آشنایی با چدن های ویژه

چدن‌ های ویژه (آلیاژی)

چدن های ویژه به آن دسته از آلیاژهای ریخته گری مبتنی بر سیستم آهن-کربن-سیلیکون گفته می شود که حاوی یک یا چند عنصر آلیاژی هستند که عمداً برای افزایش یک یا چند ویژگی مفید اضافه شده اند. افزودن مقادیر کمی از مواد (مانند فروسیلیکون، سریم یا منیزیم) که برای کنترل اندازه، شکل و یا توزیع ذرات گرافیت به کار می‌رود، تلقیح نامیده می‌شود. (ترکیب شیمیایی با آزمون کوانتومتری (آزمون آنالیز) قابل بررسی می‌باشد.) مقادیر مواد مورد استفاده برای تلقیح، ترکیب اصلی چدن جامد شده و خواص اجزای تشکیل دهنده را تغییر نمی دهد.

عناصر آلیاژی، از جمله سیلیکون زمانی که از حدود 3 درصد فراتر رود، معمولاً برای افزایش استحکام، سختی، سختی‌پذیری یا مقاومت در برابر خوردگی چدن پایه اضافه می‌شوند و اغلب به مقدار کافی برای تأثیرگذاری بر شکل‌گیری، خواص یا توزیع مواد تشکیل دهنده در چدن اضافه می‌شوند. در چدن‌های خاکستری و داکتیل ، مقادیر کمی از عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن یا نیکل عمدتاً برای دستیابی به استحکام بالا یا اطمینان از دستیابی به حداقل مقاومت مشخص شده در مقاطع سنگین استفاده می‌شود. در غیر این صورت، عناصر آلیاژی تقریباً منحصراً برای افزایش مقاومت در برابر سایش یا خوردگی شیمیایی یا افزایش عمر مفید در دماهای بالا استفاده می‌شوند.

چدن های ویژه، چدن های آلیاژی هستند که از تغییرات اساسی در ساختار به واسطه مقادیر نسبتاً زیادی از عناصر آلیاژی بهره می‌برند. مقاومت در برابر سایش را می توان با افزایش سختی بهبود بخشید که به نوبه خود می تواند با افزایش مقدار کاربیدها و سختی آن‌ها یا با تولید ساختار مارتنزیتی به دست آید. کم هزینه ترین ماده، چدن سفید با زمینه پرلیتی است. افزودن 3 تا 5 درصد نیکل و 1.5 تا 2.5 درصد کروم منجر به ایجاد چدن‌هایی با کاربیدهای (FeCr)₃C و یک زمینه مارتنزیتی ریخته‌گری می شود.

افزودن 11 تا 35 درصد کروم باعث تولید کاربیدهای (CrFe)₇C₃ می شود که سخت تر از کاربیدهای آهن هستند. افزودن 4 تا 16 درصد منگنز منجر به ساختاری متشکل از (FeMn)₃C، مارتنزیت و آستنیت کار سخت شده می شود.

مقاومت حرارتی به پایداری ریزساختار بستگی دارد. چدن‌های مورد استفاده برای این کاربردها ممکن است ساختار فریتی با گرافیت (Si5٪) ساختار فریتی با کاربیدهای پایدار (11 تا 28٪ کروم)، یا ساختار آستنیتی پایدار با گرافیت کروی یا پولکی (Ni18٪،Si5٪) داشته باشند. برای مقاومت در برابر خوردگی از چدن‌‌های با کروم بالا (تا 28%)، نیکل (تا 18%) و سیلیکون (تا 15٪) استفاده می‌شود.

طبقه بندی چدن های ویژه

چدن های آلیاژی را می توان به عنوان چدن های سفید، چدن های مقاوم در برابر خوردگی و چدن های مقاوم در برابر حرارت طبقه بندی کرد. چدن های سفید که به دلیل سطوح شکستگی سفید که مشخصه آن‌هاست به این نام خوانده می شوند، هیچ گرافیتی در ریزساختار خود ندارند. در عوض، کربن به شکل کاربید، عمدتاً از انواع Fe₃C و Cr₇C₃ وجود دارد. اغلب، کاربیدهای پیچیده مانند (Fe,Cr)₃C و (Cr,Fe)₇C₃ یا آن‌هایی که حاوی سایر عناصر تشکیل دهنده کاربید هستند نیز وجود دارند.

چدن‌های سفید معمولاً بسیار سخت هستند، که این ویژگی تنها عامل مقاومت عالی آن‌ها در برابر سایش است. چدن سفید را می‌‌توان در سرتاسر بخش (عمدتاً با تنظیم ترکیب) یا فقط تا حدی به سمت داخل از سطح (عمدتاً با ریخته گری در برابر سرما) تولید کرد. که نوع دوم را گاهی اوقات به عنوان چدن سرد می نامند تا آن را از چدنی که سرتاسر آن سفید است متمایز کند. ریخته‌گری‌های چدن سرد با ریخته‌گری فلز مذاب در برابر فلز سرد یا گرافیت تولید می‌شوند که در نتیجه سطحی تقریباً عاری از کربن گرافیتی است.

در تولید چدن سرد، ترکیب به گونه‌ای انتخاب می‌شود که فقط سطوح ریخته‌شده در برابر سرما عاری از کربن گرافیتی باشد. قسمت هایی که به آرامی خنک می شوند، چدن خاکستری یا خالدار خواهند بود. عمق و سختی قسمت سرد شده را می توان با تنظیم ترکیب فلز، میزان تلقیح و دمای ریختن کنترل کرد.

در شکل زیر، سطح شکستگی چدن سرد شده. قسمت های سفید، خالدار و خاکستری در اندازه کامل، از بالا به پایین نشان داده شده است. که با استفاده از میکروسکوپ با انجام آزمون متالوگرافی یا رپلیکا قابل مشاهده می‌باشد.

قسمت هایی که به آرامی خنک می شوند، چدن خاکستری یا خالدار خواهند بود. عمق و سختی بخش سرد شده را می توان با تنظیم ترکیبات کنترل کرد. ترکیب به گونه‌ای انتخاب می شود که برای اندازه بخش مورد نظر، گرافیت با جامد شدن قالب ریخته گری تشکیل نشود.

سختی قطعات ریخته گری چدن سفید را می توان با تنظیم بیشتر ترکیب فلز، میزان تلقیح و دمای ریختن کنترل کرد. تفاوت اصلی در ریزساختار بین چدن سرد و چدن سفید این است که چدن سرد دانه ریز است و جهت عمود بر سطح سرد نشان می دهد، در حالی که چدن سفید معمولاً دانه درشت، به طور تصادفی جهت دار و سفید است، حتی در بخش های نسبتاً سنگین. (چدن سفید دانه ریز را می توان با ریخته گری ترکیب چدن سفید در برابر سرما تولید کرد.)

چدن‌های مقاوم در برابر خوردگی، مقاومت خود را در برابر حملات شیمیایی عمدتاً از محتوای بالای آلیاژ خود به دست می‌آورند. بسته به اینکه کدام یک از سه عنصر آلیاژی سیلیکون، کروم، یا نیکل بر ترکیب غالب باشد، چدن مقاوم در برابر خوردگی می‌تواند در ریزساختار خود فریتی، پرلیت، مارتنزیتی یا آستنیتی باشد. بسته به ترکیب، سرعت سردکردن و روش تلقیح، چدن مقاوم در برابر خوردگی می‌تواند در هر دو شکل و توزیع کربن سفید، خاکستری یا داکتیل باشد.

چدن‌های مقاوم در برابر حرارت، مقاومت در برابر اکسیداسیون و پوسته پوسته شدن در دمای بالا را با مقاومت در برابر نرم شدن یا تخریب ریزساختاری ترکیب می کنند. مقاومت در برابر پوسته پوسته شدن عمدتاً به محتوای بالای آلیاژ بستگی دارد و مقاومت در برابر نرم شدن به ریزساختار اولیه به علاوه پایداری فاز حاوی کربن بستگی دارد. چدن‌های مقاوم در برابر حرارت معمولاً فریتی یا آستنیتیکا هستند. کربن عمدتاً به صورت گرافیت، به شکل پوسته پوسته یا کروی، وجود دارد که چدن‌های مقاوم در برابر حرارت را به چدن‌های خاکستری یا داکتیل تقسیم می‌کند.

گریدهای چدن سفید فریتی و آستنیتی نیز وجود دارد، اگرچه کمتر مورد استفاده قرار می گیرند و هیچ گونه نامگذاری در انجمن آمریکایی آزمایش و مواد (ASTM) ندارند.