شنبه , ۲۰ آذر ۱۳۹۵
دانلود رایگان نرم افزار آنالیز تصویر + فیلم آموزشی

چدن ها

 

چدن ها

ارسالی از : محدثه قاسمی

چدن

 

چدن های با گرافیت فشرده:

  • چدن نام کلی گروهی از فلزات است که عمدتا آلیاژهای آهن، کربن و سیلیسیم هستند . انواع متداول چدن عبارتنداز :
  • چدن خاکستری ، چدن سفید ، چد ن چکش خوار ، چدن باگرافیت کروی ، چدن باگرافیت فشرده و چدن آلیاژی .
  • به طور کلی اهمیت چدن در صنعت به قدری است که تولید سرانه ی آن درکشورهای جهان نمودار پیشرفت تکنولوژی محسوب می شود .

چدن چیست؟
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 ۳/۴ 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 می‌آید 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 می‌شوند. سایر عناصر نیز حین ریخته گیری و قبل از شکل گیری نهایی، به مذاب افزوده می‌شوند. چدن به جز موارد خاص که در کوره بلند موسوم به کوره کوپل ذوب  می‌شود، عمدتاً در کوره‌های القای الکتریکی تولید می‌گردد. پس از تکمیل ذوب، مذاب به کوره نگهدارنده یا قالب ریخته می‌شود.

انواع چدن ها:

خواص چدن با افزودن عناصر آلیاژی مختلف تغییر می‌کند. 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 می‌دهد. 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 عمدتاً همراه با نیکل افزوده می‌شود. مقدار بسیار اندکی قلع را نیز می‌توان 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

  • برای توسعه ی صنعت تولید چدن ابتدا لازم است به شناخت انواع چدن و روش های تولید هرکدام و نقاط ضعف و قوت هرکدام و آگاهی از کاربرد انها ، پرداخته شود .
  • کربن موجود در چدن میتواند به دوصورت وجودداشته باشد :
  • اول آنکه کربن باآهن ترکیب شده باشد وجسم سخت و شکننده ای به نام کاربید آهن (FE3C ) ، تولید کنند .
  • دوم آنکه به صورت کربن آزاد یاگرافیت در چدن بماند .

شکل گرافیت ها می تواند تا حدود زیادی نوع و خواص چدن راتعیین کند .

  • در چدن خاکستری که پرمصرفترین و ارزانترین نوع چدن است ودر ایران بیشترین مقدار تولید قطعات ریختگی را شامل می شود ، گرافیت به صورت ورقه ای بوده و مقطع تازه شکسته شده ی قطعه به رنگ خاکستری است . این چدن دارای سختی نسبتا بالا ، استحکام پائین و انعطاف پذیری کم است و قابلیت ماشینکاری مناسبی دارد .
  • چدن داکتایل که به خاطر شکل گرافیت در آن اغلب چدن با گرافیت کروی نامیده می شود . این نوع چدن دارای سختی کمتر ، استحکام بالاتر و انعطاف پذیری نسبتا زیاد است .
  • ذرات کروی گرافیت ، برخلاف حالتی که در چدن خاکستری وجود دارد ، از تمرکز تنش جلوگیری کرده ولذا سبب افزایش استحکام ضربه ای در چدن داکتایل می شوند .
  • نوع دیگر چدنها که در اینجا به آنها اشاره می کنیم ، چدن های با گرافیت فشرده است که خواص فیزیکی ومکانیکی آن بین چدنهای داکتیل و خاکستری واقع شده است .
  • ساختمان میکروسکوپی چدن با گرافیت فشرده بین چدن خاکستری و چدن داکتایل قرار دارد . به عبارت دقیقتر شکل گرافیت در آن حد میانی گرافیت ورقه ای در چدن خاکستری و گرافیت کروی در چدن داکتایل است .
  • ازآنجایی که شکل گرافیت در این نوع چدن شباهت زیادی به رشته دارد ، چدن با گرافیت فشرده را چدن رشته ای ( vermicular iron ) نیز می نامند .
  • نکته ی مهم در این خانواده از چدنها این است که این چدنها ضمن برخورداری از بعضی محاسن چدنها ی خاکستری ، تا حدود زیادی مزایای چدن داکتایل رانیز در بر دارد.

بهترین مثال در این مورد قطعاتی نظیر قالب ها و کوکیل ها ی چدنی هستند که به قابلیت انتقال حرارتی زیاد که یکی از محاسن چدنهای خاکستری در مقابل چدن داکتیل است نیاز دارد و ضمنا از مشخصات مکانیکی خوبی که بزرگترین حسن چدنهای داکتیل است نیز نیازمند است .

این نوع چدنها در حوالی دهه ی ۱۹۴۰ هنگام مطالعه و تولید چدن داکتایل به طور اتفاقی کشف شد .

درمواردی که منیزیم اضافه شده به مذاب چدن برای تشکیل گرافیت کروی کافی کافی نباشد ، گرافیت به صورت فشرده درمی آید . چنانچه مقدار منیزیم بیش ازحدباشد ، گرافیت ها به صورت ورقه ای خواهند بود.

مهمترین مشکل تهیه ی این نوع چدنها با استفاده ازمنیزیم یا آلیاژهای محتوی منیزیم نظیر منیزیم فروسلسیم ( Fe-Si-Mg) آن است که مقدار منیزیم باقیمانده در مذاب باید در حد بسیارمعین و دقیقی نگه داشته شود . در صورتی که مقدار منیزیم پائین از این حد باشد چدن خاکستری حاصل می شود . باوجود آنکه این نوع چدن ازدیرباز شناخته شده است ، ولی مشکل فوق یکی ازمهمترین دلائلی بود که مصرف آن رامحدود می کرد که درسالهای اخیر وپس ازدستیابی به ترکیبات آلیاژی جدید منیزیم ، میزان مصرف این چدن رشد چشمگیری داشته است .

تشکیل گرافیت اکنون تا حدزیادی قابل کنترل است . وجود تیتانیم در مواد مصرفی اثر زیادی روی خاصیت جوانه زایی در آنها دارد .

ازتولیدات مهم با این شیوه ی تولید می توان به ساختن چرخ طیار ( فلای ویل ) برای انواعی از موتور ، انشعابات اگزوز ، چرخ دنده های خارج ازمحور ، سیستم های مکانیکی انتقال قدرت و قالب برای تهیه شمش های فولادی است که تجربه نشان داده است که انتخاب چدن با گرافیت فشرده انتخاب بسیار مناسبی برای تولید آنها بوده است .

تولید چدن با گرافیت فشرده :

عملیات  ذوب این چدن کمابیش شبیه اعمالی است که برای چدن داکتیل انجام می گیرد . تفاوت کار با آنچه که برای چدن داکتیل  انجام می شود ، هنگام تخلیه ی مذاب پیش می آید .

همانطور که گفتیم مهمترین مشکل تهیه ی چدن های با گرافیت فشرده این است که مقدار منیزیم موجود در مذاب باید در یک محدوده ی خاص قرار داشته باشد ( معمولا حدود ۰٫۲۵ %  )

مقدار منیزیم باقیمانده در مذاب به عوامل دیگری نظیر:

  • درجه حرارت ریختن ذوب ، روش تلقیح ، نحوه ی ریختن مذاب ،
  • فاصله ی زمانی بین تلقیح و ریختن مذاب وعوامل دیگری نیز بستگی دارد .
  • در نتیجه با توجه به وجود این مسائل ریخته گری این نوع چدن در دامنه ی محدودی از درصد منیزیم امکان پذیر نمی باشد .
  • راه حل این است که با اضافه کردن عناصر دیگری به مذاب به همراه منیزیم محدودیت مربوط به درصد محدود بحرانی منیزیم را از بین می برد .
  • استفاده از تیتانیم و همچنین تیتانیم و سریم به همراه منیزیم مشکل فوق را از بین می برد .

برای مثال در صورتی که مقدار تیتانیم باقیمانده در مذاب بین    ۰٫۰۶ تا ۰٫۱۳  باشد در حضور مقدار بسیار جزئی سریم ، چدن با گرافیت فشرده را می توان با تغییر مقدار منیزیم باقیمانده بین ۰٫۰۱۵ تا ۰٫۰۳۰ تولید کرد .

یک مثال برای ترکیبات موجود در یک نوع چدن با گرافیت فشرده :

     کل کربن ۵/۳ درصد
     سیلیسیم ۷/۱ درصد
     منگنز ۳/۰ درصد
     فسفر ۱/۰ درصد
     گوگرد ۱۲/۰ درصد
     مس ۲۵/۰ درصد

 

مقایسه ی استحکام و تغییر طول سه نوع چدن :

     مشخصاتنوع چدن          استحکام کششی  ( mpa )   تنش تسلیم  ( mpa ) درصدازدیاد طول نسبی کششی
چدن خاکستری       ۲۰۷           ۱۳۸ کمتر از ۱
چدن با گرافیت فشرده       ۳۴۵      ۲۴۱    ۲ تا   ۶ 
چدن داکتیل      ۴۴۸     ۲۹۷  ۶  تا ۱۲

 

نتایج :

  • چدن با گرافیت فشرده می تواند تنش تسلیم و استحکام کششی متمایل به چدن داکتیل ر اداشته باشد.
  • در مورد چدن خاکستری برای بدست آوردن استحکام زیاد باید کربن معادل مذاب بسیار پایین باشد ( حدود ۴/۳ درصد ) و علاوه بر آن وجود عناصر آلیاژی ضروری می باشد ، که هیچ کدام از این دو شرط در مورد چدن با گرافیت فشرده لزومی ندارد .
  • ازدیاد طول نسبی چدن باگرافیت فشرده به ۶ درصد می رسد ، میانگین آن حدود۴ درصد است که در مقایسه با چدن خاکستری ( کمتر از ۱درصد ) بسیار مطلوب است .
  • استحکام ضربه ای این نوع چدن تا حدودزیادی بالاتر از چدن خاکستری است اما به چدن داکتیل نمی رسد .
  • در آزمایش خستگی که با نیروی خمشی انجام شده است نشاندهنده ی مقاومت بالاتر این چدن نسبت به چدن خاکستری ( درحدود چدن داکتیل ) است .

ضریب انتقال حرارت این نوع چدن بین دو نوع چدن ذکر شده است .

ساختمان میکروسکوپی :

زمینه ی این چدن در یک نوع صنعتی آن به شرح زیر است :

درساختمان آن وجود حدود ۲۰ درصد گرافیت کروی قابل قبول میباشد. زمینه ی این ساختمان میکروسکوپی می بایست پرلیتی بوده و حداکثر ۲۰ درصد فریت و ۵ درصد کاربید داشته باشد .

قابلیت ماشینکاری :

بدلیل شکل گرافیت و نحوه ی توزیع آن ، چدن با گرافیت فشرده از نظر ماشینکاری بهتر از چدن داکتیل بوده ونزدیک به چدن خاکستری می باشد . براده برداری از آن هم به آسانی صورت می گیرد .

ضایعات ریخته گری چدن با گرافیت فشرده :

بهره دهی ریخته گری ( نسبت وزن قطعات تکمیل شده به کل مذاب ریخته شده )، برای چدن با گرافیت فشرده بیش از چدن داکتیل بوده و نزدیک به چدن خاکستری است . دلیل آن هم این است که راهگاه و سیستم تغذیه برای این نوع چدن میتواند ساده تر و کوچکتر در نظر گرفته شود .

موارد استفاده ی چدن با گرافیت فشرده :   

چرخ طیار موتور دیزل

. سر سیلندرهای موتور

. سیلندر های هوا

. لوله های اگزوز

. کاسه ترمز

. کاسه چرخها ی سنگین

قالب برای ریخته گری قطعات و شمشها و……

 چدن

منابع و مراجع :

  • R . OATHOUT ,METAL PROGRESS
  • R .IRVING IRON  AGE
  • FOOTE CGI REPORT , FOOTE MINERAL CO, EXTON , PA, USA
  • R. EVANS , J.V .DAWSON AND J.LALICH , AFS INTERNATIONAL CAST METALS JOURNAL,
  • SERGEANT AND E.R.EVANS , BRITHSH FOUDRYMEN JOURNAL ,VOL 71 , PART 5

 

درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

تشکیل فریت فوق ظریف (UFF) درفولاد فریتی – پرلیتی با کارسرد و آنیل

با توجه به استفاده گسترده فولادهای فریتی – پرلیتی درکاربردهای صنعتی بهینه سازی خواص آنها …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.