مقدمه

چدن (cast iron) ، آلیاژی از آهن،کربن و سیلیسیم است که همواره محتوی عناصری در حد جزئی (کمتر از ۰/۱ درصد) و غالباً عناصر آلیاژی (بیشتر از ۰/۱ درصد) بوده و به صورت ریختگی یا پس از عملیات حرارتی به کار برده می‌شود. عناصر آلیاژی جهت 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 و حتی ممکن است در مواردی نیز، مثل ساخت میل لنگ، جانشین فولادشوند. در هر حال، با دارا بودن مزایایی از قبیل قیمت پایین تمام شده تولید توأم با قابلیت ریخته گری، استحکام، قابلیت ماشین کاری، سختی، مقاومت در برابر سایش، مقاوم در برابر خوردگی، انتقال حرارت و جذب ارتعاش در این آلیاژ آن را از سایر آلیاژهای ریختگی آهنی متمایز ساخته است.. اساساً خواص مکانیکی چدن به ساختار زمینه آن بستگی دارد. مهمترین ساختار چدن ها عبارتند از: فریتی ، پرلیتی ، بینیتی و آستینتی.نوع چدن و ترکیب آن براساس خواص و کاربردهای آن تعیین می‌شود.

چدن خام

آهن، اغلب از کانه های اکسید یا کربنات که گوگرد، آرسنیک و غیره از آنها زدوده شده باشد با برشته کردن در هوا، و احیا با کربن تهیه می‌شود. کانه آهن با کک و کربنات کلسیم آمیخته شده و در یک کوره بلند که دمای بیشینه آن ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد است گرم می‌شود ناخالصی های عمده اسیدی به کمک سرباره (کلسیم سیلیکات، آلومینات و غیره) خنثی می‌شود و توده فلزات مذاب به صورت چدن خام به بیرون جریان می‌یابد. چدن خام شامل ۲ تا ۴ درصد کربن و اندکی گوگرد، فسفر و سیلسیم است. چدن مذاب را به صورت خام یا آلیاژ ی، در قالب های ماسه ای یا فلزی به صورت اشکال مختلف می ریزند.

طبفه‌بندی چدن ها

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

چدن های معمولی (عمومی)

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

–         چدن خاکستری با گرافیت لایه ای یا ورقه‌ای

–         چدن مالیبل یا چکش‌خوار با گرافیت برفی شکل

–         چدن نشکن یا نودلار با گرافیت کروی

–         چدن با گرافیت فشرده یا کرمی شکل

     چدن های خاکستری با گرافیت ورقه ای یا لایه ای:چدن های خاکستری جزو مهمترین چدن های مهندسی هستند که کاربردهای زیادی دارند. نام این چدن ها از رنگ خاکستری سطح مقطع شکست آن و شکل گرافیت مشتق شده است. خواص چدن های خاکستری به اندازه ، مقدار و نحوه توزیع گرافیت و ساختار زمینه بستگی دارد. خود این‌ها نیز به کربن، سیلیسیم و فسفر(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 وابسته است. به طور کلی این چدن ها ضریب هدایت گرمایی بالایی داشته، مدول الاستیستیه و قابلیت تحمل شوک های حرارتی کمی دارند و قطعات تولیدی از این چدن ها به سهولت ماشینکاری شده 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 موضعی با تکرار تنش ها هستند، مناسب می‌سازد. همچنین در ساخت ماشین آلات عمومی ، کمپرسورهای سبک و سنگین ، قالب‌ها ، میل لنگ‌ها ، شیر فلکه‌ها و اتصالات لوله‌ها و غیره از چدن های خاکستری استفاده می‌شود.

     چدن های مالیبل یا چکش خوار با گرافیت برفی شکل:چدن های چکش خوار از عملیات حرارتی چدن سفید بدست می آید. ساختار چدن های سفید مرکب از کاربیدهای شبه پایدار در زمینه‌ای پرلیتی است بازپخت در دمای بالا باعث ایجاد توده های متراکم از 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 تولید انتخاب می‌شود. مثلاً بالا رفتن Si بازپخت را جلو انداخته و موجب عملیات حرارتی خوب و سریع با سیکلی کوتاه می‌شود ضمن اینکه مقاومت مکانیکی را نیز اصلاح می‌نماید. تأثیر عناصر به مقدار بسیار کم در این چدن ها نیز مهم است. مثلاً Te و Bi تشکیل چدن سفید در حالت انجماد را تسهیل نموده، B و Al موجب اصلاح قابلیت بازپخت توأم با افزایش تعداد خوشه‌های گرافیت می‌شوند. میزان Mn موجود و نسبت Mn/S برای آسان کردن عمل بازپخت باید 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 عمده آنها در قطعات اتومبیل، قطعات کشاورزی ، اتصالات لوله ها ، اتصالات الکتریکی و قطعات مورد استفاده در صنایع معدنی است.

     چدن های نشکن یا داکتیل با گرافیت کروی:این چدن ها 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، گوگرد۰/۰۱، فسفر۰/۰۱و منیزیم۰/۰۴ درصد وزنیاست. وجود منیزیم این چدن ها را از چدن های خاکستری متمایز می‌سازد. برای تولید چدن با گرافیت کروی از منیزیم و سریم استفاده می‌شود که از نظر اقتصادی منیزیم مناسب تر است. جهت اصلاح و بازیابی بهتر منیزیم برخی از اضافه شونده‌هایی از عناصر دیگر با آن آلیاژ می‌شوند و این باعث کاهش مصرف منیزیم می گردد. منیزیم ، اکسیژن و گوگرد زدا است. در نتیجه، منیزیم وقتی می تواند شکل گرافیت ها را به سمت کروی شدن هدایت نماید که میزان اکسیژن و گوگرد کم باشد.اکسیژن‌زداهایی مثل کربن و سیلیسیم موجود در چدن مذاب این اطمینان را می‌دهند که باعث کاهش اکسیژن شوند؛ ولی فرآیند گوگردزدایی اغلب برای پایین آوردن مقدار گوگرد لازم است. از جمله 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 طرح های بخار و شیمیایی، غلتک های خشک‌کن نورد کاغذ، در تجهیزات الکتریکی کشتی‌ها ، بدنه موتور ، پمپ‌ها و غیره است.

     چدن های با گرافیت فشرده یا کرمی شکل:شبیه چدن خاکستری است با این تفاوت که شکل گرافیت‌ها به صورت کروی کاذب بوده و از نظر جنس در ردیف نیمه نشکن قرار دارد. می‌توان گفت یک نوع چدن با گرافیت کروی است که کره‌های گرافیت کامل نشده‌اند یا یک نوع چدن با گرافیت لایه‌ای است که نوک گرافیت گرد شده و به صورت کرمی شکل درآمده‌اند. این چدن ها از نظر خواص مکانیکی بین چدن های نشکن و خاکستری اند.

ترکیب تجاری آلیاژ مورد استفاده برای تولید چدن با گرافیت فشرده عبارت است از :

۴-۵Mg، ۸٫۵-۱۰٫۵Ti، ۴-۵٫۵Ca، ۱-۱٫۵Al،۰٫۲-۰٫۵Ce،۴۸-۵۲Si

    و بقیهFeچدن با گرافیت فشرده در مقایسه با چدن خاکستری از مقاومت کششی ، صلبیت و انعطاف‌پذیری ، عمر خستگی ، مقاومت به ضربه و خواص مقاومت در دمای بالا برتری برخوردار است و از نظر قابلیت ماشینکاری و هدایت حرارتی نسبت به چدن های کروی بهتر است. 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 ساخته است. مقاومت بالا در مقابل ترک‌خوردگی آنها را برای قالبهای شمش‌ریزی مناسب می‌سازد. وجود خصوصیاتی مطلوب در دماهای بالا در این چدن ها باعث کاربرد آنها برای قطعاتی از جمله سر سیلندرها ، منیفولدهای دود ، دیسک های ترمز ، دیسک ها و رینگ های پیستون شده است.

چدن های سفید و آلیاژی مخصوص

کربن چدن سفید به صورت سمانتیت یا کاربید آهن (Fe₃C) می‌باشد که از سرد کردن سریع مذاب حاصل می‌شود. این چدن ها به آلیاژهای عاری از گرافیت و گرافیت‌دار تقسیم می‌شوند و به صورت های مقاوم به خوردگی ، دمای بالا، سایش و فرسایش موجودند.

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

–         چدن سفید پرلیتی: مقاوم به سایش

–         چدن سفید مارتنزیتی (نیکل- سخت): مقاوم به سایش

–         چدن پر کروم:Cr 33-17 مقاوم به خوردگی، سایش و حرارت

چدن سفید پرلیتی:ساختار این چدن ها از کاربیدهای یکنواخت برجسته و توپر M₃C در یک زمینه پرلیتی تشکیل شده است. این چدنها مقاوم در برابر سایش ولی بی‌نهایت شکننده اند، 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 انجام می شود. چدن های سفید مارتنزیتی دارای نیکل هستند.Ni به عنوان افزایش قابلیت سختی پذیری برای اطمینان از استحاله آستنیتی به مارتنزیتی در طی عملیات حرارتی به آن افزوده می‌شود. این جدن ها جهت افزایش سختی کاربید یوتکتیک حاوی Cr نیز هستند. این چدن ها دارای یک ساختار یوتکتیکی تقریباً نیمه منظم با کاربیدهای یکنواخت برجسته M₃C اند که بیشترین فاز را در یوتکتیک داشته و 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 می باشند. این چدن ها مقاومت عالی به رشد و اکسیداسیون در دمای بالا داشته و از نظر قیمت نیز از فولادهای زنگ نزن ارزان تر ند و درجاهایی که در معرض ضربه و یا بارهای اعمالی زیادی نیستند به کار برده می‌شوند. این چدن ها در سه دسته زیر قرار می‌گیرند:

1. چدن های مارتنزیتی با۱۲-Cr28
2. چدنهای فریتی با ۳۰-Cr34
3. چدنهای آستنیتی با ۱۵-۳۰ Cr و۱۰-۱۵ Ni برای پایداری زمینه آستنیتی در دمای پایین.

طبقه بندی این چدن ها براساس دمای کاری ، عمر کارکرد در تنش های اعمالی و عوامل اقتصادی است. کاربرد این چدن ها در میله ، سینی ، جعبه در کوره‌های زینتر و قطعات مختلف کوره‌ها، قالب‌های ساخت بطری شیشه و کاسه نمدهای فلکه‌ها است.

چدن های گرافیت دار:

–         آستنیتی: شامل دو نوع نیکروسیلال یعنی نیکل سیلسیم بالا و نیکل مقاوم (Ni-resist) بوده و هر دو مقاوم به حرارت و خوردگی می باشند.

–         فریتی: شامل دو نوع چدن، پر سیلسیم (۱۵%) مقاوم در برابر خوردگی و چدن ۵% سیلسیم در سیلال مقاوم در برابر حرارت

–         چدن سوزنی: استحکام بالا و مقاوم به سایش

چدن های آستنیتی:شامل دو نوع (نیکل- مقاوم) و نیکروسیلالNi-Si، که هر دو نوع ترکیبی از خصوصیات مقاومت در برابر حرارت و خوردگی را دارا هستند، می باشند. اگرچه چدن های غیر آلیاژی به طور کلی مقاوم به خوردگی، به ویژه در محیط های قلیایی، هستند، با این وجود این چدن ها به صورت برجسته‌ای مقاوم به خوردگی در محیط هایی مناسب و مختص به خودشان نیز هستند. چدن های نیکل مقاوم آستنیتی با گرافیت لایه‌ای که اخیراً 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 کاربردهای آنها شامل پمپ های دنده‌ای حمل اسید سولفوریک، پمپ خلأ 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 است.

     چدن های فریتی:شامل دو نوع زیر می‌باشند: چدن سفید با ۵% سیلیسیم در سیلال که مقاوم در برابر حرارت می‌باشد و نوع دیگر چدن پرسیلیسیم (۱۵%) که از مقاومتی عالی به خوردگی در محیط های اسیدی مثل اسید نیتریک و سولفوریک در تمام دماها و همه غلظت ها برخوردار است. 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 ,۱۶-۱۸ Si و ۳-۵ Cr   یا ۳-۴ Mo به آلیاژ ، اقدام نمود.

چدن های سوزنی:در این چدن ها Al به طور متناسبی جانشین Si در غلظت های کم می‌گردد. چدن های آلیاژی آلومینیم دار تجاری دو دسته اند: آلیاژهای تا۶ درصد و آلیاژهای حاوی۱۸ تا ۲۵ درصد آلومینیم. Al پتانسیل گرافیته‌ شدن را در هر دوی محدوده‌های ترکیبی ذکر شده حفظ کرده و لذا پس از انجماد، چدن خاکستری بدست می‌آید. این آلیاژها به صورت چدن های با گرافیت لایه‌ای ، فشرده و کروی تولید شده و دارای مزایای استحکام کششی بالا، مقاومت به شوک حرارتی و تمایل به گرافیته شدن و سفیدی کم می‌باشند و امکان تولید قطعات ریختگی با مقاطع نازک‌تر را فراهم می نمایند. چدن های با Al کم مقاومت خوبی به پوسته شدن نشان داده و از قابلیت ماشینکاری مناسبی نیز برخوردارند. کاربردهای متعارف آنها منیفولد دود، بدنه توربوشارژر، روتور دیسک ترمز، کاسه ترمز، بوش سیلندر، میل بادامک و رینگ پیستون است. وجود Al در کنار Si در این نوع چدن ها باعث ارائه خواص مکانیکی خوب توأم با مقاومت به پوسته‌شدن در دماهای بالا می‌شود. این آلیاژها مستعد به تخلخل‌های گازی هستند. آلومینیوم حل شده در مذاب می تواند با رطوبت یا هیدروکربن های موجود در قالب ترکیب شده و هیدروژن آزاد تولید کند. این هیدروژن آزاد قابل حل در فلزمذاب بوده و باعث به وجود آوردن مک‌های سوزنی شکل در انجماد می‌شود.

انواع ساختارهای زمینه چدن

خواص مکانیکی چدن اساساً به زمینه آن بستگی دارد. به همین دلیل چدن ها را با عبارت ساختار زمینه آنها مثلاً انواع پرلیتی یا فریتی توصیف می‌کنند. مهمترین ساختارهای زمینه چدن عبارتند از:

فریت

فریت محلول جامد Fe-C است که مقادیر قابل ملاحظه‌ای Si و مقادیر کمتری Ni ،Cu وMn در آن حل شده‌اند. فریت، نسبتا نرم، چکش خوار، کم استحکام ، دارای مقاومت به سایش ضعیف، شکست خوب، ضریب هدایت گرمایی نسبتاً خوب و قابلیت ماشینکاری خوب است.یک زمینه فریتی را می‌توان به طور ریختگی تولید کرد اما اغلب با عملیات حرارتی باز پخت (آنیل) به دست می آید.

پرلیت

مخلوطی از فریت و سمنتیتاست که توسط واکنش یوتکتوئید از آستینیت تشکیل شده است. نام پرلیت از ظاهر صدف گونه‌اش مشتق شده است. پرلیت، نسبتاً سخت بوده، از چقرمگی کمتری برخوردار است، و دارای ضریب هدایت گرمایی کم و ماشینکاری خوبی است. وقتی فاصله بین لایه های پرلیت در زمینه کم می‌شود خواص مکانیکی افزایش می‌یابد. مقدار کربن پرلیت در فولادهای غیر آلیاژی ۰/۸ درصد است در حالی که در چدن ها بسته به ترکیب چدن و سرعت خنک شدن متغیر بوده و حتی می تواند کمتر از ۰/۵ درصد در چدن های پرسیلسیم باشد.

فریت- پرلیت

ساختار مخلوطی است که غالباً برای رسیدن به خصوصیاتی مابین آنچه که در فوق شرح داده شد به کار گرفته می‌شود.

بینیت

این ساختار می‌تواند به صورت ریختگی با افزودن عناصر آلیاژی Mo وNi به مقادیر معین تولید شود. در ضمن، جهت اطمینان بیشتر می‌توان توسط عملیات حرارتی آستمپر نیز به این ساختار رسید. این آلیاژ، با توجه به صرفه اقتصادی آن اخیراً توانسته است نقش موثری به ویژه در مهندسی خودرو، قطعات دنده ها و قطعات انتقال نیرو داشته باشد. مزایای چدن های داکتیل آسمتپر عبارتند از: استحکام کششی بالا توأم با چقرمگی، انعطاف پذیری و استحکام خوب، مقاومت به سایش و خراش، ظرفیت بالای جذب صدا و کارکرد، خواص ریخته گری خوب، فرم پذیری نزدیک به شکل نهایی حتی در شکل های خیلی پیچیده، قابلیت ماشینکاری خوب در حالت ریختگی و حدود ۱۰ درصد 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 معین لازم است. چدن با 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 محدوده گسترده ای از انبساط حرارتی که تابع Si موجود در چدن است را نشان دهد.

برخی از کاربردهای چدن ها:

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

• در خودرو و صنایع وابسته به آن مثلاً 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 مثلاً 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، قالب های شمش، قالب های شیشه، بوته‌های ذوب فلز.

• اگر چدن های غیر آلیاژی به طور کلی مقاوم به خوردگی به ویژه در محیط های قلیایی هستند، چدن های نیکل مقاوم و نیکروسیلال و نیکل و کروم بالا به صورت برجسته‌ای مقاوم به خوردگی در محیط هایی مناسب و مختص به خودشان هستند. مهمترین کاربرد این چدن ها در پمپ های دنده‌ای حمل اسید سولفوریک، پمپ‌ها و شیرهایی که در آب دریا مصرف می‌شوند، قطعات مورد استفاده در سیستم های بخار و جابجایی محلول های آمونیاکی، سود و نیز برای پمپاژ و جابجایی نفت خام اسیدی در صنایع نفت هستند.

منبع:daneshnameh.roshd.ir