تاثیر عناصر آلیاژی در چدنها

تاثیر عناصر آلیاژی در چدنها

عناصری که معمولا در چدن خاکستری وجود داشته و یا سپس به آن اضافه می شود میتواند مطابق اثرشان روی چدن در خلال انجماد و سرد کردن به دو گروه تقسیم شوند.

1 – عناصری که باعث تسریع تشکیل گرافیت می شوند که به عناصر گرافیت زا معروفند مانند سیلیسیم، آلومینیوم، تیتانیم، نیکل و مس

2 – عناصری که موجب بوجود آمدن کاربید های آهن در چدن میشوند که به عناصر کاربیدزا معروفند مانند منگنز، مولیبدن، کرم و وانادیم، تاثیر برخی از عناصر آلیاژی اصلی مورد استعمال در چدنها ی خاکستری به قرار زیر است.

سیلیسیم:

سیلیسیم در عناصر آلیاژی قوی ترین عامل گرافیت زا بشمار می رود. این عنصر احتمالا با آهن Fe₃Si تشکیل داده و مانع از تشکیل Fe₃C میشود حد بالائی موثر سیلیسیم 3% می باشد. با افزایش مقدار گرافیت در چدن خواص مکانیکی قطعات در ریخته گری قطعات چدنی تنزل می یابد با توجه به این نکته در چدن های خاکستری با استحکام بالا میزان کربن و سیلیسیم بایستی در حد پائین تری نگهداشته شود که امر باعث کاهش راندمان ریختگی قطعه می گردد زیرا چنین قطعاتی نیاز به تغذیه بزرگتری دارد. از طرف دیگر، اگرچه چدنهای خاکستری با سیلیسیم بالا مثل 3 دارای زمینه فریتی بوده و از راندمان ریختگی بالائی برخوردارند اما با شکل شکننده بودن روبرو می باشند. (بدلیل انحلال در فریت شکننده کردن آن) نتیجه عملی این مسئله این است که برای ایجاد زمینه کاملا فرینی باید از عملیات حرارتی آنیلینگ استفاده کرد.

همانطور که قبلا اشاره شد میزان کربن معادل از رابطه CE = C% + ( P% + Si%) /3  به دست می آید که با افزایش کربن معادل در چدنها به مقدار گرافیت افزوده شده در حالیکه مقدار پرلیت در توزیع یکنواخت و ریزی G کاهش می یابد. در چنین شرایطی گرافیت رشده کرده و بزرگ شده که نتیجه آن کاهش استحکام چدن می باشد با این ترتیب بعد از کربن سلنیم مهم ترین عنصر متشکله چدن است :

آلومینیوم :

در صورتی که مقدار آلومینیوم در چدنها زیر 0/25 درصد باشد خاصیت گرافیت زائی قوی دارد و چنانچه بالا 0/25 درصد باشد دارای خاصیت کاربیدزائی می باشد مثلا اگر چدنی دارای 8 درصد آلومینیوم و 3 درصد کربن چدن سفید بدست می آید که حتما در اثر عملیات حرارتی نیز نمی توان به ساختاری با گرافیت آزاد دست یافت. امروزه از آلومینیوم بعنوان عنصر آلیاژی در مقادیر بالا در تولید چدنها استفاده می گردد. چدنی که دارای 12 درصد آلومینیوم باشد می تواند در درجه حرارتهای بالا بدون اینکه سطوح آن اکسیده شود مورد استفاه قرار گیرد.

تیتانیم :

تیتانیم از 0/05 تا 0/25 درصد در چدنها خاصیت گرافیت زائی و کاهش تمایل به سفید شدن قسمت های نازک قطعات را دارد از طرف دیگر موجب ریز شدن ذرات گرافیت در قطعات می گردد. افزایش مقدار تیتانیم از 0/25% باعث پیدایش کاربید تیتیانیم (Tic) شده که حتی در اثر عملیات حرارتی تجزیه نمی گردد. مقدار معمول مصرف تیتانیم 0/1 – 0/05 درصد بوده در حالیکه برای قطعاتی مانند رینگ پیستون این مقدار به 0/2 % خواهد رسید. در ضمن تیتانیم در چدنها خاصیت اکسیژن زدائی خوبی دارد و از طرف دیگر باعث توزیع یکنواخت گرافیت می گردد. در چدنهایی که کرم بصورت عنصر ناخواسته تلقی می شود برای خنثی کردن اثر منفی کرم می توان از تیتانیم استفاده نمود بدون اینکه نیازی به بالا بردن مقدار سیلیسم باشد. تیتانیم باعث بالا بردن استحکام چدنهای خاکستری بویژه چدنهای هیپریوتکنیک می گردد.

نیکل :

نیکل به گرافیته شدن چدن کمک می کنند ولی تاثیر آن به اندازه نصف سیلیسم می باشد همچنین از میزان تخلخل قطعات به نحو قابل توجهی می کاهد نیکل همراه با مقدار کمی سیلیسیم با تغییر ساختمان پرلیت درشت به پرلیت ریز و بالاخره به مارتزیت، زمینه چدن را بطور یکنواخت سخت و مقاوم می سازد همچنین به ریز شدن دانه ها و پراکندگی گرافیت در یک حالت بسیار ریز که نتیجه آن افزایش استحکام و سختی قطعات می باشد کمک می نامید. حضور نیکل در چدنها باعث افزایش مقاومت آنها در مقابل آب دریا و محلول های غلیظی میشود.

مس :

مس به گرافیت زائی کربن کمک می کند و سختی آهن را کاهش می دهد ولی قدرت گرافیت زائی آن 20% قدرت گرافیت کنندگی سیلیسم می باشد. همچنین مس به پایداری پرلیت در چدنهای خاکستری کمک می کند. لذا سختی قطعات چدن خاکستری را افزایش می دهد. یکی از موارد مصرف  مس در تولید قطعات چدنی با ضخامت های غیر یکنواخت (نازک و ضخیم) است که حضور آن موجب یکنواختی ساختار میکروسکوپی در ضخامت های مختلف قطعه ریخته شده می گردد. حداکثر مقدار مطلوب در چدنهای خاکستری حدود 4 – 3 درصد است. حضور مس در چدنهای خاکستری باعث افزایش مقاومت آنها در مقابل خوردگی اتمسفری، محلول نمک ها اسید ها و مواد نفتی میگردد.

منگنز :

منگنز در فریت حل شده و در ترکیب با کربن تولید کاربید منگنز و همچنین با گوگرد سولفید منگنز (SMn) ایجاد می نماید منگنز استحکام چدن را افزایش می دهد. حضور منگنز در چدنها ضروری است. زیرا تاثیرات منفی گوگرد را کاهش می دهد. وجود منگنز در چدن باعث ریز شدن ساختار پرلیت شده و مقاومت به خستگی قطعات را بهبود می بخشد. در چدنها خاکستری حضور تا 1/5 درصد منگنز جهت به دست آوردن خواص مکانیکی مطلوب مورد استفاده قرار می گیرد. تولید چدنهای مقاوم در مقابل سایش با بیش از 5 % منگنز در جهان مطرح است. بهرحال تولید چدنهای مقاوم در مقابل سایش با منگنز بالا نیاز به کنترل دقیقی در فرایند تولید این گونه چدنها دارد.

اگر تابع F = 0.024-0.118%C – 0.226Si + 0.123%Mn + 0.639%Cu  را در نظر بگیریم چنانکه F=0  زمینه کاملا پرلیتی و اگر F>0 کربن تمایل به تشکیل کاربید دارد و چنانچه F= -1 چدن کاملا فریتی است.

تاثیر عناصر آلیاژی در چدنها

مولیبدن :

مولیبدن هنگام سرد کردن سرعت تبدیل اوستنیت را کاهش می دهد در نتیجه پرلیت بسیار ریزی تشکیل می دهد که به نحو قابل استحکام و عمر خستگی را افزایش می دهد. مولیبدن موثر ترین عنصر آلیاژ دهنده برای افزایش استحکام چدن است. این عنصر یکنواختی ساختمان قطعات سنگین را زیاد کرد و سختی پذیری را بهبود می بخشد و به حفظ استحکام در درجه حرارت های بالا کمک می کند. معمولا مولیبدن به همراه نیکل و مس مورد استفاده قرار می گیرد. این عنصر در چدن های هیپویوتکنیک در مقادیر 0/5 – 0/3 درصد باعث استحکام و سختی آن می گردد.

کروم :

این عنصر با کربن ایجاد کاربید کروم نموده و استحکام چدن را  بخصوص در درجه حرارت های بالا و شرایطی که قطعات متناوبا سرد و گرم می شودن بالا می برد. افزودن کروم تا مقدار 0/8 درصد در چدنها بخاطر افزایش استحکام آنها متداول است و در صورتیکه از این میزان تجاوز نماید بدلیل تشکیل کاربید کرم قطعات دچار شکنندگی می شوند (مقاومت به ضربه آنها کاهش می یابد) مصرف کروم در چدنها آلیاژی به 3 منظور می باشد.

1 – افزایش مقاومت به خوردگی در آب دریا و محلول های اسیدی ضعیف

2- کار در درجات حرارتی بالا : در این گونه موارد چدنها پرکروم قادر به  تحمل شرایط کاری در درجه حرارتهای بالا می باشند بدون اینکه سطوح آنها اکسید گردد. مثلا چدنهای با 35% کروم می توانند تا 1150 درجه سانتیگراد بخوبی مقاومت نمایند. نظیر قطعاتی که در کوره های عملیات حرارتی یا در کوره های تهیه سیمان مورد استفاده قرار می گیرند.

3- قطعات مقاوم در مقابل سایش : کروم از مهم ترین عناصر آلیاژی است. که مقاومت به سایش را افزایش می دهد، نظیر گلوله های آسیابها که نوعی از آنها محتوی 16 – 12 درصد کروم می باشد.

معمولا مصرف کروم در چدنها به همراه عناصری نظیر نیکل، مس، مولیبدن و وانادیم می باشد.

وانادیم :

وانادیم به نحو موثری یه ریز شدن ذرات چدن کمک کرده سختی چدن و پایداری کاربید را زیاد می کند. همچنین سختی تبریدی سختی و مقاوم به فرسایش را افزایش می دهد.