واژه‌های کليدي:چدن نایهارد4، کاربید یوتکتیک، کاربید ثانویه، دما و زمان ناپایدارسازی آستنیت، مقاومت سایشی فهرست مطالبفصل 1- مقدمه1فصل 2- مرور بر منابع52-1- معرفی چدن های سفید مقاوم به سایش (چدن نایهارد)52-2- تاریخچه62-3- کاربرد چدنهای نایهارد72-4- چدنهای نایهارد و استانداردهای آن92-4-1- ترکیب شیمیایی و ریزساختار92-4-2- چدن نایهارد 1 و2102-4-3- چدن نایهارد 4122-5- تاثیر عناصر آلیاژی142-5-1- کربن142-5-2- کروم162-5-3- نیکل172-5-4- مولیبدن182-5-5- تنگستن182-5-6- نیوبیم192-5-7- وانادیم212-5-8- منگنز222-5-9- مس222-5-10- سیلیسیم222-5-11- بور242-5-12- گوگرد242-5-13- فسفر242-5-14- نتیجه گیری242-6- ساختار متالورژیکی چدن نایهارد252-6-1- فازهای مختلف موجود در چدن نایهارد252-6-2- فازهای کاربیدی در چدن نایهارد262-6-3- تاثیر شکل و اندازه کاربیدها در چدن نایهارد312-6-4- ساختمان زمینه چدن نایهارد312-7- ذوب و ریخته گری342-8- انجماد چدن نایهارد352-9- عملیات حرارتی382-10- عملیات ناپایدارسازی و تبدیل آستنیت در آن412-10-1- تشریح فرایند412-10-2- تبدیل مارتنزیتی در حین عملیات حرارتی ناپایدارسازی432-11- عملیات حراتی تمپر432-12- پارامترهای عملیات حرارتی442-13- مقاومت به سایش چدنهای نایهارد472-13-1- رابطه بین سختی و مقاومت به سایش482-13-2- درصد کربن و ریزساختار482-13-3- مورفولوژی، مقدار حجمی و اندازه کاربید یوتکتیک502-13-4- دمای تمپر502-13-5- اثر آستنیت باقیمانده502-13-6- روش‌های آزمون سایش512-14- خلاصه تحقیقات انجام شده در خصوص نایهارد 4532-15- جمع بندي و هدف از تحقيق54فصل 3- روش تحقیق553-1- طراحي آزمايش563-1-2- تهیه مدل و قالبگیری573-1-3- ذوب و بارریزی583-1-4- ترکیب شیمایی چدن نایهارد4 ریخته شده583-1-5- عملیات حرارتی ناپایدارسازی593-1-6- مطالعات میکروسکوپی برای بررسی ریزساختار593-1-7- آنالیز تفرق اشعه X (XRD)603-1-8- آزمون سختی603-1-9- آزمون سایش61فصل 4- نتايج و بحث634-1- بررسی ریزساختار و سختی چدن نایهارد در حالت ریختگی634-2- اثر زمان ناپایدارسازی بر سختی654-3- اثر زمان ناپایدارسازی در دماهای مختلف بر ریزساختار684-4- اثر دمای ناپایدارسازی در زمان ثابت بر سختی794-5- اثر دمای ناپایدارسازی بر ریزساختار در زمان ثابت824-6- بررسی ریزساختار با میکروسکپ‌الکترونی روبشی854-7- اثر عملیات تمپر بر تغییرات سختی و ریزساختار864-8- اثر عملیات ناپایدارسازی بر مقاومت به سایش چدن نایهارد91نتيجه‌‌گیری97پيشنهادات برای تحقيقات بيشتر99مراجع101پیوست ها107 فهرست شکل هاعنوان صفحهشكل (2-1) صفحه لاینر آسیاب ]2[7شكل (2-2) پمپ لایروبی ساخته شده از چدن نایهارد 4 ]2[8شكل (2-3) دستگاه ایجاد دمش در معدن الماس]5[9شكل (2-4) ریزساختار نایهارد 1 در حالت ریختگی ]2[11شكل (2-5) کاربید یوتکتیک M3C در زمینه ]2[11شكل (2-6) اثر مارتزیت زمینه بر سختی چدن نایهارد 2]2[12شكل (2-7) ریزساختار کاربید یوتکتیک چدن نایهارد 4 و کاربید میلهای شکل یوتکتیک(تصویر راست) [2،17]13شكل (2-8) اثر کربن بر سختی و مقاومت به ضربه نایهارد 4 بعد از عملیات حرارتی [2،19].15شكل (2-9) دیاگرام فازی آهن- کربن- کروم [18].16شكل (2-10) اثر کروم بر مقاومت سایشی (a) سخت کردن°C820(b) سخت کردن°C800 [20].17شكل (2-11) کاربیدهای یوتکتیکی M2C]17،21[19شكل (2-12) تشکیل کاربید نیوبیم در چدنهای نایهارد ]24[20شكل (2-13) تغییرات مقاومت سایشی نسبت به درصد وانادیم [15،18]21شكل (2-14) اثر افزودن سیلیسیم بر مقاومت سایشی (a) سخت کردن در دمای °C820 (b) سخت کردن در °C850]20[23شكل (2-15) اثر افزودن سیلیسیم بر سختی(a) سخت کردن در دمای °C820 (b) سخت کردن در°C850]20[23شكل (2-16) ریزساختار ریختگی چدن نایهارد با کاربید M3C]17[27شكل (2-17) ریزساختار قطعه ریختگی با کاربید یوتکتیک M7C3]17[28شكل (2-18) مورفولوژی تیغهای کاربید M7C3]17،31[28شكل (2-19) تشکیل کاریبد یوتکتیک M7C3]31[29شكل (2-20) ساختار دو گانهای از کاربیدها در چدن نایهارد ]5،17[29شكل (2-21) کاربیدهای ثانویه ایجاد شده در چدن نایهارد ]17[30شكل (2-22) کاربیدهای ثانویه تشکیل شده در چدن نایهارد ]30[31شكل (2-23) نمودار فازی دو تایی چدن نایهارد 4 ]2[35شكل (2-24) سطح شکست ریزساختار انجماد چدن سفید هیپو با فوق گداز کم ]36[37شكل (2-25) سطح شکست ریزساختار انجمادی چدن سفید هیپو با فوق گداز بالا]36[37شكل (2-26) تاثیر سرعت انجماد بر ریزساختار چدن مقاوم به سایش ]36[37شكل (2-27) تشکیل کاربید M3C طبق واکنش پریتکتیک ]36[38شكل (2-28) نمودارپیوسته چدن Ni-hard 4]2[41شكل (2-29) نمودار ایزوترمال چدن Ni-hard 4]2[42شكل (2-30) رابطه درصد آستنیت باقیمانده، قبل و بعد از عملیات حرارتی با درجه حرارت ]39[45شكل (2-31) تاثیر دمای عملیات حرارتی بر سختی چدن نایهارد ]39[45شكل (2-32) تصویر میکروسکوپ نوری مربوط به نمونهای که در هوای آرام سرد شده است ]38[46شكل (2-33) تصویر میکروسکوپ نوری مربوط به نمونه شکل (2-32) که در روغن سرد شده است ]38[46شكل (2-34) تاثیر دمای تمپر بر روی سختی چدن نایهارد ]38[47شكل (2-35) تغییرات مقاومت سایش با نسبت سختی ماده به سختی ساینده در چدن سفید ]2،40[48شكل (2-36) مقاومت سایشی بر حسب مقدار کربن و ریزساختار فولادها و چدنهای سفید ]2[49شكل (2-37) نمایی از دستگاه پین روی دیسک ]44[52شكل (2-38) نمایی از دیسک ساینده و نگهدارنده پین ]44[53شكل (3-1) فلوچارت طراحی آزمایش.56شكل (3-2) مدل فومی ریخته شده57شكل (3-3) قالب ریخته شده جهت ذوب ریزی57شكل (3-4) نمونه پینهای آزمون سایش62شكل (3-5) سنگ ساینده مورد استفاده در آزمون سایش62شكل (3-6) نحوه انجام آزمون سایش62شكل (4-1) ریزساختار نمونه ریختگی چدن نایهارد 463شكل (4-2) اثر زمان ناپایدارسازی بر ماکروسختی در دماها و زمانهای مختلف66شكل (4-3) اثر دما و زمان ناپایدارسازی بر میکروسختی نمونههای نایهارد67شكل (4-4) ریزساختار نمونه ناپایدار شده در دمای C°750 در زمانهای مختلف 1 تا 6 ساعت.69شكل (4-5) ریزساختار نمونه ناپایدار شده در دمای C°800 در زمانهای مختلف 1 تا 6 ساعت.71شكل (4-6) ریزساختار نمونه ناپایدار شده در دمای C°850 در زمانهای مختلف 1 تا 6 ساعت.73شكل (4-7) ریزساختار نمونه ناپایدار شده در دمای C°900 در زمانهای مختلف 1 تا 6 ساعت.74شكل (4-8) تاثیر زمان ناپایدارسازی بر مقدار حجمی فازها77شكل (4-9) اثر زمان ناپایدارسازی بر مقدار آستنیت باقیمانده در دماهای ناپایدارسازی78شكل (4-10) اثر زمان ناپایدارسازی بر مقدار حجمی فازها79شكل (4-11) اثر دمای ناپایدارسازی بر سختی در زمان ثابت 5 ساعت80شكل (4-12) اثر دمای ناپایدارسازی بر سختی در زمان ثابت شش ساعت80شكل (4-13) اثر دمای ناپایدارسازی بر مقدار حجمی فازهادر زمان 6 ساعت81شكل (4-14) اثر دمای ناپایدارسازی بر ریزساختار نمونهها در زمان 5 ساعت82شكل (4-15) اثر دمای ناپایدارسازی بر ریزساختار نمونهها در زمان 6 ساعت83شكل (4-16) اثر دمای ناپایدارسازی بر مقدار حجمی فازها84شكل (4-17) ریزساختار مشاهده شده توسط SEM از نمونههای ناپایدار شده86شكل (4-18) اثر دمای تمپر بر سختی87شكل (4-19) ریزساختار نمونههای تمپر شده بعد ازناپایدارسازی آستنیت در دمای C°75088شكل (4-20) ریزساختار نمونههای تمپر شده بعد ازناپایدارسازی آستنیت در دمای C°80089شكل (4-21) ریزساختار نمونههای تمپر شده بعد ازناپایدارسازی آستنیت در دمای C°85090شكل (4-22) ریزساختار نمونههای تمپر شده بعد ازناپایدارسازی آستنیت در دمای C°90091شكل (4-23) اثر عملیات ناپایدارسازی بر مقاومت به سایش چدن نایهارد92شكل (4-24) تصویر SEM گرفته شده از سطح سایش نمونههای نایهارد493شكل (4-25) اثر سختی معادل بر مقاومت به سایش96 فهرست جدول هاجدول (2-1) استاندارد اروپایی چدنهای نایهارد ]2[10جدول (2-2) ترکیب شیمیایی انواع چدنهای نایهارد [2،5]10جدول (3-1) اطلاعات مربوط به فرایند ذوب58جدول (3-2) آنالیز ذوب نایهارد 458جدول (3-3) شرایط انجام عملیات حرارتی59جدول (4-1) درصد حجمی فازهای تشکیل شده در نمونه ریختگی65جدول (4-2) اثر دما و زمان ناپایدارسازی بر ماکروسختی نمونهها بر حسب ویکرز66جدول (4-3) درصد حجمی فازهای تشکیل شده در دمای 750 درجه سانتیگراد75جدول (4-4) درصد حجمی فازهای تشکیل شده در دمای 800 درجه سانتیگراد75جدول (4-5) درصد حجمی فازهای تشکیل شده در دمای 850 درجه سانتیگراد76جدول (4-6) درصد حجمی فازهای تشکیل شده در دمای 900 درجه سانتیگراد76جدول (4-7) اثر دمای تمپر بر سختی نمونهها بر حسب ویکرز87 فصل 1- مقدمه چدنهای مقاوم به سایش بر مبنای ریزساختار و آلیاژهای آنها به پنج گروه عمده تقسیم میشود که در این میان چدن نایهارد4 چدنی با 6% نیکل، 9% کروم و 2% سیلیسیم با کربن یوتکتیک و ساختاری با کاربیدهای یوتکتیک M7C3 و زمینه عاری از پرلیت در حالت ریختگی و نیز بعد از عملیات حرارتی غالباً بصورت مارتنزیتی میباشد. این آلیاژها از طریق یک واکنش یوتکتیک که منجر به تشکیل آستنیت و کاربید یوتکتیک M7C3 شده، منجمد میشود.چدن نایهارد4 از قدیمیترین گروه های چدنهای پر آلیاژ در صنعت بوده که بیش از 50 سال قدمت داشته و مواد بسیار مناسبی در آسیابهای سیمان محسوب میشوند. همچنین مصرف این نوع چدنها در تولید قطعاتی نظیر بوش ها، سیلندرها، بوش سیلندرها، کاسه چرخ و ... می باشد.در این چدن، نیکل عنصری است که مانع از تشکیل پرلیت از زمینه آستنیتی شده و باعث تشکیل یک ساختار سخت مارتنزیتی در حین سرد شدن در قالب میشود. کروم هم در تشکیل کاربیدهای یوتکتیک M7C3 و نیز بی اثر کردن اثر گرافیت زایی نیکل مورد استفاده قرار میگیرد.مقاومت سایشی و خواص مکانیکی چدن نایهارد به نوع، مورفولوژی و توزیع کاربیدهای یوتکتیک و نیز ماهیت ساختار زمینه بستگی دارد. ترکیب شیمیایی، شرایط انجماد و نیز عملیات حرارتی بر این پارامترها تاثیر گذار خواهند بود.مقاومت سایشی خوب چدنهای نایهارد به دلیل ریزساختار آنهاست که شامل کاربیدهای سخت یوتکتیک توزیع شده در زمینه مارتنزیتی، آستنیتی و رسوب کاربیدهای ثانویه میباشد. در مجموع ساختار زمینه میتواند هم روی مقاومت سایشی و هم مقاومت ضربه تاثیر گذار باشد.ریزساختار آلیاژ یک نقش اساسی را در رفتار سایشی ایفا میکند. همانطور که بیان شد مقدار حجمی کاربیدها و نیز ساختار زمینه و توانایی آن برای تغییر فرم و کارسختی در حین سایش، بر مقاومت سایشی موثر میباشند. با مطالعات صورت گرفته، مشحص شد که ارتباط بسیار قوی بین پارامترهای ریزساختاری و مقاومت به سایش با شرایط عملیات حرارتی وجود دارد. لذا تعیین پارامترهای عملیات حرارتی برای بهبود مقاومت به سایش و خواص مکانیکی چدن نایهارد موثر میباشد..ساختار بعد از عملیات حرارتی نقش عمدهای را بر خواص مکانیکی و متالورژیکی ایفا میکند که در نحوه کارکرد چدنهای نایهارد تاثیر به سزایی دارد. این چدن در حالت ریختگی شامل 50% آستنیت باقیمانده بوده و دارای سختی HB (500-400) بوده که با انجام سیکل عملیات حرارتی جهت تشکیل مارتنزیت مقدار سختی به HB (600-550) افزایش مییابد.عملیات حرارتی این چدنها شامل ناپایدارسازی در دماهای 750 تا 820 درجه سانتی گراد بوده و آنچه در عملیات حرارتی صورت میگیرد رسیدن به ریزساختاری عاری از پرلیت است. این قطعات پس از ناپایدارسازی با سرعت آهستهای سرد میشوند. از پارامترهای مهم در عملیات حرارتی، زمان و دمای ناپایدارسازی میباشد. بهترین دمای ناپایدارسازی برای رسیدن به ماکزیمم سختی برای هر ترکیب شیمیایی متغیر است.دمای ناپایدارسازی مقدار کربنی که باید در زمینه آستنیتی بصورت محلول باقی بماند را تعیین میکند. دماهای خیلی بالا پایداری آستنیت را افزایش داده لذا مقادیر آستنیت باقیمانده بیشتر، سبب کاهش سختی میشود. دماهای پایین هم منجر به مارتنزیت کم کربن شده و باعث کاهش سختی و مقاومت به سایش میشود. بنابراین تعیین این پارامترها در خواص مورد نظر کاملاً موثر میباشند.در این تحقیق سعی شد تا تاثیر دما و زمان ناپایدارسازی بر ریزساختار و خواص سایشی چدن نایهارد4 با انجام آزمایشهای مختلف بررسی شود. لذا با ثابت در نظر گرفتن سایر پارامترها، ناپایدارسازی نمونههای چدن نایهارد4 در چهار دمای 750،800،850،900 درجه سانتیگراد و زمانهای 1،2،3،4،5،6 ساعت صورت گرفت و سپس با انجام آزمایشهای مختلف اثر این پارامترها بر ریزساختار چدن نایهارد بررسی شد.آزمون سایش هم در شرایط تنش آرام به روش Pin On Disc و با ساینده Al2O3 بر روی نمونهها انجام شد تا اثر پارامترهای مورد نظر بر روی خواص سایشی چدن نایهارد مورد بررسی قرار گیرد.لازم به ذکر است که برای بررسی تاثیر پارامترهای دما و زمان ناپایدارسازی آزمایشهای مختلفی چون تعیین ریزسختیسنجی و درشتسختیسنجی به روش ویکرز، تعیین ریزساختار با میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ SEM، آنالیز XRD صورت گرفته تا نتایج حاصله بتواند تحلیل درستی را ارائه نماید. فصل 2- مرور بر منابعچدنهای نایهارد بر مبنای سیستم سه تایی Fe-Cr-C و از مهمترین آلیاژهای مقاوم به سایش در صنعت میباشند. این آلیاژها به دلیل خواص ضد سایش، به طور گسترده‌ای در صنایع سیمان، فولاد و آسیابهای خرد کننده به کار میروند. قطعاتی که در آسیابها استفاده میشوند، نه تنها در مقابل سایش، بلکه در برابر تنشهای دینامیکی متعدد در حین کار باید مقاوم بوده تا از بروز عیوب ناگهانی و شکست قطعات جلوگیری شود [1،2].چدنهای غیر آلیاژی یا کم آلیاژ با کربن حدود 4% با اینکه ساختارشان مارتنزیتی است، چقرمگی پایینی دارند. چدنهای سفید غیر آلیاژی که اغلب کاربید موجود در آنها به صورت سمانتیت است، به خاطر مقاومت در مقابل سایش مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ضعف عمده این چدنها در ساختارشان است [3].فاز کاریبد یک شبکه پیوسته‌ای را در اطراف دانه‌های آستنیت تشکیل داده و موجب تردی و ترک‌دار شدن می‌گردد. افزایش یک عنصر آلیاژی که کربن را به صورت کاربیدی غیر از سمانتیت با سختی بیشتر و خواص مطلوب‌تر درآورده و مقدار کربن زمینه را کاهش دهد، موجب بهبود هم زمان چقرمگی و مقاومت سایشی میشود. عنصر مورد استفاده معمولاً کروم بوده و کاربید آن به صورت M7C3 میباشد [3،4].چدنهای مقاوم به سایش بر مبنای ریزساختار و آلیاژهای آنها، به پنج گروه عمده شامل چدنهای پرلیتی (FeC)، نایهارد یا نیکل – کروم (M3C)، نایهارد 4 (M7C3)، پرکروم (M7C3) و در نهایت ویژه (MXC) تقسیم میشود[5].نخستین خانواده چدنهای پرآلیاژ که بیشترین اهمیت را کسب کرده‌اند، چدنهای نایهارد با زمینه مارتنزیتی، کاربیدی بوده که مقدار کربن در آنها از 5/2 تا 6/3 درصد متغیر میباشد. نایهارد نام عمومی برای خانواده چدنهای سفید است که با نیکل و کروم آلیاژ شده و مقاومت سایشی بالایی دارند. نایهارد شامل ریزساختاری از کاربیدها و یک زمینهی مارتنزیتی- آستنیتی- بینیتی یا زمینهی غالباً مارتنزیتی است که این ساختار توسط مقادیر کربن، نیکل، کروم، سیلیس و نیز عملیات حرارتی نهایی ایجاد میشود [2،6].در چدن نایهارد وجود عنصر نیکل به منظور به تعویق افتادن تشکیل پرلیت و نیز کاهش سرعت بحرانی سرد شدن در محدودهی 3/3 تا 5 درصد، به کار می‌رود که منجر به تشکیل مارتنزیت به همراه مقداری آستنیت باقی مانده در زمینه ساختار میشود. کروم از خاصیت گرافیت‌زایی نیکل جلوگیری کرده و باعث پایداری کاربیدها میشود [2،7،8،9].ترکیب کاربیدها با زمینهی مارتنزیتی مقاومت سایشی خوبی ایجاد میکند. تعیین درصد عناصر آلیاژی در چدن نایهارد به ابعاد قطعه و خواصی که از آن انتظار می‌رود، بستگی دارد. زمانیکه مقاومت سایشی خوب و ضربه پذیری پایین مورد نظر باشد، کاربیدهای درشتتر انتخاب شده و مقدار کربن بین 3/3 تا 6/3 بوده و در صورتی که قطعه در معرض بارهای ضربهای قرار میگیرد مقدار کربن بین 7/2 تا 2/3 درصد متغیر خواهد بود [9،10].