متالورژی فیزیکی
چدن
مهندس عارفه آزادمنش
متالورژی صنعتی


   چدن واژه اي عمومي است و کليه آلياژهاي آهني حاوي بيش از 2 درصد کربن را چدن مي نامند.استفاده از واژه چدن در صنعت پسنديده نيست زيرا اين معناي مشخصي ندارد و در حقيقت انواع مختلف چدن هاي خاکستري, چکش خوار, داکتيل(با گرافيت کروي), سفيد, آلياژي, و با گرافيت فشرده را در بر مي گيرد. همه اين چدن ها در صنعت چدن ريزي توليد مي شوند,زيرا فنون ريخته گري و تجهيزات مورد نياز براي توليد آنها مشابه است. اما خواص آنها تفاوت بسيار دارد, وهر نوع چدن نيز نمايانگر گروهي از چدنهاي آلياژي است.
   ترکيب شيميايي به تنهايي نمي تواند چدني را با خواص مکانيکي خاص مشخص کند, زيرا با ترکيب شيميايي مفروض مي توان گستره اي متنوع از خواص مکانيکي به دست آورد.
   واژه چدن مشخص کننده گروه کاملي از فلزات با خواص گوناگون و متنوع است. اين واژه, نامي عمومي شبيه فولاد است که باز هم به گروه خاصي از فلزات اطلاق مي شود. فولادها و چدن ها از آهن , همراه با کربن به عنوان عنصر آلياژي اصلي, تشکيل مي شوند. فولادها کمتر از 2 درصد و غالباً کمتر از يک درصد کربن دارند در حالي که چدن ها بيشتر از 2 درصد کربن دارند. چدن با حداکثر 2 درصد کربن, به صورت آلياژي تک فاز منجمد, و تمام کربن آن در آستنيت حل مي شود. بنابراين طبق تعريف چدن ها به صورت آلياژهاي ناهمگن منجمد مي شوند و همواره ريزساختار آنها بيش از يک تشکيل دهنده دارد. چدن علاوه بر کربن بايد حاوي مقدار قابل توجهي سيليسيم, معمولاً از يک تا سه درصد, نيز باشد. و بنابراين چدن را بايد آلياژ آهن-کربن-سيليسيم دانست. وجود سيليسيم و کربن بسيار زياد در چدن ها از آنها آلياژهاي ريختگي عالي مي سازد. دماي ذوب اين آلياژها از دماي ذوب فولاد بسيار کمتر است. چدن مذاب از فولاد سيال تر است و با مواد قالب کمتر وارد واکنش مي دهد. تشکيل گرافيت با چگالي کم, در حين انجماد چدن به کاهش تغيير حجم فلز از حالت مذاب به جامد مي انجامد و توليد قطعات ريختگي پيچيده تر را ممکن مي کند. اما چدن ها به اندازه اي داکتيل نيستند که بتوان آنها را نوردکاري يا آهنگري کرد.

   انواع چدن   

   انواع گوناگون چدن را مي توان بر اساس ريزساختار دسته بندي کرد. اين دسته بندي بر شکل بخش عمده کربن موجود در چدن مبتني است. بر اين اساس پنج نوع اصلي چدن وجود دارد: چدن سفيد, چدن چکش خوار, چدن خاکستري, چدن داکتيل, و چدن با گرافيت فشرده. به هر نوع از اين چدن ها مي توان تا حدودي عنصرهاي آلياژي افزود, يا آنها را مورد عمليات گرمايي قرار داد, بدون اين که نوع چدن تغيير کند. چدن هاي آلياژي را که معمولاً حاوي بيش از 3 درصد عنصر آلياژي هستند مي توان به طور جداگانه به عنوان چدن سفيد, خاکستري, يا داکتيل دسته بندي کرد, اما چدن هاي آلياژي را از لحاظ تجاري به صورت گروهي جداگانه دسته بندي مي کنند.

   1- چدن سفيد         
   هرگاه ترکيب شيميايي چدن مناسب باشد, يا آهنگ سرمايش آن در حين انجماد به اندازه کافي تند باشد, چدن به گونه اي منجمد مي شود که همه کربن موجود در آن با آهن به صورت کاربيد آهن ترکيب مي شود. اين ترکيب که سمنتيت نيز ناميده مي شود سخت و ترد است و ترکيب غالب در ريزساختار چدن سفيد محسوب مي شود. بنابراين چدن سفيد سخت و ترد و مقطع شکست آن سفيد و بلورين است زيرا اساساً گرافيت ندارد. استحکام فشاري چدن سفيد بسيار زياد و مقاومت آن در برابر سايش عالي است. اين نوع چدن در حالت گداخته سختي خود را تا مدت محدودي  حفظ مي کند.
   با افزايش آهنگ انجماد موضعي چدن, مي توان نواحي گزيده اي از قطعه ريختگي را به چدن سفيد تبديل کرد.   قابليت ريخته گري چدن سفيد به خوبي چدن هاي ديگر نيست زيرا دماي انجماد آن معمولاً بالاتر است, و کربني که به صورت کاربيد آهن است منجمد مي شود. بنابراين ديگر گرافيت در به حداقل رسانيدن انقباض در حين انجماد نقشي ندارد. بخشي از قطعه ريختگي که با آهنگي معتدل جامد مي شود, هم گرافيت دارد و هم کاربيد آهن. اين ساختار را چدن ابلق مي نامند.
   چدن سفيد سخت مي تواند در قطعه ريختگي از چدن نرم نيز به وجود آيد. دليل اين امر سرمايش سريع مقطعي نازک يا گوشه اي تيز از قطعه يا وجود پره اي بر روي قطعه ريختگي است که از وجود درزي در قالب ناشي شده است و باعث گرماگيري و افزايش آهنگ انجماد مي شود.

   2- چدن چکش خوار
   مشخصه اين نوع چدن اين است که بخش عمده کربن موجود در ريزساختار آن به صورت گره هاي نامنظم گرافيت ديده مي شود. اين نوع گرافيت کربن بازپختي نام دارد زيرا در حالت جامد و در حين عمليات گرمايي تشکيل مي شود.براي توليد چدن چکش خوار, چدن را به صورت چدن سفيد با ترکيب شيميايي مناسب مي ريزند. پس از آن که قطعات ريختگي را از قالب بيرون آوردند, آنها را به مدت طولاني در دمايي بالاتر از 900 درجه سلسيوس تحت عمليات گرمايي قرار مي دهند. اين عمليات کاربيد آهن را تجزيه مي کند و کربن آزاد را به صورت گرافيت در چدن رسوب مي دهد. آهنگ سريع انجماد که براي توليد چدن سفيد ضرورت دارد باعث محدوديت ضخامت مقاطع ريختگي چدن چکش خوار مي شود.
   با تنظيم ساختار زمينه در پيرامون گرافيت مي توان به گستره وسيعي از خواص مکانيکي در چدن چکش خوار دست يافت. زمينه هاي پرليتي و مارتنزيتي با سرمايش سريع در حوالي دماي بحراني و افزودن عنصرهاي آلياژي به دست مي آيند. چدن هاي چکش خواري که در زمينه خود مقداري کربن ترکيبي داشته باشند غالباً به عنوان چدن چکش خوار پرليتي شناخته مي شوند, اگرچه ممکن است ريزساختار آنها مارتنزيتي يا پرليتي کروي شده باشد.
 
   3- چدن خاکستري
   هنگامي که ترکيب چدن مذاب و آهنگ سرمايش آن مناسب باشد, کربن موجود در آن در حين انجماد جدا مي شود و پولک هاي گرافيت را تشکيل مي دهد که درون هر سلول اوتکتيک به يکديگر متصل اند. گرافيت در درون مذاب از ناحيه لبه رشد مي کند و پولک مشخصه چدن خاکستري را تشکيل مي دهد. هنگامي که چدن خاکستري مي شکند, بخش عمده شکست در پولک هاي گرافيت رخ مي دهد, و به همين دليل رنگ مقطع شکست آن خاکستري است. از آنجا که بخش عمده قطعات ريختگي چدني را از جنس چدن خاکستري مي سازند, واژه عمومي چدن را, غالباً به غلط در مورد چدن خاکستري به کار مي برند.
   خواص چدن خاکستري از ابعاد, مقدار, و توزيع پولک هاي گرافيت, و سختي نسبي فلز زمينه در پيرامون گرافيت, تأثير مي پذيرد.اين عوامل را مي توان با کنترل مقدار کربن و سيليسيم فلز مذاب و آهنگ سرمايش قطعه ريختگي تنظيم کرد. هرچه چدن آهسته تر سرد شود و مقدار کربن و سيليسيم آن بيشتر باشد, تمايل به ايجاد پولک هاي بيشتر و بزرگتر گرافيت, ساختار زمينه نرم تر, و استحکام کمتر افزايش مي يابد. گرافيت پولکي خواص بي همتايي به چدن خاکستري مي بخشد که از جمله مي توان به ماشينکاري پذيري عالي در ترازهايي از سختي با بيشترين مقاومت در برابر سايش, توانايي مقاومت در برابر برهم سايي, و ميرايي لرزه عالي ناشي از خطي نبودن رابطه تنش- کرنش در تنش هاي نسبتاً کم اشاره کرد.
   چندين عامل بر هسته زايي و رشد پولک هاي گرافيت تأثير مي گذارند. مقدار گرافيت و نيز ابعاد و توزيع آن تأثير مهمي برخواص چدن دارند

 4- چدن داکتيل
   اين چدن را گاهي به نام چدن با گرافيت کروي يا SG نيز مي شناسند. در چدن داکتيل مي توان به ترکيبي غير متعارف از خواص دست يافت زيرا در اين نوع چدن, گرافيت به جاي پولک هاي جداگانه به صورت کره يا گويچه ظاهر مي شود. اين شيوه انجماد با افزودن مقداري اندک, ولي کاملاً معين از منيزيم به چدن مذابي با ترکيب شيميايي مناسب به دست مي آيد. چدن پايه ازلحاظ دارا بودن بعضي عنصرهاي فرعي که مانع تشکيل گرافيت کروي مي شوند,محدوديت زيادي دارد.
   زياد بودن مقدار کربن وسيليسيم در چدن داکتيل از لحاظ فرايند ريخته گري مزايايي در بر دارد, اما گويچه هاي گرافيت بر خواص مکانيکي تأثير جزئي مي گذارند. رابطه تنش کرنش در چدن داکتيل همانند چدن چکش خوار خطي است و اين نوع چدن گستره وسيعي از استحکام تسليم را ارائه مي کند و همان گونه که از نام آن بر مي آيد داکتيل است. قطعات ريختگي چدن داکتيل در گستره وسيعي از ابعاد مختلف ومقاطع گوناگون, از بسيار نازک تا بسيار ضخيم, توليد مي شوند.
   رده هاي مختلف اين نوع چدن با تنظيم ساختار زمينه در پيرامون گرافيت, به حالت سياه تاب يا با انجام عمليات گرمايي توليد مي شوند.بين رده هاي معمولي اين نوع چدن, از لحاظ ترکيب شيميايي تفاوت اندکي وجود دارد, و اين گونه تنظيم ها را براي بهبود ريزساختار زمينه مطلوب انجام مي دهند. براي تنظيم ساختار زمينه چدن داکتيل در حالت سياه تاب يا آماده سازي آن براي عمليات گرمايي مي توان عنصرهاي آلياژي را به چدن افزود. چدن هاي داکتيل و چدن هاي داکتيل آلياژي با ترکيب شيميايي خاص, خواص غير متعارفي دارند که در کاربردهاي ويژه به کار مي آيند.

  5- چدن با گرافيت فشرده
   گرافيت موجود در اين نوع چدن به صورت پولک هاي کلفت ديده مي شود که در درون هر سلول به يکديگر متصل اند. اين ساختار گرافيت و خواص ناشي از آن, حالتي بينابين چدن خاکستري و چدن داکتيل است. شکل گرافيت فشرده مدت هاست که شناخته شده و آن را شبه پولک, پولک متراکم, شبه گره اي, و گرافيت کرم مانند نيز مي نامند. فرايند توليد اين نوع چدن مشابه چدن داکتيل و مستلزم کنترل دقيق متالورژيکي و افزودن عناصر خاکي کمياب است, اما توليد چدن با گرافيت فشرده مستلزم افزودن عنصر آلياژي ديگري از قبيل تيتانيم نيز هست تا تشکيل گرافيت کروي به حداقل برسد. چدن با گرافيت فشرده بيشترين قابليت ريخته گري چدن خاکستري را حفظ مي کند, استحکام کششي بيشتري دارد و تا حدودي نيز داکتيل است. با افزودن عنصرهاي آلياژي, يا انجام عمليات گرمايي مي توان ساختار زمينه اين چدن را تنظيم کرد.

   6- چدن هاي آلياژي
   اين دسته از چدن ها شامل چدن هاي سفيد آلياژي, چدن هاي خاکستري آلياژي, و چدن هاي داکتيل آلياژي است.چدن هاي چکش خوار پر آلياژ نمي شوند زيرا وجود عناصر آلياژي مانع از انجام فرايند چکش خواري مي شود. چدن هاي با گرافيت فشرده هنوز عمر چنداني ندارند ونمي توان نقش آنها را در عرصه چدن هاي آلياژي ارزيابي کرد.
   چدن هاي آلياژي در مواردي که مستلزم مقاومت فوق العاده در برابر سايش, گرما, يا خوردگي است, به کار مي روند. به علاوه هنگامي که خواص فيزيکي غير متعارف, از قبيل انبساط گرمايي اندک,يا خواص غير مغناطيسي در نظر باشد از اين چدن ها استفاده مي شود. قطعات ريختگي چدن آلياژي به وسيله ريخته گري هايي توليد مي شوند که در اين زمينه تخصص دارند,زيرا افزودن3 تا 30 درصد عنصر آلياژي به چدن مذاب مستلزم در اختيار داشتن تجهيزات ذوب, فنون ريخته گري, و کنترل کيفيت ويژه است. شناسايي وتعيين خواص ويژه  مورد نياز درچدن هاي آلياژي غالباً بسيار دشوار است,بنابراين همواره آنها را بر اساس ترکيب شيميايي مشخص مي کنند. خواص مکانيکي مورد نظر را نيز, در مواردي که اهميت داشته باشند, مي توان مشخص کرد. چدن هاي آلياژي را بر اساس نوع کاربرد غير متعارف و مشخصه هاي ويژه آنها دسته بندي مي کنند.

   تغيير کربن معادل در چدن هاي خاکستري

   مقدار گرافيت ورقه اي در ساختار ميکروسکوپي با ازدياد کربن معادل که با رابطه زير بيان مي شود, افزايش پيدا مي کند:
CE=C % + 1.3(Si % + P %)
   مقدار گرافيت هاي ورقه اي مهم ترين عاملي است که بر روي استحکام و خواص ديگر چدن خاکستري تأثير مي گذارد و تغيير در مقدار آن ها علت اصلي تغيير استحکام چدن هاست که با استاندارد انگليسي BS1452 مشخص شده و تا رديف هاي 260 و يا 300 تغيير مي کند.
   ساختار زمينه در صورتي پرليتي کامل است که مقدار سيليسيم کمتر يا مقدار منگنز زيادتر باشد و به همين ترتيب بر اثر وجود مقادير بسيار کم و جزئي از عناصر پايدار کننده پرليت از قبيل: آرسنيک, کرم, مس, نيکل و قلع در مواد اوليه يا قراضه هاي برگشتي مي توان زمينه اي کاملاً پرليتي به دست آورد.
   در مورد چدن هايي که داراي استحکام کمتري هستند, ساختار زمينه داراي اهميت کمتري نسبت به نوع گرافيت ها در چدن است, در صورتي که در چدن هاي با استحکام و مقاومت زياد, نوع ساختار زمينه اهميت زيادي دارد به طوري که در چنين مواردي سعي مي شود تا ساختارهايي کاملاً پرليتي و يا بينايتي توليد گردد.

   تأثير تغيير ضخامت در ساختار ميکروسکوپي چدن خاکستري:

   به همان ترتيب که در استاندارد BS1452:1977 نشان داده شده است, با افزايش ضخامت قطعه در چدن خاکستري, استحکام افت مي کند و به همين دليل معمولاً يک نمونه ميله اي با قطر 30 ميلي متر به عنوان  مرجع براي استحکام و ساختار مورد استفاده قرار مي گيرد.

   تلقيح مواد گرافيت زا در چدن خاکستري:

   تلقيح يک ماده جوانه زا در چدن خاکستري عبارت است از اضافه کردن مقدار کمي از آن ماده به منظور آزاد شدن گرافيت ها از حالت ترکيبي سمنتيت(Fe3C? 3Fe + C ) که در اين حال سل هاي يوتکتيکي در ساختار چدن افزايش پيدا کرده و هم چنين فوق تبريد در حين انجماد نيزکاهش مي يابد.
   در حقيقت تلقيح و اضافه کردن مواد گرافيت زا به عنوان کاتاليزور باعث سريع تر جدا شدن گرافيت ها از حالت ترکيبي گرديده و اغلب در چدن هاي با استحکام بيشتر و کربن کمتر مورد استفاده قرار مي گيرد و در نتيجه گرافيت هاي آزاد به ويژه در مقاطع نازک تر قطعه به سهولت ايجاد مي شود ولي در صورت عدم استفاده از چنين موادي کاربيدها و به ويژه سمنتيت در جداره خارجي و قسمت هاي نازک تر قطعه به وجود مي آيد.
   به طور کلي مواد جوانه زا اغلب به صورت ترکيبات آلياژي شامل عنصر جوانه زاست که به طور مثال مواد جوانه زايي که در چدن ها مورد استفاده قرار مي گيرد, معمولاً فرو سيليسيم و کلسيم سيليسيد است که از عنصر سيليسيم غني است, هم چنين در مورد چدن ها از SMZ نيز استفاده مي شود.
   يک ماده جوانه زاي مناسب عبارت از ماده اي است که افزودن مقادير کمي از آن بدون آن که تغيير قابل ملاحظه اي در ترکيب شيميايي آلياژ کند اثر مناسب و کافي بر روي ساختار داخلي ايجاد کند.
   استحکام چدني که قبل از تلقيح يک ماده جوانه زا داراي ساختاري گرافيتي است, معمولاً پس از تلقيح به دلايل زير افزايش مي يابد:
   الف) افزايش در تعداد سل هاي يوتکتيکي
   ب) گرافيت هاي فوق تبريد اغلب همراه با فريت هستند و در صورت ايجاد گرافيت هاي بدون جهت در اين حالت, اغلب زمينه به صورت کاملاً پرليتي مي گردد که در نتيجه استحکام را افزايش مي دهد.
   ج) مواد جوانه زاي سيليسيم دار مهمولاً حاوي آلومينيم هستند و وجود آلومينيم در چدن هاي پرليتي باعث ازدياد در استحکام آنها مي گردد.

   چدن سفيد

   تمام کربن يوتکتيکي در چدن هاي غير آلياژي قطعاتي که در حين انجماد در قالب هاي ماسه اي داراي ضخامت هاي نازک و متوسطي بوده و حاوي مقدار سيليسيم کمتري باشند, بدون استفاده از تلقيح مواد جوانه زا به کاربيد آهن تبديل مي گردند. چنين چدن هايي داراي مقاطع شکست سفيد بوده و به چدن هاي سفيد موسوم هستند.
   اين نوع چدن ها به صورت غير آلياژي و نيز همراه با مقادير قابل توجهي از عناصر کاربيدزا مانند کرم يا واناديم مورد استفاده قرار مي گيرند. مقاومت در مقابل ساييدگي و سايش چدن هاي سفيد دليل اصلي استفاده از اين نوع چدن ها در صنعت محسوب مي گردد

چدن مختلط

   در صورتي که ترکيب شيميايي چدني که در يک قالب ماسه اي ريخته گري مي گردد در حد وسط يک چدن خاکستري و چدن سفيد قرار گيرد, داراي ساختاري مخلوط از گرافيت و کاربيد آهن (يوتکتيکي) خواهد بود که به چدن مخلوط مشهور است. اين نوع چدن داراي سطح مقطع شکست مخلوط از سفيد و خاکستري بوده و در بسياري موارد به عنوان يک چدن مقاوم در مقابل سايش نيز مورد استفاده قرار مي گيرد.
   به همين ترتيب, در يک حالت ديگر و در شرايطي که سرعت سرد شدن قسمت هاي مختلف يک قطعه به دليل اختلاف ضخامت متفاوت باشد در اين صورت مقطع نازک تر داراي ساختار چدن سفيد و مقطع ضخيم تر به صورت ساختار يک چدن خاکستري منجمد مي گردد و در نتيجه حد وسط دو مقطع مورد نظر ساختار مخلوط از دو نوع ساختار را خواهد داشت

تبلیغات