چدن

چدن به آلیاژهایی از آهن و کربن که بین ۲.۱الی ۶.۲درصد کربن داشته باشند، گفته می‌شود. رنگ مقطع شکست این آلیاژ به عنوان شناسه نامگذاری انواع مختلف آن به کار می رود. بیش از ۹۵درصد وزنی چدن را آهن تشکیل میدهد و عناصر آلیاژی اصلی آن کربن و سیلیسیم هستند. به طور معمول بین ۲.۱تا ۴درصد کربن و ۱تا ۳درصد 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 ۱۱۵۴درجه سانتی گراد و ۴.۳درصد کربن اتفاق می افتد که حدود ۳۰۰درجه 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 ۱۹۴۸در فیلادلفیای آمریکا در کنگره جامعه ریخته گران معرفی شد. توسعه سریع آن در طی دهه ۱۹۵۰آغاز و مصرف آن در طی سال های ۱۹۶۰روبه 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.

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 ۸۰۰درجه 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 ۸/۱برابر 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 ‏‏۴۵۰الی۵۰۰کبلو وات ساعت بر تن، انرژی نیاز دارد، در ‏حالی که سرباره ۷۰۰الی ۸۰۰کیلووات 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، ۵۱۰-۴۸۲درجه سانتیگراد میباشد.

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

روش ريخته‌گري تبريدي۱در 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.

در اين مقاله، سعي شده است تا ضمن معرفي اين فرايند، مجموعه فعاليت‌هاي آزمايشي جايگزين‌سازي توليد قطعه ميل سوپاپ خودرو پژو۴۰۵، با استفاده از ريخته‌گري تبريدي، معرفي و ارزيابي شود.

 براي افزايش خواص مقاومت قطعه در برابر سايش و حفره‌دار شدن چدن‌ها، ۴روش 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 ۱تا ۴درصد 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