مقدمه
نخستین خانواده چدنهای پر آلیاژ که بیشترین اهمیت را کسب کردند چدنهای نایهارد بودند با زمینه مارتنزینی، کاربیدی، کربن در آنها از 5/2% تا 6/3% متغیر می‌باشد. در این چدنها تشکیل عنصر اساسی است که به منظور به تعویق افتادن تشکیل پرلیت است و کاهش سرعت بحرانی سرد شدن در رنج 3/3% تا5/0 به کار می‌رود که نتیجتاً مارتزیت به همراه مقداری آستیت باقیمانده در زمینه ساختار به وجود می‌آید. کروم در رنج %5/3 – 4/1% اضافه می‌شود، برای حصول اطمینان از اینکه مازاد کربن آلیاژ به جرم کاربیدهای پایدار می‌سازد و همچنین از خاصیت گرافیت زایی نیکل نیز جلوگیری به عمل می‌آید. ترکیب کاربیدها به علاوه مارتنزیت زمینه‌ای با مقاومت سایشی خوبی ایجاد می‌کند. تعیین درصد عناصر آلیاژی در چدنهای نایهار بستگی دارد به ابعاد قطعه و خواصی که از آن انتظار می‌رود. زمانیکه مقاومت سایشی خوب و ضربه‌پذیری پایین مورد نظر باشد کاربیدهای درشت‌تر انتخاب شده و نتیجتاً درصد کربن بین 6/3 -3/3% انتخاب می‌شود و زمانیکه قطعه در معرض بارهای ضربه‌ای قرار می‌گیرد کربن بین 2/3-7/2% متغیر خواهد بود. درصد عناصر بستگی به سرعت سرد شدن و ضخامت قطعه دارد برای قطعات با ضخامت 1 تا 2 اینچ سیکل بین 2/4 – 4/3% برای به تعویق انداختن در تبدیل پرلیتی و اطمینان از تبدیل کامل مارتنزیتی ضروری است. چنانچه ضخامت قطعه بالاتر باشد نیکل از 5/5 – 4% مورد استفاده قرار می‌گیرد تا پرلیت تشکیل شود.
در نایهارد نوع II چنانچه درصد نیکل پایین باشد پرلیت تشکیل می‌شود و چنانچه مقدار نیکل زیاد باشد به پایداری استنیت کمک می‌کند. تفاوت اصلی در بین 4 آلیاژ چدنهای نایهارد در کاربردد آنهاست. در جدول زیر که بر اساس ASTM است مشخصات کلی این 4 کلاس متفاوت نایهارد با هم مقایسه شده است:
مقاومت به ضربه نوع D بسیار بالاتر از سه مورد قبل (A, B, C) می‌باشد. SI در آن بالاست و نقش کمک کردن به تشکیل کاربید را تسریع می‌کند چون حلالیت کربن در گاما را کاهش می‌دهد. چدن های نیکل- سخت بوفور در عملیات خرد کردن، پودر کردن، نورد کردن، و حمل مواد به کار برده می‌شوند. دو گروه عمده چدن نیکل سخت وجود دارند، چدنهای با 4% نیکل و چدنهای با 6% نیکل و 9% کروم که معمولاً به نیکل سخت 2 و 4 موسوم‌اند. نوع 2 چدن نیکل سخت شامل کاربیدهای یوتکتیکی M3C لدبوریتی است و بنابراین دارای چقرمگی کمی است در صورتیکه نوع 4 چدن نیکل سخت عمدتاً شامل کاربیدهای ناپیوسته M7C3 است و در نتیجه چقرمگی نیکل سخت 4 بیشتر است. چدن نیکل سخت نوع 2 چقرمگی کمتری دارد عمدتاً در تولید غلطک های فلز کاری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
متالورژی و کاربرد چدنهای نیکل- سخت نوع 4 تقریباً مشابه چدنهای پرکروم است. اما مشاهده شده است که در کاربردهای خاص مانند گلوله‌های آسیاب و جدار پوسته آسیابهای سیمان با قطر زیاد که قطعات ریختگی در آن هم تحت سایش و هم ضربات مکرر سنگین قرار دارند نیکل سخت 4 مقاومت لازم برای شکست را ایجاد نمی‌کند. به طور کلی مقاومت شکست چدنهای پرکروم بیش از چدنهای نیکل سخت 4 است. مشخصه‌ای که سبب ارجحیت بارز چدنهای نوع نیکل سخت 4 در مقایسه با چدنهای پرکروم می‌شود قابلیت سختی‌پذیری عالی آن است.
محدودیت استفاده از این نوع چدنها مخصوصاً در نوع 2، مربوط به شبکه پیوسته کاربید آهن می‌شود که دانه‌های آستینت رادر خود احاطه کرده است و باعث تردی آن می‌گردد. همچنین در مقاطع ضخیم این نوع چدنها را نمی‌توان تولید نمود زیرا امکان به وجود آمدن گرافیت آزاد و کاهش مقاومت به سایش وجود دارد. دیگر اینکه سختی فاز کاربید آهن از کاربیدهای آلیاژی کمتر است. سمانتیت یا کاربید آهن را می‌توان با کاربیدهای دیگر جایگزین نمود به این طریق این امکان وجود دارد که چدنی تولید نمود که فاز کاربید آن از سمانتیت سخت تر بوده و از نظر ساختاری نیز خواص مکانیکی بهتری را عاید نماید.
ساختمان سطح مقطع و تاثیر آن روی خواص مکانیکی:
عواملی که روی خواص این گونه چدنها مخصوصاً بر روی سختی ضربه پذیری آن اثر می‌گذارند عبارتند از:
نوع کاربید
شکل و اندازه کاربید ها
اندازه دانه ها
ساختمان زمینه
فازهای کاربیدی در چدنهای نیکل سخت
ترکیب شیمیایی تمام چدنهای نیکل – سخت طوری انتخاب می‌شود که بیشتر ساختار به صورت کاربید یوتکتیک و آستنیت جامد شود. مقدار کاربید یوتکتیک که تشکیل می‌شود و نیز ساختار زمینه به ترکیب شیمیایی چدن بستگی دارند.
تفاوت بین ساختار کاربیدی در انواع 2 و 4 چدنهای نیکل – سخت در شکل زیر نشان داده شده است.
چدن نیکل – سخت نوع 2 دارای ساختار لدبوریتی خاصی است که در آن کاربید M3C در برابر زیر ساختار پیوسته حضور دارد. ساختار کاربیدی علاوه بر اینکه محل مساعدی برای شروع ترک است مسیر بهتری برای اشاعه ترک نیز است. بر عکس چدن نیکل سخت نوع 4 دارای ساختار یوتکتیکی است که در آن کاربیدهای نوع M7C3 به طور ناپیوسته حضور دارند. مزیت این نوع ساختار کاربیدی این است که گر چه کاربید M7C3 به اندازه M3C ترد است ولی ترکهایی که در آن ایجاد می‌شوند قبل از این که وارد زمینه به مراتب نرمتری شوند نمی‌توانند خیلی اشاعه پیدا کنند و به این دلیل چدن نیکل- سخت نوع 4 مقاومت به وضوح بیشتری به شکست دارند تا نوع چدن نیکل سخت 2.
کاربیدهای نوع M7C3 نسبت به کاربیدهای M3C از سختی بیشتری برخوردارند ضمن این که کاربیدهای نوع M7C3 ساختار ظریفتر را ایجاد می‌نماید که منجر به سختی‌پذیری بهتر می‌گردد. کاربیدهای M3C عموماً دارای شبکه پیوسته هستند که باعث می‌شوند در مقایسه با کاربیدهای M7C3 ضربه‌پذیری و سختی کمتری داشته باشند.
تمام عناصر آلیاژی موجب افزایش درصد حجمی فاز کاربید در چدنهای نیکل – سخت می‌شوند. اما تاثیر این عناصر در مقایسه با اثر خود کربن جزئی است. دامنه حجمی کاربید در نوع 4 چدن نیکل- سخت کلی چدنهای نیکل- سخت دخالت دارد.
تاثیر شکل و اندازه کاربید ها
معمولاً ریزتر بودن کاربیدها و یکنواختی آنها نیز خواص ضربه را بهتر می‌کند لذا استفاده از روشهای انجماد سریع و اضافه کردن پاره‌ای مواد تلقیحی نظیر فرونیتانیوم یا فروکروم کربن به ذوب میتواند ساختاری ظریفتر و یکنواخت‌تر را ترغیب نماید. البته اخیراً با روشهای دیگری نظیر عملیات حرارتی خاص و یا کنترل ترکیب آنالیز توانسته‌اند شکل کاربیدها را نیز کنترل نماید.
اندازه دانه ها
هر قدر اندازه دانه ها کوچکتر باشند مقاومت به ضربه را بهبود می‌بخشد.
ساختمان زمینه:
ساختار زمینه توسط آلیاژی کردن صحیح قطعه با توجه به اندازه آن کنترل می‌شود. این چدنها درحالت ریخته شده فاقد گرافیت بوده و دارای ساختار شامل کاربیدهای یوتکتیکی با زمینه‌ای که آستنیت در آن غالب است می‌باشند. در صورتیکه عناصر آلیاژی به مقدار کافی موجود نباشند ممکن است به جای آستنیت مقادیری پرلیت نرمتر یا گرافیت به وجود آید. انجام عملیات آلیاژی کردن سبب ایجاد مقادیر زیادی آستنیت باقیمانده بعد از عملیات حرارتی می‌شود. به منظور ایجاد حداکثر سختی و مقاومت به سایش عملیات حرارتی انجام می‌شود تا زمینه‌ای با ساختار مارتنزیت فاقد آستنیت باقمیمانده ایجاد شود. بهترین ترکیب شیمیایی به ابعاد قطعه زیختگی و خواص مورد نظر بستگی داشته و معمولاً در دامنه زیر قرار دارد:
کربن 3/3-6/2%
سیلیسم 2-5/1%
منگز 8/0-6/0%
کروم 9-8%
نیکل 5/5-8/4%
مولیبدن 1-5/0%
با در نظر گرفتن این مطلب که %si + 0/3 % Cr از 1/4 بزرگتر است. مطمئناً توسط این ترکیب به جای کاربیدهای لدبوریتی، کاربیدهای ناپیوسته تشکیل می‌شوند.
علاوه بر کاربیدها آنچه خواص مکانیکی این نوع چدن را تحت تاثیر قرار می‌دهد مابقی ساختار است. جهت حصول بهتر مقاومت سایش بهتر است زمینه مارتنزیتی به دست بیاید منتهی محدودیتهای نظیر عدم اطلاع دقیق از نحوه خروج حرارت از قطعه و تاثیر تغییر ضخامت و ترکیب شیمیایی و ... باعث عدم توفیق ریخته‌گران در به دست آوردن زمینه مارتنزیتی می‌باشد. مشکل این است که در هنگام سرد کردن تبدیل آستنیت به پرلیت صورت گرفته و حضور پرلیت در جوار کاربید به شدت از مقاومت فرسایشی قطعه می‌کاهد و کروم به تنهایی برای جلوگیری از این تحول کافی نمی‌باشد لذا از عناصر آلیاژی مولیبدن، مس و نیکل جهت کاهش سرعت بحرانی سرد شدن می‌توان استفاده نمود.
مساله دیگر این است که به دلیل حلالیت زیاد کربن در آستنیت امکان باقی ماندن مقداری آستنیت باقی مانده تا درجه حرارت محیط وجود دارد. در مورد آستنیت باقیمانده دو نظر وجود دارد: در حالیکه صرفاً مقاومت سایشی مطرح است و ضربه وجود ندارد آستنیت باقیمانده نامطلوب تلقی می‌شود زیرا سختی مجموعه کمتر می‌شود و در مواردی که سایش توام با ضربه شدید وجود دارد کار سختی در لایه تماس صورت گرفته در حالی که میان قطعه دارای انعطاف بیشتری است در چنین صورت وجود مقداری آستنیت باقی مانده مجاز خواهد بود که مقدار آن باید زیر 5% باشد.
اثر عناصر آلیاژی
کربن: سختی به مقدار زیاد توسط مقدار کاربیدهای موجود، که خود به مقدار کربن بستگی دارد کنترل می‌شود. در کاربردهایی که حداکثر سختی و مقاومت به بارگذاری ضربه‌ای از اهمیت ثانوی برخوردار است از کربن به مقدار 3/3% استفاده کرد ولی در جایی که ضربات تکراری اعمال می‌شود باید مقدار کربن در دامنه 6/2 تا 9/2 باشد. جدول زیر اثر مقدار کربن را بر عمر سختی ناشی از ضربه در چدنهای نیکل سخت نوع 4 نشان می‌دهد.
چقرمگی تحت ضربات تکراری (عمر خستگی ضربه‌ای) بر حسب تعدا ضربات لازم برای شروع شکست در یک گلوله چدنی نیکل سخت به قطر mm60 که مکرراً از ارتفاع m7 بر روی یک سندان فولادی شیب‌دار می‌افتد ارزیابی شده است.
جهت حصول حجم مناسب از کاربیدهای m7c3 و ایجاد سختی‌پذیری لازم در چدنهای نایهارد مقدار آن
Grade 2A Bs2/3 – 7/2% و B2 Grade Bs% 6/3 -2/3 انتخاب می‌شود. ازدیاد کربن باعث ازدیاد مقدار کاربید شده که سختی قطعه را افزایش می‌دهد و همچنین تردی را نیز زیادتر می‌کند. در مقادیر ماقبل یوتکتیک (اگر مقدار کربن یوتکتیک برای 7% کروم حدود 2/3 است) ابتدا مذاب آستنیت جدا شده در تحول یوتکتیک مابقی ذوب به کاربید m7c3 و آستنیت تبدیل می‌شود که نهایتاً زمینه دارای کاربیدهای محصور در زمینه آستنیت است. در حوالی کربن یوتکتیک ساختمان یکنواختی از کاربید m7c3 و آستنیت یوتکتیکی ظاهر می‌شود اما چنانچه مقدار کربن بیشتر از یوتکتیک باشد از مذاب کاربیدهای m7c3 جدا شده که دانه‌های یوتکتیکی را احاطه کرده است. چنانچه مقدار کربن خیلی پایین باشد با تشکیل کاربید کروم درصد کربن آستنیت به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد و لذا در تبدیلات بعدی نخواهد توانست سختی‌پذیری کافی را داشته باشد.
کروم: چنانچه درصد آن پایین باشد (حوالی 3% ) پیدایش کاربیدهای نوع M3c را ترغیب می‌کند و چنانچه درصد کروم به حوالی 10% برسد کاربیدهای m7c3 تشکیل می‌شود. با افزایش درصد آن نقطه یوتکتیک به سمت چپ متمایل شده و منطقه آستنیت نیز کوچکتر می‌شود. به این لحاظ حد حلالیت کربن در آستنیت نیز کاهش می‌یابد. همچنین کروم دیاگرام T.T.T را به سمت راست و خط مارتنزیت استارت (Ms) را هم پایین می‌برد. وجود مقدار کروم بیش از حد طوری که سبب تشکیل کاربید کروم بسیار نرمتر M23c6 شود ضرورت ندارد. سیلیسیم (si) به علت گرافیت‌زایی خیلی کم مورد استفاده قرار می‌گیرد و مقدار آن بین 2- 5/1% است. اخیراً مطلبی در مورد تاثیر si بر نوع کاربیدها در چدنهای نایهارد نوع 4 ذکر شده که حاوی 5% نیکل، 8% کروم، و 5/3% کربن بوده و کاربیدهایی از نوع M3c، m7c3 با si 35/0% بودند اما موقعیکه si به %95/1 رسید کاربیدها همگی تبدیل به m7c3 شدند که مطلوبترند. اثر دیگر آن این است که درجه حرارت شروع و تحول مارتنزیتی (ms) را افزایش می‌دهد. Si موجب کاهش حلالیت کربن در آستنیت و در نتیجه بالا رفتن درصد کربن در کاربیدها و تشکیل آنها به m7c3 شده است. si موجب پایداری کاربیده m7c3 شده و بنابراین مقدار کروم مورد نیاز برای ایجاد ساختار کاربیدی ناپیوسته را کاهش می‌دهد اما وجود سیلیسیم همراه با آهنگ سرد شدن آهسته وجود کربن به مقدار زیاد، موجب تشکیل گرافیت آزاد می‌شود. به طور کلی SI به تسریع تبدیل مارتنزیتی کمک می‌کند.