تحقیق ریخته گری فولاد

تحقیق ریخته گری فولاد

مقدمه

طراحان نیاز فراوانی به مواد مستحکم‌تر و مقاوم‌تر در برابر خوردگی دارند. فولادهای زنگ نزن توسعه داده شده و به کار رفته در دهه‌های دوم و سوم قرن بیستم میلادی، نقطه شروعی برای برآورده شدن خواسته‌های مهندسی در دماهای بالا بودند. بعداً معلوم شد که این مواد تحت این شرایط دارای استحکام محدودی هستند. جامعه متالوژی با توجه به نیازهای روز افزون بوجود آمده، با ساخت جایگزین فولاد زنگ نزن که سوپر آلیاژ نامیده شد به این تقاضا پاسخ داد. البته قبل از سوپر آلیاژها مواد اصلاح شده پایه آهن به وجود آمدند، که بعدها نام سوپر آلیاژ به خود گرفتند.

با شروع و ادامه جنگ جهانی دوم توربین‌های گازی تبدیل به یک محرک قوی برای اختراع و کاربرد آلیاژها شدند. در سال 1920 افزودن آلومینیوم و تیتانیوم به آلیاژهای از نوع نیکروم به عنوان اختراع به ثبت رسید، ولی صنعت سوپر آلیاژها با پذیرش آلیاژ کبالت (ویتالیوم) برای برآورده کردن نیاز به استحکام در دمای بالا در موتورهای هواپیما پدیدار شدند. بعضی آلیاژهای نیکل- کروم (اینکونل و نیمونیک) مانند سیم نسوز کم و بیش وجود داشتند و کار دستیابی به فلز قوی‌تر در دمای بالاتر برای رفع عطش سیری ناپذیر طراحان ادامه یافت و هنوز هم ادامه دارد.

موضوع: تحقیق ریخته گری فولاد-ذوب فلزات

این فایل با فرمت ورد و آماده چاپ می باشد.

فهرست مطالب

مقدمه ۹

۱-۱- معرفی و به کار گیری سوپر آلیاژها ۹

۱-۲- مروری کوتاه بر فلزات با استحکام در دمای بالا ۱۰

۱-۳- اصول متالورژی سوپر آلیاژها ۱۱

۱-۴- بعضی از ویژگیها و خواص سوپر آلیاژها ۱۳

۱-۵- کاربردها ۱۵

۲-۱- کلیات ۱۸

۲-۲- شکل سوپر آلیاژها ۱۸

۲-۳- دمای کاری سوپرآلیاژها ۱۹

۲-۴- مقایسه سوپر آلیاژهای ریخته و کار شده ۲۰

۲-۴-۱- سوپر آلیاژهای کار شده ۲۰

۲-۴-۲- سوپر آلیاژهای ریخته ۲۱

۲-۵- خواص سوپرآلیاژها ۲۲

۲-۵-۱- کلیات ۲۲

۲-۵-۲- سوپر آلیاژهای پیشرفته ۲۳

۲-۵-۳- خواص مکانیکی و کاربرد سوپرآلیاژها ۲۴

۲-۶- انتخاب سوپرآلیاژها ۲۶

۲-۶-۱- کاربردهای آلیاژهای کار شده در دمای متوسط ۲۶

۲-۶-۲- کاربردهای آلیاژهای ریخته در دمای بالا ۲۷

۳-۱- گروه‌ها، ساختارهای بلوری و فازها ۳۱

۳-۱-۱- گروه‌های سوپرآلیاژها ۳۱

۳-۱-۲- ساختار بلوری ۳۱

۳-۱-۳- فاز در سوپرآلیاژها ۳۲

۳-۲- مقدمه‌ای بر گروه‌های آلیاژی ۳۳

۳-۲-۱- سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل ۳۳

۳-۲-۲- سوپرآلیاژهای پایه نیکل ۳۴

۳-۲-۳- سوپرآلیاژهای پایه کبالت ۳۵

۳-۳- عناصر آلیاژی و اثرات آنها بر ریزساختار سوپرآلیاژها ۳۶

۳-۳-۲- عناصر اصلی در سوپرآلیاژها ۳۶

۳-۳-۳- عناصر جزئی مفید در سوپرآلیاژها ۳۷

۳-۳-۴- عناصر تشکیل دهنده فازهای ترد ۳۷

۳-۳-۵- عناصر ناخواسته و مضر در سوپرآلیاژها ۳۸

۳-۳-۶- عناصر ایجاد کننده مقاومت خوردگی و اکسیداسیون ۳۸

۳-۴- استحکام دهی سوپرآلیاژها ۳۹

۳-۴-۱- رسوب‌ها و استحکام ۳۹

۳-۴-۲- فاز ۴۰

۳-۴-۳- فاز ۴۱

۳-۴-۴- کاربیدها ۴۱

۳-۴-۵- کاربیدهای M7C3 44

3-4-6- بوریدها و عناصر جزئی مفید دیگر (به جز کربن) ۴۴

۳-۵- تاثیر فرآیند بر بهبود ریز ساختار ۴۵

ذوب و تبدیل ۴۶

۴-۱- فرآیند EAF/AOD 47

4-1-1- تشریح فرآیند EAF/AOD 47

4-2- عملیات کوره قوس الکتریکی/ کربن زدایی با اکسیژن و آرگن (EAF/AOD) 50

4-2-1- ترکیب شیمیایی آلیاژ و آماده کردن شارژ ۵۰

۴-۲-۲- بارگذاری EAF 52

4-2-3- کوره قوس الکتریک ۵۲

۴-۲-۴- تانک AOD 55

4-2-5- پاتیل ریخته‌گری ۵۷

۴-۳- مروری بر ذوب القایی در خلاء (VIM) 58

4-3-2- تشریح فرآیند VIM 59

4-4- عملیات ذوب القایی در خلاء ۶۱

۴-۴-۱- عملیات ذوب القایی در خلاء ۶۱

۴-۴-۲- کوره القائی تحت خلاء ۶۳

۴-۴-۳- سیستم‌های ریخته‌گری ۶۵

۴-۴-۴- عملیات ذوب القایی در خلاء ۶۷

۴-۵- مروری بر ذوب مجدد ۷۱

۴-۵-۲- تشریح فرآیند ذوب مجدد در خلاؤء با قوس الکتریکی (VAR) 72

4-5-3- تشریح فرآیند مجدد با سرباره الکتریکی (ESR) 73

4-6- عملیات ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتریکی ۷۴

۴-۶-۱- کوره VAR 74

4-6-2- عملیات ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتریکی ۷۶

۴-۶-۳- کنترل ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتریکی ۷۶

۴-۷- عملیات ذوب مجدد با سربار الکتریکی (ESR) 79

4-7-1- کوره ESR 79

4-7-2- عملیات کوره ذوب مجدد با سرباره الکتریکی ۸۰

۴-۷-۳- کنترل ذوب مجدد با سرباره الکتریکی ۸۱

۴- انتخاب سرباره ۸۳

۴-۸- محصولات ذوب سه مرحله‌ای ۸۴

۴-۸-۲- ‏فرآیند ذوب سه مرحله‌ای شمش ۸۵

۴-۹- تبدیل شمش و محصولات نورد ۸۶

۴-۹-۲- همگن‌سازی توزیع عنصر محلول در شمش‌ها ۸۸

۴-۹-۳- آهنگری محصول نیمه تمام ۸۹

۴-۹-۴- آهنگری محصول نیمه تمام آلیاژ IN-718 91

4-9-5- اکستروژن ۹۲

۴-۹-۶- نورد ۹۳

۴-۹-۷- دسترسی به محصولات نورد ۹۴

1-1- معرفی و به کار گیری سوپر آلیاژها 

سوپر آلیاژها؛ آلیاژهای پایه نیکل، پایه آهن- نیکل و پایه کبالت هستند که عموماً در دماهای بالاتر از oC540 استفاده می‌شوند. سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل مانند آلیاژ IN-718 از فن‌آوری فولادهای زنگ نزن توسعه یافته و معمولاً به صورت کار شده می‌باشند. سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت بسته به نوع کاربرد و ترکیب شیمیایی می‌توانند به صورت ریخته یا کار شده باشند.

در شکل 1-1 رفتار تنش- گسیختگی سه گروه آلیاژی با یکدیگر مقایسه شده‌اند (سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل، پایه نیکل و پایه کبالت). در جدولهای 1-1 و 1-2 فهرستی از سوپر آلیاژها و ترکیب شیمیایی آنها آورده شده است.

سوپر آلیاژهای دارای ترکیب شیمیایی مناسب را می‌توان با آهنگری و نورد به اشکال گوناگون در آورد. ترکیب‌های شیمیایی پر آلیاژتر معمولاً به صورت ریخته‌گری می‌باشند. ساختارهای سرهم بندی شده را می‌توان با جوشکاری یا لحیم‌کاری بدست آورد، اما ترکیب‌های شیمیایی که دارای مقادیر زیادی از فازهای سخت کننده هستند، به سختی جوشکاری می‌شوند. خواص سوپر آلیاژها را با تنظیم ترکیب شیمیایی و فرآیند (شامل عملیات حرارتی) می‌توان کنترل کرد و استحکام مکانیکی بسیار عالی درمحصول تمام شده بدست آورد.

1-2- مروری کوتاه بر فلزات با استحکام در دمای بالا 

استحکام اکثر فلزات در دماهای معمولی به صورت خواص مکانیکی کوتاه مدت مانند استحکام تسلیم یا نهایی اندازه‌گیری و گزارش می‌شود. با افزایش دما به ویژه در دماهای بالاتر از 50 درصد دمای نقطه ذوب (بر حسب دمای مطلق) استحکام باید بر حسب زمان انجام اندازه‌گیری بیان شود. اگر در دماهای بالا باری به فلز اعمال شود که به طور قابل ملاحظه‌ای کمتر از بار منجر به تسلیم در دمای اتاق باشد، دیده خواهد شد که فلز به تدریج با گذشت زمان ازدیاد طول پیدا می‌کند. این ازدیاد طول وابسته به زمان خزش نامیده می‌شود و اگر به اندازه کافی ادامه یابد به شکست (گسیختگی) قطعه منجر خواهد شد. استحکام خزش یا استحکام گسیختگی (در اصطلاح فنی استحکام گسیختگی خزش یا استحکام گسیختگی تنشی نامیده می‌شود) همانند استحکام‌های تسلیم و نهایی در دمای اتاق یکی از مولفه‌های مورد نیاز برای فهم رفتار مکانیکی ماده است. در دماهای بالا استحکام خستگی فلز نیز کاهش پیدا می‌کند. بنابراین برای ارزیابی توانایی فلز با در نظر گرفتن دمای کار و بار اعمال شده لازم است، استحکام‌های تسلیم و نهایی، استحکام خزش، استحکام گسیختگی و استحکام خستگی معلوم باشند. ممکن است به خواص مکانیکی مرتبط دیگری مانند مدول دینامیکی، نرخ رشد ترک و چقرمگی شکست نیز نیاز باشد. خواص فیزیکی ماده مانند ضریب انبساط حرارتی، جرم حجمی و غیره فهرست خواص را تکمیل می‌کنند.

1-3- اصول متالورژی سوپر آلیاژها 

سوپر آلیاژهای پایه آهن، نیکل و کبالت معمولاً دارای ساختار بلوری با شکل مکعبی با سطوح مرکزدار (FCC) هستند. آهن و کبالت در دمای محیط دارای ساختار FCC نیستند. هر دو فلز در دماهای بالا یا در حضور عناصر آلیاژی دیگر دگرگونی یافته و شبکه واحد آنها به FCC تبدیل می‌شود. در مقابل، ساختمان بلوری نیکل در همه دماها به شکل FCC است. حد بالایی این عناصر در سوپر آلیاژها توسط دگرگونی فازها و پیدایش فازهای آلوتروپیک تعیین نمی‌شود بلکه توسط دمای ذوب موضعی آلیاژها و انحلال فازهای استحکام یافته تعیین می‌گردد. در ذوب موضعی بخشی از آلیاژ که پس از انجماد ترکیب شیمیایی تعادلی نداشته است در دمایی کمتر از مناطق مجاور خود ذوب می‌شود. همه آلیاژها دارای یک محدوده دمایی ذوب شدن هستند و عمل ذوب شدن در دمای ویژه‌ای صورت نمی‌گیرد، حتی اگر جدایش غیر تعادلی عناصر آلیاژی وجود نداشته باشد. استحکام سوپر آلیاژها نه تنها بوسیله شبکه FCC و ترکیب شیمیایی آن، بلکه با حضور فازهای استحکام دهنده ویژه‌ای مانند رسوب‌ها افزایش می‌یابد. کار انجام شده بر روی سوپر آلیاژ (مانند تغییر شکل سرد) نیز استحکام را افزایش می‌دهد، اما این استحکام به هنگام قرارگیری فلز در دماهای بالا حذف می‌شود.

تمایل به دگرگونی از فاز FCC به فاز پایدارتری در دمای پایین وجود دارد که گاهی در سوپر آلیاژهای کبالت اتفاق می‌افتد. شبکه FCC سوپر آلیاژ قابلیت انحلال وسیعی برای بعضی عناصر آلیاژی دارد و رسوب فازهای استحکام دهنده (در سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل و پایه نیکل) انعطاف‌پذیری بسیار عالی آلیاژ را به همراه دارد. چگالی آهن خالص gr/cm3 87/7 و چگالی نیکل و کبالت تقریباً gr/cm3  9/8 می‌باشد. چگالی سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل تقریباً gr/cm3 3/8-9/7 پایه کبالت gr/cm3 4/9-3/8 و پایه نیکل gr/cm3 9/8-8/7 است.

چگالی سوپر آلیاژها به مقدار عناصر آلیاژی افزوده شده بستگی دارد. عناصر آلیاژی Cr, Ti و Al چگالی را کاهش و Re, W و Ta آنرا افزایش می‌دهند. مقاومت به خوردگی سوپر آلیاژها نیز به عناصر آلیاژی افزوده شده به ویژه Cr, Al و محیط بستگی دارد.

دمای ذوب عناصر خالص نیکل، کبالت و آهن به ترتیب 1453 و 1495 و 1537 درجه سانتی‌گراد است. دمای ذوب حداقل (دمای ذوب موضعی) و دامنه ذوب سوپر آلیاژها، تابعی از ترکیب شیمیایی و فرآیند اولیه است. به طور کلی دمای ذوب موضعی سوپر آلیاژهای پایه کبالت نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیکل بیشتر است. سوپر آلیاژهای پایه نیکل ممکن است در دمای oC1204 از خود ذوب موضعی نشان دهند. انواع پیشرفته سوپر آلیاژهای پایه نیکل تک بلور دارای مقادیر محدودی از عناصر کاهش دهنده دمای ذوب هستند و به همین لحاظ، دارای دمای ذوب موضعی برابر یا کمی بیشتر از سوپر آلیاژهای پایه کبالت هستند.

دانلود کامل تحقیق ریخته گری فولاد