چدن خاکستری

بندانگشتی
آلیاژهایی که بر مبنای آهن کربن است (معمولا کربن آن ۳الی ۳٫۵ درصد است) سیلیسیم نیز معمولا بین ۱٫۸ تا ۲٫۴ تغییر می‌کند. هم کربن هم سیلیسیم روی خواص قطعات چدنی تاثیر شگرفی دارند.
از دیگر عناصر موجود در چدن خاکستری می‌توان به گوگرد، فسفر، منگنز اشاره کرد. هم چنین کربن در چدن خاکستری به صورت گرافیت یا کاربید آهن است. مقدار، اندازه، شکل و پراکندگی کاربید تعیین‌کننده خواص آن مخصوصا خواص مربوط به استحکام است. گرافیت به صورت ورقه‌های ریز یا درشت می‌باشد که دارای خواص ماشین کاری مطلوب،انتقال حرارتی خوب و مقاومتهای متغیر است. مقطع این نوع چدن‌ها خاکستری است و به همین علت به آن‌ها چدن خاکستری گویند.
چدن‌های خاکستری را می‌توان به چند نوع طبقه‌بندی کرد از جمله:
بر اساس درصد عناصر:کم آلیاژ، آلیاژ متوسط و آلیاژ بالا
بر اساس خواص (مانند نسوز، ضد سایش…)
۳-بر اساس ساختارهای کریستالی (مانند فرلیتی، برلیتی…)در استاندار ASTM A48 دسته‌بندی چدن‌های خاکستری غیر آلیاژی بر اساس استجکام کششی صورت گرفته‌است. این استاندارد چدنها از کلاس ۲۰(با حداقل استحکام ۲۰) تا کلاس ۶۰ طبفه بندی می‌شوند. به‌طور کلی با افزایش کلاس از ۲۰ به ۶۰ خواص چدن‌های خاکستری مانند استحکام در دمای بالا، مدول الاستیک، مقاومت سایشی بهبود و خواصی مثل قابلیت ماشین کاری، مقاومت به شوک حرارتی، قابلیت جذب ارتعاش، قابلیت ریخته‌گری مقاطع نازک کاهش می‌یابد. ۳, ۲
خواص چدن‌های با گرافیت لایه‌ای به اندازه، به مقدار و به نحوه توزیع گرافیت‌ها و ساختار زمینه بستگی دارد. خود این‌ها نیز به Si , C و همچنین روی مقادیر جزیی عناصر، افزودنی‌های آلیاژی متغیرهای فرایندی مانند، روش ذوب، عمل جوانه‌زنی و سرعت خنک شدن بستگی پیدا می‌کنند.
شکل گرافیت‌های ورقه‌ای بر اساس مشخصه به پنج کلاس مطابق شکل تقسیم‌بندی شده است:
نوع A توزیع تصادفی گرافیت‌ها با اندازه یکنواخت را نشان می‌دهد. این نوع توزیع برای کاربردهای مکانیکی ارجحیت دارد. جوانه‌زنی در حد بالا سبب تشویق انجماد یوتکتیک نزدیک به گرافیت یوتکتیک تعادلی شده که جهت تشکیل گرافیت نوع A ضروری است. با تغیر از نوع A به D در اثر افزایش فوق تبرید، توزیع ورقه‌ها ظریف‌تر می‌شوند. جوانه‌زنی ناقص ممکن است دلیلی برای این امر بوده و در حالات نهایی نتیجه‌ای به تشکیل چدن تبریدی را به همراه داشته باشد. جوانه‌زنی درست مذاب همراه با پتانسیل گرافیت‌زایی کافی موجب اجتناب از این ساختارهای نامطلوب است.
گرافیت نوع B به شکل گل مانندی تشکیل م‌شود. اندازه سلول یوتکیک به واسطه درجه پایین جوانه‌زنی، بزرگ است. گرافیت‌های ورقه‌ای ریز در مرکز گل به واسطه انجماد یوتکتیکی است که در سرعت تبریدی زیاد شروع می‌شود. پس‌دهی حرارت فلز در اثر سرد شدن موجب پیشبرد رشد یوتکتیک می‌شود که نتیجه‌اش دانه درشد شدن و رشد شعاعی ورقه‌های گرافیت در زمینه است.
ورقه‌های نوع C که در چدن‌های هایپریوتکتیک دیده می‌شود از گرافیت‌های درشت تشکیل می‌گردد. این نوع ممکن است روی اندازه سلول یوتکتیک و توزیع گرافیت یوتکتیک تاثیر بگذارد. همچنین وجود این نوع گرافیت باعث کاهش خواص کششی و حفره‌دار شدن سطح بعد از ماشینکاری است اما از طرفی وقتی انتقال حرارت مهم است می‌تواند مفید باشد.
نوع D گرافیت تبریدی ریزی است که وقتی انجماد در یک فوق تبرید زیادی قرار می‌گیرد تشکیل می‌شود. حضور Ti به تشکیل این نوع ساختار کمک کرده و در چدن‌هایی که سریع سرد می‌شوند وجود مقادیر کافی Si برای اطمینان از پتانسیل گرافیته شدن را بالا می‌برد، اما این شکل مطلوب نیست زیرا برای تشکیل زمینه‌ای کاملا پرلیتی با داشتن مسیر کوتاه نفوذ برای کربن مخل بوده و به تشکیل فریت کمک می‌کند.
نوع E در چدن‌های هیپویوتکتیک قوی با مقدار C.E.V پایین که موجب به وجود آمدن ساختاری از دندریت‌های استنیت اولیه قوی قبل از رفتن به انجماد یوتکتیک است را تشکیل می‌شود. این شکل بین دندریتی با امتداد ترجیحی که دارد از نوع D متمایز می‌شود.
خواص فیزیکی و مکانیکی چدن خاکستری
استحکام فشاری چدن خاکستری 3 الی 4 برابر استحکام کششی آن است لذا برای قطعات تحت فشار از چدن خاکستری استفاده می‌شود. قابلیت جذب ارتعاش در چدن‌ها خاکستری بیشترین مقدار است که به خاطر وجود گرافیت لایه‌ای است و نیز به همین خاطر این چدن‌ها در مقاومت به خستگی تاثیرپذیری کمتری به شیارهای سطحی دارند. این چدن‌ها به علت کربن معادل بالا و گرافیت آزاد لایه‌ای انتقال حرارتی خوبی از خود نشان می‌دهند.
چدن خاکستری دارای ویژگی‌های متعدد و مفیدی بوده و برای ریخته گری در اشکال پیچیده و در ابعاد کوچک و بزرگ هنوز مورد علاقه مهندسان طراح می‌باشد. امروزه، به علت ارزانی و سادگی انجام کار، حدود 75% وزنی تمام قطعات ریختگی از چدن خاکستری است. در این نوع چدن، گرافیت رشته‌ای موجب ایجاد خواص ویژه‌ای مانند؛ تراش‌پذیری عالی در سختی‌هایی که مقاومت سایشی بالاست، مقاومت به خوردگی سایشی با روغنکاری محدود، و قدرت جذب ارتعاش عالی می‌شود. وقتی استحکام فشاری، پایداری ابعاد، و قرار گرفتن دقیق تحت تنش مورد نیاز باشد، چدن خاکستری با فولادهای پر استحکام قابل مقایسه است.
مقدار، اندازه، شکل و پراکندگی گرافیت یا کاربید، مبانی اصلی تعیین‌کننده خواص استحکامی چدن‌های خاکستری می‌باشند و کنترل آن‌ها اهمیت زیادی در تولید چدن خاکستری دارد. ساختار گرافیت در چدن‌های خاکستری ممکن است در اثر تغییرات ذوب، جوانه زایی، سرعت انجماد و تاثیر بعضی از عناصر هر چند جزیی تغییر زیادی پیدا کند. گرافیت می‌تواند به صورت ورقه‌های درشت یا ریز به صورت پراکنده به وجود آید.
اثر ترکیب شیمیایی بر ریزساختار چدن خاکستری
اثر ترکیب شیمایی بر ریزساختار چدن خاکستری (Effect of Composition on Gray Cast Iron Microstructure) مبحث مهمی در بررسی خواص این چدن‌ها می‌باشد. کربن و سیلیسیوم مهم‌ترین عناصر آلیاژی در چدن خاکستری‌اند و بیشترین اثر را بر ریزساختار آن دارند. هر چند تمام عناصر تا اندازه‌ای بر ریزساختار تاثیر می‌گذارند، عناصری که موجب گرافیت زایی (تشکیل گرافیت) می‌شوند پایدارکننده‌های گرافیت نامیده می‌شوند. سیلیسیوم یک گرافیت زای قوی است و از نظر ترکیب شیمیایی مهم‌ترین و تنها عامل گرافیت زایی در چدن خاکستری است. گرافیت زایی فرایندی است که در آن یا کربن آزاد در آهن رسوب می‌کند یا کاربید آهن مطابق با واکنش زیر به آهن و کربن آزاد (گرافیت) تجزیه می‌شود.
اثر کربن و سیلیسوم بر ریزساختار چدن خاکستری
در چدن خاکستری کربن و سیلیسیوم هر دو گرافیت زا هستند و بنابراین با افزایش درصد این عناصر تشکیل چدن خاکستری نسبت به تشکیل چدن سفید ارجحیت می‌یابد (شکل زیر). اگر مقادیر کربن و سیلیسیوم به کمتر از حد بحرانی کاهش یابد چدن سفید تشکیل می*شود. چدن خالدار که مخلوطی از چدن سفید و خاکستری است را می‌توان به عنوان ساختار واسطه‌ای ایجاد کرد.
اثر گوگرد و منگنز بر ریزساختار چدن خاکستری
گوگرد تا اندازه‌ای در تمام چدن‌ها وجود دارد. در چدن نشکن میزان گوگرد باید کم باشد تا با افزودن منیزیم، گرافیت کروی به دست آید. اما، در سایر چدن‌ها، اثر گوگرد را باید با توجه به واکنش آن با منگنز در نظر گرفت.
اگر در چدن‌ها منگنز نباشد، گوگرد با آهن ترکیب و سولفید آهن (FeS) تشکیل می‌دهد که به هنگام انجماد در مرزدانه‌ها جدا می‌شود. وقتی منگنز در چدن وجود دارد، MnS یا ترکیب پیچیده‌ای از سولفید منگنز- آهن تشکیل می‌شود که در تمام مراحل انجماد رسوب می‌کند. در نتیجه، توزیعی تصادفی از ذرات سولفید منگنز گوشه دار به وجود می‌آید تعدادی از ذرات گوشه دار MnS (با شکل هندسی) در شکل زیر آمده‌است. این ذرات تاثیر کمی بر قابلیت ریخته گری و خواص موردنظر چدن‌های خاکستری تجاری دارند.
اثر فسفر بر ریزساختار چدن خاکستری
چدن‌هایی که فسفر کافی دارند، به خصوص چدن‌های خاکستری، می‌توانند یک ترکیب یوتکتیکی آهن با فسفید آهن که استیدیت نامیده می‌شود، تشکیل دهند. استیدیت نقطه ذوب پایینی (954-980°C) دارد، در دماهای نسبتا کم منجمد می‌شود و در مرز سلول‌های انجماد جدا می‌شود. با 0.2%P، که در بیشتر چدن‌های خاکستری وجود دارد، استیدیت در محل اتصال سه سلول انجماد منجمد می‌شود و جزیی مقعر و مثلثی شکل را تشکیل می‌دهد.