شناخت ساختمان چدنها

۱ ) چدن چیست ؟
چدن خاکستری بطور عمده آلیاژی است از آهن و عناصر کربن و سیلیسیم، البته معمولاً عناصر دیگری مانند گوگود و فسفر و منگنز، همچنین برخی عناصر در موارد خاص مانند کرم، مس، نیکل و غیره در آلیاژ چدن می توانند وجود داشته باشند. چدن بخاطر برخی خصوصیات مانند ساده بودن ذوب، سیالیت خوب، نیاز کم به تغذیه، خاصیت تراشکاری عالی، استحکام مناسب و حتی خوب در مورد چدنهای نشکن، در صنعت بسیار داشته و در حال حاضر مقدار تولید چدن در دنیا از تمام آلیاژهای دیگر بیشتر است. گذشته از خصوصیات خوبی که در بالا گفته شد با استفاده از عناصر آلیاژی، خانواده های مختلفی از چدنها بوجود آمده که خواص بسیار مفیدی مثل مقاومت سایشی، مقاومت در مقابل حرارت و اکسیده شدن، مقاومت در برابر اسیدها و مواد خورنده و قطعات زیادی از آنها ساخته می شود.
برعکس ظاهر ساده اش، چدن فلزی است که معماهای زیادی در ساختمان

ش وجود دارد و برای اینکه بتوانیم قطعات مطلوبی از چنین چدن بریزیم باید این فلز را بصورت علمی بشناسیم و بفهمیم که علت واقعی هر پیش آمدی در ساختمان چدن چیست، مثلاً سئوالات زیر را در نظر بگیرید :
– چرا قطعه های بزرگ مغزشان نرم است و موقع تراشکاری خاکه می شوند؟ چگونه می توان قطعه بزرگی ریخت که سفت باشد؟
– چرا سطح قطعه بعضی وقتها الماسه می کند و سفید می شود؟ چگونه می توان جلوی سفید شدن سطح قطعات را گرفت؟
– چرا در بعضی قطعات کشیدگی بوجود می آید؟ چه ترکیبی از چدن بیشتر کشیدگی دارد؟

سئوالات فوق و بسیاری مسائل دیگر را می توان با شناخت علمی چدن بسادگی پاسخ گفت. قدم اول فهم این مطلب است که درون چدن از چه اجزائی تشکیل شده، اگر ما یک قطعه چدنی را بتراشیم همان گونه که همه می دانید سطحی صاف و خاکستری رنگ گاهی تیره تر و گاهی براق تر بدست می آید، یا اگر چدن سفید باشد تراشکاری بعلت سختی زیاد قطعه با اشکال انجام می شود و سطح قطعه خیلی براق و روشن خواهد بود، حال اگر همین سطوح ساده را با سمباده های نرم و بعد نمد کاملاً پولیش کرده و در زیر میکروسکوپ نگاه کنیم اشکال بسیار متنوعی دیده می شود که چشم ما را به دنیای جدیدی می کشاند. دنیای درون چدن، در شکل ۱ و ۲ ساختمان میکروسکوپی دو نوع چدن سفید و خاکستری نشان داده شده است. خوب به این عکس ها نگاه کرده و سعی کنید قسمت های مختلف آنرا کاملاً شناسائی کنید.
۲ ) اجزاء ساختمان چدن از چه جنسی هستند؟

بعد از آشنا شدن اولیه با ساختمان درونی چدن این سؤال پیش می آید که این اجزاء چه هستند وار چه جنسی تشکیل شده اند. اول اینکه در اصطلاح به این اجزاء فاز گفته می شود و منبعد هر جا کلمه فاز بکار رفت منظور یکی از اجزاء ساختمان درونی است. حال اگر مذاب چدن را در نظر بگیریم، می دانید که از آهن، کربن و سیلیسیم تشکیل شده، البته در ریخته گریهائی که از کوره زمینی یا دوار استفاده می کنید، معمولاً شمش را ذوب می کنند و فقط ممکن است کمی سیلیس به آن اضافه کنید ولی در کارخانه هایی که از کوره های

الکتریکی استفاده می شود مذاب چدن را از ذوب کردن قراضه آهن و اضافه کردن و حل کردن گرافیت (کربن) و فروسیلیس (سیلیسیم) در آن بدست می آورند. در حالت مذاب این عناصر کاملاً در هم محلول هستند مثل شکر که در آب حل می شود. ولی آیا بعد از منجمد شدن و سرد شدن باز هم این حلالیت کامل وجود خواهد داشت؟ پاسخ منفی است. مثالی می زنیم : همه می دانید که می توان مقدار زیادی شکر را در آب گگرم حل کرد، حال اگر این آب را سرد کنیم چه اتفاقی می افتد؟ ته آب شکرک می زند یعنی دوباره شکر از آب جدا می شود. در مورد مذاب چدن هینطور است یعنی آهن، کبن و سیلیسیم هم که در مذاب بصورت حل شده هستند بعد از انجماد و سرد شدن از هم جدا می شوند و بصورت فازهای مختلف درمی آیند. فازها معمولاً به سه صورت وجود دارند :

الف ) بصورت جدا شدن کامل : که در آن یک عنصر کاملاً از عناصر دیگر جدا شده و خود به تنهائی فازی را بوجود آورده لست. مثلاً فاز گرافیک که فقط از عنصر کربن تشکیل شده است و در ساختمان میکروسکوپی بصورت رشته های سیاه رنگ دیده می شود. این فاز است که اگر زیاد باشد باعث پوک شدن چدن و خاکه شدنش موقع تراش می شود.
ب ) جدا شدن بصورت ناخالص : در این حالت فاز از یک عنصر خالص تشکیل نشده، بلکه عناصر دیگری نیز بصورت محلول در آن وجود دارند. مثلاً فاز موسوم به فریت که در ساختمان میکروسکوپی به صورت مناطق سفید رنگ معمولاً در اطراف گرافیت ها دیده می شود، از جنس آهن است، ولی نه بصورت کاملاً خالص بلکه مقادیر کمی کربن و سیلیسیم در آن بصورت محلول وجود دارد.

این فاز جنس نرمی داشته و وجود آن سختی چدن را کم می کند.
ج ) ترکیب : عناصر مختلف می توانند با هم ترکیب شده و یک فاز جداگانه بوجود بیاورند. مثلاً فاز موسوم به سمنتیت که خصوصاً در چدنهای سفید بصورت جزایر بی شکل رنگ دیده می شود، ترکیبی استن از آهن و کربن بصورت کاربید آهنC Fe3 ، این ترکیب جنس سختی است و تراشکاری را مشکل می نماید.
غیر از فازهای فوق الذکر اشکال دیگر ساختمانی هم می توان در چدن مشاهده نمود :

پرلیت :
ساختمانی است که بصورت لایه لایه از فازهای فریت نرم و سمنتیت سخت تشکیل شده که به همین دلیل بسیار محکم است و حضور آن در چدن خاکستری باعث افزایش استحکام و سختی چدن می گردد.
استنیت :
فازی است که بلافاصله بعد از انجماد چدن بوجود می آید و در سرد شدن معمولاً به فازهای فریت و یا پرلیست تبدیل می شود. استنیت فاز بسیار نرمی است و به همین دلیل چدن وقتی سرخ است حالت نرمی داشته و براحتی در اثر ضربه قر می شود و ضمناً استنیت خاصیت مغناطیسی نداشته و به وسیله آهنربا جذب نمی شود.
حال که با برخی فازهای مهم در ساختمان درونی چدن آشنا شدیم قدم بعدی این است که ببینیم این فازها در هنگام انجماد و سرد شدن چدن به چه صورت بوجود می آیند.
۳ ) مراحل انجامد چدن

در این قسمت ما انجماد چدن را بصورت خیلی ساده برای دو نوع چدن خاکستری و سفید شرح می دهیم :
الف ) انجماد خاکستری :
وقتی مذاب چدن را در قالب می ریزیم و در آنجا بتدریج سرد می شود فازهای گرافیت و استنیت از مذاب بوجود می آید. و وقتی تمام مذاب به این دو فاز تبدیل شود انجماد پایان یافته است (تقریباً در ۱۱۰۰ درجه سانتی گراد).

ایجاد شدن فازهای کربن و استنیت از مذاب بصورت جوانه زنی و رشد صورت می گیرد یعنی ابتدا در نقاط زیادی از مایع نطفه های کوچکی از فاز جدید بوجود می آمده و سپس این نقطه ها رشد نموده تا تمام مذاب را پر کند. به همین دلیل ساختمان نهائی بصورت دانه دانه خواهد بود. بسته به اینکه سیلیس و کربن چدن کم یا زیاد باشد یکی از دو فاز کربن یا استنیت اول بوجود می آید که این در خواص چدن مؤثر است و بعداً راجع به آن صحبت خواهد شد. بعد از پایان انجماد چدن کاملاً سرخ است، بتدریج که درجه حرارت کاهش می یابد و چدن به حرارتی می رسد که سرخی آن خیلی کم است (حدود ۷۲۰ درجه سانتیگراد)، در این درجه حرارت فاز اسنتیت هم به فازهای دیگری تبدیل نی شود بعنی فریت و گرافیت یا پرلیت یا

مخلوطی از هر دو مطابق شکل. همانگونه که قبلاً ذکر شد فریت فازی نرم . گرافیت هم فازی بدون استحکام (خاکه مانند) است، در نتیجه اگر ساختمان نهائی چدن شامل فریت و گرافیت باشد، جنس چدن خیلی نرم و کم استحکام خواهد بود و موقع تراشکاری کاملاً براده های پودر و خاکه مانند خواهد داشت. ولی اگر ساختمان آن از گرافیت و پرلیت تشکیل شده باشد بخاطر سفت بودن فاز برلیت جنس چدن هم خیلی محکم و استحکام و سختی مناسب همراه با خاصیت تراشکاری خوب را دارا خواهد بود. بعداً خواهیم دید که چگونه می توان ساختمان چدن را بصورت دلخواه بوست آورد.
ب ) مراحل انجماد چدن سفید :

این نیز از نظر مراحل شبیه چدن خاکستری است، با این فرق که بجای گرافیت در چدن سفید، کربن همواره بصورت ترکیب C Fe3 که سمنتینت نام دارد و فاز بسیار سخت ولی ترد و شکننده ای است دیده می شود. انجماد چدن سفید با جوانه زنی و رشد سمنتیت و استنیت از مذاب شروع می شود و در حرارت ۱۱۰۰ درجه سانتی گراد انجماد پایان مییابد. سپس قطعه بتدریج از سرخی می افتد و در حرارت ۷۲۰ درجه سانتی گراد استنیت به نوبه خود به ساختمان پرلیتی تبدیل می شود. چون چدن سفید از فازهای سخت سمنتیت و پرلیت ساخته شده است.

همانطور که می دانیم جنس سختی دارد ولی خیلی شکننده نیز هستو چون کربن در ساختمان چدن سفید بصورت گرافیت آزاد نیست با دست زدن به براده یا سطح قطعه دست سیاه نمی شود. چدن سفید برای تولید قطعات ماشین آلات مناسب نمی باشد ولی موارد خاصی وجود دارد که خانواده چدنهای سفید بیشترین مصرف را دارند مثل قطعات ضد سایش گلوله های آسیاب و رده ها یا غلطک های بورد.
حال این سؤال ممکن است مطرح گردد که در چه حالتی چدن بصورت سفید منجمد می شود و در چه حالت بصورت خاکستری و عوامل مؤثر در ساختمان چدن چه هستند؟ در جواب باید گفت عمده ترین عوامل مؤثر عبارتند از : کربن معادل، سرعت سرد شدن، جوانه زنی و تأثیر عناصر آلیاژی.

۴ ) سرعت سرد شدن
همه ریخته گرها در اثر تجربه دریافته اند که چدن اگر با سرعت زیادی در هنگام انجماد سرد شود ساختمانش سفید می گردد و به قولی الماسه می شود. این مسئله را بخوبی می توان در آزمایشی که به گوه موسوم است مشاهده نمود. همانگونه که در شکل دیده می شود اگر چدن را در یک قالب گوه شکل بریزیم و سپس نمونه را از کمر شکسته و مقطع آن را بررسی کنیم خواهیم دید که درقسمت نوک که نازک است و سرعت سرد شدن زیادی دارد چدن سفید شده و قسمتهای ضخیم تر بصورت چدن خاکستری منجمد شده است. علت این دو را بطور ساده می توان چنین بیان نمود که چون در چدن خاکستری کربن باید از آهن بصورت یک فاز خالص جدا شود و این امر هر چقدر به هنگام انجماد فرصت بیشتری داشته باشد بهتر انجام شده و بالعکس اگر انجماد با سرعت زیاد انجام شود (مثل قسمتهای نازک قطعه یا پوسته سطحی بعضی قطعات یا سطح قعاتی که در قالب فلزی ریخته می شوند)، کربن فرصت نمی یابد که کاملاً جدا شود و بصورت کاربید آهن C Fe3 و فاز سمنتیت منجمد شده و چدن سفید می شود. سرعت سرد شدن تأثیر بسیار زیادی نیز بر تحولات ساختمان چدن در درجه حرارتهای پائین تر دارد.

همانطور که گفته شد فاز استنیت در درجه حرارت های بالا وجود دارد ولی در حرارتهای کمتر از ۷۰۰ درجه سانتی گراد به دو صورت ممکن است تجزیه شود. اگر سرعت سرد کردن آهسته باشد و فرصت کافی برای جدا شدن کربن از آهن داده شود استنیت به دو فاز گرافیت و فریت (که همان آهن است) تبدیل می شود که در این حالت چون هر دو فاز نرم هستند جنس بسیار نرمی بدست خواهد آمد. به همین علت است که قطعات ضخیم و کلفت بار که سرعت سرد شدن آنها کم است معمولاً استحکام و سختی شان پائینتر است، خصوصاً مغز آنها، اگر سرعت سرد شدن زیادتر باشد بصورتی که کربن نتواند از آهن جدا شود، استنیت به پرلیت که فاز محکم و سختی است تبدیل می شود و چدن محکم تری نسبت به حالت قبل بذست خواهد آمد. پس یکی از راههایی که برای بالا بردن استحکام چدن خاکستری وجود دارد سریع سرد شدن آن بعد از پایان انجماد است. برای اینکار بسادگی می توان قطعه را بعد از اینکه منجمد شد، از قالب خارج کرده و اجازه داد تا در هوا سرد شود. البته باید توجه داشت که سریع کردن باعث ایجاد عیوبی مانند ترک خوردن، ترد شدن و قابلیت ماشینکاری کمتر می گردد.

جدول ۱ ) اندازه و ابعاد گوه آزمایشی – سرد شدن چدن
نوع گوه عرض اینچ) ارتفاع (اینچ) زاویه (درجه) طول (اینچ)
۱ ۲۰/۰ ۰۰/۱ ۵/۱۱ ۴
۲ ۴۰/۰ ۲۵/۱ ۱۸ ۴
۳ ۷۵/۰ ۵۰/۱ ۲۸ ۴
۴ ۲۵/۱ ۰۰/۲ ۵/۳۴ ۴

اصولاً کنترل ساختمان چدن از طریق عملیات مختلف حرارت دادن و سرد کردن امکان پذیر است که به آن عملیات حرارتی می گوئیم. مثلاً اگر چدنی بهر دلیلی سفید شد یا لایه از سطح آن الماسه کرد برای نرم کردن و قابل تراش کاری نمودن آن کافیست که قطعه را درون کوره قرار داد تا سرخ شود و بعد از مدتی آنرا خارج نمود تا در هوا سرد شود. اگر بخواهیم قطعه خیلی نرم شود می توان اجازه داد تا در کوره به آرامی سرد شود. زمان حرارت دادن بسته به مقدار سفیدی و اندازه قطعه فرق می کند و بین نیم تا چند ساعت متغیر است.

حرارت دادن چدن سفید باعث می شود تا فاز سفت سمنتیت به فازهای دیگر مثل گرافیت، فریت و پرلیت تجزیه شده و قسمتهای سفید قطعه به چدن خاکستری تبدیل شود. همانطور که شنیده اید چدن مالیبل که یکنوع چدن نشکن است، بدین طریق تهیه می گردد. تبدیل فازهای کاربید و یا پرلیت به گرافیت و فریت در برخی قطعات چدنی در حرارت پائین محیط هم انجام می شود که به آن رویش چدن می گویند، در اثر این عمل بخاطر آزاد شدن فاز گرافیت حجم و ابعاد قطعه بزرگ می شود و در اصطلاح باد می کند. رویش در قطعات دقیق تراشکاری شده موجب بهم خوردن دقت آن است. بهمین دلیل در تولید اینگونه قطعات عناصر آلیاژی خاصی مثل (کرم، منگنز یا مس که جلوی ایجاد گرافیت و رویش چدن را می گیرند) بکار می روند که در مورد خواص آنها بعداً صحبت خواهد شد.

۵ ) کربن معادل = درصد کربن + درصد سیلیسیم :
چدن ریزها به خوبی می دانند که اگر کربن بار مذاب کم شه احتمال سفید شدن و همچنین کشیدگی در قطعه زیاد می شود. معمول است که برای جبران این تقیصه به مذاب چدن فروسیلیس اضافه شود. سیلیسیم می تواند جبران کمبود کربن را نموده و خواص مطلوب را به چدن باز گرداند.
بنابراین می توان گفت که سیلیسیم تأثیری مشابه کربن بر ساختمان و خواص چدن داشته و باید مقدار آن را نیز روی مقدار کربن در نظر گرفت. به همین منظور از روی فرمول زیر کربن معادل را برای چدن حساب می کنید.

یعنی اگر چدنی سه درصد کربن و سه درصد سیلیسیم داشت معادل آن است که = ۴ = ۳ +
چهار درصد کربن داشته باشد. در این حالت گفته می شود کربن معادل چدن برابر چهار است. در زیر ترکیب شیمیایی چند نوع شمش چدن موجود در بازار ایران و کربن معادل محاسبه شده برای هر کدام از آنها داده شده است.

در رابطه با چدنهائی که فسفر زیاد دارند باید در محاسبه کربن معادل درصد فسفر را نیز به درصد سیلیس اضافه نمود، باید توجه داشت که فسفر نیز مانند سیلیسیم در کربن معادل مؤثر است و همچنین منگز که تأثیر منفی دارد. ولی در عمل به دلیل کمبود مقدار فسفر و یا تأثیر بسیار کم منگنز از آنها صرفنظر می شود.
معمولاً به هنگام ذوب شمش چدن مقداری از عناصر کربن و سیلیسیم بعلت سوختن با هئای کوره کم می شود. مقدار این کاهش به زمانی که بار در کوره می ماند بستگی دارد. در حالت معمول کاهش کربن معادل برای ذوب در کوره زمینی حدود ۳/۰ درصد و ذوب در کوره دوار حدود ۶/۰ درصد می باشد.

بهترین خواص ریخته گری چدن از نظر سیالیت زیاد، درجه حرارت ذوب پائین و کشیدگی کم زمانی حاصل می گردد که کربن معادل چدن برابر ۳/۴ درصد باشد که به آن ترکیب یوتکتیک می گوئیم. اگر مقدار کربن معادل بیشتر از ۳/۴ درصد باشد سیالیت مذاب کم شده و کشیدگی در قطعات زیاد می شود و همچنین استحکام چدن بشدت کاهش یافته و چدن پوک می گردد زیرا مقدار فاز گرافیت در ساختمان خیلی زیاد می شود.

جدول ۲ ) ترکیب شیمیایی چند نوع شمش چدن موجود در بازار ایران و کربن معادل محاسبه شده برای هر کدام از آنها.
درصد کربن درصد سیلیسیم درصد منگنز درصد فسفر درصد گوگرد کربن معادل CE
ذوب آهن نوع اول ۴ ۷۶/۲ < 3/1 – 5/0 1 – 1/0 07/0 – ۰۴/۰ به علت تغییر آنالیز محاسبه کربن معادل مقدور نیست
نوع دوم ۴ ۷۵/۲ – ۷۶/۱ ۳/۱ – ۵/۰ ۱ – ۱/۰ ۰۷/۰ – ۰۴/۰
نوع سوم ۴ ۷۵/۱ – ۷۶/۰ ۳/۱ – ۵/۰ ۱ – ۱/۰ ۰۷/۰ – ۰۴/۰
ایرفو ۸/۳ – ۷/۳ ۸/۱ – ۶/۱ ۴/۰ – ۱/۰ ۰۵/۰ – ۰۲/۰ ۰۵/۰ – ۰۲/۰ ۴/۴ ~
کلاچ ۶/۳ – ۴/۳ ۵/۲ – ۳/۲ ۳/۰ – ۱۵/۰ ۴/۰ – ۱/۰ ۰۶/۰ – ۰۳/۰ ۴/۴ ~
پارس متال ۹/۳ – ۶/۳ ۸/۲ – ۵/۲ ۳/۰ – ۲/۰ ۰۵/۰ ~ ۰۵/۰ ~ ۷/۴ ~
شمش روسی ۵/۴ – ۴ ۲/۱ ۱ ۲/۰ ~ ۰۵/۰ ~ ۶/۴ ~
سورل کانادائی ۳/۴ – ۸/۳ ۳/۱ – ۸/۰ ۰۲/۰ > 03/0 ~ 01/0 > 4/4 ~

مقدار کربن معادل هر قدر از ۳/۴ درصد کمتر شود درجه حرارت ذوب افزایش یافته و سیالیت آن کاهش می یابد و ضمناً در ساختمان چدن مقدار فاز پرلیت زیادتر شده و استحکام و سفتی آن بالاتر می رود. از سوئی اگر کربن معادل خیلی کم شود، چدن خالدار یا کاملاً سفید می شود. در این حالت سیالیت مذاب خیلی کم بوده و کشیدگی در قطعات نیز زیاد می شود.
در منحنی های زیر تغییرات فازها و ساختمان داخلی چدن در اثر تغییر درصدهای کربن و سیلیسیم، همچنین تغییرات استحکام و سختی چدن با ضخامت قطعه و کربن معادل آن نشان داده شده است.