SUPERVISOR
Behzad Niroumand
بهزاد نيرومند (استاد راهنما)
STUDENT
Sayed ali akbar Sedighi ghale ghasemi
سيدعلي اکبر صديقي قلعه قاسمي
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.
چکيده ريخته گري نيمه جامد به دليل مزايايي که نسبت به فرايندهاي متداول ريخته گري فلزات دارد، به عنوان يکي از روش هاي نسبتا جديد توليد قطعات فلزي بررسي و به کار گرفته شده است. بيشتر تحقيقات انجام گرفته در مورد روش هاي ريخته گري نيمه جامد، بر روي آلياژهاي نقطه ذوب پايين بوده و کمتر به بررسي آلياژهاي آهني و نقطه ذوب بالا پرداخته گرديده است. در اين تحقيق به بررسي ساختار و خواص يک چدن خاکستري هايپريوتکتيک که به روش SSRريخته گري شده، پرداخته مي شود.روش SSRيکي از روش هاي ريخته گري نيمه جامد است که بر اساس ايجاد تبريد موضعي در مذاب و ايجاد تعداد زيادي جوانه و پخش کردن آن ها در مذاب عمل مي کند.حضور مقادير زيادي گرافيت درشت کيش در ساختار انجمادي چدن هاي خاکستري هايپريوتکتيک موجب پايين بودن خواص مکانيکي آن ها ميگردد. از آنجايي که چدن خاکستري هايپريوتکتيک خواص فيزيکي قابل توجهي مانند قابليت انتقال حرارتو قابليت جذب ارتعاش بالا دارد، در صورت بهبود ساختار وخواص مکانيکي آن به اين روش، مي توان محصولاتي با کارايي بيشتر به دست آورد.در اين تحقيق ابتدا شمش اوليه با ترکيب مشخص تهيه شده وپس از ذوب و انجام عمليات SSR بر روي آلياژ، دوغاب تهيه شده در دو قالب ماسه اي و فلزيريخته گري شد و در يک مرحله هم به صورت کوبشي تحت فشار قرار گرفت. در مرحله بعدي، ريختهگري نيمه جامد همراه با افزودن جوانه زاي ميکروني و نانوسايز انجام شد. سپس تاثير فرايندهاي مختلف بر ساختار و خواص فيزيکي و مکانيکي آلياژ مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد که ريخته گري نيمه جامد چدن خاکستري هايپريوتکتيک علاوه بر تغيير ساختار از دندريتي به کروي، موجب ريزتر شدن گرافيت ها، از بين رفتن گرافيت هاي کيش و ايجاد گرافيت نوع Dمي شود. اين تغييرات ساختاري با استفاده از قالب فلزي و با اعمال فشار و همچنين با افزودن جوانه زا بيشتر شد. عمليات SSRموجب بيشتر شدن چگالي نمونه ها شده و ريختهگري کوبشي هم به اين افزايش کمک کرد، به طوري که چگالي از مقدار05/7گرم بر سانتيمتر مکعب براي نمونه شاهد ريخته شده در قالب ماسه اي به 4/7گرم بر سانتيمتر مکعب براي نمونه ريخته گري شده به روش کوبشي افزايش پيدا کرد. تغييرات ساختاري انجام شده مقاومت ويژه الکتريکي را نيز بهبود داده و مقدار آن را از ? cm 4- 10×9/3 براي نمونه شاهد ريخته گري شده در قالب ماسه اي به ? cm 4- 10×47/1 براي نمونه نيمه جامد کوبشي رسانيد. با انجام تست هاي مکانيکي مشخص شد که اين بهبود ساختار و مورفولوژي گرافيت موجب افزايش استحکام کششي، استحکام خمشي ونيز بهبود سختي و مقاومت به سايش آلياژ مورد بررسي مي گردد. تحت اين تغييرات ساختاري، استحکام کششي از MPa3/116 براي نمونه شاهد قالب ماسه اي، تا MPa 9/168 براي نمونه نيمه جامد با جوانه زاي نانوسايز افزايش يافت و استحکام خمشي نيز از MPa9/254 براي نمونه شاهد در قالب ماسه اي به مقدار ماکزيمم MPa 7/424 براي نمونه نيمه جامد با جوانهزاي نانوسايز رسيد.بالاترين مقدار سختي براي نمونه نيمه جامد کوبشي و برابر با HV6/215 بدست آمد. علت اين مساله علاوه بر ساختار و مورفولوژي مناسب گرافيت ها، به چگالي بالاي اين نمونه نسبت داده شد. بيشترين مقدار مقاومت به سايش براي نمونه نيمه جامدي که تحت فشار منجمد شد، حاصل گرديد. در نمونه هاي شاهد که مقدار گرافيت نوع D زياد نيست، حضور گرافيت هاي کيش درشت تر، به خاطر عملکرد روانکاري که دارند، مقاومت به سايش را قدري افزايش مي دهد. کلمات کليدي ريخته گري نيمه جامد، روش SSR، چدن خاکستري هايپريوتکتيک، نانو مواد جوانه زا، خواص مکانيکي.