رشته متالوژی

روش تولید چدن خاکستری (gray iron)

آهن خاکستری

چدن خاکستری آلیاژی بر مبنای آهن کربن است که معمولاً کربن آن ۳ الی ۳٫۵ درصد است. سیلیسیم نیز معمولاً بین ۱٫۸ تا ۲٫۴ درصد تغییر می‌کند. کربن و سیلیسیم روی خواص قطعات چدنی تأثیر شگرفی دارند.

از دیگر عناصر موجود در چدن خاکستری می‌توان به گوگرد، فسفر، منگنز اشاره کرد. هم چنین کربن در چدن خاکستری به صورت گرافیت یا کاربید آهن است.

مقدار، اندازه، شکل و پراکندگی کاربید تعیین‌کننده خواص آن مخصوصاً خواص مربوط به استحکام است. گرافیت به صورت ورقه‌های ریز یا درشت می‌باشد که دارای خواص ماشین کاری مطلوب،انتقال حرارتی خوب و مقاومتهای متغیر است. مقطع این نوع چدن‌ها خاکستری است و به همین علت به آن‌ها چدن خاکستری گویند.

چدن های خاکستری گروهی از چدنها هستند که گرافیت ورقه را در طول انجماد تشکیل می دهند. در مقابل شکل شناسی گرافیت گلوله ای آهن های شکل پذیر و نرم. گرافیت ورقه در چدن های خاکستری در یک قالب با ریزساختاری که توسط عمل ترکیب و گرما مشخص می شود، پخش می گردد.

ریزساخت معمول چدن خاکستری یک قالب پرلیت با ورقه های گرافیت که در سرتاسر پخش شده است می باشد. برحسب ترکیب، آهن خاکستری معمولاً شامل ۲.۵% تا ۴% کربن، ۱% تا ۳% سیلیسیوم (si) و اضافاتی از منگنز بسته به ریزساخت مطلوب می باشد. (به اندازه حداقل ۰.۱% منگنز در آهن خاکستری که دارای بیشترین جزء آهن است و حداکثر ۱.۲% در پرلیت). دیگر عناصر آلیاژی شامل نیکل، مس، مولیبدنیوم و کُرُم است.

کاهش میزان سیلیسیوم و میزان کل کربن یا با افزودن عناصر آلیاژی معمول ترین عملیات گرمایی در آهن خاکستری بازپخت یا تمپرینگ و آزاد کردن فشار است.

ترکیب شیمیایی یک پارامتر مهم دیگر است که بر عملیات گرما در چدن های خاکستری و سیلیسیوم اثر می گذارد.

برای مثال: قابلیت انحلال کربن را کاهش و درجه انتشار کربن را در آستنتیت را افزایش می دهد و معمولاً واکنش های مختلف را در طول عملیات گرما سرعت می بخشد.

سیلیسیوم نیز دمای ساختار آستنیتکی را تا حد زیادی بالا برده و میزان کربن ترکیبی را کاهش می دهد. (حجم استحکام یا سخت کاری شدن)

در مقابل منگنز دمای ساختار آستنتیکی را پایین می آورد و قابلیت سخت شدن را افزایش می دهد. آن همچنین قابلیت انحلال کربن را افزایش و انتشار کربن را در آستنتیک کاهش داده و میزان کربن ترکیب شده را افزایش می دهد.

به علاوه، منگنز تبدیل به آلیاژ شده و کاربید پرلیت را تثبیت می کند و از این رو میزان پرلیت را افزایش می دهد.

گداختگی (تمپرینگ)

عملیات گرما اغلب برای چدن خاکستری بکار می رود به استثناء آهن در کاهش فشار که همان گداختگی یا بازپخت است. گداختگی آهن خاکستری شامل گرما دادن به آهن توصیه می گردد.

تمپرینگ (گداختگی) متوسط یا کامل

این عمل معمولاً در دماهای بین ۷۹۰ و ۹۰۰ درجه سانتیگراد (۱۴۵۰ و ۱۶۵۰ درجه فارنهایت) انجام می شود. این عملیات وقتی استفاده می شود که یک گداختگی تبدیل به آهن بدلیل میزان آلیاژ بالا در آهن خاصی بی اثر باشد.

در هر حال توصیه می شود که میزان تأثیر دماهای زیر ۷۶۰ درجه سانتیگراد (F 1400) را قبل از اینکه دمای گداختگی بالا به عنوان بخشی از رویه استاندارد پذیرفته شود، آزمایش کنید.

حفظ زمان قابل مقایسه با زمانهای استفاده شده در گداختگی تبدیل به آهن معمولی بکار گرفته می شوند. وقتی که از دماهای بالا در گداختگی متوسط استفاده می شود، ریخته گری باید به آرامی از طریق ناحیه تبدیل از حدود ۷۹۰ تا ۶۷۵ درجه سانتیگراد (۱۴۵۰ تا ۱۲۵۰ درجه فارنهایت) سرد گردد.

تمپرینگ (گداختگی تبدیل به گرافیت)

اگر ریزساختار چدن خاکستری شامل ذرات کاربید بزرگ باشد دماهای تمپرینگ بالاتر مورد نیاز است. گداختگی تبدیل به گرافیت ممکن است به سادگی برای تبدیل کاربید بزرگ به پرلیت و گرافیت عمل کنند. اگرچه در بعضی موارد کاربرد انجام عمل گداختگی تبدیل به آهن برای فراهم کردن قابلیت تراش حداکثر ممکن است مطلوب باشد.

محدوده دما برای طبیعی سازی آهن خاکستری تقریباً ۸۸۵ تا ۹۲۵ درجه سانتیگراد (۱۶۲۵ تا ۱۷۰۰ درجه فارنهایت) است. دمای تبدیل به آستنتیک تأثیر زیادی بر ریزساختار و بر ویژگی های مکانیکی مانند قدرت کشش و سختی دارد.

قدرت کشش و سختی ریخته گری چدن خاکستری طبیعی شده بستگی به پارامترهای زیر دارد:

  • میزان کربن ترکیبی
  • فاصله و فضای پرلیت (فاصله بین صفحات محکم شده)
  • شکل شناسی گرافیت

شکل شناسی گرافیت تا حد زیادی در طول طبیعی سازی تغییر نمی کند و اثر آن بر سختی و قدرت کشش در این بحث در مورد طبیعی سازی حذف می گردد.

میزان ترکیب کربن با دمای طبیعی سازی (آستنتیک) و ترکیب شیمیایی ریخته گری مشخص می شود. دمای طبیعی سازی بالاتر قابلیت انحلال کربن را در آستنتیک افزایش می دهد. (یعنی حجم محکم سازی در پرلیت حاصل). حجم محکم سازی بالاتر در عوض هم سختی و هم قدرت کشش را افزایش می دهد.

ترکیب آلیاژ ریخته گری آهن خاکستری نیز بر قابلیت انحلال کربن در آستنتیک اثر می گذارد. بعضی از عناصر قابلیت انحلال کربن را افزایش می دهند و بعضی آن را کاهش می دهند. عناصر دیگر اثری بر روی آن ندارند. میزان کربن قالب از اثرات ترکیبی عناصر آلیاژی تعیین می شود.

دیدگاهتان را بنویسید

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