SUPERVISOR
Behzad Niroumand
بهزاد نیرومند (استاد راهنما)
STUDENT
Sayed ali akbar Sedighi ghale ghasemi
سیدعلی اکبر صدیقی قلعه قاسمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Production and Characterization of Semisolid Hypereutectic Grey Cast Iron Through SSR Process with Addition of Nano-Size Inoculants
Semi solid casting has been studied and used as one of the rather new ways of manufacturing metallic parts due to its advantages over other common casting processes. The majority of the studies were on low melting point alloys and ferrous and high melting point alloys have attracted less attention. In the present study, the microstructure and properties of a SSR cast hypereutectic gray cast iron was evaluated. SSR is a semi solid casting process based on local cooling of the liquid phase and producing and dispersing nuclei into it. Presence of a lot of large Kish graphites in the microstructure of a hypereutectic gray cast iron results in low mechanical properties. Hypereutectic gray cast irons have remarkable physical properties such as high heat transfer ability and high trembling absorption ability, so in case of better microstructure and mechanical properties they could make more efficient metallic products. In this research first the ingot with distinguishing composition was made and after melting and SSR treatment of the alloy, it was poured into two sandy and metallic molds and pressed by squeezing. As the next step, micro and nano size inoculants were added to the liquid phase for casting. Then theeffect of different treatments on microstructures, physical and mechanical properties were evaluated. The results showed that semi solid casting of a hypereutectic gray cast iron changed the dendritic microstructure to spherical, made the graphites smaller, removed Kish graphites and produced D type graphites. The microstructures underwent more changes in the cases of metallic mold, pressing and adding inoculants.The effect of two types nano size and micro size inoculant wasn’t very different on mechanical properties and microstructure. SSR treatment resulted in higher densities of the samples and the squeezing was also effective so that the density increased from 7.05gram per cubic centimetre for the sand cast refrence sample to 7.4gram per cubic centimetrefor the squeezed one. The microstructural changes improved the electrical resistivity from 3.9×10 -4 ohm centimeterfor the sand cast reference sample to 1.47×10 -4 ohm centimeter for the SSR treated and squeezed one. Based on mechanical tests, the improvement in microstructure and graphite morphology resulted in higher tensile strength, bending strength, hardness and wear resistance. The tensile and bending strength increased from 116.3MPa for the sand cast reference sample to 168.9MPa for the SSR treated with addition of nano size inoculant and from 254.9MPafor the sand cast reference sample to 424.7MPa for the SSR treated with addition of nano size inoculant respectively for the SSR treated sample containing nano size inoculants. SSR treated and squeezed sample had the highest hardness and it was 215.6HV. It referred to its high density and also the structure and morphology of the graphites. The under pressure solidified sample had the highest wear resistivity. Larger Kish graphites and lower D type grapites resulted in better lubrication and higher wear resistance of reference samples. Key words Semi solid casting, SSR method, Hypereutectic gray cast iron, Nanosize inoculant, Mechanical properties.
ریخته گری نیمه جامد به دلیل مزایایی که نسبت به فرایندهای متداول ریخته گری فلزات دارد، به عنوان یکی از روش های نسبتا جدید تولید قطعات فلزی بررسی و به کار گرفته شده است. بیشتر تحقیقات انجام گرفته در مورد روش های ریخته گری نیمه جامد، بر روی آلیاژهای نقطه ذوب پایین بوده و کمتر به بررسی آلیاژهای آهنی و نقطه ذوب بالا پرداخته گردیده است. در این تحقیق به بررسی ساختار و خواص یک چدن خاکستری هایپریوتکتیک که به روش SSRریخته گری شده، پرداخته می شود.روش SSRیکی از روش های ریخته گری نیمه جامد است که بر اساس ایجاد تبرید موضعی در مذاب و ایجاد تعداد زیادی جوانه و پخش کردن آن ها در مذاب عمل می کند.حضور مقادیر زیادی گرافیت درشت کیش در ساختار انجمادی چدن های خاکستری هایپریوتکتیک موجب پایین بودن خواص مکانیکی آن ها میگردد. از آنجایی که چدن خاکستری هایپریوتکتیک خواص فیزیکی قابل توجهی مانند قابلیت انتقال حرارتو قابلیت جذب ارتعاش بالا دارد، در صورت بهبود ساختار وخواص مکانیکی آن به این روش، می توان محصولاتی با کارایی بیشتر به دست آورد.در این تحقیق ابتدا شمش اولیه با ترکیب مشخص تهیه شده وپس از ذوب و انجام عملیات SSR بر روی آلیاژ، دوغاب تهیه شده در دو قالب ماسه ای و فلزیریخته گری شد و در یک مرحله هم به صورت کوبشی تحت فشار قرار گرفت. در مرحله بعدی، ریختهگری نیمه جامد همراه با افزودن جوانه زای میکرونی و نانوسایز انجام شد. سپس تاثیر فرایندهای مختلف بر ساختار و خواص فیزیکی و مکانیکی آلیاژ مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که ریخته گری نیمه جامد چدن خاکستری هایپریوتکتیک علاوه بر تغییر ساختار از دندریتی به کروی، موجب ریزتر شدن گرافیت ها، از بین رفتن گرافیت های کیش و ایجاد گرافیت نوع Dمی شود. این تغییرات ساختاری با استفاده از قالب فلزی و با اعمال فشار و همچنین با افزودن جوانه زا بیشتر شد. عملیات SSRموجب بیشتر شدن چگالی نمونه ها شده و ریختهگری کوبشی هم به این افزایش کمک کرد، به طوری که چگالی از مقدار05/7گرم بر سانتیمتر مکعب برای نمونه شاهد ریخته شده در قالب ماسه ای به 4/7گرم بر سانتیمتر مکعب برای نمونه ریخته گری شده به روش کوبشی افزایش پیدا کرد. تغییرات ساختاری انجام شده مقاومت ویژه الکتریکی را نیز بهبود داده و مقدار آن را از ? cm 4- 10×9/3 برای نمونه شاهد ریخته گری شده در قالب ماسه ای به ? cm 4- 10×47/1 برای نمونه نیمه جامد کوبشی رسانید. با انجام تست های مکانیکی مشخص شد که این بهبود ساختار و مورفولوژی گرافیت موجب افزایش استحکام کششی، استحکام خمشی ونیز بهبود سختی و مقاومت به سایش آلیاژ مورد بررسی می گردد. تحت این تغییرات ساختاری، استحکام کششی از MPa3/116 برای نمونه شاهد قالب ماسه ای، تا MPa 9/168 برای نمونه نیمه جامد با جوانه زای نانوسایز افزایش یافت و استحکام خمشی نیز از MPa9/254 برای نمونه شاهد در قالب ماسه ای به مقدار ماکزیمم MPa 7/424 برای نمونه نیمه جامد با جوانهزای نانوسایز رسید.بالاترین مقدار سختی برای نمونه نیمه جامد کوبشی و برابر با HV6/215 بدست آمد. علت این مساله علاوه بر ساختار و مورفولوژی مناسب گرافیت ها، به چگالی بالای این نمونه نسبت داده شد. بیشترین مقدار مقاومت به سایش برای نمونه نیمه جامدی که تحت فشار منجمد شد، حاصل گردید. در نمونه های شاهد که مقدار گرافیت نوع D زیاد نیست، حضور گرافیت های کیش درشت تر، به خاطر عملکرد روانکاری که دارند، مقاومت به سایش را قدری افزایش می دهد. کلمات کلیدی ریخته گری نیمه جامد، روش SSR، چدن خاکستری هایپریوتکتیک، نانو مواد جوانه زا، خواص مکانیکی.