتیاط لازم در ضمن ریخته گری جهت به حداقل رساندن اغتشاش مناسب.

دمش گاز خنثی قبل و در حین ریخته گری به سیستم (مذاب و سطح قالب) .

بر اساس بعضی تحقیقات آلومینیوم موجب ابقاء گوگرد که عاملی برای تشکیل گرافیت لایه ای و مانعی جهت ایجاد گرافیت کروی است خواهد بود.

قالبگیری در ماسه سیلیسی به روش CO2 انجام میشود.

به دلایل مختلف از جمله بالا بودن دمای چدن مذاب نسبت به دمای ذوب آلومینیوم مذاب و هر یک از دو عنصر بصورت جداگانه ذوب شود بهتر است.

مذاب آلومینیوم تهیه شده را درون پاتیل جداگانه میریزیم و نزدیک قالبها میگذاریم پس سعی میکنیم دمای ذوب چدن را تا جای ممکن بالا ببریم وروی آلومینیوم مذاب بریزیم.(بدلیل اینکه سرعت سرد شدن مذاب چدن بسیار بیشتر از آلومینیوم است ).

دلیل اینکه مذاب چدن را روی آلومینیوم میریزیم وعکس این عمل را انجام نمی دهیم این است که اولا وزن مخصوص آلومینیوم کمتر از چدن می باشد واگر مذاب آلومینیوم را روی مذاب چدن بریزیم مذاب آلومینیوم در بالا قرار میگیرد و کاملا حل نمی شود ومیزان تلفات زیاد میشود؛ ثانیا شدت تبخیر در این حالت بیشتر است چون مذاب چدن دمای ذوب بالاتری دارد و همچنین امکان سرد شدن مذاب و نیامد کردن آن در این حالت بیشتر است.

جهت جوانه زائی گرافیت از مقدار کافی فروسیلیس استفاده شود.

افزایش مقدار آلومینیوم در چدن سبب بهبود استحکام و افزایش سختی آن خواهد شد که بیشترین سختی مربوط به %14 آلومینیوم می باشد بخاطر وجود مقادیر زیادی از کاربید آهن _ آلومینیوم در یک زمینه پرلیتی.

در چدن های با %24 آلومینیوم که میزان کربن موجود در چدن کاهش یافته و تمام کربن بفرم گرافیت در زمینه ای از محلول جامد آلفا ظاهر می شود شکل11:تغییرات سختی چدن ها بر حسب مقدار آلمینیوم شکل12:اثر آلمینیوم بر سختی و استحکام بر خمشی چدن چدن های پر آلومینیوم (با بیش از %20 آلومینیوم ) دارای استحکام خمشی مطلوب می باشند .

به منظور مقایسه خواص مکانیکی چدن های کم آلومینیوم و چدن های معمولی حاوی سیلیسیم می توان از دو شاخص استفاده کرد: حاصلضرب استحکام کششی در انعطاف پذیری (IS.XEL) که هر چه مقدار آن بیشتر باشد کیفیت خواص چدن بهتر است.

نسبت استحکام کششی به سختی IS/BHN که هرچه بالاتر باشد چدن از خواص بهتری برخوردار است.

بر این اساس به نظر می رسد که کیفیت خواص مکانیکی چدن های کم آلومینیوم بهتر از چدن های حاوی سیلیس باشد.

دو دلیل عمده برای این مطلب وجود دارد: اولا آلومینیوم به دلیل دارا بودن شعاع اتمی بزرگتر (1.93 آنگسترم ) در مقایسه با سیلیسیم (1.18 آنگسترم ) به نحو مطلوب تری سبب افزایش استحکام فریت از طریق ایجاد محلول جامد شده و موجبات سخت تر شدن آنرا فراهم خواهد کرد.

ثانیا پرلیت موجود در ساختار چدنهای کم آلومینیوم ریزتر از چدنهای حاوی سیلیسیم و در نتیجه سخت تر و مستحکمتر از آن است که این امر بهبود خواص آن ها را به دنبال خواهد داشت.

در چدن های کم آلومینیوم واقع شدن به مدت های طولانی در دماهای نسبتا بالا موجب افت شدید سختی (بسته به میزان آلومینیوم ) خواهد شد.

در حالیکه سختی چدن ها در آلومینیوم ( با بیش از %10 آلومینیوم ) پس از شرایط فوق افزایش قابل توجهی را به دنبال خواهد داشت.

شکل 13:اثر واقع شدن چدنهای حاوی آلمینیوم در دمای بالا بر سختی آنها (1)قبل و(2)پس از واقع شدن در دمای بالا تغییرات سختی را بر حسب مقدار آلومینیوم چدن قبل (منحنی 1) و پس از واقع شدن در دمای 800 تا 900 درجه سانتیگراد (منحنی 2 ) به مدت 500 ساعت نشان می دهد.

هر آزمایش منحنی را در سه ساعت زیر انجام داده اند : 1_ در دمای اتاق قبل از واقع شدن در دمای بالا.

2_ در دمای اطاق پس از واقع شدن در دمای بالا.

3_ در دمای 800 درجه سانتیگراد پس از واقع شدن در دمای بالا.

استحکام و ازدیاد طول چدن خاکستری حاوی 20.5% آلومینیوم در دماهای بالا بیش از چدن های خاکستری معمولی است.

استفاده توام از عناصر آلومینیوم و مولیبدن در چدن سبب بهبود خواص مکانیکی آن در دمای محیط و درجه حرارتهای بالا خواهد شد.

شکل 14:منحنی های خزش چدن خاکستری حاوی 20.5 درصد آلمینیوم در دو دمای مختلف از آنجا که میزان افت تنش معمولا در درجه حرارتهای بالاتر بیشتر است میتوان چنین استنباط نمود که چدن های حاوی %20.5 آلومینیوم دارای پایداری و در نتیجه مقاومت خزشی نسبتا بهتری در مقایسه با چدن های حاوی %3.8 آلومینیوم هستند.

رفتار اکسیداسیونی در دماهای بالا : توماس دو نوع لایه های اکسیدی ایجاد شده در سطح را با توجه به میزان آلومینیوم به سه گروه دسته بندی کرد : لایه های اکسید آهن در آلیاژهای حاوی کمتر از %2 یا %2.5 آلومینیوم .

لایه های نسبتا محافظ اکسید دوگانه آهن – آلومینیوم در آلیاژهای حاوی 2 تا 7 درصد آلومینیوم.

لایه های محافظ اکسید آلومینیوم در آلیاژهای با بیش از %7 آلومینیوم .

شکل 15 :اثر آلمینیوم برمنحنی اکسیداسیون آلمینیوم آلیاژهای آهن در دمای C900 بررسی رفتار اکسیداسیون چدن معمولی: تغییرات وزنی ناشی از پوسته شدن چدن معمولی بر حسب زمان در دماهای 700 تا 900 درجه سانتیگراد در شکل 16 نشان داده شده است.

همانگونه که نشان داده شده است میزان تغییرات وزنی چدن معمولی در دماهای بالاتروونیز پس از دماهای بالاترونیز پس از زمان های طولانی تر بمراتب بیش از درجه حرارت های پایینتر و زمانهای کوتاهتر است.

شکل 16: تغییرات افزایش وزن چدن معمولی در دماهای مختلف بر حسب زمان لایه های اکسید آهن تشکیل شده بر سطح این چدن (متشکل ازFe2O3 ، Fe3O4 ،FeO) از فشردگی و چسبندگی مناسبی بر خور دار نبوده و سد محکمی در برابر نفوذ یونهای اکسیژن به سطح فلز ویا انتقال یونهای فلزی به سطح لایه اکسیدی ودر نتیجه تداوم واکنش های اکسیداسیون بشمار نمی آیند.

در دماهای پایین که سرعت اکسیداسیون کمتر است با گذشت زمان ،اکسید های سطحی ایجاد شده و به تدریج ضخیم میشوند لیکن این ضخامت در حدی نیست که از سرعت نفوذ وجذب اکسیژن به سطح فلز بکاهد و بنابر این سرعت اکسیداسیون ثابت باقی می ماند.

بررسی رفتار اکسیداسیون چدن های پر آلمینیوم: اشکال17تا20 تغییرات وزنی چدن های پر آلمینیوم را در دماهای 700 تا 1000درجه سانتیگراد بر حسب زمان نشان میدهد .

شکل 17: تغییرات وزنی چدن های پر آلومینیوم در دمای 700درجه بر حسب زمان شکل 18:تغییرات وزنی چدنهای پر آلومینیوم در دمای 800درجه بر حسب زمان شکل 19: تغییرات وزنی چدنهای پر آلومینیوم در دمای 900درجه بر حسب زمان شکل 20: تغییرات وزنی چدنهای پر آلومینیوم در دمای 800درجه بر حسب زمان دو علت برای کاهش وزن چدن های پر آلمینیوم در درجه حرارتهای بالا می توان عنوان نمود .

اول آنکه به علت قابلیت گرافیت زایی نسبتاً زیاد آلومینیوم (با توجه به مقدار زیاد آن در چدن) عمده کربن موجود در چدن به فرم گرافیت (اعم از کروی یا لایه ای ) در ساختار ظاهر شده و در ضمن واقع شدن چدن در دماهای بالا امکان واکنش کربن گرافیتی با اکسیژن محیط و در نتیجه خروج کربن به صورت گازهای منو اکسید کربن یا دی اکسید کربن افزایش میابد.

دومین دلیلی که میتوان به آن اشاره کرد تشکیل اکسید های نا پایدار فلزی دارای فشار بخار نسبتاً بالا و بنابراین تبخیر آنها قبل ایجاد ویا در ضمن ایجاد لایه های اکسید پایدار و محافظ بر سطح میباشد .

این اکسید ها عموماً بصورت گاز ویا ترکیب استوکیومتری غیر معمول و متشکل از یون های فلزی با ظرفیت پایین تر بوده ودر فشار محیط براحتی تبخیر می شوند .با توجه به به حضور مقادیر زیاد عنصر آلو مینیوم در چدن و با در نظر گرفتن تمایل شدید این عنصر جهت واکنش با اکسیژن محیط، طبیعتاً امکان تشکیل اکسید آلمینیوم بمراتب بیش از سایر اکسیدهاست .

یون این عنصر به صورتهای یک ، دو،یا سه ظرفیتی با اکسیژن محیط ترکیب شده و اکسید های با خواص و رفتار متفاوت به وجود آورد .از میان این ترکیبات ، اکسید آلومینیوم سه ظرفیتی (Al2O3) یک اکسید جامد و پایدار وکاملاً متراکم وچسبنده است و به همین جهت حظور آن بر سطح آلو مینیوم یا چدن های پر آلومینیوم سبب حفاظت این سطوح در مقابل اکسیداسیون در درجه حرارت های بالا می گردد.

لیکن دو اکسید دیگر متشکل از یون های یک یا دو ظرفیتی آلومینیوم(Al2O,AlO ) از نوع اکسید های گازی با فشار بخار بالابوده و کاملاً فرار و ناپایدارند.بنابر این چنین به نظر میرسد که تشکیل این اکسید های فرار در ضمن نگه داری چدنهای پرآلومینیوم در دما های بالا اجتناب ناپذیر و کاهش وزن ناشی از خروج آلومینیوم از این چدن ها بصورت های فوق ، بدین طریق نیز قابل تو جیه باشد.

با توجه به کیفیت سطحی بسیار عالی نمونه های چدن پر آلومینیوم پس از واقع شدن به مدتهای طولانی در دمای 700 درجه سانتیگراد و این مطلب که هیچگونه تفاوتی (مگر جلای سطحی) در سطح این چدن ها قبل و پس از اتمام آزمایش اکسیداسیون در دمای فوق مشاهده نگشته است ، تداوم رشد لایه های اکسیدیایجاد شده بر سطح چدنهای پر آلومینیوم در دمای 700درجه به نظر میرسد .

محتمل ترین اکسید تشکیل شده بر سطح چدنهای پر آلومینیوم از نوع اکسید آلومینیوم α یا γ که در عین حال از قدرت حفاظت بالایی نیز به دلیل فشردگی و چسبندگی زیاد بر خوردار می باشد.

بنابر این به نظر میرسد که در این درجه حرارت ،چدن حاوی 21 درصد آلومینیوم که کمترین تغییرات وزنی را از خود نشان میدهد دارای مناسب ترین رفتار اکسیداسیون باشد.

این مطلب در دمای 800 درجه شکل 18نیز صادق است .در این درجه حرارت فقط چدن حاوی 21درصد آلومینیوم تغییرات مثبت داشته ودر عین حال در طول زمان آزمایش نا چیز است.

شدت اکسیداسیون همه چدن ها با گذشت زمان کاهش می یابد لیکن میزان این کاهش در چدنهای دارای آلومینیوم زیادتر ،بیشتر است.

چدن حاوی 21درصد آۀومینیوم فقط در دمای پایین(700 درجه) کاهش وزن نشان داده و در دماهای بالاتر محدوده تغییرات وزنی آن مثبت می گردد.

محدوده تغییرات وزنی سایر چدن ها ی پر آلومینیوم در همه دماها منفی است افزایش وزن تدریجی مشابهی با با گذشت زمان ونیز با افزایش درجه حرارت در آنها رخ میدهد.با افزایش درجه حرارت از سرعت اکسیداسیون کاسته شده و محدوده تغییرات وزنی به مقادیر بسیار کم محدود میشود .

کاهش سرعت اکسیداسیون چدنهای پر آلومینیوم در دماهای بالا را میتوان منطبق بر این واقعیت دانست که قشر اکسیدی ایجاد شده بر سطح این چدن ها در دماهای بالا تر،از نوع اکسید آلمینیوم α که از قدرت حفاظت وپایداری بیشتری( نسبت به لایه تشکیل شده در دماهای پایین که معمولاً از نوع اکسید آلومینیوم γ می باشد) برخوردار است بوده و بنابر این منجر به تاخیر در واکنش های اکسیداسیون و در نتیجه افت سرعت اکسیداسیون میگردد.

اثر مقدار آلومینیوم بر میزان و سرعت اکسیداسیون چدن در دماهای مختلف(بر حسب میلیگرم بر دسیمتر مربع در روز mdd)در شکل 21نشان داده شده است.

شکل 21: اثر آلومینیوم بر میزان تغییرات وزنی چدن در دماهای مختلف میزان اکسیداسیون چدنهای معمولی و پر آلومینیوم در دماهای مختلف در شکل 22 با یکدیگر مقایسه شده است.تغییرات میزان اکسیداسیون چدنهای پر آلومینیوم بر حسب درجه حرارت جهت مقایسه با یکدیگر و نیز چدن معمولی در شکل 22aنشان داده شده است.

(a) (b) شکل 22:مقایسه رفتار اکسیداسیونی چدن های معمولی با چدن های پر آلمینیوم شکل23:اثر آلمینیوم و سایر عناصر آلیاژی بر بهبود رفتار اکسیداسیونی آلیاژهای آهنی چنانچه ملاحظه می شود آلومینیوم از لحاظ قابلیت کاهش اکسیداسیون ، با سیلیسیم قابل رقابت بوده و از آن به مراتب بیش از کروم و نیکل و تیتانیم می باشد.

حضور %6 آلومینیوم در آهن میزان اکسیداسیون را حدود 10 مرتبه کاهش می دهد در حالیکه افزایش آن تا حد %10 موجب افت اکسیداسیون به میزان 40 مرتبه می گردد.

از طرفی مقدار کروم لازم جهت کاهش اکسیداسیون 40 مرتبه (%17 ) حدود %70 بیش از مقدار آلومینیوم لازم (%10 ) جهت همین مقدار افت اکسیداسیون است.

شکل 24 : تاثیر آلومینیوم بر میزان افزایش وزن چدن خاکستری بر حسب دما چدن های پر آلومینیوم (%24 آلومینیوم ) حتی در دماهای بالاتر از 1000 درجه سانتی گراد نیز در مقایسه با چدن های آلیاژی حاوی نیکل ، کروم ،سیلیسیم از مقاومت به پوسته شدن بهتری برخودارند.

مکانیزم افزایش مقاومت اکسیداسیونی در چدن های حاوی آلومینیوم را می توان ناشی از حضور فیلم محافظ و کاملا چسبنده Al2O3 بر سطح این چدن ها دانست.

آلومینیوم علاوه بر افزایش مقاومت اکسیداسیونی سبب بهبود خواص خوردگی چدن در اتمسفرهای گوگرد دار نظیر H2S نیز میگردد.

تجهیزات ذوب: چون در این آلیاژ باید چدن و آلومینیوم را جدا از هم ذوب کنیم کوره های مختلفی را می توانیم استفاده کنیم برای چدن ها می توان از کوره های : زمینی ، دوار، القایی و قوس بسته به کیفیت و مقدار مذاب لازمه استفاده کرد برای آلو مینیوم می توان از کوره های: زمینی و القایی بسته به کیفیت و مقدار مذاب لازمه استفاده کرد برای ترکیب کردن دو آلیاژ از تجهیزاتی چون بوته ، کبچه و یک میله برای مخلوط کردن دو آلیاژ استفاده کرد البته این وسایل نباید دارای آلودگی باشند تا از ایجاد آخال و ناخالصی در قطعه جلوگیری شود .وتجهیزات حمل ذوب هاکه بسته به مقدار وتوناژ تولیدی متفاوت است.در موارد خاص که قطعه بایدکاملاً سالم وبدون آخال باشد برای کاربرد های خاص می توان از تجهیزات ذوب وریختگری در خلا نیز استفاده کرد.

تجهیزات قالبگیری: برای آلیاژ های چدن حاوی آلومینیوم می توان از انواع روش ها و تجهیزات استفاده کرد ولی به خاطر واکنش پذیری زیاد آلومینیوم دردمای ذوب چدن بهتر است و توصیه شده است که از قالب ها ومواد فاقد رطوبت استفاده شود که در این میان مخلوط قالبگیری CO2 مناسب است.

بنا به مقدار قطعه مورد نیاز و با در نظر گرفتن صرفه اقتصادی می توان از انواع روش های دستی وماشینی استفاده کرد.

مواد لازم: چدن خاکستری آلومینیوم خالص مس خالص فرو سیلیسیم نحوه آزمایش: