متالورژی ، علم ناشناخته

برای سربلندی کشورمان ، باید به سرآغاز هایمان پایان دهیم

 
چدن‌ها
نویسنده : مصطفی زارع - ساعت ٥:٤٤ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٠/۱/٢۸
 

چدن‌ها

چدن (cast iron) ، آلیاژی از آهن- کربن و سیلیسیم است که همواره محتوی عناصری در حد جزئی (کمتر از ۰٫۱ درصد) و غالبا عناصر آلیاژی (بیشتر از ۰٫۱ درصد) بوده و به حالت ریختگی یا پس از عملیات حرارتی به کار برده می‌شود. عناصر آلیاژی برای بهبود کیفیت چدن برای مصارف ویژه به آن افزوده می‌شود. آلیاژهای چدن در کارهای مهندسی که در آنها چدن معمولی ناپایدار است به کار می‌روند. اساسا خواص مکانیکی چدن به زمینه ساختاری آن بستگی دارد و مهمترین زمینه ساختار چدن‌ها عبارتند از: فریتی ، پرلیتی ، بینیتی و آستینتی. انتخاب نوع چدن و ترکیب آن براساس خواص و کاربردهای ویژه مربوطه تعیین می‌شود.

چدن ها به دو گروه اصلی طبقه‌بندی می‌شوند، آلیاژهایی برای مقاصد عمومی که موارد استعمال آنها در کاربردهای عمده مهندسی است و آلیاژهای با منظور و مقاصد ویژه از جمله چدنهای سفید و آلیاژی که برای مقاومت در برابر سایش ، خوردگی و مقاوم در برابر حرارت بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.


چدن های معمولی
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 (C.E.V=%C+%⅓Si+%⅓P) 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 Si بازپخت را جلو انداخته و موجب عملیات حرارتی خوب و سریعی با سیلکی کوتاه می‌شود و در ضمن مقاومت مکانیکی را نیز اصلاح می‌نماید. تاثیر عناصر به مقدار بسیار کم در این چدن ها دست آورد دیگری در این زمینه هستند. Te و Bi تشکیل چدن سفید در حالت انجماد را ترقی داده، B و Al موجب اصلاح قابلیت بازپخت و توام با افزایش تعداد خوشه‌های گرافیت می‌شود میزان Mn موجود و نسبت Mn/S برای آسان کردن عمل بازپخت می‌بایستی کنترل گردد. عناصری از جمله Cu و Ni و Mo را ممکن است برای بدست آوردن مقاومت بالاتر یا افزایش مقاومت به سایش و خوردگی به چدن افزود. دلیل اساسی برای انتخاب چدن های چکش خوار قیمت تمام شده پایین و ماشینکاری راحت و ساده آنهاست. کاربردهای آنها در قطعات اتومبیل قطعات کشاورزی ، اتصالات لوله ها ، اتصالات الکتریکی و قطعات مورد استفاده در صنایع معدنی است.

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% ، منگنز۰٫۳% ، 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. ترکیب آلیاژ موجود تجارتی که برای تولید چدن گرافیت فشرده استفاده می‌شود عبارت است از: Mg%4-5 ،Ti%8.5-10.5 ، Ca% 4-5.5 ، Al%1-1.5 ، Ce %0.2-0.5 ،Si%48-52 و بقیه Fe. چدن گرافیت فشرده در مقایسه با چدن خاکستری از مقاومت به کشش ، صلبیت و انعطاف‌پذیری ، عمر خستگی ، مقاومت به ضربه و خواص مقاومت در دمای بالا و برتری بازمینه‌ای یکسان برخوردار است و از نظر قابلیت ماشینکاری ، هدایت حرارتی نسبت به چدن های کروی بهتر هستند. از نظر مقاومت به شکاف و ترک خوردگی برتر از سایر چدن ها است. در هر حال ترکیبی از خواص مکانیکی و فیزیکی مناسب ، این چدن ها را به عنوان انتخاب ایده آلی جهت موارد استعمال گوناگون مطرح می‌سازد. مقاومت بالا در مقابل ترک‌خوردگی آنها را برای قالبهای شمش‌ریزی مناسب می‌سازد. نشان دادن خصوصیاتی مطلوب در دماهای بالا در این چدن ها باعث کاربرد آنها برای قطعاتی از جمله سر سیلندرها ، منیفلدهای دود ، دیسکهای ترمز ، دیسکها و رینگهای پیستون شده است.

چدن نسوز
این نوع از چدن ها به گروهی از آلیاژهی آهنی گفته میشود که شرایط کاری آنها در محیط گرم ودر درجات حرارتی تا حدود ۱۱۰۰ درجه سانتی گراد می باشد در چنین درجات حرارتی چدن ها نبایستی اکسیده شده وتحمل نیرو های مکانیکی را نیز دارا باشند. در هنگامی که حد اکثر درجه حرارت ۶۰۰ درجه سانتی گراد باشد این نوع چدن ها حتی میتوانند تحت شرایط دینامیکی( همان نیروهای سیکلی یا متحرک بر قطعه ) به خوبی کار کنند نیکل کرم و مولیبدن از مهمترین عناصری هستند که دراین نوع چدن هاوجود دارد دارند . علاوه بر مسئله مقاوم بودن این نوع چدن ها در مقابل اکسیداسیون بایستی در اثر حرارت دیدن باد نکرده وترک نخورند. میزان باد کردگی و رشد چدن ها در درجه حرارتی بالای۴۰۰ درجه سانتی گراد زیاد بوده می تواند تا ۱۰ درصد نیز برسد علت رشد وباد کردگی چدن ها به دلیل تجزیه شدن سمنتیت به آهن وگرافیت در اثر حرارت است که توام با رشد وباد کردگی قطعات خواهد بود لذا برای جلوگیری از این مشکل از عناصری نظیر مولیبدن مس و کرم و فسفر استفاده می گردد به طور کلی منظور از افزودن عناصر آلیاژی حفظ استحکام چدن در درجه حرارت کار قطعه – اکسیده نشدن وعدم رشد و باد کردن چدن می باشند مهمترین عنصر آلیاژی و ارزانترین آن کرم می باشد. چدن هایی که دارای ۲۰ درصد کرم هستند می توانند تا درجات حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد کار نموده وچدن هایی که دارای ۳۵ درصد کرم هستند تا درجه حرارت ۱۱۵۰ درجه سانتی گراد اکسیده نمی شوند.

تر کیبات مربوط به این نوع چدن ها
کربن ۲تا۶/۲ – سیلسسیم حدود ۱ – تا ۵/۱ در صد نیکل – کرم ۱۸ تا ۲۳ مس حدود۵/۱ – گوگرد کمتر از ۰۶/۰ – فسفر حدود۱/۰ درصد مقدار کرم در این نوع چدن ها را می توان تا ۳۵ درصد نیز افزایش داد نمونه ای دیگر از ترکیب این نوع چدن ها : کربن ۱تا ۲ – سیلیسیم ۵/۰ تا ۲/۲ – منگنز حد اکثر ۲۵/۰ گوگرد ۰۵/۰ – فسفر حد اکثر ۱/۰ وکرم ۳۰ تا ۳۴ درصد در تولید این نوع چدن ها از فروتیتا نیم یا فروکرم به عنوان جوانه زا استفاده می شود انواع دیگر چدن هابژی مقاوم در مقابل حرارت چدن های پر سیلیسیم می باشد این نوع چدن ها در شرایطی مصرف می گردند که درجه حرارتی کار بالا تر از ۹۰۰ درجه سانتی گراد نباشد .

ترکیبات نمونه ای از این نو ع چدن ها : کربن ۲/۲ تا ۳/۲- سیلیسیم ۵/۴ ت ۵/۵ – منگنز ۱تا ۵/۱ نیکل ۱۸ تا ۲۲ کرم ۸/۱ تا ۵/۴

چدن های سفید و آلیاژی مخصوص
کربن چدن سفید به صورت بلور سمانتیت (کربید آهن ، Fe3C) 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 M3C 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. Ni 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 Cr نیز به دلیل افزایش سختی کاربید یوتکتیک هستند. این چدنها دارای یک ساختار یوتکتیکی تقریبا نیمه منظمی با کاربیدهای یکنواخت برجسته و یکپاره M3C هستند که بیشترین فاز را در یوتکتیک دارند و این چدنها مقاوم در برابر سایش هستند.

چدن سفید پرکرم
چدن های سفید با Cr زیاد ترکیبی از خصوصیات مقاومت در برابر خوردگی ، حرارت و سایش را دارا هستند این چدنها مقاومت عالی به رشد و اکسیداسیون در دمای بالا داشته و از نظر قیمت نیز از فولادهای ضد زنگ ارزان تر بوده و درجاهایی که در معرض ضربه و یا بازهای اعمالی زیادی نیستند به کار برده می‌شوند این چدنها در سه طبقه زیر قرار می‌گیرند:

چدنهای مارتنزیتی با Cr %12-28
چدنهای فریتی با ۳۴-۳۰% Cr
چدنهای آستنیتی با ۳۰-۱۵%Cr و ۱۵-۱۰% Niبرای پایداری زمینه آستنیتی در دمای پایین. طبقه بندی این چدنها براساس دمای کار ، عمر کارکرد در تنش های اعمالی و عوامل اقتصادی است. کاربرد این چدنها در لوله‌های رکوپراتو ، میله ، سینی ، جعبه در کوره‌های زینتر و قطعات مختلف کوره‌ها، قالب‌های ساخت بطری شیشه و کاسه نمدهای فلکه‌ها است.

چدن های گرافیت دار
چدن های آستنیتی
شامل دو نوع (نیکل- مقاوم) و نیکروسیلال Ni-Si ، که هر دو نوع ترکیبی از خصوصیات مقاومت در برابر حرارت و خوردگی را دارا هستند. اگرچه چدن های غیر آلیاژی به طور کلی مقاوم به خوردگی بویژه در محیط های قلیایی هستند، این چدنها به صورت برجسته‌ای مقاوم به خوردگی در محیط هایی مناسب و مختص خودشان هستند. چدن های نیکل مقاوم آستنیتی با گرافیت لایه‌ای که اخیرا عرضه شده‌اند از خواص مکانیکی برتری برخوردار بوده ولی خیلی گران هستند. غلظت نیکل و کرم در آنها بسته به طبیعت محیط خورنده شان تغییر می‌کند. مهمترین کاربردها شامل پمپهای دنده‌ای حمل اسید سولفوریک، پمپ خلا و شیرهایی که در آب دریا مصرف می‌شوند، قطعات مورد استفاده در سیستم‌های بخار و جابه‌جایی محلول‌های آمونیاکی، سود و نیز برای پمپاژ و جابجایی نفت خام اسیدی در صنایع نفت هستند.

چدن های فریتی
شامل دو نوع زیر می‌باشد: چدن سفید ۵% سیلیسیم در سیلال که مقاوم در برابر حرارت می‌باشد و نوع دیگر چدن پرسیلیسیم (۱۵%) که از مقاومتی عالی به خوردگی در محیطهای اسیدی مثل اسید نیتریک و سولفوریک در تمام دماها و همه غلظتها برخوردارند. اما برخلاف چدن های نیکل- مقاوم ، عیب آن ، ترد بودن است که تنها با سنگ‌زنی می‌توان ماشینکاری نمود. مقاومت به خوردگی آنها در برابر اسیدهای هیدروکلریک و هیدروفلوریک ضعیف است. جهت مقاوم سازی به خوردگی در اسید هیدروکلریک می‌توان با افزودن Si تا ۱۸-۱۶% ، افزودن Cr%5-3 یا Mo %4-3 به آلیاژ پایه ، اقدام نمود.

چدن های سوزنی
در این چدنها Al به طور متناسبی جانشین Si در غلظت های کم می‌گردد. چدن های آلیاژهای Alدار تجارتی در دو طبقه بندی یکی آلیاژهای تا Al %6 و دیگری Al%18-25 قرار می‌گیرند. Al پتانسیل گرافیته‌شدگی را در هر دوی محدوده‌های ترکیبی ذکر شده حفظ کرده و لذا پس از انجماد چدن خاکستری بدست می‌آید. این آلیاژ به صورت چدنهای گرافیت لایه‌ای ، فشرده و کروی تولید می‌شوند. مزایای ملاحظه شده شامل استحکام به کشش بالا ، شوک حرارتی و تمایل به گرافیته شدن و سفیدی کم می‌باشند که قادر می‌سازند قطعات ریختگی با مقاطع نازک‌تر را تولید کرد. چدن های با Al کم مقاومت خوبی به پوسته پوسته شدن نشان داده و قابلیت ماشینکاری مناسبی را نیز دارا هستند. محل های پیشنهادی جهت کاربرد آنها منیفلدهای دود ، بدنه توربوشارژرها ، روتورهای دیسک ترمز، کاسه ترمزها ، برش سیلندرها، میل بادامکها و رینگهای پیستون هستند. وجود Al در کنار Si در این نوع چدنها باعث ارائه خواص مکانیکی خوب توام با مقاومت به پوسته‌شدگی در دماهای بالا می‌شود. این آلیاژها مستعد به تخلخل‌های گازی هستند. آلومینیوم حل شده در مذاب می توان با رطوبت یا هیدروکربنهای موجود در قالب ترکیب شده و هیدروژن آزاد تولید کند. این هیدروژن آزاد قابل حل در فلز مذاب بوده و باعث به وجود آوردن مک‌های سوزنی شکل در انجماد می‌شود.


چدن خاکستری
Cast iron ، آلیاژهای آهن ، کربن و سیلیکون هستند که در آن ، کربن بیشتری نسبت به مورد موجود در محلول جامد آستنیت د دمای یوتکتیک ، وجود دارد . در چدن خاکستری، کربنیکه آستنیت از حل پذیری فراتر می رود به عنوان گرافیت ورقه ای بارش می یابد. چدن خاکستری معمولاً حاوی ۲٫۵ تا ۴ درصد C ، ۱ تا ۳ درصدSi و مواد اضافی منگنز برحسب میکروساختار مربوطه ( تا ۱٫ ۰ درصد Mn در چدن خاکستری و تا ۱٫۲ درصد در پرلیت ) می باشد. فسفر و سولفور نیز در مقادیر اندکی به عنوان ناخالصی های مازاد، موجود هستند .

کامپوزیت چدن خاکستری را باید به گونه ای انتخاب نمود که سه شرط ساختاری پایه را برطرف کند :

● توزیع و شکل گرافیتی لازمه
● ساختار عاری از کاربید ( بدون مبرد )
● ماتریکس لازمه
برای چدن متدا ول ، ا لمنت و عناصر ا صلی کامپوزیت شیمیایی ، کربن و سیلیکون هستند . مقدار بالای کربن ، مقدار گرافیت یا Fe3C را بالا می برد . کربن بالا و محتوای سیلیکونی ، پتانسیل گرا فیتی کردن آ هن را و قا بلیت ریختگی آ نرا ، بالا می برد . اثر ترکیبی کربن و سیلیکون روی ساختار را معمولاً با تساوی کربن (CE ) در نظر می گیرند :

S % ) × ۰٫۴ + (Mn % ) × ۰٫۰۲۷ – (P % ) × ۳۳٫ ۰ + (Si % ) × ۰٫۳ + C % = CE)

اگرچه ا فزایش کربن و سیلیکون و مقدار آنها ، پتانسیل گرافیتی سازی را بالا می برد و در نتیجه تمایل تبرید را کاهش می دهد، ولی ا ستحکام به شکل معکوس ، تحت تاثیر قرار می گیرد . ا ین حا لت ، بدلیل ارتقاء فریت و سختی پرلیت است . مقدار منگنز به عنوان تابعی از ماتریکس مطلوب ، تفاوت می یابد ، معمولاً می توان آنرا تا ۱٫ ۰ در صد برای چدن فریتی و تا ۱٫۲ درصد برای چدن پرلیتی ، مشاهده کرد چرا که منگنز یک ارتقاء دهنده پرلتی قوی است . ا ثر سولفور باید با اثر منگنز ، بالانس و تعدیل شود. بدون وجود منگنز در چدن سولفید آهن ناخواسته ( FeS ) در مرزدانه ها تشکیل خواهد شد. اگر مقدار میزان سولفور با منگنز تعادل گردید ، آ نگاه سولفید منگنز ( MnS ) تشکیل می شود که اثر مخرب ندارد چرا که درون دانه ها توزیع می شود. نسبت بهینه و مطلوب بین منگنز و سولفور برای یک ساختار فاقد FeS و ماکزیمم مقدار فریت ، عبا رت ا ست ا ز :

۱۵ . ۰ + (S ) × ۷ . ۱ = (%Mn % )

المنت و عناصر اندک دیگری مثل آلومینیم ، آنتیموا ن ، آرسنیک ، بیسموت ، روی، منیزیم ، سریوم و کلسیم می توانند به شکل قابل ملاحظه ای مورفولوژی ( رخت شناسی ) گرافیتی و میکروساختا رهای ماتریکس را تغییر دهند .

بطور کلی ، عناصر و ا لمنت های آ لیاژی را می توان به سه طبقه تقسیم بندی کرد: سیلیکون و آ لومینیوم ، پتانسیل گرا فیتی شدن را برای تغییر و تبدیل یوتکتوئید و یوتکتیک افزایش می دهد و تعداد ذات گرافیت را بالا می برد . آ نها در ماتریکس یک سری محلول حاوی کلوئید می سازند. از آنجا که آنها نسبت فریت / پرلیت را بالا می برند ، استحکام و سختی را کاهش می دهند .

نیکل ، مس ، قلع ، پتانسیل گرا فیتی شدن را طی تغییر و تبدیل یوتکتیک ، ا فزایش می دهد ولی آنرا طی تبدیل یوتکتوئید کاهش می دهد ، بنابرا ین نسبت پرلیت / فریت را بالا می برد . ا ین اثر ثانویه بدلیل بازنشستگی پراکنش کربن است . این ا لمنت ها و عناصر در ماتریکس ، محلول های جامد می سازند آ ز آنجا که آنها مقدار پرلیت را بالا می برند ،استحکام و سختی نیز بالا می رود . کرم ، مولیبدن ، تنگستن و وا نادیوم پتانسیل گرا فیتی سازی در هر مرحله را کاهش می دهند . بنابرا ین مقدار کاربید و پرلیت را ا فزایش می دهند . بطور ا صولی آ نها در کاربید متمرکز می شوند و یک سری کاربید های نوع nc (FeX ) می سازند ولی محلول جامد aFe را هم آ لیاژ می کنند . تا زما نیکه تشکل کاربد روی ندا ده ا ست ، ا ین عناصر و ا لمنت ها ، ا ستحکام و سختی را افزایش می دهند . در بالاتر از یک سطح خاص ، هر کدام ا ز اینها جامد شد ن یک ساختار دارای Fe3C ( ساختار مخطط ) را تعیین می کنند که دارای ا ستحکام کمتر ولی سختی بالاتر می باشد . بطور کلی می توان اینگونه فرض کرد که خواص زیر چدن خاکستری با افزایش استحکام کششی از کلاس ۲۰ به کلاس ۶۰ افزایش می یابد :

● تمام استحکام ها ، شامل استحکام در دمای بالا رفته
● قابلیت ماشینی شدن تا پرداخت کاری ظریف
● مدول کش سانی
● رزیستانس سایش

از سوی دیگر ، خواص دیگر با افزایش استحکام کششی ، کاهش می یابد به شکلی که چدن دارای استحکام کم اغلب از چدن استحکام بالا بهتر عمل می کند . ا لبته زمانیکه این خواص مهم باشند :

● قابلیت ماشینی شدن
● رزیستانس شوک حرارتی
● ظرفیت damping
● قابلیت ریخته گری شدن در قطعات نازک

تولید موفقیت آمیز یک ریخته گری چدن خاکستری به سیال بودن فلز مذاب و نرخ و میزان خنک شوندگی بستگی دارد که تحت تاثیر حداقل ضخامت قطعه و تنوع آن ، قرار می گیرد .

طراحی قالب ریزی و ریخته گری
اغلب برحسب حساسیت قطعه شرح می دهند . این امر ، تلاشی است یرای ارتباط دهی خواص در بخشهای اصلی ریخته گری با ارات ترکیبی کامپوزیت و نرخ میزان خنک شوندگی . تمامی این فاکتورها به یکدیگر مرتبط هستند و می توان آنها را در یک عنوان کلی مطرح نمود یعنی قابلیت ریخته شدن که برای چدن خاکستری می تواند در یک mold ، حفره دارای نسبت مشخص حجم / مکان و خواص مکانیکی مطابق با نوع آهن ریخته شونده ، تولید شود . افت های حاصل ا ز جریان غلط ، بسته شدن سرد و یا گوشه های گرد . اغلب به فقدان سیالیت فلزی نسبت می یابد و ارتباط پیدا می کند که قرار ا ست ریخته شود . شرایط قا لب ، سرعت و میزان ریختن و دیگر متغییرهای جریانی برا برو سیال بودن آهن خاکستری صنعتی ، عمدتاً به مقدار و میزان سوپر حرارت بالاتر از دمای یخ زدن ( مایع ) وا بسته است . با کاهش میزان کل کربن ، دماهای مایع ، افزایش می یابد . و سیال بودن در یک دمای ریختن ، با کاهش مواجه می شود . سیال بودن را معمولاً به شکل طول جریان در یک قا لب تست سیا ل نوع کروی ، اندازه گیری می کنند .

اهمیت رابطه بین سیا ل بودن ، مقدار کربن و دمای ریختن زمانی واضح می شود که مشخص گردد درجه بندی در ا ستحکام طبقه ASTM چدن خاکستری تا حد زیادی به تفاوت و ا ختلاف کربن ( ۳٫۶۰ ~ تا ۳٫۸۰ در صد برای کلا س ۲۰ ؛ ۲٫۷۰ ~ تا ۲٫۹۵ درصد برای کلاس ۶۰ ) وابسته ا ست . بنابراین سیا ل بودن این چدن ها به معیار حد ماکزیمم دمای ریختن ، ارتباط می یابد . میکروساختار معمولی چدن خاکستری ، ماتریکسی از پرلیت با گرافیت فلسی پراکنش یافته کلی می باشد. شیوه کارخانه می تواند به گونه ای تنوع داشته باشد که هسته ای شدن و رشد گرافیت فلسی در ا لگویی انجام گردد که به تسریع و خواص مورد نظر، بیانجامد. مقدار، اندازه و توزیع گرافیت ها نیز حائز اهمت هستند . خنک شوندگی که خیلی هم سریع است می تواند آهن به اصطلاح مبرد شده بسازد که در آن کربن مازادی به شکل کاربیدهای بزررگ ، مشاهده می شود . خنک شوندگی در سرعت و میزان پایین تر می تواند چدن خالدار ایجاد کند که در آن ، کربن به شکل سیمانی اولیه ( کاریبد آهن ) و گرافیت ، ظاهر می شود .

گرافیت ورقه ای یکی از هفت نوع ( شکل یا فرم ) گرافیت شک گرفته در ۲۴۷ A ASTM است . گرافیت ورقه ای به پنج گروه تقسیم بندی می شود ( ا لگوها ) که آنها را با حروف ، نشان می دهند : از A تا E . اندازه گرافیت با مقایسه یک چارت اندازه ASTM مشخص می شود که ظاهرهای عادی فلس های هشت اندازه مختلف را در بزرگنمایی α ۱۰۰ نشان می دهد .

گرافیت ورقه ای نوع A ( جهت گیری پراکنده ) برای اکثر مصارف و کاربردها مناسب است . در اندازه های حدوسط فلس ، نوع گرافیت فلسی A ، به دیگر انواع در کاربردهای دارای سایش خاص مثل سیلندرهای موتورهای احتراق درونی ، عا لی تر و برتر هستند . گرا فیت ورقه ا ی نوع A ( ا لگوی روزت ) ، خاص خنک شوندگی سریع است . مثل حالت متداول قطعات نازک ( حدود mm 10 ) و در امتداد قعات قطور تر و بعضی مواقع از تلقیح ضعیف ، حاصل می شوند .

فلس ها ی بزرگ نوع C در چدن و آهن های هایپر یوتکتیک فرم می یابند . این فلس های بزرگ ، رزیستانس و مقاومت به شوک حرارتی را با افزایش هدایت گرنایی و کاهش مدول الاستیک تسهیل و تسریع می کنند . از سو یدگر ، فلس های بزرگ به پرداخت های سطحی خوب در قطعات مکانیکی یا استحکام بالا ، یا رزیستانس تماسی خوب ، جوابگویی و هدایت ( رسانایی ) ندارند .

فلس های کوچک و با شکل درونی دندریتی دارای جهت گیری در نوع D ، یک پرداخت ماشینی شده ظریفی را با تقلیل حفره دار شدن سطح فراهم می سازد ولی به دست آوردن یک ماتریکس پرلیت با ین نوع گرافیت ، مشکل می باشد . نوع D ممکن است نزدیک سطوح خنک شده یا در قطعات نازک شکل گرفته باشد . به شکل متناوب ، این گرافیت ها با یک ماتریکس فریت ، احاطه شده اند و در قالب ریزی و ریخته گری ، m نقطه نرم را ایجاد می کنند .

نوع E به شکل درون دندریتی است که به جای جهت گیری پراکنده دارای جهت گیری ترجیحی است . نوع E ، علیرغم نوع D می تواند با ماتریکس پرلیت همراه باشد و بنابراین ، یک ریختگری را اجاد می کند که خواص سایشی آن به خوبی مورد یک ریختگری حاوی نوع گرافیت A در یک ماتریکس پرلو.یت می باشد . در واقع کاربردها و مصارف متعددی وجود دارد که در ان نوع فلس تا زمانیکه به شرایط خواص مکانیکی رسیده باشیم از اهمیت بالایی برخور دار نیستند .

چدن خاکستری یکی از قدیمی ترین فر آورده های ریخته گری فروز است . علیرغم رقابت با مواد جدید تر و ارتقاء انرژی آنها ، چدن خاکستری را هنوز برای آن کاربردها مارفی بکار می برند که خواص آن ، ثابت نموده است برای این کاربرد بسیار مناسب است . چدن خاکستری پس از فولاد نوری پر مصرف ترین ماده فلزی جهت امور مهندسی است . در سال ۱۹۶۷ تولید چدن خاکستری بیش از ۱۴ میلیون تن و یا دو و نیم برابر حجم و مقدار دیگر انواع قالب ریزی و ریخته گری ها ترکیبی بود . دلایل متعددی برای معروفیت و کاربرد وسیع آن وجود دارد .

چدن خاکستری دارای خواص متعدد و مطلوبی است که مواد دیگر ، آنها را ندارند و هنوز در مان ارزان ترین مواد موجود و در دسترس مهندسین می باشد . ریختگری چدن خاکستری در کاخانه هایی صورت می گیرد که سرمایه گذاریهای خوبی انجام داده اند . هدف از این متن ، برانگیختن توجه سما به سوی خواص و شاخصه های چدن خاکستری ات که این ماده را بسیار مفید کرده است . چدن خاکستری یک از آسانترین قالب ریزیهای تمام فلزات را در کارخانه دارد و دارای پایین ترین دمای رختن فروس و فلزات است که ان امر در سیال بودن بالای آن و قابلیت ریختگری به شکل های متنوع مشهود است . بدلیل حالت خاصی طی مراحل آخر جامد شدن دارای پارگی جامد اندک و یا در بعضی موارد ، فاقد پارگی مایع یه جامد است به گونه ای که بنظر می رسد قالب ریزی ، سریعاً به دست می آید . برای اکثر مصارف و کاربردها ، چدن خاکستری را در شرایط قطعه خام آن بکار می برند که این کار ، تولید را ساده می سازد . چدن خاکستری دارای کیفیت ماشینی شدن عالی است و این حالت سطحی با خواص سایشی عالی فراهم می کند . رزیستانس چدن خاکستری به خط انداختن و خراشیدگی با ماتریکس مناسب و ساختار گرافیتی خوب ، از مشهوریت و معروفیت بالایی برخور دار است .

ریختگریهای چدن خاکستری را می توان در هر پروسه کارخانه ای معین انجام داد . جالب تر اینکه علیرغم این واقعیت که چدن خاکستری یک ماده قدیم و با مصرف بالا در ساخت و سازهای مهندسی است ولی متالورژی ماده را تا چند سال اخیر ، درستی و دقت ، مشخص نکرده بودند . خواص مکانیکی چدن خاکستری نه تنها با کامپوزیت آن مشخص است بلکه شدیداً تحت تاثیر شیوه اجراء و کار کارخانه ، خصوص سرعت و میزان خنک شوندگی در ریختگری ، می باشد . تمام کربن در چدن خاکستری ، غیر از مقدار ترکیب شده با آهن برای تشکیل پرلت در ماتریکس به عنوان گرافیت و به شکل فلس هایی با اندازه و شکل متنوع می اشد . وجود همین فلس هایی شکل گرفته در جامد شدن است که خواص و شاخصه های آهن خاکستری را ایجاد می کند . در ضمن وجود این فلس ها خواص مطلوب را به چدن خاکستری می دهد .

متالوژی چدن خاکستری

مک کنزی در مقاله سال ۱۹۴۴ خود از چدن به عنوان ” فولاد به اضافه گرافیت ” اشاره کرد . اگرچه تعریف ساده وی هنوز هم بکار می رود. ولی خواص چدن خاکستری تحت تاثیر مقدار گرافیت موجود ، شکل ، اندازه و توزیع گرافیت پوسته ای می باشد . اگرچه ماتریکس به فولاد شباهت دارد ولی مقدار سیلیکون بالا ، به همراه سرعت خنک شوندگی بر مقدار کربن در ماتریکس اثر می گذارد . چدن خاکستری به دسته ای آلیاژهای سیلیکونی کربن بالا متعلق است که آهن های حبه ای و چکش خوار را نیز در برمی گیرد . به استناء منیزیم و دیگر المنت ها و عناصر دانه ای شونده در آهن حبه ای می توان با واریاسیون هایی در شیوه ذوب و تولید ، هر سه ماده از یک کامپوزیت و ترکیب تولید نمود . علیرغم مصرف بالای چدن خاکستری ، متالوژی آن از سوی کاربران و مصرف کنندگان زیادی دقیقاً شناخته نشده است و حتی بعضاً تولیدکنندگان نیز از آن اطلاع دقیقی ندارند . یکی از اولین و کامل ترین مباحث متالوژی چدن خاکستری را می توان در کتب مربوطه مشاهده کرد . تازه ترین مرور و بررسی متاوژی چدن و تشکیل گرافیت از سوی ویزر و همکارانش ارائه شده است . در اینجا برای جلوگیری از دو گانه شدن اطلاعات فقط حالات ضروری ترمالوژی چدن خاکستری را به بحث می گذاریم .

ترکیبات و کامپوزیت
چدن خاکستری با دامنه وسیعی از ترکیبات ، ساخته و تولید می شود . کارخانجات دارای شراط مشابه ، ممکن است جهت بهره مندی و سود بیشتر و یا صرفه جویی در هزینه مواد خام موجود و ماهیت کلی نوع ریخته گری حاصله در کارخانه خود ، از ترکیبات متنوعی استفاده کنند به همین دلیل ، آخال ترکیبات و مواد شیمیایی در مشخصات محصول خریداری شونده جهت قالب ریزی باید تا حد ممکن بر طرف شود چراکه این امر نکته مهمی در تولید به شمار می آید . دامنه کامپوزیت هایی که ممکن است در ریخته گری چدن خاکستری مشاهده شود می تواند اینگونه باشد : منیزیم ۲٫۷۵ تا ۴٫۰۰ درصد ؛ منگنز ۰٫۲۵ تا ۱٫۵۰ درصد ؛ سولفور ۰٫۰۲ تا ۲۰٫ ۰ درصد ؛ فسفر ۰٫۰۲ تا ۷۵٫ ۰ درصد . یک یا چند مورد از عناصر آلیاژی زیر نیز ممکن است در مقادیر مختلفی وجود داشته باشد . مولیبدن ، مس ، نیکل ، وانادیوم ، تیتانیوم ، قلع ، آنتیمون و کرم . نیتروژن نیزبین ۲۰ تا ppm 92 وجود دارد .