متالوژی چدنها
عنوان "چدن ریختگی" مشخص کننده دسته بزرگی از فلزات است و فلزاتی که در این دسته قراردارند از نظر خواص با یکدیگر تفاوتهای فاحش دارند. عنوان "چدن ریختگی" ، همانند عنوان "فولاد" که مشخص کننده دسته دیگری از فلزات است ، یک عبارت کلی است و فولادها و چدنها دراصل آلیاژ آهن هستند که با کربن ساخته شده اند اما فولادها همواره کم تر از دو درصد کربن داشته و معمولا" درصد کربن آنها از یک درصد بیشتر نمی شود . در حالیکه چدنها بیش از دو درصد کربن دارند . چدنهای ریختگی گذشته از کربن باید دارای مقادیر قابل توجهی از سیلیسیم باشند که عموما "میزان آن از یک تا سه درصد متغیر است. تفاوتهای مذکور اختیاری و دلخواه نیست اما همین امر ریشه متالورژیکی و عامل موثری است که سبب می شود خواص مفید و متفاوتی در این دو دسته از گروه فلزات آهنی پدید آید.
بالابودن میزان کربن و سیلیسیم موجود در چدنهای ریختگی باعث می شود این دسته فلزات از جمله آلیاژهایی باشند که قابلیت ریخته گری عالی دارند. چدنها بسهولت ذوب شده و در حالت مذاب سیالیت زیادی دارند و هنگامی که ریخته می شوند فیلمهای سطحی که سیالیت را کاهش می دهند، مشکلی را ایجاد نمی کنند. انجماد چدنها با انقباض و کشیدگی جزئی همراه است و از این نظر دشواری کمتری وجود دارد. اما بالابودن میزان کربن موجود مانع از این است که بتوان در حالت جامد بر روی آنها عمليات شکل دادن (آهنگری ، نورد وغيره ) ، نظیر آنچه در مورد فولادها صورت می گیرد را انجام داد.
بخش قابل توجهی ازکربن موجود در چدن ، در خلال انجماد آزاد شده و بصورت یک جزء (فاز) اصلی مجزا در ریز ساختار )ساختمان میکروسکوپی) ظاهر می گردد . چگونگی تشکیل این کربن آزاد و شکل خاص آن تعیین کننده نوع چدن ریختگی بوده و ماهیت و نوع خواص آنرا معین می سازد. در" چدن سفید" بخش اعظم کربن موجود بصورت ترکیب با آهن ظاهر می گردد . در" چدن ما ليبل" بخش عمده کربن بصورت گرافیت (کربن آزاد) است ، این گرافیت ها در نقاط مختلف مجتمع شده و اشکال نامنظم شبیه کلوخه (توده ی مجتمع ) را تشکیل می دهند." چدن خاکستری" نیز دارای کربن است که بصورت ورقه ای گرافیت دیده می شود و در "چدن داکتیل" گرافيت بشكل کروی ظاهر می گردد .ساختمان زمینه فلزکه در اطراف جزء غنی ازکربن وجود دارد، تعیین کننده کلاس چدن است و مشخص می سازد که چدن در کدام گروه قراردارد . بنابر این انواع مختلفی از چدن ریخته گری را براساس ریز ساختار آن می توان دسته بندی نمود، درهرحال ، معمولا" مشخص نمودن نوع چدنها براساس خواص آنها صورت می گیرد .
انواع چدن ریختگی
چدن ریختگی به پنج نوع اصلی تقسیم بندی می شود که این پنج نوع از نظر ریزساختار با یکدیگر اختلاف اساسی دارند و کاملا" از هم متمایز هستند. امکان مشخص نمودن و تفکیک انواع چدنهای ریختگی براساس ترکیب شیمیایی میسر نیست زیرا محدوده میزان ترکیب شیمیایی هریک با دیگری تلاقی دارد و حداقل در قسمتی از محدوده میزان ترکیب شیمیایی آنها یکسان است و نمونه محدوده ترکیب چدنها در جدول شماره یک آمده است.
پنج نوع چدن اصلی عبارتنداز : " چدن سفید" ، "چدن ماليبل" ، "چدن خاکستری" ، "چدن داکتیل" و "چدن با گرافیت فشرده" . نوع ششمی هم می توان برای چدنها درنظر گرفت که آنرا "چدن پرآلیاژ" نامند. وقتی چدن سفید ، چدن خاکستری یا چدن داکتیل دارای مقادیر قابل توجهی از عناصر آلیاژی باشند، بخصوص اگر میزان عناصر آلیاژی بیش از سه درصد باشد، خواص کاربردی آنها دقيقا مطابق با خواص تعیین شده برای آن نوع چدن نیست و حتی ممکن است خواص اینگونه چدن با خواص مورد انتظار از چدن نوع اصلی متفاوت باشد. به واسطه بالابودن میزان عناصر آلیاژی در چدنهای پرآلياژ، لازم است که آلیاژسازها بعنوان بخشی از باراصلی (شارژ) به کوره ذوب اضافه شوند، بهمین جهت معمولا" وسایل و مهارت های خاصی برای تولید چدنهای آلیاژی لازم است . پس بنابراین گروه چدنهای ریختگی را می توان به شش نوع اصل ی تقسیم بندی کرد. این گروه ها عبارتنداز:" چدن سفید"، چدن ماليبل" ، "چدن خاکستری" ، "چدن داکتیل"، "چدن با گرافیت فشرده " و "چدن پر آلیاژ".
جدول شماره ۱ میزان ترکیب شیمیایی برای انواع چدن های ریختگی غیرآلیاژی
چدن سفید و چدن تبرید شده
اگر ترکیب شیمیایی مناسب باشد و سرعت سردکردن فلز در خلال انجماد به اندازه کافی سریع باشد، کربن موجود در فلز مذاب بصورت ترکیب شیمیایی با آهن باقی می ماند و تجمع هایی از کاربید آهن تشکیل می شود. کاربید آهن جزء سخت و شکننده ای است و به آن "سمانتيت" نیز گفته می شود . کاربید آهن تعیین کننده خواص نهایی ریز ساختار است و از این نظر برا جزاء دیگر موجود تفوق دارد (شکل ۱)، بهمین دلیل چدن سفید اساسا سخت و شکننده است و سطح مقطع شکست آن سفید رنگ است (شکل ۲) چدن سفید دارای استحکام فشاری خیلی زیادی است ، مقاومت در برابر سایش بسیار عالی دارد و سختی آن حتی تا دمای سرخ شدن حفظ می شود. خواص چدن سفید می تواند بر حسب مقدار کاربید آهن موجود در ساختمان و نوع ساختمان زمینه ای که در اطراف کاربید آهن وجود دارد، در یک محدوده کم ، تغییر کند.
شکل ۱- تصویر یک نمونه چدن سفیدکه پولیش واچ شده هوا x100 جزء سفید رنگ کاربید آهن است و مناطق خاکستری رنگ پرلیت میباشد
این امکان نیز وجود داردکه چدن سفید در محل های بخصوصی از چدنهای نرم ریختگی ایجاد شود و بدین ترتیب که در آن قسمتها سرعت انجماد سریع باشد و کاربید آهن پدید آید بعنوان مثال ممکن است در پیرامون یک قطعه بادامک که از جنس چدن نرم است بواسطه بالا بودن سرعت انجماد و چدن سفيدا يجاد گردد .
شکل ۲- چدن سفید کربن آزاد یعنی گرافیت ندارد و به همین دلیل سطح مقطع شکست آنسفیدرنگ است و همه کربن موجود در این نوع چدن به صورت ترکیب شیمیایی با آهن ظاهر می شود.
سرعت انجماد سریع را می توان بدین ترتیب مهیا ساخت که یک قسمت از قالبی که مذاب چدن باید در آن ریخته شود ،از ماده ای مثل گرافیت یا آهن ساخته شود تا حرارت را خیلی سریع به خارج انتقال داده و خارج سازد . آهن یا گرافیتی که بمنظور تسریع سرعت انجماد در قالب بکار می رود "مبرد" خوانده می شود، در هر حال لازم است مذاب آهن خام مورد استفاده ترکیب مناسب داشته باشد و ریختن آن تحت شرایط ریخته گری چدن بخصوصی صورت گیرد، تا بدین ترتیب کنترل مطلوبی از نظر تاثیر سرعت سرد کردن ، انجام گرفته و در نتیجه ضخامت و عمق لایه چدن سفید کنترل شود (شکل 3).
شکل ۳- مقطعی از لبه (پله) یک چرخ لبه دار از جنس چدن خاکستری. لبه چرخ بمنظور بالابردن مقاومت در برابر سایش ازچدن سفید یا چدن تبرید شده می باشد.
قسمتی از یک قطعه چدنی که انجماد در آن محل با سرعت معتدل و متوسطی صورت می گیرد می تواند دارای هر دو جزء گرافیت و کاربید آهن باشد، زیرا شرایط سرد شدن و انجماد چنان است که هم ایجاد گرافیت و هم باقيماندن کاربید آهن امکان پذیر است . چنین چدنی بنام "چدن مختلط"یا "چدن خالدار" خوانده می شود (شکل ۴) .
شکل ۴ - ریزساختار ( ساختمان میکروسکوپی ) چدن خالدارکه شامل هردو جزء گرافیت و کاربید آهن اولیه است . در بزرگنمایی ۱۰۰X کاربیدآهن برنگ سفید دیده میشود .
تشکیل چدن سفید در قسمتهایی از یک قطعه چدن نرم ریختگی نیز امکان پذیر است ، مثل قسمتهای ظریف و نازک و یا گوشه های تیز قطعه که سرعت سردشدن آنها بسیار سریع است و یا پره های نازکی که متصل به قطعه بوده و باعث می شوند انتقال حرارت از قالب سريعا صورت گرفته و انجماد بسرعت انجام شود، (شکل ۵). اگرگوشه ها و لبه های تبرید شده یک قطعه یا نقاطی از آن که بواسطه انجماد سریع دارای سختی زیاد هستند، در هنگام ماشینکاری زیان آور بوده و باعث بروز خسارت شوند و می توان قطعه را مورد عملیات حرارتی قرارداد تا جزء سخت یعنی کاربید آهن موجود به آهن و گرافيت تجزیه شده و سختی نا مطلوب از میان برود.
شکل ۵ - تصوير مقطع اچ شده ای ازگوشه یک قطعه چدن ریختگی که معمولا سرعت سرد شدن در آنجا زیاد است و باعث تشکیل چدن سفید می گردد.
چدن مالیبل
این نوع چدن با شكل و توزيع ویژه گرافیت در ریز ساختار مشخص می گردد .کربن در چدن مالیبل بصورت گرافیت در نقاط مختلف تجمع کرده و شکل های نامنظمی شبیه کلوخه را بوجود می آورد (شکل ۶).
شکل ۶- ریزساختار چدن مالیبل که شامل گرافیت مجتمع (کلوخه ای) است .
در ابتدا چدن با ترکیب شیمیایی مناسب ریخته گری می شود ، بطوریکه چدن سفید حاصل شود، سپس با یک عملیات حرارتی طولانی که از درجه حرارتی بالای ۸۷۰ درجه سانتیگراد آغاز می گردد، کاربیدآهن تجزیه می شود و گرافیت و آهن ایجاد می گردند . این نوع گرافیت که از تجزیه کاربید آهن پدید می آید کربن تمپر نامیده می شود زیرا تشکیل این گرافیت درحالت جامد و در خلال عمليات حرارتی صورت پذیرفته است .
سرعت سریع انجماد که به منظور تشکیل چدن سفید اولیه مورد نیاز است ، عملا در فرآیند تولید چدن مالیبل ضخامت قطعه را محدود می کند. زیرا در عمل اگر ضخامت قطعه بیش از حد بخصوصی باشد سرعت انجماد کاهش می یابد و چدن سفید تشکیل نمی شود. خواص مکانیکی چدن مالیبل می تواند در محدوده گسترده ای متغیر باشد، این اختلاف درخواص مکانیکی ناشی از ساختمان زمینه متفاوتی است که در اطراف گرافیت ممکن است وجود داشته باشد.
چدن خاکستری
بخش عظیمی از قطعات چدنی ریختگی از چدن خاکستری هستند که معمولا تحت عنوان "چدن ریختگی" نامیده می شوند. البته عنوان مذکور برای تعریف چدن خاکستری بطور نا مناسبی بکار می رود، در حالیکه نام چدن خاکستری بدان جهت انتخاب شده است که رنگ مقطع شکست خاکستری است و خاکستری رنگ بودن سطح مقطع شکسته شده این آلیاژ ناشی از وجود ورقه های نازک گرافیت در چدن خاکستری است (شکل ۲) .هنگامی که ترکیب شیمیایی چدن مذاب و سرعت سرد کردن آن مناسب باشد. در خلال انجماد، کربن موجود در چدن جدا می شود و ورقه هایی از گرافیت تشکیل می گردد دانه های این گرافیتها به داخل مذاب رشد می کند و بهمین جهت برای تشکیل ورقه ها و آزادی عمل دارند.
شکل 7- چدن خاکستری با گرافیت ورقهای نمونه اج نشده با بزرگنمائی ۱۰۰×
وجود گرافیت ورقه ای باعث می شودکه چدن خاکستری دارای خصوصیات بی نظیری باشد ، منجمله داشتن قابلیت ماشینکاری خوب در شرایطی که میزان سختی نیزدر حدی است که مقاومت در برابر سایش عالی است ، توانایی مقاومت در برابر سوختن در مراحل آخر از بین رفتن مواد روغن کاری خوب است و همچنین خاصیت الاستیکی غیرعادی که باعث می شود قابلیت جذب ارتعاش داشته باشد و چندین فاکتور مختلف بر روی جوانه زنی و رشد ورقه های گرافیت تاثیر می گذارند بطوریکه این ورقه های گرافیت تا میتوانند به شکل ها و فرم های مختلفی ظاهر شوند و ریخته گران تکنیک های بخصوصی بکار می برند تا گرافیت به فرمی درآید که خواص مطلوب و مورد نظر را افزایش دهد و سیستم خاصی برای دسته بندی انواع گرافیت و روشی نیز برای تعیین اندازه آنها وجود دارد.
مقدارگرافیت موجود در چدن و اندازه و نحوه توزیع آن نیز بر روی خواص چدن خاکستری تاثیر اساسی دارد و در صورت امکان بجای تعیین فاکتورهایی که خواص چدن برروی آنها موثر است و مشخص نمودن خواص مطلوب ارجحیت دارد.هریک از انواع گرافیت ، تمایل به افزایش خواص معینی از چدن خاکستری را دارند . مطابق شکل ۸ ورقه های گرافیت ازنوع A که در جهات اتفاقی و نامنظم به هرسو کشیده شده اند، برای استفاده در بسیاری از موارد مناسب است .گرافیت نوع A با اندازه های متوسط از نظر خاصیت مقاومت در برابر سایش عالی است ، چدنی با این نوع گرافیت برای محل هایی که در معرض سایش قرار دارند مثل سیلندر موتورهای احتراقی، بکار می رود .گرافیت نوع C با ورقه های درشت باعث می شود که مقاومت در برابر شوک های حرارتی افزایش یابد. این عمل با افزایش قابلیت هدایت حرارتی و کاهش مدول الاستیسیته بمنظور بحداقل رساندن تنش های حرارتی همراه است ، اما از طرف دیگر این ورقه های ضخیم و درشت موجب می شوند که استحکام مناسب با سطوح ماشینکاری خوبی حاصل نشود گرافیت نوع D (شکل ۸) با ابعاد ریز باعث بوجود آمدن سطوح ماشینکاری خوبی می شود، با داشتن این نوع گرافیت حفره های سطحی به حداقل تقلیل می یابد و سطوح نهایی ماشینکاری شده صاف و مطلوب است. اما با وجود گرافیت نوع D مشکل بتوان یک زمینه پرلیتی بدست آورد. البت موارد زیادی نیز وجود دارد که خواص مکانیکی موردنیاز حاصل شده بطور کامل ناشی ازنوع گرافیت نیست (شکل 1).
شکل ۸ - پنج نوع گرانیت ورقه ای
شکل و اندازه گرافیت هیچ اثر مستقیمی بر روی صحت ک قطعه ریختگی ندارد و بر روی سطوح چدنی که دارای گرافیت درشت است ، امکان دارد بواسطه کنده شدن م واد بهنگام ماشینکاری ، حفره های سطحی پدید آید. اما این وضعیت نشانه عدم صحت یا تخلخل در قطعه نیست .
چدن داکتیل
یکی دیگر از انواع چدن های ریختگی ، "چدن داکتیل" است که در دهه پنجاه میلادی کشف گردید . این نوع چدن گاهی چدن کروی نامیده می شود و در انگلستان بنامهای "چدن SG " و یا "چدن با گرافیت کروی" خوانده می شود. چدن داکتیل بمدت یک دهه تا سال ۱۹۵۰ میلادی گسترش روز افزون داشت و پس از آن در دهه بعد کاربرد صنعتی چدن داکتیل به میزان ۹ برابر ترقی کرد و بدنبال آن افزایش سریع سفارش تجارتی آن همچنان ادامه یافت .
از آنجا که گرافیت در چدن داکتیل به شکل کروی ظاهر می شود (شکل 1)، آمیخته ای غیرعادی از خواص مختلف در این چدن بوجود می آید ، نوع بخصوص انجماد که باعث پدید آمدن گرافیت کروی می شود با اضافه کردن مقدار بسیار کم ولی معین از عنصر منیزیم به چدن مذاب حاصل می شود. مذاب چدنی که مورد استفاده قرار می گیرد دارای ترکیبی مشابه چدن خاکستری است ، فقط میزان عناصر اضافی موجود در آن به اندازه لازم محدود شده است . متالورژی مسئله افزایش منیزیم به مذاب واقعا پیچیده و بغرنج است، زیرا منیزیم فلز بسیار فعالی است و در آن درجه حرارت که چدن بصورت مذاب است تبخیر می شود . با توجه به موارد فوق ، بمنظور کنترل دقیق فرآیند تولید چدن داکتیل ، روشهایی ابداع و توسعه یافته است .
بالابودن میزان کربن و سیلیسیم در چدن داکتیل باعث می گردد که مزایای فرآیند ریخته گری و قابلیت ماشینکاری بسیار خوب چدن خاکستری حفظ گردد، اما کره های گرافیتی تاثیر مختصری بر روی خواص فلزی اطراف خود دارند . چدن داکتیل مدول الاستیسیته بالایی دارد و - ارتباط ما بين تنش و تغيير طول نسبی آن خطی است، استحکام تسلیم آن در محدوده خیلی خوبی است و همانطور که از نام آن برمی آید از قابلیت انعطاف خوبی نیز برخوردار است . قطعات ریختگی مختلف در محدوده وسیعی از نظر اندازه و طرح (قطعات بسیار ظریف و جداره نازک تا قطعاتی با ضخامتهای خیلی زیاد) از چدن داکتیل ریخته گری می شوند.
شکل ۹ - چدن داکتیل با گرافیت کروی
نمونه اچ نشده در بزرگنمایی ۱۰۰×
سختی چدن و به عبارت دیگر خواص مکانیکی آن تحت تاثیر میزان سرعت سرد شدن است ، برای مثال قطعات بزرگ که سرد شدن آن با سرعت آهسته تری صورت می گیرد) اما از آنجا که در چدن داکتیل گرافیت در یک شکل فشرده است، در این نوع چدن ضخامت مقطع تاثیر خیلی محدودی بر روی خواص دارد و این اثر تا اندازه ای کم است که منجر به اختلاف در میزان سختی نخواهد شد.
انواع گروه های مختلف و انواع چدن داکتیل غیرآلیاژی بهمراه خواص مکانیکی آنها در جدول شماره ۲ آورده شده است گروه های مختلف از چدن داکتیل ، توسط ایجاد زمینه های متفاوت در ریز ساختار، تولید می گردند. ایجاد زمینه هایی با ساختمان متفاوت در ریز ساختار می تواند بهنگام ریخته گری یا توسط عملیات حرارتی مناسب صورت پذیرد.
ازنظر ترکیب شیمیایی عموما تفاوتی مابین انواع مختلف چدن داکتیل وجود ندارد مگر اختلافی که عمدا ایجاد می شود تا تنظیم مورد نیاز، بمنظور کمک به ایجاد زمینه ساختمان مورد نظر در ریز ساختار، صورت پذیرد. البته چندین نوع چدن داکتیل برای کاربردهای بخصوص وجود دارد که بعنوان مثال می توان از چدن داکتیل با ترکیب شیمیایی خاص ، چدن داکتیل آلیاژی، چدن داکتیل پرآلياژ، نام برد.
جدول شماره ۲ - خواص مکانیکی چند نوع چدن داکتیل با زمینه های مختلف
چدن با گرافیت فشرده
چدن با گرافیت فشرده در سالهای اخیر بصورت تجارتی تهیه شده و در دسترس قرارگرفته است . این امر هنگامی صورت پذیرفت که روشهای تولید آن گسترش یافت. گرافیت در این نوع چدن بشكل ورقه های کلفت (و کرمی شکل) ظاهر می گردد که این ورقه ها با هر دانه مرتبط هستند. این نوع ساختمان و خواص ناشی از آن حالت متوسطی ما بین چدن خاکستری و چدن داکتیل می باشد . شکل گرافیت فشرده مدتهاست شناخته شده است و تحت عناوین "شبه ورقه ای" ، "ورقه متراکم" ، "نیمه کروی" و یا "گرافیت کرمی" نامیده شده است .
روش تولید این نوع چدن ، بدلیل نیاز به کنترل متالورژیکی دقیق و پائین بودن عناصر کمیاب در ترکیب آلياژ، شبیه چدن داکتیل است ولی برای تهیه آن به عنصر آلیاژی دیگری چون تیتانیم نیاز است تا تشکیل گرافیت کروی را بحداقل برساند.
چدن با گرافیت فشرده قابلیت ریخته گری چدن خاکستری را تا اندازه ای داراست ولی استحکام کششی ان بیشتر است و تا حدودی قابلیت انعطاف دارد ساختمان زمینه آنرا می توان توسط عناصر آلياژی یا توسط عملیات حرارتی تنظیم نمود.
شکل ۱۰ - چدن با گرافیت فشرده
نمونه اچ نشده ، بزرگنمایی ۱۰۰×
چدن پر آلیاژ
در گروه بندی چدن های پرآلياژ، بجای تبعیت از مسائل متالورژیکی ، سهولت در امور تجارتی مورد نظر بوده است . این گروه از چدنها شامل ، چدن سفید پرآلیاژ ،چدن خاکستری پرآلیاژ و چدن داکتیل پرآلیاژ می باشند. این چند نوع چدن بطور جداگانه دسته بندی شده اند، زیرا خصوصیات آنها در مقایسه با خصوصیات همان نوع چدن با ترکیب غیرآلیاژی بکلی متفاوت است .
چدن های پرآلياژ در مواردی بکاربرده می شوند که خصوصیات و مشخصات مورد نیاز، غیرعادی است و بعنوان مثال در جایی که خاصیت مقاومت در برابر سایش عالی، مقاومت در دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی با خواص فیزیکی فوق العاده مثل انبساط حرارتی کم یا نداشتن خاصیت جاذبه مغناطیسی ، لازم است .
از آنجا که خصوصیات ویژه مورد انتظار از چدنهای پرآلياژ از گستردگی و پیچیدگی زیادی برخوردار است دسته بندی و تعیین آنها بر حسب خصوصیات ویژه هر یک امر دشواری است و بهمین جهت چدنهای پرآلیاژ معمولا بر حسب ترکیب شیمیایی دسته بندی و مشخص می گردند. البته اگر خواص مکانیکی مورد نیاز از حساسیت و اهمیت برخوردار باشد ممکن است در گروه بندی برحسب ترکیب شیمیایی ، خواص مکانیکی نیز گنجانده شود.
منبع: کتاب ریخته گری، نوشته ی محمد حسین فتحی