چدن ها

چدن چیست

در متالورژی واژه چدن، مانند واژه فولاد، خانواده بزرگی از آلیاژهای آهنی را مشخص می‌کند. چدن‌ها آلیاژهای آهنی چند جزئی هستند که در دمای یوتکتیک جامد می‌شوند. حاوی عناصر اصلی (آهن، کربن، سیلیکون)، جزئی (<0.1%) و اغلب آلیاژی (>0.1%) هستند. چدن شامل کربن و سیلیکون بیشتری نسبت به فولاد است. به دلیل کربن بیشتر، ساختار چدن، برخلاف ساختار فولاد، فاز کربنی غنی دارد. بسته به ترکیب، سرعت سردکردن و عملیات حرارتی، چدن می‌تواند مطابق با سیستم  Fe-Fe₃C ناپایدار ترمودینامیکی یا سیستم Fe-Gr  پایدار، جامد شود.

هنگامی که مسیرانجماد ناپایدار دنبال می‌شود، فاز کربن غالب در یوتکتیک کاربید آهن است و هنگامی که مسیر انجماد پایدار دنبال می شود، فاز کربن غالب گرافیت است. تنها با اشاره به سیستم دوتایی Fe-Fe₃C یا Fe-Gr، چدن را می‌توان به عنوان آلیاژ آهن – کربن با بیش از 2% C  تعریف کرد. باید به این نکته توجه داشت که سیلیکون و سایر عناصر آلیاژی ممکن است به طور قابل توجهی حداکثر حلالیت کربن در آستنیت (γ) را تغییر دهند. بنابراین، در موارد استثنایی، آلیاژهایی با غلظت کمتر از 2% C می توانند با ساختار یوتکتیک جامد شوند و بنابراین همچنان به خانواده چدن تعلق داشته باشند.

تشکیل یوتکتیک پایدار یا ناپایدار تابع عوامل بسیاری از جمله پتانسیل جوانه زنی مایع، ترکیب شیمیایی و سرعت سرد کردن است. دو عامل اول پتانسیل گرافیتی شدن آهن را تعیین می‌کند. پتانسیل گرافیتی شدن بالا منجر به ایجاد آهن‌هایی با گرافیت به عنوان فاز کربن غنی می‌شود، در حالی که پتانسیل گرافیتی شدن کم منجر به ایجاد آهن هایی با کاربید آهن می‌شود.

شماتیکی از ساختار انواع معمول چدن‌های تجاری و همچنین فرآیندهای مورد نیاز برای به دست آوردن آن‌ها در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1:  اساس ریزساختارها و فرآیند به دست آوردن چدن‌های تجاری رایج

دو نوع اساسی یوتکتیک – گرافیت آستنیتی پایدار یا کاربید آهن آستنیتی ناپایدار – تفاوت‌های زیادی در خواص مکانیکی خود دارند، مانند: استحکام، سختی، چقرمگی و شکل‌پذیری. بنابراین، حوزه اساسی فرآیندهای متالورژیکی چدن، نوع فرآوری، مقدار و مورفولوژی یوتکتیک به منظور دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب است.

طبقه بندی چدن ها

از نظر تاریخی، اولین طبقه‌بندی چدن بر اساس مقطع شکست (ساختار) آن بود. دو نوع آهن در ابتدا شناخته شد:

• چدن سفید: سطح شکستگی سفید و کریستالی را نشان می‌دهد زیرا شکستگی در امتداد صفحات کاربید آهن رخ می‌دهد. این نتیجه انجماد ناپایدار است. (یوتکتیک Fe₃C)
• چدن خاکستری: سطح شکستگی خاکستری را نشان می‌دهد، زیرا شکستگی در امتداد صفحات گرافیتی (لایه‌ها) رخ می‌دهد. این نتیجه انجماد پایدار است. (Gr eutectic)

با ظهور متالوگرافی، و با افزایش دانش مربوط به چدن، طبقه‌بندی های دیگری بر اساس ویژگی‌های ریزساختاری امکان‌پذیر شد:

• شکل گرافیت: گرافیت لایه‌ای (ورقه‌ای) (FG)، گرافیت کروی (گره دار) (SG)، گرافیت فشرده (ورمی‌کولار) (CG) و گرافیت تمپرشده (TG). گرافیت تمپر شده از یک واکنش حالت جامد حاصل می‌شود (چکش‌خوار).
• استحاله: فریتی، پرلیتی، آستنیتی، مارتنزیتی، بینیتی (آسمپرشده)

این طبقه بندی به ندرت توسط ریخته‌گران استفاده می شود ولی پرکاربردترین اصطلاح، اصطلاح تجاری است که اولین تقسیم بندی را می‌توان در دو دسته انجام داد:

• چدن‌های معمولی: برای کاربردهای عمومی، بدون آلیاژ یا کم‌آلیاژ هستند.
• چدن‌های ویژه: برای کاربردهای خاص، عموماً با آلیاژ بالا هستند.

مطابقت بین طبقه‌بندی تجاری و ریزساختاری و همچنین مرحله نهایی فرآیند در به دست آوردن چدن‌های معمولی در جدول 1 آورده شده است.

جدول 1 طبقه‌بندی چدن بر اساس نام تجاری، ریزساختار و مقطع شکست

تفاوت چدن‌های ویژه با چدن‌های معمولی عمدتاً در عناصر آلیاژی می‌باشد (بیش از 3٪)، که عناصر آلیاژی خواص ویژه ریزساختارها از جمله کاربردهای در دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی و سایش را ارتقا می‌دهند.

طبقه‌بندی انواع اصلی چدن‌های ویژه در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2 طبقه‌بندی چدن‌های ویژه آلیاژ بالا.

اصول متالورژی چدن ها

هدف متالورژیست طراحی فرآیندی است که ساختاری را تولید کند که خواص مکانیکی مورد انتظار را داشته باشد. این امر مستلزم دانش مربوط به ویژگی‌های ساختاری برای آلیاژ خاص مورد بررسی و همچنین عوامل مؤثر بر ساختار است. هنگام بحث در مورد متالورژی چدن، عوامل اصلی تأثیرگذار بر ساختار که باید به آن‌ها توجه شود عبارتند از:

• ترکیب شیمیایی
• سرعت سردکردن
• عملیات ذوب
• عملیات حرارتی

علاوه بر این، از کربن ترکیب شده در چدن‌ها باید جنبه های زیر نیز در نظر گرفته شود:

• در سرد کردن اولیه یا از طریق عملیات حرارتی بعدی، یک استحاله را می‌توان با رسوب گرافیت در ساختار موجود یا با حل کردن کربن در آن‌ها، به صورت داخلی کربن زدایی یا کربوره کرد.
• بسته به میزان سیلیکون و سرعت سرد شدن، پرلیت موجود در آهن می‌تواند از نظر میزان کربن متفاوت باشد. این یک سیستم سه‌تایی است و میزان کربن پرلیت می تواند تا 0.50٪ با 2.5٪ Si باشد.
• سختی اندازه‌گیری شده آهن‌های گرافیتی به ویژه در چدن خاکستری تحت تأثیرگرافیت است. میکروسختی مارتنزیت ممکن است تا 66HRC باشد، اما به طور معمول در چدن خاکستری کمتر از 54HRC است (58HRC در چدن داکتیل).
• دمای بحرانی آهن تحت تأثیر میزان سیلیکون (افزایش می یابد) است نه میزان کربن