چدن و انواع گرافیت در چدن | پادکست متالورژی

۱۰ مرداد ۱۳۹۷

عنوان پادکست : آشنایی با چدن خاکستری


عنوان پادکست : آشنایی با انواع گرافیت در چدن ها


تعریف چدن (Cast iron)

به آلیاژهایی از آهن و کربن که بین ۲٫۱ الی ۶٫۲ درصد کربن داشته باشند، گفته می‌شود.

بیش از ۹۵ درصد وزنی چدن را آهن تشکیل می­ دهد و عناصر آلیاژی اصلی آن کربن و سیلسیم است.

تاریخچه:

در زمانی که چدن نسبتاً ارزان و فولاد فراگیر نشده بود نقش برجسته ­ای در انقلاب صنعتی ایفا می­ کرد.

در اوایل عصر انقلاب صنعتی از چدن اغلب در ساخت کارخانه ­ها استفاده می­ کردند و می ­پنداشتند که ساختار ضد آتش دارد.

به این خاطر که مقاومت بالایی در برابر تحمل ابزار آلات سنگین داشته اما در مقابل آتش که معمولاً در این کارخانه ­ها رخ می­داد، آسیب­ پذیر بوده­ اند.

معماری چدن برای چندین قرن به خصوص در معماری پیش از مدرن در قرن۱۸ انگلستان مورد استفاده قرار گرفته است.

یکی از اولین و مهم ترین پل ­های آهنی در شوپ شایر که تقریباً تمام ساختار آن با چدن ساخته و تنظیم شده بود.

کیفیت چدن مورد استفاده در پل زیاد بالا نبود و نزدیک به ۸۰ ترک ترد در ساختار آن مشاهده گردید.

تمایز عمده چدن با فولاد:

آهن تنها یک فلز برای مصارف صنعتی نیست و برای تولید فولاد و چدن نیز مقداری از این آلیاژ استفاده می­گردد.

میان فولاد و چدن تفاوت زیادی وجود دارد.

یکی از این تفاوت ­ها به مقدار کربن موجود در آن­ها باز می ­گردد.

از دیگر مشخصه­ های چدن که عامل وجه تمایز آن با فولاد است، می­ توان به موارد زیر اشاره نمود :

  • مقاومت پایین در برابر ضربه
  • انعطاف­ پذیری کم
  • نقطه ذوب پایین
  • قابلیت سیال شدن زیاد
  • قابلیت جذب ارتعاش خوب
  • مقاومت بالا در برابر سایش
  • عدم حساسیت در برابر شیارهای سطحی
  • کم بودن میزان انقباض در زمان انجماد و سرد شدن

چدن خام:

آهن، اغلب از کانی ­های اکسیدی یا کربنات گوگرد، آرسنیک و… که از آنها زدوده شده باشد با برشته کردن در هوا و احیا کردن تهیه می ­گردد.

کانه آهن با کک و کربنات کلسیم آمیخته شده و در یک کوره بلند که دمای بیشینه آن ۱۳۰۰ است، گرم می ­شود و ناخالصی ­های عمده اسیدی به کمک سرباره خنثی می­گردد و توده فلزات مذاب به صورت چدن خام به بیرون راه می ­یابد.

چدن خام شامل ۲ تا ۴ درصد کربن و اندکی گوگرد، فسفر و سیلسیم است.

چدن مذاب را به صورت خام یا آلیاژی در قالب­ های ماسه­ ای یا فلزی به صورت اشکال مختلف می ­ریزند.

انواع چدن:

چدن به دو گروه اصلی تقسیم­ بندی می­ شود:

  1. آلیاژهایی برای مقاصد عمومی که موارد مصرف آن­ها در کاربردهای عمده مهندسی است.
  2. آلیاژهایی با اهداف خاص از جمله چدن­های سفید و آلیاژهای مقاوم در برابر سایش، خوردگی و مقاوم در برابر حرارت بالا مورد استفاده قرار می­گیرند.

انواع گوناگون چدن را می­توان بر اساس ریزساختار دسته ­بندی کرد.

این دسته­ بندی باتوجه به حضور کربن در چدن است.

  • چدن سفید (WHITE CAST IRON)
  • چدن چکش خوار (MALIBLE CAST IRON)
  • چدن خاکستری (GRAY CAST IRONS)
  • چدن داکتیل-کروی و نشکن (DUCTILE CAST IRON)
  • چدن با گرافیت فشرده-کرمی شکل (COMPACTED GRAPHITE CAST IRON)

به هر نوع از این چدن ­ها می­ توان تا حدودی عنصرهای آلیاژی افزود یا آن­ها را مورد عملیات گرمایی قرار داد بدون اینکه نوع چدن تغییر یابد.

چدن­ های آلیاژی را که معمولاً حاوی بیش از ۳% عنصر آلیاژی هستند می ­توان به طور جداگانه به عنوان چدن سفید، خاکستری یا داکتیل دسته بندی کرد.

انواع چدن از نظر فاز زمینه:

  • زمینه فریتی
  • زمینه فریتی-پرلیتی
  • زمینه پرلیتی
  • زمینه مارتنزیتی
  • زمینه آستنیتی
  • زمینه بینیتی

چدن داکتیل – روش تولید چدن نشکن

این چدن بعد از جنگ جهانی دوم وارد صنعت شد و با توجه به خواص خوب مکانیکی که داشت کاربرد های مهمی در صنعت پیدا کرد و به علت کاربرد بالای آن و استحکام خوب آن رفته رفته جای فولاد را گرفت.

دلایل جایگزینی چدن نشکن به جای فولاد :

چدن داکتیل
در این چدن ها عمدتا گرافیت به صورت کروی و با ضمینه پرلیتی بوده و برخلاف چدن مالیبل این نوع چدن ها قابلیت چکش خواری و انعطاف پذیری بالایی دارند.

در مقایسه با چدن های مالیبل این نوع چدن ها نیاز به سیکل عملیات حرارتی ندارند لذا از لحاظ اقتصادی مقرورن به صرفه تر می باشند.
همچنین با اضافه کردن عناصر آلیاژی در ضمن ذوب ریزی گرافیت های ورقه ای به گرافیت های کروی تبدیل می شود.
در ترکیب شیمیایی این چدن ها حدود ۰٫۰۳ درصد تا ۰٫۰۵ درصد منیزیم وجود داشته و مقدار گوگرد موجود در این چدن ها کمتر از ۰٫۰۱ درصد می باشد.:

طرز تهیه و ریخته گری این نوع چدن ها مشابه چدن های خاکستری می باشد با این تفاوت که در فرآیند ذوب ریزی با استفاده از عناصر آلیاژی نظیر منیزیم ، گرافیت ورقه ای تبدیل به گرافیت کروی می شود.

نکته : مقدار انبساط مذاب چدن نشکن از چدن خاکستری بیشتر بوده و به همین دلیل در ریخته گری آن تغذیه های کوچکتری به کار می رود و هم چنین در بعضی موارد بدون تغذیه نیز می توان ریخته گری را انجام داد.

مبانی طراحی سیستم های راهگاهی درچدن نشکن

وظایف سیستم راهگاهی :

۱- انتقال مذاب از بوته به داخل محفظه قالب با حداکثرسرعت ممکن
۲- حرکت مذاب در داخل سیستم راهگاهی با حداقل اختشاش و تلاطم
۳- ورود مذاب به داخل محفظه قالب باید به گونه ای باشد که سرد ترین قسمت مذاب در دورترین منطقه قالب از نظر ورود مذاب قرار بگیرد و نیز گرم ترین قسمت مذاب در داخل سیستم راهگاهی باشد
۴- ابعاد سیستم راهگاهی باید به گونه ای طراحی شود که ضمن این که مذاب محفظه قالب را به  صورت کامل پر می کند حداقل میزان برگشتی را در سیستم راهگاهی داشته باشد.

عیوب ایجاد شده در طراحی غلط سیستم راهگاهی :

۱- وارد شدن ماسه شلاکه و ناخالصی ها به داخل محفظه قالب
۲- کاهش کیفیت سطحی قطعه تولیدی
۳- جذب گاز در مذاب و ایجاد مک های گازی
۴- اکسید شدن بیش از حد مذاب
۵- ایجاد حفرات انقباضی در قطعات تولیدی
۶- پرنشدن کامل قالب( نیامد کردن )
۷- وارد شدن ذرات از پیش جامد شده به داخل محفظه قالب

چدن های آلیاژی نسوز

این نوع از چدن ها به گروهی از آلیاژهای آهنی گفته می شود که شرایط کاری آن ها در محیط گرم ودر درجات حرارتی تا حدود ۱۱۰۰ درجه سانتی گراد می باشد.

در چنین درجات حرارتی چدن ها نبایستی اکسیده شده وتحمل نیرو های مکانیکی را نیز دارا باشند.

در هنگامی که حد اکثر درجه حرارت ۶۰۰ درجه سانتی گراد باشد این نوع چدن ها حتی می توانند تحت شرایط دینامیکی ( همان نیروهای سیکلی یا متحرک بر قطعه) به خوبی کار کنند.

نیکل کرم و مولیبدن از مهم ترین عناصری هستند که دراین نوع چدن ها وجود دارد دارند.

علاوه بر مسئله مقاوم بودن این نوع چدن ها در مقابل اکسیداسیون بایستی در اثر حرارت دیدن باد نکرده وترک نخورند.

میزان باد کردگی و رشد چدن ها در درجه حرارتی بالای ۴۰۰ درجه سانتی گراد زیاد بوده می تواند تا ۱۰ درصد نیز برسد.

علت رشد وباد کردگی چدن ها به دلیل تجزیه شدن سمنتیت به آهن وگرافیت در اثر حرارت است که توام با رشد وباد کردگی قطعات خواهد بود لذا برای جلوگیری از این مشکل از عناصری نظیر مولیبدن مس وکرم و فسفر استفاده می گردد.

به طور کلی منظور از افزودن عناصر آلیاژی حفظ استحکام چدن در درجه حرارت کار قطعه ؛ اکسیده نشدن وعدم رشد و باد کردن چدن می باشند.

مهم ترین عنصر آلیاژی و ارزانترین آن کرم می باشد.

چدن هایی که دارای ۲۰ درصد کرم هستند می توانند تا درجات حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد کار نموده و چدن هایی که دارای ۳۵درصد کرم هستند تا درجه حرارت ۱۱۵۰ درجه سانتی گراد اکسیده نمی شوند.

چدن های آلیاژی که در صنعت استفاده می شوند با نام چدن خاکستری نسوز از آلیاژهای آهن-کربن و سیلیس می باشد.

عناصر دیگر مانند کرم نیکل و مولیبدن به صورت جمعی یا تکی خواص مقاومت در درجه حرارت بالا را به طور موثر افزایش می دهد.

چدن های با سیلیس بالا

مقدار ۸-۵/۴ درصد سیلیس در چدن به طور بسیار زیادی هر دو خواص پوسته پوسته شدن و رشد کاهش می دهد.

سیلیس دارای خاصیتی است که درجه حرارت استحاله را تا ۹۰۰ درجه بالا می برد. بنابراین درجه حرارت کارکرد را بدون این که با تغییر فاز برخورد شود بالا می برد.

چدن با سیلیس بالا بسیار شکننده و دارای شوک حرارتی پائین است.

ساختمان میکروسکوپی چدن سیلال کلا فریتی می باشد و قبل از ذوب آن باید تا درجه حرارت ۱۶۰۰درجه سیلسیوس گرم شود و سپس ریخته گری شود.

ترکیب شیمیایی سیلال
C=22% Si=5.5-6% Mn=0.8% S=0.04% P=0.04% Ti=0.4-0.5%

نیکروسیلال چدن آلیاژی است دارای نیکل سیلیس کروم و مقاومت در برابر حرارت و خوردگی دارد و این آلیاژ مقاومت خوبی در برابر پوسته شدن تا ۸۰۰ درجه دارد و کاربرد آن در حرارت با جو گازهای گوگردی است. حداکثر مقاومت این آلیاژ ۹۵۰ درجه می باشد.

ساختمان میکروسکوپی این چدن دارای گرافیتهای از نوع D با مقداری کم کاربید بوتکتیک در زمینه آستنیتی می باشد.

چدن با کروم بالا

کروم به طور وسیعی در چدن های نسوز به کار برده می شود.

به علت این که دارای خاصیت پایدار کننده کاربید است از رشد جلوگیری می کند و تمایل به تشکیل پوسته محافظ اکسید دارد.

اساسا با اضافه کردن ۱ تا ۵/۰ درصد کروم به چدن برای کاربردهای مختلف تا درجه حرارت ۶۰۰ درجه مقاومت در مقابل اکسید شدن بهبود می یابد.

علاوه بر آن برای بهتر نمودن مقاومت در مقابل پوسته شدن و رشد بدون این که تاثیرات زیادی در کاهش چقرمگی و خاصیت ماشینکاری چدن ها ایجاد شود تا ۲ % کروم به چدن اضافه شود.

چدنها با کروم بالا دارای سطح مقطع سفید می باشند.

چدن نسوز کروم بالا شامل ۳۰-۲۰% کرم و تا ۲ % کربن می باشد.

کروم بیشتر مقاومت در مقابل حرارت بیشتر ایجاد می کند.

در جایی که خاصیت سایش در درجه حرارت بالا مطرح باشد می توان کربن بیشتری اضافه نمود.

۰
برچسب ها :
نویسنده مطلب متالورژها اینفو
کارشناس مهندسی مواد | مدرس و پژوهشگر دیجیتال مارکتینگ

بدون دیدگاه