بررسی ریخته گری فولاد-ذوب فلزات

مقدمه

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

با شروع و ادامه جنگ جهانی دوم توربین‌های گازی تبدیل به یك محرك قوی برای اختراع و كاربرد آلیاژها شدند. در سال 1920 افزودن آلومینیوم و تیتانیوم به آلیاژهای از نوع نیكروم به عنوان اختراع به ثبت رسید، ولی صنعت سوپر آلیاژها با پذیرش آلیاژ كبالت (ویتالیوم) برای برآورده كردن نیاز به استحكام در دمای بالا در موتورهای هواپیما پدیدار شدند. بعضی آلیاژهای نیكل- كروم (اینكونل و نیمونیك) مانند سیم نسوز كم و بیش وجود داشتند و كار دستیابی به فلز قوی‌تر در دمای بالاتر برای رفع عطش سیری ناپذیر طراحان ادامه یافت و هنوز هم ادامه دارد.

1-1- معرفی و به كار گیری سوپر آلیاژها

سوپر آلیاژها؛ آلیاژهای پایه نیكل، پایه آهن- نیكل و پایه كبالت هستند كه عموماً در دماهای بالاتر از oC540 استفاده می‌شوند. سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل مانند آلیاژ IN-718 از فن‌آوری فولادهای زنگ نزن توسعه یافته و معمولاً به صورت كار شده می‌باشند. سوپر آلیاژهای پایه نیكل و پایه كبالت بسته به نوع كاربرد و تركیب شیمیایی می‌توانند به صورت ریخته یا كار شده باشند.

در شكل 1-1 رفتار تنش- گسیختگی سه گروه آلیاژی با یكدیگر مقایسه شده‌اند (سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل، پایه نیكل و پایه كبالت). در جدولهای 1-1 و 1-2 فهرستی از سوپر آلیاژها و تركیب شیمیایی آنها آورده شده است.

سوپر آلیاژهای دارای تركیب شیمیایی مناسب را می‌توان با آهنگری و نورد به اشكال گوناگون در آورد. تركیب‌های شیمیایی پر آلیاژتر معمولاً به صورت ریخته‌گری می‌باشند. ساختارهای سرهم بندی شده را می‌توان با جوشكاری یا لحیم‌كاری بدست آورد، اما تركیب‌های شیمیایی كه دارای مقادیر زیادی از فازهای سخت كننده هستند، به سختی جوشكاری می‌شوند. خواص سوپر آلیاژها را با تنظیم تركیب شیمیایی و فرآیند (شامل عملیات حرارتی) می‌توان كنترل كرد و استحكام مكانیكی بسیار عالی درمحصول تمام شده بدست آورد.

1-2- مروری كوتاه بر فلزات با استحكام در دمای بالا

استحكام اكثر فلزات در دماهای معمولی به صورت خواص مكانیكی كوتاه مدت مانند استحكام 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) استحكام باید بر حسب زمان انجام اندازه‌گیری بیان شود. اگر در دماهای بالا باری به فلز اعمال شود كه به طور قابل ملاحظه‌ای كمتر از بار منجر به تسلیم در دمای اتاق باشد، دیده خواهد شد كه فلز به تدریج با گذشت زمان ازدیاد طول پیدا می‌كند. این ازدیاد طول وابسته به زمان خزش نامیده می‌شود و اگر به اندازه كافی ادامه یابد به شكست (گسیختگی) قطعه منجر خواهد شد. استحكام خزش یا استحكام گسیختگی (در اصطلاح فنی استحكام گسیختگی خزش یا استحكام گسیختگی تنشی نامیده می‌شود) همانند استحكام‌های تسلیم و نهایی در دمای اتاق یكی از مولفه‌های مورد نیاز برای فهم رفتار مكانیكی ماده است. در دماهای بالا استحكام خستگی فلز نیز كاهش پیدا می‌كند. بنابراین برای ارزیابی توانایی فلز با در نظر گرفتن دمای كار و بار اعمال شده لازم است، استحكام‌های تسلیم و نهایی، استحكام خزش، استحكام گسیختگی و استحكام خستگی معلوم باشند. ممكن است به خواص مكانیكی مرتبط دیگری مانند مدول دینامیكی، نرخ رشد ترك و چقرمگی شكست نیز نیاز باشد. خواص فیزیكی ماده مانند ضریب انبساط حرارتی، جرم حجمی و غیره فهرست خواص را تكمیل می‌كنند.

1-3- اصول متالورژی سوپر آلیاژها

سوپر آلیاژهای پایه آهن، نیكل و كبالت معمولاً دارای ساختار بلوری با شكل مكعبی با سطوح مركزدار (FCC) هستند. آهن و كبالت در دمای محیط دارای ساختار FCC نیستند. هر دو فلز در دماهای بالا یا در حضور عناصر آلیاژی دیگر دگرگونی یافته و شبكه واحد آنها به FCC تبدیل می‌شود. در مقابل، ساختمان بلوری نیكل در همه دماها به شكل FCC است. حد بالایی این عناصر در سوپر آلیاژها توسط دگرگونی فازها و پیدایش فازهای آلوتروپیك تعیین نمی‌شود بلكه توسط دمای ذوب موضعی آلیاژها و انحلال فازهای استحكام یافته تعیین می‌گردد. در ذوب موضعی بخشی از آلیاژ كه پس از انجماد تركیب شیمیایی تعادلی نداشته است در دمایی كمتر از مناطق مجاور خود ذوب می‌شود. همه آلیاژها دارای یك محدوده دمایی ذوب شدن هستند و عمل ذوب شدن در دمای ویژه‌ای صورت نمی‌گیرد، حتی اگر جدایش غیر تعادلی عناصر آلیاژی وجود نداشته باشد. استحكام سوپر آلیاژها نه تنها بوسیله شبكه FCC و تركیب شیمیایی آن، بلكه با حضور فازهای استحكام دهنده ویژه‌ای مانند رسوب‌ها افزایش می‌یابد. كار انجام شده بر روی سوپر آلیاژ (مانند تغییر شكل سرد) نیز استحكام را افزایش می‌دهد، اما این استحكام به هنگام قرارگیری فلز در دماهای بالا حذف می‌شود.

تمایل به دگرگونی از فاز FCC به فاز پایدارتری در دمای پایین وجود دارد كه گاهی در سوپر آلیاژهای كبالت اتفاق می‌افتد. شبكه FCC سوپر آلیاژ قابلیت انحلال وسیعی برای بعضی عناصر آلیاژی دارد و رسوب فازهای استحكام دهنده (در سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل و پایه نیكل) انعطاف‌پذیری بسیار عالی آلیاژ را به همراه دارد. چگالی آهن خالص gr/cm3 87/7 و چگالی نیكل و كبالت تقریباً gr/cm3  9/8 می‌باشد. چگالی سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل تقریباً gr/cm3 3/8-9/7 پایه كبالت gr/cm3 4/9-3/8 و پایه نیكل 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 كاهش 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 نیكل، كبالت 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 تركیب شیمیایی و فرآیند اولیه است. به طور كلی دمای ذوب موضعی سوپر آلیاژهای پایه كبالت نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیكل بیشتر است. سوپر آلیاژهای پایه نیكل ممكن است در دمای oC1204 از خود ذوب موضعی نشان دهند. انواع پیشرفته سوپر آلیاژهای پایه نیكل تك بلور دارای مقادیر محدودی از عناصر كاهش دهنده دمای ذوب هستند و به همین لحاظ، دارای دمای ذوب موضعی برابر یا كمی بیشتر از سوپر آلیاژهای پایه كبالت هستند.

4-2-3- كوره قوس الكتریك

یك طرح عمومی از كوره EAF در شكل 4-1 نشان داده شده است. ظرفیت كوره EAF باید با ظرفیت تانك AOD یكسان باشد. عملیات EAF/AOD سوپرآلیاژها با ظرفیت Kg 9000 می‌تواند انجام گیرد، اما اكثراً ظرفیت تولید این روش در حدود kg36000 انتخاب می‌شود.

دیواره كوره فولادی مدور با سیستم آبگرد و لایه نسوز آجری است. انتخاب آجرهای نسوز به نوع آلیاژ و طراحی كوره بستگی دارد. هزینه نسوز كاری یك كوره متوسط 18 تنی تقریباً 18 هزار دلار است. قسمت پایین كوره ثابت و سقف آن متحرك است. سقف كوره می‌تواند در یك صفحه افقی حركت كرده و كاملاً از كوره دور شود تا بار به درون آن ریخته شود. سقف كوره دارای سه الكترود گرافیتی است، كه در داخل كوره قرار می‌گیرند. در قسمت جلو دیواره كوره مجرای خروج مذاب و در قسمت عقب آن دریچه سرباره‌گیری قرار دارد. كوره قوس تقریباً در داخل یك چاله قرار دارد، به نحوی كه مجرای خروج مذاب و دریچه سرباره‌گیری تقریباً در كف كارگاه قرار می‌گیرند. وجود چاله اجازه می‌دهد، كه پاتیل حمل مذاب و پاتیل سرباره می‌توانند تا نزدیكی كوره آورده شوند. سطح این پاتیل‌ها پایین‌تر از سطح مجراها قرار می‌گیرند. كوره قابلیت چرخش تا 90 درجه به طرف جلو را دارد، تا فلز مذاب كاملاً به درون پاتیل ریخته شود. زاویه چرخش كوره به طرف عقب به منظور سرباره‌گیری حداكثر 20 درجه است.

به دلیل پایین بودن چگالی مواد اولیه نمی‌توان همه آن را یكباره به كوره بار كرد. ابتدا بخشی از بار به كوره اضافه می‌شود و سقف كوره مجدداً در جای خود قرار می‌گیرد. الكترودها به طرف شارژ حركت می‌كنند و قوس الكتریكی بین بار و الكترود ایجاد می‌شود. ابتدا قوس كم ولتاژ ایجاد می‌شود. با شروع به ذوب شدن بار الكترودها پایین‌تر می‌روند و ولتاژ جریان افزایش می‌یابد. تا قوسی با طول بیشتر ایجاد گردد و در نتیجه بازدهی ذوب افزایش یابد. عملیات مزبور تا ذوب شدن همه بار ادامه پیدا می‌كند. سقف كوره كنار می‌رود و باقی مانده بار به كوره ریخته می‌شود (بارگذاری مجدد)، پس از بارگذاری مجدد، سقف كوره به محل قبلی خود برگشته و تا زمانی كه كل بار ذوب شود، قوس بر قرار می‌شود. پس از آن گرم كردن ذوب با دمش اكسیژن و آرگن می‌تواند انجام شود.

اكسیدهایی كه در این مرحله به وجود می‌آیند، ممكن است بسیار خورنده باشند و به لایه نسوز كوره آسیب وارد كنند. ساییدگی نسوزها در همه ذوب‌ها اتفاق می‌افتد، ولی برای جلوگیری از آسیب‌های موضعی شدید نسوز دیواره، معمولاً آهك به بار كوره اضافه می‌كنند. آهك نقش سرباره ساز دارد و سرباره ایجاد شده در كوره به صورت دستی از آن گرفته می‌شود. برای سرباره‌گیری كوره به سمت عقب چرخیده و سرباره جمع‌آوری شده، از دریچه سرباره‌گیری خارج می‌شود. این عمل در صورت نیاز و بسته به نوع بار قابل تكرار است.

پس از آنكه بخش عمده‌ای از سرباره تشكیل شده تخلیه گردید، یك نمونه آنالیز شیمیایی از ذوب تهیه می‌شود. بر مبنای تركیب شیمیایی بدست آمده از این نمونه ممكن است دمش گاز ادامه یابد یا تعدادی از عناصر آلیاژی برای تنظیم تركیب شیمیایی قبل از انتقال به واحد AOD به آن افزوده شود. زمان تقریبی مرحله EAF فرآیند EAF/AOD تقریباً 1 تا 3 ساعت است. پس از آماده شدن ذوب آن را به درون پاتیل انتقال مذاب می‌ریزند. پاتیل انتقال (یك ظرف نسوز كاری شده با مجرای خروج مذاب) در مقابل كوره قوس قرار داده می‌شود. كوره می‌چرخد و محتویات خود را به درون پاتیل می‌ریزد. ممكن است پاتیل با MgO نسوزكای شده باشد، تا با سرباره آهك مطابقت داشته باشد. امكان دارد موقع سرباره‌گیری ذرات سرباره بر روی مذاب شناور باقی به ماند. قبل از ریختن مذاب برای جلوگیری از افت دمای مذاب در پاتیل، آن را پیش گرم می‌كنند. پاتیل انتقال مذاب به تانك AOD برده می‌شود و مذاب به درون تانك ریخته می‌شود.

4-2-4- تانك AOD

در شكل 4-6 تانك AOD  نشان داده شده است. دیواره تانك فولادی و نسوز كاری شده است. نمای بیرونی تانك شبیه به مخلوط كن‌های بتن با تنه مدور و سر مخروطی است كه در محل قرارگیری خود می‌تواند بر روی یك صفحه عمودی چرخش نماید. ظرفیت تانك متناسب با ظرفیت كوره EAF و معمولاً كمتر از 36 تن است. یكی از مشخصات ویژه تانك AOD این است كه در كف آن تعدادی لوله برای دمش مخلوط اكسیژن و آرگن وجود دارد. این لوله تعدادی لوله هم مركز هستند كه از لوله مركزی مخلوط آرگن و اكسیژن و از لوله بیرونی فقط گاز خنثی (معمولاً آرگن) برای خنك كردن انتهای لوله مركزی دمیده می‌شود.

لایه نسوز تانك AOD شبیه نسوز كوره EAF است و در طی فرایند فرسوده می‌شود. كنترل درجه قلیایی سرباره یك عامل كلیدی برای اطمینان از آسیب ندیدن لایه نسوز از طرف سرباره می‌باشد. اولین مرحله در تانك AOD كربن زدایی مذاب است. اگر درون مذاب اكسیژن خالصی دمیده شود، نتیجه كار نه تنها كربن زدایی مذاب نخواهد شد بلكه كروم بیشتری به اكسید كروم تبدیل خواهد شد. برای اقتصادی كردن واكنش كربن‌زدایی، فشار جزئی اكسیژن دمیده شده به مذاب با اضافه كردن آرگن به آن كاهش داده می‌شود تا از مقدار كرومی كه به اكسید كروم تبدیل می‌شود، كاسته شود. وقتی كه مقدار كربن مذاب بالا باشد، نسبت آرگن به اكسیژن در مخلوط گازی 3 به 1 در نظر گرفته می‌شود. با كاهش مقدار كربن مقدار آرگن باید افزایش یابد. با نزدیك شدن به مرحله كربن زدایی كامل نسبت آرگن به اكسیژن تقریباً 6 به 1 در نظر گرفته می‌شود.

حرارتی كه در اثر واكنش كربن زدایی به وجود می‌آید، مقداری از كروم را اكسید می‌كند. در اثر دمش گاز، سیلسیم نیز اكسید می‌شود ولی حرارت ناشی از اكسیداسیون آن ناچیز است و اثر كمی در گرم كردن مذاب دارد. یادآوری این موضوع اهمیت دارد كه تانك AOD فاقد منبع انرژی حرارتی خارجی سات و دمای آن در اثر واكنش‌های گرمازا افزایش پیدا می‌كند. چنانچه لازم باشد دمای مذاب پایین آورده شود، از قراضه جامد استفاده می‌شود. یكنواخت نگه داشتن دمای مذاب از لحاظ اقتصادی اهمیت دارد، زیار تبدیل عناصر آلیاژی با ارزش (به ویژه كروم و نیوبیوم) به سرباره تحت تاثیر دما انجام می‌گیرد. از فوق گداز شدن مذاب باید جلوگیری كرد، زیرا خنك كردن و گرم كردن مجدد آن زمان بر بوده و بازیابی كامل عناصر آلیاژی موجود در سرباره را دشوار می‌سازد.

در طی فرآیند كربن‌زدایی به مذاب آهك اضافه می‌شود. آهك اضافه شده در مرحله دمش گاز كاملاً با مذاب مخلوط شده و درجه بالایی از گوگرد زدایی مذاب به دست می‌آید. CaS حاصل از گوگردزدائی به صورت سرباره در می‌آید. چنانچه پس از نمونه‌گیری از تركیب شیمیایی، كربن‌زدایی تا سطح مورد نظر انجام شده باشد، مرحله بازیابی عملیات AOD شروع می‌شود.

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