دانلود مقاله مطالعه و بررسی پدیده سایش Wear به عنوان یک معضل در صنعت

مطالعه و بررسی پدیده سایش (Wear) به عنوان یک معضل در صنعت

فهرست مطالب

- تعریف سایش و عوامل موثر بر آن ۶
۱- چدنهای سفید Ni-hard ۷
۲- چدنهای سفید پرکرم ۸
فصل اول : ۹
چدنهای کرم دارمقدمه: ۹
مقدمه: ۱۰
چدنهای کرم دار ۱۰
اثر ساختار میکروسکوپی ۱۲
جدول ۱ ۱۳
انتخاب زمینه ۱۳
شکل ۱ ۱۵
ترکهای ناشی از سنگ زنی ۱۹
ارتباطات فازی ۲۰
شکل ۲- سیستم سه تایی لیکیدوس (FE-CR-C ). ۲۱
شکل ۳- منطقة ۹۰۰- ۱۰۰۰- ۱۱۵۰ درجه سانتی گراد نقشة سیستم سه تایی لیکیدوس(FE-CR-C ). ۲۲
سختی پذیری ۲۳
مقادیر کربن و کرم ۲۴
شکل۴- ترکیب اصلی چدنهای پرکرم طبق استاندارد ASTM-A-532 ۲۵
شکل ۵-  ۱۲% Chromium- hardened ۲۷
شکل۶ ۲۷
شکل ۸-  ۲۵% Chromium- hardened ۲۸
عناصر آلیاژی دیگر: ۲۹
شکل۹- چکش و سندان در سنگ شکن کوبیت از آلیاژ چدن پر کرم ۳۱
شکل۱۰- نمای قسمتی از آسیاب سیمان که نشانگر بدنه های مختلف و گلوله ها ا ۳۳
شکل ۱۱- نمای داخلی دستگاه مخلوط کن بتون. جنس تیغه ها و بدنه ها از چدن پر کرُم می باشد. ۳۴
شکل۱۲- نمایی از پمپ ضد سایش با آلیاژ چدن پر کرُم ۳۵
عملیات حرارتی چدنهای پر کرم ۳۹
- روش آستنیته کردن ۴۰
دمای کوئنچ (آبدادن) ۴۴
شکل ۱۳- چدن با ۱۵% کرم که آنیل شده است. ساختار کاریدهای یوتکتیکی کرم در زمینه پرلیت. ۴۷
فصل دوم: ۴۸
چدنهای نیکل دار ۴۸
Ni-Hard ۴۸
ترکیب شیمیایی ۵۳
جدول۳- حدود متوسط ترکیب شیمیائی Ni- Hard ۵۳
منگنز ۵۵
نیکل ۵۶
ساختمان میکروسکوپی (Microstructure) ۵۷
شکل۱۶- چدن سفید مارتنزیتی (Ni- Hard)ریختگی در قالب فلزی ۵۹
شکل۱۷- چدن سفید مارتنزیتی با عنصر آلیاژی زیاد ۶۱
ذوب در کوره کوپل : ۶۲
ذوب در کوره های برقی : ۶۴
ذوب در کوره های بوته ای (Crucible Furnaces) : ۶۵
ذوب در کوره های شعله ای (Air Furnaces): ۶۵
قراضه های نیکل – سخت : ۶۷
ماهیچه سازی : ۶۸
جلوگیری از پیچیدگی قطعات مبرددار : ۶۹
شکل۱۹- قطعات قابل تراوش برای جا دادن در داخل قالب ۷۱
ریختن مذاب و تغذیه قطعه ریختگی ۷۲
عملیات تمیز کاری ( Fettling) : ۷۳
تعیین سختی : ۷۴
جدول ۴- تبدیلات تقریبی سختی ۷۵
آنالیز شیمیایی : ۷۷
شکل ۲۱- دستگاه نمونه گیری از مذاب نیکل سخت ۷۸
مطالعات میکروسکوپی: ۷۸
عملیات حرارتی Ni-Hard : ۷۹
شکل۲۲- Ni-Hard عملیات حرارتی ۸۱
شکل۲۳- Ni-Hard عملیات حرارتی دو مرحله ای شده نشاندهندة مارتنزیت تمپر شده و عدم وجود آستنیت باقیمانده. ۸۲
۱۰۰۰× اچ در محلول ۲ درصد نایتال ۸۲
Ni-Hard یوتکتیک: ۸۳
جوشکاری ۸۴
جدول ۵- الکترودهای جوشکاری ۸۴
عملیات تکمیلی و نهایی ( Finishing) ۸۵
عملیات سنگ زنی : ( Grinding Operations) ۸۶
ماشینکاری ۸۷
ماشینکاری بدنة پمپ های گریز از مرکز ۸۸
ماشینکاری میله (Bar Srock) ۸۸
صفحات مقاوم در  مقابل سایش (Wear Plates) ۸۸
فصل سوم: ۹۰
شرح آزمایش و نتیجه آزمایشعنوان‌آزمایش : ۹۰
عنوان‌آزمایش : ۹۱
نمونه ۱- بزرگنمایی ۱۰۰X ۹۱
نمونه ۲- بزرگنمایی ۱۰۰X ۹۱
نمونه ۳- بزرگنمایی ۱۰۰X ۹۲
نمونه ۴- بزرگنمایی ۱۰۰X ۹۲
نمونه ۵- بزرگنمایی ۱۰۰X ۹۲
نمونه ۵-T=600ºC ۹۶
فاز زمینه ۹۷
نتایج به دست آمده از آزمایش : ۹۸

چکیده :
 پدیده سایش (Wear) یکی از معضلاتی است که صنعت از دیرباز با آن مواجه بوده است . برخورد منطقی در جهت رفع این مشکل ، مرهون بررسی دقیق پدیده و عوامل موثر بر آن می باشد . بدین منظور برخی از مواد مناسبی که با توجه به مبانی متالورژیکی در عمل قابل استفاده می بانشد مانند (چدنهای سفید کرم دار، Ni-hard) مورد بررسی قرار می دهیم .
- تعریف سایش و عوامل موثر بر آن
سایش عبارت است از تلفات مکانیکی ماده از سطح یک جسم بواسطة تماس آن با سطح یا جسم دیگر علیرغم مکانیکی بودن این پدیده ، گاه با واکنشهای شیمیایی نیز همراه می شود .
- فاکتورهای کلیدی موثر برسایش عبارتند از :
۱) متغیرهای متالورژیکی نظیر سختی ، چقرمگی ( tough ness) ساختار میکروسکوپی و ترکیب شیمیایی
۲) متغیرهایی نظیر مواد در حال تماس ( نظیر ساینده ها و مشخصات آنها ) نوع و روش بارگذاری (Loading) ،سرعت ، دما ، زمان ، خشونت سطحی ، روانکاری ( Lubrication) و خوردگی .
در اینجا ما دو نوع ا زمواد مقاوم به سایش را مورد بررسی قرار می دهیم که عبارتند از چدنهای سفید پرکرم و چدنهای سفید Ni-hard که ابتدا چکیده ای از این دو نوع چدن سفید را در پایین می آوریم .
در اینجا دو نوع چدن سفید پرکرم و Ni-hard را مورد بررسی قرار میدهیم .
۱- چدنهای سفید Ni-hard
Ni-hard چدن سفید آلیاژی نیکل – کرم داری است که مقاومت قابل ملاحظه ای در مقابل سایش دارد . بیش از ۵۰ سال است که این آلیاژ وارد صنعت شده و موارد مصرف ، منحصر به فردی در صنایعی چون شکل دادن فلزات ، استخراج معدن ، نیروگاهها ، سیمان ، سرامیک ، رنگ، حفاری ، زغال سنگ و کک ، ریخته گری و دیگر صنایع پیدا کرده است این آلیاژ (که قیمت نسبی آن پایین است ) را می توان به جای چدن سفید معمولی در مواردی که به مقاومت در مقابل سایش مورد نیاز است و نیز به جای فولاد ۱۲ درصد منگنز در مواردی که به مقاومت در مقابل آلیاژ، غلطک های نورد ، زره آسیاب ها ، رینگ های بولدوزر ، کلاهک غلطک (‌ Noll-heads)اجزاء پمپهایی که در گل و لای کار می کنند لوله و زانوها و خرد کننده ها می باشد .
در حالیکه Ni-hard نام مناسبی برای قطعات ریختگی این کلاس آلیاژی است ، و در حقیقت در پاره ای از کشورهای صنعتی جهان این نام بعنوان یک نام تجاری به ثبت رسیده است ، اما قطعاتی با ترکیب شیمیایی Ni-hard بوسیله تولید کننده هایی که در این زمینه تجربیاتی دارند تحت عناوین تجارتی خودشان از قبیل NI CROMAX , DIAMAX , BF954, ELVERITE, DIAMITE نیز تولید می شوند .
۲- چدنهای سفید پرکرم
چدنهای سفید پرکرم 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 ، لیکن گزارشاتی در ارتباط با قابلیت «‌کارسختی پذیری » آستنیت در حین سایش وجوددارد .
چدنهای سفید پرکرم یکی از مهمترین آلیاژهای مقاوم به سایش در صنعت می باشند و کاربرد وسیعی در ساخت گلوله وزره آسیاها و قطعات مقاوم به سایش دارند بکار 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 ( پرکرم و Ni-hard) را از جهات مختلفی مانند (‌ساختار میکروسکوپی ، پروسه تولید ، عملیات حرارتی ، ملاحظات متالورژیکی وغیره و…) مورد بررسی قرار دادیم .

فصل اول :
چدنهای کرم دار
مقدمه:
چدنهای کرم دار
در تجهیزاتی که عملیات سایش انجام می گیرد آلیاژهای آهنی با بیشترین کربن بهترین مقاومت سایشی را دارند. ولی بخاطر تنشهای متعددی که هنگام کار به وجود می آید باید ماده به کار رفته چقرمگی کافی برای جلوگیری از بروز عیوب گوناگون را داشته باشد. فولادهای غیر آلیاژی یا کم آلیاژ با کربنی حدود ۴/۰% در حالتی که ساختارشان مارتنزیتی است چقرمگی پائینی دارند. چدنهای سفید غیر آلیاژی که اغلب کاربید موجود در انها سمنیتت است سالها به علت مقاومتی که 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 کاربید یک شبکه پیوسته ای را در اطراف دانه های آستنیت تشکیل داده و موجب تردی و ترک خوردن می گردد. افزایش یک عنصر آلیاژی که کربن را به صورت کاربیدی غیر از سمنتیت با سختی بیشتر و خواص مطلوب تر در آورده و نیز مقدار کربن زمینه را کاهش دهد، موجب بهبود همزمان چقرمگی و مقاومت سایشی می شود. عنصری که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد کرم است، و کاربید آن بیشتر به صورت M7C3 می باشد. در خردکننده ها قطعاتی که تحت سایش هستند باید نه تنها در مقابل سایش بلکه در مقابل تنشهای دینامیکی هم که می تواند منجر به شکستهای ناگهانی شود مقاومت کنند. قطعاتی که در معرض تنشهای سنگین هستند مشکل بزرگی را به وجود می آورند و آن اینکه قطعه باید دو خاصیت متناقض را در کنار هم داشته باشد که عبارت است از مقاومت سایشی و چقرمگی.
مقاومت در مقابل شکست ناگهانی در این قطعات خاصییت پیچیده ای است که نه تنها به چقرمگی بلکه به شکل هندسی قطعه و نحوه توزیع تنشهای داخلی بستگی دارد. چقرمگی وابسته به پارامترهای متعدد مکانیکی، فیزیکی و متالورژیکی است. کربن مهمترین عاملی است که روی مقاومت سایشی و چقرمگی آلیاژهای آهنی به طور همزمان ولی در خلاف جهت هم اثر می گذارد. با افزایش مقدار کربن تأثیر آن روی مقاومت سایشی بیشتر می شود. انتخاب ترکیب شیمیائی و عملیات حرارتی برای کسی که درصدد یافتن راهی برای بهینه کردن مقاومت سایشی و چقرمگی باشد از بیشترین اهمیت برخوردار است. جهت بدست آوردن سختی پذیری کافی است برای ضخامت مشخص مقدار عنصر آلیاژی مناسب انتخاب شود. ساختار میکروسکوپی این گروه از چدنهای سفید شامل کاربیدهای آهن – کرم یوتکتیک ناپیوسته (Cr, Fe)7 C3 و کاربیدهای ثانویه غنی از کرم در زمینه ای از آستنیت یا محصولات استحاله آن می باشد. به کمک عملیات حرارتی می توان زمینه آستنیتی، مارتنزیتی، بینیتی و یا پرلیتی بدست آورد. مقاومت سایشی بهینه و بهترین ترکیب مقاومت سایشی – استحکام – چقرمگی در چدنهائی که زمینه مارتنزیتی دارند می آید. نامهای معروف چدنهای سفید آلیاژی تجارتی عبارتند از: چدنهای نیکل هارد CR (IV, II, I)12، CR15، CR20، CR25.

اثر ساختار میکروسکوپی
بیشترین مقاومت سایشی این چدنها نتیجه مستقیم ساختار میکروسکوپی آنهاست. اغلب فرایندهای سایشی را می توان یک عمل برشی یا فراشی تعریف نمود. نظیر عملیات ماشینکاری که یک ذره ساینده به سطح فلز فرورفته و خطوط سایش و تغییر شکل ایجاد کرده و ذراتی را از سطح جدا می کند. براده هائی که از محل سایش بدست آمده اند حاوی ذرات بسیار ریزی هستند که از قلم تراش در حین عملیات ماشینکاری جدا شده اند. برای عملی شدن مکانیزم سایش کاملاً ضروری است که وسیله ساینده از فلز سخت تر باشد. اگر این وسیله نرمتر باشد فرآیند بیشتر به خوردگی و اکسیداسیون شبیه خواهد باشد. اگر این وسیله نرمتر باشد فرآیند بیشتر به خوردگی و اکسیداسیون شبیه خواهد بود و فقط سایش ناچیزی انجام می گیرد. جدول ۱ سختی میانگین تعدادی از مینرالها، کاربیدها و آلیاژهای پر آهن با ترکیبات مختلف زمینه را نشان می دهد. این مقایسه مشخص می کند که کوارتز که مهمترین ترکیب در اغلب مینرالهای ساینده می باشد از آلیاژهای آهن با هر نوع ساختاری که زمینه آنها داشته باشد سخت تر است به همین جهت می تواند به راحتی آنها را بساید. کاربید آهن (سمنیتت) که بیشترین کاربید در چدنهای سفید کم آلیاژ می باشد از کوارتز نرمتر است و کاربید کرم که بیشترین کاربید در چدنهای پر کرم است از کوارتز سخت تر است و به همین جهت در مقابل سایش مقاومت می کند. کاربیدهای زیادی هستند که از کاربید کرم هم سخت تر می باشند ولی متأسفانه بسیار گران هستند و این مسئله موجب محدود شدن کاربرد آنها شده است. در چدن سفید کاربیدها چیزی کمتر از ۵۰- ۴۰ درصد از کل حجم قطعه را نشان می دهند بقیه زمینه است و چون این زمینه از کوارتز نرمتر است سائیده می شود بنابراین ممکن است کاربیدها کنده شده و از زمینه خارج شوند و فقط از قسمتی از مقاومت سایشی آنها به طور کامل استفاده گردد.

جدول ۱
انتخاب زمینه
بهترین زمینه ای که می توان انتخاب کرد مارتنزیت پر کربن و سختی است که سختی آن ناشی از کاربیدهای ثانویه پراکنده می باشد. دومین انتخاب خوب می تواند آستنیت ناپایدار کار سختی پذیر باشد. بهترین اتحاد بین استحکام و چقرمگی را می توان بر اساس ساختار میکروسکوپی توضیح داد. در چدنهای سفید پر کرم کاربیدها در زمینه پراکنده شده اند که این برخلاف حالتی است که در چدنهای سفید پر کرم کاربیدها در زمینه پراکنده شده اند که این بر خلاف حالتی است که در چدنهای سفید کم آلیاژ لدبوریتی وجود دارد. در این حالت ساختار را می تواند به صورت زمینه ای از سمنتیت با محصولات گوناگون استحاله آستنیت که فاز ترد کاربید بر استحکام و چقرمگی غلبه کرده است، توصیف نمود.
افزایش مقدار کربن حجم کاربیدها را در ساختار افزایش می دهد از آنجائیکه این کاربیدها سختی و مقاومت سایشی بالائی دارند افزایش کربن موجب افزایش مقاومت سایشی نیز می شود. به هر حال اگر مقدار کربن از مقدار یوتکتیک زیادتر شود کاربیدهای اولیه زیادی تشکیل خواهند شد که اینها ترد بوده و تحت ضربه ذرات ساینده منجر به شکست می شوند و در نتیجه باعث افزایش کاهش وزن در اثر سایش می گردند و این با یک کاهش در چقرمگی و خواص مکانیکی همراه است. به عنوان نتیجه حداکثر مقدار کربن مجاز برای اغلب کاربردها تا حد یوتکتیک است. تنها در حالتهائی که سطح چه در مقیاس میکروسکوپی و چه در مقیاس ماکروسکوپی تحت ضربه و تنشهای مکانیکی پائینی باشد مقدار کربن هیپریوتکتیک مفید خواهد بود.
درصد کربن یوتکتیک در مذابی با cr15% تقریباً ۶/۳% و در مذابی با CR20%، ۲/۳% و در CR25%، ۳% می باشد. عناصر دیگری می توانند این مقادیر را تغییر دهند مخصوصاً سیلسیم که آن را کاهش می دهد.
اهمیت زمینه از شکل ۱ معلوم است. هر چه زمینه نرمتر باشد مقاومت سایشی آن کمتر شده و تمایل کاربیدها برای خارج شدن از زمینه افزایش خواهد یافت. اثر
نامطلوب دیگری که به وجود آمدن زمینه نرم در پی دارد پائین بودن استحکام تسلیم
می باشد. ممکن است چنین زمینه هائی نتوانند ساپورت و پشتوانه کافی برای کاربیدها را جهت مقاومت در برابر تنشهای مکانیکی وارده ایجاد کنند و نتیجتاً کاربیدها در اثر اعمال تنش برشی توأم با سایش بشکنند. در این رابطه خصوصاً پرلیت مهم است و اگر مقدار پرلیت ۱۰% و یا کمتر باشد ممکن است اثرات زیان آوری روی مقاومت سایشی داشته باشد.

شکل ۱
در بسیاری از فرآیندهای سایش آستنیت چدنهای پر کرم  مشابه با فولادهای هادفیلد با ۱۲% منگنز می تواند کار سخت شود ولی به هر حال این کار سختی زمینه مقاومت سایشی چدن را به اندازه چدن پر کرم با زمینه مارتنزیتی افزایش نمی دهد. این موضوع را جدول ۲ نشان می دهد. طبقه بندیهائی که در این جدول روی آلیاژها انجام گرفته عملاً در بسیاری از عملیات خرد کردن و اسیاب کردن تجربه شده است. و این چیزی است که منطقاً از تست های سایشی آزمایشگاهی انتظار میرود. عیب دیگر یک زمینه آستنیتی و یا نیمه آستنیتی، نا پایدار بودن آن است که ممکن است تحت تنش های مکانیکی و یا افزایش دما تبدیل به مارتنزیت شود. تغییرات حجمی که این تبدیل بدنبال خواهد داشت، تنشهائی را به وجود می آورد که ممکن است قطعه را شکسته و یا موجب ترک خوردن سطح آن شود. مقاومت سایشی مارتنزیت با افزایش مقدار کربن بالا میرود. کاربیدهای ثانویه پخش شده در زمینه عملیات حرارتی تشکیل شده اند، به علت تشکیل نقاط سخت و پراکنده در زمینه در بسیاری از کاربردها مقاومت سایشی را افزایش می دهند. آلیاژهائی که در حالت مارتنزیت بهترین مقاومت سایشی را دارند حاوی ۱۲ تا ۲۲% کرم می باشند اگر مقدار کرم کمتر از ۱۲% بوده و مقدار کربن درحد یوتکتیک و یا حتی کمی به سمت هیپویوتکتیک باشد ممکن است مقداری کاربید یوتکتیکی که بیشتر به صورت سمنتیت است تا کاربید کرم، تشکیل شده و منجر به کاهش محسوسی در مقاومت سایشی و چقرمگی شود. در حالتی هم که مقدار کرم بالای ۲۲- ۲۰ درصد و مقدار کربن در حد ترکیب یوتکتیک باشد قسمت اعظم کربن به صورت کاربید کرم در آمده و در نتیجه یک زمینه مارتنزیتی کم کربن بدست می آید که مقاومت سایشی این زمینه کم خواهد بود.
ذوب و ریخته گری چدنهای پر کرم
چدنهای پر کرم را می توان در انواع کوره های الکتریکی و کوره های سوختی تولید کرد. اصولاً نسوز کاری این کوره ها می تواند خنثی و یا اسیدی باشد در حالتی که از نسوز اسیدی استفاده شود امکان دارد که بین کرم موجود در مذاب و سیلیس نسوز واکنشی انجام گیرد ولی این حقیقت که مقادیر زیادی از چدنهای پرکرم که در کوره های القائی با جداره اسیدی تولید میشود، معلوم می کند که از دیدگاه عملی این موضوع مسئله ای را پیش نمی آورد. کوره‌های کوپل به علت اکسیده شدن و از بین رفتن زیاد کرم و نیز وارد شدن کربن زیاد و تبدیل ترکیب شیمیائی به هایپریوتکتیک برای ذوب چدنهای پر کرم مناسب نمی باشد. معمولاً مواد شارژ عبارتند از: قراضه های فولادی آلیاژی و غیر آلیاژی، بر گشتی قطعات ضد سایش و فروکرم پر کربن.

برای دانلود فایل اینجا کلیک کنید