تولید بدنه ریختگی شیر ایمنی  از جنس  اینکونل ۶۲۵ تحت گاز محافظ

مدل سازی، آنالیز، برنامه ریزی و زمان بندی عملیات حفاری با در نظر گرفتن ریسک و عدم قطعیت های پروژه
دی ۹, ۱۳۹۶
روش های مختلف تست هیدرواستاتیک مبدل های حرارتی پوسته و تیوب
دی ۱۰, ۱۳۹۶

تولید بدنه ریختگی شیر ایمنی  از جنس  اینکونل ۶۲۵ تحت گاز محافظ

 

چکیده

در این تحقیق، بدنه مدلی از شیر ایمنی از جنس اینکونل ۶۲۵ به وزن ۹۰ کیلوگرم تحت گاز آرگون در کوره القایی ذوب و در قالب ماسه ای ریخته گری شد. بررسی تصاویر رادیوگرافی و تست مایعات نافذ نشان داد که افزودن آلومینیوم و تیتانیم به مذاب باعث کاهش تخلخل و حفره های گازی بدنه می شود. همچنین با تغییر سیکل عملیات آنیل محلولی به صورت افزایش زمان گرم کردن و کاهش شیب دمایی آن تا ۱۴۰، از تشکیل شبکه ترک خصوصا در سطوح داخلی جلوگیری می شود و متعاقب آن قابلیت ماشین کاری و خواص مکانیکی نیز افزوده می شود.

مقدمه

     یکی از تجهیزات پرکاربرد در صنایع نفت و گاز ،پتروشیمی، کشاورزی و … ولوها هستند(شکل۱) که در اشکال و ابعاد بسیار متنوع و بسته به شرایط کاربردی از مواد و آلیاژهای مختلف مانند: چدن ها ، فولادهای ساده یا آلیاژی ، سوپرآلیاژهای پایه نیکل و کبالت ، پلیمرها و غیره ساخته می شوند. در

شکل۱: یک نمونه ولو صنعتی

صورتی که محیط کاربری تحت  مواد خورنده و دما وتنش بالا (نظیر آنچه در استخراج و انتقال گاز ترش وجوددارد) باشد، بدیهی است که طراحی و ساخت به گونه ای انجام می گیرد که (( ولو ))  بتواند درآن به درستی عمل کند و سال ها دوام آورد. نمونه ای اروپایی از ولوهای مورد استفاده در محیط گاز ترش  که به دلیل شرایط سخت خوردگی و تنشی از جنس آلیاژ ریختگی اینکونل ۶۲۵ ساخته شده در اینجا موضوع ساخت بوده است.

      بررسی شکل و آنالیز شیمیایی بدنه نمونه خارجی ((ولو)) یاد شده نشان داد که  بدنه ولو از جنس اینکونل ۶۲۵ ریختگی است. وزن ماشین کاری شده این قطعه حدود ۷۰ کیلو بود که تولید قطعه با این وزن که در حالت خام ریختگی حدود ۹۰ کیلوگرم می شد از عهده ریخته گران داخلی سوپرآلیاژهای پایه نیکل و کبالت، خارج بود چون آن ها عمدتا فرآیند ذوب و ریخته گری را با کوره های القایی تحت خلاء با ظرفیت حداکثر ۵۰ کیلوگرم انجام می دادند و گذشته از این تصور می شد که با روشی غیر از ذوب و ریخته گری در خلاء نیز نمی توان آلیاژ اینکونل ۶۲۵ را تولید نمود در نتیجه عملا تولید بدنه اینکونلی از روش ریخته گری ظاهرا منتفی به نظر می رسید البته تجربیات داخلی نشان داده بود که ذوب و ریخته گری آلیاژ اینکونل ۶۲۵ عملا به دلیل ایجاد تخلخل و اکسیداسیون شدید به صورت هواریز امکان پذیر نیست ولی مطالعات و تجربیات بعدی که بخشی از آن در ادامه عرضه می شود نشان داد که این کار چندان دور از دسترس نیست.

  • شرایط ریخته گری آلیاژهای ریختگی پایه نیکل با مروری بر منابع و تجربیات بین المللی

     آلیاژهای ریختگی پایه نیکل کاربرد بسیاری در محیط های خورنده و دماهای  بالا دارند و یکی از آلیاژهای مهم این گروه که در دهه ۱۹۵۰ ابداع شد CW6MC-ASTM A494 (یا اینکونل ۶۲۵) است که آنالیزشیمیایی و خواص مکانیکی آن در جداول۱و۲ درج شده است.

جدول۱: ترکیب شیمیایی آلیاژ ریختگی اینکونل ۶۲۵ (یا آلیاژ CW6MC ) طبق ASTM A494

جدول۲: خواص مکانیکی آلیاژ ریختگی اینکونل ۶۲۵ (یا آلیاژ CW6MC ) طبق ASTM A494

      طبق گزارشات ارائه شده در برخی منابع معتبر مانند ASM آلیاژهای پایه نیکلی نظیر CW6MC که درصد عناصر واکنش پذیر آلومینیوم ، تیتانیم ، و زیرکونیم آنها کمتر از ۰٫۲ باشد امکان ذوب و ریخته گری در محیط های اکسیدکننده ای نظیر هوا دارند. در مقادیر بیشتر، این عناصر به سهولت اکسید می شوند و  آخال فراوان ، پوسته اکسیدی و آنالیز نامناسب حاصل می شود و در نتیجه بیشتر آلیاژهای پایه نیکل برای ذوب و ریخته گری به روش های تزریق گاز خنثی یا تحت خلاء نیاز دارند.

عملیات ذوب

     کوره های التریکی القایی در صنایع ریخته گری برای اندازه های کم بیشترین کاربرد را دارند خصوصا وقتی قرار است آلیاژهای مختلفی تولید شوند.این کوره ها نسبت به کوره های دیگر ارزان تر تمام می شوند. کوره های مورد مصرف در صنعت ریخته گری از ۹ کیلو تا ۲۰ تن ظرفیت دارند، هرچند اغلب آنها از ۲۵ تا ۱۳۵۰ کیلو هستند. آلیاژهای پایه نیکل بیش از ۰٫۲ درصد عناصر فعال آلومینیوم، تیتانیم و زیزکونیم، برای ذوب و ریخته گری در محیط های اکسیدکننده نظیر هوا مناسب نیستند.

عملیات ریخته گری

     عملیات ریخته گری آلیاژها پایه نیکل شامل: ذوب ریزی، سیستم راهگاهی و تغذیه گذاری، تمیزکاری، جوشکاری و عملیات حرارتی،  بسیار شبیه عملیات ریخته گری فولادهای زنگ نزن است.

یک سیستم راهگاهی مناسب برای آلیاژهای نیکل، مانند دیگر فلزات باید با حداکثر سرعتی که ایجاد تلاطم نکند وارد قالب ماسه ای شود.لازم است که قالب با حداکثر سرعت ممکن پر شود تا تغییرات دمایی مذاب حداقل شود و کنترل انجماد بهسازی شود.

     تلاطم مذاب چون باعث شکست پیشانی مذاب و در معرض هوا قرار گرفتن سطوح جدید و اکسیداسیون می شود مضر است.این اکسیدها می توانند به بخش بالایی قالب بیایند و باعث ایجاد سطح زبری از آخال بر روی قطعه شوند. علاوه بر این، جریان متلاطم مذاب باعث تخریب قالب و شناوری آنها در بالای محفظه قالب شناور می شود. طراحی سیستم راهگاهی، رفتاری که مذاب به داخل قالب می رود و نرخ تغذیه را تعیین می کند.

تغذیه ها

     آلیاژهای پایه نیکل از دمای  ریختن تا دمای انجماد، تقریبا ۰٫۹ درصد به ازای هر ۵۵ درجه سانتیگراد افت دما منقبض می شوند. آنها در دامنه انجماد با کاهش دما ۳ درصد منقبض می شوند و از تکمیل انجماد تا  دمای اتاق نیز ۲٫۲ درصد انقباض رخ می دهد. بنا براین باید ذخیره کافی از مذاب در تغذیه ها وجود داشته باشد تا کاهش حجم جبران شود در غیر اینصورت در آخرین محل های انجماد حفره هایی ایجاد می شوند.[۱]

     رفتار انجمادی اینکونل مستقیما بر خواص قطعات ریختگی و جوشکاری شده تاثیر می گذارد. [۲]

عملیات حرارتی آلیاژهای نیکل

     نیکل و آلیاژهای آن ممکن است بسته به ترکیب شیمیایی، ضرورت های ساخت و کاربرد، تحت یک یا چند عملیات از شش عملیات حرارتی اصلی آنیل، آنیل محلولی، تنش گیری، متعادل سازی تنش ها، عملیات محلولی و پیرسازی قرار گیرند. [۳]

    عملیات حرارتی مناسب آلیاژهای پایه نیکل بحرانی است.جز در چند موارد کاربرد خاص، این آلیاژها برای بهبود مقاومت خوردگی عملیات محلولی می شوند. آلیاژهایی که کروم و یا مولیبدن دارند قبل از عملیات حرارتی، دارای کاربید کروم، ترکیبات بین فلزی غنی از مولیبدن و ریزجدایش   هستند که نتیجه آن مناطقی است که با سرعت بالایی خورده می شوند.

     آنیل محلولی، کاربیدهای کروم را حل می کند و مقداری از ترکیبات بین فلزی های مولیبدن و جدایش را از بین می برد.

     در آلیاژهای نظیر CW6MC که دارای کروم و مولیبدن با هم هستند عملیات حرارتی به علت کندی انحلال ترکیبات بین فلزی عموما در دمای Cᵒ۱۲۳۰  انجام می شود. دماهای پایین (کمتر از Cᵒ۱۱۵۰  ) با زمان طولانی جایگزین قابل قبولی برای دماهای بالاتر نیستند چون ترکیبات بین فلزی به جای حل شدن رشد می کنند. تمام آلیاژهای آنیل محلولی شده را می توان در آب کوئنچ(Quench) کرد و چنانچه در این مرحله ترک ایجاد شد نشانگر آن است که قطعه از نظر فیزیکی سالم نیست، ترکیب شیمیایی متعادل نیست یا دما و زمان عملیات کافی نبوده است. [۴]  

     آلیاژ ریختگی اینکونل ۶۲۵ یا CW6MC بعد از ریخته گری در دمای حداقل °C 1175به مدت کافی در این دما نگهداری شده و سپس در آب، کوئنچ (Quench) یا با روشهای دیگر سریع سرد می شود. [۵]

 

  • شرح عملیات فرایند ذوب و ریخته گری آلیاژ ریختگی اینکونل ۶۲۵ یا CW6MC

      در این پروژه که چندین  بدنه ((ولو)) ریخته گری شد تهیه ذوب  در کوره القایی با ظرفیت  ۲۰۰ کیلوگرمی و فرآیند ذوب تحت گاز محافظ آرگون خالص تجاری، انجام شد. شارژ کوره نیز از ضایعات تمیز وخشک اینکونل ۶۲۵ نوردی موجود در بازار تهیه شد.

ریخته گری بدنه اول:

     قالب گیری با ماسه CO2 و ماهیچه گیری  با ماسه چراغی انجام شد. طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه گذاری اولیه به صورتی بود که مذاب از کناره وارد قطعه می شد و قالب و ۵ تغذیه را  پر می کرد. با رسیدن مذاب به دمای Cᵒ۱۵۲۰  عملیات مذاب ریزی انجام شد. بعد از سرد شدن و تخلیه قالب، تمیز کاری برش راهگاه و تغذیه ها ، سندبلاست(Sand Blast) قطعه تست نشتی با آب و هوا در فشار، ۵ بار انجام شد که این آزمایش با موفقیت پشت سر گذاشته شد.چنانکه در شکل ۲ مشاهده می شود قطعه­­ای با ظاهر قابل قبول ریخته گری شده است.

شکل۲: بدنه ریختگی ((ولو)) از جنس CW6MC

     بدنه ریختگی جهت عملیات حرارتی بر روی فیکسچر(Fixture) بسته شد و در کوره برقی در دمای Cᵒ۱۱۸۰ درجه سانتیگراد به مدت دو ساعت نگهداری و در ادامه در آب کوئنچ (Quench) گردید(شکل۳).

شکل۳: نمودار سیکل عملیات محلولی بدنه سرد شده در آب

 

 

     آزمایشات متعددی نظیر آنالیز شیمیایی، کشش، سختی ، رادیوگرافی و مایعات نافذ بر روی قطعه انجام شد. ترکیب شیمیایی این قطعه با مقادیر جدول ۱ انطباق داشت. و مشخصات مکانیکی آن نیز همان طور که در جدول ۳ مشاهده می شود در سختی و استحکام تسلیم، منطبق با مقادیر جدول ۲ بود.لازم به توضیح است که نمونه های  تست کشش از بلوک (شکل ۴ ) منطبق با  استاندارد ASTM E8 تهیه و آزمایش شده اند.

شکل۴: بلوک تست کشش اینکونلی طبق استاندارد ASTM E8

جدول۳: خواص مکانیکی اولین بدنه ریختگی بعد از عملیات حرارتی

خواص مکانیکی
کشش سختی
توضیح استحکام تسلیم (MPa) استحکام کشش (MPa) درصد ازدیاد طول

(%)

HB
ASTM A494 CW6MC ۲۷۵ ۴۸۵ ۲۵ ۱۹۵
اولین نمونه ۳۲۹ ۴۵۱ ۱۵ ۱۷۰

     نتیجه آزمایش رادیوگرافی نیز نشان می داد که در نقاط مختلف قطعه، آخال و تخلخل و به طوری که جلوتر تشریح خواهد شد شبکه ای از ترک وجود داشت.

     یکی از نتایج جالب مربوط به تست مایعات نافذ بر روی سطوح بدنه بود که مشاهده شد روی سطوح داخلی قطعه، شبکه ای از ترک ایجاد شده است(شکل۵). رادیوگرافی با اشعه ایکس نیز عمیق بودن  این ترک ها را تایید کرد.

شکل۵: آزمایش مایع نافذ و شبکه ترک در قسمت داخلی بدنه ((ولو))

دو احتمال در مورد علت ایجاد این ترک ها داده می شد:

  • تنش های انجمادی در مرحله ریخته گری
  • تنش های ناشی از کوئنچ (Quench) در آب در مرحله عملیات حرارتی

ریخته گری بدنه های بعدی:

     با انجام تغییراتی در طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه گذاری با کمک نرم افزار موجود و با رعایت دقیق تر ملاحظات مربوط به ریخته گری، فرآیند ذوب و ریخته گری انجام شد و بعد از تمیزکاری و سندبلاست (Sand Blast)  بر روی قطعه، تست مایع نافذ انجام شد و اثری از شبکه ترک مشاهده نشد که ایجاد ترک در مرحله انجماد را منتفی می کرد. در هنگام عملیات حرارتی  برای آن که شوک کمتری به قطعه وارد شود، بعد از نگهداری در دمای انحلالی به مدت ۲ ساعت ،  قطعه با جریان هوا خنک شد(شکل۶).

شکل۶: نمودار سیکل عملیات محلولی بدنه سرد شده در جریان هوا

     آزمایشات نشان داد که آنالیز و سختی این قطعه مانند قبلی در محدوده مجاز است ولی تست مایعات نافذ نشان داد که هر چند میزان ترک ها کمتر شده ولی همچنان وجود دارند(شکل۷). از آنجا که طبق بررسی منابع، سرعت سرد شدن در هوا آنقدر زیاد نیست که باعث ترک یا اعوجاج در قطعه ای نسبتا ضخیم که در برخی مناطق حدود ۴۰ میلیمتر است شود، توجه به سمت سرعت گرم کردن قطعه نیز جلب شد و برای جلوگیری از تنش حرارتی در بدنه گرم کردن به صورت پلکانی انجام شد به این ترتیب که قطعه طی ۸ ساعت تا دمای Cᵒ۱۱۵۰ گرم شد و به مدت ۱ ساعت و ۳۰ دقیقه در آن نگهداری شد و بعد ۳۰ دقیقه در دمای Cᵒ۱۱۸۰ ماند و سپس در جریان هوا خنک شد(شکل۸).

شکل۷: آزمایش مایع نافذ و شبکه ترک در قسمت داخلی بدنه ریختگی CW6MC بعد از سرد کردن در جریان هوا

شکل۸: نمودار سیکل عملیات محلولی بدنه با کاهش شیب گرم کردن

      پس از عملیات حرارتی بر روی قطعه، آزمایش مایعات نافذ انجام شد که دیگر اثری از ترک ها مشاهده نشد.

     چند بدنه دیگر نیز به این ترتیب ریخته گری و عملیات حرارتی شد که نتایج مشابهی داشتند و در مورد خواص مکانیکی نیز چنان که در جدول ۴ درج شده است خواص مکانیکی با محدوده  استاندارد انطباق پیدا کرد.

جدول۴: مقایسه خواص مکانیکی اولین و آخرین بدنه ریختگی و روند بهبود فرآیند ریخته گری و عملیات حرارتی

خواص مکانیکی
کشش سختی
توضیح استحکام تسلیم (MPa) استحکام کشش (MPa) درصد ازدیاد طول

(%)

HB
ASTM A494 CW6MC ۲۷۵ ۴۸۵ ۲۵ ۱۹۵
اولین نمونه ۳۲۹ ۴۵۱ ۱۵ ۱۷۰
آخرین نمونه ۳۱۳ ۵۱۲ ۲۵٫۲ ۱۷۰

قابلیت ماشین کاری

     نکته قابل توجه دیگری که در تولید بدنه ریختگی اینکونل ۶۲۵ مشاهده شد بهبود چشمگیر قابلیت ماشین کاری بدنه ها با اصلاح عملیات حرارتی بود به طوری که ماشین کاری اولین نمونه بسیار مشکل و با تخریب فراوان ابزار و صرف زمان و هزینه زیادی  انجام شد ولی نمونه های بعدی توسط ماشین کار مجرب با سهولت بیشتری به انجام رسید.

  • نتیجه گیری
  • ریخته گری قطعات سالم سنگین آلیاژ اینکونل ۶۲۵ بدون خلاء نیز با حفاظت مذاب از اکسیژن محیط تحت گاز خنثی و رعایت قواعد علمی و مهندسی امکان پذیر است.
  • در عملیات حرارتی قطعه ریختگی اینکونل ۶۲۵ علاوه بر زمان نگهداری در دمای محلولی رعایت شیب گرمایش (در این پروژه شیب حدود  ۱۴۰ ) برای جلوگیری از ایجاد شبکه ترک بسیار مهم و حیاتی است.
  • عدم رعایت دما و زمان مناسب جهت عملیات حرارتی علاوه بر امکان ایجاد ترک مشخصات ماشین کاری آلیاژ CW6MC را نیز شدیدا تحت تاثیر قرار می دهد.

مراجع

  • ASM Handbook Vol.15,Casting, ASM Handbook Committee,1992,p 815-823
  • Stephen Floreen, Gerhard E. Fuchs, and Walter J. Yang,” The Metallurgy of Alloy 625”,۱۹۹۴
  • ASM Handbook Vol. 4,Heat Treating, ASM International Handbook Committee,1994, p 907
  • STEEL CASTINGS HANDBOOK,6th Edition,SFSA and ASM,1995,p 21-3
  • ASTM A494/A494M-3a,”Standard Specification for Castings, Nickel and Nickel Alloy”

علی پشته بان[۱] ، ایرج قاسمی[۲]

[۱] -کارشناس ارشد متالورژی

[۲] -کارشناس ارشد مکانیک

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *