تحقیق مقاله بوش سیلندر

بوش سیلندر:

بوش سیلندر از جمله قطعات چدنی است که نسبت به ساختار زمینه بسیار حساس است  و ویژگی های ساختاری قطعه تعیین کننده عمر و دوام و سلامت موتور اتومبیل می باشد . برای تولید این قطعه در صنعت از دو روش استفاده می شود . روش نخست ، ریخته گری در ماسه به روش سیلیکات سدیم است . بوشی که از این روش تولید می شود دارای استحکام پایینی بوده و بعلت رطوبت موجود در سیستم ، عیوب انقباضی و گازی فراوانی در قطعه مشاهده می شود .

روش صنعتی و جدید برای تولید بوش سیلندر ریخته گری در قالب فلزی به روش گریز از مرکز است . در این روش مذاب به سرعت در قالبی که در حال گردش است ، ریخته شده ، شکل می گیرد . استفاده از روشهای گریز از مرکز برای تولید بوش چدنی به جای روش ریخته گری در ماسه دارای مزایای زیر است :

1 حداقل عیوب گازی و انقباضی به همراه ضریب تراکم جرمی بالا

2 حذف سیستم راه گاهی و تغذیه و مشکلات موجود در این سیستمها

3 حذف سیستم ماهیچه گذاری و مشکلات موجود در این سیستم

4 تولید بوش با حداقل ضخامت ممکن برای انجام مراحل ماشین کاری

5 استحکام و خواص مکانیکی بالاتر نسبت به سیستم ریخته گری در ماسه

6 افزایش سرعت تولید

گرچه استفاده از روشهای گریز از مرکز در تولید بوش از مزایای زیادی برخوردار است ،‌ولی باید توجه داشت که به دلیل شرایط خاصی که به لحاظ استفاده از قالب فلزی بر نحوه انجماد حاکم است ،‌ باعث می شود تا کنترل ساختار متالورژیکی قطعه با مشکلات عدیده ای روبرو باشد که از آنجمله می توان به موارد زیر اشاره  کرد :

1 جدایش فازها در اثر نیروی گریز از مرکز

2 تغییر ساختار متالورژیکی و تشکیل مناطق کاربیدی

در فرآیندهای متداول ریخته گری سیلندر ، دستیابی به ساختاری مناسب در قسمت سیلندر با پیستون که سایش و حرارت بالایی ایجاد می کند عملاً غیر ممکن است . به منظور بالابردن مقاومت به سایش و ضریب هدایت حرارتی از به کار بردن قطعه ای استوانه ای شکل (بوش سیلندر) که بطور جداگانه با ساختار مطلوب ریخته گری می شود ،‌در آن محل استفاده می کنند . بوش سیلندر را معمولاً از جنس چدنهای خاکستری بدللی دارا بودن قابلیت ریخته گری خوب و خواص فیزیکی و مکانیکی ویژه تهیه می کنند . نوع و اندازه ‌گرافیتها و فازهای تشکیل دهنده زمینه ‌ریز ساختار پارامترهای اصلی تعیین کننده ‌خواص چدنهای خاکستری هستند .

گرافیت نوع A (گرافیت لایه ای نازک با توزیع یکنواخت) با اندازه ‌متوسط از نظر مقاومت به سایش عالی هستند . در چدنهای خاکستری با گرافیتی نوع A ،‌    ورقه های گرافیت شبیه مخزن روغن کاری کننده عمل می کنند . همچنین این نوع گرافیتها باعث هدایت حرارتی و کنترل دمای سطوح مرتبط با منبع گرما می شوند . گرافیتهای ورقه ای ضمن داشتن قابلیت ماشین کاری خوب ، شرایط عالی در برابر سایش نیز دارند . برای افزایش مقاومت به سایش چدنهای خاکستری می توان از ایجاد فازهای مختلف و مناسب در ریز ساختار بهره گرفت . بطور کلی سختی چدن خاکستری با زمینه ‌ کاملاً پرلیتی حدود HB 180 است . با افزودن مقداری فسفر حدود 5/0 % به چدن فاز استریت با سختی حدود HB  400 در اطراف سلولهای یوتکتیک تشکیل می گردد . این فاز در برابر سایش بسیار مقاوم می باشد .

 با توجه به مصرف گسترده ‌ بوشها و کاربرد حساس آنها در سیلندر تولید آنها با مشخصات مناسب ضروری می باشد  لیکن با توجه به طبیعت انجماد جهت دار در ریخته گری گریز از مرکز ، تولید چنین محصولاتی با مشکلاتی روبرو خواهد بود . لذا هدف اصلی تولید چدن خاکستری با داشتن گرافیتهای نوع A ضمن داشتن ریز ساختاری شامل حدود 95% پرلیت و حدود 5% فسفید آهن می باشد . 

قالب های مورد استفاده در روش ریخته گری گریز از مرکز افقی :

بسته به شرایط کاری ، سرعت تولید ، جنس آلیاژ ریخته گری به دو دسته مصرف شدنی و دائمی تقسیم بندی شده است ، که قالب های مورد استفاده در ریخته گری گریز از مرکز لوله های چدنی مورد نظر فولاد دائمی است .

جنس فولادهای قالب گریز  از مرکز :

فولادهای قالب از نوع فولادهای گرم کار بوده که جهت تهیه لوله های چدنی و همچنین قالب های تزریقی پلاستیک در صنعت مورد توجه می باشند . در حین کار سطح داخلی آنها تحت درجه حرارت های بالا و بارهای مکانیکی نسبتاً بالا قرار دارد . فولادهای قالب درحین کار تحت تاثیر عواملی قرار می گیرند که بر طول عمر آنها تاثیر دارد . این عوامل عبارتند از :

1-سیکل تغییرات دما با دامنه  تا  در سطح داخلی قالب ( زمان یک دوره تغییرات دما تقریباً 210 ثانیه است .)

2-نیروی گریز از مرکز بالا در اثر چرخش قالب با سرعت حدود  حاصل می شود .

3-تنشهای بالا در نزدیکی سطح داخلی (حدود  فشار  کششی)

4-خوردگی حاصل از گازها و هوا که از انجام واکنشها حاصل می شود .

5-ترکهای خراش که در هنگام بیرون کشیدن لوله ها از قالب در جهت محور قالب ایجاد می شوند.

مشخصات متالورژی و مکانیکی فولاد قالب

چقرمگی شکست 

استحکام کششی 

استحکام تسلیم

درصد زیاد طول

HBتختی

2600

850-700

700

17

240-200

فولاد 21

2400

900-750

700

17

240-200

فولاد 34

ضخامت قطعه و دمای جداره قالب :

بطور کلی با کاهش ضخامت قطعه سرعت انتقال حرارت از مذاب به جداره قالب افزایش می یابد و در نتیجه بر سرعت انجماد قطعه افزوده می شود . این امر شرایط را برای ایجاد یوتکتیک در ساختار قطعه فراهم کرده و باعث افزایش مقدار منطقه سفید شده در قطعه می شود .

افزایش دمای جداره قالب بطور طبیعی باعث کاهش در میزان تحت انجماد 
می شود . ولی باید توّجه داشت که افزایش بیش از حد دمای جداره قالب ممکنست به تغییراتی در ساختار انجماد وایجاد انجماد معکوس ساختار قطعه شود .

آزمایشهای عملی :

مراحل کاری تهیه بوشهای چدن خاکستری به روش گریز از مرکز افقی :

             1.تهیه مذاب با آنالیز مورد نظر .

             2.پوششکاری قالب گریز از مرکز .

             3.پوششکاری پیله بارریزو ناودان ذوب ریز .

             4.جوانه زایی در پاتیل اولیه .

             5.جوانه زایی ثانویه در مرحله ریختن مذاب به قالب .

1.تهیه مذاب با آنالیز مورد نظر :

کوره های مورد استفاده در تهیه مذاب از نوع القائی با ظرفیتهای k400 فرکانس متوسط و کوره   Ton1  فرکانس پایین میباشد . و مواد اولیه در تهیه مذاب شامل درصد های مناسبی از شمش چدن خاکستری ، برگشتی ، قراضه ، براده ، می باشد که در نهایت مطابق آنالیز مورد نظر چدن خالستری ، مطابق با آنالیز زیر تهیه می گردند:

  % CE        % C        % Si       % P       % Mn        % S       % Cr     % Cu

45/0          13/0        <1/0          6/0      13/0-1/0   4/2-7/1      4-5/3   %C+%Si/3

آنالیز مذاب ، طی تهیه آن ، توسط قالب نمونه گیر آنالیز ، تهیه شده و به کمک دستگاه کوانتومتر در هر مرحله از تهیه مذاب سنجیده می شود .

2.پوشش کاری قالب گریز از مرکز ونوع پوشان آن:

قالبهای تهیه بوشهای گریز از مرکز ، در هر مرحله از شرایط کاری تعیین گردیده و با توجه به کاربرد پوشان در قالبها ، همزمان با چرخش قالب ، توسط کمپرسورهای پوشان بصورت منظم از انتهای قالب به سمت بیرون آن، به داخل آنها پاشیده می شود تا به این ترتیب  ، خواصی نظیر ، عدم چسبندگی مذاب به قالب ، افزایش عمر قالب ، کنترل و انتقال حرارت ، … را ایجاد نمایند.

  پایه پوشان مورد استفاده در این قالبها : پودر سیلیس ، نبتونیت ، مایع کف زا ، خاک دیاتومه ، آب به نسبتهای معین و مش بسیار ریز (کمتر از 001/0 – 01/0 میلی متر ) می باشد ، به طوری که غلظت پوشان مورد نظر حاصل از مخلوط نمودن مواد فوق در حدود           55-45   بوده که توسط دانسیمتر تعیین می کردند . ضخامت پوشان مورد استفاده در قالب در حدود  1-5/0 میلی متر می باشد .

در این تحقیق سعی میگردد ، تا علاوه بر تغییر کمیت در اندازه و حتی نوع جوانه زاها و به بکارگیری آنها در مرحله ثانویه جوانه زنی ، از مرحله جوانه زایی در پوشان قالب نیز آزمایش به عمل آمده و تاُثیر آن بر نوع گرافیتهای سطوح بوش و خواص آن نظیر سختی مورد بررسی قرارگیرد که در مراحل عملی به تشریح آنها پرداخته میشود .

 3-پوششکاری پیاله بار ریز و ناودان ذوب ریز :

پوشان مورد استفاده در پیاله بار ریز و ناودانی ذوب ریز نصب شده روی دستگاه ریخته گری گریز از مرکز افقی جهت بوش ریزی ، از نوع پوشش گرافیتی (دوده و آب ) می باشد تابدین ترتیب تمامی خواص و انتظاراتی را که در بحث پوشان گفته شده ، بدست دهد .

این نوع پوشان بر روی سطوح پیاله بارریز (تندیش) و ناودان ذوب ریز به کمک قلمو قرار می گیرد و بعد از هر چند مرحله ذوب ریزی ، مجدداً استفاده می گردد .

4-جوانه زایی در پاتیل اولیه :

پاتیل اولیه ، پاتیل حمل مذاب از کوره های القایی ، به تندیش یا پیاله بارریز دستگاههای گریز از مرکز است ، که در آنها یک مرحله جوانه زایی توسط جوانه زای پایه فروسیلیس 75% با دانه بندی 5-3 میلی متر و به میزان  wt %6/0 درصد وزنی مذاب که در کف پاتیل به آن اضافه می شود ، انجام گردد . در این مرحله دمای مذاب 1420 تا 1520 درجه سانتی گراد می باشد .

جوانه زایی ثانویه در مرحله ریختن مذاب به قالب ، و یا جوانه زایی در پوشان یا بر روی سطح آن :

از آنجائیکه این مرحله از کار ، اساس پروژه بوده و تحقیقات و بررسی های انجام شده ، در زمینه بهینه سازی اثر جوانه زاها در خواص چدن و نوع گرافیت ها ، مبحث اصلی تحقیق است ، تمامی آزمایشات بصورت مرحله به مرحله همراه با نتایج و عکسهای متالوگرافی و سختی سنجی و بررسی های آزمایش های متالوگرافی و متالورژیکی بیان می گردد.

بررسی متالوگرافی و سختی سنجی از نمونه های بوش:

بوشهای تولیدی به روش گریز از مرکز افقی دارای ابعاد و اوزان متنوعی می باشند که با تغییر و تعویض قالبهای مختلفی قابل تولید می باشند.

نمونه بوشهای تولیدی در بررسی اثر جوانه زا ها ، قسمتی از وسط یا ناحیه میانی بوش است .

نمونه فوق توسط دستگاه اره لنگ از ناحیه میانی بوش تهیه می شود . قسمت های تیز آن توسط سنگ گرفته شده و سطح مورد مطالعه نیز سنگ و سنباده و پولیش می گردد و تحت بررسی متالوگرافی در زیر میکروسکوپ با بزرگنمایی 200× قرار می گیرد ، عکس های متالوگرافی تهیه شده از نمونه ها از قسمت b می باشد .

جوانه زاهای مورد آزمایش:

جوانه زاهای زیر با مشخصات مربوط تهیه شده و تحت آنها بر اساس نوع و کیفیت و کمیت های آنها آزمایش های طرح ریزی و انجام گردید .

1-اینواسترانگ Inostrong

2- اینولیت Inolate

3-SRF75

4-SB5

5-VL7B

6-جوانه زای پایه فروسیلیس 75% بامش mm5/1 –5/0 (پودری).جدول ترکیب جوانه زاهای فوق به صورت زیر آورده شده است .

آزمایش های عملی در رابطه با جوانه زاها و ریزساختار و خواص قطعات (بوشهای) تولیدی :

1-بوش ریخته گری شده بدون مرحله جوانه زایی در پیاله بارریز :

از آنجائیکه بوشهای تولیدی توسط دستگاههای گریز از مرکز افقی ، با تغییر قالب ها ، دارای ابعاد و مشخصات متنوعی هستند ، آزمایش های انجام شده بر روی بوش به ابعاد و مشخصات زیر انجام شده است :

بوش         قطر داخلی -  قطر خارجی  -  طول شاخه-طول لبه-وزن شاخه  

                  81-80       97-96        mm470   - kg334/7

در آزمایش ابتدایی ، بر روی بر روی قطعه تولیدی با مشخصات فوق ، %0 جوانه زا استفاده شد . یعنی ، هیچ مقدار جوانه زایی به مذاب در مرحله پیاله بار ریز اضافه نگردید و ملاحضات زیر و نتایج مربوط به آن به شرح زیر ارائه گردیده است :(جدول 8)

از سطح داخلی a تا سطح خارجی (سطح بوش)، گرافیت های نوع D

ملاحظه گردیده است و سختی سطح این نمونه HB255 برینل

گزارش شده است . تصویر متالوگرافی از قسمت میانی نمونه بدون 1 اینچ و با بزرگنمایی 200×‌برابر بصورت زیر ارائه می گردد :

شکل 52 - بدون جوانه زایی در تندیش – گرافیت های نوع D – 200×