0
04136674922

از سیر تا پیاز چدن ها – قسمت دوم

در قسمت اول “سیر تا پیاز چدن ها” در وب سایت عصر مواد توضیح داده شد که چدن ها (Cast Irons) خانواده ی بزرگ و متنوعی از آلیاژهای پایه آهنی (Ferrous alloys) هستند که عناصر اصلی آلیاژی در آن ها شامل آهن، کربن و سیلیسیم است و عناصر دیگری چون منگنز، فسفر و گوگرد به صورت جزئی در ترکیب آن ها وجود دارد. در کنار چدن ها، فولادها (Steels) نیز از آلیاژهای پایه آهنی هستند که مقدار کربن و سیلیسیم کمتری در ترکیب خود دارند. در یک تعریف عمومی و پذیرفته شده، فولادها را آلیاژهای آهن با مقدار کربن کمتر از ۲ درصد و چدن ها را آلیاژهای آهن با مقدار کربن بیشتر از ۲ درصد (تا حدود ۶ درصد) می نامند.

بالا بودن کربن و سیلیسیم در ترکیب شیمیایی چدن ها باعث می شود تا آن ها قابلیت ریخته گری عالی پیدا کنند. چدن ها به سهولت ذوب شده و در حالت مذاب سیالیت زیادی دارند و هنگامی که ریخته می شوند فیلم های سطحی که سیالیت را کاهش می دهند، مشکلی را ایجاد نمی کند. دمای ذوب چدن ها از دمای ذوب فولاد بسیار کمتر است. چدن مذاب با مواد قالب کمتر وارد واکنش می شود. انجماد اکثر چدن ها با انقباض و کشیدگی جزئی همراه است. از سوی دیگر تشکیل گرافیت با وزن مخصوص پایین در یک گروه از چدن ها همراه با انبساط بوده و انقباض ناشی از انجماد مذاب را جبران می کند. این خصوصیات باعث می شود تا تولید قطعات ریختگی پیچیده از چدن ممکن شود. در مقابلِ خاصیت ریخته گری عالی چدن ها، بالا بودن مقدار کربن آن ها مانع از این می شود که بتوان در حالت جامد مثل فولادها بر روی آن ها عملیات شکل دادن (آهنگری، نورد و غیره) انجام داد.

در چدن ها بخش قابل توجهی از کربن، در هنگام انجماد آن آزاد شده و به صورت یک جزء اصلی مجزا در ریز ساختار شامل فاز پایدار گرافیت و فاز ناپایدار سمنتیت (کاربید آهن) ظاهر می شود. چگونگی تشکیل این کربن آزاد، شکل و نوع آن تعیین کننده ی نوع چدن ریختگی بوده و ماهیت و خواص آن را معین می کند. ترکیب شیمیایی انواع چدن های غیر آلیاژی شباهت های زیادی با هم دارند، بنابراین نمی توان آن ها را مثل فولادها بر اساس ترکیب شیمیایی دسته بندی نمود. شکل زیر نشان می دهد که ترکیب شیمیایی چدن ها با هم همپوشانی دارد و نمی توان با در اختیار داشتن ترکیب شیمیایی آن ها، نوع چدن را تشخیص داد.

 

محدوده ترکیب کربن و سیلیسیم در انواع چدن ها و فولاد

 

روش مناسب برای دسته بندی چدن ها، تفکیک آن ها بر اساس نوع ترسیب کربن آزاد و شکل آن در ریز ساختار است. بر همین اساس:

  • اگر کربن اضافی در ترکیب با آهن به صورت کاربید آهن (سمنتیت) ظاهر شود، آن را چدن سفید (White Iron) می گویند.
  • اگر کربن اضافی به صورت گرافیت ورقه ای رسوب کند، آن را چدن با گرافیت ورقه ای یا چدن خاکستری (Gray Iron) می گویند.

 

 

  • اگر کربن اضافی به صورت گرافیت کروی رسوب کند، آن را چدن با گرافیت کروی یا چدن نشکن یا داکتیل (Ductile Iron) می گویند.

 

 

  • اگر کربن اضافی به صورت گرافیت کِرمی شکل و با پولک های کلفت رسوب کند، آن را چدن با گرافیت فشرده (compacted graphite iron) می گویند.

 

 

  • در صورتی که با عملیات حرارتی مناسب چدن سفید، کاربید آهن را تجزیه کرده و کربن آزاد را به صورت توده های متراکم (برفکی شکل) از خوشه های گرافیت کربن تمپر شده در ریز ساختار رسوب دهند، چدن حاصل را چدن با کربن تمپر شده یا چدن چکش خوار یا مالیبل (Malleable Iron) می گویند.

 

 

 

هر یک از این چدن ها دارای خواص و ویژگی های منحصر به فردی هستند. علاوه بر این پنج گروه اصلی از چدن های غیر آلیاژی که بر اساس نوع و شکل ترسیب کربن آزاد دسته بندی شده اند، چدن های غیر آلیاژی و آلیاژی دیگری نیز مورد استفاده ی صنعتگران قرار می گیرد. در قسمت های بعدی “از سیر تا پیاز چدن ها” در وب سایت عصر مواد، در خصوص مشخصات و خواص، تولید و کاربرد هر کدام از انواع چدن ها مطالبی تقدیم علاقمندان خواهد شد. در ادامه ی این قسمت، به مقایسه ی خواص انواع چدن ها با هم و با فولاد ریختگی می پردازیم.

 

 

 

خواص چدن ها علاوه بر شکل کربن راسب شده به ساختار زمینه نیز بستگی دارد. کربن راسب شده در چدن ها مسئول چندین خصوصیت در چدن ها است که فولادها عاری از آن  ها هستند. گرافیت بسته به شکل خود در قابلیت ماشین کاری، مقاومت به سایش، جذب ارتعاش، ضریب هدایت گرما و خواص ریخته گری چدن ها موثر است. خواص مکانیکی چدن ها توسط زمینه ی فلزی در برگیرنده ی گرافیت تامین می شود. زمینه می تواند کاملاً فریتی باشد تا قابلیت ماشین کاری به حداکثر برسد ولی در این صورت استحکام و مقاومت چدن در برابر سایش کاهش می یابد. زمینه ی کاملاً پرلیتی مشخصه ی چدن های خاکستری پر استحکام است. زمینه ی فریتی – پرلیتی، سختی و استحکام متوسط و قابلیت ماشین کاری خوبی دارد.

 

مهم ترین ساختارهای زمینه در چدن ها شامل فریت، پرلیت، فریت-پرلیت، بینیت و آستنیت است.

  • زمینه ی آستنیتی در چدن های آلیاژی دیده می شود. آستنیت محلول جامد بین نشینی کربن در آهن با شبکه بلوری مکعبی با وجوه مرکز دار (fcc) است. در خصوص زمینه ی آستنیتی در قسمت چدن های آلیاژی بحث خواهد شد.
  • زمینه ی بینیتی به صورت ریختگی با افزودن مقادیر معینی از عناصر آلیاژی نیکل و مولیبدن و یا با عملیات حرارتی آستمپرینگ چدن های داکتیل به وجود می آید. در مورد بینیت و زمینه ی بینیتی در قسمت چدن های ADI و چدن های خاکستری و داکتیل نیکل مولیبدن دار بحث خواهد شد.
  • زمینه ی فریتی را می توان به صورت ریختگی در چدن تولید کرد ولی اغلب با عملیات حرارتی بازپخت می توان به آن دست یافت. فریت محلول جامد بین نشینی کربن در آهن با شبکه بلوری مکعب مرکز دار (bcc) است و ساختاری چکش خوار، کم استحکام، با مقاومت به سایش ضعیف، چقرمگی شکست خوب، ضریب هدایت گرمایی نسبتاً خوب و قابلیت ماشین کاری خوب است.

 

زمینه ی فریتی در چدن داکتیل

 

زمینه ی فریتی در چدن مالیبل

 

  • زمینه ی پرلیتی در قطعه ی ریختگی چدن به دست می آید. پرلیت مخلوطی از لایه های متناوب فریت و سمنتیت (کاربید آهن Fe3C) است. پرلیت به شکل اثر انگشت بر روی کاغذ دیده می شود. پرلیت نسبتاً سخت بوده و از چقرمگی کمتری برخوردار است. ضریب هدایت گرمایی آن کم و قابلیت ماشین کاری آن خوب است. زمینه های پرلیتی سخت تر و مستحکم تر از زمینه های فریتی هستند.

 

زمینه پرلیتی در چدن خاکستری

 

پرلیت (P) و سمنتیت (C) در چدن سفید

 

خصوصیات انواع چدن ها در مقایسه با فولاد

در جدول زیر، خصوصیات مختلف انواع چدن های غیر آلیاژی با هم و با فولاد کربنی ریختگی مقایسه شده است. این جدول یک مقایسه ی نسبی است و با اندکی ویرایش از کتاب تکنولوژی چدن تالیف روی الیوت (۱۹۸۸) آورده شده است.

 

مقایسه خصوصیات چدن ها و فولاد ریختگی با ۰٫۳% کربن – عدد ۱ بدترین و ۵ بهترین است

خصوصیت چدن خاکستری چدن داکتیل چدن مالیبل چدن سفید فولاد کربنی با ۰٫۳% کربن
قابلیت ریخته گری ۵ ۵ ۴ ۳ ۲
قابلیت ماشین کاری ۵ ۴ ۴ ۱ ۳
جذب ارتعاش ۵ ۴ ۴ ۲ ۲
قابلیت سختی پذیری سطحی ۵ ۵ ۵ ۲
مدول الاستیسیته ۳ ۵ ۴ ۵
مقاومت به ضربه ۱ ۴ ۳ ۵
مقاومت به سایش ۳ ۴ ۲ ۵ ۱
مقاومت به خوردگی ۵ ۵ ۴ ۴ ۲
نسبت مقاومت به وزن ۱ ۵ ۲ ۳
هزینه ساخت ۵ ۴ ۳ ۳ ۲

 

 

 

 

سایر قسمت های این نوشته:

 

 

ارسال دیدگاه