ابزار کاربر

ابزار سایت


چدن

چدن

چدن به آلیاژهایی از آهن و کربن که بین ۲.۱الی ۶.۲ درصد کربن داشته باشند، گفته می‌شود. رنگ مقطع شکست این آلیاژ به عنوان شناسه نامگذاری انواع مختلف آن به کار می رود. بیش از ۹۵ درصد وزنی چدن را آهن تشکیل میدهد و عناصر آلیاژی اصلی آن کربن و سیلیسیم هستند.

به طور معمول بین ۲.۱ تا ۴ درصد کربن و ۱ تا ۳ درصد سیلیسیم دارد و به عنوان آلیاژی سه گانه شناخته می شود.

با این وجود، انجماد آن از روی دیاگرام فازی دوتایی آهن-کربن بررسی میشود. جایی که نقطه یوتکتیک در دمای ۱۱۵۴ درجه سانتی گراد و ۴.۳ درصد کربن اتفاق می افتد که حدود ۳۰۰ درجه کمتر از نقطه ذوب آهن خالص است. چدنها، به استثنا نوع داکتیل، ترد هستند و به دلیل نقطه ذوب پایین، سیالیت، قابلیت ریخته گری، ماشین کاری، تغییرشکل ناپذیری و مقاومت به سایش به موادی مهندسی با دامنه وسیعی از کاربرد تبدیل شده و در تولید لوله ها، ماشینها، قطعات صنعت خودرو مانند سرسیلندر، بلوک سیلندر و جعبه گیربکس به کار میروند. چدن همچنین به تضعیف و تخریب ناشی از اکسیداسیون (خوردگی) مقاوم است.

طبقه‌بندی چدن‌ها

۱-چدن های معمولی (عمومی)

این چدن ها چزو بزرگترین گروه آلیاژهای ریختگی بوده و براساس شکل گرافیت به انواع زیر تقسیم می‌شوند:

چدن های خاکستری ورقه ای یا لایه ای:

چدن های خاکستری جزو مهمترین چدن های مهندسی هستند که کاربردی زیاد دارند نام این چدن ها از خصوصیات رنگ خاکستری سطح مقطع شکست آن و شکل گرافیت مشتق می‌شود.خواص چدن های خاکستری به اندازه ، مقدار و نحوه توزیع گرافیت‌ها و ساختار زمینه بستگی دارد. خود این‌ها نیز به کربن و سیلیسیم و همچنین روی مقادیر جزئی عناصر ، افزودنی‌های آلیاژی ، متغیرهای فرایندی مانند، روش ذوب ، عمل جوانه زنی و سرعت خنک شدن بستگی پیدا می‌کنند.

اما به طور کلی این چدن ها ضریب هدایت گرمایی بالایی داشته، مدول الاستیستیه و قابلیت تحمل شوکهای حرارتی کمی دارند و قطعات تولیدی از این چدن ها به سهولت ماشینکاری و سطح تمام شده ماشینکاری آنها نیز مقاوم در برابر سایش از نوع لغزشی است. این خواص آنها را برای ریختگی هایی که در معرض تنش‌های حرارتی محلی با تکرار تنشها هستند، مناسب می‌سازد. افزایش میزان فریت در ساختار باعث استحکام مکانیکی خواهد شد.

این نوع حساس بودن به مقاطع نازک و کلفت در قطعات چدنی بدنه موتورها مشاهده می شود دیواره نازک و لاغر سیلندر دارای زمینه‌ای فریتی و قسمت ضخیم نشیمنگاه یا تاقان‌ها زمینه‌ای با پرلیت زیاد را پیدا می‌کند. همچنین در ساخت ماشین آلات عمومی ، کمپرسورهای سبک و سنگین ، قالب‌ها ، میل لنگ‌ها ، شیر فلکه‌هاو اتصالات لوله‌ها و غیره از چدنهای خاکستری استفاده می‌شود.

چدن های مالیبل یا چکش خوار:

چدن های چکش خوار با دیگر چدن ها به واسطه ریخته گری آنها نخست به صورت چدن سفید فرق می‌کنند. ساختار آنها مرکب از کاربیدهای شبه پایدار در یک زمینه‌ای پرلیتی است بازپخت در دمای بالا که توسط عملیات حرارتی مناسب دنبال می‌شود باعث تولید ساختاری نهایی از توده متراکم خوشه‌های گرافیت در زمینه فریتی یا پرلیتی بسته به ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی می‌شود. ترکیب به کار برده شده براساس نیازهای اقتصادی ، نحوه باز پخت خوب و امکان جذب و امکان تولید ریخته‌گری انتخاب می‌شود. مثلا بالا رفتن بازپخت را جلو انداخته و موجب عملیات حرارتی خوب و سریعی با سیلکی کوتاه می‌شود و در ضمن مقاومت مکانیکی را نیز اصلاح می‌نماید.

چدن های گرافیت کروی یا نشکن:

این چدن در سال ۱۹۴۸ در فیلادلفیای آمریکا در کنگره جامعه ریخته گران معرفی شد. توسعه سریع آن در طی دهه ۱۹۵۰ آغاز و مصرف آن در طی سال های ۱۹۶۰ روبه افزایش نهاده و تولید آن با وجود افت در تولید چدن ها پایین نیامده است. شاخصی از ترکیب شیمیایی این چدن به صورت کربن ۳.۷% ، سیلیسیم ۲.۵% ، منگنز ۰.۳% ، گوگرد ۰.۰۱% ، فسفر ۰.۰۱% و منیزیم ۰.۰۴% است. وجود منیزیم این چدن را از چدن خاکستری متمایز می‌سازد.

برای تولید چدن گرافیت کروی از منیزیم و سریم استفاده می‌شود که از نظر اقتصادی منیزیم مناسب و قابل قبول است.

جهت اصلاح و بازیابی بهتر منیزیم برخی از اضافه شونده‌هایی از عناصر دیگر با آن آلیاژ می‌شوند و این باعث کاهش مصرف منیزیم و تعدیل کننده آن است. منیزیم ، اکسیژن و گوگرد زدا است. نتیجتا منیزیم وقتی خواهد توانست شکل گرافیتها را به سمت کروی شدن هدایت کند که میزان اکسیژن و گوگرد کم باشند.

اکسیژن‌زداهایی مثل کربن و سیلیسیم موجود در چدن مایع این اطمینان را می‌دهند که باعث کاهش اکسیژن شوند ولی فرآیند گوگردزدایی اغلب برای پایین آوردن مقدار گوگرد لازم است. از کاربردهای این چدن ها در خودروسازی و صنایع وابسته به آن مثلا در تولید مفصل‌های فرمان و دیسک ترمزها ، در قطعات تحت فشار در درجه حرارت های بالا مثل شیر فلکه‌ها و اتصالات برای طرحهای بخار و شیمیایی غلتکهای خشک‌کن نورد کاغذ ، در تجهیزات الکتریکی کشتی‌ها ، بدنه موتور ، پمپ‌ها و غیره است.

چدن های گرافیت فشرده یا کرمی شکل:

این چدن شبیه خاکستری است با این تفاوت که شکل گرافیت‌ها به صورت کروی کاذب ، گرافیت تکه‌ای با درجه بالا و از نظر جنس در ردیف نیمه نشکن قرار دارد. می‌توان گفت یک نوع چدنی با گرافیت کروی است که کره‌های گرافیت کامل نشده‌اند یا یک نوع چدن گرافیت لایه‌ای است که نوک گرافیت گرد شده و به صورت کرمی شکل درآمده‌اند. ایت چدن ها اخیرا از نظر تجارتی جای خود را در محدوده خواص مکانیکی بین چدن های نشکن و خاکستری باز کرده است.

۲-چدن های سفید و آلیاژی مخصوص

کربن چدن سفید به صورت بلور سمانتیت می‌باشد که از سرد کردن سریع مذاب حاصل می‌شود و این چدن ها به آلیاژهای عاری از گرافیت و گرافیت‌دار تقسیم می‌شوند و به صورتهای مقاوم به خوردگی ، دمای بالا، سایش و فرسایش می‌باشند.

چدن های بدون گرافیت: شامل سه نوع زیر می باشد:

چدن سفید پرلیتی:

ساختار این چدنها از کاربیدهای یکنواخت برجسته و توپر در یک زمینه پرلیتی تشکیل شده است. این چدنها مقاوم در برابر سایش هستند و هنوز هم کاربرد داشته ولی بی‌نهایت شکننده هستند لذا توسط آلیاژهای پرطاقت دیگری از چدن های سفید آلیاژی جایگزین گشته‌اند.

چدن سفید مارتنزیتی ( نیکل - سخت)

نخستین چدن های آلیاژی که توسعه یافتند آلیاژهای نیکل - سخت بودند. این آلیاژها به طور نسبی قیمت تمام شده کمتری داشته و ذوب آنها در کوره کوپل تهیه شده و چدن های سفید مارتنزیتی دارای نیکل هستند. به عنوان افزایش قابلیت سختی پذیری برای اطمینان از استحاله آستنیتی به مارتنزیتی در طی مرحله عملیات حرارتی به آن افزوده می‌شود. این جدن ها حاوی نیز به دلیل افزایش سختی کاربید یوتکتیک هستند. این چدنها دارای یک ساختار یوتکتیکی تقریبا نیمه منظمی با کاربیدهای یکنواخت برجسته و یکپاره هستند که بیشترین فاز را در یوتکتیک دارند و این چدنها مقاوم در برابر سایش هستند.

انواع ساختارهای زمینه چدن

اساس خواص مکانیکی چدن به زمینه آن بستگی دارد. به همین دلیل است چدن ها را با عبارت ساختار زمینه آنها برای مثال انواع پرلیتی یا فریتی توصیف می‌کنند.

مهمترین ساختار زمینه چدن عبارتند از:

فریت

فریت محلول جامد است که به طور قابل ملاحظه‌ای و مقادیر کمتری در آن حل شده‌اند. فریت نسبتا نرم، چکش خوار، استحکام کم، مقاومت به سایش ضعیف، شکست خوب، ضریب هدایت گرمایی نسبتا خوب و قابلیت ماشینکاری خوبی است. یک زمینه فریتی را می‌توان به طور ریختگی تولید کرد اما اغلب با عملیات حرارتی باز پخت ( تابکاری ) می‌توان به آن دست یافت.

پرلیت

مخلوطی از فریت و سمانتیت است که توسط واکنش یوتکتیک از استینیت تشکیل شده و نام پرلیت از ظاهر صدف گونه‌اش مشتق شده است. پرلیت نسبتا سخت و از چقرمگی کمتری برخوردار بوده و ضریب هدایت گرمایی کم و در ضمن از ماشینکاری خوبی برخوردار است. وقتی فاصله بین دانه‌های پرلیت در زمینه کم می‌شود خواص مکانیکی افزایش می‌یابد مقدار کربن پرلیت در فولادهای غیر آلیاژی ۰.۸ % است در حالی که در چدنها بسته به ترکیب چدن و سرعت خنک شدن متغیر بوده و حتی می تواند کمتر از ۰.۵% در چدن های پرسیلسیم باشد.

فریت- پرلیت

ساختار مخلوطی است که غالبا برای رسیدن به خصوصیاتی بینابینی از آنچه که در فوق شرح داده شده به کار گرفته می‌شود.

بینیت

این ساختار می‌تواند به صورت ریختگی با افزودن عناصر آلیاژی به مقادیر معین تولید شد. در ضمن جهت اطمینان بیشتر می‌توان توسط عملیات حرارتی آستمپر نیز به این ساختار رسید. این آلیاژ ، با توجه به صرفه اقتصادی اخیرا توانسته‌اند نقش موثری بویژه در مهندسی خودرو، قطعات دنده ها، قطعات انتقال نیرو داشته باشند.

مزایای چدن های گرافیت کروی آسمتپر عبارتند از: استحکام کششی بالا توام با چقرمگی، انعطاف پذیری و استحکام خوب، مقاومت به سایش و خراش، ظرفیت بالای جذب صدا و کارکرد، خواص ریخته کری خوب، فرم پذیری نزدیک به شکل نهایی حتی در شکل های خیلی پیچیده، قابلیت ماشینکاری خوب در حالت ریخته و حدود ۱۰% صرفه جویی در وزن در مقایسه با فولاد .

آستنیت

برای پایدار نگاه داشتن این فاز در طول عمل خنک شدن یک عنصر آلیاژی با مقدار زیاد و معینی لازمست. چدن گرافیت ورقه ای و گرفیت کروی آلیاژی ( نیکل - سخت) چدن هایی با زمینه آستنیتی و دارای خواص عالی حرارتی مقاومت به خوردگی و نیز غیر مغناطیسی هستند. این زمینه می‌تواند خصوصیات چقرمگی خوب، مقاومت به خزش، تنش پارگی تا دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد و یک محدوده گسترده ای از انبساط حرارتی که تابع از موجود در چدن است را نشان دهد.

برخی از کاربردهای چدن‌ها:

در تولید قطعات ریختگی تحت فشار از جمله شیر فلکه ها، بدنه های پمپ قطعات ماشینآلات که در معرض شوک و خستگی هستند، میل لنگ ها، چرخ دنده ها، غلتک ها، تجهیزاتفرایند شیمیایی، مخازن ریختگی تحت فشار و…

برای خودرو و صنایع وابسته به آن مثلا در ساخت مفصل های فرمان، دیسک ترمزها، بازوها، میل لنگ‌ها و چرخ دند‌ه‌ها، صفحه کلاچ‌ها و…

در راه آهن، کشتیرانی و خدمات سنگین و دیگر جاهایی که نیاز به مقاومت در برابر شوک است مثلا در تجهیزات الکتریکی کشتی‌ها، بدنه موتور، پمپ ها، بست ها و غیره

قطعات غیر فشاری برای کاربردهای درجه حرارت بالا برای مثال در ساخت قطعات و جعبه های درگیر با آتش، میله های شبکه، قطعات کوره‌ها، قالبهای شمش، قالبهای شیشه، بوته‌های ذوب فلز.

پیشگرم کردن شارژ چدنها و تاثیر آن بر کیفیت مذاب‏:

اصولا یکی از روشهای آسان کاهش زمان ذوب و افزایش ‏نرخ تولید، پیشگرم کردن شارژ است، اما تحقیقات نشان داده ‏است که افزایش زیاد دمای پیشگرم شارژ، مشکلاتی را به ‏وجود میآورد نتایج تحقیقات انجام گرفته در زمینه پیشگرم ‏کردن زیاد شارژ در کوره القایی به شرح ذیل است:‏

‏ مقدار سرباره افزایش قابل توجهی مییابد.‏

‏ با افزایش زیاد درجه حرارت پیشگرم شارژ، افزایش چندانی ‏در سرعت ذوب مشاهده نمیگردد.‏ ‏گرمای نهان ذوب سرباره حدود ۸/۱ برابر چدن مذاب است ‏و اتلاف انرژی حرارتی افزایش خواهد یافت.‏

‏با افزایش مقدار اکسید آهن حجم و سیالیت سرباره ‏افزایش مییابد. اکسید آهن از نظر شیمیایی خورنده ترین جزء ‏سرباره است، نقطه ذوب پایینی داشته و باعث تشکیل ذرات ‏بسیار ریزی میشود که به آهستگی بر روی سطح مذاب غوطه ‏ور میگردند.‏ ‏ سرباره اضافی مصرف انرژی کوره را افزایش میدهد در ‏حالت تئوری، چدن برای رسیدن به دمای بارریزی فقط به ‏‏۴۵۰ الی۵۰۰ کبلو وات ساعت بر تن، انرژی نیاز دارد، در ‏حالی که سرباره ۷۰۰ الی ۸۰۰ کیلووات ساعت بر تن، انرژی ‏را مصرف خواهد کرد.‏ ‏ بررسیهای صورت گرفته نشان میدهند که با وجود اختلاف ‏در سیکل حرارتی و زمانی برای هر کارگاه، درجه حرارت ‏مناسب پیشگرم شارژ، ۵۱۰-۴۸۲ درجه سانتیگراد میباشد.

فرآیند ریخته گری تبریدی و کاربرد آن در تولید میل سوپاپ خودرو

روش ريخته‌گري تبريدي۱ در مورد توليد قطعات ريختگي نيازمند به عمليات حرارتي بعدي براي سختكاري سطحي، بسيار مناسب است. با انجام اين روش، سختي مورد نياز قطعه (نظير ميل سوپاپ) در حين فرايند ريخته‌گري توسط مبردگذاري در قالب، حاصل مي‌شود. بنابراين، قطعات توليد شده با اين روش، نيازي به عمليات سختكاري بعدي (نظير سختكاري القايي يا شعله‌اي) ندارند.

انجام اين فرايند، از معضلات ناشي از عمليات حرارتي نظير ترك و عمليات تابگيري بعد از سختكاري، كاسته و در نهايت به كاهش هزينه و افزايش سرعت توليد مي‌انجامد.

براي افزايش خواص مقاومت قطعه در برابر سايش و حفره‌دار شدن چدن‌ها، ۴ روش وجود دارد كه عبارتند از:

۱. آبكاري با كرم يا نيكل و يا نيتروره كردن ۲.پاشش فلز روی سطح چدن ۳. سختكاري القايي يا شعله‌اي ۴. ريخته‌گري تبريدي با استفاده از مبرد در قالب

دو روش اول، هزينه بالايي دارند و روش سوم نمي‌تواند مقاومت كافي در برابر سايش ايجاد كند، اما روش ريخته‌گري تبريدي، بهتر و در عمل آسانتر بوده و به طور قابل ملاحظه‌اي مي‌تواند مقاومت سايشي قطعات را بهبود بخشد. از اين روش، به طوري گسترده براي قطعاتي استفاده مي‌شود كه داراي چند ويژگي هستند. در صنعت خودرو، قطعاتي نظير: ميل سوپاپ، استكان تايپيت و… با همين روش توليد مي‌شوند.

چدن مورد استفاده در اين روش، نوعي چدن خاكستري است كه از قابليت سختي‌پذيري برخوردار است. عناصري نظير: كرم، نيكل، موليبدن و غيره در مقادير كم، مي‌توانند قابليت سختي‌پذيري قطعه را افزايش دهند.

زماني كه سطوح معيني از يك قطعه داراي جنس چدن خاكستري، از حالت مذاب با سرعت انجماد زياد سرد مي‌شود، چدن سفيدي كه در ناحيه سطح به وجود مي‌آيد، اصطلاحاً چدن تبريدي ناميده مي‌شود. يك قطعه ريختگي تبريدي با تنظيم تركيب كربن چدن سفيد، توليد مي‌شود به‌گونه‌اي با سرد كردن نرمال قطعه، چدن سفيد در سطح قطعه و چدن خاكستري در زير سطح آن تشكيل مي‌شود.

با افزايش ميزان كربن، عميق لايه چيل كاهش يافته و سختي ناحيه چيل افزايش مي‌يابد. از كرم در مقادير كم، براي كنترل عمق لايه چيل استفاده مي‌شود. از كرم به دليل تشكيل كاربيدهاي كرم، در محدوده ۱ تا ۴ درصد براي افزايش سختي و بهبود مقاومت سايشي، استفاده مي‌شود. اين عنصر، باعث پايداري كاربيد و تشكيل گرافيتدر مقاطع ضخيم‌تر مي‌شود.

سرد كردن سريع، از تشكيل گرافيت و پرليت جلوگيري مي‌كند. اگر عناصري نظير نيكل، كرم يا موليبدن اضافه شوند، بيشتر آستنيت، بجاي پرليت به مارتنزيت تبديل خواهد شد. سختي چدن تبريدي به‌طور كلي ناشي از تشكيل مارتنزيت است. از چدن تبريدي، براي ساخت چرخ‌هاي ماشين ريلي غلتك هاي آسياب، كفشك‌ها و قالب‌هاي پرسكاري و بسياري از قطعات ماشين‌هاي سنگين، استفاده مي‌شود

چدن‌ها از اولين مواد فلزي هستند كه در كاربردهاي مهندسي به خدمت گرفته شده‌اند و اكنون نيز هنوز به صورت گسترده مورد استفاده قرار مي‌گيرند. اين مواد به آساني ريخته‌گري شده و پيشرفت مداوم روش‌هاي توليد متالورژيكي سبب دستيابي به خواص مهندسي برتر آنها كه باعث ارائه سرويس‌هاي مطمئن‌تر فني قطعات ريختگي چدني مي‌شود، گرديده است.

چدن‌ها از اولين مواد فلزي هستند كه در كاربردهاي مهندسي به خدمت گرفته شده‌اند و اكنون نيز هنوز به صورت گسترده مورد استفاده قرار مي‌گيرند. اين مواد به آساني ريخته‌گري شده و پيشرفت مداوم روش‌هاي توليد متالورژيكي سبب دستيابي به خواص مهندسي برتر آنها كه باعث ارائه سرويس‌هاي مطمئن‌تر فني قطعات ريختگي چدني مي‌شود، گرديده است.

يكي از مهم ترين پيشرفت‌ها در توليد چدن‌ها با كشف روش‌هايي جهت كنترل انجماد براي كروي كردن گرافيت‌ها بود.

همین کروی بودن گرافیت‌ها، موجب افزایش استحکام و چقرمگی این نوع چدن‌ها در مقایسه با چدن‌های با گرافيت ورقه‌ای می گردد.

چدن نشكن نيز مانند بسياري از اختراعات به صورت تصادفي به دست آمده است. در طي جنگ جهاني دوم محققين به دنبال جانشين مناسبي براي كروم و ديگر عناصر كمياب در آلياژهاي آهن بودند. در انگلستانHenton Morrogh هنگامي‌كه افزودن مقادير كم عناصر خاکی نادر را به مذاب آهن آزمايش مي‌كرد گرافيت كروي را توليد كرد ولي او قادر به تكرار نتايج آزمايش‌هايش نبود.

در آمريكا Keith Millis و همكارانش كه در آزمايشگاه International Nickel كار مي‌كردند، سعي داشتند چدن را با مقدار كمي ‌منيزيم آلياژ كنند كه اين آلياژ كردن واكنش شديدي را نتيجه داد. از آن سال‌ها تا كنون به طور مداوم فرايند در حال تكامل بوده و تخمين زده مي‌شود كه در آمريكا توليد ساليانه آن در سال ۲۰۰۰ ميلادي، متجاوز از ۴.۵ ميليون تن بوده است‌‌‍.

چدن نشکن با افزودن منیزیم به مذاب تولید می‌شود. برای این کار به طور معمول منیزیم را به صورت آلیاژی استفاده می‌کنند تا از تبخیر آن در دمای بالای ذوب جلوگیری گردد. کمتر از ۰.۱ درصد منیزیم بسته به قالب و شرایط ریخته گری کافی می‌ باشد. جهت بهبود شکل گرافیت مقدار جزئی سریم نیز استفاده می گردد.

چدن نشکن در مقایسه با چدن گرافیت ورقه‌ای، نیاز به تحت تبرید بیشتری دارد و برای بدست آوردن ساختار عاری از کاربید به خصوص در مقاطع نازک، بایستی از سیلیسیم به عنوان جوانه زا استفاده نمود.

در حین ریخته‌گری می‌توان چدن‌هایی با ساختار زمینه فریت، پرلیت، فریت- پرلیت، آستنیت، بینیت و مارتنزیت تولید نمود. هر کدام از این ساختارها خصوصیات رفتاری خاصی را ایجاد می‌کنند. به طور مثال، چدن‌های نشکن پرلیتی استحکام بالاتر و چقرمگی کمتری دارند و چدن‌های نشکن فریتی استحکام کمتر و ازدیاد طول نسبی بیشتری داشته و نیز مقاومت به ضربه خوبی دارند.

برای ذوب چدن نشکن در کوره القایی بدون هسته، مواد مختلف به کوره شارژ می‌شود که بر روی کیفیت چدن تولیدی اثر می‌گذارند. این مواد شامل شمش چدن، قراضه آهن، قطعات برگشتی و آهن اسفنجی (۱۰ تا ۱۵ درصد کل شارژ) می باشد. از مزایای این کوره کاهش هزینه مستقیم تجهیزات و مواد خام و خرابی محصول و افزایش کیفیت محصول و تولید بهتر است .

تمام عناصر موجود در جدول تناوبی روی ساختار زمینه و خواص چدن نشکن از قبیل تشکیل، حذف، شکل و توزیع کاربید اثر می‌گذارند. کربن و سیلیسیم در ایجاد ساختار عاری از کاربید اثر زیادی دارند و دو عنصر اصلی در تعیین کربن معادل می باشند. کربن معادل نقش تعیین کننده‌ای روی خواص چدن نشکن دارد. تعداد گرافیت‌ها در واحد سطح بستگی مستقیم به کربن معادل دارد. البته اگر مقدار آن بیش از حد بالا رود، موجب تشکیل گرافیت‌های شناور و پوک می‌گردد.

مقدار کربن در چدن‌های نشکن بستگی به مشخصه قطعات تولیدی دارد و می‌تواند بین 3 تا 4 درصد متغیر باشد. بخش اعظم کربن به صورت گرافیت‌های کروی در ساختار ظاهر می‌شود و تا حدود 9 درصد حجم را اشغال می‌نماید. اثر کربن (گرچه بر روی خواص مکانیکی به نسبت ناچیز است) بستگی زیادی به عناصر دیگر به خصوص سیلیسیم دارد.

به همین خاطر پارامتر کربن معادل تعریف می‌شود کنترل سیلیسیم نیز برای دستیابی به ساختار مطلوب در طی ریخته گری و عملیات حرارتی مهم است، زیرا این عنصر تأثیر زیادی بر ساختار و خواص مکانیکی چدن‌های نشکن دارد و مقدار آن از 1.8 تا 2.8 درصد تغییر می‌کند و با افزایش آن ساختار پرلیتی متمایل به فریتی می‌شود. افزایش سیلیسیم تعداد کره‌های گرافیت را افزایش داده و اندازه هسته‌های یوتکتیک را کاهش می‌دهد.

برای مشخص نمودن مقدار سیلیسیم باید به موارد زیر توجه نمود: ۱- خواص قطعات به خصوص مقاومت به ضربه آن‌ها، برای دستیابی به مقاومت ضربه بالا باید مقدار سیلیسیم حداقل باشد. ۲- در صورت پایین بودن کیفیت شارژ مواد، بهتر است مقدار سیلیسیم افزایش یابد. ۳- در صورت جوانه زایی خوب می‌توان میزان سیلیسیم را کاهش داد.

برای کروی نمودن گرافیت‌های چدن نشکن از منیزیم به شکل آلیاژ فروسیلیس منیزیم (Fe-Si-Mg) استفاده می گردد که معمولاً حاوی عناصر جزئی مانند سریم نیز مي‌باشد و اثر عناصر مضر را هم خنثی می‌کند. استفاده از آلیاژهای سیلیسیم برای جوانه زایی به دلیل افزایش تعداد هسته‌های یوتکتیکی و کاهش مادون انجماد اهمیت می‌یابد.

زیرا بدون این هسته‌ها کاربیدها می توانند در قطعات تشکیل شده و قابلیت نشکن بودن و ماشینکاری آن‌ها را کاهش دهند. حداقل هزینه تولید و تجهیزات، کیفیت مطلوب و توانایی ریختن قطعات با اندازه‌های مختلف از عوامل اصلی انتخاب روش افزودن منیزیم می‌باشند. با توجه به این عوامل یکی از روش‌های ساندویچی، پاتیل درپوش دار، افزودن منیزیم در راهگاه و یا کنورتور استفاده می‌گردد.

در حال حاضر حدود ۷۰درصد چدن نشکن تولیدی با روش ساندویچی تولید می‌گردد در انواع زمینه‌های قابل دستیابی پس از ریخته گری اعم از زمینه فریتی، پرلیتی و حتی قطعات کوئنچ شده و تمپر شده (مارتنزیت تمپر شده) پایه اصلی، فریت با ساختار مكعب مركزدار (BCC) می‌باشد. تغییر در سختی و خواص کششی ناشی از اختلاف در توزیع، شکل و اندازه ذرات کاربید آهن (سمنتیت) در این زمینه اصلی می‌باشد.

در نرم ترین زمینه یعنی زمینه فریتی هیچ کاربیدی حضور ندارد، در حالی که لایه‌های کاربید در پرلیت در ایجاد سختی بالا مؤثر است. سخت‌ترین زمینه، مارتنزیت تمپرشده است که در حقیقت توزیع کاربید‌های بسیار ظریف در فریت می‌باشد. عناصر آلياژي به دلايل متفاوت به چدن ها اضافه مي گردند که مهمترين دلايل براي افزايش اين عناصر افزايش قابليت سختي پذيري، افزايش مقاومت به سايش، افزايش مقاومت به خوردگي، افزايش تافنس شکست و الانگيشن مي باشد که به اختصار تاثير بعضي از عناصر را بر روي خواص و زير ساختار چدن ADI توضيح مي دهيم.

آنتیموان و قلع : از جمله عناصري هستند که ضريب نفوذ کربن را به شدت کاهش داده و سينتيک کربن را تغيير داده و زمان آستنيته کردن را افزايش مي دهد

سیلیسیوم: با توجه به اين که سيليسيم تاثير بسيار زيادي بر روي کربن معادل داشته و بعد از کربن مهمترين عنصر در چدن ها مي باشد. زماني که دماي آستمپر کردن را پايين انتخاب کنيم تاثير سيليسيم بر روي خواص ناچيز است. اما در دماي بالا باعث افت استحکام کششي مي گردد.

مولیبدن : از عناصر بسيار قوي در سختي پذيري است ولي از جهتي هم از عناصر بسيار قوي کاربيدزا است که به علت تشکيل کاربيدها تافنس والانگيشن را به شدت کاهش مي دهد و سختي را افزايش مي دهد. شکل زیر يک زير ساختار از چدن ADI که در زير ساختار آن کاربيد موليبدن است را نشان مي دهد.

نیکل : مي توان گفت از مهمترين عناصر آلياژي بعد از کربن و سيليسيم درخواص ميکروساختار چدن ADI مي باشد. نيکل دماغه تشکيل پرليت را به سمت راست منتقل کرده و مانع از تشکيل پرليت مي گردد و از عناصر پايدار کننده آستينت مي باشد. نيکل از جمله عناصري است که دماي انتقال ترد به نرم را کاهش مي دهد و باعث افزايش تافنس شکست در چدن هاي ADI مي گردد. حضور نيکل تا حدودي تنش تسليم و استحکام کششي را کاهش مي دهد.

کروم : از عناصري است که در افزايش سختي پذيري اثري به مهمي نيکل و مس ندارد اما اثر بسيار حائض اهميتي در تافنس شکست دارد که در اين پروژه بررسي کاملتري از اثر کرم نسبت به ساير عناصر آلياژي مي پردازيم.

مس : مثل نيکل باعث افزايش سختي پذيري مي گردد. ولي بايد توجه داشت مس از عناصر به شدت پرليت زاست که سد انرژي در مقابل استحاله تشکيل پرليت را کاهش مي دهد. مس از اين لحاظ در صنعت چدن ADI از عناصر مهم است چون از ارزانترين عناصر آلياژي در افزايش سختي پذيري است. ولي مس در فصل مشترک گرافيت و زمينه رسوب کرده و سرعت و ضريب نفوذ کربن از گرافيت ها به زمينه را کاهش مي دهد و زمان آستينه کردن را افزايش مي دهد.

منیزیوم: حضور منگنز براي توليد چدن هاي ADI مضر مي باشد. منگنز به دليل تمايل زياد به جدايش بين گرافيت ها داشته و واکنش اول آستمپرينگ را به تعويق مي اندازد و به علت کم بودن مقادير کربن احتمال وجود مارتنزيت در ميکروساختار در حضور منگنز قوت مي گيرد.

عناصر آلياژي به دلايل متفاوت به چدن ها اضافه مي گردند که مهمترين دلايل براي افزايش اين عناصر افزايش قابليت سختي پذيري، افزايش مقاومت به سايش، افزايش مقاومت به خوردگي، افزايش تافنس شکست و الانگيشن مي باشد که به اختصار تاثير بعضي از عناصر را بر روي خواص و زير ساختار چدن ADI را د ادامه توضيح مي دهيم.

آلیاژهای تیتانیم α، آلیاژهایی تک فاز هستند. عناصر پایدارکننده فاز α مانند آلومینیوم و اکسیژن، فاز α را پایدار می‌سازند، قلع و زیرکونیم عناصر بی‌اثری هستند و قابلیت انحلال جامد در هر دو فاز α وβ را دارند.

آلیاژهای تیتانیم α، آلیاژهایی تک فاز هستند. عناصر پایدارکننده فاز α مانند آلومینیوم و اکسیژن، فاز α را پایدار می‌سازند، قلع و زیرکونیم عناصر بی‌اثری هستند و قابلیت انحلال جامد در هر دو فاز α وβ را دارند.

این عناصر همانند آلومینیوم و اکسیژن، فاز αرا استحکام می‌بخشند. آلیاژهای α، دارای پایداری و خواص دمابالای خوب هستند ولی برای این دسته از آلیاژهای تیتانیم امکان انجام عملیات حرارتی به منظور اصلاح خواص ریزساختار وجود ندارد.

تیتانیم خالص تجاری (CP) و Ti-5Al-۲.5Sn، مهمترین آلیاژهای این دسته هستند، تیتانیم CP) ASTM grade ۱-۴) عموماً در ناحیه تکفازی، نورد گرم، آهنگری و عملیات حرارتی می‌شود. دمای فرآوری تیتانیم ℃۸۰۰ مي‌باشد. عملیات حرارتی انجام شده، گرم کردن تا دمای ℃۶۷۵، نگه داشتن در این دما به مدت ۱ ساعت و سپس سردکردن در هوا مي‌باشد. آلیاژهای α عموماً در صنایع شیمیایی و فرآیندهای مهندسی که به مقاومت به خوردگی و قابلیت شکل‌پذیری نیاز مي‌باشد، استفاده می‌شوند.

چدن نشکن: نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت به ضربه و خستگي، چقرمگي خوب،مقاومت به سايش و قابليت ماشين کاري مطلوب قطعات چدنهاي نشکن، موفقيت اين ماده را در صنعت خودرو تضمين نموده است.

نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت به ضربه و خستگي، چقرمگي خوب،مقاومت به سايش و قابليت ماشين کاري مطلوب قطعات چدنهاي نشکن، موفقيت اين ماده را در صنعت خودرو تضمين نموده است. چگالي وزني چدن داکتيل ۱۰% کمتر از فولاد است لذا قطعات ADI مي توانند جايگزيني براي فولاد هاي فورج و ريخته گري شوند. و نيز مي تواند با استحکام ۳ برابر نسبت به آلومينيوم و چگالي دو و نیم برابر نسبت به آن جايگزيني براي آن با صرفه جويي هزينه باشد.

در جدول زیر گريدهاي مختلف ADI بر اساس استاندارد ASTM ۸۹۷-۹۰ و ASTM 897M-۹۰ براي خواص مختلف آمده است.

- قطعات اکسل : اين قطعات بايستي داراي استحکام کششي و فشاري،انعطاف پذيري و چقرمگي و مقاومت به شوک خوبي بوده و همچنين قابليت ماشين کاري عالي داشته باشند.

- توپي چرخ :چدن نشکن در اين قطعه جايگزين فولاد ريختگي و فورج شده است.

- ميل لنگ ها : تغيير از فولاد آهنگري به چدن نشکن باعث :

-کاهش قيمت تمام شده قطعه

-خواص ماشين کاري و کاهش مقدار ماشينکاري

- انعطاف بيشتر در طراحي

-خاصيت جذب ارتعاش بهتر چدن نشکن که باعث کاهش لرزشهاي پيچشي است .

- منيفولد دود : مقاومت چدن نشکن در برابر حرارت بهتر مي باشد. اکسيد شدن کمتر و بالاتر بودن نقطه يوتکتوئيد يا دماي استحاله چدن نشکن به دليل بالاتر بودن ميزان سيليسيم و پايين بودن منگنز.

- انگشتي سوپاپ : هزينه ماشينکاري حداقل است. مي توان اين قطعه را از چدن نشکن فريتي به ابعاد نهايي توليد نمود.

عمليات حرارتي آستمپر براي سخت کاري و مقاومت به سايش انجام مي گيرد.

-بازوي انتقال دهنده نيرو : مقاومت به سايش ، استحکا م مقاومت خستگي و قابليت ماشينکاري بايد عالي باشد .

- دنده پينيون : دنده پينيون از جنس چدنشکن سبکتر است و احتياج به ماشينکاري کمتري نسبت به نوع فورج آن دارد.

غلطک: غلطک هاي فولادي مقاومت به سايش پايين تر دارند ومستعد به ترک خوردگي ناشي از گرماهستند ولي به دليل چقرمگي مناسب، در کارخانه هاي بزرگ استفاده مي شود.

مي توان غلطکهايي را از جنس چدنشکن بااستحکام بالا و مقاومت به سايش بهتر توليد کرد. غلطکهاي چدن نشکن بينايتي با ساختار بينايتي استحکام بالا و چقرمگي مناسب را دارند و مقاومت آنها در برابر ترک خوردگي ناشي از گرما عالي است.

برای مطالعه بیشتر:

چدن سفید

سیم مفتول و وایر

چدن.txt · آخرین ویرایش: 2017/11/20 06:43 توسط maleki