SUPERVISOR
Behzad Niroumand,Ali Maleki
بهزاد نيرومند (استاد راهنما) علي مالکي (استاد راهنما)
STUDENT
Safar Rostamzadeh
صفر رستم زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Single stage semi-solid casting of gray cast iron in a sand mold
Semi-solid casting is one of the new methods of manufacturing metalic parts. In many semisolid casting methods, the parts are produced by applying shear to a solidifying melt to make a slurry of suspended non dendritic primary particles in the melt. Most popular semi-solid casting processes involve two stages. The first stage includes producing a semi-solid slurry which is formed in a high strength metallic die in the second stage of the process. Because of high pressures applied on the semi-solid slurry during the second stage, the die should be made of expensive alloy steels. Also most of the studies have been conducted on low melting point alloys such as aluminium or magnesium and high melting point alloys have attracted less attention. Gray cast iron is a high melting point alloy used in many industrial applications and is suitable for products requiring good heat transfer, machinablity, damping capacity and wear resistance. By increasing the carbon content, flake graphites in the microstructure become coarser and mechanical properties are reduced. Therefore, reducing the size of flake garphite in high carbon cast irons may results in superior physical and mechanical properties. This research investigated the possibility of low cost single stage semi solid casting of a high melting point alloy, i.e. gray cast iron, in sand molds using centrifugal force. For this purpose, a specially designed runner chilled sand mold rigged to a vertical centrifugal casting machine was used. The hypereutectic gray cast iron was poured in the sand mold at 1270, 1275 and 1285 ?C and at rotation speeds of 200 and 400 rpm. The effects of different parameters on microstructure as well as mechanical and physical propertie of the specimens were characterized. In order to compare the results, control samples were cast in the same mold at 1275 ?C by traditional methods of gravity and centrifuged casting. Mold filling and temperature and solid fraction changes during solidification were also simulated by Procast simulation software. The results showed that the average length and thickness of eutectic and Kish flake graphites in semi-solid centrifuged castings were smaller than those in the castings prepared by conventional gravity or centrifuged casting methods. Reducing the pouring temperature in semi-solid casting method led to smaller size and thickness of eutectic and Kish graphite flakes. Hardness and tensile strength of the semi-solid cast samples were higher than those of the control samples. Improvment of the microstructure by semi-solid casting resulted in increase of tensile strength and hardness of control samples from 128 MPa and 166 vickers, respectively, to 154 MPa and 192 vickers for semi-solid samples, respectively. The result showed that semi solid casting of hypereutectic gray cast iron in sand mold using the new single stage semi solid centrifuged casting method was successful. Key words: Centrifuged Semi-Solid Casting, Hypereutectic Gray Cast Iron, Kish graphite, Sand Mold, Mechanical peroperties, Simulation
چکيده ريخته گري نيمه جامد يکي از روش هاي نسبتا جديد توليد قطعات فلزي مي باشد. براي ساخت قطعات در بسياري از روش هاي نيمه جامد، نياز به اعمال تنش برشي به مذاب در حال انجماد براي ساخت دوغابي با ذرات غيردندريتي پراکنده در آن مي باشد. اکثر فرايندهاي شناخته شده در ريخته گري نيمه جامد، در طي دو مرحله، شامل توليد دوغاب نيمه جامد و سپس شکل دهي آن در يک قالب فلزي، انجام مي شود. به دليل نياز به اعمال فشار بالا در مرحله شکل دهي دوغاب نيمه جامد، قالب هاي مورد استفاده براي انجام اين روش ها از فولادهاي آلياژي گرم کار ساخته مي شود. هم چنين بيشتر پژوهش هاي انجام گرفته بر روي آلياژهاي با نقطه ذوب پايين نظير آلومينيوم و منيزيم انجام شده و کمتر به بررسي آلياژ هايي با نقطه ذوب بالا پرداخته شده است. چدن خاکستري پرمصرف ترين آلياژ در ريخته گري قطعات صنعتي است. خواصي مانند جذب ارتعاش، قابليت تراشکاري، انتقال حرارت و مقاومت سايش بالا در کنار قيمت پايين باعث استفاده زياد از اين آلياژ شده است. با افزايش درصد کربن اين خواص افزايش يافته ولي درعوض خواص مکانيکي محصولات به دليل درشت شدن لايه هاي گرافيت در ساختار، کاهش مي يابد. بنابراين در صورت توفيق در کاهش ابعاد گرافيت هاي لايه اي در چدن هاي خاکستري با درصد کربن بالا، مي توان محصولاتي با کارايي فيزيکي و مکانيکي بيشتر به دست آورد. در اين پژوهش، امکان توليد ارزان قيمت قطعات نيمه جامد از يک آلياژ با نقطه ذوب بالا، يعني چدن خاکستري، در قالب ماسه اي، به صورت تک مرحله اي و به روش گريز از مرکز بررسي شد. به اين منظور از يک دستگاه ريخته گري گريز از مرکز و قالبي ويژه با سيستم راهگاهي مبرددار استفاده شد و نمونه هايي از مذاب چدن خاکستري هايپريوتکتيک در سه دماي 1285 و 1275 و 1270 درجه سانتي گراد و با سرعت دوران 400 و 200 دور بر دقيقه، ريخته گري شدند و تاثير پارامترهاي مختلف بر ريزساختار و خواص مکانيکي آلياژ مورد بررسي قرار گرفت. براي مقايسه نتايج به دست آمده از اين روش، نمونه هايي با روش هاي ريخته گري گريز از مرکز و ريخته گري ثقلي نيز ريخته شد. علاوه بر اين، تاثير پارامترهاي فرايند بر پرشدن قالب و تغييرات دمايي و کسر جامد آلياژ در حين انجماد به وسيله نرم افزار Procast بررسي شد. نتايج نشان داد که ريخته گري نيمه جامد گريز از مرکز چدن خاکستري هايپريوتکتيک باعث تغيير ريزساختار و ريزتر شدن گرافيت ها و حذف گرافيت هاي درشت و ضخيم کيش مي شود. هم چنين کاهش دماي ريخته گري در روش نيمه جامد باعث ريزتر و نازک تر شدن گرافيت هاي يوتکتيکي و کيش شد. نمونه هاي به دست آمده از روش نيمه جامد داراي سختي و استحکام کششي بالاتري نسبت به ديگر نمونه ها بود و بهبود ريزساختار و کاهش ابعاد گرافيت ها موجب افزايش استحکام کششي از MPa128 و سختي از 166 ويکرز براي نمونه هاي شاهد گريز از مرکز به مقدار استحکام کششي MPa 154 و سختي 192 ويکرز شد. نتايج نشان داد که ريخته گري چدن خاکستري هايپريوتکتيک با استفاده از روش جديد تک مرحله اي نيمه جامد گريز از مرکز در قالب ماسه اي با موفقيت انجام پذير است و امکان توليد قطعات چدن خاکستري هايپريوتکتيک با حذف گرافيت هاي درشت کيش و افزايش خواص مکانيکي در عين حفظ ديگر خواص فيزيکي وجود دارد. کلمات کليدي ريخته گري نيمه جامد گريز از مرکز، چدن خاکستري هايپريوتکتيک، گرافيت کيش، قالب ماسه اي،خواص مکانيکي، شبيه سازي