کلیه مطالب زمینه این جزوه آموزشی برگرفته از کتاب
"اصول و کاربرد عملیات حرارتی فولادها و چدنها"
تالیف دکتر محمد علی گلعذار می باشد . فهرست
مراجع موارد افزوده شده به مطالب منبع فوق ، در
انتهای این جزوه آمده است...
برای مشاهده و دانلود به ادامه مطلب بروید.
متالورژی و عملیات حرارتی
چدنها
کلیه مطالب زمینه این جزوه آموزشی برگرفته از کتاب
"اصول و کاربرد عملیات حرارتی فولادها و چدنها"
تالیف دکتر محمد علی گلعذار می باشد . فهرست
مراجع موارد افزوده شده به مطالب منبع فوق ، در
انتهای این جزوه آمده است .
دیباچه
چدنها خانواده ای از آلیاژهای آهنی با خواص کاملاً متنوع بوده که اکثراً به روش ریخته گری شکل داده
می شوند. برخلاف فولادها که حاوی کمتر از 2 درصد ( و معمولاً کمتر از 1 درصد ) کربن هستند، چدنها معمولاً دارای 2
تا 4 درصد کربن و 1 تا 3 درصد سیلیس یم می باشند . بهعلاوه، اغلب عناصر آلیاژی دیگر ( فلز ویا غیرفل ز) جهت کنترل
ترکیب شیمیائی، ساختمان میکروسکوپی و در نتیجه خواص مکانیکی به چدنها اضافه می شود.
علاوه بر ترکیب شیمیا یی، پارامترهای مهم دیگر که بر روی خواص نهائی اثر می گذارند عبارتند از : فرآیند
انجماد، سرعت انجماد، سرعت سرد شدن پس از انجماد و عملیات حرارتی.
برخی از خواص ویژه چدنها که آنها را از فولادها متمایز م ی ساز د عبارتند از : ارزانی قیمت، نقطه ذوب پائین
( بین 1130 تا 1250 درجه سانتیگراد ) ، سیالیت بالا، پائین بودن میزان انقباض در موقع انجماد و سرد ش دن، مقاومت
ضربه پائین، انعطاف پذیری کم، قابلیت جذب ارتعاش، مقاومت خوب سایش و عدم حساسیت در برابر شیارهای
سطحی.
نکته قابل تذکر در مورد خواص فوق این است که، بسیاری از آنها شدیداً بستگی به ساختمان میکروسکوپی
زمینه و نحوه توزیع کربن در آن دارد . از اینرو، با تغ ییر هر یک از پارامترهای فوق خواص چدن نیز ممکن است کاملاً
تغییر کند . به عنوان مثال در حالی که گر ا فیت لایه ای شکل، انعطاف پذیری چدن را شدیداً کاهش می دهد، چدنهای
نشکن از انعطاف پذیری بسیار خوبی برخوردارند، و یا اینکه چدنهای نشکن با زمینه بینیتی دارای مقاومت به ضربه و
سایش بسیار خوبی می باشند.
مطالب این جزوه به دو بخش تقسیم شده، در بخش اول متالورژی چدنها را مورد بررسی قرار داده و در بخش
دوم عملیات حرارتی چدنها و چگونگی بهبود خواص مکانیکی آنها، با استفاده از روشهای مختلف عملیات حرارتی
مطالعه خواهد شد.
1 متالورژی چدنها
3 درصد / اساساً چدنها، از آهن خام 1 که محصول کوره بلند بوده و معمولاً دارای 2 الی 4 درصد کربن، حداکثر 5
0 درصد گوگرد می باشد تهیه می شوند . برای این کار آهن / سیلیسیم، حداکثر 2 درصد فسفر، حداکثر 2 درصد منگنز و 4
خام با ترکیب شیمیائی مزبور را همراه با درصد مشخصی از چدن و یا قراضه فولاد ذوب کرده، پس از تنظیم ترکیب
شیمیائی به کمک عناصر دیگری که به مذاب اضافه می کنند، آنرا در اشکال مورد نظر ریخته گری می نمایند.
هما نگو نه که گفته شد ، خو ا ص مکا نیکی چد نها نظیر سختی و استحکا م ، شد ید اً بستگی به سا ختمان
م یکروسکوپی، یعنی طبیعت ساختمان زمینه و نحوه توزیع کربن دارد . تحت شرایطی که هر یک از پارامترهای مزبور
منجر به ایجاد خواص نامطلوب در چدنها شود، به کمک عناصر آلیاژی و یا عملیاتی که بر روی مذاب انجام می گیرد و
یا عملیات حرارتی، پارامتر مورد نظر را در جهت بهبود خواص مکانیکی م یتوان تغییر داد.
در این بخش ابتدا پدیده گرافیت زائی 2 در چدنها و بعد نمودارهای شبه تعادلی آهن سمنتیت و تعادلی آهن
گرافیت مورد بررسی قرار می گیرند . سپس پارامترهائی نظیر توزیع و شکل گرافیت، ساختمان زمینه و اثر ضخامت قطعه
مطالعه شده و در پایا ن، انواع مختلف چدنها معرفی خواهند شد . روشهای عملیات حرارتی چدنها در بخش بعد توضیح
داده می شوند.
1 1 گرافی تزائی
کربن می تواند به دو صورت یکی الماس 3 و دیگری گرافیت 4 وجود داشته باشد، الماس نوع بسیار کمیاب
کربن بوده و در آلیاژها تشکیل نمی شود . کربن چدنها می تواند به صورت آزاد، یعنی گرافیت، و یا به صورت ترکیبی،
1 می باشد . سطح هر یک از لایه ها تشکیل a یعنی سمنتیت، باشد. گرافیت دارای ساختمان کریستالی لایه ای شبیه به شکل
١-Pig Iron
٢-Graphitization
٣-Diamond
۴-Graphite
1) . در چدنهای خاکس تری سرعت b صفحه قاعده را داده و لبه های لایه ها صفحات جانبی را به وجود می آورند ( شکل
یکسان نیست. c و a رشد گرافیت در جهات کریستالی
می باشد . از جمله دلایلی که برای c راحت تر و بیشتر از محور a به این صورت که رشد آن در امتداد محور
این امر آورده شده، عبارت است از : جذب گوگرد و اکسیژن مذاب بر روی صفحات قاعده و در نتیجه محدود کردن
خالص و عاری از اکسیژن و Fe-C-Si این نکته با مطالعه و مقایسه آلیاژهای . c سرعت رش د گرافیت در جهت محور
به اثبات رسیده است . گرافیت از استحکام و خاصیت پلاستیکی بسیار پائین Fe-C-Si گوگرد و آلیاژهای معمولی
برخوردار می باشد.
از مقایسه ساختمان ک ریستالی و ترکیب شیمیائی آس تنیت ، سمنتیت و گرافیت نتایج صفحه بعد به دست
می آیند.
شکل هندسی گرافیت ورق های (b) مدل شبکه فضائی گرافیت (a) : شکل 1
تشابه بین ساختمان کریستالی آستنیت و سمنتیت در مقایسه با تشابه بین ساختمان کریستالی آستنیت و
گرافیت بیشتر است . از نظر ترکیب شیمیائی، شباه ت آستنیت ( که حداکثر م ی تواند 2 درصد کربن داشته باشد ) به
6 درصد کربن) بسیار بیشتر از شباهت آستنیت به گرافیت (که کربن خالص است) می باشد. / سمنتیت (با 67
از اینرو، تشکیل سمنتیت از مذاب و یا آستنیت بسیار ساده تر از تشکیل گرافیت از مذاب و یا آستنیت می باشد .
بنابر این از نظر سین تیکی، احتمال تشکیل مخلوط آستنیت - سمنتیت و یا فریت - سمنتیت بسیار بیش تر از احتمال تشکیل
مخلوط آستنیت - گرافیت و یا فریت - گرافیت خواهد بود.
از سوی دیگر گرافیت بهمراتب پایدارتر از سمنتیت می باشد . به بیان دیگر انرژی آزاد مخلوط فریت گرافیت
و یا آستنیت گرافیت نسبت به مخلوط مشابهی از فریت سمنتیت و یا آستنیت سمنتیت بهمراتب کمتر است .
بنابراین، از نظر ترمودینامیکی تمایل برای تشکیل گرافیت به مراتب بیشتر از سمنتیت می باشد.
در موقع مطالعه چگونگی انجماد و سرد شدن چدنهای مختلف شرایط فوق باید در نظر گرفته شوند . در
حقیقت اگر شرایط موجود بهنحوی باشد که امکان تشکیل جوانه های گرافیت وجود داشته باشد، کربن موجود در چدن
عمدتاً به شکل گرافیت ظاهر می شود. در غیر این صورت، به جای گرافیت آزاد سمنتیت تشکیل خواهد شد.
بهطورکلی تغییر حالت یک ماده موقعی امکانپذیر است که حالت جدید آن از نظر ترمودینامیکی پایدارتر باشد .
به بیان دیگر دارای انرژی آزاد کمتری باشد . به عنوان مثال، در انجماد یک فلز در زیر درجه حرارت انجماد، حالت
متبلور شده آن ( جامد ) نسبت به مذاب دارای انرژی آزاد کمتری بوده و بنابراین از نظر ترمودینامیکی پایدارتر می باشد .
از اینرو انجماد در آن درجه حرارت انجام می گیرد.
درجه حرارت پایانی انجماد مذاب به مخلوط آستنیت سمنتیت برابر 1147 درجه سانتیگراد می باشد . بنابراین
منحنیهای مربوط به تغییرات انرژی آزاد برحسب درجه حرارت برای مذاب و مخلوط آستنیت سمنتیت یک دیگر را در
1147 درجه سانتیگراد قطع می ک نند ( شکل 2) . یعنی در زیر درجه حرارت مزبور انجماد و در بالای آن ذوب انجام
می گیرد.
همانگونه که بحث شد، مخلوط آستنیت گرافیت از نظر ترمودینامیکی پایدارتر از مخلوط آستنیت سمنتیت
می باشد . از اینرو منحنی مربوط به تغ ییرات انرژی آزاد مخلوط آستنیت گرافیت برحسب درجه حرارت، در تمام دماها
باید در زیر منحنی مربوط به تغییرات انرژی آزاد مخلوط آستنیت سمنتیت باشد .
شکل 2: اثر درجه حرارت بر روی انرژی آزاد مذاب و مخلوط آستینت - سمنتیت و آستنیت - گرافیت
بنابراین منحنی ا نرژی آزاد مخلوط آستنیت گرافیت، منحنی انرژی آزاد مذاب را در دمائی بالاتر از 1147
درجه سانتیگراد قطع م یکند. این درجه حرارت در حدود 1153 درجه سانتیگراد م یباشد.
از بحث فوق این نتایج به دست می آید:
یعنی 1147 درجه سا نتیگراد ) ، انجماد همراه با تشکیل ) L →A+Cem در زیر درجه حرارت تعادلی واکنش
سمنتیت می باشد . زیرا انجام واکنش مزبور از نظر سینتیکی امکانپذیرتر است . تحت شرایط فوق تشکیل گرافیت فقط در
اثر یک واکنش ثانویه (یعنی تجزیه سمنتیت تشکیل شده در مرحله قبل) امکانپذیر می باشد.
در محدوده حرارتی 1147 تا 1153 درجه سا نتیگراد، اصولاً تشکیل مخلوط فریت سمنتیت از مذاب غیر
ممکن بوده و انجماد با تشکیل مخلوط آستنیت-گرافیت ، مستقیماً از مذاب صورت می گیرد .
با استدلال مشابهی می توان مشخص کرد که آستنیت چه موقع به مخلوط فریت - سمنتیت و چه موقع به
در 727 A→F + Cem مخلوط فریت گرافیت تجزیه می شود . نتایج تجربی به دست آمده نشان داده اند که واکنش
در درجه حرارتی بالاتر یعنی 738 درجه سانتیگراد، انجام می گیرد . بنابراین در A → F + G درجه سانتیگراد و واکنش
محدوده حرارتی 727 تا 738 درجه سانتیگراد آستنیت می تواند به مخلوط فریت گرافیت تجزیه شود.
به بیان دیگر در محدوده حرارتی فوق، تشکیل مخلوط فریت سمنتیت ( پرلیت ) اصولاً امکانپذیر نیست .
ملاحظات سینتیکی ترمودینامیکی فوق که پایه و اساس متالورژی چدنهاست باید بر روی نمودار آهن کربن نشان
داده شوند.
در نمودار آهن کربن، دماهای تشکیل مجموعه فازهای آستنیت سمنتیت و یا فریت سمنتیت را معمولاً
توسط خطوط ممتد نشان می دهند و به نمودار شبه پایدار موسوم است . از سوی دیگر، مجموعه فازهای آستنیت
گرافیت و یا فریت گرافیت در دماهائی بالاتر تشکیل می شوند . بنابراین خطوط تعادلی فازی آنها که معمولاً توس ط خط
منقطع نشان داده می شوند باید بالاتر از خطوط ممتد قرار گیرند، از اینرو در نمودارهای آهن کربن معمولاً دو خطه
رسم می شوند ، یکی خط ممتد که تعادل بین آستنیت (فریت) و سمنتیت را نشان می دهد و دیگری خط منقطع که تعادل
بین فازهای آستنیت (فریت) و گرافیت را مشخص می کند.
تشکیل گرافیت از مذاب و آستنیت در دامنه حرارتی محدودی، یعنی بین خطوط پایدار ( منقطع ) و شبه پایدار
( ممتد ) در نمودار آهن کربن، انجام می گیرد . به بیان دیگر، تحت شرایطی که میزان تحت تبرید در ضمن انجماد و
تجزیه آستنیت بسیار کم باشد . لازمه داشتن تحت تبرید کم، سرعت سرد شدن آهسته م ی باشد . علاوه بر سرعت سرد
شدن، پارامترهای دیگری نیز وجود دارند که نقش بسیار مهمی را در رابطه با تشکیل گرافیت ایفا می کنند . برخی از این
پارامترها عبارتند از:
- ترکیب شیمیائی
- میزان فوق گداز
- مواد جوانه زا
-2-1 بررسی نمودار شبه تعاددلی آهن- سمنتیت
همانگونه که بحث شد، اگر سرعت سرد شدن به اندازه کافی زیاد باشد، در ضمن ا نجماد و مراحل بعد از آن
تشکیل گرافیت امکانپذیر نبوده و در عوض سمنتیت به وجود می آید . بنابراین انتظار می رود که ساختمان نهائی شامل
مجموعه ای از فریت و سمنت یت باشد . معهذا درصد و نحوه توزیع هر یک از فازهای مزبور در ساختمان میکروسکوپی
نهائی بستگی به درصد کربن چدن دارد ( معمولاً در چدنها به جای درصد کربن، از کربن معادل 5 استفاده می شود ) . به
علت وجود فاز سفید رنگ سمنتیت در ساختمان میکروسکوپی این نوع چدنها، سطح مق طع شکست آنها سفید و براق
می باشد . از اینرو به آنها چدن سفید 6 گفته می شود . چدنهای سفید بسیار تُرد و شکننده بوده و قابلیت ماشینکاری ندارند .
از سوی دیگر، مقاومت به سایش آنها بسیار عالی است.
-1-2-1 انجماد آلیاژهای هیپویوتکتیک در سیستم آهن سمنتیت
انجماد این نوع چدنها با جدا شدن فاز آستنیت اولیه که به صورت دندریتی رشد م ی کند شروع می شود . با
کاهش درجه حرارت، آستنیت بیشتری تشکیل شده و همزمان درصد کربن مذاب باقیمانده افزایش می یابد . در 1147
4 ( یعنی برابر درصد کربن یوتک تیک) می رسد . در این درجه حرارت / درجه سانتیگراد درصد کربن مذاب باقیمانده به 3
مذاب مزبور در اثر یک تحول یوتکتیکی به مجموع ه ای از آستنیت و سمنتیت تبدیل می شود که به لدبوریت 7 موسوم
است (شکل 3). ساختمان حاصل از استحاله یوتکتیکی مزبور (لدبوریت) لایه ای نبوده، بلکه به شکل میله ای 8 می باشد.
با ادامه سرد کردن به علت کاهش حد حلالیت کربن در آستنیت، از آستنیت اولیه و همچنین آستنیت
یوتکتیکی مقداری سمنتیت را سب شده و درصد کربن آنها را کاهش می دهد . سمنتیت مزبور ممکن است بهطور مستقل
رسوب کند . ولی اغلب به سمنتیت هائی که از قبل تشکیل شده ملحق می شود . در 727 درجه سانت یگراد، آستنیت که
0 درصد کربن می باشد طی یک تحول یوتکتوئیدی به پرلیت تبدیل شده، در حالی که سمنتیت زمینه همچنان / حاوی 77
۵-Carbon Equivalent
۶-White Cast Iron
٧-Ledeburite
٨-Rod Like Eutectic
بدون تغییر باقی می ماند ( شکل 3) . از این لحظه به بعد تا دمای اتاق، تغییر چندانی در ساختمان میکروسکوپی به وجود
نمی آید.
ساختمان میکروسکوپی مر بوط به یک چدن هیپویوتکتیک در شکل 4 نشان داده شده است . در این شکل
دندریتهای آستنیت اولیه ( نواحی سیاه رنگ ) و یوتکتیک لدبوریتی ( زمینه سفید شامل نواحی ریز سیاه رنگ ) کاملاً
مشخص هستند . مطالعه ساختمان میکروسکوپی مزبور در بزرگنمائیهای بالاتر، نشان می دهد که نواحی سیاه رنگ در
حقیقت لایه های متناوب فریت و سمنتیت یعنی پرلیت حاصل از استحاله یوتک توئیدی آستنیت می باشند ( شکلهای 5 و
6). در تصاویر 4 و 5 ملاحظه می شود که نواحی پرلیتی به طور غیریکنواخت اچ شده اند، این امر می تواند ناشی از پدیده
جدایش 9 و یا کورینگ 10 در ساختمان دندریتی آستنیت اولیه باشد.
شکل 3 : نمودار شبه تعادلی آهن سمنتیت و نمایش شماتیک چگونگی انجماد، سرد شدن و ساختارهای میکروسک وپی حاصل مربوط به
چدنهای یوتکتیک، هیپویوتکتیک و هایپریوتکتیک .
٩-Segregation
١٠-Coring
شکل 4 : تصویر میکروسکوپی چدن سفید هیپویوتکتیک، نواحی پرلیت دندر یتی شکل ( آستنیت اولیه ) و یوتکتیک لدبوریتی کاملاً
مشخص است. محلول اچ پیکرال . بزرگنمائی 100
شکل 5 : مشابه شکل 4 ولی با بزرگنمائی بیشتر، پرلیت در دندریتهای آستنیت تا حدودی مشخص م یباشد . بزرگنمائی 500
شکل 6 : مشابه شکل 4 ولی با بزرگنمائی بیشتر. پرلیت در آستنیت لدبوریتی نیز مشخص م یباشد . بزرگنمائی 1000
-2-2-1 انجماد آلیاژهای هایپریوتکتیک در سیستم آهن سمنتیت
انجماد این نوع آلیاژها با تشکیل کاربید آهن ( سمنتیت) سوزنی شکل شروع می شود . با ادامه انجماد و تشکیل
بیشتر سمنتیت، درصد کربن مذاب باقیمانده کاه ش یافته تا اینکه در 1147 درجه سان تیگراد به درصد کربن نقطه
. ( یوتکتیک برسد . در این درجه حرارت مذاب باقیمانده در اثر یک تحول یوتکتیکی به لدبوریت تبدیل می شود ( شکل 3
همانگونه که در رابطه با چدنهای هیپویوتکتیک بحث شد، در اینجا نیز با ادامه سرد شدن در حد فاصل 1147 تا 727
درجه سانتیگراد مقداری سمنتیت از فاز آستنیت را سب م ی شود . در 727 درجه سانتیگراد آستنیت موجود در ساختمان
میکروسکوپی در اثر تحول یوتکتوئیدی به پرلیت تبدیل می شود ( شکل 3) . سرد کردن بیشتر، اثر چندانی بر روی
ساختمان میکروسکوپی نخواهد داشت.
شکل 7 : تصویر میکروسکوپی چدن سفید هایپریوتکتیک در بزرگنمائی کم . سمنتیت اولیه ( نواحی سفید رنگ سوزنی شکل ) به
خوبی مشخص م یباشد. محلول اچ پیکرال 4 درصد. بزرگنمائی 20
تصاویر میکروسکوپی مربوط به ساختمانهای چدنهای های پریوتکتیک از این نوع در شکلها ی 7 تا 9 نشان داده
شده اند . در شکلهای 7 و 8 سوزنهای سمنتیت اولیه ( سفید رنگ ) که توسط یوتکتیک لدبوریتی احاطه شده اند کاملاً
مشخص هستند . مطالعه ساختمانهای میکروسکوپی م زبور در بزرگنمائی بالاتر ( شکل 9) نشان می دهد که آستنیت
موجود در ساختمان لدبوریتی ( که در 727 درجه سانتیگراد به پرلیت تبدیل شده است ) به شکل میله ای در زمینه
سمنتیت توزیع شده است.
-3-2-1 انجماد آلیاژهای یوتکتیک در سیستم آهن سمنتیت
شروع می شود . L→ γ + Cem انجماد این نوع چدنها از درجه حرارت یوتکتیک و با استحاله یوتکتیکی
پس از پایان استحاله فوق، انجم اد نیز تمام می شود . از اینرو ساختمان میکروسکوپی آنها فاقد فازهای آستنیت و یا
. ( سمنتیت اولیه بوده و از صد درصد یوتکتیک لدبوریتی تشکیل شده است (شکل 3
شکل 8 : ساختار میکروسکوپی چدن سفید هایپریوتکتیک . سمنتیت اولیه ( نواحی سفیدرنگ و طو یل) همراه با یوتکتیک لدبوریتی
کاملاً مشخص است. بزرگنمائی 100
شکل 9: ناحیه یوتکتیکی از شکل 8 با بزرگنمائی بیشتر . طبیعت میل ه ای شکل آستنیت در لدبوریت کام لا دیده م ی شود . آستنیت
مزبور در درجه حرارت استحاله یوتکتوئیدی به پرلیت تبدیل شده است. بزرگنمائی 500
تغییرات حاصل در ساختمان میکروسکوپی این چدنها در اثر سرد شدن تا درجه حرارت اتاق، مشابه با
تغییرات بحث شده در مورد چدنهای هیپو و هایپریوتکتیک می باشد . بنابراین ساختمان نهائی در درجه حرارت اتاق،
شامل فاز سمنتیت زمینه است که در اثر تحول یوتکتیک به وجود آمده و پرلیت که همان آستنیت لدبوریتی سابق
می باشد . در ضمن، در حد فاصل 1147 تا 727 درجه سانتیگراد مقداری سمنتیت در اثر کاهش حد حلالیت کربن در
آستنیت لدبوریتی از آن رسوب می کند که در بطن سمنتیت زمینه و سمنتیت پرلیتی محو می شود.
-3-1 بررسی نمودار تعادلی آهن گرافیت
ساختمان میکروسکوپی چدنهائی که انجماد و نحوه سرد شدن آنها از نمودار آهن گرافیت تبعیت می ک ند به
جای کربن ترکیبی ( به شکل سمنتیت ) دارای کربن آزاد ( یعنی گرافیت ) می باش د . موقعی که یک قطعه از این نوع چدنها
شکسته شود، مسیر شکست معم ولاً در امتداد لای ه های گرافیت پیش می رود و به علت وجود گرافیت، سطح مقطع
شکست خاکستری رنگ مشاهده می شود. از اینرو به چدنهای خاکستری 11 موسوم هستند.
چدنهای خاکستری معمولاً به سادگی ماشینکاری می شوند و جاذب ارتعاش و شوکهای حرارتی هستند .
استحکام و سختی این نوع چدنها بستگی به ساختمان زمینة آنها دارد . برای آشنائی بیشتر با نحوه انجماد و ساختمان
میکروسکوپی چدنهائی که از سیستم تعادلی آهن گرافیت پیروی م ی کنند در ادامه بحث، چگونگ ی انجماد و سرد شدن
سه نوع چدن از این خانواده با درصدهای مختلف کربن مورد بررسی قرار داده می شوند.
-1-3-1 انجماد آلیاژهای هیپویوتکتیک در سیستم آهن گرافیت
در این نوع چدنها، انجماد با تشکیل دندریتهای آستنیت اولیه شروع م ی شود . با کاهش درجه حرارت،
دندریتهای فوق رشد کرده و همراه با آن درصد کربن مذاب باقیمانده افزایش می یابد . در 1153 درجه سانتیگر اد، مذاب
، ( 4 درصد کربن می باشد در یک تحول یوتکتیکی به گرافیت و آستنیت تبدیل می شود . ( شکل 10 / باقیمانده که حاوی 26
رشد یوتکتیک از جوانه های مختلف زیادی در فصل مشترک آستنیت اولیه با مذاب شروع شده و سلولهای یوتکتیکی 12
را تشکیل می دهد. در نهایت، سلولهای یوتکتیکی با یکدیگر برخورد کرده و مذاب باقیمانده در فضاهای محدود بین آنها
منجمد می شود.
١١-Gray Cast Iron
١٢-Eutectic Cells
در ضمن تحول یوتکتیک، آستنیت یوتکتیکی با آستنیت اولیه ادغام شده و زمینه ساختمان میکروسکوپی را به
وجود می آورد . بنابر این ساختمان میکروسکوپی حاصل در این مرحله شامل رشت ه های پراک نده گرافیت در زمینه ای از
آستنیت می باشد . پس از پایان انجماد، سلولهای ( آستنیت ) ساختمان یوتکتیک و دندری ت های آستنیت اولیه را معمولاً به
روش متالوگرافی نمی توان از یکدیگر تمیز داد، مگر اینکه درصد فاز آستنیت اولیه خیلی زیاد باشد و یا اینکه از
محلولهای شیمیائی اچ ویژه استفاده شود.
با ادامه سرد کردن در حد فاصل یوتکتیک یو تکتوئید، حد حلالیت کربن در آستنیت کاهش یافته و کربن
خارج شده به صورت گرافیت بر روی گرافیتهای یوتکتیکی نشسته، باعث ضخیم و درشت شدن آنها می شود . در 738
0 درصد کربن دارد در اثر یک واکنش یو تکتوئیدی به مجموعه ای از / درجه سانتیگراد، آستنیت موجود که در حدود 68
.( فریت و گرافیت تبدیل م یشود (شکل 10
گرافیت حاصل بر روی گرافیتهای موجود نشسته و فریت حاصل ، زمینه ساختمان میکروسکوپی را تشکیل می دهد .
تحت شرایطی که آستنیت اولیه نسبتا زیاد باشد ، درضمن تح ول یو تکتوئید ، گرافیت تشکیل شده در داخل
دندریتهای آستنیت اولیه مستقلاً جوانه زده و رشد م ی کنند . شکل 11 آرایش لایه های گرافیت را در چدن هیپویوتکتیک
نشان می دهد . قابل توجه است که، برای مشاهده گرافیت در ساختمان میکروسکوپی نیازی به اچ کردن نمونه نمی باشد .
تصویر م یکروسکوپ الکترونی از موقعیت لایه های گرافیت یوتکت یکی در چدن هیپویوتکتیک در شکل 12 نشان داده
شده است . این تصویر که پس از اچ کردن و انحلال زمینه ساختمان میکروسکوپی گرفته شده، نشان می دهد که لایه های
گرافیت در سطح، جزئی از یک اسکلت پیوسته و ممتد گرافیتی در قطعه می باشند.
شکل 10 : نمودار تعادلی آهن گرافیت و نمایش شماتیک نحوه انجماد، سرد شدن و تغییر ساختار میکروسکوپی آلیاژهای
یوتکتیک، هیپویوتکتیک و هایپریوتکتیک .
-2-3-1 انجماد آلیاژهای هایپریوتکتیک در سیستم آهن گرافیت
انجماد این نوع چدنها با رسوب لایه ه ای نسبتاً ضخیم و بزرگ گرافیت موسوم به گرافیت کیش 13 شروع
می شود . با ادامه سرد شدن گرافیتهای بیشتری از مذاب رسوب کرده و در نتیجه درصد کربن مذاب را کاهش می دهد، به
4 درصد کربن بود ه و / نحوی که در درجه حرارت یوتکتیک ( یعنی 1153 درجه سانتیگراد ) مذاب باقیمانده حاوی 26
مستعد برای تحول یوتکتیک م ی باشد . همانند آلیاژهای هیپویوتکتیک، در اینجا نیز مذاب باقیمانده در اثر تحول
یوتکتیکی به مجموعه ای از آستنیت و گرافیت تبدیل می شود . بنابراین درست پس از انجماد، ساختمان میکروسکوپی
( شامل گرافیت کیش و یوتکتیک آستنیت گرافیت می باشد . (شکل 10
در ضمن سرد کردن در حد فاصل خطوط یوتکتیک یوتکتوئید، حد حلالیت کربن در آستنیت کاهش یافته و
کربن اضافی به صورت گرافیت بر روی گرافیتهای از قبل تشکیل شده رسوب می کند و ضخامت آنها را افزایش میدهد.
١٣-Kish Graphite
شکل 11 : تصویر میکروسکوپی نمونه چدن خاکستری د ر شرایط پولیش شده ( نمونه اچ نشده است ) . به توزیع یکنواخت ورق ه های
گرافیت توجه شود. بزرگنمائی 100
شکل 12 : تصویر میکروسکوپ الکترونی از گرافیت یوتکتیکی در چدن خاکستری هیپویوتکتیک. بزرگنمائی 400
0 درصد کربن می باشد که در / در 738 درجه سانتیگراد آستنیت موجود در ساختمان میکروسکوپی دارای 68
اثر تحول یوتکتوئیدی به مجموعه ای از فریت و گرافیت تبدیل می شود . مجدداً گرافیت حاصل در این مرحله بر روی
.( گرافیتهای قبلی رسوب می کند. به این ترتیب ساختمان نهائی شامل زمینه فریتی و گرافیت لایه ای می باشد (شکل 10
تصویر میکروسکوپی نشان داده شده در شکل 13 که مربوط به نمونه پولیش شده ( ولی اچ نشده ) از یک چدن
هایپریوتکتیک است، توزیع گرافیتهای کیش و یوتکتیکی را به خوبی نشان می دهد . شکل 14 تصویر سه بعدی
( میکروسکوپ الکترونی ) از گرافیت کیش را نشان می دهد . همانگونه که ملاحظه می شود، م شابه با گرافیت یوتکتیکی
(شکل 12 )، گرافیت کیش نیز به صورت مجموعه ای پیوسته و ممتد تشکیل می شود.
-3-3-1 انجماد آلیاژهای یوتکتیک در سیستم آهن گرافیت
تنها تفاوتی که بین انجماد این نوع آلیاژها با آلیاژهای هیپو و هایپریوتکتیک از این نوع وجود دارد، این است
که در ساختمان میکروسکوپی آنها فاز اولیه (آستنیت اولیه و یا گرافیت کیش) وجود ندارد . به بیان دیگر، انجماد این نوع
شروع می شود . تغییرات بعدی که در ضمن سرد شدن از درجه حرارت L → γ + G چدنها با استحاله یوتکتیکی
انجماد ( یوتکتیک ) تا دمای اتاق در ساختمان میکروسکوپی آ نها به وجود می آید، مشابه با تغییرات بحث شده در مورد
آلیاژههای هیپو و هایپریوتکتیک می باشد ( شکل 10 ) . به این ترتیب ملاحظه می شود که ساختمان میکروسکوپی این نوع
چدنها نیز شامل فریت زمینه و لایه های گرافیت م یباشد.
شکل 13 : تصویر میکروسکوپی چدن خاکستری هایپریوتکتیک پس از پولیش و قبل از اچ کردن . علاوه بر گرافیت یوتکتیکی،
گرافیت کیش نیز در ساختار میکروسکوپی مشخص است. بزرگنمائی 100
شکل 14 : تصویر میکروسکوپ الکترونی از ورقه های ضخیم گرافیت کیش در چدن خاکستری هایپریوتکتیک. بزرگنمائی 400
-4-1 اشکال مختلف گرافیت
15 شش) شکل مختلف گر افیت در ISO 14 ، هفت ( و براساس استاندارد ASTM-A براساس استاندارد 247
چدنها وجود دارد (شکل 15 ) که به ترتیب عبارتند از:
مشخصات ISO معادل ASTM شماره
گرافیت کروی 16 که در چدنهای داکتیل یا نشکن 17 وجود دارد. VI I
گرافیت کروی، در شرایطی که کاملاً کروی نشده باشد. VI II
کربن (گرافیت) تمپر شده 18 که در چدنهای مالیبل یا چکشخوار 19 دیده می شود. IV III
گرافیت فشرده 20 یا کرمی شکل 21 مخصوص چدنها با گرافیت فشرده. III IV
گرافیت خرچنگی 22 که فرم تغییر شکل یافته گرافیت کروی است. II V
V VI گرافیت کروی نامنظم یا باز 23 که جزء گروه گرافیتهای کروی است . در اینجا رشته های گرافیت
از مرکز کره بیرون زده شد هاند.
I VII گرافیت لایه ای، ورق ه ای و یا رشت ه ای 24 که مربوط به چدنهای خاکستری م ی باشد . این نوع
گرافیت براساس نحوه توزیع، به پنج دسته تقسیم م یشود.
١۴-American Socitey for Testing Materials
١۵-International Standard Organization
١۶-Nodular, Spheroidal Graphite
١٧-Ductile Cast Iron
١٨-Aggregate graphite, Temper Carbon
١٩-Malleable Cast Iron
٢٠-Compacted Graphite
٢١-Vermicular Graphite
٢٢-Crab-Form Graphite
٢٣-Irregular (open) type nodules, Exploded- graphite
٢۴-Flake graphite
ASTM-A شکل 15 : اشکال مختلف گرافیت براساس استاندارد 247
-5-1 انواع توزیع گرافیت لای های
نحوه توزیع ورقه های گرافیت در ساختمان میکروسکوپی چدنهای ،ASTM-A بر طبق استاندارد 247
( نامگذاری شد هاند . (شکل 16 E تا A خاکستری به پنج دسته تقسیم می شود که از
:A توزیع نوع
در این نوع، لایه های گرافیت به طور یکنواخت در زمینه پخش می شوند، منتهی دارای جهات خاصی
نمی باشند . توزیع مزبور اکثراً در چدنهای خاکستری با ضخامتهای زیاد تا متوسط دیده می شود و برای بیشتر کاربردها
با اندازه های متوسط A مطلوب می باشد . در کاربردهای سایشی نظیر سیلندرهای موتورهای احتراق داخلی، گرافیت نوع
نسبت به انواع دیگر آن مزیت دارد.
:B توزیع نوع
در این حالت، توزیع گرافیتهای لایه ای اصولاً به توزیع گل رزی 25 موسوم است و معمولاً در چدنها با ترکیب
شیمیائی نزدیک به یوتکتیک که انجماد آنها با تعداد معدودی جوانه انجام گیرد دیده می شود . در مرکز هر مجموعة
گرافیت، لایه ها نازک و ظریف می باشند . علت این امر، تحت انجماد موقتی است که در شروع انجماد به وجود م ی آید .
سپس با آزاد شدن گرمای نهان انجماد، درجه حرارت مذاب افزایش یافته و تحت انجماد موقتی از بین می رود.
بنابراین ادامه انجماد در درجه حرارت معمولی انجام گرفته و در نتیجه لایه های گرافیت خارجی در هر
مجموعه ضخیمتر و درشتتر خواهند شد . از نظر ابعاد، این نوع توزیع گرافیت در مقاطع نازک ( در حدود 10 میلیمتر ) و
بر روی سطوح مقاطع متوسط دیده می شود و گاهی نیز ناشی از عملکرد ضعیف جوانه زاها می باشد.
:26C توزیع نوع
در این نوع توزیع، لایه های ضخیم، بزرگ و مستقیم گرافیت ( گرافیت کیش ) همراه با لایه های نازک و
در چدنهای هایپریوتکتیک ، یعنی تحت شرایطی که گرافیت C کوچکتر گرافیت در ساختمان دیده می شوند. گرافیت نوع
قبل از ش روع انجماد یوتکتیک در م ذاب تشکیل شود ، دیده می شود . این نوع گرافیت باعث افزایش قابلیت هدایت
حرارت و کاهش مدول الاستیک چدن می شود . درنتیجه تنشهای حرارتی را کاهش داده و مقاومت چدن در برابر
شوکهای حرارتی را زیا د م ی ک ند. از سوی دیگر، درموارد ی که کیفیت خوب سطوح قطعات ماشینکاری شده و یا
استحکام و مقاومت به ضربه نسبتاً خوب موردنظر باشد، گرافیت کیش مناسب نمی باشد.
:D توزیع نوع
در این توزیع، لای ه های گرافیت به صورت رسوب بین دندریتی 27 تشکیل شده و دارای جهات خاصی نم ی باشند.
این نوع توزیع اغلب در آلیاژهائی دیده می شود که خیلی سریع سرد شده و در نتیجه انجماد در درجه حرارتی زیردمای
تعادلی انجماد انجام گیرد . برای این کار، آلیاژ مورد نظر باید به اندازه کافی سیلیسیم داشته باشد تا از تشکیل کاربید
٢۵-Rosette Pattern
٢۶-Superimposed Flake Graphite
٢٧-Inter-Dendritic Segregation
توزیع یکنواخت، بدون جهت خاص . (A: ASTM-A شکل 16 : انواع توزیعهای مختلف گرافیت لای ه ای براساس استاندارد 247
گرافیت بین دندریتی، بدون جهت خاص . (D . ورقه های ضخیم و نازک گرافیت، بدون جهت خاص (C توزیع گل رزی، بدون جهت خاص (B
گرافیت بین دندریتی، در یک جهت خاص . (F
جلوگیری شود . نواحی عاری از گرافیت در این ساختمان، ناشی از تشکیل دندریتهای آستنیت قبل از شروع استحاله
یوتکتیک می باشد.
این امر نشان می دهد که آلیاژ فوق باید هیپویوتکتیک باشد . ولی در عین حال، این نوع گرافیت در آلیاژهای
یوتکتیک سریع سرد شده نیز به وجود م ی آید . در ح قیقت، تحت انجماد در آلیاژهای یوتکتیک، منجر به تغییر مکان
نمودار تعادلی شده، به نحوی که حتی در آلیاژ مزبور (یوتکتیکی ) فاز آستنیت اولیه ظاهر می شود . در یک سختی یکسان،
به مراتب بالاتر می باشد، ولی تهیه زمینه A نسبت به گرافیت نوع D خواص کششی چدنهای خاکستری با گرافیت نوع
کاملاً پرلیتی با این نوع گرافیت، نسبتاً مشکل است.
علت این امر مربوط می شود به مسافت بسیار کوتاه برای نفوذ کربن و نشستن بر روی لایه های گرافیت، از
جمله کاربردهای این نوع گرافیت عبارت است از ساخت قالبهای دائم . وجود این نوع گرافیت، باعث بهبود کیف یت
سطوح قطعات ماشینکاری شده خواهد شد.
:E توزیع نوع
در بین ساختمان دندریتی آستنیت ، D در این نوع توزیع لای ه های بسیار نازک و کوچک گرافیت، همانند نوع
در این نوع توزیع گرافیتها ، D اولیه محبوس شده و بنابراین به رسوبات بین دندریتی موسوم هستند . ولی برخلاف نوع
در چدنهائی که درصد کربن آنها پائین بوده ( آستنیت اولیه در آنها زیاد E د ارای جهات خاصی می باشند . توزیع نوع
این نوع گرافیت را می توان در زمینه ، D باشد ) و با سرعتهای معمولی سرد شده باشند دیده می شود . برخلاف نوع
پرلیتی به دست آورد.
-6-1 اندازه گرافیتهای لایه ای و کنترل آن
اندازه گیری لایه های گرافیت براساس طول بزرگترین لایه ها در مقطع پولیش ولی اچ نشده و در بزرگنمائی
100 انجام می گیرد. برای این کار از رابطه زیر استفاده می شود : X
100 X 28− = طول بزرگترین لایه گرافیت برحسب میلیمتر در بزرگنمائی N
عدد طول لایه گرافیت م یباشد. N ، در این رابطه
می توان ASTM 100 با چارت اندازه استاندارد X همچنین با مقایسه اندازه لایه های گرافیت در بزرگنمائی
عدد طول لایه گرافیت را مشخص کرد ( شبیه به تعیین اندازه دانه ها ) . در مورد گرافیتهای کروی، از چارت استاندارد
مشابه دیگری که مربوط به گرافیت کروی است استفاده م یکنند.
نظر به اینکه اندازه لایه های گرافیت و یا اندازه گرافیت در شکلهای دیگر نقش بسیار مهمی بر روی خواص
چدنها دارد، کنترل آن در متالورژی چدنها بسیار مهم م ی باشد . مناسبترین روش برای کنترل توزیع و اندازه گرافیتها
می باشد . نقش عوامل فوق عبارت است از ایجاد CaSi و SiC, FeS, Ca, Al, Ti, Zr استفاده از تلقیح کننده ها نظیر
مکانهای مناسب برای جوانه زنی گرافیت.
-7-1 اثر ترکیب شیمیائی بر روی ساختمان میکروسکوپی و خواص چدنها
مقدار عناصر آلیاژی موجود در اکثر کلاسهای فولادها نسبتاً کم م ی باشد . از اینرو فولادهای مزبور را م ی توان
آلیاژهای دوتائی آهن کربن تصور کرد . بنابر این، نمودار دوتائی آهن سمنتیت را برای مطالعه و تفسیر ساختمان
میکروسکوپی آنها تحت شرایط تعا دلی و یا آهسته سرد شده می توان به کار برد . از سوی دیگر، چدنهای معمولی حاوی
مقدار قابل توجهی عناصر آلیاژی و یا ناخالصیهائی نظیر سیلیسیم، گوگرد، منگنز و فسفر م یباشند.
عناصر فوق بهنحو قابل توجهی بر روی شرایط گرافی ت زائی اثر گذاشته و به این ترتیب ساختمان
میکروسکوپی و خواص چدنها را تحت تأثیر قرار می دهند . در این قسمت اثرات عناصر فوق مورد بررسی قرار گرفته و
8 موکول می گردد. -11- مطالعه چدنهای آلیاژی به بخش 1
-1-7-1 سیلیسیم
شکل 17 اثرات سیلیسیم را بر روی نمودار آهن کربن نشان میدهد . همانگونه که ملاحظه م یشود، سیلیسیم
ترکیب شیمیائی نقاط یوتکتیک و یوتکتوئید و حداکثر حلالیت کربن در آستنیت را به طور قابل توجهی کاهش می دهد .
همچنین ملاحظه می شود که اضافه کردن سیلیسیم به سیستم آهن کربن باعث افزایش دماهای استحاله های یوتکتیک و
یوتکتوئید خواهد شد. به علاوه در حضور سیلیسیم، استحال ه های فوق به جای یک درجه حرارت ثابت، در یک محدود ه
از درجه حرارت انجام می گیرند . این محدوده حرارتی تابع درصد سیلیسیم بوده، و با افزایش درصد سیلیسیم، افزایش
می یابد .
با صفر، 2 و 4 درصد سیلیسیم. Fe-C-Si شکل 17 : مقاطعی از نمودار تعادلی س هتائی
پارامتر مهم دیگری که در رابطه با سیلیسیم باید به آن اشاره کرد این است که، سیلیسیم تمایل چدن به
گرافیت زائی را شدیداً افزایش می دهد . اثر آن به این صورت است که درجه حرارت تعادلی تشکیل گرافیت را افزایش و
از آن سمنتیت را کاهش می دهد . بنابراین محدوده حرارتی تشکیل گرافیت را وسیع می کند . معهذا استفاده از سیلیسیم به
این منظور محدودیت دارد، زیرا سیلیسیم زیادی باعث فریتی کردن زمینه و در نتیجه کاهش استحکام خواهد شد.
لازم به تذکر است که سیلیسیم مازاد بر مقدار فوق در فریت حل شده و استحکام و سختی را مجدداً افزایش
می دهد . میزان افزایش بستگی به درصد سیلیسیم حل شده در فریت دارد و م ی تواند بر ای سختی تا 100 الی 140 برینل
و برای استحکام کششی تا 50000 الی 70000 پوند بر اینچ مربع باشد . در عمل برای اجتناب از تشکیل کاربید در
چدنهای خاکستری با استحکام بالا، به جای استفاده از سیلیسیم به عنوان عنصر آلیاژی، از مواد جوان ه زا حاوی سیلیسیم
استفاده می شود. مواد فوق را درست قبل از ریخته گری به مذاب اضافه می کنند.
-2-7-1 گوگرد
گرچه گوگرد عنصری نیست که عمداً به آلیاژهای آهنی اضافه شود، ولی تقریباً در تمامی فولادها و چدنهای
تجارتی به مقدار خیلی کم وجود دارد . نقش گوگرد عبارت است از تثبیت و پایدار کردن سمنتیت . از اینرو وجود
(FeS) گوگرد در چدنها، میل به سفید شدن آنها را تشدید م ی کن د . به علاوه، گوگرد با آهن ترکیب شده و سولفید آهن
حاصل در مرز دانه ها رسوب کرده و خواص مکانیکی چدنها را کاهش م ی دهد . در چدنه ای خاکستری معمولی، مقدار
0 درصد تجاوز می کند. اثرات گوگرد را توسط منگنز خنثی میکنند.برای این منظور درصد منگنز / گوگرد به ندرت از 14
به صورت ذرات چندوجهی و به (MnS) شکل 18 : تصویر میکروسکوپی از چدن خاکستری با زمینه پرلیتی . همچنین سولفید منگنز
رنگ خاکستری مشخص هستند . از آنجائی که سولفید منگنز بالاتر از در جه حرارت انجماد چدن منجمد م ی شود، به صورت ذرات مجزا در
ساختمان ظاهر م یگردد .
مورد نیاز از رابطه زیر محاسبه م یشود:
%Mn = 1/ 7%S +0/ 3
تولید می کند . (MnS) و سولفید منگنز (Mn + S → MnS) منگنز اضافه شده با گوگرد ترکیب شده
سولفید منگنز حاصله به سطح مذاب صعود کرده و به صورت سرباره درمی آید که باید از مذاب خارج شود . همچنین
درصدی از سولفید که در ضمن انجماد در قطعه محبوس شده است به صورت رسوبات پراکنده با اشکال هندسی
.( نامنظم در ساختمان میکروسکوپی باقی می ماند (شکل 18
رسوبات فوق اثرات قابل توجهی بر خواص مکانیکی چدنها نخواهند داشت.
-3-7-1 منگنز
همانگونه که بحث شد، منگنز عمدتاً برای خنثی کردن اثرات مخرب گوگرد استفاده می شود . منگنز به تنهائی
عامل تثبیت و پایدار کننده سمنتیت می باشد، ولی در کنار گوگرد، چون یک عامل پایدار کننده قوی سمنتیت ( یعنی
گوگرد) را از محیط خارج می کند، به طور غیرمستقیم نقش گرافی ت زائی دارد . در حالت اخیر، منگنز در صورتی می تواند
1 باشد . درصد منگنز لازم برای پرلیتی شدن زمینه /7 (%S) +0 / نقش واقعی خود را ایفا کند که مقدار آن بیشتر از 3
چدنهای خاکستری از رابطه زیر به دست می آید :
%Mn = 3%S +0/ 35
در صورتی که درصد منگنز بیشتر از مقدار فوق باشد، چدن به سمت سفید شدن میل می کند.
-4-7-1 فسفر
0 درصد در آهن محلول می باشد . مقادیر بیشتر آن با آهن ترکیب شده و فسفید آهن / فسفر تا حدود 1
Fe P ) 3 )تشکیل م یدهد. این ترکیب با آستنیت و سمنتیت ، یوتکتیک سه تائی موسوم به استدیت 28 را به وجود می آورد .
نقطه ذوب استدیت بین 954 تا 980 درجه سانتیگراد می باشد ، از اینرو در آخرین مراحل انجماد چدنهای فسفردار
منجمد م یشود.
در نتیجه در مرز بین سلولهای یو تکتیکی تشکیل خواهد شد ( شکلهای 19 و 20 ) . در چدنهای خ اکستری
0درصد فسفر و یا کمتر، تشکیل استدیت معمولاً محدود م یشود به محلهای تلاقی مرزهای سه سلول و شکلی / حاوی 2
شکل 19 : تصویر میکروسکوپی چدن خاکستری فسفردار پس از اچ کردن در محلول پیکرال . ساختار میکروسکوپی شامل گرافیتهای
. کیش و یوتکتیک در زمین های از پرلیت ظاهر نشده م یباشد. شبکه یوتکتیک استدیت نیز قابل تشخیص است . بزرگنمایی 100
٢٨-Steadite
شکل 20 : مشابه با شکل 19 ولی با بزرگنمائی بیشتر. یوتکتیک استدیت و زمینه پرلیتی کاملاً مشخص شده اند. بزرگنمائی 500
شبیه به یک سه ضلعی مقعر دارد . این مقدار فسفر اثر چندانی بر روی خواص مکانیکی چدن ندارد . در چدنهای
0 درصد فسفر، یک شبکه تقریباً بست ه از استدیت در مرز بین سلولها تشکیل می شود . به علت تُرد / خاکستری با تقریباً 5
و شکننده بودن استدیت، این ساختمان قابلیت ماشینکاری و استحکام ضربه چدنها را به نحو قابل توجهی کاهش
می دهد. از سوی دیگر، چدنهای پرفسفر مقاومت به سایش بسیار خوبی دارند.
-8-1 کربن معادل
پارامتری است که به کمک آن اثر ترکیب شیمیائی چدن ( معمولاً در چدنهای غیرآلیاژی ) (C.E) کربن معادل
نسبت به اثر درصد کربن ارزیابی شده و به آن تبدیل می شود . فرمول کلی برای تعیین کربن معادل را به صورت زیر
می توان نوشت:
C.E %C 3 (%Si %P) 0/ 4 (%S) 0/03 (%Mn)
= + 1 + + +
با توجه به اهمیت نقش فسفر و سیلیسیم در چدنها، متداولترین رابطه برای تعیین کربن معادل عبارت است از:
3
C.E. %C %Si %P
+
= +
مقایسه عدد کربن معادل یک چدن با درصد کربن نقطه یوتکتیک در سیستم دوتائی آهن کربن ( یعنی
4درصد ) مشخص می کند که، چدن مزبور در ضمن انجماد رفتاری مشابه با کدام یک از آلیاژهای یوتکتیک، هیپو و یا /3
هایپریوتکتیک خواهد داشت.
-9-1 ساختمانهای زمینه
تقسیم بندی چدنها براساس نحوه مشارکت قسمت عمده کربن در ساختمان میکروسکوپی، به صورت کربن
ترکیبی ( سمنتیت) و یا کربن آزاد ( گرافیت ) می باشد . مثلاً چدنهای خاکستری، سفید، نشکن و یا غیره . هر گروه از
چدنها، براساس ساختمان میکروسکوپی زمینه به انواع مختلف دیگر تقسیم م ی شود . مثلاً چدنهای نشکن فریتی، نشکن
مارتنزیتی و یا غیره.
همانند فولادها، ساختمانهای م یکروسکوپی زمینه در چدنها م ی تواند فریت، پرلیت، بینیت، مارتنزیت و یا
مجموعه ای از دو و یا چند تا از آنها باشد . به علاوه اجزاء دیگری ( مثلاً آستنیت ) می توانند جزئی از ساختمان
میکروسکوپی زمینه را تشکیل دهند. مشخصات ساختمانی و اثرات هر یک از اجزاء تشکیل دهنده زمینه بر روی خواص
مکانیکی چدنها تقریباً مشابه با اثرات بحث شده در مورد فولادهاست . منتهی به علت متفاوت بودن ترکیب شیمیائی
چدنها از فولادها، استثناها ئی نیز وجود دارد . به عنوان مثال در چدنها، فریت معمولاً حاوی کمی منگنز و مقدار قابل
ملاحظه ای سیلیسیم به صورت م حلول م ی باشد . به علاوه عناصر دیگری نظیر مس و یا نیکل نیز ممکن است در فریت
حل شوند. از اینرو فریت در چدنها، اغلب سخ تتر و استحکام آن بیشتر از فریت در فولادهاست.
-10-1 اثر ضخامت قطعه
اثر ضخامت قطعه بر روی خواص مکانیکی چدنها ناشی از تأثیر آن بر روی نحوه انجماد و سرد شدن و در
نتیجه نوع چدن و ساختمان میکروسکوپی حاصل م ی باشد . در یک ترکیب شیمیائی ثابت، هر چه ضخامت قطعه بیشتر
باشد، سرعت سرد شدن کمتر، احتمال گرافیتی شدن ساختمان بیشتر و در نتیجه سختی آن کمتر خواهد بود . از سوی
دیگر هر چه ضخامت قطعه کمتر باشد، سرع ت سرد شدن آن بیشتر، احتمال تشکیل کاربید بیشتر و بنابر این سختی
قطعه بالاتر خواهد بود.
یکی از مناسب ترین راهها برای بررسی اثر ضخامت قطعه بر روی ساختمان و سختی استفاده از آزمایش گوه
می باشد . برای این کار، نمون ه ای گوه ای شکل با زاویه رأس 10 درجه از چدن با ترکیب شیمیائی مورد نظر را در قالب
ماس ه ای ریخته گری م ی کنند . سپس در ام تداد ارتفاع و از وسط، نمونه ر ا مقطع زده و سختی آن را در امتداد ارتفاع
نمونه (از راس به سمت قاعده) اندازه می گیرند . همچنین ساختمان میکروسکوپی سطح مقطع را مشخص میکنند.
شکل 21 : اثر ض خامت قطعه بر روی سختی و ساختار چدن . سختیها در محل نشان داده شده بر روی شکل انداز ه گیری شده اند .
0.086%S 0.215% و P, 1.01%Mn, 2.55%Si, 3.52%C : ترکیب شیمیائی چدن مورد آزمایش عبارت بوده از
Fe-3.52%C- شکل 21 نمونه ای از نتایج به دست آمده از آزمایش گوه را برای چدنی با تر کیب شیمیائی
2.55% نشان می دهد . مطالعه ساختمان میکروسکوپی سطح مقطع برش در Si-1.01%Mn-0.215%P-0.082%S
امتداد ارتفاع گوه ( از رأس به سمت قاعد ه ) تغییرات سختی مربوط به شکل 21 را توجیه می کند . ساختمانهای
میکروسکوپی مشاهده شده در امتداد ارتفاع ( از چپ به ر است در شکل 21 ) به ترتیب عبارتند از : رأس گوه از چدن
50 تشکیل شده است. HRC سفید (مخلوط کاربید و پرلیت) با سختی بیشتر از
با دور شدن از رأس از درصد کاربید کاسته شده و در عوض گرافیت در ساختمان ظاهر می شود ( چدن
با زمینه فریتی، (D خالدار ) . در نتیجه سختی شدیداً اُفت م ی کند . با حذف سم نتیت و گرافیتی شدن کامل چدن ( از نوع
سختی به حداقل مقدار خود کاهش م ی یابد . در سرعتهای سرد کردن کمی کمتر، ساختمان میکروسکوپی شامل لای ه های
در زمینه پرلیتی به وجود م ی آید و در نتیجه سختی مجدداً افزایش یافته به یک مقدار ماکزیمم A گرافیت با توزیع نوع
می رسد. این ساختمان مطلوب ترین حالت برای مقاومت به سایش و استحکام خوب است.
با افزایش بیشتر ضخامت، ورق ههای گرافیت ضخیمتر شده و لایه های پرلیت درشت تر ( خشن تر ) می شوند . در
نتیجه سختی کمی کاهش م ی یابد . با افزایش باز هم بیشتر ضخامت و یا کاهش بیشتر س رعت سرد شدن، پرلیت به
مجموعه ای از فریت و گرافیت تجزیه شده و در نتیجه سختی و استحکام بیشتر کاهش م ییابد.
ساختمان اکثر قطعات صنعتی چدنی، مشابه با ساختمان ناحیه بلافاصله سمت راست ماکزیمم منحنی سختی
(یعنی در حد فاصل ضخامت 5 تا 15 میلیمتر) می باشد. این ساختمان شامل گرافیت لایه ای در زمینه پرلیتی است.
(Hot Shake Out) یکی از تکنیکهای استحکام بخشی به قطعات چدنی خارج کردن زود هنگام از قالب
باشد . چنین کاری سبب A می باشد . به طوریکه از نظر زمانی ، انجماد قطعه پایان پذیرفته اما دمای آن کماکان بالای 1
می شود سرعت سرد شدن قطعه در هنگام استحاله یوتکتوئید بالا بوده و درنتیجه ساختمان زمینه به جای فریت و یا
فریت - پرلیت خشن ، پرلیت ظریف باشد . بهره گیری از چنین تکنیکی نیازمند انتخاب دقیق زمان تخریب قالب به
( همراه تمهیدات لازم جهت جلوگیری از ترک خوردن قطعه است . (مرجع 3
-11-1 انواع چدنها
چدنها را با توجه به ساختمان میکروسکوپی آنها تقسی م بندی م ی کنند . در این تقسیم بندی که براساس نوع فاز
غنی از کربن ( یعنی سمنتیت و یا گرافیت ) و شکل آن م ی باشد، پنج گروه اصلی چدن وجود دارد که عبارتند از : چدن
نیز موسوم است، چدن SG سفید، چدن خاکستری، چ دن نشکن یا چدن با گرافیت کروی که به چدن داکتیل یا چدن
مالیبل یا چدن چکشخوار و چدن با گرافیت فشرده، جدول 1 محدوده ترکیب شیمیائی برای چدنهای غیرآلیاژی و شکل
22 دامنه تقریبی کربن و سیلیسیم چدنهای مزبور را در مقایسه با فولادها نشان م یدهند.
به منظور بهبود خواص مکانیکی، به هر یک از چدنهای فوق می توان مقدار کمی عناصر آلیاژی اضافه کرد،
بدون آنکه کلاس و طبق هبندی چدن تغییر کند. بجز پنج گروه اصلی، حالات بینابینی نیز در طبق هبندی چدنها وجود دارند
که عبارتند از : چدن خالدار و چدن سرد شده . بعلاوه چ دنهای پرآلیاژ گروه دیگری از چدنهای پرمصرف با خواصی
بسیار عالی را تشکیل می دهند.
جدول 1: محدوده ترکیب شیمیائی چدنهای غیرآلیاژی
درصد عناصر
نوع چدن
کربن سیلیسیم منگنز گوگرد فسفر
0/06-0/2 0/06-0/2 0/25-0/8 0/5-1/9 1/8-3/ سفید 6
0/02-1 0/02-0/25 0/2-1 1-3 2/5- خاکستری 4
0/02-0/2 0/02-0/2 0/15-1/2 0/9-1/9 2/2-2/ مالیبل 9
0/01-0/1 0/01-0/03 0/1-1 1/8-2/8 3- داکتیل 4
0/01-0/1 0/01-0/03 0/2-1 1-3 2/5- گرافیت فشرده 4
-1-11-1 چدن سفید
تحت شرایطی که ترکیب شیمیائی آلیاژ ویا سرعت سرد شدن به نحوی باشد که تمامی کربن موجود به
2) . همانطور که قبلاً اشاره - صورت سمنتیت درآید، اصطلاحاً گفته م ی شود که چدن سفید به دست آمده است ( بخش 1
شد، مبنای این نامگذاری، ظاهر سطح مقطع شکست این نوع چدنها می باشد . به علت وجود توده های سمنتیت در
ساختمان میکروسکوپی این نوع چدنها، سطح مقطع شکست آنها سفید، براق و حالت دان ه ای دارد . چدنهای سفید،
استحکام فشاری بسیار زیاد، مقاومت سایشی عالی و سختی بالائی دارند . این چدنها سختی خود را تا دمای سرخ
شدن 29 برای زمان محدودی حفظ م یکنند.
شکل 22 : محدوده تقریبی درصد کربن و سیلیسیم برای آلیاژهای آهنی
2-11-1 چدن خاکستری
ترکیب شیمیائی چدن و سرعت سرد شدن آنرا م ی توان به نحوی انتخاب کرد که در ضمن انجماد، کربن به
1 بحث شد، در چدنهای حاوی گوگرد و اکسیژن سرعت رشد - صورت گرافیت رسوب کند . همانگونه که در بخش 1
٢٩-Red Temperature
شکل 1) با ) c نسبت به محور a گرافیت در جهات مختلف متفاوت می باشد، به این صورت که رشد آن در امتداد محور
سهولت بسیار بیشتری انجام م ی گیرد . از اینرو گرافیتهای حاصل به شکل ورق ه ای در ساختمان ظاهر می شوند . موقعی که
چدن با این نوع ساختمان میکروسکوپی شکسته شود، مسیر شکست عمدتاً در امتداد لا یه های گرافیت پیش می رود . در
نتیجه سطح مقطع شکست خاکستری رنگ به نظر می رسد. از اینرو به چدن خاکستری موسوم است.
شکل 23 : اثر سرعت سرد شدن و ترکیب شیمیائی بر روی ساختار میکروسکوپی چدن.
خواص چدنهای خاکستری تحت تأثیر اندازه، مقدار و تو زیع گرافیتهای لایه ای تغییر می کند . به علاوه، نوع
زمینه ساختمان میکروسکوپی نیز در کنترل خواص مکانیکی نقش مهمی را به عهده دارد . پارامترهای فوق عمدتاً توسط
درصد کربن، درصد سیلیسیم و سر عت سرد شدن کنترل می شود ( شکل 23 ) . کاهش سرعت سرد شدن و افزایش درصد
کربن و یا سیلیسیم منجر به تشکیل گرافیتهای بیشتر و ضخیمتر م ی شوند . علاوه بر آن پارامترهای فوق منجر به فریتی
شدن زمینه و کاهش استحکام خواهند شد.
مهمترین خواص چد نهای خاکستری که آنها را به عنوان یکی از پرمصرفترین آلیاژهای صنعتی درآورده است
عبارتند از : نقطه ذوب پائین، سیالیت زیاد، انقباض کم در حین انجماد، مقاومت در برابر سایش ( ناشی از وجود لایه های
گرافیت ) ، قابلیت جذب ارتعاش، قیمت ارزان و قابلیت ماشینکاری عالی . از سوی دیگر چدنهای خاکستری از
انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه بسیار کم برخوردارند.
شکل 16 ) را داشته باشد، که ) E تا A گرافیت ورق ه ای در چدنهای خاکس تری می تواند یکی از توزیعهای نوع
5 مراجعه شود ) . پارامترهای مختلفی بر روی - بس ته به نوع توزیع اثر آن در خواص چ دن متفاوت خواهد بود ( به بخش 1
مکانیزم جوانه زنی و رشد گرافیت ورق ه ای و در نتیجه نحوه توزیع آن مؤثر م ی باشند . برخی از این پارامترها در بخش
5-1 مورد بررسی قرار گرفت هاند.
-3-11-1 چدن با گرافیت کروی چدن نشکن
( این نوع چدن از نظر ترکیب شیمیائی شبیه به چدن خاکستری ولی با درصد گوگرد و فسفر کمتری ( جدول 1
رسوب می کند . شکل (II و I می باشد منتهی در ضمن انجماد، گرافیت به جای ورقه ای به شکل کروی ( شکل 15 نوع
24 تصویر میکروسکوپی چدن با گراف یت کروی در زمینه فریتی و شکل 25 تصویر میکروسکوپ الکترونی از یک کره
گرافیت را نشان م یدهد.
عمل کروی کردن توسط اضافه کردن مقدار بسیار کم، ولی محاسبه و کنترل شده، از عناصری نظیر لیتیم،
سدیم، پتاسیم، منیزیم، کلسیم، سریم و … درست قبل از ریختن مذاب به درون قالب انجام م ی گیرد . لازم به تذکر است
که عملیات کروی کردن در داخل راهگاه قالب نیز امکانپذیر م ی باشد . گرافیت کروی مستقیماً از مذاب ولی در تحت
انجماد بیشتری نسبت به گرافیت ورق ه ای به وجود م ی آید . از بین ع ناصر یاد شده برای کروی کردن گرافیت، منیزیم
بیشترین مورد استفاده را دارد، زیرا هم ارزانتر است و هم در دامنه وسیعتری از چدنها قابل استفاده م یباشد.
شکل 24 : تصویر میکروسکوپی چدن نشکن با زمینه فریتی، محلول اچ، نایتال، بزرگنمائی 100
شکل 25 : تصویر میکروسکوپ الکترونی از کر ههای گرافیت پس از اچ کردن زمینه اطراف. بزرگنمائی 950
شکل 26 : نمایش ترسیمی شکل هندسی گرافیت کروی.
گرچه مکانیزم و نحوه دقیق کروی شدن گرافیت هنوز از مباحث تحقیقاتی می باشد، ولی مشخص شده است
که علت اصلی کرو ی شدن حذف گوگرد و اکسیژن از مذاب م ی باشد . در غیاب عناصر فوق، سینتیک رشد گرافیت در
c بیشتر از محور a یکسان است، در حالی که در حضور عناصر فوق، رشد گرافیت در امتداد محور c و a جهات
1 مراجعه شود). - می باشد (به بخش 1
در شبکه کریستالی گرافیت c نتایج حاصل از بررسی ساختمان کر ه های گرافیت نش ان م ی دهد که محور
( شکل 1) تقریباً هم جهت و موازی شعاع بوده و صفحات قاعده بطور موضعی موازی س طح کره گرافیت م ی باشند .
.( (شکل 26
چدنهای نشکن همانند چدنهای خاکستری دارای سیالیت بالا، نقطه ذوب پائین، قابلیت ماشینکاری خوب و
مقاومت سایش ع الی ( ناشی از وجود گرافیت ) می باشند، مزیت عمده چدنهای نشکن بر چدنهای خاکستری استحکام و
(830 Mpa ) 120 Ksi انعطاف پذیری بالا می باشد . به عنوان مثال، چدن نشکن با زمینه مارتنزیتی استحکامی در حدود
(415Mpa ) 60Ksi و ازدیاد طولی در حدود 2 درصد از خود نشان می دهد و یا برای استحکام تقریباً یکسان و برابر با
0 درصد بوده در حالی که انعطا ف پذیری چدن نشکن در حدود 18 درصد / ازدیاد طول چدن خاکستری در حدود 6
می باشد. مزیت دیگر چدن با گرافیت کروی عبارتست از مدول الاستیسیته 30 زیاد.
برای تولید چدن با گرافیت کروی و زمینه فریتی، معمو لاً از عملیات حرارتی کمک گرفته م ی شود . به این
صورت که، ابتدا چدن با زمینه پرلیتی ر ا ریخته گری کرده و سپس به کمک عملیات حرارتی آنیل، پرلیت را به فریت و
گرافیت تجزیه م یکنند. گرافیت حاصل بر روی گرافیتهای کروی موجود رسوب می کند.
همچنین تحت شرایطی، زمینه فری تی را می توان مستقیماً از ریخت ه گری به دست آورد . در شرایطی که ساختمان
زمینه، مخلوطی از فریت و پرلیت باشد، دان ه های فریت اغلب به صورت هال ه ای در اطراف کر ه ه ای گرافیت تشکیل
می شوند ( شکل 27 ) . علت این امر برم ی گردد به این نکته که، کربن محلول در زمینه، در اطراف ذرات گرافیت به راحتی
می تواند به سمت گرافیتها نفوذ کرده و بر روی آنها رسوب کند. این ساختمان به ساختمان چشم گاوی 31 موسوم است.
-4-11-1 چدن مالیبل چدن چکشخوار
این نوع چدن که در ایران به چدن چکشخوار و نیز چدن قیچی موسوم است، از عملیات حرارتی چدنهای
سفید با ترکیب شیمیائی مناسب ( جدول 1) به دست م ی آید . در اثر عملیات حرارتی چدن مزبور، سمنتیت تجزیه شده و
رسوب می کند ، از این رو به کربن (III کربن به صورت کر ه های متلا شی شده و نامنظم گرافیت ( شکل 15 توزیع نوع
تم پر شده موسوم است، زیرا از مذاب به وجود نم ی آید، بلکه در اثر عملیات حرارتی تشکیل م ی شود . بنابراین تهیه چدن
چکشخوار شامل دو مرحله است : یکی ریخت ه گری و تهیه چدن سفید و دیگری عملیات حرارتی آن به منظور تجزیه
سمنتیت و تشکیل گرافیت . در مرحله اول، باید تمامی کربن موجود تشکیل سمنتیت دهد . در صورتی که در این مرحله
گرافیت لایه ای به وجود آید، کربن حاصل از تجزیه سمنتیت در ضمن آنیل کردن ترجیحاً بر روی لایه های گرافیت
٣٠-Modulus of Elasticity
٣١-Bulls-eye Structure
شکل 27 : تصویر میکروسکوپی از چدن با گرافیت کروی و زمینه پرلیتی . همچنین هال ه ای از فریت در اطراف کر ه های گرافیت
مشخص است. این نوع ساختار اصطلاحاً به ساختمان چشم گاوی موسوم است. بزرگنمائی 100
می نشیند.
در مرحله دوم، سمنتیت باید به راحتی تجزیه شود، در غیر این صورت مالیبل شدن به خوبی انجام نگرفته و یا
اینکه عملیات حرارتی مستلزم زمان طولانی خواهد شد. از اینرو، در چدنهای مالیبل توجه به دو نکته ضروری است:
یکی ا بعاد قطعه که سرعت سرد شدن را کنترل می کند و دیگری ترکیب شیمیائی مذاب . از آنجائی که در
ضمن انجماد در هیچ قسمت قطعه نباید گرافیت به وجود آید و حداقل سرعت سرد شدن، مربوط به ضخیمترین قسمتها
می باشد، بنابراین با توجه به ابعاد این قسمتها درصد کربن، سیلیسیم و دیگر عناصر آلیاژی را تنظیم می کنند . علاوه بر
اینها ترکیب شیمیائی چدن مالیبل، تابعی از زمینه ساختمان میکروسکوپی نهائی مورد نظر م یباشد.
0 تا / 1 درصد، ولی برای زمینه فریتی بین 2 / 0 تا 3 / به عنوان مثال، مقدار منگنز برای زمینه پرلیتی در محدوده 2
0 درصد انتخاب می شود . همچنین برای جلوگیری از خالدار شدن ( ایجاد لای ه های گرافیت در چدن سفید اولیه ) /6
0 درصد) و برای زیاد کردن تعد اد جوانه ها در مرحله عملیات حرارتی مقادیر کمی / در حدود 01 ) Te, Bi مقادیر جزئی
به مذاب اضافه م ی کنند . شکل 28 تصویر میکروسکوپی از توزیع گرافیتها در این نوع چدن را نشان م ی دهد . Al و B
توزیع مزبور با بزرگنمائی بیشتر در شکل 29 به طور دقیقتر نشان داده شده است.
از نظر خواص مکانیکی، نظیر انعطاف پذیری و تافنس ضربه، این نوع چدن تقریباً شبیه چدن با گرافیت کروی
می باشد، ولی چدن مالیبل از برخی ج نبه ها مزیت دارد . به عنوان مثال برای تهیه قطعات نازک، قطعاتی که قرار است
سوراخ کاری شده و یا کار سرد شوند، قطعاتی که نیاز به ماشینکاری زیاد دارند، و تحت شرایطی که به مدول الاستیسیته
بالا نیاز باشد . بطورکلی می توان گفت که برای ساخت یک قطعه انتخاب بین چدن چکشخوار و یا چدن نشکن بیشتر
بستگی به قیمت تمام شده و امکانات دارد تا خواص نهائی.
شکل 28 : تصویر میکروسکوپی از شکل گرافیتها در چدن چکشخوار. بزرگنمائی 100
شکل 29 : تصویر میکروسکوپی از شکل گرافیتها در چدن چکشخوار با بزرگنمائی 500
شکل 30 : تصویر میکروسکوپی از گرافیت فشرده همراه با تعدادی گرافیت کروی. نمونه بدون اچ، بزرگنمائی 100
-5-11-1 چدن با گرافیت فشرده
و یا چدن با گرافیت کرمی شکل موسوم است، مشابه با چدن خاکستری CG این نوع چد ن که اغلب به چدن
حاوی لای ه های گرافیت محصور شده بین سلولهای یوتکتیکی م ی باشد، معهذا، در مقایسه با گرافیت لای ه ای، گرافیت در
به بیان دیگر، می توان گفت . (IV درشت تر، ضخیمتر و تا حدودی گردتر م ی باشد ( شکل 15 توزیع نوع CG چدنهای
شکل واسطه ای بین گرافیت لا یه ای و گرافیت کروی دارد ( شکل 30 ) . از اینرو به گرافیت ،CG که گرافیت در چدنهای
شبه ورق های 32 نیز موسوم است.
خواص این نوع چدنها تقریباً حد واسط های بین خواص چدنهای خاکستری و نشکن م ی باشد . منتهی در بعضی
موارد، چدن با گرافیت کرمی شکل نسبت به هر دو نوع چدن مزبور برتری دارد . به عنوان مثال، در حالی که چدن با
گرافیت فشرده بسیاری از خواص ریخته گری چدن خاکستری را حفظ م ی کند از استحکام کششی و انعطا ف پذیری
بیشتری برخوردار م یباشد.
شبیه به گرافیت کروی، گرافیت کرمی شکل نیز با اضافه کردن مقدار مشخصی منیزیم و یا عناصر مشابه دیگر
به مذ اب با ترکیب شیمیائی مشخص ( جدول 1) به دست می آید . ولی برای این کار به عناصر دیگری نظیر تیتانیم به
منظور به حداقل رساندن امکان تشکیل گرافیت کروی نیاز م یباشد. تذکر این نکته ضروری است که، عدم دقت کافی در
تنظیم مقدار منیزیم م ی تواند منجر به لایه ای شدن و یا کروی شدن گرافیت شود . این امر ناشی از دامنه مجاز بسیار
محدود درصد منیزیم برای تهیه چدن با گرافیت فشرده م ی باشد . شکل 31 اثر درصد منیزیم اضافه شده به مذاب، بر
روی شکل گرافیت و استحکام کششی چدن با زمینه پرلیتی را نشان م یدهد.
-6-11-1 چدن خالدار
تحت شرایطی که ترکیب شیمیائی مذاب، سرعت سرد شدن و نحوه انجماد طوری باشد که قسمتی از کربن
در ضمن انجماد به صورت گرافیت رسوب کرده و بقیه به صورت سمنتیت درآید، ساختمان میکروسکوپی حاوی
٣٢-Quasi-Flake Graphite
رگه های سیاه رنگ گرافیت و نواحی سف ید رنگ سمنتیت خواهد بود ( شکل 32 ) . از اینرو به چدن خالدار موسوم است .
اثر درصد سیلیسیم و کر بن مذاب بر روی نوع چدن در شکل 33 نشان داده شده است . این نمودار براساس ساختمان
10 سانتیمتر رسم شده است. ×10× حاصل از ریخت هگری قطع های به ابعاد 20
(b) و استحکام کششی چدن با زمینه پرلیتی (a) شکل 31 : اثر درصد منیزیم اضافه شده به چدن بر روی شکل گرافیت
-7-11-1 چدن سرد شده
اگر ترکیب شیمیائی مذاب به نحوی باشد که در شرایط معمولی انجماد، تبدیل به چدن خاکستری شود ولی
آنرا سریعتر از حد معمولی سرد نمائیم، قسمتهائی از قطعه که با سرعت کافی سرد شده باشند تبدیل به چدن سفید
میشوند . این نوع چدن سفید را چدن سرد شده مینامند .
یکی از مهمترین کاربردهای چدن سفید سرد شده در رابطه با ساخت قطعاتی است که در عین حالی که نیاز به
سطحی سخت و مقاوم در برابر سایش دارند ، باید از مقاومت به ضر به خو بی نیز برخوردار باشند . این نوع قطعات را
معمولاً به نحوی ریخت ه گری م یکنند که در سطح آنها لایه ای از چدن سفید تشکیل شده ولی در مغز قطعه چدن
خاکستری به وجود آید.
برای این منظور مذاب با ترکیب شیمیائی مناسب برای تهیه چدن خاکستری را در قالب فلزی و یا گرافیتی سرد
شکل 32 : تصویر میکروسکوپی چدن خالدار که هم دارای گرافیت (سیاه رنگ) و هم دارای کاربید آهن اولیه (سفید رنگ) می باشد .
بزرگنمائی 100
شده ریخته گری می کنند. سرعت زیاد سرد شدن در شروع انجماد باعث تشکیل لای های از چدن سفید در سطح م یشود.
ولی در ادامه انجماد سرعت انتقال حرارت کاهش یافته و در نتیجه مغز قطعه خاکستری خواهد شد.
شکل 33 : اثر سیلیسیم و کربن بر روی نوع چدن
-8-11-1 چدنهای آلیاژی
این گروه شامل چدنهای آلیاژی سفید، خاکستری و نشکن می باشند . عناصر آلیاژی معمولاً به چدنهای
چکشخوار اضافه نمی شوند . علت این امر به خاطر اثرات نامطلوب عناصر آلیاژی بر عملیات حرارتی مالیبل کردن
می باشد. همچنین نقش عناصر آلیاژی بر روی خواص چدنها با گرافیت فشرده مراحل اولیه تحقیقاتی خود را می گذراند.
0 درصد به چدنها اضافه شوند، جزء ع ناصر آلیاژی محسوب م ی شوند . مقدار / عناصر فلزی که بیشتر از 1
عناصر آلیاژی که برای اصلاح خواص و یا بهبود قابلیت ریخت ه گری به چدنها اضافه می شود، معمولاً تا حدود 3 درصد
می باشد . تحت شرایطی که به چدنی با خواص کاملاً جدید و متفاوت از چدنهای معمولی نیاز باشد، مقدار عناصر
آلیاژی م ی تواند ب ین 3 تا بیشتر از 30 درصد باشد . این نوع چدنها به چدنهای پرآلیاژ موسوم هستند و در کاربردهائی
نظیر مواقعی که به مقاومت سایش، مقاومت حرارتی و یا مقاومت خوردگی بسیار عالی نیاز باشد، استفاده می شوند .
همچنین برخی از چدنهای فوق دارای خواص فیزیکی غیرعادی نظیر انبساط حرارتی بسیار کم و یا خواص
غیرمغناطیسی می باشند.
نیکل معمولترین عنصر آلیاژی است که استفاده م ی شود، زیرا هیچگونه اثر نامطلوبی بر روی خواص چدن
ندارد . نیکل پایداری کاربیدهای اولیه را کاهش داده، در حالی که باعث ریز شدن و پایداری پرلیت می شود . به این
ترتیب استح کام چدن را افزایش م ی دهد . همچنین با اضافه کردن مس، استحکام و سختی چدن افزایش م ی یابد . علت
این امر ناشی از کاهش فریت و ریز شدن پرلیت م ی باشد . در این مورد تذکر این نکته ضروری است که مقدار مسی که
می توان به چدن اضافه کرد محدود به حد حلالیت آن در حضور سیلیسیم می باشد . کرم در چدنها تشکیل کاربید داده و
تمایل به سفید شدن در حین انجماد را افزایش م ی دهد . بهعلاوه در حین سرد شدن از تجزیه کاربید جلوگیری م ی کند .
این امر باعث افزایش مقاومت سایشی چدن شده و همچنین در دماهای بالا اکسید شدن آنرا به تعویق می اندازد.
مولیبدن ع نصر آلیاژی بسیار مناسب برای افزایش استحکام چدن مخصوصاً در دماهای بالا م ی باشد . در
چد نهای کم آلیاژ افزایش این عنصر تا حدود 2 درصد سبب افزایش استحکام دمای بالا و زمان باقیمانده تا شکست
می شود ( مرجع 2) . همچنین استفاده از این عنصر به جای کرم در عین افزایش استحکام سبب بهبود قابلیت (TTF)
ماشینکاری می شود چرا که مولیبدن بر خلاف کرم تش کیل کاربید مرزدانه ای نمی دهد ( مرجع 4) . وانادیم عنصر آلیاژی
بسیار فعال برای تشکیل کاربید م ی باشد . از این عنصر به مقدار بسیار کم برای ریز کردن اندازه لا یه های گرافیت استفاده
می شود . آلو مینیوم را به مقدار 2 تا 20 درصد برای تهیه چدنهای آلیاژی آلومینیو م دار با خواص کاملاً متنوع استفاده
می کنند . چدنهای آلیاژی سیلیسیم دار با درصد سیلیسیم بیشتر از حد معمول، دارای مقاومت خوردگی و اکسیداسیون
بسیار عالی م ی باشند . چدنهای آلیاژی منگنزدار مقاومت سا یشی خوبی دارند . اثرات عناصر آلیاژی مختلف در چدنها در
جدول 2 خلاصه شده است.
مهمترین گروههای چدنهای آلیاژی عبارتند از:
1 چدنهای مقاوم در برابر سایش
این گروه شامل چدنهای مارتنزیتی نیکل کر م دار موسوم به نای هارد 33 با ساختمان میکروسکوپی شامل
مارتنزیت، آستنیت باقیمانده و زمینه سمنتیتی ( شکل 34 ) ، چدنهای سفید پرکرم با ساختمانی شامل آستنیت باقیمانده،
م ارتنزیت و کاربید آلیاژی ( شکل 35 ) ، چدنهای کرم مولیبد ن دار با همان ساختمان میکروسکوپی و بالاخره چدنهای
٣٣-Ni-Hard
سفید کم کربن با ساختمانی شامل پرلیت درشت و زمینه سمنتیتی م ی باشد . ترکیب شیمیائی این نوع چدنها در جدول 3
آمده است.
جدول 2: تأثیر بعضی از عناصر بر روی ساختمان میکروسکوپی چدنها
نوع عنصر اثر عنصر در ضمن انجماد اثر عنصر در ضمن واکنش یوتکتوئید
آلومینیوم گرافیت زای قوی
امکان تشکیل فریت و گرافیت را افزایش
می دهد
آنتیموان
در محدوده مقادیر استفاده شده تاثیر آن کم
است
تثبیت کننده قوی پرلیت است
بیسموت
باعث تشکیل سمنتیت میشود ، ولی خودش
کاربید تشکیل نمیدهد
اثر متوسطی در تثبیت پرلیت دارد
0 درصد) گرافیت زای قوی باعث تشکیل گرافیت میشود / بور(تا 15
0 درصد) تثبیت کننده کاربید تثبیت کننده قوی پرلیت / بور (بیش از 15
کرم
تثبیت کننده کاربید . تشکیل دهنده
کاربیدهای کمپلکس بسیار پایدار
تشکیل دهنده و تثبیت کننده قوی پرلیت
مس گرافیت زای متوسط است امکان تشکیل پرلیت را افزایش میدهد
منگنز عنصر کاربیدزای متوسطی است باعث تشکیل پرلیت میشود
مولیبدن عنصر کاربیدزای متوسطی است تشکیل دهنده و تثبیت کننده قوی پرلیت
نیکل عنصری است گرافیت زا
تشکیل پرلیت را در حد متوسط افزایش می-
دهد
سیلیسیم گرافیت زای قوی
امکان تشکیل گرافیت و فریت را افزایش
میدهد
تلور
تشکیل دهنده قوی کاربید می باشد ولی
باعث پایداری کاربید نمیشود
تثبیت کننده متوسط پرلیت
قلع
در محدوده مقادیر استفاده شده اثر آن کم
است
تثبیت کننده قوی پرلیت میباشد
0 درصد) عنصری است گرافیت زا تشکیل گرافیت و فریت را افزایش میدهد / تیتانیوم (کمتر از 25
0 درصد) / تیتانیوم (بیشتر از 25
کاربید تیتانیوم که بسیار پایدار است را
تشکیل میدهد
وانادیوم تشکیل دهنده قوی کاربید تشکیل پرلیت را شدیداً افزایش میدهد
با (ASTM-A شکل 34 : تصویر میکروسکوپی از چدن نیکل کر م دار مقاوم در برابر سایش ( کلاس 1، نوع 1 از استاندارد 532
در شرایط ریخت ه گری شده به شکل میله و به قطر 25 Max 0.75%Mo 4.2% و Ni, 2.0%Cr, 0.55%Si, 3.3%C ترکیب شیمیائی
میلمیتر ( یک اینچ ) . در ساختار میکروسکوپی چدن سفید فوق، دندریتهای آستنیت ( سیاه رنگ ) و یوتکتیک بین دندریتی آستنیت ( نقاط سیاه
رنگ ) و کاربید ( سفید رنگ ) کاملاً مشخص اند . در اثر اصطکاک و سایش، آستنیت به مارتنزیت تبدیل م ی شود . محلول اچ، نایتال 3 درصد،
بزرگنمائی 100
در شرایط ریخت ه گری شده . در چدن (ASTM-A استاندارد 532 III 28% ) مقاوم در برابر سایش (نوع Cr ) شکل 35 : چدن پرکرم
مزبور، شبکه بین دندریتی کاربید آهن کرم ( سفید رنگ ) و طبیعت دندریتی شکل م ارتنزیت ( سیاه رنگ ) به خوبی مشخص است . محلول اچ،
نایتال 3 درصد. بزرگنمایی 100
جدول 3: ترکیب شیمیائی و سختی چدنهای سفید آلیاژی
سختی برینل %S %P %Ni %Cr %Mn %Si %C نوع چدن
نیکل-کرم
مارتنزیتی
550 0/15 0/4 4-4/75 1/4-3/5 0/4-0/7 0/4-0/7 3-3/6
500 0/15 0/4 24-30 0/5-1/25 0/25-1 2/25-2/ سفید پرکرم 85
جدول 4: ترکیب شیمیائی و خواص مکانیکی چدنهای مقاوم در برابر حرارت
نوع چدن
پارامتر مورد نظر
پرآلومینیوم Ni-resist پرسیلیسیم پرکرم پرنیکل
نیکل، کرم و
سیلیسیم
1/8-2/6 1/3-2 1/8-3 1/8-3 1/6-2/ درصد کربن 5
5-6 1/3-6 1-2/75 0/5-2/5 4- درصد سیلیسیم 6
0/4-1 0/4-1 0/4-1/5 0/3-1/5 0/4-0/ درصد منگنر 8
13-22 14-30 0- درصد نیکل 5
1/8-5/5 1/75-5/5 15 - درصد کرم 23
0-10 0- درصد مس 7
0-1 0- درصد مولیبدن 1
20- درصد آلومینیوم 25
110-210 180-250 130-250 250-500 170- سختی برینل 250
استحکام
20-45 13-16 25 -45 30-90 25-45 (ksi) کششی
استحکام
(ksi) فشاری
70-100 100-160 100 90-150
مقاومت ضربه
(ft-lb)
80-150 60-150 20-35 15 -23
2 چدنهای مقاوم در برابر حرارت
با بیشتر از 3 درصد سیلیسیم م ی با شند. به علاوه عناصر دیگری نظیر کرم، Fe-C-Si این چدنها آلیاژهای
نیکل، مولیبدن و آلومینیوم نیز برای بهبود مقاومت در برابر حرارت به آنها اضافه م ی شود . ترکیب شیمیائی و خواص
مکانیکی برخی از چدنهای مقاوم در برابر حرارت در جدول 4 خلاصه شده است . از جمله نکات مهم در مورد این نوع
چدنها، کاهش خواص مکانیکی در اثر پدیده باد کردن ( رشد ) 34 وقتی که درجه حرارت کار از 425 درجه سانتیگراد
بیشتر شود، می باشد . باد کردن یا رشد در چدنها، مخصوصاً در چدنهای خاکستری، عبارت است از افزایش حجم در اثر
گرم شدن. علت این پدیده عبارت است از:
- انبساط ناشی از تجزیه سمنتیت و تبدیل آن به گرافیت و آهن
- اکسیداسیون آهن، پس از اکسید شدن گرافیت و خارج شدن به صورت مونواکسید کربن
در حالی که عناصر گرافی ت زا پدیده باد کردن را تشدید م ی کنند، عناصر تثبیت کننده کاربید، از آن جلوگیری
می نمایند . شکل 36 اثر کرم را بر روی باد کردن چدنها نشان م ی دهد . زمینه ساختمان میکروسکوپی چدنهای پرسیلیسیم
اغلب فریتی و گرافیت آن به شکل ورقه ای و یا کروی م یباشد. شکل 37 ساختمان میکروسکوپی چدن پرسیلیسیم مقاوم
در برابر حرارت در شرایط ریخت هگری شده را نشان م یدهد.
3 چدنهای مقاوم در برابر خوردگی
مقاومت خوردگ ی چدنهای آلیاژی عمدتاً بستگی به ترکیب شیمیائی و ساختار میکروسکوپی آنها دارد . در
واقع، پارامترهای کنترل کننده د ر این رابطه، ترکیب شیمیائی و ساختار زمینه م ی باشند . ترکیب شیمیائی و خواص
مکانیکی برخی از چدنهای آلیاژی مقاوم در برابر خوردگی در جدول 5 آمده است . سه گروه اصلی از این نوع چدنها
وجود دارند که عبارتند از:
الف: چدنهای پرسیلیسیم موسوم به دورآیرن 35 و دوریکلر 36
نوع دوم حاوی مولیبدن بوده و نسبت به خوردگی حفر های 37 مقاوم می باشد. شکل 38 تصویر میکروسکوپی از
این نوع چدن را نشان م یدهد . ساختمان میکروسکوپی این گروه از چدنها شامل گرافیت لایهای و زمینه فریتیمیباشد .
٣۴-Growth
٣۵-Duriron
٣۶-Durichlor
٣٧-Pitting Corrosion
شکل 36 : اثر کرم بر روی سرعت باد کردن چدن خاکستری وقتی که در معرض گرم کردن متناوب در 800 درج ه سانتیگراد قرار
گیرد.
0.7% ) در شرایط ریخ ته گری شده . ساختار Mn, 3.5%Si, 3.5%C) شکل 37 : چدن پرسیلیسیم مقاوم در برابر حرارت
میکروسکوپی شامل کره های گرافیت، در زمین ه ای از 15 درصد پرلیت ( جزء خاکستری غیرمنظم ) و 85 درصد فریت آزاد ( سفید رنگ ) می باشد .
محلول اچ، نایتال 3 درصد. بزرگنمائی 100
از اینرو از خواص مکانیکی نسبتاً ضعیفی برخوردار هستند.
ب: چدنهای آستنیتی پرنیکل
این گروه از چدنها که دارای زمین ه ای آستنیتی بوده و گرافیتها به شکل ورق ه ای و یا کروی هستند نسبت به
محیطهای بازی و اکسید کننده متوسط مقاوم بوده و به چدنهای نا ی رزیست 38 موسوم اند . شکل 39 تصویر
میکروسکوپی این نوع چدنها را در شرایط ریخت هگری شده نشان م یدهد.
ج: چدنهای پرکرم
تصاویر میکروسکوپی در شرایط ریخته گری شده و نرماله شده از این نوع چدنها در شکلهای 40 و 41 نشان
داده شده است . این گروه از چدنها که جزء چدنهای سفید محسوب می شوند و بنابراین از مقاومت به سایش خوبی نیز
برخوردارند، نسبت به محیطهای اکسید کننده مقاوم می باشند. این نوع چدنها در مقایسه با چدنهای پرسیلیسیم از خواص
مکانیکی بهتری برخوردارند. معهذا، ماشینکاری آنها بسیار مشکل می باشد.
جدول 5 : ترکیب شیمیائی و خواص مکانیکی تعدادی از چدنهای مقاوم در برابر خوردگی .
نوع چدن
پارامتر مورد نظر
پرسیلیسیم پرنیکل
Ni-resist
پرکرم
1/2-2/5 1/8-3 0/4- درصد کربن 1
0/5-2/5 1-2/75 14- درصد سیلیسیم 17
0/3-1 0/4-1/5 0/4- درصد منگنز 1
0-5 14- درصد نیکل 30
20-35 0/5-5/ درصد کرم 5
0- درصد مس 7
0-1 0-3/ درصد مولیبدن 5
290-400 100-230 450- سختی برینل 500
30 - 90 25 -45 13-18 (ksi) استحکام کششی
100 100-160 (ksi) استحکام فشاری
20-35 60-150 2-4 (ft-lb) مقاومت ضربه
٣٨-Ni-Resist
شکل 38 : تصویر میکروسکوپی چدن خاکستری پرسیلیسیم مقاوم در برابر خوردگی، ساختار میکروسکوپی چدن پرسیلیسیم
تیره رنگ ) ) A در شرایط ریخته گری شده م یباشد. چدن خاکستری فوق شامل گرافیت ورق های از نوع ، ASTM-A 14.5% ) از نوع 518 Si)
در زمینه ای از محلول جامد فریت شامل سیلیسیم و آهن (روشن) می باشد. بزرگنمائی 100
30% ) از Ni, 3%Cr) شکل 39 : تصویر میکروسکوپی چدن خاکستری پر نیکل مقاوم در برابر خوردگی . چدن خاکستری پر آلیاژ
تیره رنگ ) و فاز بین دندریتی ) A در شرایط ریخت ه گری شده می باشد . تصویر فوق شامل گرافیت لای ه ای از نوع ، ASTM-A نوع 436
(Fe Cr) C 3 − به رنگ خاکستری در زمین های از آستنیت پرنیکل می باشد. بزرگنمائی 250
0.46%V, 3.3%Mo, شکل 40 : ساختار میکروسکوپی چدن سفید پرکرم مقاوم در برابر خوردگی، با ترکیب شیمیائی
نواحی سفید محصور بین خطوط ) . ) (Cr − Fe)7C 17.8% در شرایط ریخته گری شده، شامل یوتک تیک 3 Cr, 0.52%Si, 3.09%C
فریت). بزرگنمائی 250 ) Fe-Cr پرلیت (خاکستری رنگ) در زمینه ای از محلول جامد
شکل 41 : مشابه چدن مربوط به شکل 40 2 ولی در شرایط نرماله شده در 1010 درجه سانتیگراد و سپس تمپر شده در 260 درجه
نواحی سفید محصور بین خطوط) در زمینه ای از مارتتریت تمپر شده م یباشد. بزرگنمائی 250 ) (Cr − Fe)7C سانتیگراد . یوتکتیک 3
-12-1 ساختمان و خواص چدنها
نظر به اینکه ساختمان میکروسکوپی چدنها ( به جز چدن سفید ) شامل زمینه فلزی و کریستالهای گرافیت ( یک
جزء غیرفلزی ) می باشد، خواص آنها نیز شا مل مجموعة خواص هر دو جزء است . از آنجائی که گرافیت یک جزء
غیرفلزی است، وجود آن در ساختمان میکروسکوپی چدنها را م ی توان به عنوان یک فضای خالی، حفره و یا ترک تلقی
کرد . بنابر این چدنها را م ی توان فولادهائی در نظر گرفت که حاوی مقدار زیادی ترک و یا حفره باشند . از این لحاظ
گفته می شود که چدنها در مقایسه با فولادها، از خواص مکانیکی نامرغوبتری برخوردارند.
در ارتباط با گرافیت، خو اص مکانیکی چدن تابعی از مقدار گرافیت، شکل گرافیت، نحوه توزیع گرافیت و
اندازه ذرات گرافیت م ی باشد . طبیعتاً با افزایش مقدار گرافیت که از استحکام بسیار پائینی برخوردار است، خواص
مکانیکی چدن بیشتر کاهش م ی یابد . برای مقدار ثابتی گرافیت، خواص مکانیکی چدن تابعی از شکل و نحوه توزیع
گرافیت در ساختمان می باشد.
بدترین حالت موقعی است که فاز گرافیت، تشکیل شبکه پیوسته ای را بدهد . به علاوه، در صورتی که یک
توزیع غیریکنواخت از گرافیت داشته باشیم، مناطقی که از تراکم بیشتر گرافیت برخوردارند استحکام پائینی دارند، در
حالی که د ر نواحی دیگر که گرافیت تراکم کمتری دارد استحکام بالا م یباشد . بنابراین یک حالت غیریکنواختی در
خواص مکانیکی قطعه به وجود م یآید.
پس بهترین حالت موقعی است که یک توزیع یکنواخت از کریستالهای گرافیت در ساختمان داشته باشیم . در
رابطه با اندازه ذرات گرافیت، تحقیقا ت نشان داده اند که، هر چه ذرات گرافیت ریزتر باشند، اثرات مخرب آنها بر
خواص مکانیکی کمتر می باشد، بنابراین مطلوبتر خواهند بود . همچنین افزایش بیش از حد ضخامت لایه های گرافیت
( سبب افت کیفیت سطحی قطعات چدنی پس از ماشینکاری میشود . (مرجع 1
از آنجائی که گرافیتها ی لایه ای نقش شکافها و ترکهای بسیار تیز را بازی م ی کنند، تحت شرایطی که تنشهای
کششی بر چدنها اعمال شود، خواص مکانیکی آنها را شدیداً کاهش م ی دهد . از سوی دیگر تحت شرایط تنشهای
فشاری، خواص مکانیکی چدنها بسیار عالی بوده و تقریباً مشابه با رفتار فولادها با همان ترکیب شیمیائی و ساختمان
زمینه م ی باشد . بنابراین نتیجه م ی شود که، استحکام فشاری و سختی چدنها عمدتاً بستگی به ساختمان زمینه فلزی دارد و
تنها اختلاف بسیار جزئی با فولادها با ساختمان مشابه خواهد داشت.
بعضی از خواص دیگر چدنها، به ویژه استحکام پارگی 39 ، استحکام خ مشی 40 و استحکام پیچش 41 شدیداً
تابعی از مقدار گرافیت، شکل و اندازه ذرات آن بوده و به نحو قابل ملاحظه ای با خواص مشابه در فولادها با ساختمان
زمینه یکسان متفاوت می باشد . این مس اله عمدتاً مربوط به چدنهای خاکستری با گرافیت لای ه ای می باشد . باید توجه
داشت که با تغییر شکل گرافیت از ورق های به کروی اثرات نامطلوب آن بر خواص مکانیکی نیز کاهش م ییابد.
برخلاف گرافیت لای ه ای، گرافیت کروی دیگر نقش ترک و یا شکاف تیز را بازی نم ی کند، بنابراین احتمال
ایجاد تمرکز تنش حذف م ی شود . از اینرو، چدنهای نشکن با گرافیت کروی نسبت به چد نهای خاکستری با گرافیت
ورقه ای از استحکام کشش ی و خمش ی به مراتب بالاتری برخوردار بوده و به ه مین خاطر به چدنهای با استحکام بالا 42
موسوم هستند . استحکام چدنهای چکشخوار با گرافیت برفکی ( و یا فلشی ) 43 بین استحکام چدنها با گرافیت لای ه ای و
کروی می باشد.
نتایج به دست آمده از آزمایشهای کشش و سختی بر روی چدنها با شکلهای مختلف گرافیت و ساختمانهای
میکروسکوپی متفاوت نشان داده است که انعطاف پذیری ( درصد ازدیاد طول در آزمایش کشش ) عمدتاً بستگی به شکل
.( گرافیت داشته، در حالی که سختی تابع ساختار زمینه بود و شکل گرافیت بر آن اثری ندارد (جدول 6
جدول 6: اثر ساختار میکروسکوپی بر روی خواص مکانیکی چدنها
شکل گرافیت لایه ای برفکی کروی
10-15 5 -10 0/2-0/ درصد ازدیاد طول 5
ساختمان زمینه فریت فریت- پرلیت پرلیت
250 200 سختی برینل 150
٣٩-Rupture Strength
۴٠-Bending Strength
۴١-Torsional Strength
۴٢-High Strength Cast Iron
۴٣-Flaky Graphite
به جز فریت و پرلیت، زمینه ساختمان میکروسکوپی چدنها م ی تواند از اجزاء دیگری نظیر بینیت و یا
مارتنزیت که از استحکام بالاتری نیز برخوردارند تشکیل شود . معهذا باید توجه داشت که، استحکام و انعطا ف پذیری
چدنهای خاکستری معمولی، عمدتاً توسط شکل گرافیت کنترل م ی شوند و اساساً تغییر ساختمان زمینه اثر نامحسوسی بر
آنها د ارد . ولی در چدنها با گرافیت کروی و یا برفکی، با تغییر ساختمان زمینه خواص مکانیکی نظیر استحکام و
انعطاف پذیری به نحو قابل توجهی تغییر خواهد کرد . تغییر زمینه ساختمان میکروسکوپی به کمک عملیات حرارتی
امکانپذیر می باشد.
گرچه ذرات گرافیت، مخصوصاً گرافیت لایه ای، اثر نامطلوبی بر خواص مکانیکی چدنها نظیر استحکام کششی
و انعطاف پذیری آنها دارد ولی مشخص شده است که در بسیاری از موارد، عامل برتری چدنها در مقایسه با فولادها
همین فاز گرافیت م یباشد. موارد فوق عبارتند از:
الف : از آنجائی که گرافیت منجر به تُرد و شکننده شدن و یا خرد شدن تراشه های حاصل از ماشینکاری
می شود، موجب بهبود قابلیت ماشینکاری چدنها خواهد شد.
ب : به علت خاصیت روغنکاری گرافیت، چدنها نسبت به فولادها از خواص ضداصطکاک 44 بهتری
برخوردارند.
ج: ذرات گرافیت باعث م یشوند که ارتعاشات وارد شده به چدنها خیلی سریع جذب شود.
د : چدنها تقریباً نسبت به ترکهای سطحی غیرحسا س اند . در حقیقت از آنجائی که چدنها حاوی تعداد زیادی
ذرات گرافیت بوده که نقش حفره و شکاف را باز م ی کنند، طبیعی است که حضور تعداد معدودی ترکهای سطحی
اضافی اثر بسیار جزئی در خواص مکانیکی آنها دارد . در صورتی که د ر فولادها با استحکام بالا، که عاری از هرگونه
ناخالصی غیرفلزی هستند، حضور تعداد کمی ترک سطحی نقش تعیین کنند ه ای را در خواص مکانیکی آنها خواهد
داشت.
۴۴-Antifriction
علاوه بر مزیتهای فوق، چدنها نسبت به فولادها از خواص ریخت ه گری بهتری برخوردارند، زیرا اولاً درجه
حرارت ذوب و انجماد آنها پائینتر بوده و ثانیاً دامنه حرارتی انجماد آنها محدودتر م ی باشد . به علاوه سیالیت آنها بیشتر
بوده و قالب را بهتر پر م یکنند .
-13-1 قابلیت ماشینکاری
یکی از دیگر از کمیتهای مهم در رابطه با چدنها قابلیت ماشینکاری آنها میباشد . از آنجا که قطعات چدنی
عمدتاً به روش ریختهگری شکل داده میشوند پس از انجماد نیاز به فرآیندهایی نظیر تمیزکاری سطحی ، عملیات
حرارتی و ماشینکاری دارند. ماشینکاری فرآیندی است که به کمک آن قطعات به ابعاد نهایی مورد نظر رسانده میشوند.
نظر به اهمیت دقت ابعادی ، قابلیت ماشینکاری چدنها پارامتری بسیار مهم است . این پارامتر عمدتاً به وسیله عمر ابزار
برش بیان میشود . عمر ابزار برش مدت زمانی است که در سرعت جابجایی ابزار و فشار ثابت ، عمق مشخصی از ابزار
در اثر سایش با سطح قطعه دچار تخریب میشود . در نتیجه دقت ابعادی ، کیفیت سطحی و سرعت فرآیند ماشینکاری
کاهش مییابد . پارامترهای مهم در قابلیت ماشینکاری یک ماده عبارتند از :
- عمر ابزار برش
- کیفیت سطح پرداخت شده و
- توان مصرفی برای ماشینکاری
در مورد چدنها بررسیها نشان دادهاند که هرچه ساختار زمینه از فریت به سمت پرلیت میرود عمر ابزار کاهش و
توان مصرفی برای ماشینکاری افزایش مییابد به نحوی که زمینه فریتی بالاترین و زمینه پرلیتی ظریف یا دارای کاربید
آزاد کمترین قابلیت ماشینکاری را دارد . قابلیت ماشینکاری به سختی و استحکام بسیار وابسته است به طوریکه هرچه
سختی و استحکام بالاتر باشد توانایی ماشینکاری پایینتر است . البته بهتر است این قابلیت از روی ریز ساختار تخمین
زده شود و نه بر پایه اعداد سختی و استحکام (مرجع 1) . این قابلیت همچنین با کاهش ضریب اصطکاک قطعه با ابزار
. ( افزایش می یابد (مرجع 3
-2 عملیات حرارتی چدنها
د ر میان آلیاژهای صنعتی چدنها متنوع ترین خو اص را با ارزانترین قیمت دارا می باشند . استفاده کامل از دامنه
وسیع خواص مزبور مستلزم بررسی دقیق اثرات و نتایج حاصل از اعمال روشهای مختلف عملیات حرارتی بر روی
ساختمان و خواص چدنها میباشد . از جمله اهداف عملیات حرارتی چدنها عبارتند از :
- بر طرف کردن تنشهای داخلی
- بهبود قابلیت ماشینکاری
- افزایش انعطاف پذیری و تافنس ضربه
- افزایش استحکام و مقاومت به سایش
- به عنوان یک مرحله از فرآیند تولید مثلاً برای تهیه چدن مالیبل
روشهای مختلف عملیات حرارتی چدنها و فولا دها ، هم چنین واژه های استفاده شده در مو رد آنها بسیار شبیه به
یکدیگر میباشند . با وجود این پنج اختلاف مهم و اساسی بین آنها وجود دارد که عبارتند از :
-1 در فولادها ،درصد کربن مهمترین عامل تعیین کننده درجه حرارت سخت کردن است،در حالی که در چدنها ، سیلیسیم
عنصر اصلی تعیین کننده محدوده حرارتی فوق می باشد . سیلیسیم محدوده حرارتی بحرانی چدنها را در مقا یسه با
فولادهای پرکربن افزایش می دهد ، از این رو به منظور آستنیته شدن کامل درجه حرارت سخت کردن چدنها باید نسب تاً
بالا و با توجه به درصد کربن زمینه و درصد سیلیسیم انتخاب شود .
-2 چدنها اغلب حاوی مقدار قابل ملاحظه ای منگنز و عناصر آلیاژی دیگر می باشند . درنتیجه از سختی پذیری بالایی
برخوردار بوده ، به نحوی که اغلب به جای کوئنچ کردن در آب ، آنها را در روغن و یا در هوا سرد میکنند .
-3 قطعات ریخته گری اغلب دارای اشکال پیچیده ای بوده که می تواند موج ب مشکلات در عملیات حرارتی آنها شود .
بر خلاف مقاطع نازک و قسمتهای خارجی که سریع گرم می شوند ، مقاطع ضخیم و قسمتهای داخلی به راحتی گرم
نمی شوند . از اینرو سرعت گرم کردن و زمان نگهداری در درجه حرارت سخت کردن باید به نحوی تنظیم شود که
مناسب با شکل پیچیده قطعه باشد .
-4 در ضمن س ریع سرد کردن شکل پیچیده قطعه می تواند منجر به خسارت دیدن آن شود ، بدین صورت که تنشهای
داخلی زیادی در قطعه به وجود آید و یا اینکه حتی قطعه بشکند . به منظور حذف تنشهای داخلی و احتمال ترک
خوردن ، بلافاصله پس از کوئنچ کردن باید عملیات حرارتی تمپر کردن بر روی قطعه انجام گیرد .
-5 در هنگام عملیات حرارتی در کوره های الکتریکی با اتمسفر خنثی نظیر نیتروژن ، اکثر قطعات چدنی قادر هستند که
ا تمسفر محافظ مورد نیاز خود را تامین کنند . با وجود این در کوره های شعله ای ، قطعات چدنی به راحتی اکسیده و یا
دی کربوره می شوند . قطعات چدنی که شدید اً اکس یده شده باشند می توانند مساله آ فرین باشند ، زیرا اکسید تشکیل شده
بر روی چدن معمولاً بسیار چسبنده بوده و موجب سایش و خسارت دیدن ابزارهای برش خواهد شد .
همانگونه که ملاحظه شد سیلیسیم در چدنها اثر قابل ملاحظهای بر روی درجه حرار تهای بحرانی دارد ، این مطلب برای
سرد شدن در شکل زیر نشان داده شده است .
شکل 42 : اثر درصد سیلیسیم بر روی محدوده حرارتی
بحرانی برای چدنهای مالیبل، خاکستری و نشکن در شرایطی
که با سرعتی معادل 5 درجه سانتیگراد بر ساعت سرد شوند .
Fe-C-Si در حقیقت سیلیسیم باعث می شود که انجماد ، ذوب و نحوه سرد و گرم شدن چدنها از سیستم سه تایی
پیروی کند . از این رو استحاله یوتکتوئیدی د ر چدنها به جای یک درجه حرارت ثابت ، در یک محدوده حرارتی انجام
می گیرد . وسعت محدوده حرارتی فوق بستگی به درصد سیلیسیم چدن دارد . در صورتی که منحنیهای شکل 42 به
اندازه 33 درجه سانتیگراد به بالا تغییر مکان داده شوند ، منحنیهای مربوط به گرم کردن چدنها به دست میآید .
علاوه بر سیلیسیم عناصر آلیاژی دیگر نظیر منگنز ، فسفر ، نیکل ، مس و . . . دماهای بحرانی را تغ ییر می دهند .
فسفر و کرم همانند سیلیسیم عمل می کنند ، در حالی که نیکل و منگنز باعث کاهش دماهای بحرانی خواهند شد . در
ادامه اصول کلی و کاربرد روشهای مختلف عملیات حرارتی چدنها مورد بررسی قرار گرفته است .
-1-2 تنشگیری
قطعات چدنی ریخته گری شده با شکلهای نسبتا پیچیده ، معمولا دارای تنشهای داخلی می باشند . گرچه تنشهای
فوق در بیشتر حالات کم بوده و اثرات مخربی ندارند ولی در مواردی نیز می توانند منجر به تاب برداشتن و یا حتی
شکسته شدن قطعه شوند . این امر به ویژه در هنگ ام ماشینکاری قطعات ریخته گری دیده شده است . اگر قسمتهایی از
قطعه که تحت تنش باشند با ماشینکاری حذف شوند ، برای به حالت تعادل در آمدن تنشهای داخلی ، قطعه تغییر شکل
و یا تغییر ابعاد خواهد داد . به طور کلی تنشهای داخلی ناشی از طراحی و یا عملیات مربوط به فر آیند تولید قطعه
خواهد بود و می تواند از یکی از منابع زیر به وجود آید :
-1 شیب حرارتی در داخل قطعه ، که ناشی از اختلاف سرعت سرد شدن سطح و منطقه داخلی آن می باشد .
-2 وجود مقاطع غیر یکنواخت،که منجر به ایجاد شیب حرارتی بین مقاطع نازک ( که سریع سرد می شوند ) و م قاطع
ضخیم (که آهسته سرد میشوند) خواهد شد .
-3 عوامل مکانیکی بازدارنده اتقباضهای حرارتی قطعه در حین انجماد و سرد شدن . به عنوان مثال ، تحت شرایطی که
بعضی از قسمتها به علت شکل خاص قطعه به راحتی منقبض می شوند ولی نواحی دیگر سعی در جلوگیری از انقباض
این قسمتها دارند .
-4 ساچمه زنی سطح در ضمن تمیز کاری آن : تحت شرایط فوق تنشهای فشاری سط حی نه تنها مضر نیستند ، بلکه می -
توانند مفید نیز باشند ، ولی در صورتی که توزیع تنشهای مزبور در قسمتهای مختلف یکسان نباشند ، خطر تاب برداشتن
قطعه وجود دارد .
-5 تنشهای ناشی از عملیات حرارتی یا ماشینکاری قطعه .
در ت نش گیری درجه حرارت و زمان عملیات باید به نحوی انتخاب شود که درعین حالی که تنشهای داخلی به
حد کافی حذف می شوند ، استحکام و سختی بیش از حد کاهش نیابد . قابلیت نر م شدن و یا حذف تنشهای داخلی
چدنه ا در اثر حرارت دیدن ، عمدتا بستگی به ترکیب شیمیایی آنها دارد . ع ناصر آلیاژی به ویژه منگنز ، کرم و مولیبدن ،
استحکام چدن در دماهای بالا را افزایش می دهند . از این رو درجه حرارت تنش گیری برای چدنهای آلیاژی در مقایسه
با چدنها ی غیر آلیاژی به مراتب بالاتر می باشد . در اینجا تذکر این نکته ضروری است که ابعاد قطعه و میزان تنشها ی
داخلی که باید حذف شوند نیز در انتخاب درجه حرارت و زمان تنش گیری موثر میباشد .
-2-2 آنیل کردن
و (A هدف از آنیل کردن چدنها عبارت است از حرارت دادن قطعه در دمایی بالاتر از درجه حرارت بحرانی ( 1
سپس آهسته سرد کردن ( معمولا درکور ه ) به منظور کاهش سختی و استحکام و افز ایش انعطاف پذیری آن . تفاوت
عمده ای که بین نتایج حاصل از آنیل چدنها و فولادها وجود دارد عبارت است از : تجزیه سمنتیت در چدنها ، به نحوی
که ساخ تمان میکروسکوپی آنیل شده آنها می تواند شامل فریت و گرافیت باشد . روشهای مختلفی برای آنیل چدنها
وجود دارد که به ترتیب صفحه بعد هستند .
آنیل کردن در درجه حرارت بالا :
برای این کار قطعات را در دمایی بین 900 تا 950 درجه سانتیگراد حرارت می دهند . در نتیجه کاربید اولیه و
کاربید یوتک تیکی به آستنیت و گرافیت تجزیه می شوند . این تجز یه با مقداری افزایش حجم همراه است . اگر از درجه
حرارت فوق تا زیر دمای یوتکتوئید قطعات به آهستگی ( در کوره ) سرد شوند ، ساختمان نهایی شامل فریت و گرافیت
با حدا قل سختی خواهد بود . عملیات مزبور ، همان عملیات حرارتی مالی بل کردن به منظور تهیه چدن مالیبل فریتی از
چدن سفید می باشد . اگر هدف فقط حذف سمنتیت اولیه از چدن سفید و داشتن زمینه پرلیتی باشد ، پس از پایان آنیل
در درجه حرارت بالا ، قطعات را از کوره خارج کرده و در هوا سرد می کنند . البته سرعت تجزیه کاربیدها بستگی به
( میزان تنش در آنها نیز دارد . کاربیدهایی که در قسمتهای کم تنش قطعه قرار دارند دیرتر تجزیه میشوند . (مرجع 5
لازم به یادآوری است که دمای بالا با مشکلاتی همچون اکسیداسیون ، پوسته دار شدن ، رشد بیش از حد دانه و
درنتیجه تخریب خواص فیزیکی قطعات همراه است . از این رو در انتخاب دمای آستنیته کردن با مح دودیت روبرو
هستیم . همچنین فریتی شدن بیش از حد زمینه اگرچه ماشینکاری ر ا آسان می کند اما موجب افت کیفیت سطحی
(Drag and Tear) قطعات می شود چرا که فریت به علت نرم بودن در هنگام ماشینکاری دچار کشیدگی و پارگی
( میشود و لذا سطح پرداخت شده از کیفیت مناسبی برخوردار نخواهد بود . (مرجع 5
آنیل کردن در درجه حرارت متوسط :
این عملیات محدود می شود به قطعات چدنی که فاقد ک ریستالهای درشت سمنتیت اولیه باشند ، به بیان دیگر
سمنتیت موجود نسبتا کم و به صورت کریستالهای ریز و کاملا پراکنده در ساختار توزیع شده باشد . در این روش
قطعات چدنی را درست بالاتر از درجه حرارت بحرانی ( یعنی بین 820 تا 900 درجه سانتیگراد ) گرم کرده و سپس به
آهستگی سرد می کنند . درجه حرارت آنیل عمدتا بستگی به درصد سیلیسیم دارد ، زیرا افزایش درصد سیلیسیم درجه
حرارت بحرانی را افزایش می دهد . این عملیات برای فری تی کردن کامل زمینه در چدنهای غیر آلیاژی و یا تهیه چدن با
زمینه پرلیتی از آلیاژهایی که دارای مقاد یر متوسطی از کرم ، مولیبدن ، وا نادیوم و یا مقد ار زیادی منگنز باشند استفاده
میشود . در هر یک از حالات فوق باید توجه داشت که چدن نباید دارای سمنتیت آزاد باشد .
آنیل کردن در درجه حرارت پایین :
چدنهایی که فقط شامل سمنتیت در پرلیت باشند را با حرار ت دادن در دمایی درست زیر درجه حرارت بحرانی و
سپس آهسته سرد کردن به نحو موفقیت آمیزی می توان آنیل کرد . در این روش زمینه پرل یتی در اثر نفوذ تدریجی به
مجموعه ای از فریت و گرافیت تبدیل می شود . در واقع در این عملیات تغییر فازی نخ واهیم داشت . در مورد چدنهای
غیر آلیاژی عملیات فوق شامل حرارت دادن قطعات تا درجه حرارتی حدود 730 تا 790 درجه سانتیگراد و سپس
نگهداشتن برای مدتی در حدود یک ساعت برای هر یک اینچ ضخامت و سرد ک ردن آهسته ( تقری باً 50 درجه سانتیگراد
در ساعت) میباشد . سرعت فریتی شدن چدنهای غیر آلیاژی تابعی از درصد سیلیسیم ، درجه حرارت آنیل ، ساختمان و
توزیع گرافیت اولیه میباشد . در این روش چدنهایی که دارای 2 درصد سیلیسیم باشند خیلی سریع فریتی می شوند ، به
نحوی که د ر 760 درجه سانتیگراد و در مدت 20 تا 30 دقیقه تا حدود 90 درصد از پرلیت در مق اطع نازک را به فریت
0 / و گرافیت می توان تبدیل کرد . با وجود این باید توجه داشت که واکنش فوق در حضور عناصر آلیاژی و یا ب یش از 7
درصد منگنز به تاخیر می افتد . گرچه همانگونه که بحث شد د ر این روش می توان ساختمان صد در صد فریتی گرفت ،
ولی از نظر اقتصادی و صرف وقت ، عملیات آنیل در درجه حرارت متوسط مناسبتر میباشد .
آنیل دو مرحلهای :
گرچه نتایج حاصل از روشهای معمولی آنیل کردن کاملا رضایت بخش می باشند ، ولی تحقیقات انجام شده بر
ر وی چدنها با گرافیت کروی نشان داده اند که عملیات آنیل دو مرحله ای در زمان نسبتا کوتاهتری ، نتایج مشابه و یا
0 اینچ ) / 12 م یلیمتر ( 5 / حتی بهتری را میدهد . چگونگی عملیات آنیل دو مرحلهای برای یک نمونه چدنی به ضخامت 5
به صورت زیر میباشد :
- آستنیته کردن برای مدتی در حدود 20 دقیقه در 900 درجه سانتیگراد به منظور انحلال تمامی کاربیدهای آزاد .
- سرد کردن تا 675 درجه سانتیگراد به منظور انجام استحاله آستنیت به پرلیت . سپس گرم کردن مجدد تا 760 درجه
سانتیگراد به منظور تجزیه پرلیت به فریت و گرافیت .
به روش فوق در مدتی در حدود 10 دقیقه ، حدود 90 درصد پرلیت به فریت تبدیل می شود . عملیات به طور شماتیک
در شکل 43 نشان داده شده است .
شکل 43 : آنیل دومرحلهای برای چدن نشکن . درصد پرلیت باقیمانده بر
حسب زمان نگهداری در درجه حرارت مرحله دوم آنیل نشان داده شده است
جدول 7 : عملیات حرارتی توصیه شده برای آنیل چدنهای خاکستری
نوع عملیات آنیل هدف درجه حرارت زمان سرعت سرد شدن
درجه حرارت پایین
(فریتی کردن)
برای تبدیل پرلیت به
فریت درچدنهای
غیرآلیاژی ، برای حصول
حداکثر قابلیت
ماشینکاری
700-760 درجه
سانتیگراد
45 دقیقه برای هر 25
میلیمتر ضخامت مقطع
تا 315 درجه سانتیگراد
در کوره سرد شود ( 55
درجه سانتیگراد بر
ساعت) سپس تا درجه
حرارت اتاق در هوای
آرام سرد شود .
درجه حرارت متوسط
(آنیل کامل)
برای تبدیل پرلیت به
فریت در چدنهایی که
روش قبل برای آنها
کارایی خوبی ندارد .
برای حذف مقادیر کم و
کاملاً پراکنده کاربید آزاد
در چدنهای غیرآلیاژی
815-900 درجه
سانتیگراد
یک ساعت برای هر 25
میلیمتر ضخامت مقطع
تا 315 درجه سانتیگراد
در کوره سرد شده و
سپس تا دمای اتاق در
هوای آرام سرد شود
درجه حرارت بالا
(گرافیتزایی یا آنیل
کامل)
حذف تودههای سمنتیت
آزاد در چدنهای خالدار
یا سفید و تبدیل پرلیت
به فریت برای حصول
حداکثر قابلیت
ماشینکاری
900-950 درجه
سانتیگراد
1 تا 3 ساعت به علاوه 1
ساعت برای هر 25
میلیمتر ضخامت
تا 315 درجه سانتیگراد
در کوره سرد شده و
سپس تا دمای اتاق در
هوا سرد شود
آنیل نرماله کردن
حذف تودههای کاربید
آزاد و ابقاء پرلیت برای
حصول سختی و
استحکام مناسب
870-950 درجه
سانتیگراد
1 تا 3 ساعت به علاوه
یک ساعت برای هر 25
میلیمتر ضخامت
از درجه حرارت آنیل تا
زیر 480 درجه سانتیگراد
در هوا سرد شود
آنیل کردن چدنهای آلیاژی :
همانگو نه که قبلا بحث شد ، وجود یک یا چند عنصر پایدار کننده کاربید نظیر ک رم ، مولیبدن ، وانادیوم ، منگنز
( تا حدودی ) ، نیکل و مس باعث اختلال در امر نرم شدن چد نها در ضمن عملیات حرارتی آنیل می شود . برای غلبه بر
اثر ممانعت کنندگی عناصر فوق قطعات چدنی که شامل مقادیر قابل توجهی از این عناصر باش ند را ، در مقایسه با
چدنهای غیرآلیاژی ، باید در درجه حرارتی بالاتر و برای مدت زمانی طولانیتر آنیل نمود .
از سوی دیگر کربن و سیلیسیم واکنش گرافیت زایی کاربید را تشدید می کنند . از این رو برای مطالعه و مقایسه
روشهای مختلف آنیل بر روی چدنهای مختلف ، باید نقش کربن ، سیلیسیم و عناصر تثبیت کننده کاربید در نظ ر گرفته
شوند . در چدنهای مالیبل ، سرعت آنیل شدن معمولا تو سط نسبت منگنز به گوگرد کنترل می شود . مناسب ترین حالت
1/7 باشد. ( S%)+0/ برای این منظور هنگامی است که درصد منگنز برابر 2
-1-2-2 آنیل کردن چدنهای خاکستری
به جز در مورد تنش گیری ، اکثر عملیات حرارتی که بر روی چدنهای خاکستری انجام می گیرد ، مع مولا به
منظور آنیل کردن آنها میباشد . آنیل چدنهای خاکستری شامل حرارت دادن در دمایی بالا به منظور نرم کردن ، کاهش یا
حذف توده های سمنتیت یوتکتیکی و درنتیجه افزایش قابلیت ماشینکاری آنها می باشد . با وجود این عم لیات حرارتی
آنیل خواص چدنهای خاکستری را کاهش میدهد . به بیان دقیق تر این عملیات باعث کاهش کلاس چدن به یک مرحله
پا یینتر می شود . به عنوان مثال در ثر آنیل کردن ، خواص مک انیکی چدن خاکستری کلاس 40 تا حد خواص مکا نیکی
چدن خاکستری کلاس 30 کاهش می یابد . میزان کاهش خواص بستگی به درجه حرارت آنیل ، زمان نگهداری و
ترکیب شیمیایی چدن دارد . انتخ اب روش مناسب بستگی به خواص مکانیکی نهایی مورد نظر دارد . در شکل 44
ساختمان میکروسکوپی و سختی چدن خ اکستری غیرآلیاژی در شرایط ریخت هگری و پس از عملیات حرارتی آنیل در
درجه حرارت پایین (آنیل فریتی) با یکدیگر مقایسه شدهاند .
شکل 44 : تبدیل ساختار پرلیتی چدن خاکستری آلیاژی به فریت و گرافیت توسط آنیل کردن. سختی پس از ریختهگری 180 برینل . سختی پس
از آنیل کردن به مدت یک ساعت در 760 درجه سانتیگراد 20 برینل . بزرگنمایی 500
از جمله پارامترهای مهم در رابطه با آنیل چدن های خاکستری اثر عناصر آلیاژی بر روی زمان نگهداری در درجه
حرارت عملیات میباشد . عناصر مشخصی نظیر کربن و سیلیسیم تجزیه پرلیت و سمنتیت آزاد در درجه حرارت آنیل را
افزایش می دهند . از این رو ، در صورتی که چدن حاوی مقادیر کافی از عناصر فوق باشد ، زم ان آنیل کردن را می توان
1 به / کاهش داد . نتایج حاصل از مطالعات انجام گرفته بر روی اثر سیلیس یم نشان می دهد که اگر درصد سیلیسیم از 93
2 افزایش یابد ، زمان لازم برای تجزیه کامل پرلیت در 750 درجه سانتیگراد از 45 دقیقه به 10 دقیقه کاهش خواهد /68
یافت .
از سوی دیگر عناصر تثبیت ک ننده کاربید نظیر وانادیوم ، کرم ، منگنز و عناصر تثبیت کننده پرلیت نظیر فسفر ،
نیکل و مس تجزیه پرلیت را به تعو یق می اندازند . درصد افزایش زمان لازم برای تجزیه پرلیت ، ناشی از اضافه کردن
0/1 درصد از هریک از عناصر فوق به ترتیب جدول 8 میباشد .
نوع عنصر درصد افزایش زمان
منگنز 60
نیکل 30
مس 30
کرم 200
فسفر 30
جدول 8
2-2-2 آنیل کردن به منظور تهیه چدن مالیبل (مالیبلایزینگ)
مالیبل کردن در حقیقت همان عملیات حر ارتی آنیل در درجه حرارت بالا می باشد . این عملیات موجب تبدیل
چدن سخت و شکننده سفید به چدن مالیبل (چکشخوار) میشود . اصول عملیات حرارتی مالیبل کردن بر اساس طبیعت
میباشد . Fe-C-Si ناپایدار کاربید آهن در سیستم تعادلی
ساختمان اولیه مورد نیاز برای تهیه چدن مالیبل ، باید شامل پرلیت و کاربید آزاد باشد . به بیان دیگر چدن باید
صد در صد سفید باشد . در صورتی که کربن آزاد و به شکل ورقه ای در ساختمان چدن اولیه وجود داشته باشد ( چدن
خالدار باشد ) ، گرافیتها ی حاصل از تجزیه سمنتیت در مراحل مختلف آنیل ، ترجیها بر روی ورقه های گرافیت موجود
نشسته و در نتیجه عملیات مالیبل کردن به نحو مطلوبی انجام نخواهد گرفت . سیکل عملیات حرارتی مالیبل کردن به
طور شماتیک در شکل 45 نشان داده شده است .
شکل 45 : سیکل عملیات حرارتی جهت تهیه چدن مالیبل
مالیبل کردن شامل سه مرحله میباشد که عبارتند از :
مرحله اول : شامل جوانه زنی گرافیت می باشد . این مرحله عمدتا گرم کردن تا درجه حرارت بالا و شروع نگهد اری در
این درجه حرارت را شامل میشود .
موسوم است ، شامل نگهداری در درجه حرارت بالا یعنی بین (FSG) مرحله دوم : که به اولین مرحله گرافیت زایی
840 تا 980 درجه سانتیگراد می باشد . هدف از این مرحله عبارت است از حذف توده های سمنتیت آزاد از ساختمان
میکروسکوپی چدن سفید .
موسوم است ، شامل سرد کردن آهسته در محدو ده حرارتی (SSG) مرحله سوم : که به دومین مرحله گر افیت زایی
استحاله یوتکتوئیدی می باشد . هدف از این مرحله عبارت است از تشکیل زمینه کاملا فریتی و عاری از هرگونه پرلیت
و یا کاربید .
-3-2 نرماله کردن
هدف از نرماله کردن عبارت است از سرد کردن در هوا از د رجه حرارتی بالاتر از محدوده حرار تی بحرانی .
سرعت سرد شدن قطعات چدنی عاری از ماسه در هوا ، معمولا سریعتر از سرعت سرد شدن آنها در قالب می باشد . به
این ترتیب ساختمان میکروسکوپی نهایی چنین قطعاتی معمولا شامل زمینه پرلیتی ریز بوده و در نتیجه در مقایسه با
قطعات سرد شده در قالب و یا آنیل شده از سختی و استحکام بیشتری برخوردار میباشند .
قطعات چدنی را به سه روش مختلف میتوان نرماله کرد . انتخاب هر یک از روشها بستگی به شرایط موجود دارد .
روش اول : به عنوان عملیات حرارتی کاملا مستقل و به منظور افزایش سختی و استحکام قطعات چد نی که در قالبهای
ماسهای سرد شدهاند ، استفاده میشود .
روش دوم : پس از عملیات آنیل در د ما ی بالا که به منظور حذف توده های سمنتیت آزاد انجام می گیرد ، برای جلوگیری
از تشکیل فریت نرم ، قطعات مورد نظر را در هوا سرد می کنند . در نتیجه ساختمان پرلیتی ریز با سختی و استحکام
نسبتاً بالا به دست میآید .
روش سوم : پس از انجماد ولی قبل از سرد شدن تا درجه حرارت بحرانی ، قطعات را از قالب خارج کرده ، از ماسه
تمیز می کنند و در هوا سرد می نمایند . با توجه به این که سرعت سرد شدن در هوا بیشتر از سرعت سرد شدن در قالب
می باشد ، قطعاتی که به این ترتیب سرد می شوند از سختی و استحکام بالاتری برخوردارند . نکته قابل تو جه این است
که قطعاتی که د ارای شکلهای پیچیده بوده و به این ترتیب سرد شوند نیاز به تنش گیری دارند . به جز در مورد قطعاتی
که دارای شکلهای پیچیده باشند ، سرعت حرارت دادن در عملیات نرماله کردن چدنها ، با توجه به امکانات موجود
انتخاب می شود . در قطعات با شکلهای پیچیده اختلاف زیاد درجه حرارت در قسمتهای مخ تلف که ناشی از گرم کردن
سریع میباشد ، میتواند منجر به تغییر شکل و یا شکست قطعه شود . از ا ین رو در مورد قطعات مزبور سعی می شود از
سرعت سرد کردن نسبتا کم استفاده شود . زمان نگهداری در درجه حرارت نرماله کردن بستگی به ابعاد و حداکثر
ضخامت قطعه داشته و باید در حدی باشد که تمام قسمتهای آن هم دما شود . درجه حرارت نرماله ک ردن بستگی به
ترکیب شیمیایی و عمد تا درصد سیلیسیم دارد . زیرا افزایش درصد سیلیسیم موجب افزایش وسعت محدوده حرارتی
بحرانی خواهد شد . به طور کلی درجه حرارت نرماله کردن باید در حدود 50 درجه سانتیگراد بالاتر از محدوده حرارتی
بحر ا نی انتخاب شود . این محدوده حرارتی برای چدنهای مالیبل 800 الی 830 درجه سانتیگراد ، برای چدنهای
خاکستری با استحکام ز یاد 810 الی 870 درجه سانتیگراد ، برای چدنهای خاکستری با استحکام کم 840 الی 900 درجه
سانتیگراد و برای چدنهای نشکن 870 الی 940 درجه سانتیگراد میباشد .
برای سرد کردن قطعات در عملیات نرماله کردن ، از هوای آرام و یا هوای فشرده استفاده میشود . هر چه قطعات
حجیم تر بوده و یا ضخامت قسمتهای مختلف آن بیشتر باشد ، سرعت سرد کردن نیز باید بیشتر باشد . معمولا قطعات
بزرگ با شکلهای پیچیده ، مناسب برای نر ماله شدن نیستند . از سوی دیگر چد نها ی آلیاژی و چدنهای پرمنگنز را ، که
در محدوده حرارتی استحاله پرلیتی از سختی پذیری بالایی برخوردارند ، با استفاده از سرعتهای سرد شدن آهسته به
راحتی می توان نرماله کرد . همچنین در مقایسه با چدنها ی غیر آلیاژی مقاطع ضخیم تری از این چدنها را می توان نرماله
کرد .
-1-3-2 نرماله کردن چدنهای خاکستری
چدنهای خاکستری را به منظورهای مختلف نظیر افزایش نسبی سختی و استحکام کششی و یا بازگرداندن خواص
ریختگی ، به قطعاتی که تحت عملیاتی نظیر پیشگرم و یا پسگرم در جوشکاری تعمیراتی قرار گرفته باشند ، نرماله می -
کنند . برای این کار قطعه مورد نظر را برای مدتی در حدود یک ساعت برای هر 25 میلیمتر ضخامت در درجه حرارتی
در محدوده 885 تا 925 درجه سانتیگراد نگهداشته و سپس در هوا سرد میکنند .
برای چدنهای آلیاژی هر چه درجه حرارت نرماله کردن بیشتر باشد ، ساختمان حاصل از سختی و استحکام بیشتری
برخوردار خواهد بود . درحالی که برای چدنهای غیر آلیاژی ، استحکام و سخ تی نهایی تقریبا مس تقل از درجه حرارت
نرماله کردن می باشد . درواقع خواص مکانیکی حاصل از نرماله کردن ، تابع عناصر آلیاژی است . نقش عناصر آلیاژی
ریز کردن پرلیت و کاهش فاصله بین لایههای آن میباشد .
-4-2 سخت کردن
عملیات سخت کردن چدنها ، شامل حرارت د ادن در درجه حرارتی بالاتر از محدوده حرارتی بحرانی و س پس
سریع سرد کردن ( کوئنچ کردن ) می باشد . با کوئنچ کردن استحاله نفوذی متوقف شده و به جای پرلیت ، مارتنزیت با
حداکثر سختی و استحکام به دست می آید . برای حذف تنشهای داخلی و در نتیجه جلوگیری از احتمال تاب برد اشتن و
یا ترک خوردن ، قطعات را پس از کوئنچ کردن معمولا بازگشت می دهند . زمان بازگشت معمولا یک ساعت و درجه
حرارت بازگشت بستگی به سختی و استحکام نها یی مورد نظر دارد . در یک سختی یکسان قابلیت ماشینکاری ساختمان
میکروسکوپی حاصل از کوئنچ و تمپر نسبت به ساختمان میکروسکوپی پرلیتی معمولاً بیشتر میباشد .
همانند فولادها قابلیت سخت شدن چدنها را نیز توسط پارامتر سختی پذیری مشخص می کنند . سختی پذیری را می توان
با استفاده از ترکیب شیمیایی و یا به کمک آزمایش جامینی تعیین کرد .
-5-2 تمپر کردن
عملیات تمپر کردن شامل حرارت دادن و نگهداری قطعات سخت و یا نرماله شده در درجه حرارتی زیر محدوده
حرارتی بحرانی و سپس سرد کردن در هوا می باشد . به منظور کاهش تنشهای داخلی ، احتمال تاب برداشتن و یا ترک
خوردن ، همچنین کاهش م یزان آستنیت باقیمانده ، توصیه می شود که قطعات را بلافاصله پس از کوئنچ کردن بازگشت
دهند . حتی در شرایطی که حداکثر سختی مورد نظر باشد ، تمپر کردن در درجه حرارتی بین 150 تا 200 درجه
سانتیگراد مفید میباشد ، در ضمن عملیات فوق اثر چندانی بر روی سختی قطعه نخواهد داشت .
مراجع
1- M.Field & J.F.Kahles , “ Machining Characteristics of Gray Cast Irons “ , A.F.S
Transactions , 1954 .
2- G.K.Turnball & J.F.Wallace , “ Molybdenum Effect on Gray Iron Elevated
Temperatures Properties “ , A.F.S Transactions , 1959 .
3- W.W.Moore & J.O.Lord , “ Gray Cast Iron Machinability : Quantitave Measurements
of Graphite and Pearlite Effects “ , A.F.S Transactions , 1959 .
4- J.F.Janowak & R.B.Gundlach , “ Improved Machinability of High Strength Gray irons
“ , A.F.S Transactions , 1985 .
5- A.W.Demmler, “Annealing Iron Castings for Machinability “ , A.F.S Transactions ,
1954 .
دانلود مقاله نحوه عملکرد ترمز ABS 
تولید قطعات ظریف به روش Photo Chemical Machining 
فایل آماده فوق العاده ماهی برای solid works
دانلود فایل کولیس دیجیتالی برای سالید ورک
دانلود فایل آماده گاز سینجر برای سالید ورک
دانلود فایل آماده پرنده Angry birds
دانلود فایل آماده و فوق العاده برج ایفل پاریس برای سالید
دانلود فایل آماده و بی نظیر اسلحه VZ-58برای سالید ورک 
دانلود طرح های آماده solidworks 
دانلود کتاب طراحی جیگ و فیکسچر
مقاله عیوب قطعات تزریق پلاستیک