چدن خاکستری یا چدن با گرافیت ورقه ای

چدن چه نوع آلیاژی است؟

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. چدن ها از تنوع زیادی برخوردارند. از انواع مختلف چدن ها می توان به چدن های غیر آلیاژی از قبیل چدن خاکستری (Gray Iron)، چدن داکتیل یا نشکن (Ductile Iron)، چدن سفید (White Iron)، چدن مالیبل یا چکش خوار (Malleable Iron)، چدن با گرافیت فشرده (Compacted Graphite Iron)، چدن خالدار ( Mottled Iron)، چدن ADI یا داکتیل آستمپر شده (Austempered Ductile Iron) و چدن های آلیاژی از قبیل چدن های پرکروم مقاوم به سایش مثل چدن های نایهارد و نوریهارد، چدن های پر نیکل مقاوم به خوردگی مثل چدن های نای رزیست، چدن های نسوز و مقاوم به خوردگی پر سیلیس و غیره اشاره کرد.

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.

دسته بندی چدن های غیر آلیاژی

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. 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. همان طور که در بند اول این مطلب نوشتیم، 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.

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 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.

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 ۲ درصد (فرمول زیر) بیشتر در نظر می گیرند. مقدار ۰٫۲ این رابطه در برخی منابع دیگر، ۱٫۳، ۱٫۵ و حتی ۳ هم در نظر گرفته شده است.

%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، جدول زیر به منظور آشنایی با حدود ترکیب شیمیایی آن ها، تهیه شده است: