از سیر تا پیاز چدن ها – قسمت سوم

مرور قسمت قبلی:

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.

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

در قسمت قبلی، انواع چدن های غیرآلیاژی شامل چدن های خاکستری، داکتیل یا نشکن، مالیبل یا چکش خوار، چدن با گرافیت فشرده و چدن سفید و ریز ساختارهای مهم زمینه ی آن ها معرفی شد. در این قسمت و قسمت بعدی، در خصوص خواص عمومی و مشترک چدن ها، کاربردها و عملیات های پس از ریخته گری توضیحاتی داده می شود و در قسمت های بعدی، توضیحات کامل تری راجع به هر کدام از چدن ها ارائه خواهد شد.

تولید قطعات چدنی:

در قسمت اول از سیر تا پیاز چدن ها، فرایند تولید شمش چدن در کوره ی بلند توضیح داده شد. چدن به دلیل دارا بودن مقدار کربن بالا، قابلیت نورد، آهنگری و سایر روش های شکل دهی را ندارد و قطعات چدنی را تنها می توان به روش ریخته گری تولید نمود. چدن ها به سهولت ذوب می شوند، در حالت مذاب سیالیت زیادی دارند، بازه ی مذاب آن ها (از دمای ریخته گری تا انجماد) طولانی است، انجماد آن ها با انقباض و کشیدگی کمی همراه است، چدن مذاب تمایل کمتری برای ترکیب با مواد قالب دارد و دمای انجماد چدن ها (حدود ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد) و دمای ذوب ریزی آن ها (حدود ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد) نسبت به فولادها پایین تر است، بنابراین چدن برای تولید قطعات پیچیده با ضخامت نسبتاً کم تقریباً کم رقیب است. به دلیل ماهیت ذاتی آلیاژهای آهنی پر کربن، قشرهای اکسید سطحی بر روی مذاب آن ها به کندی تشکیل می شود و این گونه آلیاژها در برابر جذب گازها و آخال ها مقاومت می کنند.

رسوب گرافیت در چدن در حین انجماد، باعث انبساط چدن شده و انقباض ناشی از انجماد جبران می شود، در نتیجه ضرورت تغذیه گذاری به حداقل می رسد. چدن ها نسبت به بسیاری از آلیاژهای آهنی و غیر آهنی دیگر انقباض کمتری در حین انجماد (حدود ۱ درصد) دارند. هر چه میزان انقباض مجاز کمتر باشد ابعاد قطعه ریختگی یکنواخت تر خواهد بود، کمتر تابیده می شود و نیاز به عملیات حرارتی تنش زدایی کاهش می یابد. این مزیت های فرایندی یعنی سیالیت زیاد، انقباض کم ناشی از انجماد و انقباض کم در حالت انجماد، تولید قطعات ریختگی چدنی بسیار پیچیده را امکان پذیر می سازد.

نوع چدنی که در حین انجماد تشکیل می شود به ترکیب شیمیایی آن، حضور جوانه زا و آهنگ انجماد بستگی دارد. افزایش مقدار کربن و سیلیسیم در چدن و حضور عناصر گرافیت زا اوضاع را برای تشکیل گرافیت در هنگام انجماد مساعد می کند. کمتر بودن مقدار کربن و سیلیسیم و حضور عناصر آلیاژی پایدار کننده کاربید، مانع تشکیل گرافیت می شود و حاصل کار چدن سفید خواهد بود.

ریخته گری گریز از مرکز لوله چدنی

کاربرد چدن ها:

خانواده ی چدن ها گستره ی وسیعی از استحکام و سایر خواص مهندسی را عرضه می کنند. خواص قطعات ریختگی چدن را می توان در گستره وسیعی تنظیم کرد و آن ها را از طریق عملیات حرارتی بهبود بخشید. تنوع و خواص مختلف انواع چدن باعث می شود تا دست طراح برای پاسخ به نیازهای طراحی و انتخاب متریال باز بوده و بتواند برای کاربری مورد نیاز خود، انتخاب های مختلفی از میان انواع چدن های خاکستری کم استحکام و پر استحکام، چدن های داکتیل، چدن های داکتیل عملیات حرارتی شده، چدن های سفید، چدن های مالیبل یا چکش خوار، چدن های با گرافیت فشرده، چدن های کم آلیاژ خاکستری و داکتیل و انواع چدن های آلیاژی مقاوم به سایش، مقاوم به خوردگی و مقاوم به دمای بالا، پیش رو داشته باشد.

انواع گوناگون چدن ها خواص سودمند متنوعی از قبیل گستره ای از سختی های متفاوت، از ماشین کاری پذیری عالی گرفته تا مقاومت فوق العاده در سایش را عرضه می کنند، ولی همه ی چدن ها برای تولید قطعاتی با ابعاد و شکل های بسیار گوناگون و متفاوت به یک اندازه مناسب نیستند. چدن های خاکستری با دارا بودن گستره ای از استحکام های مختلف، چقرمگی و مقاومت به ضربه پایین، قابلیت جذب ارتعاش و صدای عالی، قابلیت ماشین کاری خوب تا عالی، جوش پذیری پایین، مقاومت به سایش لغزشی مناسب، استحکام فشاری بسیار بالا، خواص خستگی و مقاومت به خوردگی نسبتاً مناسب، مقاومت الکتریکی بالا، هدایت حرارتی خوب، تولید آسان و قیمت ارزان برای تولید انواع قطعات خودرو، پوسته موتور و سر سیلندر، پیستون، صفحه کلاج، چند راهه های موتورهای درون سوز، مشعل های گازسوز با ونتوری یکپارچه، بدنه و میز ماشین های تراش، بدنه موتورهای الکتریکی، بدنه و قطعات ماشین آلات عمومی، پوسته گیربکس، غلتک های نورد، قطعات و جعبه های درگیر با آتش، قطعات کوره ها، قالب های شمش، بدنه شیرآلات، لوله، فلنج و اتصالات، قطعات پمپ و انواع قطعات صنعتی دیگر استفاده می شوند.

لوله های چدن نشکن

علاوه بر چدن خاکستری، از چدن های با گرافیت کروی یا داکتیل با دارا بودن خواصی چون انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه ی مناسب، خواص خستگی مناسب، مقاوم در دمای بالا و اکسیداسیون، هدایت الکتریکی بهتر و هدایت حرارتی پایین تر نسبت به چدن خاکستری، قابلیت ماشین کاری عالی، قابلیت عملیات حرارتی، تولید آسان و قیمت مناسب نسبت به فولادها برای تولید انواع قطعات صنعتی مثل قطعات تحت فشار از جمله شیر فلکه، لوله و اتصالات و بدنه پمپ، قطعات موتور مثل میل لنگ، بادامک، اجزاء کلاچ و چرخ دنده، دیسک ترمز، غلتک های نورد، قطعات ماشین آلات کشاورزی مثل پوسته دیفرانسیل، براکت، چرخ دنده، قطعات انتقالی و بوش، چرخ و قرقره جرثقیل، قطعات ماشین های جابجایی بار و غیره استفاده می شود.

چدن های چکش خوار یا مالیبل نیز که از عملیات حرارتی چدن سفید به دست می آید، با دارا بودن خواص مکانیکی مناسب و قابلیت ماشین کاری عالی، برای تولید قطعاتی با مقطع نازک که باید داکتیل هم باشند گزینه ای ایده آل است. از این نوع چدن برای تولید زنجیر، چرخ زنجیر، قطعات ابزار، اتصالات لوله، انواع قطعات خودرو مثل جعبه فرمان، جعبه دنده، سگدست، پوسته دیفرانسیل، چهارشاخ گاردان، میل رابط یا شاتون، اجزای سیستم محرک و قطعات محور و غیره استفاده می کنند. بسیاری از چرخ دنده ها از چدن چکش خوار پرلیتی ساخته می شود.

سر سیلندر چدن خاکستری

چدن با گرافیت فشرده با دارا بودن خواص مکانیکی در محدوده ی بین خواص چدن های خاکستری و داکتیل و قابلیت ماشین کاری و ریخته گری آسان تر نسبت به چدن داکتیل، برای ساخت سرسیلندر، منیفولدهای دود، دیسک های ترمز، دیسک ها و رینگ های پیستون استفاده شده است. مقاومت بیشتر چدن های با گرافیت فشرده در مقابل ترک خوردگی، اعوجاج و خمیدگی در مقایسه با چدن های داکتیل، آن ها را برای قالب های شمش ریزی مناسب می سازد. چ

دن ها در اکثر محل هایی که مقاومت به سایش مطرح است به کار برده می شوند. چدن های خاکستری با داشتن گرافیت ورقه ای در شرایط خشک لغزشی و روغنکای کاربرد دارند. چدن های سفید معمولاً در جاهایی که مقاومت به سایش مطرح است کاربرد دارند. کاربیدها در ساختار میکروسکوپی آن ها بسته به نوع، شکل و حجم آن ها، سختی لازم را برای خرد کردن مواد بدون کنده شدن را تدارک می بینند.

منیفولد چدن خاکستری

در کنار این نوع چدن های غیر آلیاژی، از انواع چدن های آلیاژی مثل چدن های نای رزیست (پُر نیکل)، نیکروسیلال و چدن های پُر سیلیس برای مصارف مقاومت به خوردگی، چدن های سفید مارتنزیتی و چدن های پُر کروم نایهارد و نوریهارد برای مصارف مقاومت به سایش و چدن های پر سیلیس برای مصارف دمای بالا در ساخت انواع قطعات صنعتی استفاده می شود.