از سیر تا پیاز چدن ها – قسمت ششم

در قسمت قبلی این نوشته، در خصوص چدن خاکستری، انواع گرافیت در این چدن ها، نامگذاری و دسته بندی آن ها و عوامل موثر بر خواص مکانیکی چدن های خاکستری، مطالبی تقدیم شد. در این قسمت، ادامه ی توضیح در مورد خواص و ویژگی های چدن های خاکستری را پی می گیریم:

ترکیب شیمیایی چدن های خاکستری:

عناصر آلیاژی در چدن های خاکستری شامل سه گروه عناصر است:

عناصر اصلی شامل کربن و سیلیسیم.

در چدن های خاکستری، مقدار کربن در حدود ۴-۲٫۵ درصد و مقدار سیلیسیم در حدود ۳-۱ درصد است. بیشتر کربن چدن خاکستری به صورت گرافیت لایه ای یا ورقه ای است. افزایش مقدار گرافیت نتیجه افزایش مقدار کربن کل چدن است. از آنجایی که گرافیت استحکام و سختی کمی دارد، با افزایش مقدار کربن کل، استحکام و سختی چدن کاهش می یابد. وجود مقدار قابل ملاحظه ای سیلیسیم نیز در چدن خاکستری ضروری است. سیلیسیم یک عنصر گرافیت زا است و در ماشین کاری پذیری عالی چدن، افزایش مقاومت به خوردگی و همچنین مقاومت به اکسایش آن در دمای بالا نقش عمده ای دارد.

از آنجایی که هر دوی این عناصر گرافیت زا هستند، مانع کاربیدزایی و سفید شدن چدن می شوند و تاثیر مشابهی بر انجماد، ساختار و خواص استحکامی چدن دارند، ریخته گرها از یک فاکتوری به نام کربن معادل (Carbon Equivalence) که به اختصار CE گفته می شود استفاده می کنند و به این مفهوم است که تاثیر کربن و عنصر هم ارز آن یعنی سیلیسیم را با یک عددی معادل سازی می کنند. در این صورت مثلاً اگر کربن مذاب کم باشد، برای پیشگیری از کاربیدزایی و سفید شدن چدن و همچنین بروز عیب کشیدگی، مقداری فروسیلیس به مذاب اضافه می کنند تا سیلیسیم بیشتر شده و بتواند کمبود کربن را جبران نماید. کربن معادل برابر است با مجموع درصد کربن و یک سوم درصد سیلیسیم (فرمول زیر). در واقع سه درصد سیلیسیم هم ارز با یک درصد کربن از نظر تاثیر بر ساختار و خواص استحکامی چدن خاکستری است. کربن معادل عدد مهم تری نسبت به مقدار کربن و یا سیلیسیم در ترکیب شیمیایی چدن ها است.

CE = %C + 1/3 × %Si

این رابطه در حضور فسفر به صورت زیر اصلاح می شود. در واقع رابطه ی دقیق تر کربن معادل مطابق با فرمول زیر است:

(CE = %C + 1/3 × (%Si+%P

در هنگام آماده سازی مذاب چدن، کربن معادل آن را با کوانتومتر اندازه می گیرند. مقدار کربن معادل معیار مناسبی را برای ارزیابی سیالیت مذاب، خواص ریخته گری، ساختار و استحکام چدن در اختیار ریخته گر می گذارد. بهترین خواص ریخته گری چدن از نظر سیالیت زیاد، درجه حرارت ذوب پایین و کشیدگی کم زمانی حاصل می شود که کربن معادل چدن برابر ۴٫۳ درصد باشد. به ترکیب شیمیایی چدن در صورتی که مقدار کربن معادل آن ۴٫۳ باشد ترکیب یوتکتیک می گویند و این چدن را چدن یوتکتیک می نامند. در عمل، مقدار کربن معادل چدن کمتر یا بیشتر از مقدار یوتکتیک است. اگر مقدار کربن معادل بیشتر از ۴٫۳ درصد باشد، استحکام چدن کاهش یافته و چدن پوک می شود، زیرا مقدار فاز گرافیت در ساختمان خیلی زیاد می گردد. به چدن هایی با مقدار کربن معادل بیشتر از ترکیب یوتکتیک، چدن های هایپر یوتکتیک می گویند.

با کاهش مقدار کربن معادل نسبت به مقدار ۴٫۳ درصد، درجه حرارت ذوب افزایش یافته و سیالیت آن کاهش می یابد و ضمناً مقدار فاز پرلیت زیادتر شده و استحکام و سختی چدن بیشتر می شود. اگر کربن معادل خیلی کم شود، چدن خالدار یا کاملاً سفید می شود. در این حالت سیالیت مذاب خیلی کم بوده و کشیدگی در قطعات نیز زیاد می شود. به چدن هایی با مقدار کربن معادل کمتر از ترکیب یوتکتیک، چدن های هیپویوتکتیک می گویند. بیشتر چدن ها از این نوع هستند.

لازم به ذکر است که چدن های با کربن معادل یکسان ولی مقدار کربن و سیلیسیم متفاوت خواص ریخته گری مشابهی ندارند.

عناصر کم مقدار ولی بسیار موثر در انجماد مذاب چدن شامل فسفر، منگنز و گوگرد

فسفر و گوگرد معمولاً از طریق قراضه یا آهن خام وارد مذاب می شود. آن ها در مقدار مناسب، عنصری مهم در چدن ها هستند زیرا بر شیوه انجماد آن تاثیر شگرفی دارند. فسفر معمولاً تا حدود ۰٫۱ درصد در چدن حل می شود و با افزایش مقدار آن، تشکیل یک فاز فسفید آهن به نام استیدیت (Steadite) می دهد که دیرتر از سایر فازهای چدن منجمد می شود، بنابراین در مرز سلول های انجماد می نشیند و باعث تردی، کاهش مقاومت به ضربه و کاهش ماشین کاری پذیری چدن می شود. فسفر از سوی دیگر باعث افزایش سیالیت مذاب چدن می شود.

اثر گوگرد در چدن ها را همواره باید با مقدار منگنز آن در نظر گرفت. بدون وجود منگنز در چدن، گوگرد با آهن ترکیب شده و تشکیل سولفید آهن می دهد که در حین انجماد در مرزدانه ها می نشیند. در حضور منگنز، همه گوگرد با آن ترکیب شده و تشکیل سولفید منگنز می دهد که به صورت ذراتی در ریز ساختار توزیع می شود. این ذرات تأثیر کمی بر قابلیت ریخته گری و خواص چدن های تجاری دارند. برای اینکه منگنز به عنوان یک عنصر آلیاژی در ساختار موثر باشد، مقدار آن باید از مقدار لازم برای ترکیب با گوگرد موجود بیشتر باشد. برای این منظور مقدار منگنز را معمولاً از ۱٫۷ برابر مقدار گوگرد به علاوه حدود ۰٫۲ درصد (فرمول زیر) بیشتر در نظر می گیرند.

%Mn ≥ ۱٫۷ × %S + 0.2

منگنز یک عنصر کاربیدزا و پرلیت زا است و با ریز دانه کردن پرلیت، باعث افزایش سختی و استحکام چدن می شود.

عناصر خیلی جزئی ولی تاثیرگذار در میکروساختار و یا خواص چدن مثل آلومینیوم، مس، کروم، قلع، تیتانیوم، نیتروژن، آرسنیک، بیسموت، نیکل، مولیبدن و غیره

آلومینیوم، تیتانیوم، نیکل و مس عناصر گرافیت زا و در مقابل مولیبدن، کروم و وانادیم کاربیدزا هستند. نیکل و مس با اینکه گرافیت زا هستند ولی به تشکیل پرلیت ریزتر و بیشتر در ساختار زمینه کمک می کنند. حضور عناصر گرافیت زا استحکام چدن را تنها اندکی افزایش می دهد ولی افزودن عناصر کاربیدزا، استحکام کششی را به شدت افزایش و قابلیت ماشین کاری را کاهش می دهد. قلع و آنتیموان عناصری هستند که می توانند زمینه ای کاملاً پرلیتی فراهم کنند. بیسموت، کلسیم، سدیم، منیزیم، لانتانیم، بور و تلوریم کاربیدزاهای قوی هستند. مقدار اندکی منیزیم، سدیم یا ایتریم ساختار گرافیت چدن خاکستری را ریزدانه می کنند ولی هرگاه مقدار آن ها از حدود ۰٫۰۱ درصد فراتر رود باعث کروی شدن گرافیت و تشکیل چدن داکتیل می شوند. وقتی قطعه ای با سطح سخت و سفید نیاز باشد، حضور بور به مقدار کمتر از ۰٫۰۵ درصد یا تلوریم به میزان کمتر از ۰٫۰۰۵ درصد می توانند ما را در رسیدن به هدف کمک کنند.

در جدول زیر، مقدار، اثر و منابع ورود گروهی از عناصر در ساختار چدن مشخص شده است (منبع: ASM Vol. 15):

ترکیب شیمیایی چدن های خاکستری GG-20 و GG-25:

همان طور که قبلاً نوشته شد ترکیب شیمیایی انواع چدن های غیر آلیاژی شباهت بسیاری با هم دارند و نمی توان از ترکیب شیمیایی چدن ها به گرید آلیاژی آن ها پی برد. به همین دلیل، آنالیز عنصری چدن های غیر آلیاژی در استانداردها ذکر نمی شود و گواهی ترکیب شیمیایی آن ها نیز اهمیت چندانی در بین گواهی های مواد ندارد. در مقابل، مشخصه اصلی چدن ها که باعث تمایز و تفکیک آن ها از هم می شود، موارد زیر است:

۱- حضور کربن به صورت گرافیت یا کاربید که باعث تفکیک چدن های سفید از چدن های گرافیتی می شود.

۲- شکل گرافیت ها که باعث دسته بندی چدن های گرافیتی به انواع چدن با گرافیت ورقه ای (خاکستری)، چدن با گرافیت کروی (داکتیل)، چدن با گرافیت فشرده یا کِرمی شکل و چدن با گرافیت برفکی شکل (مالیبل یا چکش خوار) می شود.

۳- خواص مکانیکی (استحکام و سختی) که باعث دسته بندی درون گروهی چدن ها می شود. برای مثال چدن های خاکستری بر اساس حداقل استحکام کششی به انواع مختلف از جمله GG-20 و GG-25 یا چدن های داکتیل نیز بر اساس حداقل استحکام کششی به انواع مختلف از جمله GGG-40 و GGG-50 دسته بندی می شوند. در آخرین ویرایش استانداردهای DIN EN، تفکیک برخی چدن ها بر اساس سختی آن ها نیز مورد توجه بوده است.

طبق مطالب فوق، بهتر است مسئولیت انتخاب ترکیب شیمیایی برای رسیدن به خواص مطلوب چدن را به عهده کارگاه ریخته گری گذاشت و کارفرما دخالتی در آن نداشته باشد. در واقع کارفرما باید نوع چدن و رده ی استحکامی آن را مشخص کند و این ریخته گر است که ترکیب شیمیایی، دمای بارریزی، سرعت سرد شدن و سایر پارامترهای ریخته گری را چنان تنظیم می کند که بتواند چدن درخواستی با رده ی استحکامی مورد نظر را تولید و تحویل دهد.

علیرغم اینکه ترکیب شیمیایی چدن های GG-20 و GG-25 در کارگاه های مختلف ریخته گری ممکن است تفاوت های جزئی با هم داشته باشند، در این قسمت از نوشته ی “از سیر تا پیاز چدن ها” برای آشنایی با حدود ترکیب شیمیایی آن ها، می توانید از جدول زیر استفاده کنید: