چدن نشکن

چدن نشکن (داکتیل)

چدن نشکن (Ductile Cast Iron) حاوی کربن آزاد کروی شکل است نه رشته‌ای. به این دلیل گاهی به این چدن در امریکا چدن کلوخه‌ای و در انگلیس چدن با گرافیت کروی (SG) می گویند. چدن نشکن به علت داشتن خواص خوب، از زمان کشف آن یعنی 1948 شهرت زیادی پیدا کرده است.

ساختار میکروسکوپی چدن نشکن در شرایط آنیل شده شده در شکل زیر آمده است. اگر قبل از ریخته گری به مذاب کمی منیزیم افزوده شود گرافیت کروی حاصل می شود. ترکیب شیمیایی چدن نشکن شبیه به چدن خاکستری بوده اما مقدار گوگرد و فسفر آن کمتر است. چدن نشکن دارای گستره‌ ای از تنش تسلیم خوب و شکل پذیری قابل قبولی می باشد و برعکس چدن چکش ‌خوار، می‌ توان آنها را با ضخامت‌ های مختلف نازک و ضخیم ریخته گری کرد.

چدن نشکن دارای زمینه فریتی، پرلیتی، یا هر دو با گرافیت‌ های کروی است. به هنگام انجماد چدن نشکن، بیشتر کربن به ‌صورت گرافیت کروی تشکیل می‌شود، برعکس گرافیت رشته ‌ای در چدن خاکستری. ریزساختار چدن نشکن در حالت ریختگی شامل کره‌ های گرافیتی است که با فریت آزاد (ساختار چشم گاوی) در زمینه پرلیتی احاطه شده است.

از آنجا که گرافیت موجود در چدن نشکن به جای این که رشته ‌ای باشد، کروی است خواص این چدن بسیار متنوع است. از طرفی دارای خواص چدن خاکستری از قبیل نقطه ذوب پایین، سیالیت و قابلیت ریخته گری خوب، ماشین کاری عالی، و مقاومت سایشی خوب بوده و از طرف دیگر دارای استحکام، شکل پذیری، چقرمگی، و توانایی کارگرم مطلوب است.

انواع چدن‌های نشکن و کاربرد آن‌ها در جدول زیر آمده است. مانند چدن خاکستری، انواع چدن‌های نشکن بر مبنای استحکام کششی مشخص می‌شوند. با تغییر ریزساختار انواع چدن نشکن به‌ دست می ‌آید. بعضی چدن ‌های نشکن به ‌صورت ریختگی تهیه و در دسترس قرار می‌ گیرند، حال آن که نوع منظم و پر استحکام پس از ریخته گری احتیاج به عملیات حرارتی دارد. اصولا اختلافی در ترکیب شیمیایی انواع منظم وجود ندارد. اما، بعضی اوقات جهت به‌ دست آوردن ساختار مطلوب لازم است مقدار کمی مواد شیمیایی افزوده شود و روش ریخته گری تغییر کند.

تمام عناصری که در فریت حل می شوند، آن را محکم کرده ولی اثرات متفاوتی بر افزایش استحکام و سختی دارند.

کربن : میزان کربن چدن‌های نشکن بین 3-4% تغییر می‌کند، اما گستره محدودتر 3.6-3.9% نیز معمول است. برای ایجاد چگالی زیاد گرافیت ‌های کروی، نسبت به چدن خاکستری مقدار بیشتری کربن لازم است. اگر کربن معادل خیلی زیاد باشد (مثلا، بیشتر از 4.6%)، ممکن است کربن شناور شود.

سیلیسیوم: مقدار سیلیسیوم چدن نشکن بین 1.8-2.8% متغیر است، اما گستره کوچکتر 2.2-2.7% نیز معمول است. سیلیسیوم بر کربن معادل اثر می‌گذارد، بنابراین هرچه مقدار سیلیسیوم افزایش یابد، تعداد کره‌ها نیز افزایش می‌یابد. مقدار کم سیلیسیوم در چدن نشکن تمایل به تبرید را افزایش می‌دهد، اگر میزان سیلیسیوم خیلی کم باشد ممکن است در مقاطع نازک کاربیدهای اضافی تشکیل شود. سیلیسیوم باعث استحکام فریت در چدن نشکن می‌شود اما باید دقت داشت که موجب افزایش دمای انتقال شکست نرم به ترد می شود.

گوگرد. معمولا مقدار گوگرد را در چدن نشکن به کمتر از 0.03% محدود می‌کنند. افزایش مقدار گوگرد بدین معنی است که باید منیزیم بیشتری برای کروی کردن گرافیت‌ها اضافه شود. میزان گوگرد پس از عملیات کروی کردن حدود 0.015% است.

فسفر. فسفر اثر قوی روی استحکام فریت دارد ولی به دلیل اثرات مضر این عنصر به ویژه اثر معکوس بر خواص ضربه‌ای و شکل‌پذیری، حداکثر مقدار فسفر در تولید چدن نشکن حدود 0.10% مشخص شده است، اما معمولا به کمتر از 0.05% محدود می‌شود. اگر میزان این عنصر از حد فوق تجاوز نماید باعث اثر پدیده جدایش در منطقه مرزی بین دانه ها و تشکیل ساختار یوتکتیکی ترد استیدیت را می شود. جدایش فسفر در منطقه مرز بین دانه ای در قطعات ریختگی ضخیم کاملا مشهود است.

از نقطه نظر ساختاری، افزایش مقدار فسفر، موجب افزایش میزان پرلیت شده و نیز سبب افزایش استحکام کششی و سختی و کاهش میزان ازدیاد طول نسبی و در نتیجه ترد شدن قطعه می شود.

مس : مس باعث بالارفتن استحکام فریت شده ولی با این هدف در تولید چدن نشکن به کار نمی رود زیا مس عنصری پرلیت زا بوده و وجود آن موجب حساس تر شدن چدن به عناصر جزیی مضر می شود.

نیکل: می تواند استحکام فریت را بدون معایبی که عناصر دیگر وارد می کنند، افزایش دهد و در نتیجه اگر تولید چدن نشکن فریتی در حال ریختگی مد نظر باشد، تنها از آلیاژ سیلیسیوم-نیکل می توان استفاده کرد.

سایر عناصر. عناصری از قبیل سرب، تیتانیم، آلومینیوم، آنیتموان و زیرکونیم باید به دقت کنترل شوند زیرا این عناصر تشکیل گرافیت‌های رشته‌ای را تشویق می‌کنند. سایر عناصر که تشکیل پرلیت یا کاربید آهن را میسر می‌سازند مانند، ارسنیک، بور، کرم، قلع و وانادیم نیز باید کنترل شوند.

تاثیر عناصر آلیاژی روی پرلیت، مجموعه ای از اثرات آنها روی فریت ،سمنتی و یا کاربید به اضافه تاثیر این عناصر روی دمای یوتکتوئید است.

نیکل، سیلیسیوم و منگنز عناصر اصلی هستند که در تولید چدن نشکن پرلیتی استفاده می شوند، نیکل و سیلیسیوم باعث محکم شدن ورق های فریت و منگنز باعث ایجاد ورق های سمنتیت در پرلیت شه و به این ترتیب ساختار پرلیتی به وجود می آید. نیکل و منگنز در کاهش دمای استحاله آستنیت به پرلیت موثر بوده که این کاهش باعث ثبات پرلیت می شود.

این چدن ها مقاومت به سایش خوبی داشته و برای تولید صفحات آستری بعضی از قسمت های آسیاب سیمان و بخش هایی از دستگاه سنگ شکن کاربرد دارد. می توان برای پرلیت زایی از مس و قلع استفاده کرد.

تاثیر عناصر آلیاژی روی کاربید اهمیت ویژه ای داشته چون اندازه و پخش کاربید روی خواص چدن نشکن تاثیر بسیار زیادی دارد. سیلیسیوم و نیکل تمایل به کاربیدزایی نداشته و گرافیت زا می باشند. منگنز کاربیدزای ضعیفی بوده و بیشتر در کاربید آهن حل می شود. در ساختار میکروسکوپی، کاربید ناشی از منگنز به صورت ورق های سمنتیت در پرلیت ظاهر می شود. کروم، مولیبدن و وانادیوم عناصر کاربیدزای قوی بوده و حلالیت آنها در سمنتیت محدود است. ذرات کاربید کروم نسبتا درشت و سخت بوده و برای استحکام قطعه مضر هستند و باعث ترد شدن آنها می شوند. در بعضی موارد وجود کروم به میزان 0.15% تاثیر کاملا مشخصی روز تردی قطعه می گذارد. ذرات کاربیدهای مولیبدن، مخصوصا اگر نیکل موجود باشد، کوچکتر هستند.

به دلیل اندازه کوچک و پراکندگ ذرات کاربید مولیبدن، اثر آن بر چقرمگی محدود است. وانادیوم نیزی چون عنصر کاربیدزای قوی می باشد در تولید چدن نشکن استفاده کمی دارد. زیرا باعث تسکیل کاربیدهای درشت در مرز دانه ها شده که در نتیجه موجب کاهش چقرمگی و افزایش تردی قطعه می گردد.

تاثیر عناصر آلیاژی بر سختی پذیری

گاهی نیاز به داشتن ساختار کاملا پرلیتی یا بینایتی در قطعات ضخیم ریختگی بوده که با افزودن عناصر آلیاژی میتوان به آنها رسید. عناصر آلیاژی از رشد اجزای استحاله آستنیت جلوگیری کرده و در نتیجه سختی پذیری قطعات افزایش می یابد. عناصری که قابلیت حل شدن در آستنیت را دارند، در قابلیت سختی پذیری تاثیر بسزایی دارند.

در ضمن این عناصر نباید گرافیت زای قوی و نیز قادر به تشکیل فازهایی در بین مرزدانه ها هم نباشد. بنابراین نحوه پخش عناصر آلیاژی در ساختار اهمیت زیادی دارد. از آنجاییکه خنک کردن در هوا احتمال ترک را کاهش می دهد، چدن نشکن آلیاژی که با خنک کردن در هوا سخت کاری می شود، مصرف زیادی دارد. چون سیلیسیوم گرافیت زای قوی می باشد برای سختی پذیری استفاده ندارد، فسفر نیز باعث تشکیل فاز استدیت شده که برای سختی پذیری مضر است. کروم و وانادیوم از عناصر کاربیدزای قوی بوده که هیچ کاربردی در سختی پذیری ندارند. نیکل، منگنز و مولیبدن به صورت جمعی عناصری هستندکه برای افزایش سختی پذیری به کار می روند که نیکل بشترین استفاده را دارد.

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

Smith.W., Structure and Properties of Engineering Materials, McGraw-Hill, 1987

مرعش مرعشی ، متالورژی کاربردی چدنها (2) ، شرکت نورد و تولید قطعات فولادی ، 1375