0
04136674922

از سیر تا پیاز چدن ها – قسمت چهارم

در صورت نیاز، قبل از مطالعه ی این قسمت، قسمت های قبلی “از سیر تا پیاز چدن ها” را از لینک های زیر در عصر مواد بخوانید:

 

از سیر تا پیاز چدن ها – قسمت اولمحتوای این قسمت شامل: تعریف آهن و چدن + تاریخچه تولید آهن و چدن

از سیر تا پیاز چدن ها – قسمت دوم – محتوای این قسمت شامل: دسته بندی چدن ها بر اساس شکل گرافیت + ساختارهای مهم زمینه چدن ها + مقایسه خواص مهم چدن ها و فولاد کربنی

از سیر تا پیاز چدن ها – قسمت سوم – محتوای این قسمت شامل: تولید قطعات چدنی + کاربرد چدن ها

 

 

خواص عمومی چدن ها:

چدن ها گروه وسیعی از انواع آلیاژهای آهنی با برخی خواص مشترک و البته خواص متفاوت بسیار هستند. چدن های غیر آلیاژی قابلیت ریخته گری عالی دارند و به آسانی ریخته می شوند ولی با آلیاژی شدن چدن، ریخته گری آن نیز مشکل تر می شود. قابلیت ماشین کاری چدن های خاکستری کم استحکام، داکتیل آنیل شده و مالیبل بسیار عالی است. این چدن ها را می توان سنگ زد و با دقت بالایی به ابعاد دقیق رسانید. با افزایش استحکام و سختی چدن، قابلیت ماشین کاری آن نیز افت می کند، به طوری که چدن های آلیاژی پر کروم را به دلیل سختی و تردی بالا، عموماً در ابعاد قطعه نهایی ریخته گری می کنند تا نیاز به ماشین کاری نباشد، زیرا ماشین کاری این چدن ها، زمان بر، هزینه بر و بسیار مشکل و پر دردسر است.

چدن ها قابلیت جوش پذیری بسیار پایین تری نسبت به فولادها دارند. چدن های سفید و آلیاژی پرکروم قابلیت جوش پذیری ندارند. به دلیل مشکلات حین و بعد از اجرای جوشکاری در چدن ها، هزینه ی بالاتر جوشکاری چدن ها و قیمت ارزان چدن، معمولاً از جوشکاری تعمیری قطعات کوچک چدنی صرفنظر می شود. هر چند که با لحاظ کردن الزامات و تمهیداتی، جوشکاری تعمیری قطعات بزرگ و حساس چدنی، قابل اجرا و توجیه پذیر است.

از انواع سیکل های عملیات حرارتی بر روی چدن ها مثل تنش گیری، آنیل یا تابکاری، نرماله کردن، مالیبل کردن چدن سفید، سریع سرد و بازگشت دادن (کوئنچ تمپر)، آستمپرینگ و مارتمپرینگ می توان برای تغییر و اصلاح ریز ساختار و بهبود خواص مکانیکی و خواص سطحی آن ها استفاده کرد.

چدن ها به دلیل داشتن مقدار نسبتاً زیادی سیلیسیم، از طریق ایجاد یک پوسته ی اکسیدی متراکم، در برابر اکسایش مقاومت می کنند. این پوسته ی اکسیدی، اکسایش بیشتر چدن را به تاخیر می اندازد. چدن های معمولی با موفقیت در بیشتر محیط های آبی و برخی مواد شیمیایی استفاده می شوند. برای مثال چدن خاکستری را می توان با موفقیت در نگهداری، حمل و پمپاژ اسید سولفوریک ۹۸ درصد در دماهای زیر ۳۰ درجه استفاده کرد. به منظور مقاومت به خوردگی و سایش در مصارف ویژه، چدن های آلیاژی از جمله نای رزیست و نایهارد توسعه یافته اند که خیلی بهتر از بسیاری از آلیاژهای دیگر عمل می کنند.

استحکام تسلیم همه چدن ها در فشار دست کم برابر استحکام تسلیم آن ها در کشش است و استحکام نهایی فشاری آن ها دو یا سه برابر استحکام کششی آن ها است. دلیل این تفاوت آن است که گرافیت موجود در چدن استحکام کششی آن را افزایش نمی دهد ولی می تواند بار فشاری قابل توجهی را تحمل کند. مدت ها است که هر دو نوع چدن خاکستری و سفید را با موفقیت در ساخت چرخ که زیر بار فشاری شدید است به کار می برند. از چدن خاکستری با سختی بیشتر از ۲۲۵ برینل برای ساختن چرخ های چرثقیل استفاده شده است. چدن های داکتیل و چکش خوار، هر گاه با عملیات حرارتی سخت شوند، فشار را بسیار خوب تحمل می کنند. به همین دلیل از آن ها برای ساختن چرخ دنده استفاده می شود.

جلوگیری از ایجاد لرزه و ارتعاش اضافی در ماشین آلات بر عمر آن ها بسیار موثر است. با استفاده از موادی با ظرفیت میرایی زیاد می توان لرزه و ارتعاش ماشین آلات را کاهش داد. لرزه معمولاً باعث سایش سریع یاتاقان ها و دندانه های چرخ دنده ها می شود. ممکن است دامنه لرزه ی قطعه ای که با بسامد تشدیدش می لرزد، به اندازه ای بزرگ شود که به شکست فاجعه آمیز آن منجر شود، مگر آن که لرزه جذب یا کار متوقف شود. توانایی نسبی انواع چدن خاکستری برای جذب لرزه ۲ تا ۶۰ برابر فولاد کربنی، ۱ تا ۲۰ برابر چدن چکش خوار و ۱ تا ۱۴ برابر چدن داکتیل است. قابلیت جذب ارتعاش چدن های داکتیل معمولاً بین چدن خاکستری و فولادها است.

 

 

 

انواع گوناگون چدن را نمی توان بر اساس ترکیب شیمیایی مشخص کرد زیرا بین ترکیب شیمیایی انواع چدن شباهت های بسیار وجود دارد. به استثنای آن دسته از قطعات ریختگی چدنی که برای کاربری های ویژه ساخته می شوند مسئولیت انتخاب ترکیب شیمیایی مناسب برای رسیدن به خواص مطلوب را باید به عهده کارگاه ریخته گری گذاشت. در واقع کارفرما نوع چدن و رده ی استحکامی را مشخص می 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 چدن درخواستی با رده ی استحکامی مورد نظر را تولید کند.

متالورژی چدن ها شباهت زیادی به متالورژی فولاد دارد ولی تفاوت های زیادی هم دارند که برای یک متخصص متالورژی بسیار مهم هستند. از آن جا که مقدار عناصر آلیاژی در اغلب رده های متداول فولاد نسبتاً کم است، این فولادها را می توان به صورت آلیاژ دو تایی آهن-کربن در نظر گرفت. بنابراین می توان از دیاگرام آهن-کربن برای تفسیر ساختار آن ها در شرایط تبدیل آهسته یا نزدیک به تعادل استفاده کرد. ولی چدن ها علاوه بر کربن بیشتر، مقدار قابل ملاحظه ای سیلیسیم نیز دارند و آن ها را باید به صورت آلیاژهای سه تایی آهن-کربن-سیلیسیم در نظر گرفت.

حضور سیلیسیم، ترکیب یوتکتیک، ترکیب یوتکتویید (تشکیل پرلیت) و حداکثر قابلیت انحلال کربن در آستنیت را تغییر می دهد و باعث می شود واکنش های یوتکتیک و یوتکتویید در دماهای بالاتر از دمای انجام واکنش های متناظر در سیستم آهن-کربن انجام شوند. بدون سیلیسیم، واکنش یوتکتیک در ۴٫۳ درصد کربن رخ می دهد. با افزایش مقدار سیلیسیم چدن، مقدار کربن یوتکتیک کاهش می یابد. تاثیر کربن و سیلیسیم را با پارامتری به نام کربن معادل (C.E.) نشان می دهند که برابر است با:

C.E = %C + 1/3 %Si

 

اگر مقدار فسفر چدن زیاد باشد این فرمول به صورت زیر استفاده می شود:

C.E = %C + 1/3  %Si + 1/3 %P

 

کربن معادل هر چدن نشان می دهد که ترکیب شیمیایی آن تا چه حد به ترکیب یوتکتیک نزدیک است. هنگامی که کربن معادل برابر ۴٫۳ باشد، آلیاژ ترکیب یوتکتیک را دارد. چدن های با کربن معادل یکسان، ممکن است مقادیر کربن و سیلسیم متفاوتی داشته باشند، در نتیجه خواص مشابهی هم نخواهند داشت. 

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.

 

در جدول زیر، خصوصیات مختلف انواع چدن های غیر آلیاژی با هم 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 – عدد ۱ بدترین و ۵ بهترین است

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

 

 

 

عملیات حرارتی چدن ها:

از انواع سیکل های عملیات حرارتی بر روی چدن ها مثل تنش گیری، آنیل یا تابکاری، نرماله کردن، مالیبل کردن چدن سفید، سریع سرد و بازگشت دادن (کوئنچ تمپر)، آستمپرینگ و مارتمپرینگ می توان برای تغییر و اصلاح ریز ساختار و بهبود خواص مکانیکی و خواص سطحی آن ها استفاده کرد.

عملیات حرارتی آنیل چدن ها به منظور حذف کاربیدها و پرلیت در ساختار ریختگی و یا تولید گرافیت در یک زمینه فریتی به کار برده می شود. سیکل به کار برده شده به نوع و طبیعت چدن بستگی دارد و معمولاً در چدن های خاکستری دو مرحله ای است. مرحله اول بالای محدوده دمای بحرانی انجام می شود که باعث تجزیه کاربید و یکنواختی زمینه می شود. مرحله دوم در زیر دمای بحرانی انجام می شود و زمینه به فریت و کاربیدها به گرافیت تبدیل می شود. 

از نرماله کردن برای به دست آوردن یک سختی و استحکام بالاتر در قطعات ریختگی یا آنیل شده استفاده می شود. پس از نرماله کردن، یک ساختار پرلیتی با ترکیب خوبی از مقاومت به سایش همراه با قابلیت ماشین کاری به دست می آید. دمای نرماله کردن معمول برای چدن های خاکستری پر استحکام ۸۷۰-۸۱۰، برای چدن های خاکستری کم استحکام ۹۰۰-۸۴۰ و برای چدن های کروی ۹۰۰-۸۲۰ درجه سانتیگراد است.

عملیات حرارتی کوئچ تمپر، مقاومت و استحکام بیشتری را در مقایسه با نرماله کردن ایجاد می کند. این عملیات خواص خوب سایشی را هم تامین می کند. دمای آستنیته کردن در چدن ها معمولاً در محدوده ۹۵۰-۸۵۰ درجه سانتیگراد است. پس از آستنیته کردن چدن ها، کوئنچ آن ها در روغن یا هوا انجام می گیرد و سپس سیکل یک یا دو مرحله ای تمپر در دماهای زیر ۶۵۰ درجه سانتیگراد به همراه سرد کردن در هوا روی آن ها اعمال می شود. اکثر چدن های ریختگی را به دلیل اندازه، پیچیدگی یا تغییر در ضخامت مقطع آن ها نمی توان توسط سریع سرد کردن سخت نمود.

در مارتمپرینگ و آستمپرینگ، قطعه را معمولاً مستقیم از دمای آستنیته کردن به داخل یک مایع داغ که معمولاً حمام نمک مذاب در محدوده دمایی ۴۲۵-۲۰۰ درجه سانتیگراد است فرو می برند. زمینه ی غالب ساختار چدن های مارتمپر و آستمپر شده به ترتیب ماتنزیت و بینیت است. چدن های داکتیل آستمپرشده یا چدن ADI یک چدن منحصر به فرد با خواص استحکامی و داکتیلیته عالی است.

 

 

 

 

سایر قسمت های این نوشته:

 

 

ارسال دیدگاه