ریختهگری فرآیند تولیدی است که در آن مواد مایع، اغلب فلز، در قالبی حاوی یک حفره توخالی به شکل دلخواه ریخته میشود و سپس اجازه میدهد تا جامد شود. این تکنیک در تولید اشکال پیچیده ای که دستیابی به آنها با روش های دیگر دشوار یا غیراقتصادی است، مفید است. بخش جامد شده که به عنوان ریختهگری شناخته میشود، میتواند برای دستیابی به خواص نهایی
مطلوب، تحت عملیات تکمیلی مختلفی قرار گیرد . ریخته گری فن شکل دادن فلزات و آلیاژها از طریق ذوب ، ریختن مذاب در محفظهای به نام قالب و آنگاه سرد کردن و انجماد آن مطابق شکل محفظه قالب است. این روش قدیمیترین فرایند شناخته شده برای بدست آوردن شکل مطلوب فلزات است. اولین کورههای ریختهگری از خاک رس ساخته میشدند و لایههایی از مس و چوب به تناوب در آن چیده میشد . در ادامه به بررسی ویژگی های چدن ها و انواع آنها میپردازیم . به دلیل وجود کلمات اختصاصی در متن بهتر است قبل از مطالعه به این مطلب مراجعه کنید
چدن ، آلیاژی از آهن ، کربن و سیلیسیوم است که میزان سیلیسیوم ، کربن و شکل کربن موجود ، آن را از فولادها متمایز میکند . کربن در فولادها به صورت نیمه پایدار وجود داشته و در چدن ها به صورت پایدار (گرافیت) به استثنی چدن سفید (کربن در چدن سفید به صورت نیمه پایدار کاربید آهن) وجود دارد . چدن ها در مقایسه با فولادها دارای مقادیر بالاتر سیلیسیوم و کربن هستند و بر اساس شکل و نحوه حضور کربن در ساختار زمینه آلیاژ ، نامگذاری می شوند . تفاوت دیگر چدن ها با فولادها حضور محصول یوتکتیکی در چدن ها است که در فولادها به دلیل وجود کربن کمتر از 2.1% استحاله یوتکتیکی رخ نمیدهد
به دلیل وجود کلمات اختصاصی در متن بهتر است قبل از مطالعه به این مطلب مراجعه کنید
هزینه تولید پایین
در تولید چدن به دلیل نیاز کمتر و در مواردی عدم نیاز به تصفیه و استفاده از قراضه و همچنین کوره های کلاسیک ، نظیر بوته ای و دوار ، هزینه تولید بسیار پایین تر از قطعات فولادی قرار دارد ضمن اینکه اکثر ماسه های طبیعی برای قطعات چدنی از نقطه زینتر مناسبی برخوردار است و جز در
موارد خاص نیاز به استفاده از ماسه مصنوعی و تحمیل هزینه اضافی ندارد
نقطه ذوب و دمای ریخته گری مطلوب
عدم حساسیت به زبری سطوح
مناسب برای واحدهای کوچک ریخته گری
قابلیت جذب ارتعاش بالا
به دلیل وجود گرافیت ، قابلیت جذب ارتعاش بالایی در چدن ها داریم که بالاترین آن مربوط به چدن با گرافیت ورقه ای و کمترین مربوط به چدن با گرافیت کروی است
مقاومت به سایش مطلوب
سیالیت مناسب
استحکام فشاری بالا
انقباض حجمی پایین به دلیل حضور گرافیت
قابلیت ماشین کاری مناسب
انعطاف در روش های ریخته گری
خواص مکانیکی ثابت بین 20 تا 350 درجه سانتیگراد
حساسیت فاقی بسیار پایین
تمرکز تنش کم
همانطور که اشاره شد نام گذاری چدن ها بر اساس شکل و نحوه حضور کربن صورت می پذیرد . البته چدن ها را میتوان براساس ساختار زمینه نیز طبقه بندی کرد . منظور از نحوه حضور کربن ، حضور به صورت آزاد (گرافیت) و یا ترکیبی (کاربید آهن) است که شامل دسته های زیر می شود
چدن سفید ، چدن خاکستری ، چدن مالیبل یا چکش خوار ، چدن داکتیل (نشکن) ، چدن با گرافیت فشرده ، چدن خالدار و چدن آلیاژی
چدن با گرافیت فشرده | چدن نشکن | چدن مالیبل | چدن خاکستری | چدن سفید | نام عنصر |
---|---|---|---|---|---|
2.5-4 | 3-4 | 2.2-2.9 | 2.5-4 | 1.8-3.6 | کربن |
1-3 | 1.8-2.8 | 0.9-1.9 | 1-3 | 0.5-1.9 | سیلیسیوم |
0.2-1 | 0.1-1 | 0.15-1.2 | 0.2-1 | 0.25-0.8 | منگنز |
0.01-0.03 | 0.01-0.03 | 0.02-0.2 | 0.02-0.25 | 0.06-0.2 | گوگرد |
0.01-0.1 | 0.01-0.1 | 0.02-0.2 | 0.02-1 | 0.06-0.2 | فسفر |
فولاد با 0.3% کربن | چدن نشکن | چدن مالیبل | چدن خاکستری | چدن سفید | خصوصیات |
---|---|---|---|---|---|
4 | 1 | 2 | 1 | 3 | قابلیت ریخته گری |
3 | 2 | 2 | 1 | 0 | قابلیت ماشینکاری |
2 | 1 | 3 | 5 | 4 | قابلیت اعتماد |
4 | 2 | 2 | 1 | 4 | جذب ارتعاش |
4 | 2 | 2 | 1 | 0 | سختی پذیری سطحی |
1 | 1 | 2 | 3 | 0 | مدول الاستیسیته |
1 | 2 | 3 | 5 | 0 | مقاومت به ضربه |
5 | 2 | 4 | 3 | 1 | مقاومت به سایش |
4 | 1 | 2 | 1 | 2 | مقاومت به خوردگی |
3 | 1 | 4 | 5 | 0 | نسبت مقاومت به وزن |
4 | 2 | 3 | 1 | 3 | هزینه ساخت |
خواص چدن ها تحت تاثیر ساختار گرافیت ، فاز زمینه ، سرعت انجماد و عناصر آلیاژی میباشند . برای شناخت و تشخیص نوع چدن و طبعا خواص مکانیکی و خصوصیات فیزیکی مورد انتظار ، بررسی نوع ساختار گرافیت ، برای پی بردن به خواص آن نوع چدن به کار میرود . در جدول زیر و شکل ضمیمه آن به بررسی انواع گرافیت و مورفولوژی آن پرداخته شده است
شکل گرافیت موجب تعیین برخی خواص مانند مقاومت به ضربه ، استحکام ، مقاومت به سایش ، انتقال حرارت ، چقرمگی ، استحکام کششی ، فشاری و چقرمگی در قطعات چدنی میگردد
مشخات گرافیت | شماره گرافیت بر اساش astm | شماره گرافیت بر اساس iso |
---|---|---|
گرافیت ورقه ای چدن خاکستری | VII | I |
گرافیت خرچنگی | V | II |
گرافیت کرمی شکل یا فشرده | IV | III |
گرافیت برفکی چدن مالیبل | III | IV |
گرافیت کروی نامنظم | VII | V |
گرافیت کروی کامل | I,II | VI |
لازم به ذکر است که تشکیل کاربید آهن ، تحت تاثیر عواملی نظیر سرعت سرد شدن قالب ، عناصر آلیاژی ، استفاده از مواد جوانه زا یا تلقیح و حذف ناخالصی ها است که در جریان تهیه مذاب و بارریزی بایستی مورد توجه باشد . مضاف بر اینکه افزودن فر سیلیسیم به مذاب چدن جهت بهبود به سیالیت و قابلیت ریخته گری نقش مفیدی را ایفا می کند و سبب بهبود جوانه زایی و افزایش کیفیت گرافیت از نظر تعداد و پراکندگی در ساختار نیز می گردد
فاز زمینه معمولا حاصل محلول جامد بین نشینی کربن و آهن است که بسته به فضای بین نشینی و پارامتر شبکه ، حلالیت کربن در این ساختار ها متغیر است . البته عناصر آلیاژی و نحوه انجماد نیز بر ساختار نهایی تاثیرگذار هستند . گاهی جوانه زنی گرافیت منجر به تشکیل فریت در نواحی اطزاف گرافیت میشود ؛ به این صورت که نواحی اطراف جوانه گرافیت ، تهی از کربن میشود (کربن این مناطق جذب گرافیت میشود) مانند ساختار پرلیتی چدن داکتیل که در آن هاله ای از فریت ، اطراف گرافیت کروی را احاطه کرده و به ساختار چدن چشم گاوی مشهور است
معمولا ساختارهای فریتی ، پرلیتی و آستنیتی در زمینه چدن ها در خلال انجماد تشکیل میشود و برای میل به سایر ساختارهای زمینه بایستی با انجام عملیات حرارتی ، زمینه تشکیل آنها را فراهم نمود . تفاوت عمده ساختارهای زمینه در ساختار کریستالی فاز زمینه ، خلاصه میشود که خود بر مقدار حلالیت کربن ، نفوذ عناصر آلیاژی ، خاصیت مغناطیسی و خواص مکانیکی آلیاژ اثر خواهد گذاشت
همانطور که میدانیم خواص چدن تحت تاثیر فاز زمینه و شکل گرافیت متغیر است . سرعت انجماد عاملی است که هر دو این مولفه ها را تحت تاثیر خود قرار میدهد . با افزایش سرعت سرد شدن ، اندازه فاز گرافیت کاهش یافته و در صورت حضور عناصر کاربیدزا و افزایش بیش از حد این سرمایش ، موجب تشکیل سمنتیت خواهد شد . کاهش اندازه دانه و گرافیت های موجود در ساختار ، دلیلی برای افزایش خواص مکانیکی است
سرعت انجماد از طرق دیگری نیز خواص مکانیکی را تحت الشعاع قرار میدهد . میدانیم نفوذ اتم ها وابسته به فاصله اتمی است . با این که نفوذ ، در سه ناحیه شبکه کریستالی ، سطح آزاد و مرزدانه ها امکان وقوع دارد ، در میابیم که افزایش سرعت سرد شدن ، باعث ریزدانگی قطعات شده و در اثر ریزدانگی ، مرزدانه افزایش یافته ؛ لذا مکانهای مستعد برای نفوذ اتمی را افزاش داده ایم . در مرزدانه ها به دلیل عدم انطباق دانه ها سرعت نفوذ ، نسبتا بالا است . این مهم در برخی عملیات های بعدی که بر پدیده نفوذ برای دستیابی به خواص مورد نظر قرار دارد ، اهمیت دو چندان پیدا میکند ؛ مانند سختکاری{{مجموعه فرایندهایی جهت افزایش سختی در سطح آلیاژهای آهنی از طریق نفوذ کربن ، نیتروژن ، بور و ...}} به وسیله شعله یا القای جریان مغناطیسی که موجب افزایش مقاومت به سایش در سطح قطعات میگردد
اما در ساختارهایی نظیر پرلیت که از لایه های متناوب فریت و سمنتیت تشکیل شده اند ، افزایش زمان سرد شدن موجب رشد این لایه ها شده و محصول نهایی ، پرلیت ضخیم است که خواص مکانیکی پایینتری از پرلیت ظریف دارد که در سرعت بالاتری سرد شده است
جدا از بهبود و تقویت خواصی نظیر قابلیت ماشینکاری ، سیالیت و مقاومت به خوردگی ، برخی عناصر آلیاژی ، بر موقعیت نقاط بحرانی در نمودار آهن - کربن اثر گذاشته و سبب تغییر در این محدوده و نقاط میشوند . عناصری نظیر وانادیم ، کروم ، تنگستن که فریت زا بوده ، موجب افزایش نقطه یوتکتوئید و گسترش ناحیه فازی فریت میشوند و از آن طرف نیکل و منگنز کاهش نقطه یوتکتوئید را به دنبال دارند و باعث پایداری آستنیت در دمای محیط میگردند
یکی از محدودیت های چدن های گرافیتی ، این است که نمیتوان به ساختاری دانه ریز در مورد این آلیاژها دست یافت ، زیرا چنین ساختاری مستلزم سرمایش سریع خواهد بود که موجب تشکیل کاربیدهای تبریدی میشود . لذا برای بهبود این دست محدودیتها از عناصر گرافیتزا در مقاطع نازک یا قسمتهایی که نیاز است سریعتر سرد شوند{{گاهی برای جهت دادن به انجماد نیاز داریم قسمتهایی از قالب سریعتر سرد شوند که برای میل به این منظور قالبهای هوا گرد و آبگرد ، مورد استفاده قرار میگیرند}} ، استفاده میشود تا توانایی سفید شدن در آلیاژ را تضعیف نمایند
افزودن سیلیسیوم و یا عناصر گرافیت زا موجب تغییر یوتکتیک و یوتکتوئید آلیاژ شده و منجر به سمت چپ رفتن این نقاط در نمودار میشود . ممکن است که دو چدن با کربن معادل یکسان دارای خواص ریخته گری و مکانیکی یکسان نباشند . برای روشن شدن بهتر این موضوع لازم است که طبق رابطه محاسبه کربن معادل ، تاثیر سیلیسیوم بر کربن ، معادل 1/3 تاثیر کربن بر کربن معادل است . تاثیر سیلیسیوم بر آلیاژ ، کاهش سختی و افزایش انعطاف و در نهایت فریتی کردن زمینه است . اما کربن ، گاما ژن بوده و ضمن افزایش سیالیت و سختی ، زمینه تشکیل کاربید را فراهم میکند . نتیجتا نمیتوان یکسان بودن کربن معادل را معیاری برای تناسب خواص دو آلیاژ قرار داد
برای درک بهتر تاثیر عناصر آلیاژی در چدن ها باید این را اضافه کرد که استفاده از عناصر آلیاژی ، موجب تغییر خواص و ساختار زمینه خواهد شد . به عنوان مثال ، حضور سیلیسیوم در چدن خاکستری ، تشکیل گرافیت ورقه ای را ترغیب میکند و همچنین منیزیوم در چدن های داکتیل(نشکن) ایجاد گرافیت کروی را تسهیل میکند
عناصر آلیاژی از چند دهم درصد تا 60% در ترکیب چدن ها برای نیل به اهدافی نظیر افزایش قابلیت کار در درجه حرارت های بالا ، مقاومت به سایش ، مقاومت به خوردگی و مقاومت به اکسیداسیون به کار گرفته میشوند
حضور برخی عناصر در چدن ها میتواند خواسته یا ناخواسته در اثر وجود در سنگ معدن و یا اضافه شدن در مراحل استخراج و استحصال باشد . خواص و تاثیرات این عناصر میتواند مفید یا مضر قلمداد شود . حضور سیلیسیوم اغلب مفید و حضور گوگرد و فسفر که به همراه آهن در مراحل استخراج تا ذوب حضور دارند ، مضر میباشد . برای شناخت بهتر خواصی که تحت تاثیر افزودن این مواد قرار دارند به شرح مختصر آنها در جدول زیر میپردازیم
اثر عنصر بر واکنش یوتکتوئید | اثر عنصر در انجماد | نوع عنصر |
---|---|---|
امکان تشکیل فریت و گرافیت را افزایش میدهد | گرافیت زای قوی | آلمینیوم |
تثبیت کننده قوی پرلیت است | در مقادیر کم تاثیر چندانی ندارد | آنتیموان |
اثر متوسطی در تثبیت پرلیت دارد | باعث تشکیل سمنتیت میشود ولی خودش کاربید تشکیل نمیدهد | بیسموت |
باعث تشکیل گرافیت میشود | گرافیت زای قوی است | بور (تا 0.15%) |
تثبیت کننده قوی پرلیت است | تثبیت کننده کاربید است | بور (بیش از 0.15%) |
تشکیل و تثبیت پرلیت | تثبیت کننده کاربید است و باعث تشکیل کاربیدهای کمپلکس بسیار پایدار میشود | کرم |
امکان تشکیل پرلیت را افزایش میدهد | گرافیت زای متوسط | مس |
باعث تشکیل پرلیت میشود | کاربید زای متوسط | منگنز |
تشکیل دهنده و تثبیت کننده قوی پرلیت | کاربید زای متوسط | مولیبدن |
تشکیل دهنده متوسط پرلیت | گرافیت زایی | نیکل |
امکان تشکیل فریت و گرافیت را افزایش میدهد | گرافیت زای قوی | سیلیسیوم |
تثبیت کننده متوسط پرلیت | تشکیل دهنده قوی کاربید است ولی باعث پایداری کاربید نمیشود | تلوریوم |
تثبیت کننده پرلیت | در محدوده پایین اثر چندانی ندارد ، گرافیت زای متوسط | قلع |
تشکیل فریت و گرافیت را افزایش میدهد | گرافیت زایی | تیتانیم (کمتر از 0.25%) |
تثبیت پرلیت | تشکیل کاربید پایدار تیتانیوم خواهد داد | تیتانیم (بیشتر از 0.25%) |
تشکیل پرلیت را شدیدا می افزاید | تشکیل دهنده قوی کاربید | وانادیوم |
در این مطلب به طور خلاصه و تخصصی به بررسی ساختار چدن ها و عوامل مؤثر بر آن پرداختیم . مجموعه ما مفتخر است با بهره گیری از تجربیات ارزشمند و موفق نزدیک به 30 سال و همکاری با شرکت ها و هولدینگ های معتبر و با دراختیار داشتن پرسنل با تجربه و مجرب و با رعایت استانداردهای کیفی با شتابی بیشتر از گذشته بتواند در برآورده شدن نیاز صنایع کشور سهیم باشد . ریخته گری انواع چدن ، چدن خاکستری ، چدن داکتیل (نشکن) ، چدن نایهارد(ضد سایش) و چدن های آلیاژی