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

چدن وانواع آن

چدن وانواع آن

ارسالی از : مجتبی حیدری

 

تعریف چدن:

چدن واژه ای عمومی است و کلیه آلیاژهای آهنی حاوی بیش از ۲ درصد کربن را چدن می نامند. چُدَن 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 می‌رود. 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 سه‌گانه شناخته می شود. 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 شود.چدن ها گروهی از آلیاژهای آهنی با خواص گوناگون و متنوع‌ هستند .ونیز برای کنترل وتغییر ویژگی آنها،گاهی سایر عناصر فلزی وغیر فلزی نیز به مذاب چدن افزوده می شود. چدن ها نمونه های بارزی از آلیاژهایی هستند که از نظر ساختار دانه بندی حساس هستند

خوب ماشینکاری و ریخته  گری نقش آنها را  بیش از پیش در صنعت پررنگ نموده 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 ۱۳۰۰ 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 ۲ الی ۴ درصد کربن و اندکی گوگرد، فسفر و سیلسیم است.

انواع چدن:

چدن‌ ها را می‌توان با توجه به توزیع کربن در ریزساختار آن‌ ها به چهار نوع اصلی دسته‌بندی کرد و دو نوع دیگر نیز زیر مجموعه این چهار نوع هستند.از آنجا که ترکیب شیمیایی آن‌ها مشابه است، آن‌ها را با تجزیه شیمیایی نمی‌ توان تشخیص داد..بر این اساس پنج نوع اصلی چدن وجود دارد: چدن سفید, چدن چکش خوار, چدن خاکستری, چدن داکتیل, و چدن با گرافیت فشرده. به هر نوع از این چدن ها می توان تا حدودی عنصرهای آلیاژی افزود, یا آنها را مورد عملیات گرمایی قرار داد, بدون این که نوع چدن تغییر کند. چدن های آلیاژی را که معمولاً حاوی بیش از ۳ درصد عنصر آلیاژی هستند می توان به طور جداگانه به عنوان چدن سفید, خاکستری, یا داکتیل دسته بندی کرد, اما چدن های آلیاژی را از لحاظ تجاری به صورت گروهی جداگانه دسته بندی می کنند.

۱- چدن سفید
هرگاه ترکیب شیمیایی چدن مناسب باشد, یا آهنگ سرمایش آن در حین انجماد به اندازه کافی تند باشد, چدن به گونه ای منجمد می شود که همه کربن موجود در آن با آهن به صورت کاربید آهن ترکیب می شود. این ترکیب که سمنتیت نیز نامیده می شود سخت و ترد است و ترکیب غالب در ریزساختار چدن سفید محسوب می شود. بنابراین چدن سفید سخت و ترد و مقطع شکست آن سفید و بلورین است زیرا اساساً گرافیت ندارد. استحکام فشاری چدن سفید بسیار زیاد و مقاومت آن در برابر سایش عالی است. این نوع چدن در حالت گداخته سختی خود را تا مدت محدودی حفظ می کند.
با افزایش آهنگ انجماد موضعی چدن, می توان نواحی گزیده ای از قطعه ریختگی را به چدن سفید تبدیل کرد. قابلیت ریخته گری چدن سفید به خوبی چدن های دیگر نیست زیرا دمای انجماد آن معمولاً بالاتر است, و کربنی که به صورت کاربید آهن است منجمد می شود. بنابراین دیگر گرافیت در به حداقل رسانیدن انقباض در حین انجماد نقشی ندارد. بخشی از قطعه ریختگی که با آهنگی معتدل جامد می شود, هم گرافیت دارد و هم کاربید آهن. این ساختار را چدن ابلق می نامند.
چدن سفید سخت می تواند در قطعه ریختگی از چدن نرم نیز به وجود آید. دلیل این امر سرمایش سریع مقطعی نازک یا گوشه ای تیز از قطعه یا وجود پره ای بر روی قطعه ریختگی است که از وجود درزی در قالب ناشی شده است و باعث گرماگیری و افزایش آهنگ انجماد می شود.

۲- چدن چکش خوار
مشخصه این نوع چدن این است که بخش عمده کربن موجود در ریزساختار آن به صورت گره های نامنظم گرافیت دیده می شود. این نوع گرافیت کربن بازپختی نام دارد زیرا در حالت جامد و در حین عملیات گرمایی تشکیل می شود.برای تولید چدن چکش خوار, چدن را به صورت چدن سفید با ترکیب شیمیایی مناسب می ریزند. پس از آن که قطعات ریختگی را از قالب بیرون آوردند, آنها را به مدت طولانی در دمایی بالاتر از ۹۰۰ درجه سلسیوس تحت عملیات گرمایی قرار می دهند. این عملیات کاربید آهن را تجزیه می کند و کربن آزاد را به صورت گرافیت در چدن رسوب می دهد. آهنگ سریع انجماد که برای تولید چدن سفید ضرورت دارد باعث محدودیت ضخامت مقاطع ریختگی چدن چکش خوار می شود.
با تنظیم ساختار زمینه در پیرامون گرافیت می توان به گستره وسیعی از خواص مکانیکی در چدن چکش خوار دست یافت. زمینه های پرلیتی و مارتنزیتی با سرمایش سریع در حوالی دمای بحرانی و افزودن عنصرهای آلیاژی به دست می آیند. چدن های چکش خواری که در زمینه خود مقداری کربن ترکیبی داشته باشند غالباً به عنوان چدن چکش خوار پرلیتی شناخته می شوند, اگرچه ممکن است ریزساختار آنها مارتنزیتی یا پرلیتی کروی شده باشد.

۳- چدن خاکستری
هنگامی که ترکیب چدن مذاب و آهنگ سرمایش آن مناسب باشد, کربن موجود در آن در حین انجماد جدا می شود و پولک های گرافیت را تشکیل می دهد که درون هر سلول اوتکتیک به یکدیگر متصل اند. گرافیت در درون مذاب از ناحیه لبه رشد می کند و پولک مشخصه چدن خاکستری را تشکیل می دهد. هنگامی که چدن خاکستری می شکند, بخش عمده شکست در پولک های گرافیت رخ می دهد, و به همین دلیل رنگ مقطع شکست آن خاکستری است. از آنجا که بخش عمده قطعات ریختگی چدنی را از جنس چدن خاکستری می سازند, واژه عمومی چدن را, غالباً به غلط در مورد چدن خاکستری به کار می برند.
خواص چدن خاکستری از ابعاد, مقدار, و توزیع پولک های گرافیت, و سختی نسبی فلز زمینه در پیرامون گرافیت, تأثیر می پذیرد.این عوامل را می توان با کنترل مقدار کربن و سیلیسیم فلز مذاب و آهنگ سرمایش قطعه ریختگی تنظیم کرد. هرچه چدن آهسته تر سرد شود و مقدار کربن و سیلیسیم آن بیشتر باشد, تمایل به ایجاد پولک های بیشتر و بزرگتر گرافیت, ساختار زمینه نرم تر, و استحکام کمتر افزایش می یابد. گرافیت پولکی خواص بی همتایی به چدن خاکستری می بخشد که از جمله می توان به ماشینکاری پذیری عالی در ترازهایی از سختی با بیشترین مقاومت در برابر سایش, توانایی مقاومت در برابر برهم سایی, و میرایی لرزه عالی ناشی از خطی نبودن رابطه تنش- کرنش در تنش های نسبتاً کم اشاره کرد.
چندین عامل بر هسته زایی و رشد پولک های گرافیت تأثیر می گذارند. مقدار گرافیت و نیز ابعاد و توزیع آن تأثیر مهمی برخواص چدن دارند

۴- چدن داکتیل
این چدن را گاهی به نام چدن با گرافیت کروی یا SG نیز می شناسند. در چدن داکتیل می توان به ترکیبی غیر متعارف از خواص دست یافت زیرا در این نوع چدن, گرافیت به جای پولک های جداگانه به صورت کره یا گویچه ظاهر می شود. این شیوه انجماد با افزودن مقداری اندک, ولی کاملاً معین از منیزیم به چدن مذابی با ترکیب شیمیایی مناسب به دست می آید. چدن پایه ازلحاظ دارا بودن بعضی عنصرهای فرعی که مانع تشکیل گرافیت کروی می شوند,محدودیت زیادی دارد.
زیاد بودن مقدار کربن وسیلیسیم در چدن داکتیل از لحاظ فرایند ریخته گری مزایایی در بر دارد, اما گویچه های گرافیت بر خواص مکانیکی تأثیر جزئی می گذارند. رابطه تنش کرنش در چدن داکتیل همانند چدن چکش خوار خطی است و این نوع چدن گستره وسیعی از استحکام تسلیم را ارائه می کند و همان گونه که از نام آن بر می آید داکتیل است. قطعات ریختگی چدن داکتیل در گستره وسیعی از ابعاد مختلف ومقاطع گوناگون, از بسیار نازک تا بسیار ضخیم, تولید می شوند.
رده های مختلف این نوع چدن با تنظیم ساختار زمینه در پیرامون گرافیت, به حالت سیاه تاب یا با انجام عملیات گرمایی تولید می شوند.بین رده های معمولی این نوع چدن, از لحاظ ترکیب شیمیایی تفاوت اندکی وجود دارد, و این گونه تنظیم ها را برای بهبود ریزساختار زمینه مطلوب انجام می دهند. برای تنظیم ساختار زمینه چدن داکتیل در حالت سیاه تاب یا آماده سازی آن برای عملیات گرمایی می توان عنصرهای آلیاژی را به چدن افزود. چدن های داکتیل و چدن های داکتیل آلیاژی با ترکیب شیمیایی خاص, خواص غیر متعارفی دارند که در کاربردهای ویژه به کار می آیند.

۵- چدن با گرافیت فشرده
گرافیت موجود در این نوع چدن به صورت پولک های کلفت دیده می شود که در درون هر سلول به یکدیگر متصل اند. این ساختار گرافیت و خواص ناشی از آن, حالتی بینابین چدن خاکستری و چدن داکتیل است. شکل گرافیت فشرده مدت هاست که شناخته شده و آن را شبه پولک, پولک متراکم, شبه گره ای, و گرافیت کرم مانند نیز می نامند. فرایند تولید این نوع چدن مشابه چدن داکتیل و مستلزم کنترل دقیق متالورژیکی و افزودن عناصر خاکی کمیاب است, اما تولید چدن با گرافیت فشرده مستلزم افزودن عنصر آلیاژی دیگری از قبیل تیتانیم نیز هست تا تشکیل گرافیت کروی به حداقل برسد. چدن با گرافیت فشرده بیشترین قابلیت ریخته گری چدن خاکستری را حفظ می کند, استحکام کششی بیشتری دارد و تا حدودی نیز داکتیل است. با افزودن عنصرهای آلیاژی, یا انجام عملیات گرمایی می توان ساختار زمینه این چدن را تنظیم کرد.

۶– چدن های آلیاژی
این دسته از چدن ها شامل چدن های سفید آلیاژی, چدن های خاکستری آلیاژی, و چدن های داکتیل آلیاژی است.چدن های چکش خوار پر آلیاژ نمی شوند زیرا وجود عناصر آلیاژی مانع از انجام فرایند چکش خواری می شود. چدن های با گرافیت فشرده هنوز عمر چندانی ندارند ونمی توان نقش آنها را در عرصه چدن های آلیاژی ارزیابی کرد.
چدن های آلیاژی در مواردی که مستلزم مقاومت فوق العاده در برابر سایش, گرما, یا خوردگی است, به کار می روند. به علاوه هنگامی که خواص فیزیکی غیر متعارف, از قبیل انبساط گرمایی اندک,یا خواص غیر مغناطیسی در نظر باشد از این چدن ها استفاده می شود. قطعات ریختگی چدن آلیاژی به وسیله ریخته گری هایی تولید می شوند که در این زمینه تخصص دارند,زیرا افزودن۳ تا ۳۰ درصد عنصر آلیاژی به چدن مذاب مستلزم در اختیار داشتن تجهیزات ذوب, فنون ریخته گری, و کنترل کیفیت ویژه است. شناسایی وتعیین خواص ویژه مورد نیاز درچدن های آلیاژی غالباً بسیار دشوار است,بنابراین همواره آنها را بر اساس ترکیب شیمیایی مشخص می کنند. خواص مکانیکی مورد نظر را نیز, در مواردی که اهمیت داشته باشند, می توان مشخص کرد. چدن های آلیاژی را بر اساس نوع کاربرد غیر متعارف و مشخصه های ویژه آنها دسته بندی می کنند.

تغییر کربن معادل در چدن های خاکستری

مقدار گرافیت ورقه ای در ساختار میکروسکوپی با ازدیاد کربن معادل که با رابطه زیر بیان می شود, افزایش پیدا می کند:
CE=C % + 1.3(Si % + P)) %)
مقدار گرافیت های ورقه ای مهم ترین عاملی است که بر روی استحکام و خواص دیگر چدن خاکستری تأثیر می گذارد و تغییر در مقدار آن ها علت اصلی تغییر استحکام چدن هاست که با استاندارد انگلیسی BS1452 مشخص شده و تا ردیف های ۲۶۰ و یا ۳۰۰ تغییر می کند.
ساختار زمینه در صورتی پرلیتی کامل است که مقدار سیلیسیم کمتر یا مقدار منگنز زیادتر باشد و به همین ترتیب بر اثر وجود مقادیر بسیار کم و جزئی از عناصر پایدار کننده پرلیت از قبیل: آرسنیک, کرم, مس, نیکل و قلع در مواد اولیه یا قراضه های برگشتی می توان زمینه ای کاملاً پرلیتی به دست آورد.
در مورد چدن هایی که دارای استحکام کمتری هستند, ساختار زمینه دارای اهمیت کمتری نسبت به نوع گرافیت ها در چدن است, در صورتی که در چدن های با استحکام و مقاومت زیاد, نوع ساختار زمینه اهمیت زیادی دارد به طوری که در چنین مواردی سعی می شود تا ساختارهایی کاملاً پرلیتی و یا بینایتی تولید گردد.

تأثیر تغییر ضخامت در ساختار میکروسکوپی چدن خاکستری:

به همان ترتیب که در استاندارد BS1452:1977 نشان داده شده است, با افزایش ضخامت قطعه در چدن خاکستری, استحکام افت می کند و به همین دلیل معمولاً یک نمونه میله ای با قطر ۳۰ میلی متر به عنوان مرجع برای استحکام و ساختار مورد استفاده قرار می گیرد.

تلقیح مواد گرافیت زا در چدن خاکستری:

تلقیح یک ماده جوانه زا در چدن خاکستری عبارت است از اضافه کردن مقدار کمی از آن ماده به منظور آزاد شدن گرافیت ها از حالت ترکیبی سمنتیت(Fe3C? 3Fe + C ) که در این حال سل های یوتکتیکی در ساختار چدن افزایش پیدا کرده و هم چنین فوق تبرید در حین انجماد نیزکاهش می یابد.
در حقیقت تلقیح و اضافه کردن مواد گرافیت زا به عنوان کاتالیزور باعث سریع تر جدا شدن گرافیت ها از حالت ترکیبی گردیده و اغلب در چدن های با استحکام بیشتر و کربن کمتر مورد استفاده قرار می گیرد و در نتیجه گرافیت های آزاد به ویژه در مقاطع نازک تر قطعه به سهولت ایجاد می شود ولی در صورت عدم استفاده از چنین موادی کاربیدها و به ویژه سمنتیت در جداره خارجی و قسمت های نازک تر قطعه به وجود می آید.
به طور کلی مواد جوانه زا اغلب به صورت ترکیبات آلیاژی شامل عنصر جوانه زاست که به طور مثال مواد جوانه زایی که در چدن ها مورد استفاده قرار می گیرد, معمولاً فرو سیلیسیم و کلسیم سیلیسید است که از عنصر سیلیسیم غنی است, هم چنین در مورد چدن ها از SMZ نیز استفاده می شود.
یک ماده جوانه زای مناسب عبارت از ماده ای است که افزودن مقادیر کمی از آن بدون آن که تغییر قابل ملاحظه ای در ترکیب شیمیایی آلیاژ کند اثر مناسب و کافی بر روی ساختار داخلی ایجاد کند.
استحکام چدنی که قبل از تلقیح یک ماده جوانه زا دارای ساختاری گرافیتی است, معمولاً پس از تلقیح به دلایل زیر افزایش می یابد:
الف) افزایش در تعداد سل های یوتکتیکی
ب) گرافیت های فوق تبرید اغلب همراه با فریت هستند و در صورت ایجاد گرافیت های بدون جهت در این حالت, اغلب زمینه به صورت کاملاً پرلیتی می گردد که در نتیجه استحکام را افزایش می دهد.
ج) مواد جوانه زای سیلیسیم دار مهمولاً حاوی آلومینیم هستند و وجود آلومینیم در چدن های پرلیتی باعث ازدیاد در استحکام آنها می گردد.

چدن سفید

تمام کربن یوتکتیکی در چدن های غیر آلیاژی قطعاتی که در حین انجماد در قالب های ماسه ای دارای ضخامت های نازک و متوسطی بوده و حاوی مقدار سیلیسیم کمتری باشند, بدون استفاده از تلقیح مواد جوانه زا به کاربید آهن تبدیل می گردند. چنین چدن هایی دارای مقاطع شکست سفید بوده و به چدن های سفید موسوم هستند.
این نوع چدن ها به صورت غیر آلیاژی و نیز همراه با مقادیر قابل توجهی از عناصر کاربیدزا مانند کرم یا وانادیم مورد استفاده قرار می گیرند. مقاومت در مقابل ساییدگی و سایش چدن های سفید دلیل اصلی استفاده از این نوع چدن ها در صنعت محسوب می گردد

چدن مختلط

در صورتی که ترکیب شیمیایی چدنی که در یک قالب ماسه ای ریخته گری می گردد در حد وسط یک چدن خاکستری و چدن سفید قرار گیرد, دارای ساختاری مخلوط از گرافیت و کاربید آهن (یوتکتیکی) خواهد بود که به چدن مخلوط مشهور است. این نوع چدن دارای سطح مقطع شکست مخلوط از سفید و خاکستری بوده و در بسیاری موارد به عنوان یک چدن مقاوم در مقابل سایش نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
به همین ترتیب, در یک حالت دیگر و در شرایطی که سرعت سرد شدن قسمت های مختلف یک قطعه به دلیل اختلاف ضخامت متفاوت باشد در این صورت مقطع نازک تر دارای ساختار چدن سفید و مقطع ضخیم تر به صورت ساختار یک چدن خاکستری منجمد می گردد و در نتیجه حد وسط دو مقطع مورد نظر ساختار مخلوط از دو نوع ساختار را خواهد داشت .                                      ترکیب شیمیایی چدن‌های غیرآلیاژی در جدول زیر و مقدار تقریبی کربن و سیلیسیوم آن‌ ها (نسبت به فولادها) در شکل زیر آمده است.

چدن نشکن چدن چکش خوار چدن سفید چدن خاکستری عنصر
۳-۴ ۲-.۲٫۶ ۱٫۸-۳٫۶ ۲٫۵-۴ C
۱٫۸-۲٫۸ ۱٫۱-۱٫۶ ۰٫۵-۱٫۹ ۱-۳ Si
۰٫۱-۱ ۰٫۲-۱ ۰٫۲۵-۰٫۸ ۰٫۲۵-۱ Mn
۰٫۰۳ (حداکثر) ۰٫۰۴-۰٫۱۸ ۰٫۰۶-۰٫۲ ۰٫۰۲-۰٫۲۵ S
۰٫۵ (حداکثر) ۰٫۱۸ (حداکثر) ۰٫۰۶-۰٫۱۸ ۰٫۰۵-۱ P

طبفه‌بندی چدن‌ها:

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

۱)چدن های معمولی (عمومی(:

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

  • ۱-چدن های خاکستری ورقه ای یا لایه ای:  چدن های خاکستری جزو مهمترین چدن های مهندسی هستند که کاربردی زیاد دارند نام این چدن ها از خصوصیات رنگ خاکستری سطح مقطع شکست آن و شکل گرافیت مشتق می‌شود.خواص چدن های خاکستری به اندازه ، مقدار و نحوه توزیع گرافیت‌ها و ساختار زمینه بستگی دارد. خود این‌ها نیز به کربن و سیلیسیم (C.E.V=%C+%⅓Si+%⅓P) و همچنین روی مقادیر جزئی عناصر ، افزودنی‌های آلیاژی ، متغیرهای فرایندی مانند، روش ذوب ، عمل جوانه زنی و سرعت خنک شدن بستگی پیدا می‌کنند. اما به طور کلی این چدن ها ضریب هدایت گرمایی بالایی داشته، مدول الاستیستیه و قابلیت تحمل شوکهای حرارتی کمی دارند و قطعات تولیدی از این چدن ها به سهولت ماشینکاری و سطح تمام شده ماشینکاری آنها نیز مقاوم در برابر سایش از نوع لغزشی است. این خواص آنها را برای ریختگی هایی که در معرض تنش‌های حرارتی محلی با تکرار تنشها هستند، مناسب می‌سازد. افزایش میزان فریت در ساختار باعث استحکام مکانیکی خواهد شد. این نوع حساس بودن به مقاطع نازک و کلفت در قطعات چدنی بدنه موتورها مشاهده می شود دیواره نازک و لاغر سیلندر دارای زمینه‌ای فریتی و قسمت ضخیم نشیمنگاه یا تاقان‌ها زمینه‌ای با پرلیت زیاد را پیدا می‌کند. همچنین در ساخت ماشین آلات عمومی ، کمپرسورهای سبک و سنگین ، قالب‌ها ، میل لنگ‌ها ، شیر فلکه‌هاو اتصالات لوله‌ها و غیره از چدنهای خاکستری استفاده می‌شود.

۲- چدن های مالیبل یا چکش خوار:   چدن های چکش خوار با دیگر چدن ها به واسطه ریخته گری آنها نخست به صورت چدن سفید فرق می‌کنند. ساختار آنها مرکب از کاربیدهای شبه پایدار در یک زمینه‌ای پرلیتی است بازپخت در دمای بالا که توسط عملیات حرارتی مناسب دنبال می‌شود باعث تولید ساختاری نهایی از توده متراکم خوشه‌های گرافیت در زمینه فریتی یا پرلیتی بسته به ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی می‌شود. ترکیب به کار برده شده براساس نیازهای اقتصادی ، نحوه باز پخت خوب و امکان جذب و امکان تولید ریخته‌گری انتخاب می‌شود. مثلا بالا رفتن Si بازپخت را جلو انداخته و موجب عملیات حرارتی خوب و سریعی با سیلکی کوتاه می‌شود و در ضمن مقاومت مکانیکی را نیز اصلاح می‌نماید. تاثیر عناصر به مقدار بسیار کم در این چدن ها دست آورد دیگری در این زمینه هستند. Teو Bi تشکیل چدن سفید در حالت انجماد را ترقی داده، B و Al موجب اصلاح قابلیت بازپخت و توام با افزایش تعداد خوشه‌های گرافیت می‌شود میزانMnموجود و نسبتMn/S برای آسان کردن عمل بازپخت می‌بایستی کنترل گردد. عناصری از جمله Cu و Ni و Mo را ممکن است برای بدست آوردن مقاومت بالاتر یا افزایش مقاومت به سایش و خوردگی به چدن افزود. دلیل اساسی برای انتخاب چدن های چکش خوار قیمت تمام شده پایین و ماشینکاری راحت و ساده آنهاست. کاربردهای آنها در قطعات اتومبیل قطعات کشاورزی ، اتصالات لوله ها ، اتصالات الکتریکی و قطعات مورد استفاده در صنایع معدنی است.

۳- چدن های گرافیت کروی یا نشکن: این چدن در سال ۱۹۴۸ در فیلادلفیای آمریکا در کنگره جامعه ریخته گران معرفی شد. توسعه سریع آن در طی دهه ۱۹۵۰ آغاز و مصرف آن در طی سال های ۱۹۶۰ روبه افزایش نهاده و تولید آن با وجود افت در تولید چدن ها پایین نیامده است. شاخصی از ترکیب شیمیایی این چدن به صورت کربن ۳٫۷% ، سیلیسیم ۲٫۵% ، منگنز۰٫۳% ، گوگرد ۰٫۰۱% ، فسفر ۰٫۰۱% و منیزیم ۰٫۰۴% است. وجود منیزیم این چدن را از چدن خاکستری متمایز می‌سازد. برای تولید چدن گرافیت کروی از منیزیم و سریم استفاده می‌شود که از نظر اقتصادی منیزیم مناسب و قابل قبول است. جهت اصلاح و بازیابی بهتر منیزیم برخی از اضافه شونده‌هایی از عناصر دیگر با آن آلیاژ می‌شوند و این باعث کاهش مصرف منیزیم و تعدیل کننده آن است. منیزیم ، اکسیژن و گوگرد زدا است. نتیجتا منیزیم وقتی خواهد توانست شکل گرافیتها را به سمت کروی شدن هدایت کند که میزان اکسیژن و گوگرد کم باشند. اکسیژن‌زداهایی مثل کربن و سیلیسیم موجود در چدن مایع این اطمینان را می‌دهند که باعث کاهش اکسیژن شوند ولی فرآیند گوگردزدایی اغلب برای پایین آوردن مقدار گوگرد لازم است. از کاربردهای این چدن ها در خودروسازی و صنایع وابسته به آن مثلا در تولید مفصل‌های فرمان و دیسک ترمزها ، در قطعات تحت فشار در درجه حرارت های بالا مثل شیر فلکه‌ها و اتصالات برای طرحهای بخار و شیمیایی غلتکهای خشک‌کن نورد کاغذ، در تجهیزات الکتریکی کشتی‌ها ، بدنه موتور ، پمپ‌ها و غیره است.

۴-چدن های گرافیت فشرده یا کرمی شکل: این چدن شبیه خاکستری است با این تفاوت که شکل گرافیت‌ها به صورت کروی کاذب ، گرافیت تکه‌ای با درجه بالا و از نظر جنس در ردیف نیمه نشکن قرار دارد. می‌توان گفت یک نوع چدنی با گرافیت کروی است که کره‌های گرافیت کامل نشده‌اند یا یک نوع چدن گرافیت لایه‌ای است که نوک گرافیت گرد شده و به صورت کرمی شکل درآمده‌اند. ایت چدن ها اخیرا از نظر تجارتی جای خود را در محدوده خواص مکانیکی بین چدن های نشکن و خاکستری باز کرده است.

ترکیب آلیاژ موجود تجارتی که برای تولید چدن گرافیت فشرده استفاده می‌شود عبارت است از: Mg%4-5 ،Ti%8.5-10.5 ، Ca% 4-5.5 ، Al%1-1.5 ، Ce %0.2-0.5 ،Si%48-52 و بقیه Fe. چدن گرافیت فشرده در مقایسه با چدن خاکستری از مقاومت به کشش ، صلبیت و انعطاف‌پذیری ، عمر خستگی ، مقاومت به ضربه و خواص مقاومت در دمای بالا و برتری بازمینه‌ای یکسان برخوردار است و از نظر قابلیت ماشینکاری ، هدایت حرارتی نسبت به چدن های کروی بهتر هستند. از نظر مقاومت به شکاف و ترک خوردگی برتر از سایر چدن ها است. در هر حال ترکیبی از خواص مکانیکی و فیزیکی مناسب ، این چدن ها را به عنوان انتخاب ایده آلی جهت موارد استعمال گوناگون مطرح می‌سازد. مقاومت بالا در مقابل ترک‌خوردگی آنها را برای قالبهای شمش‌ریزی مناسب می‌سازد. نشان دادن خصوصیاتی مطلوب در دماهای بالا در این چدن ها باعث کاربرد آنها برای قطعاتی از جمله سر سیلندرها ، منیفلدهای دود ، دیسکهای ترمز ، دیسکها و رینگهای پیستون شده است.

۲)چدن های سفید و آلیاژی مخصوص:

کربن چدن سفید به صورت بلور سمانتیت کربید آهن ، Fe3C) )می‌باشد که از سرد کردن سریع مذاب حاصل می‌شود و این چدن ها به آلیاژهای عاری از گرافیت و گرافیت‌دار تقسیم می‌شوند و به صورتهای مقاوم به خوردگی ، دمای بالا، سایش و فرسایش می‌باشند.

  • چدن های بدون گرافیت -۱
    • چدن سفید پرلیتی: ساختار این چدنها از کاربیدهای یکنواخت برجسته و توپر M3C در یک زمینه پرلیتی تشکیل شده است. این چدنها مقاوم در برابر سایش هستند و هنوز هم کاربرد داشته ولی بی‌نهایت شکننده هستند لذا توسط آلیاژهای پرطاقت دیگری از چدن های سفید آلیاژی جایگزین گشته‌اند.
    • چدن سفید مارتنزیتی (نیکل- سخت): نخستین چدن های آلیاژی که توسعه یافتند آلیاژهای نیکل- سخت بودند. این آلیاژها به طور نسبی قیمت تمام شده کمتری داشته و ذوب آنها در کوره کوپل تهیه شده و چدن های سفید مارتنزیتی دارای نیکل هستند. Ni به عنوان افزایش قابلیت سختی پذیری برای اطمینان از استحاله آستنیتی به مارتنزیتی در طی مرحله عملیات حرارتی به آن افزوده می‌شود. این جدن ها حاوی Cr نیز به دلیل افزایش سختی کاربید یوتکتیک هستند. این چدنها دارای یک ساختار یوتکتیکی تقریبا نیمه منظمی با کاربیدهای یکنواخت برجسته و یکپاره M3C هستند که بیشترین فاز را در یوتکتیک دارند و این چدنها مقاوم در برابر سایش هستند.
    • چدن سفید پرکرم: چدن های سفید با Cr زیاد ترکیبی از خصوصیات مقاومت در برابر خوردگی ، حرارت و سایش را دارا هستند این چدنها مقاومت عالی به رشد و اکسیداسیون در دمای بالا داشته و از نظر قیمت نیز از فولادهای ضد زنگ ارزان تر بوده و درجاهایی که در معرض ضربه و یا بازهای اعمالی زیادی نیستند به کار برده می‌شوند این چدنها در سه طبقه زیر قرار می‌گیرند:
  1. چدنهای مارتنزیتی با Cr %12-28
  2. چدنهای فریتی با ۳۴-۳۰% Cr
  3. چدنهای آستنیتی با ۳۰-۱۵%Cr و ۱۵-۱۰% Niبرای پایداری زمینه آستنیتی در دمای پایین.

طبقه بندی این چدنها براساس دمای کار ، عمر کارکرد در تنش های اعمالی و عوامل اقتصادی است. کاربرد این چدنها در لوله‌های رکوپراتو ، میله ، سینی ، جعبه در کوره‌های زینتر و قطعات مختلف کوره‌ها، قالب‌های ساخت بطری شیشه و کاسه نمدهای فلکه‌ها است.

۲-چدن های گرافیت دار:

  • چدن های آستنیتی: شامل دو نوع (نیکل- مقاوم) و نیکروسیلال Ni-Si ، که هر دو نوع ترکیبی از خصوصیات مقاومت در برابر حرارت و خوردگی را دارا هستند. اگرچه چدن های غیر آلیاژی به طور کلی مقاوم به خوردگی بویژه در محیط های قلیایی هستند، این چدنها به صورت برجسته‌ای مقاوم به خوردگی در محیط هایی مناسب و مختص خودشان هستند. چدن های نیکل مقاوم آستنیتی با گرافیت لایه‌ای که اخیرا عرضه شده‌اند از خواص مکانیکی برتری برخوردار بوده ولی خیلی گران هستند. غلظت نیکل و کرم در آنها بسته به طبیعت محیط خورنده شان تغییر می‌کند. مهمترین کاربردها شامل پمپهای دنده‌ای حمل اسید سولفوریک، پمپ خلا و شیرهایی که در آب دریا مصرف می‌شوند، قطعات مورد استفاده در سیستم‌های بخار و جابه‌جایی محلول‌های آمونیاکی، سود و نیز برای پمپاژ و جابجایی نفت خاماسیدی در صنایع نفت هستند.
  • چدن های فریتی: شامل دو نوع زیر می‌باشد: چدن سفید ۵% سیلیسیم در سیلال که مقاوم در برابر حرارت می‌باشد و نوع دیگر چدن پرسیلیسیم (۱۵%) که از مقاومتی عالی به خوردگی در محیطهای اسیدی مثل اسید نیتریک و سولفوریک در تمام دماها و همه غلظتها برخوردارند. اما برخلاف چدن های نیکل- مقاوم ، عیب آن ، ترد بودن است که تنها با سنگ‌زنی می‌توان ماشینکاری نمود. مقاومت به خوردگی آنها در برابر اسیدهای هیدروکلریک و هیدروفلوریک ضعیف است. جهت مقاوم سازی به خوردگی در اسید هیدروکلریک می‌توان با افزودن Si تا ۱۸-۱۶% ، افزودن Cr%5-3 یا Mo %4-3 به آلیاژ پایه ، اقدام نمود.

چدن های سوزنی: در این چدنها Al به طور متناسبی جانشین Si در غلظت های کم می‌گردد. چدن های آلیاژهای Alدار تجارتی در دو طبقه بندی یکی آلیاژهای تا Al %6 و دیگری Al%18-25 قرار می‌گیرند. Al پتانسیل گرافیته‌شدگی را در هر دوی محدوده‌های ترکیبی ذکر شده حفظ کرده و لذا پس از انجماد چدن خاکستری بدست می‌آید. این آلیاژ به صورت چدنهای گرافیت لایه‌ای ، فشرده و کروی تولید می‌شوند. مزایای ملاحظه شده شامل استحکام به کشش بالا ، شوک حرارتی و تمایل به گرافیته شدن و سفیدی کم می‌باشند که قادر می‌سازند قطعات ریختگی با مقاطع نازک‌تر را تولید کرد. چدن های با Al کم مقاومت خوبی به پوسته پوسته شدن نشان داده و قابلیت ماشینکاری مناسبی را نیز دارا هستند. محل های پیشنهادی جهت کاربرد آنها منیفلدهای دود ، بدنه توربوشارژرها ، روتورهای دیسک ترمز، کاسه ترمزها ، برش سیلندرها، میل بادامکها و رینگهای پیستون هستند. وجود Al در کنار Si در این نوع چدنها باعث ارائه خواص مکانیکی خوب توام با مقاومت به پوسته‌شدگی در دماهای بالا می‌شود. این آلیاژها مستعد به تخلخل‌های گازی هستند. آلومینیوم حل شده در مذاب می توان با رطوبت یا هیدروکربنهای موجود در قالب ترکیب شده و هیدروژن آزاد تولید کند. این هیدروژن آزاد قابل حل در فلز مذاب بوده و باعث به وجود آوردن مک‌های سوزنی شکل در انجماد می‌شود.

تاثیر عناصر جزیی مختلف بر خواص چدن:

Untitled

چندین عامل بر هسته زایی و رشد پولک های گرافیت تأثیر می گذارند. مقدار گرافیت و نیز ابعاد و توزیع آن تأثیر مهمی برخواص چدن دارند

۴- چدن داکتیل
این چدن را گاهی به نام چدن با گرافیت کروی یا SG نیز می شناسند. در چدن داکتیل می توان به ترکیبی غیر متعارف از خواص دست یافت زیرا در این نوع چدن, گرافیت به جای پولک های جداگانه به صورت کره یا گویچه ظاهر می شود. این شیوه انجماد با افزودن مقداری اندک, ولی کاملاً معین از منیزیم به چدن مذابی با ترکیب شیمیایی مناسب به دست می آید. چدن پایه ازلحاظ دارا بودن بعضی عنصرهای فرعی که مانع تشکیل گرافیت کروی می شوند,محدودیت زیادی دارد.
زیاد بودن مقدار کربن وسیلیسیم در چدن داکتیل از لحاظ فرایند ریخته گری مزایایی در بر دارد, اما گویچه های گرافیت بر خواص مکانیکی تأثیر جزئی می گذارند. رابطه تنش کرنش در چدن داکتیل همانند چدن چکش خوار خطی است و این نوع چدن گستره وسیعی از استحکام تسلیم را ارائه می کند و همان گونه که از نام آن بر می آید داکتیل است. قطعات ریختگی چدن داکتیل در گستره وسیعی از ابعاد مختلف ومقاطع گوناگون, از بسیار نازک تا بسیار ضخیم, تولید می شوند.
رده های مختلف این نوع چدن با تنظیم ساختار زمینه در پیرامون گرافیت, به حالت سیاه تاب یا با انجام عملیات گرمایی تولید می شوند.بین رده های معمولی این نوع چدن, از لحاظ ترکیب شیمیایی تفاوت اندکی وجود دارد, و این گونه تنظیم ها را برای بهبود ریزساختار زمینه مطلوب انجام می دهند. برای تنظیم ساختار زمینه چدن داکتیل در حالت سیاه تاب یا آماده سازی آن برای عملیات گرمایی می توان عنصرهای آلیاژی را به چدن افزود. چدن های داکتیل و چدن های داکتیل آلیاژی با ترکیب شیمیایی خاص, خواص غیر متعارفی دارند که در کاربردهای ویژه به کار می آیند.

۵- چدن با گرافیت فشرده
گرافیت موجود در این نوع چدن به صورت پولک های کلفت دیده می شود که در درون هر سلول به یکدیگر متصل اند. این ساختار گرافیت و خواص ناشی از آن, حالتی بینابین چدن خاکستری و چدن داکتیل است. شکل گرافیت فشرده مدت هاست که شناخته شده و آن را شبه پولک, پولک متراکم, شبه گره ای, و گرافیت کرم مانند نیز می نامند. فرایند تولید این نوع چدن مشابه چدن داکتیل و مستلزم کنترل دقیق متالورژیکی و افزودن عناصر خاکی کمیاب است, اما تولید چدن با گرافیت فشرده مستلزم افزودن عنصر آلیاژی دیگری از قبیل تیتانیم نیز هست تا تشکیل گرافیت کروی به حداقل برسد. چدن با گرافیت فشرده بیشترین قابلیت ریخته گری چدن خاکستری را حفظ می کند, استحکام کششی بیشتری دارد و تا حدودی نیز داکتیل است. با افزودن عنصرهای آلیاژی, یا انجام عملیات گرمایی می توان ساختار زمینه این چدن را تنظیم کرد.

۶- چدن های آلیاژی
این دسته از چدن ها شامل چدن های سفید آلیاژی, چدن های خاکستری آلیاژی, و چدن های داکتیل آلیاژی است.چدن های چکش خوار پر آلیاژ نمی شوند زیرا وجود عناصر آلیاژی مانع از انجام فرایند چکش خواری می شود. چدن های با گرافیت فشرده هنوز عمر چندانی ندارند ونمی توان نقش آنها را در عرصه چدن های آلیاژی ارزیابی کرد.
چدن های آلیاژی در مواردی که مستلزم مقاومت فوق العاده در برابر سایش, گرما, یا خوردگی است, به کار می روند. به علاوه هنگامی که خواص فیزیکی غیر متعارف, از قبیل انبساط گرمایی اندک,یا خواص غیر مغناطیسی در نظر باشد از این چدن ها استفاده می شود. قطعات ریختگی چدن آلیاژی به وسیله ریخته گری هایی تولید می شوند که در این زمینه تخصص دارند,زیرا افزودن۳ تا ۳۰ درصد عنصر آلیاژی به چدن مذاب مستلزم در اختیار داشتن تجهیزات ذوب, فنون ریخته گری, و کنترل کیفیت ویژه است. شناسایی وتعیین خواص ویژه مورد نیاز درچدن های آلیاژی غالباً بسیار دشوار است,بنابراین همواره آنها را بر اساس ترکیب شیمیایی مشخص می کنند. خواص مکانیکی مورد نظر را نیز, در مواردی که اهمیت داشته باشند, می توان مشخص کرد. چدن های آلیاژی را بر اساس نوع کاربرد غیر متعارف و مشخصه های ویژه آنها دسته بندی می کنند.

تغییر کربن معادل در چدن های خاکستری

مقدار گرافیت ورقه ای در ساختار میکروسکوپی با ازدیاد کربن معادل که با رابطه زیر بیان می شود, افزایش پیدا می کند:
CE=C % + 1.3(Si % + P)) %)
مقدار گرافیت های ورقه ای مهم ترین عاملی است که بر روی استحکام و خواص دیگر چدن خاکستری تأثیر می گذارد و تغییر در مقدار آن ها علت اصلی تغییر استحکام چدن هاست که با استاندارد انگلیسی BS1452 مشخص شده و تا ردیف های ۲۶۰ و یا ۳۰۰ تغییر می کند.
ساختار زمینه در صورتی پرلیتی کامل است که مقدار سیلیسیم کمتر یا مقدار منگنز زیادتر باشد و به همین ترتیب بر اثر وجود مقادیر بسیار کم و جزئی از عناصر پایدار کننده پرلیت از قبیل: آرسنیک, کرم, مس, نیکل و قلع در مواد اولیه یا قراضه های برگشتی می توان زمینه ای کاملاً پرلیتی به دست آورد.
در مورد چدن هایی که دارای استحکام کمتری هستند, ساختار زمینه دارای اهمیت کمتری نسبت به نوع گرافیت ها در چدن است, در صورتی که در چدن های با استحکام و مقاومت زیاد, نوع ساختار زمینه اهمیت زیادی دارد به طوری که در چنین مواردی سعی می شود تا ساختارهایی کاملاً پرلیتی و یا بینایتی تولید گردد.

تأثیر تغییر ضخامت در ساختار میکروسکوپی چدن خاکستری:

به همان ترتیب که در استاندارد BS1452:1977 نشان داده شده است, با افزایش ضخامت قطعه در چدن خاکستری, استحکام افت می کند و به همین دلیل معمولاً یک نمونه میله ای با قطر ۳۰ میلی متر به عنوان مرجع برای استحکام و ساختار مورد استفاده قرار می گیرد.

تلقیح مواد گرافیت زا در چدن خاکستری:

تلقیح یک ماده جوانه زا در چدن خاکستری عبارت است از اضافه کردن مقدار کمی از آن ماده به منظور آزاد شدن گرافیت ها از حالت ترکیبی سمنتیت(Fe3C? 3Fe + C ) که در این حال سل های یوتکتیکی در ساختار چدن افزایش پیدا کرده و هم چنین فوق تبرید در حین انجماد نیزکاهش می یابد.
در حقیقت تلقیح و اضافه کردن مواد گرافیت زا به عنوان کاتالیزور باعث سریع تر جدا شدن گرافیت ها از حالت ترکیبی گردیده و اغلب در چدن های با استحکام بیشتر و کربن کمتر مورد استفاده قرار می گیرد و در نتیجه گرافیت های آزاد به ویژه در مقاطع نازک تر قطعه به سهولت ایجاد می شود ولی در صورت عدم استفاده از چنین موادی کاربیدها و به ویژه سمنتیت در جداره خارجی و قسمت های نازک تر قطعه به وجود می آید.
به طور کلی مواد جوانه زا اغلب به صورت ترکیبات آلیاژی شامل عنصر جوانه زاست که به طور مثال مواد جوانه زایی که در چدن ها مورد استفاده قرار می گیرد, معمولاً فرو سیلیسیم و کلسیم سیلیسید است که از عنصر سیلیسیم غنی است, هم چنین در مورد چدن ها از SMZ نیز استفاده می شود.
یک ماده جوانه زای مناسب عبارت از ماده ای است که افزودن مقادیر کمی از آن بدون آن که تغییر قابل ملاحظه ای در ترکیب شیمیایی آلیاژ کند اثر مناسب و کافی بر روی ساختار داخلی ایجاد کند.
استحکام چدنی که قبل از تلقیح یک ماده جوانه زا دارای ساختاری گرافیتی است, معمولاً پس از تلقیح به دلایل زیر افزایش می یابد:
الف) افزایش در تعداد سل های یوتکتیکی
ب) گرافیت های فوق تبرید اغلب همراه با فریت هستند و در صورت ایجاد گرافیت های بدون جهت در این حالت, اغلب زمینه به صورت کاملاً پرلیتی می گردد که در نتیجه استحکام را افزایش می دهد.
ج) مواد جوانه زای سیلیسیم دار مهمولاً حاوی آلومینیم هستند و وجود آلومینیم در چدن های پرلیتی باعث ازدیاد در استحکام آنها می گردد.

چدن سفید

تمام کربن یوتکتیکی در چدن های غیر آلیاژی قطعاتی که در حین انجماد در قالب های ماسه ای دارای ضخامت های نازک و متوسطی بوده و حاوی مقدار سیلیسیم کمتری باشند, بدون استفاده از تلقیح مواد جوانه زا به کاربید آهن تبدیل می گردند. چنین چدن هایی دارای مقاطع شکست سفید بوده و به چدن های سفید موسوم هستند.
این نوع چدن ها به صورت غیر آلیاژی و نیز همراه با مقادیر قابل توجهی از عناصر کاربیدزا مانند کرم یا وانادیم مورد استفاده قرار می گیرند. مقاومت در مقابل ساییدگی و سایش چدن های سفید دلیل اصلی استفاده از این نوع چدن ها در صنعت محسوب می گردد
Untitled

انواع چدن:

چدن‌ ها را می‌توان با توجه به توزیع کربن در ریزساختار آن‌ ها به چهار نوع اصلی دسته‌بندی کرد و دو نوع دیگر نیز زیر مجموعه این چهار نوع هستند.از آنجا که ترکیب شیمیایی آن‌ها مشابه است، آن‌ها را با تجزیه شیمیایی نمی‌ توان تشخیص داد..بر این اساس پنج نوع اصلی چدن وجود دارد: چدن سفید, چدن چکش خوار, چدن خاکستری, چدن داکتیل, و چدن با گرافیت فشرده. به هر نوع از این چدن ها می توان تا حدودی عنصرهای آلیاژی افزود, یا آنها را مورد عملیات گرمایی قرار داد, بدون این که نوع چدن تغییر کند. چدن های آلیاژی را که معمولاً حاوی بیش از ۳ درصد عنصر آلیاژی هستند می توان به طور جداگانه به عنوان چدن سفید, خاکستری, یا داکتیل دسته بندی کرد, اما چدن های آلیاژی را از لحاظ تجاری به صورت گروهی جداگانه دسته بندی می کنند.

۱- چدن سفید
هرگاه ترکیب شیمیایی چدن مناسب باشد, یا آهنگ سرمایش آن در حین انجماد به اندازه کافی تند باشد, چدن به گونه ای منجمد می شود که همه کربن موجود در آن با آهن به صورت کاربید آهن ترکیب می شود. این ترکیب که سمنتیت نیز نامیده می شود سخت و ترد است و ترکیب غالب در ریزساختار چدن سفید محسوب می شود. بنابراین چدن سفید سخت و ترد و مقطع شکست آن سفید و بلورین است زیرا اساساً گرافیت ندارد. استحکام فشاری چدن سفید بسیار زیاد و مقاومت آن در برابر سایش عالی است. این نوع چدن در حالت گداخته سختی خود را تا مدت محدودی حفظ می کند.
با افزایش آهنگ انجماد موضعی چدن, می توان نواحی گزیده ای از قطعه ریختگی را به چدن سفید تبدیل کرد. قابلیت ریخته گری چدن سفید به خوبی چدن های دیگر نیست زیرا دمای انجماد آن معمولاً بالاتر است, و کربنی که به صورت کاربید آهن است منجمد می شود. بنابراین دیگر گرافیت در به حداقل رسانیدن انقباض در حین انجماد نقشی ندارد. بخشی از قطعه ریختگی که با آهنگی معتدل جامد می شود, هم گرافیت دارد و هم کاربید آهن. این ساختار را چدن ابلق می نامند.
چدن سفید سخت می تواند در قطعه ریختگی از چدن نرم نیز به وجود آید. دلیل این امر سرمایش سریع مقطعی نازک یا گوشه ای تیز از قطعه یا وجود پره ای بر روی قطعه ریختگی است که از وجود درزی در قالب ناشی شده است و باعث گرماگیری و افزایش آهنگ انجماد می شود.

۲- چدن چکش خوار
مشخصه این نوع چدن این است که بخش عمده کربن موجود در ریزساختار آن به صورت گره های نامنظم گرافیت دیده می شود. این نوع گرافیت کربن بازپختی نام دارد زیرا در حالت جامد و در حین عملیات گرمایی تشکیل می شود.برای تولید چدن چکش خوار, چدن را به صورت چدن سفید با ترکیب شیمیایی مناسب می ریزند. پس از آن که قطعات ریختگی را از قالب بیرون آوردند, آنها را به مدت طولانی در دمایی بالاتر از ۹۰۰ درجه سلسیوس تحت عملیات گرمایی قرار می دهند. این عملیات کاربید آهن را تجزیه می کند و کربن آزاد را به صورت گرافیت در چدن رسوب می دهد. آهنگ سریع انجماد که برای تولید چدن سفید ضرورت دارد باعث محدودیت ضخامت مقاطع ریختگی چدن چکش خوار می شود.
با تنظیم ساختار زمینه در پیرامون گرافیت می توان به گستره وسیعی از خواص مکانیکی در چدن چکش خوار دست یافت. زمینه های پرلیتی و مارتنزیتی با سرمایش سریع در حوالی دمای بحرانی و افزودن عنصرهای آلیاژی به دست می آیند. چدن های چکش خواری که در زمینه خود مقداری کربن ترکیبی داشته باشند غالباً به عنوان چدن چکش خوار پرلیتی شناخته می شوند, اگرچه ممکن است ریزساختار آنها مارتنزیتی یا پرلیتی کروی شده باشد.

۳- چدن خاکستری
هنگامی که ترکیب چدن مذاب و آهنگ سرمایش آن مناسب باشد, کربن موجود در آن در حین انجماد جدا می شود و پولک های گرافیت را تشکیل می دهد که درون هر سلول اوتکتیک به یکدیگر متصل اند. گرافیت در درون مذاب از ناحیه لبه رشد می کند و پولک مشخصه چدن خاکستری را تشکیل می دهد. هنگامی که چدن خاکستری می شکند, بخش عمده شکست در پولک های گرافیت رخ می دهد, و به همین دلیل رنگ مقطع شکست آن خاکستری است. از آنجا که بخش عمده قطعات ریختگی چدنی را از جنس چدن خاکستری می سازند, واژه عمومی چدن را, غالباً به غلط در مورد چدن خاکستری به کار می برند.
خواص چدن خاکستری از ابعاد, مقدار, و توزیع پولک های گرافیت, و سختی نسبی فلز زمینه در پیرامون گرافیت, تأثیر می پذیرد.این عوامل را می توان با کنترل مقدار کربن و سیلیسیم فلز مذاب و آهنگ سرمایش قطعه ریختگی تنظیم کرد. هرچه چدن آهسته تر سرد شود و مقدار کربن و سیلیسیم آن بیشتر باشد, تمایل به ایجاد پولک های بیشتر و بزرگتر گرافیت, ساختار زمینه نرم تر, و استحکام کمتر افزایش می یابد. گرافیت پولکی خواص بی همتایی به چدن خاکستری می بخشد که از جمله می توان به ماشینکاری پذیری عالی در ترازهایی از سختی با بیشترین مقاومت در برابر سایش, توانایی مقاومت در برابر برهم سایی, و میرایی لرزه عالی ناشی از خطی نبودن رابطه تنش- کرنش در تنش های نسبتاً کم اشاره کرد.
چندین عامل بر هسته زایی و رشد پولک های گرافیت تأثیر می گذارند. مقدار گرافیت و نیز ابعاد و توزیع آن تأثیر مهمی برخواص چدن دارند

۴- چدن داکتیل
این چدن را گاهی به نام چدن با گرافیت کروی یا SG نیز می شناسند. در چدن داکتیل می توان به ترکیبی غیر متعارف از خواص دست یافت زیرا در این نوع چدن, گرافیت به جای پولک های جداگانه به صورت کره یا گویچه ظاهر می شود. این شیوه انجماد با افزودن مقداری اندک, ولی کاملاً معین از منیزیم به چدن مذابی با ترکیب شیمیایی مناسب به دست می آید. چدن پایه ازلحاظ دارا بودن بعضی عنصرهای فرعی که مانع تشکیل گرافیت کروی می شوند,محدودیت زیادی دارد.
زیاد بودن مقدار کربن وسیلیسیم در چدن داکتیل از لحاظ فرایند ریخته گری مزایایی در بر دارد, اما گویچه های گرافیت بر خواص مکانیکی تأثیر جزئی می گذارند. رابطه تنش کرنش در چدن داکتیل همانند چدن چکش خوار خطی است و این نوع چدن گستره وسیعی از استحکام تسلیم را ارائه می کند و همان گونه که از نام آن بر می آید داکتیل است. قطعات ریختگی چدن داکتیل در گستره وسیعی از ابعاد مختلف ومقاطع گوناگون, از بسیار نازک تا بسیار ضخیم, تولید می شوند.
رده های مختلف این نوع چدن با تنظیم ساختار زمینه در پیرامون گرافیت, به حالت سیاه تاب یا با انجام عملیات گرمایی تولید می شوند.بین رده های معمولی این نوع چدن, از لحاظ ترکیب شیمیایی تفاوت اندکی وجود دارد, و این گونه تنظیم ها را برای بهبود ریزساختار زمینه مطلوب انجام می دهند. برای تنظیم ساختار زمینه چدن داکتیل در حالت سیاه تاب یا آماده سازی آن برای عملیات گرمایی می توان عنصرهای آلیاژی را به چدن افزود. چدن های داکتیل و چدن های داکتیل آلیاژی با ترکیب شیمیایی خاص, خواص غیر متعارفی دارند که در کاربردهای ویژه به کار می آیند.

۵- چدن با گرافیت فشرده
گرافیت موجود در این نوع چدن به صورت پولک های کلفت دیده می شود که در درون هر سلول به یکدیگر متصل اند. این ساختار گرافیت و خواص ناشی از آن, حالتی بینابین چدن خاکستری و چدن داکتیل است. شکل گرافیت فشرده مدت هاست که شناخته شده و آن را شبه پولک, پولک متراکم, شبه گره ای, و گرافیت کرم مانند نیز می نامند. فرایند تولید این نوع چدن مشابه چدن داکتیل و مستلزم کنترل دقیق متالورژیکی و افزودن عناصر خاکی کمیاب است, اما تولید چدن با گرافیت فشرده مستلزم افزودن عنصر آلیاژی دیگری از قبیل تیتانیم نیز هست تا تشکیل گرافیت کروی به حداقل برسد. چدن با گرافیت فشرده بیشترین قابلیت ریخته گری چدن خاکستری را حفظ می کند, استحکام کششی بیشتری دارد و تا حدودی نیز داکتیل است. با افزودن عنصرهای آلیاژی, یا انجام عملیات گرمایی می توان ساختار زمینه این چدن را تنظیم کرد.

۶– چدن های آلیاژی
این دسته از چدن ها شامل چدن های سفید آلیاژی, چدن های خاکستری آلیاژی, و چدن های داکتیل آلیاژی است.چدن های چکش خوار پر آلیاژ نمی شوند زیرا وجود عناصر آلیاژی مانع از انجام فرایند چکش خواری می شود. چدن های با گرافیت فشرده هنوز عمر چندانی ندارند ونمی توان نقش آنها را در عرصه چدن های آلیاژی ارزیابی کرد.
چدن های آلیاژی در مواردی که مستلزم مقاومت فوق العاده در برابر سایش, گرما, یا خوردگی است, به کار می روند. به علاوه هنگامی که خواص فیزیکی غیر متعارف, از قبیل انبساط گرمایی اندک,یا خواص غیر مغناطیسی در نظر باشد از این چدن ها استفاده می شود. قطعات ریختگی چدن آلیاژی به وسیله ریخته گری هایی تولید می شوند که در این زمینه تخصص دارند,زیرا افزودن۳ تا ۳۰ درصد عنصر آلیاژی به چدن مذاب مستلزم در اختیار داشتن تجهیزات ذوب, فنون ریخته گری, و کنترل کیفیت ویژه است. شناسایی وتعیین خواص ویژه مورد نیاز درچدن های آلیاژی غالباً بسیار دشوار است,بنابراین همواره آنها را بر اساس ترکیب شیمیایی مشخص می کنند. خواص مکانیکی مورد نظر را نیز, در مواردی که اهمیت داشته باشند, می توان مشخص کرد. چدن های آلیاژی را بر اساس نوع کاربرد غیر متعارف و مشخصه های ویژه آنها دسته بندی می کنند.

تغییر کربن معادل در چدن های خاکستری

مقدار گرافیت ورقه ای در ساختار میکروسکوپی با ازدیاد کربن معادل که با رابطه زیر بیان می شود, افزایش پیدا می کند:
CE=C % + 1.3(Si % + P)) %)
مقدار گرافیت های ورقه ای مهم ترین عاملی است که بر روی استحکام و خواص دیگر چدن خاکستری تأثیر می گذارد و تغییر در مقدار آن ها علت اصلی تغییر استحکام چدن هاست که با استاندارد انگلیسی BS1452 مشخص شده و تا ردیف های ۲۶۰ و یا ۳۰۰ تغییر می کند.
ساختار زمینه در صورتی پرلیتی کامل است که مقدار سیلیسیم کمتر یا مقدار منگنز زیادتر باشد و به همین ترتیب بر اثر وجود مقادیر بسیار کم و جزئی از عناصر پایدار کننده پرلیت از قبیل: آرسنیک, کرم, مس, نیکل و قلع در مواد اولیه یا قراضه های برگشتی می توان زمینه ای کاملاً پرلیتی به دست آورد.
در مورد چدن هایی که دارای استحکام کمتری هستند, ساختار زمینه دارای اهمیت کمتری نسبت به نوع گرافیت ها در چدن است, در صورتی که در چدن های با استحکام و مقاومت زیاد, نوع ساختار زمینه اهمیت زیادی دارد به طوری که در چنین مواردی سعی می شود تا ساختارهایی کاملاً پرلیتی و یا بینایتی تولید گردد.

تأثیر تغییر ضخامت در ساختار میکروسکوپی چدن خاکستری:

به همان ترتیب که در استاندارد BS1452:1977 نشان داده شده است, با افزایش ضخامت قطعه در چدن خاکستری, استحکام افت می کند و به همین دلیل معمولاً یک نمونه میله ای با قطر ۳۰ میلی متر به عنوان مرجع برای استحکام و ساختار مورد استفاده قرار می گیرد.

تلقیح مواد گرافیت زا در چدن خاکستری:

تلقیح یک ماده جوانه زا در چدن خاکستری عبارت است از اضافه کردن مقدار کمی از آن ماده به منظور آزاد شدن گرافیت ها از حالت ترکیبی سمنتیت(Fe3C? 3Fe + C ) که در این حال سل های یوتکتیکی در ساختار چدن افزایش پیدا کرده و هم چنین فوق تبرید در حین انجماد نیزکاهش می یابد.
در حقیقت تلقیح و اضافه کردن مواد گرافیت زا به عنوان کاتالیزور باعث سریع تر جدا شدن گرافیت ها از حالت ترکیبی گردیده و اغلب در چدن های با استحکام بیشتر و کربن کمتر مورد استفاده قرار می گیرد و در نتیجه گرافیت های آزاد به ویژه در مقاطع نازک تر قطعه به سهولت ایجاد می شود ولی در صورت عدم استفاده از چنین موادی کاربیدها و به ویژه سمنتیت در جداره خارجی و قسمت های نازک تر قطعه به وجود می آید.
به طور کلی مواد جوانه زا اغلب به صورت ترکیبات آلیاژی شامل عنصر جوانه زاست که به طور مثال مواد جوانه زایی که در چدن ها مورد استفاده قرار می گیرد, معمولاً فرو سیلیسیم و کلسیم سیلیسید است که از عنصر سیلیسیم غنی است, هم چنین در مورد چدن ها از SMZ نیز استفاده می شود.
یک ماده جوانه زای مناسب عبارت از ماده ای است که افزودن مقادیر کمی از آن بدون آن که تغییر قابل ملاحظه ای در ترکیب شیمیایی آلیاژ کند اثر مناسب و کافی بر روی ساختار داخلی ایجاد کند.
استحکام چدنی که قبل از تلقیح یک ماده جوانه زا دارای ساختاری گرافیتی است, معمولاً پس از تلقیح به دلایل زیر افزایش می یابد:
الف) افزایش در تعداد سل های یوتکتیکی
ب) گرافیت های فوق تبرید اغلب همراه با فریت هستند و در صورت ایجاد گرافیت های بدون جهت در این حالت, اغلب زمینه به صورت کاملاً پرلیتی می گردد که در نتیجه استحکام را افزایش می دهد.
ج) مواد جوانه زای سیلیسیم دار مهمولاً حاوی آلومینیم هستند و وجود آلومینیم در چدن های پرلیتی باعث ازدیاد در استحکام آنها می گردد.

چدن سفید

تمام کربن یوتکتیکی در چدن های غیر آلیاژی قطعاتی که در حین انجماد در قالب های ماسه ای دارای ضخامت های نازک و متوسطی بوده و حاوی مقدار سیلیسیم کمتری باشند, بدون استفاده از تلقیح مواد جوانه زا به کاربید آهن تبدیل می گردند. چنین چدن هایی دارای مقاطع شکست سفید بوده و به چدن های سفید موسوم هستند.
این نوع چدن ها به صورت غیر آلیاژی و نیز همراه با مقادیر قابل توجهی از عناصر کاربیدزا مانند کرم یا وانادیم مورد استفاده قرار می گیرند. مقاومت در مقابل ساییدگی و سایش چدن های سفید دلیل اصلی استفاده از این نوع چدن ها در صنعت محسوب می گردد

چدن مختلط

در صورتی که ترکیب شیمیایی چدنی که در یک قالب ماسه ای ریخته گری می گردد در حد وسط یک چدن خاکستری و چدن سفید قرار گیرد, دارای ساختاری مخلوط از گرافیت و کاربید آهن (یوتکتیکی) خواهد بود که به چدن مخلوط مشهور است. این نوع چدن دارای سطح مقطع شکست مخلوط از سفید و خاکستری بوده و در بسیاری موارد به عنوان یک چدن مقاوم در مقابل سایش نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
به همین ترتیب, در یک حالت دیگر و در شرایطی که سرعت سرد شدن قسمت های مختلف یک قطعه به دلیل اختلاف ضخامت متفاوت باشد در این صورت مقطع نازک تر دارای ساختار چدن سفید و مقطع ضخیم تر به صورت ساختار یک چدن خاکستری منجمد می گردد و در نتیجه حد وسط دو مقطع مورد نظر ساختار مخلوط از دو نوع ساختار را خواهد داشت .                                      ترکیب شیمیایی چدن‌های غیرآلیاژی در جدول زیر و مقدار تقریبی کربن و سیلیسیوم آن‌ ها (نسبت به فولادها) در شکل زیر آمده است.

چدن نشکن چدن چکش خوار چدن سفید چدن خاکستری عنصر
۳-۴ ۲-.۲٫۶ ۱٫۸-۳٫۶ ۲٫۵-۴ C
۱٫۸-۲٫۸ ۱٫۱-۱٫۶ ۰٫۵-۱٫۹ ۱-۳ Si
۰٫۱-۱ ۰٫۲-۱ ۰٫۲۵-۰٫۸ ۰٫۲۵-۱ Mn
۰٫۰۳ (حداکثر) ۰٫۰۴-۰٫۱۸ ۰٫۰۶-۰٫۲ ۰٫۰۲-۰٫۲۵ S
۰٫۵ (حداکثر) ۰٫۱۸ (حداکثر) ۰٫۰۶-۰٫۱۸ ۰٫۰۵-۱ P

طبفه‌بندی چدن‌ها:

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

۱)چدن های معمولی (عمومی(:

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

  • ۱-چدن های خاکستری ورقه ای یا لایه ای:  چدن های خاکستری جزو مهمترین چدن های مهندسی هستند که کاربردی زیاد دارند نام این چدن ها از خصوصیات رنگ خاکستری سطح مقطع شکست آن و شکل گرافیت مشتق می‌شود.خواص چدن های خاکستری به اندازه ، مقدار و نحوه توزیع گرافیت‌ها و ساختار زمینه بستگی دارد. خود این‌ها نیز به کربن و سیلیسیم (C.E.V=%C+%⅓Si+%⅓P) و همچنین روی مقادیر جزئی عناصر ، افزودنی‌های آلیاژی ، متغیرهای فرایندی مانند، روش ذوب ، عمل جوانه زنی و سرعت خنک شدن بستگی پیدا می‌کنند. اما به طور کلی این چدن ها ضریب هدایت گرمایی بالایی داشته، مدول الاستیستیه و قابلیت تحمل شوکهای حرارتی کمی دارند و قطعات تولیدی از این چدن ها به سهولت ماشینکاری و سطح تمام شده ماشینکاری آنها نیز مقاوم در برابر سایش از نوع لغزشی است. این خواص آنها را برای ریختگی هایی که در معرض تنش‌های حرارتی محلی با تکرار تنشها هستند، مناسب می‌سازد. افزایش میزان فریت در ساختار باعث استحکام مکانیکی خواهد شد. این نوع حساس بودن به مقاطع نازک و کلفت در قطعات چدنی بدنه موتورها مشاهده می شود دیواره نازک و لاغر سیلندر دارای زمینه‌ای فریتی و قسمت ضخیم نشیمنگاه یا تاقان‌ها زمینه‌ای با پرلیت زیاد را پیدا می‌کند. همچنین در ساخت ماشین آلات عمومی ، کمپرسورهای سبک و سنگین ، قالب‌ها ، میل لنگ‌ها ، شیر فلکه‌هاو اتصالات لوله‌ها و غیره از چدنهای خاکستری استفاده می‌شود.

۲- چدن های مالیبل یا چکش خوار:   چدن های چکش خوار با دیگر چدن ها به واسطه ریخته گری آنها نخست به صورت چدن سفید فرق می‌کنند. ساختار آنها مرکب از کاربیدهای شبه پایدار در یک زمینه‌ای پرلیتی است بازپخت در دمای بالا که توسط عملیات حرارتی مناسب دنبال می‌شود باعث تولید ساختاری نهایی از توده متراکم خوشه‌های گرافیت در زمینه فریتی یا پرلیتی بسته به ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی می‌شود. ترکیب به کار برده شده براساس نیازهای اقتصادی ، نحوه باز پخت خوب و امکان جذب و امکان تولید ریخته‌گری انتخاب می‌شود. مثلا بالا رفتن Si بازپخت را جلو انداخته و موجب عملیات حرارتی خوب و سریعی با سیلکی کوتاه می‌شود و در ضمن مقاومت مکانیکی را نیز اصلاح می‌نماید. تاثیر عناصر به مقدار بسیار کم در این چدن ها دست آورد دیگری در این زمینه هستند. Teو Bi تشکیل چدن سفید در حالت انجماد را ترقی داده، B و Al موجب اصلاح قابلیت بازپخت و توام با افزایش تعداد خوشه‌های گرافیت می‌شود میزانMnموجود و نسبتMn/S برای آسان کردن عمل بازپخت می‌بایستی کنترل گردد. عناصری از جمله Cu و Ni و Mo را ممکن است برای بدست آوردن مقاومت بالاتر یا افزایش مقاومت به سایش و خوردگی به چدن افزود. دلیل اساسی برای انتخاب چدن های چکش خوار قیمت تمام شده پایین و ماشینکاری راحت و ساده آنهاست. کاربردهای آنها در قطعات اتومبیل قطعات کشاورزی ، اتصالات لوله ها ، اتصالات الکتریکی و قطعات مورد استفاده در صنایع معدنی است.

۳- چدن های گرافیت کروی یا نشکن: این چدن در سال ۱۹۴۸ در فیلادلفیای آمریکا در کنگره جامعه ریخته گران معرفی شد. توسعه سریع آن در طی دهه ۱۹۵۰ آغاز و مصرف آن در طی سال های ۱۹۶۰ روبه افزایش نهاده و تولید آن با وجود افت در تولید چدن ها پایین نیامده است. شاخصی از ترکیب شیمیایی این چدن به صورت کربن ۳٫۷% ، سیلیسیم ۲٫۵% ، منگنز۰٫۳% ، گوگرد ۰٫۰۱% ، فسفر ۰٫۰۱% و منیزیم ۰٫۰۴% است. وجود منیزیم این چدن را از چدن خاکستری متمایز می‌سازد. برای تولید چدن گرافیت کروی از منیزیم و سریم استفاده می‌شود که از نظر اقتصادی منیزیم مناسب و قابل قبول است. جهت اصلاح و بازیابی بهتر منیزیم برخی از اضافه شونده‌هایی از عناصر دیگر با آن آلیاژ می‌شوند و این باعث کاهش مصرف منیزیم و تعدیل کننده آن است. منیزیم ، اکسیژن و گوگرد زدا است. نتیجتا منیزیم وقتی خواهد توانست شکل گرافیتها را به سمت کروی شدن هدایت کند که میزان اکسیژن و گوگرد کم باشند. اکسیژن‌زداهایی مثل کربن و سیلیسیم موجود در چدن مایع این اطمینان را می‌دهند که باعث کاهش اکسیژن شوند ولی فرآیند گوگردزدایی اغلب برای پایین آوردن مقدار گوگرد لازم است. از کاربردهای این چدن ها در خودروسازی و صنایع وابسته به آن مثلا در تولید مفصل‌های فرمان و دیسک ترمزها ، در قطعات تحت فشار در درجه حرارت های بالا مثل شیر فلکه‌ها و اتصالات برای طرحهای بخار و شیمیایی غلتکهای خشک‌کن نورد کاغذ، در تجهیزات الکتریکی کشتی‌ها ، بدنه موتور ، پمپ‌ها و غیره است.

۴-چدن های گرافیت فشرده یا کرمی شکل: این چدن شبیه خاکستری است با این تفاوت که شکل گرافیت‌ها به صورت کروی کاذب ، گرافیت تکه‌ای با درجه بالا و از نظر جنس در ردیف نیمه نشکن قرار دارد. می‌توان گفت یک نوع چدنی با گرافیت کروی است که کره‌های گرافیت کامل نشده‌اند یا یک نوع چدن گرافیت لایه‌ای است که نوک گرافیت گرد شده و به صورت کرمی شکل درآمده‌اند. ایت چدن ها اخیرا از نظر تجارتی جای خود را در محدوده خواص مکانیکی بین چدن های نشکن و خاکستری باز کرده است.

ترکیب آلیاژ موجود تجارتی که برای تولید چدن گرافیت فشرده استفاده می‌شود عبارت است از: Mg%4-5 ،Ti%8.5-10.5 ، Ca% 4-5.5 ، Al%1-1.5 ، Ce %0.2-0.5 ،Si%48-52 و بقیه Fe. چدن گرافیت فشرده در مقایسه با چدن خاکستری از مقاومت به کشش ، صلبیت و انعطاف‌پذیری ، عمر خستگی ، مقاومت به ضربه و خواص مقاومت در دمای بالا و برتری بازمینه‌ای یکسان برخوردار است و از نظر قابلیت ماشینکاری ، هدایت حرارتی نسبت به چدن های کروی بهتر هستند. از نظر مقاومت به شکاف و ترک خوردگی برتر از سایر چدن ها است. در هر حال ترکیبی از خواص مکانیکی و فیزیکی مناسب ، این چدن ها را به عنوان انتخاب ایده آلی جهت موارد استعمال گوناگون مطرح می‌سازد. مقاومت بالا در مقابل ترک‌خوردگی آنها را برای قالبهای شمش‌ریزی مناسب می‌سازد. نشان دادن خصوصیاتی مطلوب در دماهای بالا در این چدن ها باعث کاربرد آنها برای قطعاتی از جمله سر سیلندرها ، منیفلدهای دود ، دیسکهای ترمز ، دیسکها و رینگهای پیستون شده است.

۲)چدن های سفید و آلیاژی مخصوص:

کربن چدن سفید به صورت بلور سمانتیت کربید آهن ، Fe3C) )می‌باشد که از سرد کردن سریع مذاب حاصل می‌شود و این چدن ها به آلیاژهای عاری از گرافیت و گرافیت‌دار تقسیم می‌شوند و به صورتهای مقاوم به خوردگی ، دمای بالا، سایش و فرسایش می‌باشند.

  • چدن های بدون گرافیت -۱
    • چدن سفید پرلیتی: ساختار این چدنها از کاربیدهای یکنواخت برجسته و توپر M3C در یک زمینه پرلیتی تشکیل شده است. این چدنها مقاوم در برابر سایش هستند و هنوز هم کاربرد داشته ولی بی‌نهایت شکننده هستند لذا توسط آلیاژهای پرطاقت دیگری از چدن های سفید آلیاژی جایگزین گشته‌اند.
    • چدن سفید مارتنزیتی (نیکل- سخت): نخستین چدن های آلیاژی که توسعه یافتند آلیاژهای نیکل- سخت بودند. این آلیاژها به طور نسبی قیمت تمام شده کمتری داشته و ذوب آنها در کوره کوپل تهیه شده و چدن های سفید مارتنزیتی دارای نیکل هستند. Ni به عنوان افزایش قابلیت سختی پذیری برای اطمینان از استحاله آستنیتی به مارتنزیتی در طی مرحله عملیات حرارتی به آن افزوده می‌شود. این جدن ها حاوی Cr نیز به دلیل افزایش سختی کاربید یوتکتیک هستند. این چدنها دارای یک ساختار یوتکتیکی تقریبا نیمه منظمی با کاربیدهای یکنواخت برجسته و یکپاره M3C هستند که بیشترین فاز را در یوتکتیک دارند و این چدنها مقاوم در برابر سایش هستند.
    • چدن سفید پرکرم: چدن های سفید با Cr زیاد ترکیبی از خصوصیات مقاومت در برابر خوردگی ، حرارت و سایش را دارا هستند این چدنها مقاومت عالی به رشد و اکسیداسیون در دمای بالا داشته و از نظر قیمت نیز از فولادهای ضد زنگ ارزان تر بوده و درجاهایی که در معرض ضربه و یا بازهای اعمالی زیادی نیستند به کار برده می‌شوند این چدنها در سه طبقه زیر قرار می‌گیرند:
  1. چدنهای مارتنزیتی با Cr %12-28
  2. چدنهای فریتی با ۳۴-۳۰% Cr
  3. چدنهای آستنیتی با ۳۰-۱۵%Cr و ۱۵-۱۰% Niبرای پایداری زمینه آستنیتی در دمای پایین.

طبقه بندی این چدنها براساس دمای کار ، عمر کارکرد در تنش های اعمالی و عوامل اقتصادی است. کاربرد این چدنها در لوله‌های رکوپراتو ، میله ، سینی ، جعبه در کوره‌های زینتر و قطعات مختلف کوره‌ها، قالب‌های ساخت بطری شیشه و کاسه نمدهای فلکه‌ها است.

۲-چدن های گرافیت دار:

  • چدن های آستنیتی: شامل دو نوع (نیکل- مقاوم) و نیکروسیلال Ni-Si ، که هر دو نوع ترکیبی از خصوصیات مقاومت در برابر حرارت و خوردگی را دارا هستند. اگرچه چدن های غیر آلیاژی به طور کلی مقاوم به خوردگی بویژه در محیط های قلیایی هستند، این چدنها به صورت برجسته‌ای مقاوم به خوردگی در محیط هایی مناسب و مختص خودشان هستند. چدن های نیکل مقاوم آستنیتی با گرافیت لایه‌ای که اخیرا عرضه شده‌اند از خواص مکانیکی برتری برخوردار بوده ولی خیلی گران هستند. غلظت نیکل و کرم در آنها بسته به طبیعت محیط خورنده شان تغییر می‌کند. مهمترین کاربردها شامل پمپهای دنده‌ای حمل اسید سولفوریک، پمپ خلا و شیرهایی که در آب دریا مصرف می‌شوند، قطعات مورد استفاده در سیستم‌های بخار و جابه‌جایی محلول‌های آمونیاکی، سود و نیز برای پمپاژ و جابجایی نفت خاماسیدی در صنایع نفت هستند.
  • چدن های فریتی: شامل دو نوع زیر می‌باشد: چدن سفید ۵% سیلیسیم در سیلال که مقاوم در برابر حرارت می‌باشد و نوع دیگر چدن پرسیلیسیم (۱۵%) که از مقاومتی عالی به خوردگی در محیطهای اسیدی مثل اسید نیتریک و سولفوریک در تمام دماها و همه غلظتها برخوردارند. اما برخلاف چدن های نیکل- مقاوم ، عیب آن ، ترد بودن است که تنها با سنگ‌زنی می‌توان ماشینکاری نمود. مقاومت به خوردگی آنها در برابر اسیدهای هیدروکلریک و هیدروفلوریک ضعیف است. جهت مقاوم سازی به خوردگی در اسید هیدروکلریک می‌توان با افزودن Si تا ۱۸-۱۶% ، افزودن Cr%5-3 یا Mo %4-3 به آلیاژ پایه ، اقدام نمود.

چدن های سوزنی: در این چدنها Al به طور متناسبی جانشین Si در غلظت های کم می‌گردد. چدن های آلیاژهای Alدار تجارتی در دو طبقه بندی یکی آلیاژهای تا Al %6 و دیگری Al%18-25 قرار می‌گیرند. Al پتانسیل گرافیته‌شدگی را در هر دوی محدوده‌های ترکیبی ذکر شده حفظ کرده و لذا پس از انجماد چدن خاکستری بدست می‌آید. این آلیاژ به صورت چدنهای گرافیت لایه‌ای ، فشرده و کروی تولید می‌شوند. مزایای ملاحظه شده شامل استحکام به کشش بالا ، شوک حرارتی و تمایل به گرافیته شدن و سفیدی کم می‌باشند که قادر می‌سازند قطعات ریختگی با مقاطع نازک‌تر را تولید کرد. چدن های با Al کم مقاومت خوبی به پوسته پوسته شدن نشان داده و قابلیت ماشینکاری مناسبی را نیز دارا هستند. محل های پیشنهادی جهت کاربرد آنها منیفلدهای دود ، بدنه توربوشارژرها ، روتورهای دیسک ترمز، کاسه ترمزها ، برش سیلندرها، میل بادامکها و رینگهای پیستون هستند. وجود Al در کنار Si در این نوع چدنها باعث ارائه خواص مکانیکی خوب توام با مقاومت به پوسته‌شدگی در دماهای بالا می‌شود. این آلیاژها مستعد به تخلخل‌های گازی هستند. آلومینیوم حل شده در مذاب می توان با رطوبت یا هیدروکربنهای موجود در قالب ترکیب شده و هیدروژن آزاد تولید کند. این هیدروژن آزاد قابل حل در فلز مذاب بوده و باعث به وجود آوردن مک‌های سوزنی شکل در انجماد می‌شود.

تاثیر عناصر جزیی مختلف بر خواص چدن:

عناصر مختلف به صورت جمعی یا تکی روی خواص چدن ها تاثیر می گذارند و به چهار گروه تقسیم می شوند:

الف) عناصری که موجب تشکیل کاربید می شوند: مانند کروم، تلوریم،بیسموت و بور که اثر قوی دارند. وانادیم، ازت، مولیبدن و آرسنیک اثر کمتری میگذارند. اغلب این عناصر موجب تشکیل پرلیت میگردند که این امر برای چدن های خاکستری پرلیتی و گرافیت کروی پرلیتی مفید و در عین حال برای چدن های فریتی مضر است.

ب) عناصری که موجب تشکیل پرلیت می گردند شامل قلع، مس و نیکل که برای چدن های پرلیتی مفید و برای چدن های فریتی مضر هستند.

ج) عناصری که اثر تخریبی روی ساختار گرافیت داشته که مهم ترین آنها سرب، تلوریوم، بیسموت و در درجه دوم آنتیموان است.

د) عناصری که موجب افزایش درصد هیدروژن و در نتیجه ایجاد حفره های ناشی از هیدروژن می شوند که مهمترین آنها، آلومینیوم است.

در چدن های خاکستری، حضور مقدار کمی از عناصر کاربیدزا و پرلیت زا می تواند مقاومت را بهبود بخشد. چدن همراه مقدار کمی از کروم، مس و قلع، محکم تر از چدن مشابه بدون این عناصر می باشد.

ساختار دانه بندی میکروسکوپی چدن:

چدن ها نمونه های بارزی از آلیاژهایی هستند که از نظر ساختار دانه بندی حساس هستند یعنی خواص فلز بدوا به ساختمان متالوگرافی منوط و وابسته است. اجزای متشکله این ساختار سبب مجزا شدن انواع مختلف چدن ها یعنی سفید، خاکستری و نشکن می شود. مهمترین این اجزا عبارتند از :

۱- گرافیت: کربن در چدن ها ممکن است به صورت آزاد یا به شکل گرافیت وجود داشته باشد.

شکل های مختلف گرافیت:

شکل ها و نحوه پخش گرافیت های مختلفی که به وجود می آید بستگی به ترکیب شیمیایی، جوانه زایی و سرد کردن چدن دارد.

گرافیت تیپ A

از نوع گرافیت بسیار مطلوب با نحوه پخش یکنواخت است که اصولا در چدن های با استحکام بالا مشاده می شود. عملیات جوانه زایی درست و موفق برای حصول این نوع گرافیت لازم است.

گرافیت تیپ B

این نوع گرافیت، رشدی دایره ای (Radial Growth Pattern) داشته و هسته ها مشخص بوده و در مرکز این هسته ها فریت وجود دارد. زمانی که سرعت سرد کردن چدن زیاد باشد مخصوصا در مقاطع نازک و عملیات جوانه زایی نیز انجام نگرفته باشد، اصولا این نوع گرافیت به وجود می آید.

گرافیت تیپ C(Kish Graphite)

این نوع گرافیت در چدن های هیپریوتکتیک وجود داشته و در قطعات با مقاطع ضخیم، ورقه های گرافیت درشت بوده و در مقاطع نازک به شکل ستاره ای هستند.

گرافیت تیپ D(Undercooled Graphit)

اندازه گرافیت ها بسیار ریز و دندریت ها کاملا مشخص است. تشکیل این نوع گرافیت به عوامل زیر بستگی دارد: سرعت سرد شن زیاد در مقاطع نازک، انجام نگرفتن عملیات جوانه زایی، پایین بودن مقدار گوگرد، حرارت های فوق ذوب، زمان نگهداری زیاد در ذوب در کوره و بالا بودن تیتانیوم

۲- سمنتیت: کربن در چدن ها ممکن است به طور کامل و یا مقداری از نظر شیمیایی به شکل سمنتیت یافت شود. بسیار سخت و شکننده بوده و این خواص را به آهن انتقال می دهد.

۳- فریت: در چدن ها، فریت ، سیلیسیوم موجود در آهن را در خود جای داده است. سیلیسیوم ، فریت را مقاوم کرده و سختی آن ر حسب میزان سیلیسیوم به ۱۰۰ تا ۴۰۰ برینل خواهد رساند.

۴- پرلیت: متشکل از مخلوط فریت و سمنتیت به صورت لایه های یک در میان است. پرلیت در چدن ها سخت بود و تقریبا ۲۳۰-۲۰۰ برینل سختی داشته و اندکی قابلیت چکش خواری دارد. مقدار پرلیت چدن ها بسته به درجه گرافیت زایی آهن دارد.در چدن های خاکستری و نشکن، درصد کربن ترکیبی بر مقدار موجودیت پرلیت اثر می گذارد.

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 ,Mnدر 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 ۰٫۸ % است در حالی که در چدنها بسته به ترکیب چدن و سرعت خنک شدن متغیر بوده و حتی می تواند کمتر از ۰٫۵% 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 ۱۰% 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 ۸۰۰ درجه سانتیگراد و یک محدوده گسترده ای از انبساط حرارتی که تابع از Si موجود در چدن است را نشان دهد.

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 و نیکروسیلال با 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.

 

منابع:

www.foo.com

www.daneshnameh.roshd.ir

www.wikipedia.org

www.aoc.gov.com

www.ferro-casting-ductile

 

 

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.