تأثیر عناصر آلیاژی بر چدن خاکستری ازجمله نکات بسیار مهم در انتخاب بازه آنالیز دقیق و مطمئن گرید آلیاژی است. بسته به نوع عنصری که در چدن خاکستری وجود دارد یا بعدا به آن اضافه میشود، هنگام انجماد دو اتفاق در چدن میافتد:
- برخی عناصر مانند سیلیسیم، آلومینیوم، تیانیوم، نیکل و مس، گرافیتزا هستند.
- برخی عناصر مثل منگنز، مولیبدن، کروم و وانادیم، به عناصر کاربیدزا مشهور هستند و باعث تشکیل کاربید آهن در چدن میشوند.
میزان تاثیر گرافیتزایی یا کاربیدزایی این عناصر، با هم فرق دارد. افزودن چنین عناصری به چدن خاکستری باعث بهبود سختی پذیری، افزایش یکنواختی ساختمان قطعات سنگین، حفظ استحکام مواد در در حرارت بالا، افزایش مقاوت در برابر خوردگی با آب، بهبود مقاومت به خستگی و در یک کلام، ایجاد خواص مکانیکی مطلوب میشود.
البته لازم است در حین آلیاژسازی و تهیه ذوب داخل کوره، منشا ورودی عناصر مختلف داخل مذاب را بدانیم و برای تنظیم آنالیز در بازه استاندارد مورد نظر، مقادیر محاسبه و کنترل شده از عناصر را در زمان درست به ترکیب شیمیایی مذاب اضافه کنیم. زیرا تاثیر عناصر آلیاژی بر چدن خاکستری، در مقادیر بالا میتواند مخرب باشد و باعث تضعیف خواص مکانیکی شود.
در این مطلب درباره اثرات مثبت و منفی افزودن عناصر آلیاژی به چدن خاکستری صحبت میکنیم. برای آشنایی بیشتر با چدن خاکستری، پیشنهاد میکنیم مقاله چدن خاکستری چیست را هم بخوانید.
ارتباط با کارشناسان متالکست
جهت ارتباط با کارشناسان متالکست برای دریافت مشاوره رایگان، ثبت سفارش قطعه یا استعلام قیمت ریختهگری انواع آلیاژها، فقط کافیست فرم زیر را پر کنید. کارشناسان ما به سرعت با شما تماس خواهند گرفت.
عناصر آلیاژی و تاثیر آن بر چدن خاکستری
تأثیر عناصر آلیاژی بر چدن خاکستری، یکی از مهمترین مباحت ریختهگری است. عناصری نظیر کربن، سیلیس، منگنز و غیره، ازجمله عناصر اصلی چدنها هستند. میزان درست و تنظیمشده آنها، میتواند تاثیر بسزایی بر خواص میکروسکوپی و متالوگرافی نهایی قطعه ریختهگری شده بگذارد. دیگر عناصر آلیاژی نظیر مس، کروم، مولیبدن، نیکل و غیره، میتوانند باعث افزایش قابلتوجه خواص مکانیکی قطعات شوند.
چدن ها را می توان با توجه به توزیع کربن در ریزساختار آنها به چهار نوع اصلی دسته بندی کرد. از آنجا که ترکیب شیمیایی آنها مشابه است، آنها را با تجزیه شیمیایی نمی توان تشخیص داد. این چهار نوع اصلی و متالورژیکی عبارتنداز: چدن سفید، چدن خاکستری، چدن چکشخوار (مالیبل) و چدن نشکن. البته در بعضی تقسیم بندی ها سه گروه دیگر شامل چدن با گرافیت فشرده (Compacted Graphite Iron) ، چدن خالدار (Mottled Iron)، چدن ADI یا داکتیل آستمپر شده (Austempered Ductile Iron)، را هم به این چهار نوع اضافه می کنند. نوع پنجم چدن ها، چدن های پرآلیاژ هستند که می توان به چدن های پرکروم مقاوم به سایش مثل چدن های نایهارد و نوریهارد، چدن های پر نیکل مقاوم به خوردگی مثل چدن های نای رزیست (پُر نیکل) ، چدن های نسوز و مقاوم به خوردگی پر سیلیس و غیره اشاره کرد.
در جدول زیر میتوانید اثرات مثبت و منفی همه عناصر آلیاژی را روی چدن خاکستری مطالعه کنید.
| عنصر آلیاژی | منشا عنصر | مقدار نرمال | تاثیرات مثبت | تاثیرات منفی |
| کربن | رکربورایزهاقراضهآهن اسفنجی | ۲.۵-۴چدن سفید:۱.۸-۳.۶ | عنصر آلیاژی اصلی برای تمامی چدنهاضروری برای تشکیل گرافیت یا کاربیدگرافیتزای قویافزایش چشمگیر قابلیت ریختهگری چدن | گرافیت کیش و خواص مکانیکی ضعیفتر |
| سیلیس | FeSi قراضه آهن اسفنجی | ۱-۳چدن سفید:۰.۵-۱.۹ | تقویتکننده گرافیت و فریتکاهش تمایل به تبریداثر مثبت بر قابلیت ریختهگری و کیفیت مطلوب آنافزایش استحکام ساختار فریت | افت استحکام مکانیکی |
| منگنز | آهن اسفنجی قراضه بریکت و یا کلوخه های FeMn | ۰.۲-۱چدن سفید:۰.۲۵-۰.۸ | بهبود ماشینکاری در ترکیب با سولفورپرلیتزاتقویت خواص مکانیکی | تشکیل سرباره و عیوب حفره گازی MnS |
| فسفر | قراضه آهن اسفنجی فسفریکافزودن FeP | تا ۱ درصدچدن سفید: ۰.۰۶-۰.۲ | افزایش سالیت چدنافزایش مقاومت سایشیتثبیتکننده پرلیت | افزایش سختی و تردی چدنافزایش تمایل به تشکیل میکرو انقباضهاافزایش سایش ابزار به دلیل آخالهای سختتربروز مشکلاتی مثل نفوذ به دلیل افزایش سیالیتتشکیل فریت ویدمنشتاتن در تقابل با گوگردتخریب گرافیت به همراه سرب |
| گوگرد | کک، قراضه آهن اسفنجی کربورایزرها و FeS | ماکزیمم تا ۰.۲۵چدن سفید:۰.۰۶-۰.۲ | تشکیل هستههای گرافیت به همراه منگنز روی استحکام چدن تاثیر میگذارد. | گوگرد تثبیتکننده پرلیت و تقویتکننده کاربید است و منجر به سختی تردی چدن میشود.مقدار مازاد آن منجر به مشکلاتی مانند سرباره و عیوب ناشی از سرباره میشود. |
| منیزیم | منیزیم و آلیاژهای منیزیم (ندولایزرها) | تا ۰.۰۱ | معمولا این عنصر در چدن خاکستری تاثیر مهمی ندارد. جوانهزایی و گردشدن تیغههای گرافیت | گرافیت فشرده یا کروی |
| سریم و لانتانیوم | منیزیم و آلیاژهای منیزیم (ندولایزرها)، جوانه زا | حداکثر ۰.۰۱ | اثر مثبت بر جوانهزایی گرافیت و اصلاح ساختار و خواص مکانیکی | معمولا مقادیر ناکافی آن اثر منفی دارد. |
| PrNd | منیزیم و آلیاژهای آن(ندولایزرها) | حداکثر ۰.۰۰۵ | معمولا در ترکیب چدن خاکستری خیلی اهمیت ندارد. | اثر قابل توجه شناختهشدهای ندارد. |
| مس | وایر و آلیاژهای مسقراضه فولادی | ماکزیمم تا ۱% | معمولاً در چدن خاکستری استفاده میشود.کمک به تشکیل گرافیت تقویتکننده پرلیتکمک به ریزدانه شدن | معمولاً در مقادیر مضر اضافه نمیشود.سورسهای عنصر مس ممکن است حاوی عناصر تریس مضری مانند سرب، قلع، آرسنیک و Te باشند. |
| نیکل | ورقهای نیکلی، قراضه چدنهای تصفی شدهآلیاژ NiMg | حداکثر تا ۰.۵ | تقویتکننده گرافیت و تثبیتکننده انجمادد. ۱% نیکل معادل ۰.۲۵% سیلیسیم است. افزایشدهنده استحکام و سختی و ازدیاد طولدر ترکیب با کرم و مولیبدن مقاومت به خوردگی را بهبود میبخشد.خنثیشدن اثرات منفی کرم ریزدانه شدن | مقادیر زیاد آن در مقاطع نازک منجر به تشکیل فاز بنیت در ساختار میشود. |
| کرم | ورقهای کرمآهن اسفنجی FeCr | حداکثر تا ۰.۵ | سختی بالاتر و مقاومت به سایش بهترکمک به گرافیت توزیعشده ریزتر | تقویت تتشکیل کاربیدهای آهن افزایش تمایل به میکرو انقباض |
| آلومینیوم | قراضه فولاد کشته شده با آلومینیوم جوانه زا و قطعات آلیاژهای سبک | حداکثر تا ۰.۰۳ | برای دستیابی به فرایند جوانه زایی مناسب ضروری است. میتواند در ترکیب با نیتروژن از عیوب گازی مربوط به نیتروژن جلوگیری کند. | حلالیت هیدروژن را افزایش میدهد که میتواند باعث بروز عیوب گازی مرتبط با هیدروژن شود به تشکیل سرباره کمک میکند که در نتیجه به عیوب مرتبط با آن میانجامد. |
| تیتانیوم | آهن اسفنجی برگشتیهای چدنی آلیاژهای پایه تیانیوم FeTi | حداکثر تا ۰.۱۵ | تقویت فریت کاهش تمایل به تبرید ساختار گرافیت را ریز میکندمیتواند در ترکیب با نیتروژن از عیوب گازی مربوط به نیتروژن جلوگیری کند.مقاومت سایشی را بهبود میبخشد. | مقادیر بالاتر تحت تبرید در طول فرایند انجماد به تشکیل نوع گرافیت نادرست میانجامد که باعث افت خواص مکانیکی میشود.منجر به بروز عیوب سرباره ای میشود.میتواند در ترکیب با آلومینیوم عیوب گازی مربوط به آلومینیوم را ایجاد کند.از طریق افزایش تبرید باعث کاهش تعداد سلول ها میشود. |
| وانادیوم | قراضه فولاد ابزارآهن اسفنجیFeV | حداکثر تا ۰.۱ | تقویت کننده پرلیت و کاربیدهای وانادیوم که منجبر به بهبود استحکام، سختی و مقاومت سایشی میشود. | افزایش تمایل به تبریدهمچنین تشکیل کاربیدهای وانادیوم اثر منفی بر قابلیت ماشینکاری دارد. |
| مولیبدن | آهن اسفنجی تصفیه شده آلیاژهای فولادی FeMo | حداکثر تا ۰.۱ | کاربید مولیبدن ایجاد میکند و تاثیر ناچیزی در پرلیتزایی دارد.باعث بهبود استحکام میشود. ۰.۱% مولیبدن باعث افزایش ۴% استحکام میشود.باعث بهبود خواص مکانیکی در دمای بالا و مقاومت سایشی میشود. | تشکیل کاربید مولیبدن قابلیت ماشینکاری را بهشدت ضعیف میکند.باعث جدایش شدید بهویژه در نواحی مرز دانه بین کاربیدها و ساختار میشود.باعث بروز میکرو تخلخل بویژه در ترکیب با کرم و فسفر میشود.مقادیر زیاد آن منجر به تشکیل بینیت در مقاطع نازک میشود. |
| زیرکونیوم | جوانه زا | حداکثر تا ۰.۰۱ | تاثیر مثبت بر جوانه زایی گرافیت و ساختار گرافیت ریزتر | اگر مقادیر بالایی اضافه شود میتواند شکل های گرافیت تحت تبریدی را تقویت کند. |
| Sn | لحیم ها، برنزها قراضه های روکش قلع اندود | حداکثر تا ۰.۱۵ | پرلیتزای قوی و برای دستیابی به ساختار کاملاً پرلیت استفاده میشود.افزایشدهنده استحکام و سختی | تقویتکننده گرافیت نوع D تحت تبریدمقادیر بالای آن به تردی چدن میانجامد. |
| Sb | قراضه فولادی بیرینگها | حداکثر تا ۰.۰۲ | پرلیتزای قوی و برای دستیابی به ساختار کاملاً پرلیت هبویژه در ساختار مغز استفاده میشود. | مقادیر بالای آن منجر به تشکیل اشکال نامناسب گرافیت و افت خواص مکانیکی میشود. |
| نیوبیوم | فولادهای HSLA آلیاژ پایه NbFeNb | حداکثر تا ۰.۵ | اندازه سلول های یوتکتیک، ساختار گرافیت و فاصله لایه های زمینه پرلیت را ریز میکند.جوانهزایی و گرافیتزایی را تقویت میکند. ذرات فوق سخت کاربیدنیوبیوم منجر به افزایش قابل ملاحظه مقاومت به سایش میشود. | تقویتکننده کاربیدهای قوی |
| As | آهن اسفنجی قراضه فولادی | حداکثر تا ۰.۰۵ | پرلیتزای قویبرای دستیابی به ساختار کاملاً پرلیت بویژه در ساختار مغز استفاده میشود. | میتواند به تشکیل اشکال نامناسب گرافیت در مقادیر زیاد منتج شود که تاثیر منفی روی خواص مکانیکی خواهد داشت. |
| روی | قراضه فولادی با پوشش روی | حداکثر تا ۰.۰۵ | تقویتکننده فریت | اطلاعات خاصی در این مورد وجود ندارد. |
| Se | ناشناس | کمتر از ۰.۰۰۱ | اطلاعات خاصی در این مورد وجود ندارد. | اطلاعات خاصی در این مورد وجود ندارد. |
| Te | مس خوش تراش پوششهای داخل قالب | حداکثر تا ۰.۰۰۳ | معمولاً در ترکیب چدن خاکستری استفاده نمیشود.سمنتیت را تقویت میکند. | کنترل عناصر تشکیلدهنده کاربید قوی دشوار است و در صورت امکان باید از آن اجتناب کرد. |
| تنگستن | فولادهای ابزارهای اسپید | حداکثر تا ۰.۰۵ | تقویتکننده پرلیت اما معمولا در چدن خاکستری استفاده نمیشود. | اطلاعات خاصی در این مورد وجود ندارد. |
| سرب | فولاهای خوش تراش لحیم رسوبات موتورهای پترولرنگها | حداکثر تا ۰.۰۰۵ | تقویت کننده پرلیت | با تشکیل گرافیتهای نامناسب مانند گرافیت ویدمنشتاتن در مقاطع ضخیم و یا نوع mesh interconnectedدر مقاطع نازک، باعث تاثیرات مخرب روی خواص مکانیکی میشود. تبرید را نیز افزایش میدهد. |
| بیسموت | جوانهزا پوششهای درون قالبپوششهای ماهیچه | حداکثر تا ۰.۰۱ | اطلاعات خاصی در این مورد وجود ندارد. | کاربیدزا و با تشکیل گرافیتهای نامناسب مانند گرافیت ویدمنشتاتن، باعث تاثیرات مخرب روی خواص مکانیکی می شود. تبرید را نیز افزایش می دهد. |
| کلسیم | آلیاژهای آهن جوانه زا ندولایزرها | حداکثر تا ۰.۰۱ | اثر مثبت بر جوانه زایی گرافیت و securing correct structure و خواص مکانیکی | افزایش تشکیل سرباره و عیوب مرتبط با سرباره |
| باریم | جوانه زا | حداکثر تا ۰.۰۰۳ | اثر مثبت بر جوانه زایی گرافیت، securing correct structure و خواص مکانیکی | افزایش تشکیل سرباره و عیوب مرتبط با سرباره |
| کبالت | فولاد ابزار | حداکثر تا ۰.۰۲ | اطلاعات خاصی در این مورد وجود ندارد. | اطلاعات خاصی در این مورد وجود ندارد. |
| کادمیم | پیچ و مهره های روکش دار | اطلاعات خاصی در این مورد وجود ندارد. | اطلاعات خاصی در این مورد وجود ندارد. | |
| نیتروژن | کک، کربورایزرها چسب ماهیچه قراضه NiFeMn | حداکثر تا ۰.۰۲ | پرلیتزا و افزایش استحکام | افزایش تبریددر مقادیر بالای ۹۵ (ppm) بسته به ضخامت سطح مقطع باعث بروز عیب میشود.علاوه بر این گرافیت فشرده نامناسب را ایجاد میکند. |
| بور | FeB | حداکثر تا ۰.۰۱ | اطلاعات خاصی در این مورد وجود ندارد. | تقویتکننده کاربید، بهویژه در مقاطع نازک و بهویژه در مقادیر کم (B >0.001%) |
| هیدروژن | رطوبت، قراضه روغنی نسوز و ماهیچه مرطوب | ۴ppm> | اطلاعات خاصی در این مورد وجود ندارد. | مک های زیرسطحی و fissures، بهویژه در کنار آلومینیوم یا تیتانیوم باعث ایجاد تخلخل های انقباضی میشود.گرافیتهای درشت ایجاد میکند. |
| اکسیژن | قراضه اکسیدی آهن اسفنجی | ۴-۶ ppm | ضروری برای جوانهزایی گرافیت | در مقادیر خیلی زیاد باعث تخلخلهای گازی و افزایش سرباره میشود. |
چدنها بسته به توزیع کربن در ریزساختارشان به ۴نوع تقسیم میشوند که چدن خاکستری یکی از آنهاست. سایر انواع چدن شامل چدن سفید، چدن چکشخوار و چدن نشکن هستند. شناخت نوع چدن برای انجام صحیح ریختهگری اهمیت زیادی دارد. به همین دلیل پیشنهاد میکنیم قبل از شروع پروژههای ریختهگری خود، برای آشنایی با انواع چدن، مقاله دیگر ما را با عنوان انواع چدن نیز مطالعه کنید.
سفارش خدمات ریختهگری چدن خاکستری به متالکست
متخصصان متالکست آماده هستند تا انواع سفارشهای ریختهگری قطعات حساس و کاربردی را انجام دهند. برای ثبت سفارش خدمات ریختهگری، میتوانید با شماره ۵۵۹۰ ۹۱۰۳ ۰۲۱ تماس بگیرید یا از طریق فرم درخواست در سایت، سفارشتان را ثبت کنید. کارشناسان سایت ما از ساعت ۸ الی ۱۸ آماده پاسخگویی به شما و ثبت سفارش هستند. برای آشنایی بیشتر با خدمات ما در زمینه ریختهگری و چدن، به صفحه خدمات ریخته گری چدن سر بزنید.
جمعبندی
خدمات ریختهگری چدن یکی از پرکاربردترین و پرتقاضاترین خدمات در صنعت است.علت این مسئله نیز کاربرد زیاد چدن در صنعت به دلیل وجود خواص مکانیکی مهمی مثل مقاومت کششی، مقاومت در برابر سایش، شکلپذیری و مقاومت در برابر عوامل محیطی است. (برای آشنایی بیشتر با کاربردهای مختلف و نحوه انجام ریختهگری چدن، مقاله ریخته گری چدن را نیز بخوانید.) اضافهکردن عناصر آلیاژی به چدن خاکستری، باعث بهبود هرچه بیشتر خواص مکانیکی این آلیاژ میشود.
تأثیر عناصر آلیاژی بر چدن خاکستری بسته به نوع عنصر، متفاوت است. برخی عناصر گرافیتزا و برخی دیگر کاربیدزا هستند. ازجمله خواص مطلوب حاصل از افزودن عناصر آلیاژی به چدن خاکستری میتوان به بهبود سختی پذیری، حفظ استحکام مواد در در حرارت بالا، تقویتکننده گرافیت و فریت، کاهش تمایل به تبرید، اثر مثبت بر قابلیت ریختهگری و کیفیت مطلوب آن، افزایش استحکام ساختار فریت، اثر مثبت بر جوانه زایی گرافیت و غیره اشاره کرد.
افزودن مقادیر کنترلنشده یا مازاد عناصر آلیاژی در ریختهگری چدن، باعث بروز اثرات منفی مثل افت استحکام مکانیکی، تشکیل سرباره و عیوب حفره گازی، افزایش سختی و تردی چدن، افزایش تمایل به تشکیل میکرو انقباضها، افزایش سایش ابزار و … میشود. به همین دلیل لازم است مقادیر هر یک از عناصر با توجه به بازه آنالیز و کاربرد فنی قطعه مشخص و معین شود.
منبع: ASM International
سوالات متداول
تاثیر منگنز در چدن خاکستری چیست؟
اثر منگنز در چدن خاکستری، پرلیتزایی، تقویت خواص مکانیکی و بهبود ماشینکاری در ترکیب با سولفور است. افزودن مازاد آن باعث تشکیل سرباره و عیوب حفره گازی MnS میشود.
عناصر گرافیتزا در ترکیب با چدن خاکستری کدام هستند؟
عناصری مثل سیلیسیم، آلومینیوم، تیانیوم، نیکل و مس گرافیتزا هستند.
مهمترین تأثیر عناصر آلیاژی بر چدن خاکستری چیست؟
ازجمله اثرات مهم عناصر آلیاژی بر چدن خاکستری، میتوان به یکنواختی ساختمان قطعات سنگین، حفظ استحکام مواد در در حرارت بالا، افزایش مقاوت در برابر خوردگی با آب، بهبود مقاومت به خستگی و در یک کلام، ایجاد خواص مکانیکی مطلوب اشاره کرد.
