دسته: جغرافیا چكیده پدیده سایش (Wear) یكی از معضلاتی است كه صنعت از دیرباز با آن مواجه بوده است برخورد منطقی در جهت رفع این مشكل ، مرهون بررسی دقیق پدیده و عوامل موثر بر آن می باشد بدین منظور برخی از مواد مناسبی كه با توجه به مبانی متالورژیكی در عمل قابل استفاده می بانشد مانند (چدنهای سفید كرم دار، Nihard) مورد بررسی قرار می دهیم تعریف سایش و عوامل
قیمت فایل فقط 6,900 تومان
مطالعه و بررسی پدیده سایش (Wear) به عنوان یك معضل در صنعت
چكیده :
پدیده سایش (Wear) یكی از معضلاتی است كه صنعت از دیرباز با آن مواجه بوده است . برخورد منطقی در جهت رفع این مشكل ، مرهون بررسی دقیق پدیده و عوامل موثر بر آن می باشد . بدین منظور برخی از مواد مناسبی كه با توجه به مبانی متالورژیكی در عمل قابل استفاده می بانشد مانند (چدنهای سفید كرم دار، Ni-hard) مورد بررسی قرار می دهیم .
- تعریف سایش و عوامل موثر بر آن
سایش عبارت است از تلفات مكانیكی ماده از سطح یك جسم بواسطة تماس آن با سطح یا جسم دیگر علیرغم مكانیكی بودن این پدیده ، گاه با واكنشهای شیمیایی نیز همراه می شود .
- فاكتورهای كلیدی موثر برسایش عبارتند از :
1) متغیرهای متالورژیكی نظیر سختی ، چقرمگی ( tough ness) ساختار میكروسكوپی و تركیب شیمیایی
2) متغیرهایی نظیر مواد در حال تماس ( نظیر ساینده ها و مشخصات آنها ) نوع و روش بارگذاری (Loading) ،سرعت ، دما ، زمان ، خشونت سطحی ، روانكاری ( Lubrication) و خوردگی .
در اینجا ما دو نوع ا زمواد مقاوم به سایش را مورد بررسی قرار می دهیم كه عبارتند از چدنهای سفید پركرم و چدنهای سفید Ni-hard كه ابتدا چكیده ای از این دو نوع چدن سفید را در پایین می آوریم .
در اینجا دو نوع چدن سفید پركرم و Ni-hard را مورد بررسی قرار میدهیم .
1- چدنهای سفید Ni-hard
Ni-hard چدن سفید آلیاژی نیكل – كرم داری است كه مقاومت قابل ملاحظه ای در مقابل سایش دارد . بیش از 50 سال است كه این آلیاژ وارد صنعت شده و موارد مصرف ، منحصر به فردی در صنایعی چون شكل دادن فلزات ، استخراج معدن ، نیروگاهها ، سیمان ، سرامیك ، رنگ، حفاری ، زغال سنگ و كك ، ریخته گری و دیگر صنایع پیدا كرده است این آلیاژ (كه قیمت نسبی آن پایین است ) را می توان به جای چدن سفید معمولی در مواردی كه به مقاومت در مقابل سایش مورد نیاز است و نیز به جای فولاد 12 درصد منگنز در مواردی كه به مقاومت در مقابل آلیاژ، غلطك های نورد ، زره آسیاب ها ، رینگ های بولدوزر ، كلاهك غلطك ( Noll-heads)اجزاء پمپهایی كه در گل و لای كار می كنند لوله و زانوها و خرد كننده ها می باشد .
در حالیكه Ni-hard نام مناسبی برای قطعات ریختگی این كلاس آلیاژی است ، و در حقیقت در پاره ای از كشورهای صنعتی جهان این نام بعنوان یك نام تجاری به ثبت رسیده است ، اما قطعاتی با تركیب شیمیایی Ni-hard بوسیله تولید كننده هایی كه در این زمینه تجربیاتی دارند تحت عناوین تجارتی خودشان از قبیل NI CROMAX , DIAMAX , BF954, ELVERITE, DIAMITE نیز تولید می شوند .
2- چدنهای سفید پركرم
چدنهای سفید پركرم از جمله پرمصرفترین آلیاژها در ساخت قطعات مقاوم به سایش هستند این آلیاژها اغلب با روش ریخته گری تولید می شوند و عملیات حرراتی عمدتاً باعث بهبود مقاومت سایشی انها می گردد ، لیكن گزارشاتی در ارتباط با قابلیت «كارسختی پذیری » آستنیت در حین سایش وجوددارد .
چدنهای سفید پركرم یكی از مهمترین آلیاژهای مقاوم به سایش در صنعت می باشند و كاربرد وسیعی در ساخت گلوله وزره آسیاها و قطعات مقاوم به سایش دارند بكار گیری این آلیاژها رد صنعت اغلب بدلیل نتایج مطلوب خصوصاً در مورد گلوله های آسیا به علت نرخ سایش پایین تر آنها نسبت به سایر آلیاژهای مقاوم به سایش بوده است .
ما در اینجا این دو نوع از چدن سفید ( پركرم و Ni-hard) را از جهات مختلفی مانند (ساختار میكروسكوپی ، پروسه تولید ، عملیات حرارتی ، ملاحظات متالورژیكی وغیره و...) مورد بررسی قرار دادیم .
فصل اول :
چدنهای كرم دار
مقدمه:
چدنهای كرم دار
در تجهیزاتی كه عملیات سایش انجام می گیرد آلیاژهای آهنی با بیشترین كربن بهترین مقاومت سایشی را دارند. ولی بخاطر تنشهای متعددی كه هنگام كار به وجود می آید باید ماده به كار رفته چقرمگی كافی برای جلوگیری از بروز عیوب گوناگون را داشته باشد. فولادهای غیر آلیاژی یا كم آلیاژ با كربنی حدود 4/0% در حالتی كه ساختارشان مارتنزیتی است چقرمگی پائینی دارند. چدنهای سفید غیر آلیاژی كه اغلب كاربید موجود در انها سمنیتت است سالها به علت مقاومتی كه در مقابل سایش دارند مورد استفاده قرار گرفته اند. با این حال در موارد متعددی استفاده از انها رضایت بخش نبوده است. ضعف این چدنها در ساختارشان است. فاز كاربید یك شبكه پیوسته ای را در اطراف دانه های آستنیت تشكیل داده و موجب تردی و ترك خوردن می گردد. افزایش یك عنصر آلیاژی كه كربن را به صورت كاربیدی غیر از سمنتیت با سختی بیشتر و خواص مطلوب تر در آورده و نیز مقدار كربن زمینه را كاهش دهد، موجب بهبود همزمان چقرمگی و مقاومت سایشی می شود. عنصری كه معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد كرم است، و كاربید آن بیشتر به صورت M7C3 می باشد. در خردكننده ها قطعاتی كه تحت سایش هستند باید نه تنها در مقابل سایش بلكه در مقابل تنشهای دینامیكی هم كه می تواند منجر به شكستهای ناگهانی شود مقاومت كنند. قطعاتی كه در معرض تنشهای سنگین هستند مشكل بزرگی را به وجود می آورند و آن اینكه قطعه باید دو خاصیت متناقض را در كنار هم داشته باشد كه عبارت است از مقاومت سایشی و چقرمگی.
مقاومت در مقابل شكست ناگهانی در این قطعات خاصییت پیچیده ای است كه نه تنها به چقرمگی بلكه به شكل هندسی قطعه و نحوه توزیع تنشهای داخلی بستگی دارد. چقرمگی وابسته به پارامترهای متعدد مكانیكی، فیزیكی و متالورژیكی است. كربن مهمترین عاملی است كه روی مقاومت سایشی و چقرمگی آلیاژهای آهنی به طور همزمان ولی در خلاف جهت هم اثر می گذارد. با افزایش مقدار كربن تأثیر آن روی مقاومت سایشی بیشتر می شود. انتخاب تركیب شیمیائی و عملیات حرارتی برای كسی كه درصدد یافتن راهی برای بهینه كردن مقاومت سایشی و چقرمگی باشد از بیشترین اهمیت برخوردار است. جهت بدست آوردن سختی پذیری كافی است برای ضخامت مشخص مقدار عنصر آلیاژی مناسب انتخاب شود. ساختار میكروسكوپی این گروه از چدنهای سفید شامل كاربیدهای آهن – كرم یوتكتیك ناپیوسته (Cr, Fe)7 C3 و كاربیدهای ثانویه غنی از كرم در زمینه ای از آستنیت یا محصولات استحاله آن می باشد. به كمك عملیات حرارتی می توان زمینه آستنیتی، مارتنزیتی، بینیتی و یا پرلیتی بدست آورد. مقاومت سایشی بهینه و بهترین تركیب مقاومت سایشی – استحكام – چقرمگی در چدنهائی كه زمینه مارتنزیتی دارند می آید. نامهای معروف چدنهای سفید آلیاژی تجارتی عبارتند از: چدنهای نیكل هارد CR (IV, II, I)12، CR15، CR20، CR25.
اثر ساختار میكروسكوپی
بیشترین مقاومت سایشی این چدنها نتیجه مستقیم ساختار میكروسكوپی آنهاست. اغلب فرایندهای سایشی را می توان یك عمل برشی یا فراشی تعریف نمود. نظیر عملیات ماشینكاری كه یك ذره ساینده به سطح فلز فرورفته و خطوط سایش و تغییر شكل ایجاد كرده و ذراتی را از سطح جدا می كند. براده هائی كه از محل سایش بدست آمده اند حاوی ذرات بسیار ریزی هستند كه از قلم تراش در حین عملیات ماشینكاری جدا شده اند. برای عملی شدن مكانیزم سایش كاملاً ضروری است كه وسیله ساینده از فلز سخت تر باشد. اگر این وسیله نرمتر باشد فرآیند بیشتر به خوردگی و اكسیداسیون شبیه خواهد باشد. اگر این وسیله نرمتر باشد فرآیند بیشتر به خوردگی و اكسیداسیون شبیه خواهد بود و فقط سایش ناچیزی انجام می گیرد. جدول 1 سختی میانگین تعدادی از مینرالها، كاربیدها و آلیاژهای پر آهن با تركیبات مختلف زمینه را نشان می دهد. این مقایسه مشخص می كند كه كوارتز كه مهمترین تركیب در اغلب مینرالهای ساینده می باشد از آلیاژهای آهن با هر نوع ساختاری كه زمینه آنها داشته باشد سخت تر است به همین جهت می تواند به راحتی آنها را بساید. كاربید آهن (سمنیتت) كه بیشترین كاربید در چدنهای سفید كم آلیاژ می باشد از كوارتز نرمتر است و كاربید كرم كه بیشترین كاربید در چدنهای پر كرم است از كوارتز سخت تر است و به همین جهت در مقابل سایش مقاومت می كند. كاربیدهای زیادی هستند كه از كاربید كرم هم سخت تر می باشند ولی متأسفانه بسیار گران هستند و این مسئله موجب محدود شدن كاربرد آنها شده است. در چدن سفید كاربیدها چیزی كمتر از 50- 40 درصد از كل حجم قطعه را نشان می دهند بقیه زمینه است و چون این زمینه از كوارتز نرمتر است سائیده می شود بنابراین ممكن است كاربیدها كنده شده و از زمینه خارج شوند و فقط از قسمتی از مقاومت سایشی آنها به طور كامل استفاده گردد.
جدول 1
انتخاب زمینه
بهترین زمینه ای كه می توان انتخاب كرد مارتنزیت پر كربن و سختی است كه سختی آن ناشی از كاربیدهای ثانویه پراكنده می باشد. دومین انتخاب خوب می تواند آستنیت ناپایدار كار سختی پذیر باشد. بهترین اتحاد بین استحكام و چقرمگی را می توان بر اساس ساختار میكروسكوپی توضیح داد. در چدنهای سفید پر كرم كاربیدها در زمینه پراكنده شده اند كه این برخلاف حالتی است كه در چدنهای سفید پر كرم كاربیدها در زمینه پراكنده شده اند كه این بر خلاف حالتی است كه در چدنهای سفید كم آلیاژ لدبوریتی وجود دارد. در این حالت ساختار را می تواند به صورت زمینه ای از سمنتیت با محصولات گوناگون استحاله آستنیت كه فاز ترد كاربید بر استحكام و چقرمگی غلبه كرده است، توصیف نمود.
افزایش مقدار كربن حجم كاربیدها را در ساختار افزایش می دهد از آنجائیكه این كاربیدها سختی و مقاومت سایشی بالائی دارند افزایش كربن موجب افزایش مقاومت سایشی نیز می شود. به هر حال اگر مقدار كربن از مقدار یوتكتیك زیادتر شود كاربیدهای اولیه زیادی تشكیل خواهند شد كه اینها ترد بوده و تحت ضربه ذرات ساینده منجر به شكست می شوند و در نتیجه باعث افزایش كاهش وزن در اثر سایش می گردند و این با یك كاهش در چقرمگی و خواص مكانیكی همراه است. به عنوان نتیجه حداكثر مقدار كربن مجاز برای اغلب كاربردها تا حد یوتكتیك است. تنها در حالتهائی كه سطح چه در مقیاس میكروسكوپی و چه در مقیاس ماكروسكوپی تحت ضربه و تنشهای مكانیكی پائینی باشد مقدار كربن هیپریوتكتیك مفید خواهد بود.
درصد كربن یوتكتیك در مذابی با cr15% تقریباً 6/3% و در مذابی با CR20%، 2/3% و در CR25%، 3% می باشد. عناصر دیگری می توانند این مقادیر را تغییر دهند مخصوصاً سیلسیم كه آن را كاهش می دهد.
اهمیت زمینه از شكل 1 معلوم است. هر چه زمینه نرمتر باشد مقاومت سایشی آن كمتر شده و تمایل كاربیدها برای خارج شدن از زمینه افزایش خواهد یافت. اثر
نامطلوب دیگری كه به وجود آمدن زمینه نرم در پی دارد پائین بودن استحكام تسلیم
می باشد. ممكن است چنین زمینه هائی نتوانند ساپورت و پشتوانه كافی برای كاربیدها را جهت مقاومت در برابر تنشهای مكانیكی وارده ایجاد كنند و نتیجتاً كاربیدها در اثر اعمال تنش برشی توأم با سایش بشكنند. در این رابطه خصوصاً پرلیت مهم است و اگر مقدار پرلیت 10% و یا كمتر باشد ممكن است اثرات زیان آوری روی مقاومت سایشی داشته باشد.
شكل 1
در بسیاری از فرآیندهای سایش آستنیت چدنهای پر كرم مشابه با فولادهای هادفیلد با 12% منگنز می تواند كار سخت شود ولی به هر حال این كار سختی زمینه مقاومت سایشی چدن را به اندازه چدن پر كرم با زمینه مارتنزیتی افزایش نمی دهد. این موضوع را جدول 2 نشان می دهد. طبقه بندیهائی كه در این جدول روی آلیاژها انجام گرفته عملاً در بسیاری از عملیات خرد كردن و اسیاب كردن تجربه شده است. و این چیزی است كه منطقاً از تست های سایشی آزمایشگاهی انتظار میرود. عیب دیگر یك زمینه آستنیتی و یا نیمه آستنیتی، نا پایدار بودن آن است كه ممكن است تحت تنش های مكانیكی و یا افزایش دما تبدیل به مارتنزیت شود. تغییرات حجمی كه این تبدیل بدنبال خواهد داشت، تنشهائی را به وجود می آورد كه ممكن است قطعه را شكسته و یا موجب ترك خوردن سطح آن شود. مقاومت سایشی مارتنزیت با افزایش مقدار كربن بالا میرود. كاربیدهای ثانویه پخش شده در زمینه عملیات حرارتی تشكیل شده اند، به علت تشكیل نقاط سخت و پراكنده در زمینه در بسیاری از كاربردها مقاومت سایشی را افزایش می دهند. آلیاژهائی كه در حالت مارتنزیت بهترین مقاومت سایشی را دارند حاوی 12 تا 22% كرم می باشند اگر مقدار كرم كمتر از 12% بوده و مقدار كربن درحد یوتكتیك و یا حتی كمی به سمت هیپویوتكتیك باشد ممكن است مقداری كاربید یوتكتیكی كه بیشتر به صورت سمنتیت است تا كاربید كرم، تشكیل شده و منجر به كاهش محسوسی در مقاومت سایشی و چقرمگی شود. در حالتی هم كه مقدار كرم بالای 22- 20 درصد و مقدار كربن در حد تركیب یوتكتیك باشد قسمت اعظم كربن به صورت كاربید كرم در آمده و در نتیجه یك زمینه مارتنزیتی كم كربن بدست می آید كه مقاومت سایشی این زمینه كم خواهد بود.
ذوب و ریخته گری چدنهای پر كرم
چدنهای پر كرم را می توان در انواع كوره های الكتریكی و كوره های سوختی تولید كرد. اصولاً نسوز كاری این كوره ها می تواند خنثی و یا اسیدی باشد در حالتی كه از نسوز اسیدی استفاده شود امكان دارد كه بین كرم موجود در مذاب و سیلیس نسوز واكنشی انجام گیرد ولی این حقیقت كه مقادیر زیادی از چدنهای پركرم كه در كوره های القائی با جداره اسیدی تولید میشود، معلوم می كند كه از دیدگاه عملی این موضوع مسئله ای را پیش نمی آورد. كوره‌های كوپل به علت اكسیده شدن و از بین رفتن زیاد كرم و نیز وارد شدن كربن زیاد و تبدیل تركیب شیمیائی به هایپریوتكتیك برای ذوب چدنهای پر كرم مناسب نمی باشد. معمولاً مواد شارژ عبارتند از: قراضه های فولادی آلیاژی و غیر آلیاژی، بر گشتی قطعات ضد سایش و فروكرم پر كربن.
چدنهای پر كرم معمولاً به صورت آرام ذوب می شوند و بجز حالتی كه نیاز به كاهش كربن باشد نیازی به دمش اكسیژن نیست. برای ذوب در كوره های القائی كه تلاطم خوبی دارند دماهای بالا لازم نیست و معمولاً اگر دمای نهائی به C° 1480 برسد كافی خواهد بود. در كوره های قوس الكتریكی برای اطمینان هموژن شدن تركیب مذاب و برای افزایش سرعت حل شدن كربن و عناصر آلیاژی كه بعد از ذوب به كوره اضافه می شود عموماً از دماهای نهائی تا C° 1565 استفاده می شود. كربوریزاسیون به روش عادی و با استفاده از مواد معمولی انجام می گیرد. استفاده از چدن خام نیز امكان پذیر است اما باید سیلیس آن پائین باشد. برای جلوگیری از تلفات در اثر اكسید شدن، فرو كرم را در پایان عملیات ذوب اضافه می كنند در كوره های القائی تلفات فرو كرم حدود 5/0 می باشد در حالیكه در مورد مولیبدن، نیكل و مس این تلفات ناچیز است.
دمای لیكیدوس چدنهای پر كرم حاوی 16- 12 درصد كرم اساساً تابعی از مقدار كربن می باشد شكل. دمای سالیدوس عمدتاً به مقدار كرم بستگی دارد. محدوده این دما برای cr12%، C° 1180- C° 1170 برای cr15%، C° 1220- 1200 و برای cr20%، C° 1260- 1240 می باشد. چند سال قبل اكسیژن زدائی مذاب توسط آلومینیوم مشابه با آنچه كه در ذوب فولاد انجام می گیرد معمول بود در حال حاضر بسیاری از تولید كننده های بزرگ این روش را بدون اینكه هیچ گونه اثر مضری روی خواص دیگر داشته باشد كنار گذاشته اند. افزایش تیتانیم در كوره كه گاهی به منظور كنترل اندازه دندریت ها انجام می گیرد، تأثیر كمی روی خواص دارد. گزارشاتی مبنی بر اینكه افزایش آلومینیوم و تیتانیم در كوره مشكلاتی را دررابطه با تغذیه بوجود می آورد، موجود است. كنترل دقیق مقدار سیلسیم در قطعات ضخیم از جنس چدن پر كرم بسیار مهم است. در بسیاری موارد علت پائین بودن مقاومت سایشی قطعات این است كه مقدار سیلسیم از مقدار تعیین شده بیشتر بوده و در نتیجه موجب بوجود آمدن زمینه پرلیتی شده است. یكی از دلایل افزایش مقدار سیلسیم استفاده غلط از فروكرم پر سیلسیم است.از طرف دیگر اگر مقدار سیلسیم در كوره كمتر از 4/0% باشد سرباره ویسكوز شده و مشكلاتی را ایجاد خواهد كرد. اگر مقدار سیلسیم حدود 6/0% باشد در عملیات ذوب مسئله ای پیش نخواهد آمد.
ریختن فلز مذاب
برای تولید قطعات چدنی پر كرم كنترل دقیق دماهای بارریزی بسیار مهم است. جهت جلوگیری از كشیدگی و عیوبی نظیر نفوذ ذوب و ماسه سوزی لازم است كه از دماهای بارریزی پائین استفاده شود. دماهای پائین در كنترل اندازه دندریت ها و بدست آوردن ساختار ریزدانه با كاربیدهای یوتكتیكی نیز مؤثر است. معمولاً دماهای بارریزی C° 55 بالای خط لیكیدوس هستند. دمای بارریزی قطعاتی كه ضخامت آنها كمتر از mm 100 باشد، C° 1400- 1350 انتخاب می شود. در این دما لایه اكسید تشكیل شده بر روی فلز مذاب باعث می شود كه مذاب غلیظ به نظر آید ولی در واقع مذاب سیالیت بسیار عالی دارد هنگام انتخاب دمای بارریزی بهینه باید شكل قطعه نیز در نظر گرفته شود. دماهای بارریزی بالا كشیدگی در زیر تغذیه ها را تشدید كرده و با به وجود آمدن حفره های انقباضی نسبتاً درشت در بین دندریتها با ساختاری بسیار درشت دانه همراه خواهد بود.
تنشهای نا خواسته (باقیمانده) در قطعات
قطعات چدنی پركرم بیش از قطعات چدنی سفید كم آلیاژ مستعد ترك خوردن هستند مگر اینكه پیش بینی های مناسب انجام گیرد. چندین عامل در این امر سهیم
می باشند. بعضی اوقات دیده می شود كه قطعه خارج شده از داخل قالب ترك خورده است. تنشهائی كه به اندازه كافی بزرگ بوده و موجب شكست قطعه می شوند وقتی به وجود می آیند كه استحكام قالب و ماهیچه بیش از حد بوده و در نتیجه هنگام سرد شدن قطعه از انقباض طبیعی آن جلوگیری شود. یكی از دلایلی كه اغلب اوقات موجب ایجاد تنش های ناخواسته و در نتیجه ترك خوردن قطعه می شود خارج كردن قطعه از داخل قالب در دمای بالا می باشد كه در این حالت در قسمتی از زمینه استحاله آستنیت به مارتنزیت انجام می گیرد. اگر قطعات خیلی زود از داخل قالب خارج شده و تا دمای اتاق در هوا سرد شوند، علاوه بر تنشهای ایجاد شده در اثر اختلاف دما بین مركز و سطح قطعه تنشهای دیگری در اثر استحاله فوق به وجود خواهند آمد. معمولاً تركهائی كه در اثر استحاله ها به وجود آمده اند به طرف مركز قطعه پهن تر می شوند و اغلب آنها قبل از رسیدن به گوشه ها متوقف می گردند. تقریباً در مركز ناحیه ای كه آهسته سرد شده است به صورت طولی پیشروی
می نمایند.
تركهای ناشی از سنگ زنی
چدنهای پر كرم ریختگی در حالتی كه زمینه عمدتاً آستنیتی است بسیار مستعد تشكیل تركهای سایشی هستند. تركهای حرارتی در طول مدت سایش را می توان با استفاده از یك چرخ نرم با سرعت زیاد به حداقل رسانید. تركهای سایشی همواره كم عمق هستند. قطعاتی با ساختار پرلیتی و یا مارتنزیتی در مقابل چرخهای ساینده و فشارهای ساینده بسیار مقاوم هستند بنابراین عملیات سایش باید بعد از عملیات حرارتی انجام گیرد.
جهت دریافت فایل مطالعه و بررسی پدیده سایش (Wear) به عنوان یك معضل در صنعت لطفا آن را خریداری نمایید
قیمت فایل فقط 6,900 تومان
برچسب ها : مطالعه و بررسی پدیده سایش (Wear) به عنوان یك معضل در صنعت , معضل در صنعت , چدنهای كرم دار , Wear , ملاحظات متالورژیكی , آنالیز شیمیایی , دمای كوئینچ , تركهای ناشی از سنگ زنی , چدنهای نیكل سخت , عناصر آلیاژی , دانلود مطالعه و بررسی پدیده سایش (Wear) به عنوان یك معضل در صنعت , بررسی پدیده سایش , جغرافیا , پروژه دانشجویی , دانلود پژوهش , دانلود تحقیق , دانلود