تحقیق مقاله چدن

چدن

چدن (Cast iron)، آلیاژی از آهن- کربن- سیلیسیم (Fe-C-Si) است که همواره محتوی عناصری در حد جزئی (کمتر از 1/0 درصد) و غالبا عناصر آلیاژی (بیشتر از 1/0 درصد) بوده و به صورت حالت ریختگی یا پس از عملیات حرارتی به کار برده می‌شود.

با وجود کاهش قابل توجه در تولید چدن‌ها در طول دهه گذشته، چدن‌ها به عنوان مهمترین آلیاژهای ریختگی مورد توجه بوده‌اند. محبوبیت ریشه ای چدن‌ها در ریخته گری اشکال پیچیده با هزینه‌های پایین تولید، قیمت تمام شده نسبتا پایین و محدوده وسیع خصوصیاتی که قابل دسترسی توسط کنترل دقیق ترکیب و سرعت خنک کردن بدون تغییرات بنیانی و اساسی در روش‌های تولید، است.

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 کاهش با کربن تهیه می‌شود. کانه آهن با کک و کربنات کلسیم آمیخته شده و در یک کوره بلند که دمای بیشینه آن 1300 درجه سانتیگراد است. گرم می‌شود ناخالصیهای 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 2 الی 4 درصد کربن و اندکی گوگرد، فسفر و سیلسیم است. چدن مذاب را به صورت خام یا پس از افزودن فلزهای آلیاژ دهنده، برای بهبود خواص چدن، در قالبهایی از ماسه یا فلز و بر حسب نوع مصرف، آنها را به صورت اشکال مختلف در می‌آورند.

آلیاژهای چدن

فلزهای آلیاژ دهنده برای بهبود کیفیت چدن برای مصارف ویژه به آن افزوده می‌شوند. آلیاژهای چدن در کارهای مهندسی که در آنها چدن معمولی ناپایدار است به کار می‌روند و حتی ممکن است در مواردی نیز، مثلا ساخت میل لنگ، جانشین فولاد شوند. در هر حال، با دارا بودن مزایایی از قبیل از قیمت تمام شده تولید پایین توام 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.

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 Fe-C است که به طور قابل ملاحظه‌ای Si و مقادیر کمتری Ni ,Cu ,Mn 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 Fe₃C 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 0.8 % است در حالی که در چدنها بسته به ترکیب چدن و سرعت خنک شدن متغیر بوده و حتی می تواند کمتر از 0.5% 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 Mo و Ni 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 10% 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 800 درجه سانتیگراد و یک محدوده گسترده ای از انبساط حرارتی که تابع از Si موجود در چدن است را نشان دهد.

انواع چدن

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

چدن های عمومی (معمولی):

این چدن ها جزو بزرگترین گروه آلیاژهای ریختگی بوده و بر اساس شکل گرافیت به انواع زیر تقسیم بندی می‌شوند:

چدن گرافیت لایه ای یا چدن خاکستری ورقه‌ای

چدن گرافیت مالیبل یا چدن چکش‌خوار

چدن گرافیت کروی یا چدن نشکن

چدن گرافیت فشرده یا کرمی شکل

چدن های سفید و آلیاژی مخصوص:

این چدن ها با آلیاژهای چدنی معمولی فرق می‌کنند. میزان عنصر آلیاژی در آنها بیش از 3% بوده و لذا آن را نمی‌توان توسط مواد افزودنی به پاتیل اضافه کرده و به یک ترکیب پایه استانداردی رسید. این چدن های آلیاژهای به آلیاژهای عاری از گرافیت و گرافیت‌دار تقسیم بندی می‌شوند و به صورت های مقاوم به خوردگی، دمای بالا، سایش و فرسایش می‌باشند.

چدن های بدون گرافیت:

چدن سفید پرلیتی: مقاوم به سایش

چدن سفید مارتنزیتی (نیکل-سخت): مقاوم سایش

چدن پر کرم (33-17 %Cr): مقاوم به خوردگی، سایش و حرارت

چدن های دارای گرافیت:

چدن سوزنی: استحکام بالا و مقاوم به سایش

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

فریتی: شامل دو نوع چدن، پر سیلسیم (15%) مقاوم در برابر خوردگی و چدن 5%سیلسیم در سیلال مقاوم در برابر حرارت

برخی از کاربردهای چدن‌ها:

در 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...

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.

اگر چدن های غیر آلیاژی به طور کلی مقاوم به خوردگی بویژه در محیط های قلیایی هستند، چدن‌های 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 چدنها در پمپهای 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.

نمودار فازی تعادلی آهن-کاربید آهن

چدن به آلیاژهایی از آهن و کربن که بین ۲.۱الی ۶.۲ درصد کربن داشته باشند، گفته می‌شود. رنگ مقطع شکست این آلیاژ به عنوان شناسه نامگذاری انواع مختلف آن به کار می رود. بیش از ۹۵ درصد وزنی چدن را آهن تشکیل میدهد و عناصر آلیاژی اصلی آن کربن و سیلیسیم هستند. به طور معمول بین ۲.۱ تا ۴ درصد کربن و ۱ تا ۳ درصد 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 ۱۱۵۴ درجه سانتی گراد و ۴.۳ درصد کربن اتفاق می افتد که حدود ۳۰۰ درجه 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.

تولید چدن

چدن از طریق ذوب مجدد سنگ آهن به همراه آهن و فولاد قراضه بدست می آید و با طی مراحلی برای حذف عناصر ناخواسته مانند فسفر و گوگرد همراه است. بسته به نوع کاربرد، میزان کربن و سیلیسم تا حد مطلوب (به ترتیب ۲ تا ۳.۵ و ۱ تا ۳ درصد وزنی) کاهش داده می شوند. سایر عناصر نیز حین ریخته گیری و قبل از شکل گیری نهایی، به مذاب افزوده می شوند. چدن به جز موارد خاص که در کوره بلند موسوم به کوره کوپل ذوب میشود، عمدتا در کوره‌های القای الکتریکی تولید می گردد. پس از تکمیل ذوب، مذاب به کوره نگهدارنده یا قالب ریخته میشود.

انواع چدن‌ها

عناصر آلیاژی

خواص چدن با افزودن عناصر آلیاژی مختلف تغییر می کند. بعد از کربن، سیلیسیم مهمترین عنصر محسوب می‌شود چرا که کربن را از حالت محلول خارج کرده، آن را به فرم گرافیت درمی آورد که تولید چدنی نرمتر، با انقباض کمتر کرده، استحکام و چگالی را کاهش می دهد. گوگرد نیز هنگام اضافه شدن سولفید آهن تولید می‌کند که مانع تشکیل گرافیت شده سختی را افزایش میدهد. مشکل گوگرد اینست که گرانروی چدن را در حالت مذاب بالا برده و عیوب ساختاری را افزایش میدهد. برای خنثی کردن اثرات گوگرد از منگنز استفاده می‌شود تا به جای سولفید آهن، سولفید منگنز تشکیل شود. سولفید منگنز از مذاب سبکتر است بنابراین برروی سطح مذاب و درون سرباره شناور میشود. مقدار منگنز مورد نیاز برای خنثی کردن گوگرد برابر است با ۱.۷*مقدار گوگرد+۰.۳%. افزودن منگنز بیش از این مقدار باعث تولید کاربید منگنز می‌شود که خود به بالا رفتن سختی و سرعت انجماد منجر میشود. تنها در مورد چدن خاکستری افزایش منگنز تا یک درصد استحکام و چگالی را افزایش میدهد. نیکل نیز از آلیاژسازهای بسیار معمول است که ساختار پرلیت و گرافیت را پالایش داده به افزایش چقرمگی کمک می‌کند و گاه حتی تفاوت سختی در ضخامتهای مختلف را از بین میبرد. کروم به مقدار جزیی به ملاقه مذاب افزوده می‌شود تا گرافیت آزاد را کاهش داده، مذاب را سرد کند و از آنجا که تثبیت کننده قوی کاربید به شمار میرود عمدتا همراه با نیکل افزوده میشود. مقدار بسیار اندکی قلع را نیز می توان به جای ۰.۵درصد کروم افزود. بین ۰.۵ تا ۲.۵درصد مس هم در ملاقه یا کوره به مذاب اضافه می‌شود تا انجماد را کاهش، گرافیت را پالایش و سیالیت را افزایش دهد. افزودن ۰.۳ تا ۱ درصد مولیبدن باعث افزایش انجماد، پالایش گرافیت و پرلیت می‌شود و معمولاً همراه با نیکل مس و کروم افزوده می‌شود تا خواص استحکامی را بهبود بخشد. تیتانیوم به عنوان گاززدا و اکسیدزدا استفاده می‌شود اما سیالیت را هم افزایش میدهد. اضافه نمودن ۰.۱۵ تا ۰.۵درصد وانادیوم، سمنتایت را تثبیت کرده سختی و مقاومت به سایش و گرما را افزایش میدهد. همچنین افزودن ۰.۱ تا ۰.۳ درصد زیرکنیوم به تشکیل گرافیت، احیا و افزایش سیالیت منجر میشود. به مذاب چدن مالیبل، حدود ۰.۰۰۲ تا ۰.۰۱ درصد وزنی بیسموت اضافه می‌شود تا بتوان سیلیسیم درصد سیلیسیم را افزایش داد. در چدن سفید عنصر بور به منظور تولید شدن چدن مالیبل افزوده می‌شود تا از اثر زمخت شدن در اثر وجود بیسموت کاسته شود.

چدن خاکستری

چدن خاکستری ریزساختار گرافیتی خاصی دارد که باعث می‌شود مقطع شکست آن به رنگ خاکستری باشد. در این نوع چدن‌ها تمامی یا قسمت اعظم کربن بصورت آزاد (گرافیت) رسوب می‌کند. از نظر وزنی رایج‌ترین نوع چدن و پرکاربردترین ماده ریخته گری محسوب میشود. چدن خاکستری عمدتا حاوی ۲.۵ تا ۴ درصد کربن، ۱ تا ۳ درصد سیلیسیم و مابقی آهن است. این نوع چدن استحکام کششی و مقاومت به شوک کمتری نسبت به فولاد دارد اما از نظر استحکام فشاری با فولاد کربنی کم و میان کربن قابل مقایسه است.