0
04136674922

از سیر تا پیاز چدن ها – قسمت پنجم

یادآوری قسمت های 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 قسمت اول “از سیر تا پیاز چدن ها” در عصر مواد، تاریخچه ی ساخت آهن و چدن بررسی و فرایند تولید شمش چدن در کوره ی بلند توضیح داده شد. در قسمت دوم نیز، دسته بندی چدن ها بر اساس شکل گرافیت و ساختارهای مهم زمینه چدن ها معرفی و خواص مهم چدن ها و فولاد کربنی مقایسه شد. در این قسمت نوشتیم که 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، کروی و یا کِرمی شکل با پولک های کلفت رسوب کند، آن را به ترتیب چدن با گرافیت ورقه ای یا چدن خاکستری (Gray Iron)، چدن با گرافیت کروی یا چدن نشکن یا داکتیل (Ductile Iron) و چدن با گرافیت فشرده (compacted graphite iron) می گویند. در صورتی که با عملیات حرارتی مناسبِ 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. شکل گرافیت این چدن ها را می توانید در قسمت دوم این نوشته ببینید.

قسمت سوم  “از سیر تا پیاز چدن ها” اختصاص به تولید قطعات چدنی و کاربرد چدن ها داشت و نوشتیم که “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 … 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”. متن کامل این نوشته را هم اینجا از عصر مواد بخوانید.

در نهایت در قسمت چهارم، از خواص عمومی چدن ها، عملیات حرارتی آن ها و کربن معادل نوشتیم. در نوشتار حاضر که قسمت پنجم از “از سیر تا پیاز چدن ها” را شامل می شود، به معرفی چدن خاکستری، انواع و مشخصات گریدهای مختلف این نوع چدن ها می پردازیم، پس همراه ما با ادامه ی این نوشته در عصر مواد باشید.

 

 

 

چدن خاکستری:

اگر ترکیب چدن مذاب مناسب و آهنگ سرمایش آن در حین انجماد به اندازه کافی تند نباشد، کربن موجود در آن در حین انجماد جدا می شود و پولک ها یا ورقه های گرافیت را تشکیل می دهد. به دلیل اینکه در این نوشته کاری با جوانه زنی و رشد گرافیت های ورقه ای نداریم، اگر در خصوص مورفولوژی رشد پولک های گرافیت نیاز به مطالعه ی یک مطلب فارسی دارید، می توانید در صفحات ۲۳۴-۲۳۱ (در چاپ دوم) از کتاب “تکنولوژی چدن” نوشته ی روی الیوت با ترجمه ی مهندس علیرضا علیپور، توضیحات مناسبی را بخوانید.

به دلیل رنگ خاکستری مقطع شکست چدن های با گرافیت ورقه ای یا لایه ای، از اصطلاح چدن خاکستری (Gray Iron) برای نامگذاری آن ها استفاده شده است. چدن های خاکستری از مهم ترین و پر کاربردترین آلیاژهای مهندسی هستند. اگر شما یک متالورژ نیستید، پس احتمالاً آشنایی زیادی هم با اصطلاح چدن خاکستری ندارید ولی حتماً چدن GG-20 یا GG-25 را می شناسید یا حداقل اسمی از آن ها به گوشتان خورده است. این دو آلیاژ چدنی از چدن های خاکستری پر کاربرد در صنعت کشورمان به خصوص در صنایع خودروسازی، ساخت لوله، شیر و اتصالات، پمپ سازی، ساخت بدنه موتورهای الکتریکی و ساخت قطعات، تجهیزات و ماشین آلات صنعتی هستند. 

خواص چدن خاکستری از ابعاد، مقدار و توزیع پولک های گرافیت و سختی نسبی فلز زمینه در پیرامون گرافیت تاثیر می پذیرد. این عوامل را می توان با کنترل مقدار کربن و سیلیسیم مذاب و آهنگ سرمایش قطعه ی ریختگی تنظیم کرد. هر چه چدن آهسته تر سرد شود و مقدار کربن و سیلیسیم آن بیشتر باشد، تمایل به ایجاد پولک های بیشتر و بزرگ تر گرافیت، ساختار زمینه ی نرم تر و در نتیجه استحکام و سختی کمتر، افزایش می یابد. گرافیت های ورقه ای خواص بی همتایی به چدن خاکستری می بخشد که از آن جمله می توان به ماشینکاری پذیری عالی و میرایی لرزه یا قابلیت جذب ارتعاش عالی اشاره کرد.

 

شکل گرافیت های ورقه ای بر اساس استاندارد ASTM A 247 به پنج کلاس مطابق شکل زیر دسته بندی می شود:

فایل PDF این جدول را می توانید اینجا دریافت کنید.

 

 

انواع چدن خاکستری:

چدن های خاکستری را معمولاً بر اساس حداقل مقدار استحکام کششی آن ها دسته بندی می کنند. بر این اساس در استاندارد قدیمی DIN، چدن های خاکستری را به گریدهای GG-35 ،GG-30 ،GG-25 ،GG-20 ،GG-15 ،GG-10 و GG-40 دسته بندی کرده اند. این نامگذاری یا دسته بندی، رایج ترین نامگذاری در صنعت کشورمان است و علیرغم منسوخ شدن استاندارد DIN 1691 و نامگذاری آلمانی GG-20 و GG-25، چدن های خاکستری یا معمولی و روتین را در صنعت کشورمان با همین نام ها می شناسند. در نامگذاری این استاندارد، اعداد ۱۰، ۱۵، … و ۳۵ با ضرب در ۱۰ حداقل مقدار استحکام کششی چدن را بر حسب N/mm2 یا MPa مشخص می کند. برای مثال، چدن GG-20 یک چدن خاکستری با حداقل مقدار استحکام کششی ۲۰۰ مگاپاسکال و چدن GG-25 یک چدن خاکستری با حداقل مقدار استحکام کششی ۲۵۰ مگاپاسکال است.

 

با تلفیق استانداردهای آلمانی با اروپایی، در استانداردهای جدید DIN EN، علیرغم تغییر سیستم نامگذاری چدن های خاکستری، دسته بندی یا گرید بندی آن ها همچنان بر اساس حداقل مقدار استحکام کششی یا سختی انجام می گیرد. در این نامگذاری طبق استاندارد DIN EN 1561، از سیستم زیر استفاده می شود:

 

 

عدد پس از EN-GJL برابر با حداقل مقدار استحکام کششی چدن بر حسب N/mm2 یا MPa است. برای مثال EN-GJL-250 یک چدن خاکستری با حداقل مقدار استحکام کششی ۲۵۰ مگاپاسکال و معادل چدن GG-25 است. 

 

در کنار نامگذاری های اروپایی و آلمانی، استاندارد آمریکایی ASTM نیز از حداقل مقدار استحکام کششی برای رده بندی چدن های خاکستری استفاده کرده است. بر این اساس چدن های کلاس شماره ۲۰، ۲۵، ۳۰، ۳۵، ۴۰، ۴۵، ۵۰، ۵۵ و ۶۰ معرفی شده است. در این نامگذاری اعداد ۲۰، ۲۵، … و ۶۰ حداقل استحکام کششی چدن بر حسب ksi است. به طور مثال چدن با کلاس ۳۵ یک چدن خاکستری با حداقل مقدار استحکام کششی ksi 35 است. در سیستم متریک ASTM با تبدیل ksi به MPa، رده بندی چدن های خاکستری را با کلاس شماره ۱۵۰، ۱۷۵، ۲۰۰، ۲۲۵، ۲۵۰، ۲۷۵، ۳۰۰، ۳۲۵، ۳۵۰، ۳۷۵ و ۴۰۰ خواهیم داشت. برای مثال چدن با کلاس ۲۵۰ یک چدن خاکستری با حداقل مقدار استحکام کششی MPa 250 است.

 

در جدول زیر معادل چدن ها در استانداردهای مختلف را می توانید مشاهده فرمایید:

فایل PDF این جدول را می توانید اینجا دریافت کنید.

 

 

عوامل موثر بر خواص مکانیکی چدن خاکستری:

سه عامل مهم بر خواص مکانیکی چدن ها موثر هستند: 

 

  • ریز ساختار:

از لحاظ میکروسکوپی همه چدن های خاکستری حاوی پولک های گرافیت پخش شده در زمینه ای از آهن – سیلیسم هستند. مقدار گرافیت موجود در چدن، طول پولک ها و چگونگی توزیع آن ها در زمینه بر خواص چدن تاثیر مستقیم می گذارد. استحکام و سختی چدن توسط زمینه فلزی دربرگیرنده گرافیت تامین می شود. زمینه می تواند کاملاً فریتی باشد تا ماشین کاری پذیری چدن به حداکثر برسد، البته در این صورت، استحکام و مقاومت به سایش آن به حداقل می رسد. زمینه ای کاملاً پرلیتی مشخصه چدن های خاکستری پر استحکام است. بسیاری از قطعات چدنی با زمینه ای فریتی-پرلیتی تولید می شوند تا ترکیب بهینه ای از سختی، استحکام و قابلیت ماشین کاری به دست آید.

 

برای آشنایی با فریت، پرلیت و سایر زمینه های فازی، مطالعه نوشته زیر از عصر مواد توصیه می شود:

معرفی ساده و کاربردی ریزساختار فولادها: فریت، آستنیت، پرلیت، مارتنزیت و بینیت

 

  • ترکیب شیمیایی:

ریز ساختار و خواص چدن های خاکستری وابستگی زیادی به ترکیب شیمیایی آن دارد. بیشتر کربن چدن خاکستری به صورت گرافیت است. با افزایش مقدار کربن، مقدار گرافیت هم افزایش می یابد و از آنجایی که استحکام یا سختی گرافیت پایین است، افزایش کربن باعث افت سختی و استحکام چدن می شود. کربن معادل چدن ها که معیاری از تاثیر کربن و سایر عناصر هم ارز آن بر انجماد و خواص استحکامی آن ها است، اهمیت زیادی در ریخته گری و پی بردن به ریزساختار و خواص چدن ها دارد. در خصوص ترکیب شیمیایی چدن ها، در قسمت بعدی این مطلب، مطالبی ارائه خواهد شد.

 

  • ضخامت مقطع:

یکی از عوامل بسیار موثر بر خواص چدن خاکستری، ضخامت مقطع قطعه ریختگی است. هر چه مقطع ضخیم تر باشد، مذاب در قالب آهسته تر سرد و منجمد می شود. هر چه انجماد آهسته تر باشد، دانه هایی که در حین انجماد تشکیل می شوند، درشت تر خواهند بود. انجماد آهسته، باعث بزرگ تر شدن پولک های گرافیت و کاهش سختی زمینه فلزی چدن می شود. در مقابل، با کاهش ضخامت مقطع قطعه، انجماد سریع تری اتفاق می افتد، تمایل به کاربیده شدن سطح افزایش می یابد و قطعه سخت می شود. 

 

 

 

سایر قسمت های این نوشته:

 

 

ارسال دیدگاه