تحقیق مقاله مطالعه و بررسی پدیده سایش ( Wear ) به عنوان یک معضل در صنعت

چکیده :

 پدیده سایش (Wear) یکی از معضلاتی است که صنعت از دیرباز با آن مواجه بوده است . برخورد منطقی در جهت رفع این مشکل ، مرهون بررسی دقیق پدیده و عوامل موثر بر آن می باشد . بدین منظور برخی از مواد مناسبی که با توجه به مبانی متالورژیکی در عمل قابل استفاده می بانشد مانند (چدنهای سفید کرم دار، Ni-hard) مورد بررسی قرار می دهیم .

- تعریف سایش و عوامل موثر بر آن

 سایش عبارت است از تلفات مکانیکی ماده از سطح یک جسم بواسطه تماس آن با سطح یا جسم دیگر علیرغم مکانیکی بودن این پدیده ، گاه با واکنشهای شیمیایی نیز همراه می شود .

 - فاکتورهای کلیدی موثر برسایش عبارتند از :

1) متغیرهای متالورژیکی نظیر سختی ، چقرمگی ( tough ness) ساختار میکروسکوپی و ترکیب شیمیایی

2) متغیرهایی نظیر مواد در حال تماس ( نظیر ساینده ها و مشخصات آنها ) نوع و روش بارگذاری (Loading) ،سرعت ، دما ، زمان ، خشونت سطحی ، روانکاری ( Lubrication) و خوردگی .

در اینجا ما دو نوع ا زمواد مقاوم به سایش را مورد بررسی قرار می دهیم که عبارتند از چدنهای سفید پرکرم و چدنهای سفید Ni-hard که ابتدا چکیده ای از این دو نوع چدن سفید را در پایین می آوریم .

در اینجا دو نوع چدن سفید پرکرم و Ni-hard را مورد بررسی قرار میدهیم .

1- چدنهای سفید Ni-hard

Ni-hard چدن سفید آلیاژی نیکل – کرم داری است که مقاومت قابل ملاحظه ای در مقابل سایش دارد . بیش از 50 سال است که این آلیاژ وارد صنعت شده و موارد مصرف ، منحصر به فردی در صنایعی چون شکل دادن فلزات ، استخراج معدن ، نیروگاهها ، سیمان ، سرامیک ، رنگ، حفاری ، زغال سنگ و کک ، ریخته گری و دیگر صنایع پیدا کرده است این آلیاژ (که قیمت نسبی آن پایین است ) را می توان به جای چدن سفید معمولی در مواردی که به مقاومت در مقابل سایش مورد نیاز است و نیز به جای فولاد 12 درصد منگنز در مواردی که به مقاومت در مقابل آلیاژ، غلطک های نورد ، زره آسیاب ها ، رینگ های بولدوزر ، کلاهک غلطک (‌ Noll-heads)اجزاء پمپهایی که در گل و لای کار می کنند لوله و زانوها و خرد کننده ها می باشد .

در حالیکه Ni-hard نام مناسبی برای قطعات ریختگی این کلاس آلیاژی است ، و در حقیقت در پاره ای از کشورهای صنعتی جهان این نام بعنوان یک نام تجاری به ثبت رسیده است ، اما قطعاتی با ترکیب شیمیایی Ni-hard بوسیله تولید کننده هایی که در این زمینه تجربیاتی دارند تحت عناوین تجارتی خودشان از قبیل NI CROMAX , DIAMAX , BF954, ELVERITE, DIAMITE نیز تولید می شوند .

2- چدنهای سفید پرکرم

 چدنهای سفید پرکرم از جمله پرمصرفترین آلیاژها در ساخت قطعات مقاوم به سایش هستند این آلیاژها اغلب با روش ریخته گری تولید می شوند و عملیات حرراتی عمدتاً باعث بهبود مقاومت سایشی انها می گردد ، لیکن گزارشاتی در ارتباط با قابلیت «‌کارسختی پذیری » آستنیت در حین سایش وجوددارد .

چدنهای سفید پرکرم یکی از مهمترین آلیاژهای مقاوم به سایش در صنعت می باشند و کاربرد وسیعی در ساخت گلوله وزره آسیاها و قطعات مقاوم به سایش دارند بکار گیری این آلیاژها رد صنعت اغلب بدلیل نتایج مطلوب خصوصاً در مورد گلوله های آسیا به علت نرخ سایش پایین تر آنها نسبت به سایر آلیاژهای مقاوم به سایش بوده است .

 ما در اینجا این دو نوع از چدن سفید ( پرکرم و Ni-hard) را از جهات مختلفی مانند (‌ساختار میکروسکوپی ، پروسه تولید ، عملیات حرارتی ، ملاحظات متالورژیکی وغیره و...) مورد بررسی قرار دادیم .

فصل اول :

چدن های کرم دار

در تجهیزاتی که عملیات سایش انجام می گیرد آلیاژهای آهنی با بیشترین کربن بهترین مقاومت سایشی را دارند. ولی بخاطر تنشهای متعددی که هنگام کار به وجود می آید باید ماده به کار رفته چقرمگی کافی برای جلوگیری از بروز عیوب گوناگون را داشته باشد. فولادهای غیر آلیاژی یا کم آلیاژ با کربنی حدود 4/0% در حالتی که ساختارشان مارتنزیتی است چقرمگی پائینی دارند. چدنهای سفید غیر آلیاژی که اغلب کاربید موجود در انها سمنیتت است سالها به علت مقاومتی که در مقابل سایش دارند مورد استفاده قرار گرفته اند. با این حال در موارد متعددی استفاده از انها رضایت بخش نبوده است. ضعف این چدنها در ساختارشان است. فاز کاربید یک شبکه پیوسته ای را در اطراف دانه های آستنیت تشکیل داده و موجب تردی و ترک خوردن می گردد. افزایش یک عنصر آلیاژی که کربن را به صورت کاربیدی غیر از سمنتیت با سختی بیشتر و خواص مطلوب تر در آورده و نیز مقدار کربن زمینه را کاهش دهد، موجب بهبود همزمان چقرمگی و مقاومت سایشی می شود. عنصری که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد کرم است، و کاربید آن بیشتر به صورت M7C3 می باشد. در خردکننده ها قطعاتی که تحت سایش هستند باید نه تنها در مقابل سایش بلکه در مقابل تنشهای دینامیکی هم که می تواند منجر به شکستهای ناگهانی شود مقاومت کنند. قطعاتی که در معرض تنشهای سنگین هستند مشکل بزرگی را به وجود می آورند و آن اینکه قطعه باید دو خاصیت متناقض را در کنار هم داشته باشد که عبارت است از مقاومت سایشی و چقرمگی.

مقاومت در مقابل شکست ناگهانی در این قطعات خاصییت پیچیده ای است که نه تنها به چقرمگی بلکه به شکل هندسی قطعه و نحوه توزیع تنشهای داخلی بستگی دارد. چقرمگی وابسته به پارامترهای متعدد مکانیکی، فیزیکی و متالورژیکی است. کربن مهمترین عاملی است که روی مقاومت سایشی و چقرمگی آلیاژهای آهنی به طور همزمان ولی در خلاف جهت هم اثر می گذارد. با افزایش مقدار کربن تأثیر آن روی مقاومت سایشی بیشتر می شود. انتخاب ترکیب شیمیائی و عملیات حرارتی برای کسی که درصدد یافتن راهی برای بهینه کردن مقاومت سایشی و چقرمگی باشد از بیشترین اهمیت برخوردار است. جهت بدست آوردن سختی پذیری کافی است برای ضخامت مشخص مقدار عنصر آلیاژی مناسب انتخاب شود. ساختار میکروسکوپی این گروه از چدنهای سفید شامل کاربیدهای آهن – کرم یوتکتیک ناپیوسته (Cr, Fe)7 C3 و کاربیدهای ثانویه غنی از کرم در زمینه ای از آستنیت یا محصولات استحاله آن می باشد. به کمک عملیات حرارتی می توان زمینه آستنیتی، مارتنزیتی، بینیتی و یا پرلیتی بدست آورد. مقاومت سایشی بهینه و بهترین ترکیب مقاومت سایشی – استحکام – چقرمگی در چدنهائی که زمینه مارتنزیتی دارند می آید. نامهای معروف چدنهای سفید آلیاژی تجارتی عبارتند از: چدنهای نیکل هارد CR (IV, II, I)12، CR15، CR20، CR25.

اثر ساختار میکروسکوپی

بیشترین مقاومت سایشی این چدنها نتیجه مستقیم ساختار میکروسکوپی آنهاست. اغلب فرایندهای سایشی را می توان یک عمل برشی یا فراشی تعریف نمود. نظیر عملیات ماشینکاری که یک ذره ساینده به سطح فلز فرورفته و خطوط سایش و تغییر شکل ایجاد کرده و ذراتی را از سطح جدا می کند. براده هائی که از محل سایش بدست آمده اند حاوی ذرات بسیار ریزی هستند که از قلم تراش در حین عملیات ماشینکاری جدا شده اند. برای عملی شدن مکانیزم سایش کاملاً ضروری است که وسیله ساینده از فلز سخت تر باشد. اگر این وسیله نرمتر باشد فرآیند بیشتر به خوردگی و اکسیداسیون شبیه خواهد باشد. اگر این وسیله نرمتر باشد فرآیند بیشتر به خوردگی و اکسیداسیون شبیه خواهد بود و فقط سایش ناچیزی انجام می گیرد. جدول 1 سختی میانگین تعدادی از مینرالها، کاربیدها و آلیاژهای پر آهن با ترکیبات مختلف زمینه را نشان می دهد. این مقایسه مشخص می کند که کوارتز که مهمترین ترکیب در اغلب مینرالهای ساینده می باشد از آلیاژهای آهن با هر نوع ساختاری که زمینه آنها داشته باشد سخت تر است به همین جهت می تواند به راحتی آنها را بساید. کاربید آهن (سمنیتت) که بیشترین کاربید در چدنهای سفید کم آلیاژ می باشد از کوارتز نرمتر است و کاربید کرم که بیشترین کاربید در چدنهای پر کرم است از کوارتز سخت تر است و به همین جهت در مقابل سایش مقاومت می کند. کاربیدهای زیادی هستند که از کاربید کرم هم سخت تر می باشند ولی متأسفانه بسیار گران هستند و این مسئله موجب محدود شدن کاربرد آنها شده است. در چدن سفید کاربیدها چیزی کمتر از 50- 40 درصد از کل حجم قطعه را نشان می دهند بقیه زمینه است و چون این زمینه از کوارتز نرمتر است سائیده می شود بنابراین ممکن است کاربیدها کنده شده و از زمینه خارج شوند و فقط از قسمتی از مقاومت سایشی آنها به طور کامل استفاده گردد.

(جدول در فایل اصلی موجود است)

جدول 1

انتخاب زمینه

بهترین زمینه ای که می توان انتخاب کرد مارتنزیت پر کربن و سختی است که سختی آن ناشی از کاربیدهای ثانویه پراکنده می باشد. دومین انتخاب خوب می تواند آستنیت ناپایدار کار سختی پذیر باشد. بهترین اتحاد بین استحکام و چقرمگی را می توان بر اساس ساختار میکروسکوپی توضیح داد. در چدنهای سفید پر کرم کاربیدها در زمینه پراکنده شده اند که این برخلاف حالتی است که در چدنهای سفید پر کرم کاربیدها در زمینه پراکنده شده اند که این بر خلاف حالتی است که در چدنهای سفید کم آلیاژ لدبوریتی وجود دارد. در این حالت ساختار را می تواند به صورت زمینه ای از سمنتیت با محصولات گوناگون استحاله آستنیت که فاز ترد کاربید بر استحکام و چقرمگی غلبه کرده است، توصیف نمود.

افزایش مقدار کربن حجم کاربیدها را در ساختار افزایش می دهد از آنجائیکه این کاربید ها سختی و مقاومت سایشی بالائی دارند افزایش کربن موجب افزایش مقاومت سایشی نیز می شود. به هر حال اگر مقدار کربن از مقدار یوتکتیک زیادتر شود کاربیدهای اولیه زیادی تشکیل خواهند شد که اینها ترد بوده و تحت ضربه ذرات ساینده منجر به شکست می شوند و در نتیجه باعث افزایش کاهش وزن در اثر سایش می گردند و این با یک کاهش در چقرمگی و خواص مکانیکی همراه است. به عنوان نتیجه حداکثر مقدار کربن مجاز برای اغلب کاربردها تا حد یوتکتیک است. تنها در حالتهائی که سطح چه در مقیاس میکروسکوپی و چه در مقیاس ماکروسکوپی تحت ضربه و تنشهای مکانیکی پائینی باشد مقدار کربن هیپریوتکتیک مفید خواهد بود.

درصد کربن یوتکتیک در مذابی با cr15% تقریباً 6/3% و در مذابی با CR20%، 2/3% و در CR25%، 3% می باشد. عناصر دیگری می توانند این مقادیر را تغییر دهند مخصوصاً سیلسیم که آن را کاهش می دهد.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 1

در بسیاری از فرآیندهای سایش آستنیت چدنهای پر کرم  مشابه با فولادهای هادفیلد با 12% منگنز می تواند کار سخت شود ولی به هر حال این کار سختی زمینه مقاومت سایشی چدن را به اندازه چدن پر کرم با زمینه مارتنزیتی افزایش نمی دهد. این موضوع را جدول 2 نشان می دهد. طبقه بندیهائی که در این جدول روی آلیاژها انجام گرفته عملاً در بسیاری از عملیات خرد کردن و اسیاب کردن تجربه شده است. و این چیزی است که منطقاً از تست های سایشی آزمایشگاهی انتظار میرود. عیب دیگر یک زمینه آستنیتی و یا نیمه آستنیتی، نا پایدار بودن آن است که ممکن است تحت تنش های مکانیکی و یا افزایش دما تبدیل به مارتنزیت شود. تغییرات حجمی که این تبدیل بدنبال خواهد داشت، تنشهائی را به وجود می آورد که ممکن است قطعه را شکسته و یا موجب ترک خوردن سطح آن شود. مقاومت سایشی مارتنزیت با افزایش مقدار کربن بالا میرود. کاربیدهای ثانویه پخش شده در زمینه عملیات حرارتی تشکیل شده اند، به علت تشکیل نقاط سخت و پراکنده در زمینه در بسیاری از کاربردها مقاومت سایشی را افزایش می دهند. آلیاژهائی که در حالت مارتنزیت بهترین مقاومت سایشی را دارند حاوی 12 تا 22% کرم می باشند اگر مقدار کرم کمتر از 12% بوده و مقدار کربن درحد یوتکتیک و یا حتی کمی به سمت هیپویوتکتیک باشد ممکن است مقداری کاربید یوتکتیکی که بیشتر به صورت سمنتیت است تا کاربید کرم، تشکیل شده و منجر به کاهش محسوسی در مقاومت سایشی و چقرمگی شود. در حالتی هم که مقدار کرم بالای 22- 20 درصد و مقدار کربن در حد ترکیب یوتکتیک باشد قسمت اعظم کربن به صورت کاربید کرم در آمده و در نتیجه یک زمینه مارتنزیتی کم کربن بدست می آید که مقاومت سایشی این زمینه کم خواهد بود.

ذوب و ریخته گری چدنهای پر کرم

چدنهای پر کرم را می توان در انواع کوره های الکتریکی و کوره های سوختی تولید کرد. اصولاً نسوز کاری این کوره ها می تواند خنثی و یا اسیدی باشد در حالتی که از نسوز اسیدی استفاده شود امکان دارد که بین کرم موجود در مذاب و سیلیس نسوز واکنشی انجام گیرد ولی این حقیقت که مقادیر زیادی از چدنهای پرکرم که در کوره های القائی با جداره اسیدی تولید میشود، معلوم می کند که از دیدگاه عملی این موضوع مسئله ای را پیش نمی آورد. کوره‌های کوپل به علت اکسیده شدن و از بین رفتن زیاد کرم و نیز وارد شدن کربن زیاد و تبدیل ترکیب شیمیائی به هایپریوتکتیک برای ذوب چدنهای پر کرم مناسب نمی باشد. معمولاً مواد شارژ عبارتند از: قراضه های فولادی آلیاژی و غیر آلیاژی، بر گشتی قطعات ضد سایش و فروکرم پر کربن.

چدنهای پر کرم معمولاً به صورت آرام ذوب می شوند و بجز حالتی که نیاز به کاهش کربن باشد نیازی به دمش اکسیژن نیست. برای ذوب در کوره های القائی که تلاطم خوبی دارند دماهای بالا لازم نیست و معمولاً اگر دمای نهائی به C° 1480 برسد کافی خواهد بود. در کوره های قوس الکتریکی برای اطمینان هموژن شدن ترکیب مذاب و برای افزایش سرعت حل شدن کربن و عناصر آلیاژی که بعد از ذوب به کوره اضافه می شود عموماً از دماهای نهائی تا C° 1565 استفاده می شود. کربوریزاسیون به روش عادی و با استفاده از مواد معمولی انجام می گیرد. استفاده از چدن خام نیز امکان پذیر است اما باید سیلیس آن پائین باشد. برای جلوگیری از تلفات در اثر اکسید شدن، فرو کرم را در پایان عملیات ذوب اضافه می کنند در کوره های القائی تلفات فرو کرم حدود 5/0 می باشد در حالیکه در مورد مولیبدن، نیکل و مس این تلفات ناچیز است.

دمای لیکیدوس چدنهای پر کرم حاوی 16- 12 درصد کرم اساساً تابعی از مقدار کربن می باشد شکل. دمای سالیدوس عمدتاً به مقدار کرم بستگی دارد. محدوده این دما برای cr12%، C° 1180- C° 1170 برای cr15%، C° 1220- 1200 و برای cr20%، C° 1260- 1240 می باشد. چند سال قبل اکسیژن زدائی مذاب توسط آلومینیوم مشابه با آنچه که در ذوب فولاد انجام می گیرد معمول بود در حال حاضر بسیاری از تولید کننده های بزرگ این روش را بدون اینکه هیچ گونه اثر مضری روی خواص دیگر داشته باشد کنار گذاشته اند. افزایش تیتانیم در کوره که گاهی به منظور کنترل اندازه دندریت ها انجام می گیرد، تأثیر کمی روی خواص دارد. گزارشاتی مبنی بر اینکه افزایش آلومینیوم و تیتانیم در کوره مشکلاتی را دررابطه با تغذیه بوجود می آورد، موجود است. کنترل دقیق مقدار سیلسیم در قطعات ضخیم از جنس چدن پر کرم بسیار مهم است. در بسیاری موارد علت پائین بودن مقاومت سایشی قطعات این است که مقدار سیلسیم از مقدار تعیین شده بیشتر بوده و در نتیجه موجب بوجود آمدن زمینه پرلیتی شده است. یکی از دلایل افزایش مقدار سیلسیم استفاده غلط از فروکرم پر سیلسیم است.از طرف دیگر اگر مقدار سیلسیم در کوره کمتر از 4/0% باشد سرباره ویسکوز شده و مشکلاتی را ایجاد خواهد کرد. اگر مقدار سیلسیم حدود 6/0% باشد در عملیات ذوب مسئله ای پیش نخواهد آمد.

ریختن فلز مذاب

برای تولید قطعات چدنی پر کرم کنترل دقیق دماهای بارریزی بسیار مهم است. جهت جلوگیری از کشیدگی و عیوبی نظیر نفوذ ذوب و ماسه سوزی لازم است که از دماهای بارریزی پائین استفاده شود. دماهای پائین در کنترل اندازه دندریت ها و بدست آوردن ساختار ریزدانه با کاربیدهای یوتکتیکی نیز مؤثر است. معمولاً دماهای بارریزی C° 55 بالای خط لیکیدوس هستند. دمای بارریزی قطعاتی که ضخامت آنها کمتر از mm 100 باشد، C° 1400- 1350 انتخاب می شود. در این دما لایه اکسید تشکیل شده بر روی فلز مذاب باعث می شود که مذاب غلیظ به نظر آید ولی در واقع مذاب سیالیت بسیار عالی دارد هنگام انتخاب دمای بارریزی بهینه باید شکل قطعه نیز در نظر گرفته شود. دماهای بارریزی بالا کشیدگی در زیر تغذیه ها را تشدید کرده و با به وجود آمدن حفره های انقباضی نسبتاً درشت در بین دندریتها با ساختاری بسیار درشت دانه همراه خواهد بود.

تنشهای نا خواسته (باقیمانده) در قطعات

ترکهای ناشی از سنگ زنی

چدنهای پر کرم ریختگی در حالتی که زمینه عمدتاً آستنیتی است بسیار مستعد تشکیل ترکهای سایشی هستند. ترکهای حرارتی در طول مدت سایش را می توان با استفاده از یک چرخ نرم با سرعت زیاد به حداقل رسانید. ترکهای سایشی همواره کم عمق هستند. قطعاتی با ساختار پرلیتی و یا مارتنزیتی در مقابل چرخهای ساینده و فشارهای ساینده بسیار مقاوم هستند بنابراین عملیات سایش باید بعد از عملیات حرارتی انجام گیرد.

ملاحظات متالوژیکی

ارتباطات فازی

مطالعات زیادی که در نیم قرن گذشته انجام شده در مورد ارتباطات فازی سیستم سه تایی FE-CR-C یک سری اطلاعات عمومی بدست داده است. این حقیقت که شرایط تعادل واقعی هرگز در تولید قطعات پیش نمی آید و علاوه بر آن افزایش مولیبدن و عناصر آلیاژی دیگر ارتباطات فازی مشاهده شده در آلیاژهای FE-CR-C نسبتاً خالص را تغییر می دهد.

کاربرد عملی دیاگرام های تعادل FE-CR-C را محدود کرده است اما از طرف دیگر دیاگرام تعادل اطلاعاتی در مورد اینکه در یک ترکیب و دمای مشخص چه نوع کاربید و یا فاز فلزی پایدار است بدست می دهد. در مورد حد حلالیت کاربید و کرم در آستنیت و اثر حرارت روی آنها نیز اطلاعاتی به ما می دهد. اینکه عناصر آلیاژی دیگر تا چه حدی ارتباطات فازی مشاهده شده در سیستم FE-CR-C را تغییر می دهند کاملاً مشخص نشده است بخصوص در مورد آلیاژهای پر کرم و پر کربن. منگنز و مولیبدن در کاربیدهای M7C3 محلول هستند و مقادیر زیادی از مولیبدن و کاربیدهای M3C در چدنهای پر کرم- مولبیدن نیز دیده شده اند. مولبیدن و منگنز در کالبید M3C محلول هستند، عناصر آلیاژی سیلسیم، نیکل و مس اکثراً حلالیت محدودی در فاز کاربیدی دارند و در زمینه فلزی متمرکز می شوند.

چدنهای پر کرم به عنوان یک کلاس از چدنهای آلیاژی با حضور کاربیدهای سخت و نسبتاً نا پیوسته از کلاسهای دیگر تشخیص داده می شوند و برعکس، چدنهای آلیاژی کم کرم حاوی کاربید M3C نسبتاً پیوسته و نرم و چدن سفید حاوی یوتکتیک M3C  پیوسته می باشد.

در جدول مقادیر سختی برای کاربیدهای M7C3 ، M3C و کاربیدهای آلیاژهای دیگر و همچنین برای ساختارهای مختلف میکروسکوپی آورده شده است.

چدنهای پر کرم معمولاً از آلیاژهای هیپویوتکتیک با 3-4/2% کربن و 22-18% کرم تولید می شوند با توجه به سطح لیکیدوس سیستم پایدار FE-CR-C در شکل 2 در آلیاژهای هیپویوتکتیک انجماد با تشکیل دندریتهای آستنتیت شروع شده

شکل 2- سیستم سه تایی لیکیدوس (FE-CR-C ).

شکل 3- منطقه 900- 1000- 1150 درجه سانتی گراد نقشه سیستم سه تایی لیکیدوس(FE-CR-C ).

آستنیت به یک محلول فوق اشباع از کربن و کرم تبدیل می شود. این مسئله همراه با حضور عناصر آلیاژی دیگر نظیر مولیبدن، منگنز، نیکل و مس که روی کینتیک استحاله آستنیت تأثیر می گذارند و می تواند منجر به پایدار شدن آستنیت در دمای اتاق شود. اینکه آیا آستنیتی که هنگام انجماد تشکیل شده تا دمای اتاق پایدار می ماند و یا به صورت جزئی و یا کلی به محصولات استحاله فریت- کاربید تجزیه می شود و یا اینکه در بعضی حالات به مارتنزیت لازم است که دو شرط به طور همزمان وجود داشته باشند اولاً تمرکزعناصر آلیاژی بخصوص مقدار کربن زمینه باید بعد از انجماد کاهش داده شود. ثانیاً باید سختی پذیری در حدی باشد که از استحاله آستنیت به ترکیب های فریت- کاربید نظیر پرلیت یا بینیت جلوگیری شود. شرط اول معمولاً شامل رسوب کاربیدهای ثانویه ضمن سرد شدن آهسته در قطعات ضخیم فرصتی می دهد تا در دماهای بالا کربن از زمینه دیفوزیون کرده و کاربیدهای ثانویه رسوب کنند. بنابراین پیدا شدن مقداری مارتنزیت در قطعات ضخیم در حالت ریختگی غیر عادی نیست. مقادیر کمی مارتنزیت هم در ناحیه یوتکتیک چدنهای پر کرم در حالت ریختگی با مقاطع نازکتر پیدا می شود که احتمالاً علت آن ناهمگن بودن آستنیت مجاور کاربیدهای M7C3 می باشد که موجب می شود تمرکز کربن و کرم کم باشد. بیشتر اوقات ساختار مارتنریتی در چدنهای پر کرم به کمک عملیات حرارتی بدست آید.

سختی پذیری

به بیان ساده سختی پذیری عبارت از خاصیتی است که مقدار و نحوه توزیع محصولات فریت- کاربید تشکیل شده در اثر استحاله آستنیت هنگام سرد شدن از دماهای بالا را تعیین می کند. مفهوم سختی پذیری در مورد چدنهای ریختگی که در قالب سرد شده اند و چدنهائی که عملیات حرارتی شده و بعد از آستینه شدن سرد گردیده اند هر دو به کار می رود. اهمیت سختی پذیری از این حقیقت نشأت می گیرد که حتی در حالتی که مقادیر کمی از ترکیبات فریت- کاربید در زمینه وجود داشته باشد مقاومت سایشی کاهش خواهد یافت. برای کنترل سرعت سرد شدن قطعات ضخیم فرصت محدودی وجود دارد. بنابراین سختی پذیری در چدنهای پر کرم معمولاً تا حدی به وسیله تنظیم مقادیر کربن کرم و بیشتر مواقع به وسیله افزودن عناصر آلیاژی نظیر مولیبدن، منگنز، نیکل و یا مس کنترل می شود.

انتخاب ترکیبات

در انتخاب ترکیب مناسب برای قطعات ابتدا باید به دو مسئله توجه نمود. اول مقادیر کربن و کرم که روی مقادیر ضربه و مقاومت سایشی بهینه برای شرایطی که در کاربرد پیش بینی می شود بدست آید. دوم مقادیر منگنز، سیلیسم، مولیبدن، نیکل و مس باید طوری باشد که سختی پذیری کافی جهت رسیدن به ساختار بدون پرلیت بدست آید.

مقادیر کربن و کرم

همانطوری که قبلاً گفته شد چدنهای کرم دارای کاربیدهای 3C7M اولیه و یا یوتکتیک و یا هر دو می باشند بنابراین مقادیر کربن و کرم باید در داخل محدوده ای وسیع و مطمئن باشد. با مراجعه به تصویر لیکیدوس سیستم شبکه پایدار FE-CR-C که در شکل نشان داده شده است مقدار کربن کرم باید طوری انتخاب شود که در داخل مرزهای منطقه لیکیدوس، آستنیت یا 3C7M باشد. اکثر استاندارهای دنیا برای چدنهای پر کرم نظیر 532ASTM-A در شکل 4 نشان داده شده است. چدنهای پر کرمی که در حاضر تولید می شوند عموماً دارای 3-4/2% کربن و 22-18% کرم‌می باشند.

شکل4- ترکیب اصلی چدنهای پرکرم طبق استاندارد ASTM-A-532

در این حد مقدار کاربید یوتکتیکی به اندازه کافی زیاد است تا مقاومت سایشی خوب و چقرمگی کافی را تضمین کند و مقدار کرم در زمینه به سختی پذیری مناسب کمک می کند. همچنین مقدار کربن برای چدنهائی با 20% کرم از ترکیب یوتکتیک زیاد دور نیست بنابراین دماهای ذوب و بارریزی بالائی لازم نیست و با مشکلات کمی در تغذیه گذاری مواجه خواهیم شد و افزایش حجم کاربیدها در ساختار میکروسکوپی معمولاً مقاومت  سایشی را افزایش داده و چقرمگی را کاهش می دهد. همچنین سختی پذیری را کاهش می دهد. مقادیر کربن خیلی زیاد نیاز به کنترل دقیق دماهای شکستن راهگاه و زواید از قطعه و سرعتهای گرم و سرد کردن در طول عملیات حرارتی جهت جلوگیری از ترک دارند. با توجه به اینکه مقادیر کربن در رنج  3-4/2% در چدنی با 20% کرم مقاومت سایشی بسیار خوبی را بدست می دهد، فقط کاربردهای بسیار محدودی هستند که در آنها انتخاب مقدار کربن بالاتر با وجود افزایش فاجعه آمیزتری معقول است. از طرف دیگر کاهش بیش از حد کربن از 6/2% در چدنی با 20% کرم منجر به سختی پذیری و چقرمگی بهتر ولی مقاومت سایشی پایین تر می شود. مقادیر کربن کم زیر 8/1% استحکام فشاری را تا حدی کاهش می دهند که تغییر شکل به راحتی می تواند اتفاق افتد. در کاربردهائی که ضربات متعدد و یا فشارهای بالا اعمال می شود تغییر شکل پلاستیک ایجاد شده می تواند منجر به ترک و یا شکست گردد.

مزایای عمده  مقادیر کرم بالا و در نتیجه بالا بودن مقدار کرم در زمینه عبارتند از:

مقاومت خوردگی بیشتر، مقاومت زیاد در مقابل پوسته شدن در دماهای بالا و سختی پذیری زیاد مقاومت سایشی و مقاومت خوردگی خوب و خواص ریخته گری خوب 8/2% کربن و 28% کرم برجسته ترین کار در تولید پره های پمپ و مقاطع تا mm50 بوده است. در مقاطع نازکتر چدنهای حاوی 8/2% کربن و 28% کرم اغلب در حالت ریختگی آستنیتی بوده و  معمولآً بدون عملیات حرارتی بعدی مورد استفاده قرار می گیرند. قطعات نازکتر که باید در  مقابل سایش و خوردگی مقاومت کنند نیز با ترکیب 28% کرم با افزایش مقادیر مناسبی از مولیبدن و نیکل برای افزایش سختی پذیری ساخته می شوند.

شکل 5-  12% Chromium- hardened

Etchant: picral

شکل6

شکل 7

شکل 8-  25% Chromium- hardened

Etchant: picral

شکل 5: چدن با 12 درصد کرم و 2/3 درصد کربن، سخت در 950 و سپس در هوا خنک شده.

ساختار: کاربید یوتکتیک کرم در زمینه مارتنزیت.

شکل6: چدن پر کرم با 15 درصد کرم و 3 درصد کربن، سخت در 960 و سپس در هوا خنک شده.

ساختار: کاربید یوتکتیک کرم از نوع (CR FE)7C3 در زمینه مارتنزیت.

شکل 7: چدن پرکرم با 20درصد کرم و 7/2درصد کربن، سخت شده در 1020 و سپس در هوا خنک شده.

شکل 8: چدن پرکرم با 25درصد کرم و 3 درصد کربن، سخت شده در 1025 و سپس در هوا خنک شده.

ساختار:  کاربیدهای یوتکتیک کرم باضافه کاربیدهای ثانوی در زمینه مارتنزیت.