اصول ریخته گری چدن خاکستری

با وجود کاهش قابل توجه در تولید چدن‌ها در طول دهه گذشته، چدن‌ها به عنوان مهمترین آلیاژهای ریختگی مورد توجه بوده‌اند. محبوبیت ریشه ای چدن‌ها در ریخته گری اشکال پیچیده با هزینه‌های پایین تولید، قیمت تمام شده نسبتا پایین و محدوده وسیع خصوصیاتی که قابل دسترسی توسط کنترل دقیق ترکیب و سرعت خنک کردن بدون تغییرات بنیانی و اساسی در روش‌های تولید است.

چدن های عمومی (معمولی( :
این چدن ها جزو بزرگترین گروه آلیاژهای ریختگی بوده و بر اساس شکل گرافیت به انواع زیر تقسیم بندی می‌شوند:

چدن با گرافیت لایه ای ( ورقه ای) یا چدن خاکستری؛
چدن سفید؛
چدن با گرافیت برفکی یا چدن مالیبل؛
چدن با گرافیت کروی یا چدن نشکن؛
چدن با گرافیت فشرده؛
چدن خالدار؛
چدن آلیاژی؛
چدن خاکستری (GG) :

مقطع این نوع چدن به رنگ خاکستری است و رایج ترین نوع چدن و از پرکاربرد ترین فلزات ریخته گری محسوب می شود که در آن کربن بصورت لایه هایی از گرافیت در کریستال ها جای می گیرد. وجود گرافیت سبب افزایش قابلیت براده برداری، دمپ کردن ارتعاشات و کاهش ضریب اصطکاک می شود. چدن خاکستری در مقابل فشار و فرسودگی مقاوم است ولی قابلیت چکش خواری ندارد. قابلیت ریخته گری آن بالاست و دمای ذوب آن 1250 درجه سانتیگراد است. مقاومت چدن بستگی به گرافیت آن دارد که از فرمول کربن معادل یعنی CE=%C+ 1/3(%Si+ %P) می توان محاسبه نمود.

در این نوع چدن سه پارامتر زیر بر روی خواص تاثیر می گذارد:
1) شکل گرافیت؛       2)نحوه توزیع گرافیتها؛        3)اندازه گرافیتها؛

و سه عامل زیر تعیین کننده سه پارامتر قبل می باشد:

1)تلقیح چدن( جوانه زایی)؛      2)سرعت سرد کردن؛        3)ترکیب شیمیایی؛

 

ویژگی های چدن خاکستری:

این نوع چدن سختی و استحکام بالایی دارد و دارای قابلیت ماشین کاری خوب است و همچنین خاصیت الاستیک و جذب ارتعاش بالایی دارد.
معمولا استحکام و سختی این نوع آلیاژها بستگی به ترکیب شیمیایی آنها دارد. معمولا چدن های هیپو دارای استحکام و سختی پایین تری هستند و از مقاومت به ضربه بالاتری برخوردارهستند اما چدن های هیپردارای گرافیتهای درشت و غیر یکنواخت و دارای سختی بیشتری هستند.

مشخصات آنالیزى و كيفى محصول چدن خاکستری:

 

Product: Gray Cast-Iron Ingot

Specification:   

 C = 4-4.2 %

Si = 1_1.2 %

M n = 0.3_0.5 % max

 P = 0.06 % max

S = 0.1 % max

Cr = 0.02 % max

S n=   0.01 % max


روش تولید قطعات با چدن خاکستری : 
1) تولید قطعات در قالب های ماسه ای تر :

در ریخته گری چدن های خاکستری بهترین و عمومی ترین روش ریخته گری در قالب های ماسه ای تر می باشد که در این روش مخلوط قالب گیری شامل ماسه، چسب و مواد سلولزی (آرد حبوبات و پودر زغال سنگ می باشد. ( در ریخته گری قطعات کوچک، پودر زغال استفاده شده بین 6 تا 3 درصد باشد همچنین در تولید قطعات بزرگ از 6 الی 7 درصد پودر زغال استفاده می شود که این امر باعث کاهش ماسه سوزی و همچنین افزایش دیرگدازی و افزایش کیفیت سطحی قطعه می شود و نیز مانع از انبساط ماسه در فرآیند ذوب ریزی خواهد شد. 
2) روش ماسه ای خشک :

این روش نسبت به ماسه ای تر دارای دقت و کیفیت بالاتری می باشد همچنین مک و حفرات گازی در این روش کمتر به وجود می آید . در این روش سطح داخلی قالب بین 1 تا 12 میلیمتر خشک باید شود . 
3) روش  :CO2

در این روش از ماسه سیلیسی استفاده می شود و چسب مورد استفاده در این روش چسب سیلیکات سدیم می باشد که این چسب با دمش گاز CO2 ایجاد سیلیس کرده که این روش موجب چسبیدن ذرات ماسه به هم می شود . این روش دارای دقت ابعادی بالاتر و تراشکاری کمتر و عدم نیاز به درجه در مرحله ریخته گری می باشد . 
Na2SiO3+CO2=NaCO3+SiO2

انواع فازهای موجود در چدن خاکستری:

1) فاز فریت: 
این فاز وقتی به وجود می آید که سرعت سرد کردن آهسته باشد و درصد si بالا باشد و عموما در چدن های هیپر به دلیل آنکه کربن گرافیت زا بوده و باعث تجزیه سمنتیت به کربن و گرافیت می شود به وجود می آید.

2) فاز پرلیت : 
این فاز هنگامی به وجود می آید که سرعت سرد کردن بالا باشد و درصد si کم باشد و عموما در چدن های هیپو به وجود می آید.

3) کاربید آهن( سمنتیت ): 
این فاز وقتی به وجود می آید که سرعت سرد کردن بالا باشد به نحوی که سمنتیت فرصت تجزیه شدن را پیدا نکند این فاز باعث کاهش خاصیت ماشین کاری شده و مقاومت به ضربه را نیز کاهش می دهد اما مقاوت به سایش و سختی را افزایش می دهد.

4) فاز استدیت: 
این فاز در چدن ها هنگامی به وجود می آید که درصد فسفر زیاد باشد در واقع فاز استدیت، یوتکتیک سه تایی آهن - فسفر - فسفید آهن می باشد که تشکیل یک یوتکتیک سه تایی را داده که به آن فسفید استدیت گفته می شود.
این فاز دارای نقطه ذوب پایینی در حدود 940 تا 980 درجه سانتی گراد است و لذا جزء آخرین اجزایی است که در مذاب منجمد می شود.
به همین دلیل است که این فاز همیشه در مرز دانه ها تجمع می کند و باعث کاهش خواص مکانیکی می شود لذا هرچه توزیع استدیت یکنواخت تر شود خواص مکانیکی بهتر می شود که معمولا توزیع استدیت و یکنواخت سازی آن از طریق عملیلت حرارتی انجام می شود که این عملیات باعث افزایش قابلیت ماشین کاری قطعه می شود.

* گرافیت:
گرافیت بر اساس استاندار ASTMبه 5 نوع A - B - C - D - E تقسیم می شود:

1) گرافیت نوع A :
گرافیتهای نوع A گرافیتهای رشته ای و کشیده ای هستند که در متالوگرافی قبل از اچ کاری دیده می شود و هنگامی به وجود می آید که سرعت سرد کردن پایین و عملیات تلقیح به خوبی انجام شده باشد.
این گرافیت بهترین نوع گرافیت در چدن خاکستری بوده و در میان گرافیت ها بیشترین قابلیت جذب ارتعاش رو دارد.

2) گرافیت نوع  B( گرافیت گل رزی ):
در مرکز این گرافیت گرافیت های ریزی وجود دارد که به صورت دایره ای شکل رشد کرده اند و هر چه به سمت بیرون حرکت کرده اند کشیده گی این گرافیت بیشتر می شود تا در نهایت به گرافیت نوع Aختم می شود .
این گرافیت هنگامی به وجود می آید که سرعت سرد کردن بالا باشد و عملیات تلقیح به خوبی انجام نشده باشد . این گرافیت باعث ایجاد خواص نامطلوب و کاهش خواص مکانیکی می گردد .

3) گرافیت نوع C (گرافیت نوع کیش): 
این نوع گرافیت در چدن های هیپر به وجود می آید . و در واقع گرافیت کیش کربنی است که از مذاب جدا شده و بر اثر تجزیه سمنتیت به وجود می آید . و مقاطع درشت به صورت درشت و مقاطع نازک به صورت ستاره ای شکل دیده می شود این نوع گرافیت باعث کاهش خواص مکانیکی شده و کمترین خواص مکانیکی را در بین گرافیت ها دارد اما دارای بیشترین خواص فیزیکی در بین گرافیت ها می باشد . مانند خواص حرارتی و رسانایی خوب.

4) گرافیت نوع  D:
شکل وابعاد این نوع گرافیت ریز می باشد و خواص چدن را تضعیف می کند و هنگامی به وجود می آید که سرعت سرد کردن زیاد باشد و تلقیح مناسب نباشد و میزان گوگرد کم باشد .

5) گرافیت نوع  E:
این نوع گرافیت به شکل دندریت می باشد و در لابه لای شبکه های دندریتی رشد می کند و مشابه گرافیت نوع D بوده اما دارای ابعاد درشت تری نسبت به نوع D است.
معمولا در شبکه های استنیتی رسوب می کند و هنگامی به وجود می آید که سرعت سرد کردن بالا بوده و تلقیح به خوبی صورت نگیرد .

انقباض در چدن خاکستری:

چدن خاکستری، برای قطعات کمتر از 100 میلیمتر                   1%
چدن خاکستری، برای قطعات بین 100 تا 1000 میلیمتر           0.8%
چدن خاکستری،  برای قطعات بزرگتر از 1000 میلیمتر               0.7%

تاثیر عناصر مختلف بر چدن خاکستری:

1_ هیدروژن:

که از اتمسفر محیط و رطوبت موجود در محفظه قالب وارد مذاب می شود .      و باعث ایجاد مک و حفرات گازی در درون قطعه می گردد . و با افزایش درصد آلومینیم در مذاب چدن میزان انحلال هیدروژن افزایش پیدا می کند . 
هیدروژن باعث تشدید تشکیل کاربید شده و عمق سفیدی را در چدن افزایش می دهد که این عمق باعث می شود که مقاومت به ضربه چدن کاهش پیدا کرده و هزینه تراشکاری افزایش پیدا کند . که برای از بین بردن سفیدی در چدن ها می توان با تلقیح مناسب و یا جلوگیری از عوامل کاربیدی این عمق را کاهش داد .

2_ ازت (نیتروژن):
این عنصر از اتمسفر محیط وارد قطعه شده و در میزان کم باعث فشرده شدن گرافیت می شود و همچنین باعث افزایش خواص مکانیکی و مقاومت به ضربه می شود اما در مقادیر زیاد باعث تشکیل حفرات گازی می شود که این عامل باعث افزایش عیوب شکافی مانند می شود که موجب کاهش خواص مکانیکی می شود که برای کاهش خواص ازت می توان با افزودن تیتانیم به مذاب خود تاثیرات آن را خنثی و یا کم کرد و همچنین آلومینیم نیز تاثیر نیتروژن را کاهش می دهد اما به علت آن که میزان انحلال هیدروژن را افزایش می دهد در مذاب کمتر استفاده می شود .میزان ازت موجود در مذاب اگر از 85 00/0% بیشتر شود برای مذاب و قطعه مضر می باشد که معمولا میزان ازت را در مذاب چدن 004/0% الی 015/0% در نظر می گیرند.
3_ آلومینیوم:

این عنصر که از طریق قراضه های فولادی وارد مذاب می شود باعث افزایش قابلیت انحلال هیدروژن در مذاب شده که افزایش هیدروژن نیز باعث افزایش مک و حفرات در سطح قطعه می شود منشا آلومینیم در مذاب می تواند فولاد های مصرفی در تهیه مذاب و یا شارژ و همچنین قراضه های فولادی باشد و همچنین عناصر تلقیحی مانند فروسیلیس تا حدود یک درصد آلومینیم در خود دارند . میزان آلومینیم بیش از 004/0% در مذاب چدن مضر می باشد .

4_ سرب :

این عنصر مضر بوده و مخرب گرافیت می باشد و همچنین باعث پوک شدن گرافیت های موجود در مذاب چدن می شود این عنصر از طریق رنگ هایی که روی سطح قراضه ها وجود دارد و همچنین قراضه های فولادی و قراضه های اتومبیل وارد مذاب چدن می شود و در چدن ها باعث کاهش شدید مقاومت به ضربه می شود.

5_ گوگرد:

این عنصر کاربید زای بسیار قوی ای می باشد که اثر خود را در چدن های خاکستری با منگنز خنثی می کند 
فرمول تعیین میزان منگنز مصرفی:      M n=1/7% S+ 0/3
منشا وجود گوگرد در چدن ها سوخت های فسیلی می باشد که از جمله آن ها می توان به ترتیب اولویت موارد زیر را نام برد . 
زغال سنگ ، کک ، گاز و سوخت های مایع فسیلی .

6_ سیلیسیم:

این عنصر پس از کربن یکی از قوی ترین عناصر گرافیت زا محسوب می شودکه بیشترین حد سیلیسیم در مذاب چدن خاکستری حد اکثر 3 در صد می باشد که با آهن تشکیل Fe3Si میدهد.

 

7_ نیکل:

این عنصر گرافیت زا بوده و تاثیر آن در مذاب چدن نصف تاثیر سیلیسیم می باشد نیکل باعث افزایش استحکام ، سختی و خواص مکانیکی می شود و همچنین باعث افزایش وزن مخصوص چدن می شود که یک عامل پرلیت زا می باشد که باعث ایجاد پرلیت ریز درچدن خاکستری می شود نیکل معمولا به همراه عنصر کرم استفاده می شود .

8_ مس:

مس مانند نیکل جزو عناصر گرافیت زا بوده و باعث ایجاد پرلیت ریز در چدن می شود و تاثیر آن تاثیر سیلیسیم می باشد.

9_کرم :
این عنصر یک کاربید زا قوی می باشد که در چدن ها باعث افزایش سختی و مقاومت به سایش می شود که در مذاب چدن خاکستری در مقادیر حدود 1 تا 5/1 درصد با نیکل استفاده می شود .

10_ مولیبدن:

مولیبدن باعث کاهش سرعت تبدیل آستنیت به پرلیت می شود لذا باعث ریز شدن اندازه پرلیت ها می شود و همچنین باعث افزایش استحکام چدن       می شود.

11_ بر، بیسموت، تلریم:

هر سه عنصر کاربید زا بوده و باعث به وجود آمدن گرافیت های نوع D می شود و همچنین با افزایش مواد تلقیحی جوانه زا می شود که سدیم می تواند تاثیر این عناصر را کاهش دهد. میزان مجاز بر درمذاب چدن 01/0 درصد تا 05/0 درصد می باشد و میزان مجاز بیسموت در مذاب چدن حداکثر 1% و میزان مجاز تلریم در مذاب چدن حداکثر 005/0 درصد می باشد.

12_ قلع :

این عنصر مشابه مس بوده و پرلیت زایی قوی می باشد و همچنین باعث ایجاد پرلیت ریز می شود . در گذشته برای جلوگیری از تلفات مذاب قلع را در پاتیل تا یک 0.1 % به مذاب اضافه می شود که این مقدار باعث افزایش خواص مکانیکی چدن می شود این عنصر دارای نقطه ذوب 450 درجه سانتیگراد بوده و عموما به صورت شمش های 15 الی 20 گرمی استفاده می شود.

13_تیتانیم:

این عنصر مانع از انحلال اکسیژن و نیتروژن درمذاب چدن می شود همچنین باعث توزیع یکنواخت گرافیت و افزایش خواص مکانیکی در چدن ها می شود .

14_ وانادیم :
این عنصر باعث یکنواختی توزیع گرافیت و همچنین پایداری فاز سمنتیت در چدن ها می شود این عنصر باعث افزایش خواص مکانیکی شده و عاملی است کاربید زا است که تا حدود 1% به مذاب چدن اضافه می شود.

15_ منگنز :

این عنصر جزو عناصر کاربید زا بوده و تاثیر منفی گوگرد را کاهش می دهد که این واکنش شیمیایی به صورت زیر نمایش داده می شود:

Fe S+ Ma = Ma S

درجه حرارت ذوب این فلز 1200 تا 980 درجه سانتیگراد است که سولفید منگنز در این دما به صورت فازی در داخل دانه ها رسوب می کند این فاز خواص مکانیکی را افزایش داده و در بعضی مواقع از طریق سرباره خارج می شود منگنز باعث افزایش مقدار کاربید شده که این امر موجب افزایش سختی و مقاومت به ضربه آلیاژ می شود این عنصر تا حدود یک درصد به مذاب اضافه می شود .