آشنایی با انواع چدن های معمولی

چدن های عمومی شامل آلیاژهای با منظور و مقاصد ویژه از جمله چدنهای سفید و آلیاژی می باشند که برای مقاومت در برابر سایش ، خوردگی و مقاوم در برابر حرارت بالا مورد استفاده قرار می-گیرند.

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

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 می-شود.خواص چدن های خاکستری به اندازه ، مقدار و نحوه توزیع گرافیت-ها و ساختار زمینه بستگی دارد. خود این-ها نیز به کربن و سیلیسیم (C.E.V=%C+%⅓Si+%⅓P) و همچنین روی مقادیر جزئی عناصر ، افزودنی-های آلیاژی ، متغیرهای فرایندی مانند، روش ذوب ، عمل جوانه زنی و سرعت خنک شدن بستگی پیدا می-کنند. 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 تنش-های حرارتی محلی با تکرار تنشها هستند، مناسب می-سازد. 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 زمینه-ای فریتی و قسمت ضخیم نشیمنگاه یا تاقان-ها زمینه-ای با پرلیت زیاد را پیدا می-کند. همچنین در ساخت ماشین آلات عمومی ، کمپرسورهای سبک و سنگین ، قالب-ها ، میل لنگ-ها ، شیر فلکه-هاو اتصالات لوله-ها و غیره از چدنهای خاکستری استفاده می-شود.

◄ 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 می-کنند. ساختار آنها مرکب از کاربیدهای شبه پایدار در یک زمینه-ای پرلیتی است بازپخت در دمای بالا که توسط عملیات حرارتی مناسب دنبال می-شود باعث تولید ساختاری نهایی از توده متراکم خوشه-های گرافیت در زمینه فریتی یا پرلیتی بسته به ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی می-شود. ترکیب به کار برده شده براساس نیازهای اقتصادی ، نحوه باز پخت خوب و امکان جذب و امکان تولید ریخته-گری انتخاب می-شود. مثلا بالا رفتن Si بازپخت را جلو انداخته و موجب عملیات حرارتی خوب و سریعی با سیلکی کوتاه می-شود و در ضمن مقاومت مکانیکی را نیز اصلاح می-نماید. 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 خوشه-های گرافیت می-شود میزان Mn موجود و نسبت Mn/S برای آسان کردن عمل بازپخت می-بایستی 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 1948 در فیلادلفیای آمریکا در کنگره جامعه ریخته گران معرفی شد. توسعه سریع آن در طی دهه 1950 آغاز و مصرف آن در طی سال های 1960 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 3.7% ، سیلیسیم 2.5% ، منگنز0.3% ، گوگرد 0.01% ، فسفر 0.01% و منیزیم 0.04% است. وجود منیزیم این چدن را از چدن خاکستری متمایز می-سازد. برای تولید چدن گرافیت کروی از منیزیم و سریم استفاده می-شود که از نظر اقتصادی منیزیم مناسب و قابل قبول است. جهت اصلاح و بازیابی بهتر منیزیم برخی از اضافه شونده-هایی از عناصر دیگر با آن آلیاژ می-شوند 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. اکسیژن-زداهایی مثل کربن و سیلیسیم موجود در چدن مایع این اطمینان را می-دهند که باعث کاهش اکسیژن شوند ولی فرایند گوگردزدایی اغلب برای پایین آوردن مقدار گوگرد لازم است. از کاربردهای این چدن ها در خودروسازی و صنایع وابسته به آن مثلا در تولید مفصل-های فرمان و دیسک ترمزها ، در قطعات تحت فشار در درجه حرارت های بالا مثل شیر فلکه-ها و اتصالات برای طرحهای بخار و شیمیایی غلتکهای خشک-کن نورد کاغذ ، در تجهیزات الکتریکی کشتی-ها ، بدنه موتور ، پمپ-ها و غیره است.

◄ چدن های گرافیت فشرده یا کرمی شکل:

این چدن شبیه خاکستری است با این تفاوت که شکل گرافیت-ها به صورت کروی کاذب ، گرافیت تکه-ای با درجه بالا و از نظر جنس در ردیف نیمه نشکن قرار دارد. می-توان گفت یک نوع چدنی با گرافیت کروی است که کره-های گرافیت کامل نشده-اند یا یک نوع چدن گرافیت لایه-ای است که نوک گرافیت گرد شده و به صورت کرمی شکل درآمده-اند. 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 می-شود 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 انعطاف-پذیری ، عمر خستگی ، مقاومت به ضربه و خواص مقاومت در دمای بالا و برتری بازمینه-ای 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 می-سازد. مقاومت بالا در مقابل ترک-خوردگی آنها را برای قالبهای شمش-ریزی مناسب می-سازد. 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 های سفید و آلیاژی مخصوص :
کربن چدن سفید به صورت بلور سمانتیت (کربید آهن ، Fe3C) می-باشد که از سرد کردن سریع مذاب حاصل می-شود و این چدن ها به آلیاژهای عاری از گرافیت و گرافیت-دار تقسیم می-شوند و به صورتهای مقاوم به خوردگی ، دمای بالا، سایش و فرسایش می-باشند.

◄ 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 بی-نهایت شکننده هستند لذا توسط آلیاژهای پرطاقت دیگری از چدن های سفید آلیاژی جایگزین گشته-اند.

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 می-شود. 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 می-شوند این چدنها در سه طبقه زیر قرار می-گیرند:


2.چدنهای فریتی با 34-30% Cr 1.چدنهای مارتنزیتی با Cr %12-28
3.چدنهای آستنیتی با 30-15%Cr و 15-10% 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 لوله-های رکوپراتو ، میله ، سینی ، جعبه در کوره-های زینتر و قطعات مختلف کوره-ها، قالب-های ساخت بطری شیشه و کاسه نمدهای فلکه-ها 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 برجسته-ای مقاوم به خوردگی در محیط هایی مناسب و مختص خودشان هستند. چدن های نیکل مقاوم آستنیتی با گرافیت لایه-ای که اخیرا عرضه شده-اند از خواص مکانیکی برتری برخوردار بوده ولی خیلی گران هستند. غلظت نیکل و کرم در آنها بسته به طبیعت محیط خورنده شان تغییر می-کند. مهمترین کاربردها شامل پمپهای دنده-ای حمل اسید سولفوریک، پمپ خلا و شیرهایی که در آب دریا مصرف می-شوند، قطعات مورد استفاده در سیستم-های بخار و جابه-جایی محلول-های آمونیاکی، سود و نیز برای پمپاژ و جابجایی نفت خام اسیدی در صنایع نفت هستند.

چدن های فریتی:
شامل دو نوع زیر می-باشد: چدن سفید 5% سیلیسیم در سیلال که مقاوم در برابر حرارت می-باشد و نوع دیگر چدن پرسیلیسیم (15%) 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 سنگ-زنی می-توان ماشینکاری نمود. مقاومت به خوردگی آنها در برابر اسیدهای هیدروکلریک و هیدروفلوریک ضعیف است. جهت مقاوم سازی به خوردگی در اسید هیدروکلریک می-توان با افزودن Si تا 18-16% ، 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 می-گردد. چدن های آلیاژهای Alدار تجارتی در دو طبقه بندی یکی آلیاژهای تا Al %6 و دیگری Al%18-25 قرار می-گیرند. Al پتانسیل گرافیته-شدگی را در هر دوی محدوده-های ترکیبی ذکر شده حفظ کرده و لذا پس از انجماد چدن خاکستری بدست می-اید. این آلیاژ به صورت چدنهای گرافیت لایه-ای ، فشرده و کروی تولید می-شوند. مزایای ملاحظه شده شامل استحکام به کشش بالا ، شوک حرارتی و تمایل به گرافیته شدن و سفیدی کم می-باشند که قادر می-سازند قطعات ریختگی با مقاطع نازک-تر 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 پوسته- شدگی در دماهای بالا می-شود. این آلیاژها مستعد به تخلخل-های 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 مک-های سوزنی شکل در انجماد می-شود.