The Effect of Two-Step Austempering Temperature and Copper Addition on the Microstructure and Mechanical Properties of ADI
Subject Areas : journal of New Materials
Mehdi Ghorbani Jamal-Abadi
1
,
Amir Abedi
2
,
Soroush Parvizi
3
,
Mina Safa
4
,
Saloumeh Mesgari Abbasi
5
,
Gholamreza Khalaj
6
*
1 - Materials Engineering Department, Faculty of Materials Engineering and Interdisciplinary Sciences, Shahid Rajaee Teacher Training University (SRTTU), Tehran, 16785-136, Iran
2 - Materials Engineering Department, Faculty of Materials Engineering and Interdisciplinary Sciences, Shahid Rajaee Teacher Training University (SRTTU), Tehran, 16785-136, Iran
3 - Materials Engineering Department, Faculty of Materials Engineering and Interdisciplinary Sciences, Shahid Rajaee Teacher Training University (SRTTU)
4 - Department of Physics, Sav.C., Islamic Azad University, Saveh, Iran
5 - Department of Materials Engineering, Sav.C., Islamic Azad University, Saveh, Iran
6 - Department of Materials Engineering, Sav.C., Islamic Azad University, Saveh, Iran
Keywords: Austempered ductile iron, ausferrite, austempering, two-step austempering, tensile strength, copper addition,
Abstract :
This study investigated the influence of copper addition and two-step austempering temperature on the microstructure, phase fractions, and mechanical properties of austempered ductile iron (ADI). Two alloys, one without copper and one containing 1.5 wt% copper, were melted and cast. Samples were austenitized at 900°C for 90 minutes, quenched to 260°C, and held for 5 minutes. They were subsequently austempered at either 350°C or 400°C for 120 minutes and then air-cooled to room temperature. Characterization was performed using tensile testing, hardness measurements, optical metallography, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD). Tensile and hardness test results indicated that increasing the two-step austempering temperature decreased yield strength, ultimate tensile strength, elongation, hardness, and retained austenite content. The addition of copper enhanced all measured mechanical properties compared to the copper-free samples.The addition of copper enhanced all measured mechanical properties compared to the copper-free samples.
[1] Keough, J. "Austempered Ductile Iron (ADI) – A Green Alternative for India." AFS Transactions (2011).
[2] Vidyarthee, G., and K. Singh. "Thin Wall Austempered Ductile Iron: A Best Replaceable Material to Steel and Aluminum." International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research (2014): 465–73.
[3] Bialobrzeski, A., and J. Pezda. "Testing of Heating and Cooling Process of ADI Cast Iron with Use of ATND Method." Archives of Foundry Engineering 8 (2014): 11–14.
[4] Mandal, S., and A. Maity. "Austempered Ductile Iron Material for the Design of Agriculture Machinery." Mechanical Engineering 60 (2013): 16140–45.
[5] Zhang, L., and L. Chen. "A Review on Biomedical Titanium Alloys: Recent Progress and Prospect." Advanced Engineering Materials 21 (2019).
[6] Zhang, J., N. Zhang, M. Zhang, L. Lu, D. Zeng, and Q. Song. "Microstructure and Mechanical Properties of Austempered Ductile Iron with Different Strength and Grades." Materials Letters 119 (2014): 47–50.
[7] Filho, A., B. Souza, and C. Santos. "The Influence of Austempering Conditions on the Machinability of a Ductile Iron." Materials and Manufacturing Processes 31, no. 14 (2016).
[8] Boccardo, A., P. Dardati, D. Celentano, and L. Godoy. "Austempering Heat Treatment of Ductile Iron: Computational Simulation and Experimental Validation." Finite Elements in Analysis and Design 134 (2017): 82–91.
[9] Kim, Y., H. Shin, H. Park, and J. Lim. "Investigations into Mechanical Properties of Austempered Ductile Cast Iron (ADI) in Accordance with Austempering Temperature." Materials Letters 62, no. 3 (2008): 357–60.
[10] Hsu, C., and K. Lin. "A Study on Microstructure and Toughness of Copper Alloyed and Austempered Ductile Irons." Materials Science and Engineering A 528, no. 18 (2011): 5706–12.
[11] Abdullah, B., S. Alias, A. Jaffar, A. Abd Rashid, and A. Ramli. "Mechanical Properties and Microstructure Analysis of 0.5% Niobium Alloyed Ductile Iron Under Austempered Process in Salt Bath Treatment." In 2012 International Conference on Mechanical and Electrical Technology, 610–14. 2010.
[12] Thomson, R., J. James, and D. Putman. "Modelling Microstructure Evolution and Mechanical Properties of Austempered Ductile Iron." Materials Science and Technology 16, no. 11–12 (2000): 1412–19.
[13] Larumbe, L., E. Delgado, M. Alvarez-Vera, and P. Villanueva. "Forming Process Using Austempered Ductile Iron (ADI) in an Automotive Pitman Arm." International Journal of Advanced Manufacturing Technology 91 (2017): 569–75.
[14] Kim, Y., B. Cheon, and J. Lee. "Technical Review: Austempered Ductile Cast Iron." Journal of the Korean Foundry Society 8, no. 1 (1988).
[15] Hedge, A., S. Sharma, and M. Shankar. "Machinability and Related Properties of Austempered Ductile Iron: A Review." Journal of Mechanical Engineering Science 12, no. 4 (2018): 4180–90.
[16] Benam, A. "Effect of Alloying Elements on Austempered Ductile Iron (ADI) Properties and Its Process: Review." China Foundry 12, no. 1 (2015): 54–70.
[17] Olawale, J., and K. Oluwasegun. "Austempered Ductile Iron (ADI): A Review." Materials Performance and Characterization 5, no. 1 (2016): 289–311.
[18] Samaddar, S., T. Das, A. Chowdhury, and M. Singh. "Manufacturing of Engineering Components with Austempered Ductile Iron – A Review." Materials Today: Proceedings 5, no. 11 (2018): 25615–24.
[19] Basso, A., and J. Sikora. "Review on Production Processes and Mechanical Properties of Dual Phase Austempered Ductile Iron." International Journal of Metalcasting 6, no. 1 (2012): 7–14.
[20] Delia, M., M. Alaalam, and M. Grech. "Effect of Austenitizing Conditions on the Impact Properties of an Alloyed Austempered Ductile Iron of Initially Ferritic Matrix Structure." Journal of Materials Engineering and Performance 7, no. 2 (1998): 265–72.
[21] Gorny, M., G. Angella, E. Tyrala, M. Kawalec, S. Paz, and A. Kmita. "Role of Austenitization Temperature on Structure Homogeneity and Transformation Kinetics in Austempered Ductile Iron." Metals and Materials International (2019): 1–10.
[22] Wilk-Kolodziejczyk, D., K. Regulski, T. Gietka, G. Gumienny, and K. Jaskowiec. "The Selection of Heat Treatment Parameters to Obtain Austempered Ductile Iron with Required Impact Strength." Journal of Materials Engineering and Performance 2, no. 11 (2018): 5865–78.
[23] Cheng, H., H. Fu, S. Ma, J. Lin, and Y. Lei. "Effects of Austenitizing Process on Microstructures and Properties of Carbidic Austempered Ductile Iron." Materials Research Express 6, no. 1 (2019).
[24] Gietka, T., T. Szykowny, and S. Dymski. "The Influence of Saturation of Cast Iron Austenite with Carbon on the Ausferrite Transformation." Archives of Foundry Engineering 7, no. 3 (2007): 241–46.
[25] Cui, J., and L. Chen. "Microstructures and Mechanical Properties of a Wear-Resistant Alloyed Ductile Iron Austempered at Various Temperatures." Metallurgical and Materials Transactions A 45 (2015): 3627–34.
[26] Wang, B., G. Barber, M. He, X. Sun, M. Shaw, B. Slattery, et al. "Study of Ausferrite Transformation Kinetics for Austempered Ductile Iron with and Without Ni." In SAE 2016 World Congress and Exhibition. 2016.
[27] Angella, G., R. Donnini, F. Bonollo, A. Fabrizi, and F. Zanardi. "Assessment of the Austempered Process Evolution Through Tensile Testing." Metallurgia Italiana 6 (2017): 11–17.
[28] Dakre, V., D. Peshwe, S. Pathak, and A. Likhite. "Mechanical Characterization of Austempered Ductile Iron Obtained by Two Step Austempering Process." Transactions of the Indian Institute of Metals 70, no. 9 (2017): 2381–87.
[29] Wang, B., F. Qiu, G.C. Barber, Y. Pan, W. Cui, and R. Wang. "Microstructure, Wear Behavior and Surface Hardening of Austempered Ductile Iron." Journal of Materials Research and Technology 9, no. 5 (2020): 9838–55.
[30] Yi, Peng-yue, Er-jun Guo, Li-ping Wang, Yi-cheng Feng, and Chang-liang Wang. "Microstructure and Mechanical Properties of Two-Step Cu-Alloyed ADI Treated by Different Second Step Austempering Temperatures and Times." China Foundry 16, no. 5 (2019): 342–51.
[31] Yang, J., and S. Putatunda. "Influence of a Novel Two-Step Austempering Process on the Strain Hardening Behavior of Austempered Ductile Cast Iron (ADI)." Materials Science and Engineering A 382, no. 1–2 (2004): 265–79.
[32] Yi, Peng-yue, Er-jun Guo, Li-ping Wang, Yi-cheng Feng, and Chang-liang Wang. "Effect of Cu Content on Microstructures and Mechanical Properties of ADI Treated by Two-Step Austempering Process." China Foundry 16, no. 3 (2019).
[33] Basso, A., A. Pra, M. Echeverria, and A. Sosa. "Study of Dimensional Change of High-Silicon Ductile Iron with ADI and Dual-Phase ADI Microstructure Starting from Different As-Cast Structure." International Journal of Cast Metals Research 31, no. 3 (2018): 144–52.
[34] Putatunda, S., and G. Bingi. "Influence of Step-Down Austempering Process on the Fracture Toughness of Austempered Ductile Iron." Journal of Materials Science and Engineering: Advanced Technology 5, no. 1 (2012): 39–70.
|
ISSN (Print): 2008-9228 - ISSN (Online): 2423-7264
Research Paper
The Effect of Two-Step Austempering Temperature and Copper Addition on the Microstructure and Mechanical Properties of ADI
Mehdi Ghorbani Jamal Abadi1, Amir Abedi1, Soroush Parvizi1, Mina Safa², Saloumeh Mesgari Abbasi3, Gholamreza Khalaj3*
1- Materials Engineering Department, Faculty of Materials Engineering and Interdisciplinary Sciences, Shahid Rajaee Teacher Training University (SRTTU), Tehran, 16785-136, Iran
2- Department of Physics, Sav.C., Islamic Azad University, Saveh, Iran
3- Department of Materials Engineering, Sav.C., Islamic Azad University, Saveh, Iran
Citation: Ghorbani Jamal Abadi Mehdi, Abedi Amir, Parvizi Soroush, Safa Mina, Mesgari Abbasi Saloumeh, Khalaj Gholamreza.The Effect of Two-Step Austempering Temperature and Copper Addition on the Microstructure and Mechanical Properties of ADI. Journal of New Materials; 2025 15(58):73-83
|
Abstract Introduction: This study investigated the influence of copper addition and two-step austempering temperature on the microstructure, phase fractions, and mechanical properties of austempered ductile iron (ADI). Methods: Two alloys, one without copper and one containing 1.5 wt.% copper, were melted and cast. Samples were austenitized at 900°C for 90 minutes, quenched to 260°C, and held for 5 minutes. They were subsequently austempered at either 350°C or 400°C for 120 minutes and then air-cooled to room temperature. Characterization was performed using tensile testing, hardness measurements, optical metallography, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD). Findings: Tensile and hardness test results indicated that increasing the two-step austempering temperature decreased yield strength, ultimate tensile strength, elongation, hardness, and retained austenite content. The addition of copper enhanced all measured mechanical properties compared to the copper-free samples. |
*Corresponding author: Gholamreza Khalaj Address: Department of Materials Engineering, Sav.C., Islamic Azad University, Saveh, Iran Email: gh.khalaj@srbiau.ac.ir DOI: https://doi.org/10.71905/jnm.2025.1213461
|
Received: 2025/07/29 Accepted: 2025/09/09
Use your device to scan and read the article online
Keywords: Austempered ductile iron; ausferrite; austempering; two-step austempering; tensile strength; copper addition
|
Extended Abstract
Introduction:
Austempered ductile iron (ADI) is a type of ductile iron with spheroidal graphite produced through an isothermal heat treatment process. It exhibits competitive mechanical properties compared to conventional cast irons, cast steels, and wrought steels. Studies on the microstructure of ADI using different austempering temperatures and holding times have shown that increasing the austempering temperature or prolonging the holding time results in coarser and thicker acicular ferrite. As an alternative to single-step austempering, two-step austempering has been proposed to refine the ausferritic microstructure and enhance the mechanical properties of ADI. Copper-alloyed ADI can effectively reduce costs, and previous studies have shown that copper can improve the plasticity and toughness of ADI without significantly compromising strength.
Findings and Discussion
No discernible changes in the morphology or size of the graphite nodules are observed with increasing copper content. This suggests that the graphite nodules are not affected by the copper addition, and therefore, variations in mechanical properties are not attributable to changes in the graphite. Optical micrographs reveal a fine, acicular ferrite microstructure within a lower ausferrite matrix at the lower austempering temperature. At higher two-step austempering temperatures, the ausferrite matrix becomes coarser with thicker and wider ferrite plates. Studies on the mechanical properties of two-step austempered ADI have reported that hardness, yield strength, and tensile strength decrease with increasing second-stage austempering temperature. The mechanical properties of ADI are influenced by three factors: the fraction of carbon-saturated austenite, the carbon content in the stable austenite, and the morphology of the acicular ferrite. Since the nucleation rate of ferrite is controlled by the degree of supercooling, more ferrite plates nucleate in high-energy regions under high supercooling conditions. Furthermore, the carbon percentage in austenite primarily depends on the diffusion rate of carbon atoms, which is enhanced by the higher austempering temperature. Therefore, the two-step austempering process is proposed to produce fine acicular ferrite and more stable austenite with higher carbon content in the ADI matrix to improve mechanical properties.
Conclusion
1. The microstructure of two-step austempered copper-alloyed ADI consists of two distinct ferrite morphologies and retained austenite. Bulky ferrite and acicular ferrite are essentially the same in morphology but have different thicknesses and distributions resulting from the two-step austempering process. With increasing copper content, the retained austenite increases, the austenite layer thickens, and the size and amount of blocky austenite increase.
2. As the second-stage austempering temperature increases, the bulky ferrite coarsens, and the austenite content and its carbon content decrease. Carbides begin to precipitate, and when the second-stage austempering temperature reaches 400°C, the austenite completely decomposes.
3. With increasing second-stage austempering temperature, the ultimate tensile strength, yield strength, elongation, and hardness decrease. This is a combined result of the reduction in austenite content and its carbon content, coarsening of bulky ferrite, and carbide precipitation. Tensile strength and yield strength increase significantly with the addition of copper, while elongation and hardness change only slightly.
Ethical Considerations compliance with ethical guidelines
The cooperation of the participants in the present study was voluntary and accompanied by their consent.
Funding
No funding.
Authors' contributions
Design experiments and perform: Mehdi Ghorbani Jamal Abadi, Amir Abedi, Soroush Parvizi, Mina Safa, Saloumeh Mesgari Abbasi, Gholamreza Khalaj
Conflicts of interest
The authors declared no conflict of interest.
|
|
شاپا چاپی: 9228-2008- شاپا الکترونیکی: 7264-2423
مقاله پژوهشی
تاثیر دمای آستمپرینگ دو مرحلهای و افزودن عنصر مس بر ریزساختار و خواص مکانیکی چدن ADI
مهدی قربانی جمال آبادی1، امیر عابدی1، سروش پرویزی1، مینا صفا2، سالومه مسگری عباسی3، غلامرضا خلج3*
1- گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده مهندسی مواد و فناوریهای نوین، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران
2- گروه فیزیک، واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه، ایران
3- گروه مهندسی مواد، واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه، ایران
چکیده مقدمه: در این تحقیق تاثیر افزودن مس و دمای آستمپرینگ در حالت دو مرحلهای بر ریزساختار، مقدار فازها و خواص مکانیکی چدن ADI مورد بررسی قرار گرفت. روش: ابتدا آلیاژهای بدون محتوای مس و با 5/1 درصد مس ذوب و ریختهگری شدند. سپس نمونهها در کوره به دمای Ϲ°900 به مدت 90 دقیقه آستنیته شدند، پس از آستنیته شدن، تا دمای Ϲ°260 کوئنچ شده و مدت زمان 5 دقیقه در این دما نگهداری شدند، سپس به دمای آستمپرینگ (350 و 400 Ϲ°) منتقل شده و مدت زمان 120 دقیقه در این دما نگهداری و پس از پایان زمان آستمپرینگ تا دمای محیط در هوا سرد شدند. مشخصه یابی نمونهها با آزمون کشش، سختی، متالوگرافی نوری، SEM و XRD انجام شد. یافتهها: نتایج آزمونهای استحکام کششی و نتایج سختی سنجی انجام شده بر روی نمونهها بیانگر این است که افزایش دمای آستمپرینگ دو مرحلهای باعث کاهش استحکام تسلیم، کششی، ازدیاد طول، سختی و درصد آستنیت میشود. با افزایش مس، تمامی خواص نسبت به نمونه بدون مس افزایش مییابد. نتیجهگیری: افزایش 5/1 درصد مس در فرآیند آستمپرینگ دو مرحلهای برای تولید فریت سوزنی شکل ریز و آستنیت پایدارتر با محتوای کربن بالاتر در زمینه ADI به منظور بهبود خواص مکانیکی پیشنهاد میشود. |
تاریخ دریافت: 07/05/1404 تاریخ پذیرش:18/06/1404
از دستگاه خود برای اسکن و خواندن مقاله به صورت آنلاین استفاده کنید
واژههای کلیدی: چدن داکتیل آستمپر شده؛ آسفریت؛ آستمپرینگ؛ آستمپرینگ دو مرحلهای؛ استحکام کششی؛ افزودن مس |
مقدمه
چدن داکتیل آستمپر شده (ADI) نوعی چدن با گرافیت کروی است که از طریق فرآیند عملیات حرارتی همدما تولید میشود. این چدن در مقایسه با چدنهای ریختهگری مرسوم، فولادهای ریختهگری و فولادهای آهنگری، خواص مکانیکی رقابتی از خود نشان میدهد [1-3]. استحکام تسلیم ADI میتواند حداقل دو برابر چدن داکتیل ریختهگری شده و سه برابر آلومینیومهای ریختهگری و کار شده باشد، در حالی که کاهش قابل قبولی در داکتیلیته مشاهده میشود. اگرچه حداکثر استحکام تسلیم و ازدیاد طول به دست آمده در فولادهای سخت شده بیشتر از ADI است، اما نسبت وزن به واحد استحکام تسلیم ADI به دلیل وجود گرافیتهای کروی در زمینه، کمتر از فولادهای مختلف است. همچنین، هزینه واحد استحکام تسلیم ADI تنها 20٪ فولادهای ریختهگری و تقریباً مشابه فولادهای آهنگری و فولادهای عملیات حرارتی شده است [5و4]. گذشته از این موارد، ADI از چقرمگی عالی و قابلیت ماشینکاری خوبی نیز برخوردار است [6 و 7]. این خواص مکانیکی استثنایی را میتوان به ساختار آستنیت-فریتی سوزنی منحصر به فرد آن، که شامل فریت سوزنی و آستنیت اشباع از کربن است، نسبت داد. در دهههای گذشته، تحقیقات بسیاری برای بررسی تبدیل فاز و خواص مکانیکی ADI با استفاده از ترکیبات شیمیایی مختلف و پارامترهای مختلف عملیات حرارتی و ایجاد مدلهای محاسباتی انجام شده است [8-12].در بررسی ریزساختار ADI با استفاده از دماها و زمانهای نگهداری آستمپرینگ مختلف، مشخص شد که با افزایش دمای آستمپرینگ یا طولانیتر شدن مدت زمان نگهداری، فریت سوزنی درشتتر و ضخیمتر میشود [13-15]. این پدیده را میتوان به نفوذ بیشتر اتمهای کربن از ساختار کریستالی به مناطق آستنیت اطراف نسبت داد. در حالی که با استفاده از دمای آستمپرینگ پایین، به دلیل سرعت سرمایش بیشتر، سوزنهای فریتی بیشتری در اطراف گرافیتهای کروی جوانهزنی میکنند. همواره با افزایش دمای آستمپرینگ یا طولانیتر شدن زمان نگهداری، روند کاهشی در استحکام تسلیم، استحکام کششی، سختی و روند افزایشی در چقرمگی ضربه و ازدیاد طول گزارش شده است [16-21].
بهعنوان جایگزینی برای آستمپرینگ تک مرحلهای، آستمپرینگ دو مرحلهای برای اصلاح ریزساختار آستنیت-فریتی و بهبود خواص مکانیکی ADI پیشنهاد شده است [22-24]. در فرآیند آستمپرینگ دو مرحلهای، چدن داکتیل کاملاً آستنیته شده تا دمای پایین (اما همچنان بالاتر از دمای تشکیل مارتنزیت)، کوئنچ میشود. به دلیل شرایط فوق تبرید، جوانهزنی صفحات فریتی به طور قابل توجهی بهبود مییابد. پس از آن، دمای بالای آستمپرینگ اعمال میشود تا سرعت نفوذ اتمهای کربن را تسهیل کند و رشد فریت و آستنیت را از طریق گرم کردن چدن داکتیل با سرعت گرمایش ثابت در همان کوره یا با انتقال به کوره از پیش گرم شده دیگر با دمای بالای آستمپرینگ، افزایش دهد. در مقایسه با ADI تک مرحلهای، ADI دو مرحلهای دارای صفحات فریتی ریزتر و آستنیت پایدارتر با درصد کربن بیشتر است. همچنین، خواص مکانیکی بهتری در آزمایشهای مکانیکی مختلف به طور گستردهای به دست آمده است[25-27]. بهعنوان مثال، داکر و همکاران [28] نمونههای چدن داکتیل آستنیته شده را ابتدا تا دمای پایین 250 درجه سانتیگراد کوئنچ کرده و به مدت 10 دقیقه نگه داشتند، سپس کوره را به تدریج با سرعت گرمایش ثابت 7/1 درجه بر دقیقه تا 350 درجه سانتیگراد گرم کردند. پس از آن، نمونههای چدن داکتیل به مدت 120 دقیقه در دمای بالای آستمپرینگ 350 درجه سانتیگراد نگهداری شدند.
چدنهای ADI آلیاژ شده با مس با افزایش استحکام و چقرمگی و افزایش نسبت استحکام به وزن میتوانند به طور موثری هزینه را کاهش دهد و مطالعات قبلی نشان داده است که مس میتواند پلاستیسیته و چقرمگی ADI را بدون کاهش قابل توجه استحکام بهبود بخشد [۲9 و 30]. بنابراین، در این مطالعه، چدن داکتیل آلیاژ شده با مس بهعنوان موضوع تحقیق انتخاب شده و تأثیر دمای مرحله دوم آستمپرینگ بر ریزساختار و خواص مکانیکی ADI بررسی شده است. مکانیزم استحکامبخشی فرآیند آستمپرینگ دو مرحلهای نیز مورد بحث قرار گرفته است.
2- روش انجام آزمایش
طراحی و ساخت مدل
مدل مورد استفاده جهت ریخته گری نمونه استاندارد Y بلوک با استاندارد ASTM A798/A798 M-03 مطابق شکل 1 است. قالبگیری Y بلوکها با فرآیند قالبگیری CO2 توسط ماسه سیلیسی انجام شد.
شکل 1- شماتیک مدل مورد استفاده جهت ریخته گری
در عملیات ذوب و ریخته گری تعداد 2 عدد Y بلوک تهیه شد. مواد شارژ شده در کوره القایی فرکانس متوسط (ساخت شرکت کوره سازی دماوند) شامل % 50 قراضه آهن، %40 قراضه چدن نشکن و % 10 محتوی فروآلیاژ بود. آنالیز فروآلیاژهای مورد استفاده Fe-Si با Si 50% و Fe-Mn با Mn 65% بود.
عملیات ذوب در دمای °Ϲ1480 و عملیات کروی سازی بهوسیله Fe -Si-Mg حاوی 25 % Mg -75 % Fe-Si بهصورت فرآیند ساندویچی درون پاتیل انجام شد، پس از آمادهسازی ذوب، با توجه به محاسبه میزان ذوب و همچنین اتلاف بسیار جزئی، مقدار مس مورد نیاز به میزان Kg 5/1 وزن شده به مذاب افزوده شد. جهت مشخص نمودن دقیق ترکیب عناصر آلیاژی در مذاب، یک نمونه پولکی شکل تهیه و ترکیب شیمیایی دقیق عناصر آلیاژی موجود در دستگاه کوانتومتری تعیین شد، در جدول 1 ترکیب شیمیایی دقیق آلیاژ مورد آزمایش آورده شده است. پس از انجام تست کوانتومتری مشخص گردید که میزان مس جذب شده در مذاب 42/1 % میباشد که 08/0 % عنصر مس تلف شده است.
جدول 1- ترکیب شیمیایی آلیاژ بر اساس نتایج به دست آمده از آزمون کوانتومتری
Mn | Si | C | Fe | عنصر |
293/0 | 04/3 | 14/3 | 8/91 | مقدار (%) |
Mg | P | S | Cu | عنصر |
05/0 | 03/0 | 01/0 | 42/1 | مقدار (%) |
عملیات حرارتی آستمپر کردن دو مرحلهای
نمونهها پس از آستنیته سازی در کوره حمام نمک با ترکیب شیمیایی NaCl در دمای °C900 به مدت زمان min90 بلافاصله در دمای °C260 کوئنچ شده و مدت زمان min 5 در این دما نگهداری شدند و سپس به کوره حمام نمک مذاب (شامل KNO3 –NaNO3 با ترکیب 50 -۵۰) در دماهای °C350 و 400 منتقل شده و در زمان 120 دقیقه در این دما نگه داری شدند و سپس تا دمای محیط کوئنچ شدند (شکل 2). کوئنچ نمودن در دماهای پایین جهت تسریع فرآیند جوانهزنی هستههای اولیه فاز آسفریت میباشد تا افزایش جوانهزنی به رشد کمک نموده و تمامی ساختار آسفریتی ریزتری به وجود آید. جدول 2 شرایط ترکیب شیمیایی و دمای عملیات حرارتی آستمپرینگ و نامگذاری نمونه ها را نمایش میدهد.
شکل 2- عملیات حرارتی آستمپر کردن دومرحلهای
جدول 2- شرایط ترکیب شیمیایی و دمای عملیات حرارتی آستمپرینگ و نامگذاری نمونه ها
دمای آستمپر (C°) | مراحل آستمپر | مس (درصد) | کد نمونه |
350 | 2 | 0 | 0-2-350 |
400 | 0-2-400 | ||
350 | 2 | 1.5 | 1.5-2-350 |
400 | 1.5-2-400 |
آمادهسازی نمونهها
جهت آمادهسازی نمونهها برای انجام آزمایشهای خواص مکانیکی کشش و ضربه، ابتدا قسمت بالایی Y بلوک (یعنی قسمت V شکل) که محل تجمع آخالها و حفرات انقباضی است، جدا شده و سپس از قسمت تحتانی هر Y بلوک، نمونههای ضربه و کشش برشکاری گردیده و نمونهها آماده شدند. نمونههای کشش بهصورت دمبلی شکل با طول سنجه 47 و قطر 9 میلیمتر و مطابق استاندارد ASTM A798/A798 M-03 آمادهسازی شدند. آزمون کشش با دستگاه 8520instron با ظرفیت 20 تن انجام شد. نرخ کرنش برابر با 1 mm/min تنظیم گردید. جهت بررسی ریز ساختار، نمونه متالوگرافی از راهگاه Y بلوکها پس از جداسازی و آمادهسازی سطح نمونه تهیه شد. پس از آمادهسازی، نمونههای متالوگرافی با محلول اچ نایتال 2 درصد اچ شدند. بررسی ساختار با میکروسکوپ نوری Olympus 1000 psp صورت گرفت.
مطالعه فازها با آزمون تفرق اشعه ایکس (XRD) در دستگاه Philips Analyticalبا توان30 mA, 40 kV؛ و جنس آند مس با زاویه اسکن ϴ 2 از 0-120 درجه انجام شد. برای اندازهگیری درصد آستنیت با استفاده از پراش اشعه ایکس (XRD)، میتوان از روش تحلیل شدت پیکهای پراش مربوط به آستنیت و فازهای دیگر استفاده کرد. این روش بر اساس این واقعیت استوار است که شدت پیکهای پراش با مقدار فاز متناسب است. با اندازهگیری مساحت پیکها یا ارتفاع آنها برای فازهای مارتنزیت یا فریت و مقایسهی آنها، میتوان درصد حجمی آستنیت را تخمین زد.
مطالعه ریزساختار با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) HR SEM FEI QUANTA 450 مجهز به دتکتور EDS شرکت Broker صورت پذیرفت.
آزمون سختی سنجی به روش برینل توسط دستگاه مدل KOOPA و مطابق استاندارد Astm E18 انجام گردید. مقدار بار اعمالی در این تست Kg 5/187 و فرورونده ساچمه ای به قطر mm 5/2 استفاده شد. از هر نمونه 3 بار آزمون سختی گرفته شده و میانگین این نتایج در نظر گرفته شد.
3- نتایج و بحث
3-1- بررسی ریز ساختار
نتایج مطالعات انجام شده بر روی ساختار نمونههای ریخته گری شده و تحلیل آن در نرمافزار آنالیز تصویر Image J در جدول 3 آمده است. مس عنصر پایدار کننده آستنیت است و به پایدار ماندن آن در دماهای پایینتر کمک میکند. در حالت ریخته گری (بدون عملیات حرارتی) باعث کاهش درصد فریت و افزایش درصد پرلیت می شود.
جدول 3- نتایج متالوگرافی Y بلوک ریخته گری شده
نوع آلیاژ | پارامتر | ساختار | |
%1.5 Cu | %0 Cu | ||
3-6 mm | 3-6 mm | Nodule Size | گرافیت کروی |
260 | 260 | Nodule Count | |
15 | 92 | فریت (%) | زمینه |
85 | 8 | پرلیت (%) | |
در شکل 3 تصاویر متالوگرافی نمونههای ریخته گری شده آورده شده است.
شکل 3- ریز ساختار نمونه چدن نشکن ریخته گری شده Y بلوک. الف) بدون مس ب) با 5/1% مس
در شکل 3، با افزایش محتوای مس، هیچ تغییر آشکاری در مورفولوژی و اندازه کرههای گرافیت مشاهده نمیشود. این نشان میدهد که کرههای گرافیت تحت تأثیر مس قرار نمیگیرند و تغییر خواص مکانیکی نیز به کرههای گرافیت مربوط نمیشود.
در مرحله آستمپرینگ، نمونه پس از آستنیته کامل باید تا دمای آستمپرینگ کوئنچ گردد، لذا حمام نمک مذاب مناسبترین محیط جهت این عمل میباشد. در سیکل آستمپرینگ یک مرحلهای نمونه از دمای آستنیته مستقیماً در حمام نمک آستمپرینگ کوئنچ میگردد ولی در سیکل آستمپرینگ دو مرحلهای نمونه از دمای آستنیته به حمام نمک دمای پایینتر آستمپرینگ کوئنچ گردیده و بعد از مدت زمان معینی به دمای آستمپرینگ منتقل میگردد، حسن فرآیند آستمپرینگ دو مرحلهای این است که در فرآیند آستمپرینگ دو مرحلهای بهوسیله فوق تبرید حاصل شده جوانهزنی فریت انجام و کامل میشود در دمای (۲۶۰ °Ϲ) مرحله اول آستمپرینگ، جوانهزنی فریت از نظر ترمودینامیکی ظرف چند دقیقه بسیار سریع انجام شده که پس از این مرحله نمونه در دمای حمام نمک مذاب مرحله دوم فرصت متحول شدن به ریزساختارهای مورد نظر پیدا میکند. حسن استفاده از حمام نمک مذاب در مرحله اول و دوم فرآیند آستمپرینگ، در همدما شدن نمونههای انتقال یافته از دمای آستنیته به آن محیط میباشد که باعث کوتاهتر شدن سیکل عملیات حرارتی میشود. تصاویری ریزساختاری به دست آمده از فرآیندهای آستمپرینگ یک مرحلهای و دو مرحلهای در شکل 4 آمده است.
با توجه به تصاویر متالوگرافی نوری، همانطور که مشاهده میشود در دمای پایین آستمپرینگ ریزساختار تیغههای فریتی حاصل شده بسیار ریز میباشد و زمینه آسفریتی حاصله، از نوع آسفریت پایینی هستند. در دماهای بالاتر آستمپرینگ دو مرحلهای زمینه آسفریت از نوع بالایی و خشن بوده و تیغههای فریت درشت و پهن میباشند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) در شکل 5 مشاهده میشود.
دو نوع مورفولوژی فریت متفاوت قابل تشخیص است. فریت مشخص شده با خطچین زرد شامل لایههای فریت ریز و موازی است. فاصله بین لایههای فریت کم است. هیچ آستنیت بلوکی بین لایههای فریت توزیع نشده است. این نوع فریت، فریت سوزنی نامیده میشود. فریت مشخص شده با فلشهای قرمز، مورفولوژی فریت دیگری است. ضخامت لایههای فریت و فاصله بین لایههای فریت بسیار بیشتر از فریتهای سوزنی است. آستنیتهای باقیمانده بلوکی بین فریتهای درشت توزیع شدهاند. برای تمایز این فریتها با مورفولوژی متفاوت، آنها فریتهای دستهای نامیده میشوند. در دمای 350 درجه سانتیگراد، تفاوت مورفولوژی واضح است. هنگامی که دمای مرحله دوم به 40۰ درجه سانتیگراد میرسد، مورفولوژی فریت مبهم میشود و آستنیتهای بلوکی، ناپدید میشوند. مرزهای فریتها قابل تشخیص نیستند.
3-2- پراش اشعه X
همانطور که از نتایج پراش اشعه X در شکل 6 مشاهده میگردد، مقدار آستنیت باقیمانده زمینه در سیکل دو مرحلهای همواره با افزایش دما کاهش مییابد. نمونههای حاوی مس اختلاف 1 درصدی آستنیت با نمونههای بدون مس دارند.
شکل 4- ریزساختار نمونه چدن در حالتهای متفاوت آستمپرینگ و درصدهای مختلف مس
شکل 5- میکروساختار SEM چدن در حالتهای متفاوت آستمپرینگ و درصدهای مختلف مس
شکل 6- الگو پراش اشعه X چدن در دماهای متفاوت آستمپرینگ و درصدهای مختلف مس
3-3- بررسی خواص مکانیکی
نتایج به دست آمده از آزمایش کشش و سختی سنجی و تعیین درصد فاز با اشعه ایکس هر یک از نمونهها در دماهای مختلف آستمپرینگ تحت شرایط آستمپرینگ دو مرحلهای و درصد مس مختلف که در جدول 4 و شکل 7 آورده است.
جدول 4- نتایج به دست آمده از آزمایش کشش و سختی سنجی و تعیین درصد فاز با اشعه ایکس
کد نمونه | استحکام تسلیم (MPa) | استحکام نهایی (MPa) | ازدیاد طول (%) | سختی (HV) | فریت (%) | آستنیت (%) |
0-2-350 | 401 | 830 | 14.95 | 241 | 81 | 19 |
0-2-400 | 403 | 512 | 12.75 | 257 | 90 | 10 |
1.5-2-350 | 844 | 1168 | 15.56 | 290 | 80 | 20 |
1.5-2-400 | 485 | 624 | 9.17 | 271 | 91 | 9 |
شکل 7- تغییرات خواص مکانیکی و درصد فاز با مقدار مس و دمای آستمپرینگ
با بررسی خواص مکانیکی آستمپرینگ دو مرحلهای، گزارش شده است که سختی، استحکام تسلیم و استحکام کششی آستمپرینگ دو مرحلهای با افزایش دمای آستمپرینگ دوم کاهش مییابد [29 و 31]. این امر به دلیل تشکیل آستنیت اشباع از کربن بیشتر در زمینه به دلیل سرعت نفوذ بالای اتمهای کربن و عملکرد بهتر به دلیل فریت و آستنیت ریزتر در زمینه بود[32]. با این حال، یانگ و همکاران [31] دریافتند که داکتیلیته آستمپرینگ دو مرحلهای کمتر از آستمپرینگ تک مرحلهای است و در دمای بالای آستمپرینگ، بیشتر کاهش مییابد. بر اساس رابطه کلی بین استحکام کششی و داکتیلیته، داکتیلیته با افزایش استحکام کششی کاهش مییابد. همچنین، ممکن است که ساختار کاربیدی آلیاژی در زمینه آستمپرینگ دو مرحلهای هنگام استفاده از دمای بالای آستمپرینگ دوم رسوب کند. وجود ذرات یا جزایر کاربید اثرات منفی بر داکتیلیته آستمپرینگ دارد.
مشاهده میشود که در ریزساختارهای به دست آمده تحت دماهای پایین آستمپرینگ مقدار سختی بالا بوده و به ترتیب که دمای فرآیند آستمپرینگ افزایش مییابد ساختار آسفریتی درشتتر و خشنتر میشود و مقدار سختی کاهش مییابد. نشان داده شده است که سختی چدنهای نشکن آستمپر شده با گذشت زمان ثابت بوده و به زمان آستمپرینگ بستگی ندارد، و فقط تابع دمای آستمپر کردن میباشد [33]. همانطور که ملاحظه میشود با افزایش درجه حرارت فرآیند آستمپر کردن، به خاطر رسوب یافتن آسفریت درشتتر در ساختار زمینه، سختی کاهش یافته است.
مکانیسم تأثیر مس بر ریزساختار و خواص مکانیکی ADI را میتوان به دو جنبه تقسیم کرد. از یک طرف، مس در آستنیت و فریت حل میشود و باعث استحکامبخشی محلول جامد میشود. حداکثر حلالیت مس در آستنیت 5/2% در دمای 850 درجه سانتیگراد است که در دمای 1450 درجه سانتیگراد به حدود 10% افزایش مییابد. در فریت، مس در دماهای پایین حلالیت تا حدود 35/0% نشان میدهد. مس همچنین از طریق سخت شدن رسوبی، در صورتی که غلظت آن بیش از 0.75% در فولاد باشد، استحکام را افزایش میدهد. از طرف دیگر، مس حلالیت کربن را در آستنیت کاهش میدهد و به آستنیت باقیمانده پایدارتر کمک میکند[34]. در فرآیند آستمپرینگ مرحله دوم، افزایش نفوذ کربن دلیل اصلی تغییر محتوای آستنیت و محتوای کربن آن است. جوانهزنی فریت دستهای بر اندازه آستنیت بلوکی و فاصله نفوذ کربن تأثیر میگذارد. این عوامل در کنار هم بر خواص مکانیکی ADI آلیاژ شده با مس و تحت عملیات دو مرحلهای تأثیر میگذارند. آستمپرینگ مرحله دوم نقش مهمی در بهبود محتوای آستنیت و خواص مکانیکی ایفا میکند که تأثیر زیادی بر پلاستیسیته و چقرمگی ADI دارد.
مرحله آستمپرینگ را میتوان از نظر زمان نگهداری به دو مرحله جداگانه و پیوسته تقسیم کرد. در مرحله اول، آستنیت ناپایدار به فریت سوزنی و آستنیت اشباع از کربن تبدیل میشود (معادله (1)). با این حال، آستنیت اشباع از کربن به فریت تعادلی و کاربید، که بینیتی است، تجزیه میشود (معادله (2)). از تشکیل بینیت باید در تولید ADI جلوگیری شود زیرا ساختار بینیتی باعث کاهش قابل توجه خواص مکانیکی ADI میشود.
γunstable → α + γhigh carbon (1)
γhigh carbon → αequivalent + carbide (2)
(γ= Austenite, α = Acicular Ferrite)
خواص مکانیکی ADI تحت تأثیر سه عامل زیر قرار دارد: کسر آستنیت اشباع از کربن، محتوای کربن در آستنیت پایدار و مورفولوژی فریت سوزنی. از آنجایی که سرعت جوانهزنی فریت توسط درجه فوق تبرید کنترل میشود، صفحات فریتی بیشتری در مناطق پرانرژی تحت شرایط فوق تبرید بالا جوانهزنی میکنند. علاوه بر این، درصد کربن در آستنیت عمدتاً به سرعت نفوذ اتمهای کربن بستگی دارد که توسط دمای بالای آستمپرینگ افزایش مییابد. بنابراین، فرآیند آستمپرینگ دو مرحلهای برای تولید فریت سوزنی شکل ریز و آستنیت پایدارتر با محتوای کربن بالاتر در زمینه ADI به منظور بهبود خواص مکانیکی پیشنهاد میشود.
4- نتیجهگیری
1- ریزساختار ADI آلیاژ شده با مس و تحت عملیات آستمپرینگ دو مرحلهای شامل دو مورفولوژی متفاوت فریت و آستنیت باقیمانده است. فریتهای دستهای و فریتهای سوزنی اساساً از نظر مورفولوژی یکسان هستند، اما ضخامتها و توزیعهای متفاوتی دارند که ناشی از فرآیند آستمپرینگ دو مرحلهای است. با افزایش مس، آستنیت باقیمانده افزایش مییابد، لایه آستنیت ضخیمتر میشود و اندازه و مقدار آستنیت بلوکی افزایش مییابد.
2- با افزایش دمای آستمپرینگ مرحله دوم، فریتهای دستهای درشتتر میشوند، محتوای آستنیت و محتوای کربن آن کاهش مییابد. کاربیدها شروع به رسوب میکنند و هنگامی که دمای آستمپرینگ مرحله دوم به ۴۰۰ درجه سانتیگراد میرسد، آستنیتها به طور کامل تجزیه میشوند.
3- با افزایش دمای آستمپرینگ مرحله دوم، استحکام کششی نهایی، استحکام تسلیم، ازدیاد طول و سختی کاهش مییابد. این نتیجه ترکیبی از کاهش محتوای آستنیت و محتوای کربن آن، درشت شدن فریت دستهای و رسوب کاربید است. استحکام کششی و استحکام تسلیم با افزودن مس به طور قابل توجهی افزایش مییابد، اما ازدیاد طول و سختی تغییر کمی میکنند.
ملاحظات اخلاقی پیروی از اصول اخلاق پژوهش
همکاری مشارکتکنندگان در تحقیق حاضر به صورت داوطلبانه و با رضایت آنان بوده است.
حامی مالی
هزینه تحقیق حاضر توسط نویسندگان مقاله تامین شده است.
مشارکت نویسندگان
انجام آزمایش ها: مهدی قربانی جمال آبادی ؛
تحلیل دادهها و نتایج: مهدی قربانی جمال آبادی، امیر عابدی، سروش پرویزی، مینا صفا، سالومه مسگری عباسی
نگارش نهایی: مهدی قربانی جمال آبادی، غلامرضا خلج
تعارض منافع
بنابر اظهار نویسندگان، مقاله حاضر فاقد هرگونه تعارض منافع بوده است.
6.References
1. Keough, J. "Austempered Ductile Iron (ADI) – A Green Alternative for India." AFS Transactions (2011).
2. Vidyarthee, G., and K. Singh. "Thin Wall Austempered Ductile Iron: A Best Replaceable Material to Steel and Aluminum." International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research (2014): 465–73.
3. Bialobrzeski, A., and J. Pezda. "Testing of Heating and Cooling Process of ADI Cast Iron with Use of ATND Method." Archives of Foundry Engineering 8 (2014): 11–14.
4. Mandal, S., and A. Maity. "Austempered Ductile Iron Material for the Design of Agriculture Machinery." Mechanical Engineering 60 (2013): 16140–45.
5. Zhang, L., and L. Chen. "A Review on Biomedical Titanium Alloys: Recent Progress and Prospect." Advanced Engineering Materials 21 (2019).
6. Zhang, J., N. Zhang, M. Zhang, L. Lu, D. Zeng, and Q. Song. "Microstructure and Mechanical Properties of Austempered Ductile Iron with Different Strength and Grades." Materials Letters 119 (2014): 47–50.
7. Filho, A., B. Souza, and C. Santos. "The Influence of Austempering Conditions on the Machinability of a Ductile Iron." Materials and Manufacturing Processes 31, no. 14 (2016).
8. Boccardo, A., P. Dardati, D. Celentano, and L. Godoy. "Austempering Heat Treatment of Ductile Iron: Computational Simulation and Experimental Validation." Finite Elements in Analysis and Design 134 (2017): 82–91.
9. Kim, Y., H. Shin, H. Park, and J. Lim. "Investigations into Mechanical Properties of Austempered Ductile Cast Iron (ADI) in Accordance with Austempering Temperature." Materials Letters 62, no. 3 (2008): 357–60.
10. Hsu, C., and K. Lin. "A Study on Microstructure and Toughness of Copper Alloyed and Austempered Ductile Irons." Materials Science and Engineering A 528, no. 18 (2011): 5706–12.
11. Abdullah, B., S. Alias, A. Jaffar, A. Abd Rashid, and A. Ramli. "Mechanical Properties and Microstructure Analysis of 0.5% Niobium Alloyed Ductile Iron Under Austempered Process in Salt Bath Treatment." In 2012 International Conference on Mechanical and Electrical Technology, 610–14. 2010.
12. Thomson, R., J. James, and D. Putman. "Modelling Microstructure Evolution and Mechanical Properties of Austempered Ductile Iron." Materials Science and Technology 16, no. 11–12 (2000): 1412–19.
13. Larumbe, L., E. Delgado, M. Alvarez-Vera, and P. Villanueva. "Forming Process Using Austempered Ductile Iron (ADI) in an Automotive Pitman Arm." International Journal of Advanced Manufacturing Technology 91 (2017): 569–75.
14. Kim, Y., B. Cheon, and J. Lee. "Technical Review: Austempered Ductile Cast Iron." Journal of the Korean Foundry Society 8, no. 1 (1988).
15. Hedge, A., S. Sharma, and M. Shankar. "Machinability and Related Properties of Austempered Ductile Iron: A Review." Journal of Mechanical Engineering Science 12, no. 4 (2018): 4180–90.
16. Benam, A. "Effect of Alloying Elements on Austempered Ductile Iron (ADI) Properties and Its Process: Review." China Foundry 12, no. 1 (2015): 54–70.
17. Olawale, J., and K. Oluwasegun. "Austempered Ductile Iron (ADI): A Review." Materials Performance and Characterization 5, no. 1 (2016): 289–311.
18. Samaddar, S., T. Das, A. Chowdhury, and M. Singh. "Manufacturing of Engineering Components with Austempered Ductile Iron – A Review." Materials Today: Proceedings 5, no. 11 (2018): 25615–24.
19. Basso, A., and J. Sikora. "Review on Production Processes and Mechanical Properties of Dual Phase Austempered Ductile Iron." International Journal of Metalcasting 6, no. 1 (2012): 7–14.
20. Delia, M., M. Alaalam, and M. Grech. "Effect of Austenitizing Conditions on the Impact Properties of an Alloyed Austempered Ductile Iron of Initially Ferritic Matrix Structure." Journal of Materials Engineering and Performance 7, no. 2 (1998): 265–72.
21. Gorny, M., G. Angella, E. Tyrala, M. Kawalec, S. Paz, and A. Kmita. "Role of Austenitization Temperature on Structure Homogeneity and Transformation Kinetics in Austempered Ductile Iron." Metals and Materials International (2019): 1–10.
22. Wilk-Kolodziejczyk, D., K. Regulski, T. Gietka, G. Gumienny, and K. Jaskowiec. "The Selection of Heat Treatment Parameters to Obtain Austempered Ductile Iron with Required Impact Strength." Journal of Materials Engineering and Performance 2, no. 11 (2018): 5865–78.
23. Cheng, H., H. Fu, S. Ma, J. Lin, and Y. Lei. "Effects of Austenitizing Process on Microstructures and Properties of Carbidic Austempered Ductile Iron." Materials Research Express 6, no. 1 (2019).
24. Gietka, T., T. Szykowny, and S. Dymski. "The Influence of Saturation of Cast Iron Austenite with Carbon on the Ausferrite Transformation." Archives of Foundry Engineering 7, no. 3 (2007): 241–46.