تحقیق بررسی ريخته گري فولاد،ذوب فلزات

تحقيق بررسي ريخته گري فولاد،ذوب فلزات در 84 صفحه ورد قابل ويرايش

فهرست مطالب

مقدمه ?
?-?- معرفي و به کار گيري سوپر آلياژها ?
?-?- مروري کوتاه بر فلزات با استحکام در دماي بالا ??
?-?- اصول متالورژي سوپر آلياژها ??
?-?- بعضي از ويژگيها و خواص سوپر آلياژها ??
?-?- کاربردها ??
?-?- کليات ??
?-?- شکل سوپر آلياژها ??
?-?- دماي کاري سوپرآلياژها ??
?-?- مقايسه سوپر آلياژهاي ريخته و کار شده ??
?-?-?- سوپر آلياژهاي کار شده ??
?-?-?- سوپر آلياژهاي ريخته ??
?-?- خواص سوپرآلياژها ??
?-?-?- کليات ??
?-?-?- سوپر آلياژهاي پيشرفته ??
?-?-?- خواص مکانيکي و کاربرد سوپرآلياژها ??
?-?- انتخاب سوپرآلياژها ??
?-?-?- کاربردهاي آلياژهاي کار شده در دماي متوسط ??
?-?-?- کاربردهاي آلياژهاي ريخته در دماي بالا ??
?-?- گروه‌ها، ساختارهاي بلوري و فازها ??
?-?-?- گروه‌هاي سوپرآلياژها ??
?-?-?- ساختار بلوري ??
?-?-?- فاز در سوپرآلياژها ??
?-?- مقدمه‌اي بر گروه‌هاي آلياژي ??
?-?-?- سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيکل ??
?-?-?- سوپرآلياژهاي پايه نيکل ??
?-?-?- سوپرآلياژهاي پايه کبالت ??
?-?- عناصر آلياژي و اثرات آنها بر ريزساختار سوپرآلياژها ??
?-?-?- عناصر اصلي در سوپرآلياژها ??
?-?-?- عناصر جزئي مفيد در سوپرآلياژها ??
?-?-?- عناصر تشکيل دهنده فازهاي ترد ??
?-?-?- عناصر ناخواسته و مضر در سوپرآلياژها ??
?-?-?- عناصر ايجاد کننده مقاومت خوردگي و اکسيداسيون ??
?-?- استحکام دهي سوپرآلياژها ??
?-?-?- رسوب‌ها و استحکام ??
?-?-?- فاز ??
?-?-?- فاز ??
?-?-?- کاربيدها ??
?-?-?- کاربيدهاي M7C3 44
3-4-6- بوريدها و عناصر جزئي مفيد ديگر (به جز کربن) ??
?-?- تاثير فرآيند بر بهبود ريز ساختار ??
ذوب و تبديل ??
?-?- فرآيند EAF/AOD 47
4-1-1- تشريح فرآيند EAF/AOD 47
4-2- عمليات کوره قوس الکتريکي/ کربن زدايي با اکسيژن و آرگن (EAF/AOD) 50
4-2-1- ترکيب شيميايي آلياژ و آماده کردن شارژ ??
?-?-?- بارگذاري EAF 52
4-2-3- کوره قوس الکتريک ??
?-?-?- تانک AOD 55
4-2-5- پاتيل ريخته‌گري ??
?-?- مروري بر ذوب القايي در خلاء (VIM) 58
4-3-2- تشريح فرآيند VIM 59
4-4- عمليات ذوب القايي در خلاء ??
?-?-?- عمليات ذوب القايي در خلاء ??
?-?-?- کوره القائي تحت خلاء ??
?-?-?- سيستم‌هاي ريخته‌گري ??
?-?-?- عمليات ذوب القايي در خلاء ??
?-?- مروري بر ذوب مجدد ??
?-?-?- تشريح فرآيند ذوب مجدد در خلاؤء با قوس الکتريکي (VAR) 72
4-5-3- تشريح فرآيند مجدد با سرباره الکتريکي (ESR) 73
4-6- عمليات ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتريکي ??
?-?-?- کوره VAR 74
4-6-2- عمليات ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتريکي ??
?-?-?- کنترل ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتريکي ??
?-?- عمليات ذوب مجدد با سربار الکتريکي (ESR) 79
4-7-1- کوره ESR 79
4-7-2- عمليات کوره ذوب مجدد با سرباره الکتريکي ??
?-?-?- کنترل ذوب مجدد با سرباره الکتريکي ??
?- انتخاب سرباره ??
?-?- محصولات ذوب سه مرحله‌اي ??
?-?-?- ‏فرآيند ذوب سه مرحله‌اي شمش ??
?-?- تبديل شمش و محصولات نورد ??
?-?-?- همگن‌سازي توزيع عنصر محلول در شمش‌ها ??
?-?-?- آهنگري محصول نيمه تمام ??
?-?-?- آهنگري محصول نيمه تمام آلياژ IN-718 91
4-9-5- اکستروژن ??
?-?-?- نورد ??
?-?-?- دسترسي به محصولات نورد ??





مقدمه

طراحان نياز فراواني به مواد مستحكم‌تر و مقاوم‌تر در برابر خوردگي دارند. فولادهاي زنگ نزن توسعه داده شده و به كار رفته در دهه‌هاي دوم و سوم قرن بيستم ميلادي، نقطه شروعي براي برآورده شدن خواسته‌هاي مهندسي در دماهاي بالا بودند. بعداً معلوم شد كه اين مواد تحت اين شرايط داراي استحكام محدودي هستند. جامعه متالوژي با توجه به نيازهاي روز افزون بوجود آمده، با ساخت جايگزين فولاد زنگ نزن كه سوپر آلياژ ناميده شد به اين تقاضا پاسخ داد. البته قبل از سوپر آلياژها مواد اصلاح شده پايه آهن به وجود آمدند، كه بعدها نام سوپر آلياژ به خود گرفتند.

با شروع و ادامه جنگ جهاني دوم توربين‌هاي گازي تبديل به يك محرك قوي براي اختراع و كاربرد آلياژها شدند. در سال 1920 افزودن آلومينيوم و تيتانيوم به آلياژهاي از نوع نيكروم به عنوان اختراع به ثبت رسيد، ولي صنعت سوپر آلياژها با پذيرش آلياژ كبالت (ويتاليوم) براي برآورده كردن نياز به استحكام در دماي بالا در موتورهاي هواپيما پديدار شدند. بعضي آلياژهاي نيكل- كروم (اينكونل و نيمونيك) مانند سيم نسوز كم و بيش وجود داشتند و كار دستيابي به فلز قوي‌تر در دماي بالاتر براي رفع عطش سيري ناپذير طراحان ادامه يافت و هنوز هم ادامه دارد.

1-1- معرفي و به كار گيري سوپر آلياژها

سوپر آلياژها؛ آلياژهاي پايه نيكل، پايه آهن- نيكل و پايه كبالت هستند كه عموماً در دماهاي بالاتر از oC540 استفاده مي‌شوند. سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل مانند آلياژ IN-718 از فن‌آوري فولادهاي زنگ نزن توسعه يافته و معمولاً به صورت كار شده مي‌باشند. سوپر آلياژهاي پايه نيكل و پايه كبالت بسته به نوع كاربرد و تركيب شيميايي مي‌توانند به صورت ريخته يا كار شده باشند.

در شكل 1-1 رفتار تنش- گسيختگي سه گروه آلياژي با يكديگر مقايسه شده‌اند (سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل، پايه نيكل و پايه كبالت). در جدولهاي 1-1 و 1-2 فهرستي از سوپر آلياژها و تركيب شيميايي آنها آورده شده است.

سوپر آلياژهاي داراي تركيب شيميايي مناسب را مي‌توان با آهنگري و نورد به اشكال گوناگون در آورد. تركيب‌هاي شيميايي پر آلياژتر معمولاً به صورت ريخته‌گري مي‌باشند. ساختارهاي سرهم بندي شده را مي‌توان با جوشكاري يا لحيم‌كاري بدست آورد، اما تركيب‌هاي شيميايي كه داراي مقادير زيادي از فازهاي سخت كننده هستند، به سختي جوشكاري مي‌شوند. خواص سوپر آلياژها را با تنظيم تركيب شيميايي و فرآيند (شامل عمليات حرارتي) مي‌توان كنترل كرد و استحكام مكانيكي بسيار عالي درمحصول تمام شده بدست آورد.

1-2- مروري كوتاه بر فلزات با استحكام در دماي بالا

استحكام اكثر فلزات در دماهاي معمولي به صورت خواص مكانيكي كوتاه مدت مانند استحكام تسليم يا نهايي اندازه‌گيري و گزارش مي‌شود. با افزايش دما به ويژه در دماهاي بالاتر از 50 درصد دماي نقطه ذوب (بر حسب دماي مطلق) استحكام بايد بر حسب زمان انجام اندازه‌گيري بيان شود. اگر در دماهاي بالا باري به فلز اعمال شود كه به طور قابل ملاحظه‌اي كمتر از بار منجر به تسليم در دماي اتاق باشد، ديده خواهد شد كه فلز به تدريج با گذشت زمان ازدياد طول پيدا مي‌كند. اين ازدياد طول وابسته به زمان خزش ناميده مي‌شود و اگر به اندازه كافي ادامه يابد به شكست (گسيختگي) قطعه منجر خواهد شد. استحكام خزش يا استحكام گسيختگي (در اصطلاح فني استحكام گسيختگي خزش يا استحكام گسيختگي تنشي ناميده مي‌شود) همانند استحكام‌هاي تسليم و نهايي در دماي اتاق يكي از مولفه‌هاي مورد نياز براي فهم رفتار مكانيكي ماده است. در دماهاي بالا استحكام خستگي فلز نيز كاهش پيدا مي‌كند. بنابراين براي ارزيابي توانايي فلز با در نظر گرفتن دماي كار و بار اعمال شده لازم است، استحكام‌هاي تسليم و نهايي، استحكام خزش، استحكام گسيختگي و استحكام خستگي معلوم باشند. ممكن است به خواص مكانيكي مرتبط ديگري مانند مدول ديناميكي، نرخ رشد ترك و چقرمگي شكست نيز نياز باشد. خواص فيزيكي ماده مانند ضريب انبساط حرارتي، جرم حجمي و غيره فهرست خواص را تكميل مي‌كنند.

1-3- اصول متالورژي سوپر آلياژها

سوپر آلياژهاي پايه آهن، نيكل و كبالت معمولاً داراي ساختار بلوري با شكل مكعبي با سطوح مركزدار (FCC) هستند. آهن و كبالت در دماي محيط داراي ساختار FCC نيستند. هر دو فلز در دماهاي بالا يا در حضور عناصر آلياژي ديگر دگرگوني يافته و شبكه واحد آنها به FCC تبديل مي‌شود. در مقابل، ساختمان بلوري نيكل در همه دماها به شكل FCC است. حد بالايي اين عناصر در سوپر آلياژها توسط دگرگوني فازها و پيدايش فازهاي آلوتروپيك تعيين نمي‌شود بلكه توسط دماي ذوب موضعي آلياژها و انحلال فازهاي استحكام يافته تعيين مي‌گردد. در ذوب موضعي بخشي از آلياژ كه پس از انجماد تركيب شيميايي تعادلي نداشته است در دمايي كمتر از مناطق مجاور خود ذوب مي‌شود. همه آلياژها داراي يك محدوده دمايي ذوب شدن هستند و عمل ذوب شدن در دماي ويژه‌اي صورت نمي‌گيرد، حتي اگر جدايش غير تعادلي عناصر آلياژي وجود نداشته باشد. استحكام سوپر آلياژها نه تنها بوسيله شبكه FCC و تركيب شيميايي آن، بلكه با حضور فازهاي استحكام دهنده ويژه‌اي مانند رسوب‌ها افزايش مي‌يابد. كار انجام شده بر روي سوپر آلياژ (مانند تغيير شكل سرد) نيز استحكام را افزايش مي‌دهد، اما اين استحكام به هنگام قرارگيري فلز در دماهاي بالا حذف مي‌شود.

تمايل به دگرگوني از فاز FCC به فاز پايدارتري در دماي پايين وجود دارد كه گاهي در سوپر آلياژهاي كبالت اتفاق مي‌افتد. شبكه FCC سوپر آلياژ قابليت انحلال وسيعي براي بعضي عناصر آلياژي دارد و رسوب فازهاي استحكام دهنده (در سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل و پايه نيكل) انعطاف‌پذيري بسيار عالي آلياژ را به همراه دارد. چگالي آهن خالص gr/cm3 87/7 و چگالي نيكل و كبالت تقريباً gr/cm3 9/8 مي‌باشد. چگالي سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل تقريباً gr/cm3 3/8-9/7 پايه كبالت gr/cm3 4/9-3/8 و پايه نيكل gr/cm3 9/8-8/7 است.

چگالي سوپر آلياژها به مقدار عناصر آلياژي افزوده شده بستگي دارد. عناصر آلياژي Cr, Ti و Al چگالي را كاهش و Re, W و Ta آنرا افزايش مي‌دهند. مقاومت به خوردگي سوپر آلياژها نيز به عناصر آلياژي افزوده شده به ويژه Cr, Al و محيط بستگي دارد.

دماي ذوب عناصر خالص نيكل، كبالت و آهن به ترتيب 1453 و 1495 و 1537 درجه سانتي‌گراد است. دماي ذوب حداقل (دماي ذوب موضعي) و دامنه ذوب سوپر آلياژها، تابعي از تركيب شيميايي و فرآيند اوليه است. به طور كلي دماي ذوب موضعي سوپر آلياژهاي پايه كبالت نسبت به سوپر آلياژهاي پايه نيكل بيشتر است. سوپر آلياژهاي پايه نيكل ممكن است در دماي oC1204 از خود ذوب موضعي نشان دهند. انواع پيشرفته سوپر آلياژهاي پايه نيكل تك بلور داراي مقادير محدودي از عناصر كاهش دهنده دماي ذوب هستند و به همين لحاظ، داراي دماي ذوب موضعي برابر يا كمي بيشتر از سوپر آلياژهاي پايه كبالت هستند.

4-2-3- كوره قوس الكتريك

يك طرح عمومي از كوره EAF در شكل 4-1 نشان داده شده است. ظرفيت كوره EAF بايد با ظرفيت تانك AOD يكسان باشد. عمليات EAF/AOD سوپرآلياژها با ظرفيت Kg 9000 مي‌تواند انجام گيرد، اما اكثراً ظرفيت توليد اين روش در حدود kg36000 انتخاب مي‌شود.

ديواره كوره فولادي مدور با سيستم آبگرد و لايه نسوز آجري است. انتخاب آجرهاي نسوز به نوع آلياژ و طراحي كوره بستگي دارد. هزينه نسوز كاري يك كوره متوسط 18 تني تقريباً 18 هزار دلار است. قسمت پايين كوره ثابت و سقف آن متحرك است. سقف كوره مي‌تواند در يك صفحه افقي حركت كرده و كاملاً از كوره دور شود تا بار به درون آن ريخته شود. سقف كوره داراي سه الكترود گرافيتي است، كه در داخل كوره قرار مي‌گيرند. در قسمت جلو ديواره كوره مجراي خروج مذاب و در قسمت عقب آن دريچه سرباره‌گيري قرار دارد. كوره قوس تقريباً در داخل يك چاله قرار دارد، به نحوي كه مجراي خروج مذاب و دريچه سرباره‌گيري تقريباً در كف كارگاه قرار مي‌گيرند. وجود چاله اجازه مي‌دهد، كه پاتيل حمل مذاب و پاتيل سرباره مي‌توانند تا نزديكي كوره آورده شوند. سطح اين پاتيل‌ها پايين‌تر از سطح مجراها قرار مي‌گيرند. كوره قابليت چرخش تا 90 درجه به طرف جلو را دارد، تا فلز مذاب كاملاً به درون پاتيل ريخته شود. زاويه چرخش كوره به طرف عقب به منظور سرباره‌گيري حداكثر 20 درجه است.

به دليل پايين بودن چگالي مواد اوليه نمي‌توان همه آن را يكباره به كوره بار كرد. ابتدا بخشي از بار به كوره اضافه مي‌شود و سقف كوره مجدداً در جاي خود قرار مي‌گيرد. الكترودها به طرف شارژ حركت مي‌كنند و قوس الكتريكي بين بار و الكترود ايجاد مي‌شود. ابتدا قوس كم ولتاژ ايجاد مي‌شود. با شروع به ذوب شدن بار الكترودها پايين‌تر مي‌روند و ولتاژ جريان افزايش مي‌يابد. تا قوسي با طول بيشتر ايجاد گردد و در نتيجه بازدهي ذوب افزايش يابد. عمليات مزبور تا ذوب شدن همه بار ادامه پيدا مي‌كند. سقف كوره كنار مي‌رود و باقي مانده بار به كوره ريخته مي‌شود (بارگذاري مجدد)، پس از بارگذاري مجدد، سقف كوره به محل قبلي خود برگشته و تا زماني كه كل بار ذوب شود، قوس بر قرار مي‌شود. پس از آن گرم كردن ذوب با دمش اكسيژن و آرگن مي‌تواند انجام شود.

اكسيدهايي كه در اين مرحله به وجود مي‌آيند، ممكن است بسيار خورنده باشند و به لايه نسوز كوره آسيب وارد كنند. ساييدگي نسوزها در همه ذوب‌ها اتفاق مي‌افتد، ولي براي جلوگيري از آسيب‌هاي موضعي شديد نسوز ديواره، معمولاً آهك به بار كوره اضافه مي‌كنند. آهك نقش سرباره ساز دارد و سرباره ايجاد شده در كوره به صورت دستي از آن گرفته مي‌شود. براي سرباره‌گيري كوره به سمت عقب چرخيده و سرباره جمع‌آوري شده، از دريچه سرباره‌گيري خارج مي‌شود. اين عمل در صورت نياز و بسته به نوع بار قابل تكرار است.

پس از آنكه بخش عمده‌اي از سرباره تشكيل شده تخليه گرديد، يك نمونه آناليز شيميايي از ذوب تهيه مي‌شود. بر مبناي تركيب شيميايي بدست آمده از اين نمونه ممكن است دمش گاز ادامه يابد يا تعدادي از عناصر آلياژي براي تنظيم تركيب شيميايي قبل از انتقال به واحد AOD به آن افزوده شود. زمان تقريبي مرحله EAF فرآيند EAF/AOD تقريباً 1 تا 3 ساعت است. پس از آماده شدن ذوب آن را به درون پاتيل انتقال مذاب مي‌ريزند. پاتيل انتقال (يك ظرف نسوز كاري شده با مجراي خروج مذاب) در مقابل كوره قوس قرار داده مي‌شود. كوره مي‌چرخد و محتويات خود را به درون پاتيل مي‌ريزد. ممكن است پاتيل با MgO نسوزكاي شده باشد، تا با سرباره آهك مطابقت داشته باشد. امكان دارد موقع سرباره‌گيري ذرات سرباره بر روي مذاب شناور باقي به ماند. قبل از ريختن مذاب براي جلوگيري از افت دماي مذاب در پاتيل، آن را پيش گرم مي‌كنند. پاتيل انتقال مذاب به تانك AOD برده مي‌شود و مذاب به درون تانك ريخته مي‌شود.

4-2-4- تانك AOD

در شكل 4-6 تانك AOD نشان داده شده است. ديواره تانك فولادي و نسوز كاري شده است. نماي بيروني تانك شبيه به مخلوط كن‌هاي بتن با تنه مدور و سر مخروطي است كه در محل قرارگيري خود مي‌تواند بر روي يك صفحه عمودي چرخش نمايد. ظرفيت تانك متناسب با ظرفيت كوره EAF و معمولاً كمتر از 36 تن است. يكي از مشخصات ويژه تانك AOD اين است كه در كف آن تعدادي لوله براي دمش مخلوط اكسيژن و آرگن وجود دارد. اين لوله تعدادي لوله هم مركز هستند كه از لوله مركزي مخلوط آرگن و اكسيژن و از لوله بيروني فقط گاز خنثي (معمولاً آرگن) براي خنك كردن انتهاي لوله مركزي دميده مي‌شود.

لايه نسوز تانك AOD شبيه نسوز كوره EAF است و در طي فرايند فرسوده مي‌شود. كنترل درجه قليايي سرباره يك عامل كليدي براي اطمينان از آسيب نديدن لايه نسوز از طرف سرباره مي‌باشد. اولين مرحله در تانك AOD كربن زدايي مذاب است. اگر درون مذاب اكسيژن خالصي دميده شود، نتيجه كار نه تنها كربن زدايي مذاب نخواهد شد بلكه كروم بيشتري به اكسيد كروم تبديل خواهد شد. براي اقتصادي كردن واكنش كربن‌زدايي، فشار جزئي اكسيژن دميده شده به مذاب با اضافه كردن آرگن به آن كاهش داده مي‌شود تا از مقدار كرومي كه به اكسيد كروم تبديل مي‌شود، كاسته شود. وقتي كه مقدار كربن مذاب بالا باشد، نسبت آرگن به اكسيژن در مخلوط گازي 3 به 1 در نظر گرفته مي‌شود. با كاهش مقدار كربن مقدار آرگن بايد افزايش يابد. با نزديك شدن به مرحله كربن زدايي كامل نسبت آرگن به اكسيژن تقريباً 6 به 1 در نظر گرفته مي‌شود.

حرارتي كه در اثر واكنش كربن زدايي به وجود مي‌آيد، مقداري از كروم را اكسيد مي‌كند. در اثر دمش گاز، سيلسيم نيز اكسيد مي‌شود ولي حرارت ناشي از اكسيداسيون آن ناچيز است و اثر كمي در گرم كردن مذاب دارد. يادآوري اين موضوع اهميت دارد كه تانك AOD فاقد منبع انرژي حرارتي خارجي سات و دماي آن در اثر واكنش‌هاي گرمازا افزايش پيدا مي‌كند. چنانچه لازم باشد دماي مذاب پايين آورده شود، از قراضه جامد استفاده مي‌شود. يكنواخت نگه داشتن دماي مذاب از لحاظ اقتصادي اهميت دارد، زيار تبديل عناصر آلياژي با ارزش (به ويژه كروم و نيوبيوم) به سرباره تحت تاثير دما انجام مي‌گيرد. از فوق گداز شدن مذاب بايد جلوگيري كرد، زيرا خنك كردن و گرم كردن مجدد آن زمان بر بوده و بازيابي كامل عناصر آلياژي موجود در سرباره را دشوار مي‌سازد.

در طي فرآيند كربن‌زدايي به مذاب آهك اضافه مي‌شود. آهك اضافه شده در مرحله دمش گاز كاملاً با مذاب مخلوط شده و درجه بالايي از گوگرد زدايي مذاب به دست مي‌آيد. CaS حاصل از گوگردزدائي به صورت سرباره در مي‌آيد. چنانچه پس از نمونه‌گيري از تركيب شيميايي، كربن‌زدايي تا سطح مورد نظر انجام شده باشد، مرحله بازيابي عمليات AOD شروع مي‌شود.