تهیه مطلب: فاطمه حاجی محمدی
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.
وب سایت عصر مواد در نوشته هایی از جمله “از سیر تا پیاز چدن ها” که تاکنون ۷ قسمت از آن منتشر شده است، به معرفی چدن ها پرداخته است. در این نوشته از عصر مواد می خواهیم علاقمندان را با چدن های نای رزیست آشنا کنیم، پس همراه ما با ادامه این مطلب باشید:
چدن های نای رزیست از گروه چدن های پرآلیاژ هستند که به منظور مقاومت در برابر خوردگی و گاه مقاومت در برابر حرارت تولید و در صنایع مختلف به کار گرفته می شوند. دلیل مقاومت این چدن ها در برابر خوردگی مربوط به وجود ۱۳٫۵ تا ۳۶ درصد نیکل، ۶ تا ۱۸ درصد کروم و در نوع خاصی از این چدن ها ۵٫۵ تا ۷٫۵ درصد مس در ترکیب شیمیایی آن ها است. از این چدن ها برای ساخت قطعات و تجهیزات صنعتی برای کاهش مشکلات خوردگی در انتقال، حمل و پالایش نفت چاه های ترش، آب شور، بعضی اسید ها و قلیاها استفاده می شود.
انواع چدن های نای رزیست:
چدن های نای رزیست در دو گروه اصلی چدن های خاکستری و چدن های داکتیل قرار دارند که دلیل این تمایز نوع گرافیت موجود در ساختار آن ها است. اگر گرافیت موجود در ساختار چدن های نای رزیست به صورت ورقه ای باشد از آن ها به عنوان چدن های خاکستری نای رزیست نام می بریم و اگر گرافیت موجود به صورت کروی باشد در گروه چدن های داکتیل نای رزیست قرار می گیرند.
۱) چدن های خاکستری نای رزیست:
در این نوع چدن های نای رزیست، وجود نیکل زیاد باعث تشکیل پولک های گرافیت در حین انجماد، حتی در حضور کروم زیاد، می شود. زیاد بودن مقدار نیکل از تبدیل زمينه آستنیتی جلوگیری می کند، در نتیجه در دمای محیط با یک نوع چدن خاکستری پرآلیاژ با زمینه آستنیتی مواجه هستیم. خواص مکانیکی و فیزیکی چدن های خاکستری نای رزیست به دلیل ریز ساختار گرافیت ورقه ای در زمینه ای آستنیتی است.
اگر چه چدن های خاکستری نای رزیست پر آلیاژند اما نمی توان گفت که پر استحکام نیز هستند. به طور کلی، استحکام کششی این نوع چدن ها در گستره ۱۲۰ تا ۲۴۰ مگا پاسکال ( psi 25000 تا psi 35000) خواهد بود.
معمولاً چدن های نای رزیست عملیات گرمایی نمی شوند، اما در بعضی کاربردها و هنگامی که قطعات ریختگی باید در دمای زیاد کار کنند، آن ها را باید از لحاظ ابعادی پایدار کرد. این گونه عملیات گرمایی ساختار زمینه آستنیتی را تغییر نخواهد داد.
چدن های خاکستری نای رزیست در برابر اکسایش در دمای زیاد و نیز در محیط های خورنده مقاوم اند.
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
۲) چدن های داکتيل نای رزيست:
چدن های داکتیل خاکستری دارای گرافیت های کروی در زمینه آستنیتی هستند. هيج يك از چدن های داکتیل نای رزیست در ترکیب شیمیایی خود مس ندارند زیرا این فلز مانع فرایند کروی کردن می شود. مقدار کروم در ترکیب شیمیایی آن ها نیز باید تا حدود ۲ درصد یا بیشتر موجود باشد تا مقاومت در برابر خوردگی مرزدانه ای افزایش یابد. این نوع چدن های نای رزیست به اندازه چدن های خاکستری نای رزیست در برابر خوردگی مقاوم اند، اما استحکام کششی آن ها بیشتر است و بسیار داکتیل ترند.
ترکیب شیمیایی و مشخصات مکانیکی چدن های نای رزیست:
انواع تیپ های چدن های نای رزیست و مشخصات شیمیایی و مکانیکی آن ها در استانداردهای ASTM A436 برای گروه خاکستری و ASTM A439 برای گروه داکتیل معرفی شده است. در شکل های زیر جداول ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی تیپ های مختلف این نوع چدن ها ارائه می شود:
مشخصات شیمیایی و مکانیکی چدن های خاکستری نای رزیست طبق استاندارد ASTM A436
مشخصات شیمیایی و مکانیکی چدن های خاکستری نای رزیست طبق استاندارد ASTM A439
کاربردهای چدن نای رزیست :
مقدار نیکل و کروم در انواع مختلف چدن های نای رزیست، بسته به کاربردی که دارند، متغیر است. چدن های خاکستری نای رزیست نوع ۱ و b 1که نیکل کمی دارند، با هر ۵٫۵ تا ۷٫۵درصد مس تقویت می شوند تا به خوبی در برابر خوردگی مقاومت کنند. چدن نای رزیست نوع ۱ به دلیل مقاومت در برابر خوردگی در سولفوريك اسید رقیق و غلیظ هوا واکنش نداده،و شهرت خوبی به دست آورده است.
از تلمبه های دنده ای ساخته شده از چدن نای رزیست نوع ۱ برای انتقال سولفوریك اسید استفاده می شود. این چدن آلیاژی در آب دریا نیز به خوبی کار می کند.
چدن نوع ۱b کروم بیشتری دارد و در نتیجه مقاومت آن در برابر خوردگی فرسایشی بهتر، و سختی و استحکام کششی آن بیشتر است.
چدن خاکستری نای رزیست نوع ۲، شناخته شده ترین چدن این گروه است؛ انتخاب این چدن غالبا به سبب مقاومت آن در برابر خوردگی در محیط های گوناگون، و استفاده موفقیت آمیز از آن در طیف گسترده ای از کار بر دها است. چدن نوع ۲ برای کار در محیط های شديدة خورنده بخار و حمل و نقل محلول های قلیایی، سوز آور و آمونیاکی بسیار مناسب است.
هنگامی که چدن های نای رزیست در محیط هیدروژن سولفيد قرار گیرند، لایه ای از سولفید تشکیل می دهند که از فلز پایه در برابر خوردگی بیشتر محافظت می کند.
به دلیل اهنگ خوردگی کم و اندک از این چدن های نای رزیست در صنعت نفت استفاده میکنند.
در این صنعت از چدن های نای رزیست برای تلمبه کردن و حمل و نقل نفت خام ترش استفاده می شود.
هر ساله تعداد بسیاری قطعات ریختگی چدن نای رزیست برای کار در آب دریا، به ویژه برای تلمبه ها و شیرها خریداری می شود. در چنین کار بردهایی این چدن بر تری های قابل توجهی بر چدن های غیر آلیاژی یا کم آلیاژ دارد. این برتری ها، به ویژه از لحاظ تحمل سرعت زیاد سیال و سازگاری گالوانیکی با فلزهای ناهم جنس اهمیت دارد.
چدن های نای رزیست در برابر فولاد رویینه کاری شده، آلیاژهای آلومینیم و چدن خاکستری غیر آلیاژی، مثل كاتد عمل می کنند، اما در برابر بعضی از آلیاژهای مس پایه، فولادهای زنگ نزن و آلیاژهای نیکل پایه، مثل آند عمل می کنند.
از نوارهای فولاد زنگ نزن در شیرهایی از جنس چدن نای رزیست با موفقیت استفاده می شود؛ پروانه ها و پره های از جنس فولاد زنگ نزن در بدنه تلمبه هایی از جنس چدن نای رزیست بسیار خوب کار می کنند.
یکی دیگر از کاربرد های چدن های نای رزیست به دلیل مقدار زیاد نیکلی که دارند در پردازش سدیم هیدروکسید ها یا سود سوز اور به هنگامی که نیاز است الودگی فراورده اندک باشد است.
بهتر است در این کاربرد از چدن های نوع ۳،D-3و D-4 با ۲۸ تا ۳۲ درصد نیکل استفاده شود.
چدنهای داکتیل نای رزیست نوع D-2، D-2B ،D-3 ، ، و D-4 در برابر فرسایش حفره زایی در شرایط سخت، مقاومت عالی دارند. پروانه قايق های کو چك و پره تلمبه های ساخته شده از چدن نای رزیست نوع D-2 بهتر از انواع برنزی با فولاد زنگ نزن ۴۳۰ کار می کنند.
-یکی از کاربرد های این چدن ها در دمای بالاست
بسیاری از قطعات ریختگی چدنی باید در دمای زیاد کار کنند. و این چدن ها باید سه نیاز اصلی و اساسی را بر طرف کنند:
- باید در برابر تغییر شکل و شکست تحت بارهای کاری در دماهای زیاد مقاومت کنند؛
- باید در برابر اکسایش توسط محيط در دمایی که استفاده میشوند، مقاوم باشند؛
- در برابر رشد مقاوم بوده، پایداری ساختاری داشته باشند و تر جیحا در گستره دمایی که استفاده میشوند دچار تبدیل فاز نشوند.
چدن های مخصوص یا پر آلياژ، در دماهای بیشتر از ۶۰۰ در جه سلسیوس (۱۱۰۰در جه فارنهایت)، نسبت به چدن های آلیاژی معمولی، تنش های بیشتری را تحمل می کنند. چدن های پر آلياژ، علاوه بر تحمل بار بیشتر در دمای زیاد، در برابر اکسایش مقاوم ترند و ریز ساختارهای پایداری دارند.
چدن های پر آلياژ برای کاربردهای دما بالا شامل چدن های خاکستری، چدن های داکتیل، و چدن های سفید می شوند.
. در گروه چدن های آلیاژی دما بالا، چهار سیستم آلیاژی اصلی حاکم است:
- چدن های نای رزیست که برای ایجاد زمینه آستنیتی پایدار به نیکل، و برای ایجاد پوسته نفوذ ناپذیر مقاوم در برابر اکسایش به کروم (برای ترکیب با نیکل ) وابسته اند و می توان به آنها مولیبدن نیز افزود تا خواص مکانیکی آنها را در دمای بالا بهبود پیدا کند؛
- چدن های با سیلیسیم متوسط با ریز ساختار فریتی پايدار که در برابر اکسایش در دماهای زیاد، مقاومت عالی دارند و غالبا به آن ها مولیبدن اضافه میکنند تا خواص کششی و خز شی آن ها را در دمای زیاد بهبود پیدا کند؛
- چدن های الومینیم دار که مقاومت آنها در برابر اکسایش زیاد است و در صورت افزودن مولیبدن به آن ها، خواص مکانیکی خوبی در دمای زیاد پیدا می کنند؛
- چدن های سفید پر کروم که برای مقاومت در برابر اکسایش به کروم وابسته اند.
چدن های خاکستری نای رزیست در دمای بالا:
چدن های خاکستری نیکل دار قدیمی ترین گروه چدن های پر آلياژ برای کار در دمای زیاد محسوب می شوند. از این چدن های آستنیتی می توان در گستره دما یی ۴۰۰ تا ۸۲۰در جه سلسيوس (۷۵۰ تا ۱۵۰۰درجه فارنهایت) استفاده کرد.
اگر چه استحکام کششی چدن های خاکستری نای رزیست در دمایی کمتر از ۵۵۰ درجه سلسیوس (۱۰۲۵ در جه فارنهایت) از استحکام کششی چدن های کم آلیاژ، چندان بیشتر نیست، اما در دماهای زیاد چدن های نای رزیست بهتر هستند.
. مقاومت چدن های نای رزیست در برابر اکسایش، در دماهای بالاتر از ۶۰۰ درجه سلسیوس(۱۱۰۰ درجه فارنهایت)از مقاومت چدن های غیر آلیاژی و کم آلیاژ بسیار بیشتر است.
به سبب چسبنده بودن لایه اکسید تشکیل شده بر روی قطعات چدن نای رزیست در دمای زیاد، این چدن ها برای کاربردهایی از قبیل راهنمای سوپاب موتور اتومبیل ها و چند راهه های دود، محفظه توربین گازی، و غلتک های خمکاری شیشه تخت مناسب اند.
غلتک های درون کوره ها که از چدن نای رزیست ساخته می شوندبه خوبی در دماهایی نزديك به ۷۰۰ در جه سلسیوس(۱۳۰۰۰ درجه فارنهایت)کار می کنند، زیرا در برابر اکسایش تااین دما مقاوم اند. چدن های خاکستری نای رزیست در مجاورت بخار تر نیزمقاوم هستند.
چدن های نوع ۱، ۳، و ۴ در برابر فرسایش بخار تر در دماهایی تا ۵۰۰ در جه سلسیوس(۹۴۰ در جه فارنهایت) مقاوم اند.
چدن های نای رزیست پر کروم تر، یعنی ۲b و ۴ (دارای ۳تا ۶ درصد کروم) در برابر رشد و اکسایش در مجاورت بخار ودر دماهای تا ۶۰۰ درجه سلسیوس (۱۱۰۰ درجه فارنهایت)مقاوم اند.
از چدنهای نوع ۲b و ۳ برای ساختن دیافراگم تور بین، شيرها، قطعات شیر ، و حلقه های افشانک برای کار در مجاورت بخار تر استفاده می شود.
ضریب انبساط خطی چدن های نای رزیست، به سبب داشتن زمینه آستنیتی، از ضریب انبساط خطی چدن های پر لیتی یا فریتی غیر آلیاژی یا کم آلیاژ بیشتر است؛ البته چدن نوع ۵ از این قاعده مستثنی است.
ضریب انبساط چدن نای رزیست نوع ۱ به ضریب انبساط آلياژ آلومینیم مورد استفاده در ساخت پیستون موتورهای هواپیما و موتورهای درونسوز اتو بوس ها و کامیون ها، بسیار نزديك است. از چدن نای رزیست نوع ۱ برای ساختن مغزی های شیار فوقانی این پیستون ها استفاده می شود؛ این مغزی ها که سخت تر، و در برابر فرسایش مقاومترند، در برابر مالش و کوبش مداوم رینگ پیستونها در دماهای زیاد، از آلیاژهای آلومینیمی بسیار پایدار ترند، عمر پیستون ها را بسیار افزایش می دهند و عملکرد موتور را بهبود می بخشند. محفظه های توربین گازی و توربو شارژرهای ساخته شده از چدن نای رزیست نوع ۴(۲۹ تا ۳۲ درصد نیکل با ۵ تا ۶ درصد سیلیسیم ) به خوبی کار میکنند.
چدن های داکتیل نای رزیست در دما های بالا:
برای کار بردهای دما بالا که مستلزم استحکام بیشتر اند، باید از چدن های داکتیل نای رزیست استفاده کرد. انواع کرم دار ۲- ۰-۵B ،D-4 ،D-3 ،D-2B ،D ، و نوع پر سیلیسیم D-5S، در برابر اکسایش به خوبی مقاومت می کنند و در دماهای تا ۸۰۰ درجه سلسیوس (۱۴۷۵ در جه فارنهایت)خواص مکانیکی سودمندی دارند. اگر دمای کار بالاتر از ۷۰۰ در جه سلسیوس (۱۳۰۰ درجه فارنهایت) باشد، غالبأ چدن های D-4 ،D-3 ،D-2B و D-5S را انتخاب می کنند. مقاومت بسیار خوب و مؤثر چدن نوع ۴-D، حاوی ۳۰ درصد نیکل و ۵ درصد کروم، و نوع D-5S حاوی ۳۶ در صد نیکل و ۵۵ درصد سیلیسیم، در برابر اکسایش، این چدن ها را برای کار در دماهای تا ۸۰۰ درجه سلسیوس (۱۴۷۵ در جه فارنهایت) مناسب جلوه می دهد. چدن نوع D-5S به گونه ای استثنا یی تا دمای ۱۰۰۰ در جه سلسیوس (۱۸۳۰ درجه فارنهایت) در برابر اکسایش مقاوم است؛ گزارش داده شده است که نمونه ای از چدن D-5S، پس از آنکه ۷۶ بار بین دمای محیط و ۸۷۰ در جه سلسيوس ( ۱۶۰۰ درجه فارنهایت) گرم و سرد شد، تنها ۰٫۰۰۲۲ گرم بر سانتیمتر مربع از وزن خود را از دست داد. اگر چه چدن های داکتیل فریتی با ۵ تا ۶ درصد سیلیسیم شکننده اند، اما چدن های داکتیل آستنیتی پر نیکل، حاوی ۵ تا ۶ درصد سیلیسیم، در دمای محیط ، طويل شدگی خوبی دارند.
و چدنهای داکتیل نای رزیست در کار بردهایی همچون چندراهه ها و راهنماهای سوپاب موتورهای سنگین کار و قطعات کوره های عملیات گرمایی با موفقیت کار کرده اند. از چدن نوع ۲-D برای تولید تجارتی بدنه توربوشارژرهای موتورهای درونسوز، و از چدن نوع D-5S برای توربوشارژرهایی که به دمای بیشتر از ۸۰۰ درجه سلسیوس (۱۵۰۰ در جه فارنهایت)می رسند، استفاده می شود.
هنگامی که آهنگ خزش کم، همراه با تحمل تنش بیشتر در دماهای بالاتر از ۴۲۵ درجه سلسیوس (۸۰۰در جه فارنهایت)مورد نیاز باشد، چدن های داکتیل نای رزیست استاندارد را با يك درصد مولیبدن آلیاژ می کنند. چدن های آستنیتی در گستره دمایی سودمند خود، از لحاظ متالورژیکی پایدارند، زیرا هیچ نوع تبدیل فازی، نا پیوستگی یا تغییری در انبساط گرمایی آنها در گرمایش، و انقباض در سرمایش وجود ندارد. بنا براین چنین چدن هایی گرایش بسیار کمی به تابیدگی، واپیچش، ترك خوردن، یا رشد در حین چر خه گرمایی دارند.
منبع:کتاب قطعات ریختگی چدنی نوشته گری ف.راف،جان داد
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.