- شرکت فایماکو

این نوع چدنها بیشترین مقدار تولید را در بین انواع چدنها دارا بوده و تولید آن به تنهای چند برابر دیگر انواع فلزات ریختگی است. نام این نوع چدنها از رنگ خاکستری مقطع شکست آن که خود بدلیل حضور گرافیت ورقه ای می باشد گرفته شده است. عموما در چدنهای خاکستری کربن به دو شکل آزاد (گرافیت) و سمنتیت (بصورت جزئی از فاز پرلیت) وجود دارد. خواص چدنهای خاکستری بمقدار گرافیت، پرلیت و هم چنین به شکل و اندازه گرافیت ها بستگی دارد. از آنجایی که گرافیت عنصری نرم و ضعیف است لذا حضور آن در چدن خاکستری باعث ضعیف شدن زمینه فلزی می گردد. هنگام اعمال نیرو به قطعه گرافیت بصورت شیارهایی عمل کرده و اشاعه و انتشار ترک در قطعات چدن خاکستری را تسهیل می نماید.

وجود کربن در چدن استحکام کششی، حد الاستیسیته، مدول الاستیسیته، قابلیت چکش خواری و مقاومت به ضربه آهن را کاهش می دهد. برای کاهش این خاصیت نامطلوب بایستی از مقدار گرافیت ها در قطعه کاسته شود. درحالت کلی چدنهای خاکستری دارای خواص مکانیکی نسبتا خوب و قابلیت ماشینکاری عالی، مقاومت مطلوب در برابر سایش و قابلیت بالای جذب ارتعاش هستند. یکی از مهمترین مشخصه های این نوع چدنها خواص عالی آنها در ساخت قطعات پیچیده نظیر قطعات مصرفی در صنایع ماشین سازی، اتومبیل سازی، تراکتورسازی و صنایع سنگین می باشد از آنجایی که اکثر قطعات چدنی، چدن خاکستری هستند لذا در بیشتر موارد اصطلاح چدنها به انواع چدنهای خاکستری گفته می شود.

ترکیب شیمیایی چدنهای خاکستری

ترکیب شیمیایی انواع چدن های غیر آلیاژی شباهت بسیاری با هم دارند و نمی توان از ترکیب شیمیایی چدن ها به گرید آلیاژی آن ها پی برد. به همین دلیل، آنالیز عنصری چدن های غیر آلیاژی در استانداردها ذکر نمی شود و گواهی ترکیب شیمیایی آن ها نیز اهمیت چندانی در بین گواهی های مواد ندارد. ویژگی های این نوع چدن متاثر از ابعاد، مقدار، توزيع گرافيت و سختي نسبي فلز زمينه در پيرامون گرافيت می باشد.

آنالیز شیمیایی انواع چدن ها

نوع چدن	کربن %	سیلیسیم %	منگنز %	گوگرد %	فسفر%
چدن خاکستری	2.5-4.0	1.0-3.0	0.2-1.0	0.02-0.25	0.02-1
چدن سفید	1.8-3.6	0.5-1.9	0.25-0.8	0.06-0.2	0.06-0.2
چدن داکتیل	3.0-4.0	1.8-2.8	0.1-1.0	0.01-0.03	0.01-0.1
چدن مالیبل	2.0-2.9	0.9-1.9	0.15-1.2	0.02-0.2	0.02-0.2
چدن با گرافیت فشرده	2.5-4.0	1.0-3.0	0.2-1	0.01-0.03	0.01-0.1

ویژگی های چدن خاکستری

• عمل براده برداری در این نوع از چدنها به علت وجود گرافیت ها بسیار آسان است.
• این چدن ها  مستهلک کننده ارتعاشات و صدا می باشند.
• به علت وجود گرافیت در این چدنها، این دسته از چدنها خود روانکار هستند.
•  قابلیت جوشکاری این چدنها پایین است.
• در مقاطع بزرگ که عمل خنک کردن به آهستگی صورت بگیرد گرافیتها درشت می شوند و استحکام کاهش می یابد.
•  استحکام فشاری چدنها در حدود سه برابر استحکام کششی آن است.

انواع چدنهای خاکستری ورقه ای یا لایه ای

رایج‌ترین طبقه بندی برای چدن خاکستری با گرافیت ورقه‌ای بر اساس  ASTM  A48 می باشد. چدنهای خاکستری را بنا به  حداقل استحکام کششی آنها تقسیم بندی می کنند. بعنوان مثال، چدن خاکستری گروه ۲۰ دارای حداقل مقاومت کششی ۲۰۰۰۰ psi (140 مگاپاسکال) است. گروه ۲۰ این چدن، دارای کربن معادل بالا و زمینه فریتی است. چدن‌های خاکستری ورقه‌ای یا لایه‌ای با استحکام بالاتر، تا گروه ۴۰، دارای کربن معادل پایین‌تر و زمینه ی پرلیتی هستند. چدن‌های خاکستری با گروه‌ بالاتر از ۴۰، به آلیاژ سازی نیاز دارند تا استحکام بخشی در آن‌ها از طریق محلول جامد (Solid solution strengthening) فراهم شود، از عملیات حرارتی نیز برای اصلاح زمینه استفاده می‌شود. گروه ۸۰ بالاترین گروه موجود است؛ این گروه بسیار شکننده است. از ASTM A247 معمولا برای توصیف ساختار گرافیتی استفاده می‌شود. سایر استانداردهای ASTM که با چدن خاکستری سر و کار دارند شامل ASTM A126 ، ASTM A278 و ASTM A319 هستند. در صنعت خودرو، از استاندارد بین‌المللی (SAE) SAE J431 برای تعیین گریدهای چدنهای خاکستری ورقه ای یا لایه ای (به جای گروه‌های ذکر شده در بالا) استفاده می‌شود. این گریدها مقیاسی از نسبت استحکام کششی به سختی برینل را نشان می‌دهند. تغییر مدول کششی الاستیک گریدهای مختلف چدن خاکستری، بازتابی از درصد گرافیت در ماده است.

تاثیر سیلیسیم و نرخ انجماد در گرافیت سازی

وجود سیلیسیم ، برخلاف چدن سفید، برای ساخت چدنهای خاکستری ورقه ای یا لایه ای ضروری است؛ زیرا سیلیسیم یک عنصر تثبیت کننده گرافیت در چدن است، به این معنی که به آلیاژ کمک می‌کند تا به جای کاربید آهن، گرافیت تولید کند. محتوای ۳ درصد از سیلیسیم هیچ کربنی را به صورت کاربید آهن باقی نمی‌گذارد. یکی دیگر از فاکتورهای گرافیت سازی نرخ انجماد است. هرچه سرعت انجماد کندتر باشد، زمان بیشتری برای نفوذ کربن و تجمع آن در گرافیت وجود دارد. سرعت سرمایش متوسط در چدن‌های خاکستری ورقه‌ای یا لایه‌ای، یک زمینه با میزان پرلیت بیشتری را تولید می‌کند؛ در حالی که نرخ سرمایش سریع‌تر منجر به تولید سمنتیت  بیشتری در زمینه می شود. یک فرآیند سرمایش سریع، به طور کامل (یا تا حدی) گرافیت سازی را سرکوب می‌کند و منجر به تشکیل سمنتیت می‌شود (فرآیند تولید چدن سفید)

نقش گرافیت در خواص چدنهای خاکستری

گرافیت‌های چدن خاکستری به شکل یک پوسته سه بعدی در می‌آیند و در دو بعد (در یک سطح پولیش شده) ورق‌های گرافیت به صورت خطوط ظریف ظاهر می‌شوند. گرافیت استحکام قابل ملاحظه‌ای ندارد، بنابراین می‌توان آن را بعنوان فضای خالی  Voids در نظر گرفت. سر یا نوک ورق‌ها بعنوان شکاف‌های از قبل بوجود آمده عمل می‌کنند و تنش‌ها در این مکان‌ها متمرکز می‌شوند؛ به همین دلیل چدن‌های خاکستری ورقه‌ای یا لایه‌ای رفتاری ترد و شکننده دارند. وجود ورق‌های گرافیت باعث می‌شود که چدن خاکستری قابلیت ماشینکاری بالایی داشته باشد (گرافیت بعنوان روانساز). وجود گرافیت در این چدن‌ها همچنین باعث افزایش ظرفیت میرایی یا قابلیت جذب ارتعاشات در آن‌ها می‌شود.

خواص مکانیکی چدنهای خاکستری

خواص مکانیکی چدنهای خاکستری به دو عامل بستگی دارد:

1- نوع زمینه چدن (فریتی- پرلیتی – آستنیتی و …)

2- گرافیت های توزیع شده روی ساختار

اندازه و شکل گرافیت در چدن به میزان جوانه ها موجود در مذاب، سرعت سرد کردن مذاب و قطعه و ترکیب شیمیایی چدن بستگی دارد هرچه قدر مقدار جوانه های موجود در مذاب چدن بیشتر باشد مقدار گرافیت بوجود آمده بیشتر شده قطعات با خواص مکانیکی بهتر تولید می گردند این منظور با اضافه کردن مواد تلقیحی به مذاب چدن (لحظه ای قبل از ریختن مذاب بداخل قالب) تامین می گردد. از مهمترین مواد تلقیحی می توان از فرو سیلیسیم و کلسیم سیلیساید نام برد.

سیلیسیم حد حلالیت کربن در مذاب و آهن جامد را کاهش می دهد و لذا گرافیت زایی در چدن را ترغیب می کند. با افزایش مقدار گرافیت در چدن خواص مکانیکی قطعات ریختگی تنزل می یابد. با توجه به این نکته چدنهای خاکستری با استحکام بالا بایستی دارای کربن و سیلیسم کمتری باشند. البته به این نکته مهم توجه گردد که اگرچه کاهش کربن و سیلیسیم در چدنها خاکستری باعث بهسازی خواص مکانیکی قطعات ریختگی می گردد اما موجبات تقلیل بهره دهی قطعات ریختگی و نیاز به تغذیه گذاری بیشتری را مطرح می سازد. از طرفی اگرچه چدنهای خاکستری با سیلیسیم بالا (مثلا 3 درصد) و با زمینه ی فریتی دارای بهره دهی بالایی هستند اما با مشکل شکننده بودن روبرو هستند. نتیجه عملی مهم این بحث آن است که در تولید چدنهای فریتی با چقرمگی بالا بایستی مقدار کربن و سیلیسیم را در چدن پایین انتخاب نموده و برای ایجاد زمینه ی فریتی از عملیات حرارتی آنیلینگ استفاده کرد.

فرایند های ویژه ریخته گری چدنهای خاکستری

علاوه بر روش ریخته گری قطعات چدن خاکستری در قالب های ماسه ای تر مقدار زیادی از قطعات چدن خاکستری با روش های دیگری ریخته گری می شوند. این روش ها عبارتند از:

1. ریخته گری گریز از مرکز تولید لوله های چدنی
2. ریخته گری در قالب های دائمی (معمولا جنس قالب ها چدنی ودر مواردی نیز گرافیتی می باشد).
3. ریخته گری در قالب های ماسه ای ماهیچه ای (با استفاده از چسب ماسه)
4. ریخته گری در قالب های پوسته ای یا شلد مولد
5. ریخته گری در قالب های ماسه ای با استفاده از چسب سرد.
6. ریخته گری با مدلهای فومی یا مدلهای مصرف شونده

عملیات حرارتی چدنهای خاکستری

هدف اصلی از عملیات حرارتی بر روی چدنهای خاکستری تأمین منظور های زیر است:

• اصلاح قابلیت ماشنیکاری

برای این منظور از طریق  حرارت دادن قطعات تا حدود 650 درجه سانتی گراد و نگه داری در این درجه حرارت برای حدود 2 تا 4 ساعت و سرد کردن قطعات در کوره در این حالت قطعات را با سختی متوسط بدست می آورند. برای نرم کردن قطعات و رساندن سختی آنها به 120 تا 140 برینل بایستی قطعات را تا حدود 920 درجه سانتی گراد حرارت برای مدت 2 تا 4 ساعت در این درجه حرارت نگه داشته و سپس آنها را به آهستگی در کوره سرد نمود.

• افزایش مقاومت به سایش

برای این منظور از طریق حرارت دادن قطعات بین 850 تا 925 درجه سانتیگراد و نگهداری در این درجه حرارت برای چند ساعت بنا به ضخامت قطعه وسپس  سرد کردن آنها در آب یا روغن و تمپر کردن قطعات برای رسیدن به خواص مطلوب  

• بهسازی استحکام

در مواردی که به منظور افزایش استحکام کششی قطعات چدنی از عملیات حرارتی سخت سازی و تمپر کردن (بازپخت) استفاده می شود، از طریق کوئنچ کردن (سرد کردن) قطعات از حدود 900 درجه سانتی گراد در آب و یا روغن و سپس تمپر کردن (بازپخت) آنها بین 425 تا 550 درجه سانتی گراد می توان استحکام کششی مناسبی بدست آورد. بهر حال بدلیل احتمال تاب برداشتن و ترک خوردن قطعات بعلت کوئنچ کردن (سرد کردن) سریع آنها، این فرایند عملیات حرارتی بندرت مورد استفاده ریخته گران قرار می گیرد. روش معمول افزایش استحکام قطعات ریختگی، استفاده توأم از عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی است.

• تنش گیری قطعات ریخته گری

روش معین تنش گیری قطعات چدنی عبارتند از: حرارت دادن قطعات بین 480 تا 600 درجه سانتی گراد، نگهداری قطعات حداقل برای مدت یک ساعت در این درجه حرارت، سرد کردن آهسته با سرعت حدود 40 درجه سانتی گراد بر ساعت تا حدود 200 تا 320 درجه سانتی گراد سپس سرد کردن قطعات در هوا

Spheroidal graphite or Ductile cast

این نوع چدن بعد از چدن خاکستری بیشترین مقدار تولید را در میان انواع چدنها دارا می باشد. مهمترین دلیل مصرف بالای این نوع چدنها، مشخصات مکانیکی مطلوب آنها (استحکام بالا و قابلیت انعطاف پذیری خوب) و خواص مطلوب چدنهای خاکستری نظیر ریخته گری آسان، ماشینکاری عالی و مقاومت آنها در مقابل خوردگی است. مشخصات جالب این چدنها بدلیل وجود گرافیت های کروی در آن است. این چدن از طریق افزودن مقدار جزئی منیزیم به مذابی که کم و بیش دارای ترکیب یکسانی با چدنهای خاکستری است، بدست می آید. به هر حال در تهیه آنها بایستی در انتخاب شارژ اولیه برای ذوب دقت کافی بکار رود زیرا حضور عناصر جزئی ناخواسته می توانند مانع از ایجاد گرافیت کروی گردند.

درمقایسه با مشخصات مکانیکی این چدن ها با چدن های مالیبل می توان گفت در قطعات تولید شده در خانواده این چدنها محدودیت ضخامت وجود ندارد و لزومی به انجام عملیات حرارتی نیست. از آنجائی که این نوع چدن دارای وزن مخصوص بیشتری از چدنهای خاکستری است لذا در هنگام انجماد در قالب بیشتر از چدن های خاکستری منقبض می شوند و در نتیجه نیاز به تغذیه گذاری بیشتری دارند.

طبقه بندی چدن ها با گرافیت کروی

1. نوع فریتی که گرافیت های کروی در زمینه ی کاملا فریتی توزیع شده است، این نوع چدنها دارای قابلیت انعطاف بالا، ماشینکاری عالی و تنش تسلیم متوسط است.
2. نوع پرلیتی زمینه ی عموما پرلیتی بوده، دارای تنش تسلیم و قابلیت ماشینکاری خوب می باشد، اما قابلیت انعطاف متوسط است. این نوع چدنها اکثرا بصورت سیاه تاب (بدون عملیات حرارتی) مورد استفاده قرار گرفته و به سهولت می تواند از طریق شعله و یا القاء سختی سطحی قطعات را بالا برد.
3. نوع عملیات حرارتی شده انواع نرماله و یا کوئنچ و تمپر شده آن دارای استحکام کششی و تنش تسلیم استثنائی تا حدود 1000 نیوتن بر میلیمتر مربع و قابلیت انعطاف مناسب تا حدود 10 % ازدیاد طول نسبی کششی بوده و به همین دلیل بعنوان قطعات مهندسی دارای موارد مصرف بسیار است.
4. چدنهای آلیاژی به خانواده ای از چدنهای خاکستری، با گرافیت کروی و سفید گفته می شود که دارای مقادیر بالائی عناصر آلیاژی (3 تا 40%) هستند. اگرچه این خانواده از چدنها دارای خواص فیزیکی و مکانیکی بسیار مهمی هستند از اینرو ریخته گری آنها به همان سهولت چدنهای غیر آلیاژی انجام می گیرد. تولید این نوع چدنها در صنایع چدن ریزی تخصص جداگانه ای را بخود اختصاص داده و اکثرا واحدهای ریخته گری این نوع چدنها تنها فعالیت خود را محدود به چند نوع از انواع آنها می نمایند.

کاربرد چدن های نشکن

1. لوله و اتصالات تحت فشار: این قطعات از چدنهای نشکن فریتی تهیه شده و برای اتصالات و لوله های گاز، آب و سایر سیالات بکار می روند و بیشترین مقدار تولید را در خانواده چدنهای نشکن دارند.
2. خودرو و قطعات آن: در ساخت قطعات خودرو نظیر میل لنگ، چرخ دنده، صفحه کلاچ، توپی، رینگ چرخ، پوسته دیفرانسیل، کاسه چرخ، اکسل کامیون، سگ دست و بسیاری قطعات دیگر به کار می روند.
3. در صنایع کشاورزی، راهسازی و ساختمانی: چدنهای نشکن موارد مصرف بسیار زیادی در ساخت ماشین آلات کشاورزی از جمله قطعات تراکتورها، خیش ها، سگدست ها، گیره ها و پولی ها دارند. در فعالیت های جاده سازی و صنایع شهر سازی نیاز به قطعات چدن نشکن زیاد است. مصرف اصلی این قطعات در بولدورزها، خاک برداری ها، کمپورسورها و جرثقیل ها می باشد.

نمونه ای از قطعات تولید شده از جنس چدن نشکن (داکتیل)

تولید چدن با گرافیت کروی

تولید چدن با گرافیت کروی عموما با اضافه کردن مقادیر جزئی منیزیم به عنوان عنصر کروی کننده به مذابی که دارای ترکیبی مشابه چدن خاکستری می باشد انجام می گیرد. منیزیم تنها عنصری نیست که می تواند نقش کروی کننده گرافیت ها را بر عهده داشته باشد بلکه عناصری نظیر سریم، کلسیم، لانتانیم، پتاسیم، لیتیم، سدیم و تیریم نیز می توانند این عمل را ترغیب کنند. مهم ترین دلیل استفاده از منیزیم (معمولا بصورت آلیاژی با آهن- سیلیسیم یا با نیکل و…) در مقایسه با دیگر عناصر یاد شده، جنبه های اقتصادی استفاده از آن است. عناصری از قبیل گوگرد، اکسیژن، هیدروژن، ازت، سرب، تیتانیم و ارسینیک مانع از تشکیل گرافیت های کروی هستند.

مقدار منیزیمی که می تواند وجود گرافیت های کروی در قطعات ریختگی را تضمین نماید بسته به مقدار اکسیژن و گوگرد مذاب، بین 0.03 تا 0.06 درصد تغییر می کند. درجه حرارت مناسب برای افزودن منیزیم به مذاب چدن معمولا بین 1480 تا 1550 درجه سانتی گراد است . مقدار گوگرد موجود در چدنها، تاثیر فراوانی در منیزیم لازم برای کروی کردن گرافیت ها دارد. ساختار متالوگرافی چدن با گرافیت کروی مطابق شکل زیر است:

ساختار متالوگرافی چدن داکتیل

نقش منیزیم در چدن داکتیل

در تولید چدنهای نشکن به منظور ایجاد گرافیت کروی در قطعات از منیزیم استفاده می شود. اگرچه چگونگی مکانیزیم کروی شدن گرافیت توسط منیزیم معلوم نیست اما تاثیرات مربوط به افزودن منیزیم به مذاب دانسته شده است. ابتدا منیزیم در مذاب چدن نقش اکسیژن گیری و گوگردزدائی را بر عهده دارد. چنانچه مذاب دارای مقدار بالائی اکسیژن و گوگرد باشد، مقدار قابل توجهی از منیزیم صرف کاهش گوگرد و اکسیژن و تبدیل آنها را به اکسید و سولفید منیزیم می گردد. جهت کروی نمودن گرافیت ها باید حداقل 0.05% منیزیم در مذاب بعد از حذف اکسیژن و گوگرد باقی بماند. وظیفه اصلی منیزیم جلوگیری از ایجاد گرافیت های ورقه ای در جریان انجماد چدن است.

ترکیب شیمیایی چدن نشکن

کربن: مقدار کربن در چدنهای معمولی نشکن بین 3 تا 4 در صد تغییر کرده و در اکثر موارد مقدار آن بین 3.4 تا 3.6 درصد در نظر گرفته می شود. تعداد گرافیت های کروی بستگی به مقدار کربن دارد. هر چقدر کربن بیشتر باشد، مقدار گرافیت های کروی زیادتر می گردند.

سیلیسیم: مقدار معمول سیلیسیم در این نوع چدنها بین 1.8 تا 2.8 درصد می باشد که در بیشتر موارد مقدار آن بین 2 تا 2.4 درصد در نظر گرفته می شود. از آنجایی که سیلیسیم در رابطه با کربن معادل موثر است لذا افزایش سیلیسیم در چدن بر تعداد گرافیت های کروی و تمایل جمع شدن آنها در سطوح فوقانی قطعات موثر است. سیلیسیم در چدن باعث ترغیب تشکیل فریت می گردد. نقش مهم دیگر سیلیسیم در مرحله تلقیح چدن است. در هنگام انتخاب درصد سیلیسیم در چدن به این نکته مهم توجه گردد که هر مقدار سیلیسیم در چدن پایین تر باشد خواص مکانیکی بهتر بدست می آید. اما عیب انتخاب سیلیسیم پایین در چدن لزوم استفاده از تغذیه های بزرگ تر و در نتیجه کاهش بهره دهی قطعات ریختگی می باشد.

گوگرد: مهم ترین تاثیر منفی گوگرد در چدنهای نشکن نیاز به استفاده از مقدار بیشتری منیزیم است.در اکثر موارد گوگرد را قبل از افزودن منیزیم به مذاب زیر 0.03% در نظر می گیرند که با افزودن منیزیم به مذاب مقدار آن به 0.01%  یا کمتر کاهش می یابد .اگرچه در حضور گوگرد بالای 0.03% با مصرف مقدار بیشتر منیزیم می توان گوگرد را به حدود 0.01% تقلیل داد اما عیب این روش آن است که مقدار زیادی ناخالصی های گوگردی نظیر سولفید منیزیم بوجود می آید. این ناخالصی ها می تواند در قطعات باقی مانده و خواص مکانیکی آنها را تنزل دهد. در بیشتر کارخانه های ریخته گری، هنگامی که مقدار گوگرد مذاب بالای 0.03% باشد از روش های گوگرد زدایی قبل از مرحله افزودن منیزیم استفاده می گردد.

فسفر: از آنجایی که فسفر تشکیل فاز شکننده استدیت را می دهد لذا در بیشتر موارد مقدار آن را در چدن های نشکن زیر 0.05% در نظر می گیرند. در قطعاتی که نیاز به استحکام بالا، قابلیت انعطاف و چکش خواری عالی مقدار فسفر را زیر 0.02% درصد در نظر می گیرند.

منگنز: اگر چه منگنز استحکام چدنها را بالا می برد اما قابلیت انعطاف و چکش خواری قطعات را کاهش می دهد . لذا در بیشتر موارد منگنز را زیر 0.4 درصد در نظر می گیرند.

نمونه قطعات تولید شده از چدن نشکن

کوره ها و روش ذوب

روش ذوب چدن نشکن تفاوتی با نحوه ذوب چدن خاکستری ندارد. لذا از انواع کوره های می توان برای ذوب آن استفاده نمود. به دلیل حساس بودن محدوده ترکیب شیمیایی این نوع چدنها و ضرورت عدم ورود ناخالصی های مضر در مذاب لازم است تا کنترل بیشتری از آنچه که در مورد ذوب چدنهای خاکستری بکار می رود در مورد این چدنها معمول گردد.

چگونگی افزودن منیزیم به مذاب

منیزیم با نقطه ذوب 651 درجه سانتیگراد و نقطه جوش 1107 درجه سانتیگراد فلزی است بسیار فعال که در مجاورت اکسیژن شدیدا اکسیده می گردد. اضافه کردن منیزیم خالص در محیط غیر بسته به مذاب چدن به دلایل زیر بسیار مشکل است .

1. وزن مخصوص منیزیم 1.74 گرم بر سانتی متر مکعب از وزن مخصوص مذاب چدن 7
2. گرم بر سانتی متر مکعب بسیار کم تر است در نتیجه منیزیم در سطح مذاب شناور شده و در آنجا اکسید می شود.
3. منیزیم در دمای 1107 درجه سانتی گراد تبخیر و در این درجه حرارت فشار بخار معادل 12 اتمسفر ایجاد می کند. این مسئله باعث می شود که عمل افزودن منیزیم به مذاب بسختی صورت گرفته و منیزیم در مذاب حل نشود.

راه های افزایش منیزیم به مذاب چدن

1. استفاده از فرو آلیاژهای محتوی منیزیم: این آلیاژها عبارتند از آلیاژهای منیزیم – سیلیسیم -آهن  یا منیزیم – نیکل، منیزیم – سیلیسیم – مس- آهن، منیزیم – سیلیسیم – زیرکونیم – آهن ، منیزیم – مس و آلیاژهای کربن – منیزیم. از میان آلیاژهای فوق فرو سیلیسیم – منیزیم و منیزیم -نیکل بیشترین مقدار مصرف را از جمله در ایران دارا است.
2. فرایند روریزی مذاب به ویژه روش ساندویچ: در این روش آلیاژ محتوی منیزیم را در ته پاتیل قرار داده و مذاب چدن را روی آن می ریزند پاتیل مصرفی در این فرایند بایستی دارای نسبت ارتفاع بقطر دو بر یک ( 1/2 ) باشد. در چنین حالتی بخار منیزیم ایجاد شده در ته پاتیل قادر به بیرون پاشیدن مذاب نبوده، از طرف دیگری ضمن طی فاصله از ته پاتیل به سطح مذاب، جذب چدن می گردد. هنگامی که ارتفاع پاتیل کم باشد منیزیم سریعا به سطح مذاب آمده و بازیابی آن در مذاب کم خواهد بود.
3. روش فرو بردن: در این روش آلیاژ محتوی منیزیم را درون یک بوته گرافیتی یا دیر گداز که اطراف سوراخ سوراخ است، قرار داده و سپس به کمک دسته ی وسیله فرو برنده، آن را درون مذاب موجود در پاتیل فرو می برند. بوته محتوی آلیاژ منیزیم را آنقدر در ته پاتیل نگه می دارند تا واکنش بین منیزیم و مذاب پایان یابد. مقدار بازیابی منیزیم در این روش بین 30 تا 50 درصد از روش رو ریزی مذاب بیشتر است . پاتیل مورد استفاده در این روش بایستی دارای قطر کم و ارتفاع زیاد باشد عمل فرو بری مذاب را بایستی در پاتیلی که حدود 3/2 آن از مذاب پر است انجام داد. بهترین نوع جداره نسوز برای پاتیل ها مخلوطی است 90% آلومینا و 10 درصد گرافیت می باشد. روش فرو بردن آلیاژ محتوی منیزیم اگر چه دارای مزایای زیاد از جمله امکان استفاده از آلیاژ های فرو سیلیسیم- منیزیم با درصد بالای منیزیم، ثابت بودن نتیجه عمل افزودن منیزیم و بازیابی بسیار خوب منیزیم می باشد، ولی جز در واحد های کوچک ریخته گری کشور ما در واحدهای بزرگ مورد توجه قرار نگرفته است به هر جهت واقعیت آن است که روش ساندویچی بیشترین مقدار مصرف را در جهان در میان دیگر روشهای افزودن منیزیم به خود اختصاصی داده است.
4. روش افزودن منیزیم در راهگاه: این فرایند یکی از جالب ترین و در عین حال جدیدترین روشهای افزودن منیزیم (توسط فروسیلیسیم منیزیم یا نیکل منیزیم) به مذاب چدن می باشد. در این روش آلیاژ محتوی منیزیم را بصورت ذراتی بین 5 تا 8 میلیمتر در محفظه ای در در سیستم راهگاهی (بنام محفظه فعل و انفعال) قرار داده و مذاب عاری از منیزیم با گوگرد کم (حدود 0.01 درصد) را درون قالب می ریزند. مذاب در جریان تماس با منیزیم در محفظه فعل و انفعال منیزیم لازم را جذب کرده و سپس وارد محفظه قالب می گردد. امروزه این روش در تهیه چدن با گرافیت کروی در سطح گسترده ای در صنایع ریخته گری رواج یافته و در مقایسه با روش های دیگر اضافه کردن منیزیم به مذاب چدن دارای مزایای عمده زیر است:
   • تقلیل مقدار فروسیلیسیم منیزیمی مصرفی به نصف
   • کاهش آلودگی محیط کارگاه حاصل از متصاعد شدن بخار منیزیم
   • بهبود کیفیت مکانیکی قطعات ریختگی
   • کاهش کیفیت متالورژیکی مذاب محتوی منیزیم در فاصله بین افزودن منیزیم و ریختن مذاب
   • ایجاد گرافیت های کروی ریزتر در قطعات ریختگی

چدن های چکش خوار با دیگر چدن ها به واسطه آنکه ابتدا باید چدن سفید ریخته گری کرد و سپس با عملیات حرارتی آن را تبدیل به چدن چکش خوار نمود فرق می کند. بنابراین به بصورت مختصر توضیحاتی در مورد چدن سفید بیان می کنیم و سپس در ادامه به چدن مالیبل خواهیم پرداخت.

چدن سفید white iron

چنانچه ترکیب شیمیایی در ردیف مشخصی بوده و سرد شدن مذاب در قالب به مقدار کافی سریع انجام گیرد، کربن موجود در آن کلا بصورت ترکیب با آهن در می آید. این ترکیب را که سمنتیت می نامند فازی است سخت و شکننده و قسمت اعظم ساختار این نوع چدنها را در بر می گیرد. تفاوت این نوع چدن با چدنهای دیگر در آن است که کربن آزاد در آن بسیار جزئی بوده و یا اصولا حاوی هیچ گونه کربن آزادی نمی باشد. این حالت چدن را سخت و شکننده کرده و آن را معمولا غیر قابل ماشینکاری می سازد بعلت حضور کاربید کربن در این نوع چدنها قطعات دارای مقاومت عالی در مقابل سایش می باشند. نام چدن سفید از رنگ مقطع شکست آن گرفته شده است چنانچه قطعه ازجنس چدن سفید شکسته گردد مقطع آن نشان دهنده کریستال های سفید رنگی خواهد بود.

سطح مقطع شکست چدن سفید

چدن سفید دارای استحکام فشاری بسیا بالا و به همراه مقاومت سایشی عالی بوده و می تواند این مقاومت را تا مرحله سرخ شدن در اثر حرارت دیدن حفظ کند. بعلت آن که چدن سفید دارای نقطه انجماد بالاتری از انواع دیگر چدنها می باشد بنابراین ریخته گری آن مشکل تر بوده و از طرف دیگر چون فاقد گرافیت آزاد است، دارای انقباض حاصل از انجماد بیشتری است. در نتیجه نیاز به تغذیه های بزرگتر دارد(حضور گرافیت در چدن باعث کاهش انقباض حاصل از انجماد قطعات می گردد).

ریز ساختار چدن سفید

چدنهای مالیبل

چدنهای مالیبل که دارای قابلیت خم شوندگی، چکش خواری و استحکامی در حدود فولاد های ساده کربنی هستند، از طریق انجام عملیات حرارتی روی چدن سفید تهیه می شوند .چرمگی مناسب (دارا بودن استحکام به همراه قابلیت انعطاف بالا ) در این نوع چدنها باعث موارد مصرف زیاد برای آنها شده که از جمله ساخت قطعاتی نظیر قید ها، آکسل، پوسته دیفرانسیل، زیر فنری کامیون ها، ابزار های دستی، اتصالات آب و گاز و پایه های نگهدارنده مقره های برق می باشند. (نمونه قطعه تولید شده از چدن مالیبل )

تقسیم بندی چدنهای مالیبل

چدنهای مالیبل معمولا به دو نوع زیر تقسیم بندی می شوند:

1. چدنهای مالیبل فریتی: که نوع متداول از این نوع چدن بوده و دارای استحکام کمتری از چدنهای پرلیتی اما با قابلیت انعطاف و چکش خواری بیشتر است این چدنها به سهولت ماشینکاری شده و هم چنین تحت عملیات مکانیکی در قالب ها می توان آنها را به اشکال مختلفی تغییر شکل داد.

ریز ساختار چدن مالیبل  با زمینه فریتی

2. چدن مالیبل پرلیتی: اگرچه این نوع چدنها توسط زمینه ی پرلیتی آن مشخص می گردد، اما چدنهای مالیبل مارتنزیتی تمپر شده نیز در این گروه قرار می گیرند. روش ریخته گری هر دو یکسان بوده و تفاوت آنها تنها در نوع عملیات حرارتی انجام یافته است. این نوع چدنها دارای استحکام با لا و مقاومت سایشی خوبی بوده و لذا قطعاتی نظیر چرخ دنده ها و شاتون ها و یا اجزای که فلزی به فلز دیگری در تماس است ساخته می گردند.

ریز ساختار چدن مالیبل با زمینه پرلیتی

در انواع چدنهای مالیبل قسمت اعظم کربن بصورت گرافیت های شبه کروی در زمینه ای فریتی – پرلیتی و یا مارتنزیتی توزیع می شوند. به این علت که شکل کربن حاصل از عملیات حرارتی بر روی قطعات ریختگی است ،گرافیت تمپر شده نیز نامیده می شود.

 این چدنها با ترکیب شیمیایی معینی بصورت چدن سفید ریخته شده و پس از خارج شدن از قالب در دمای  بالای 900 درجه سانتی گراد حرارت داده می شوند. در اثر حرارت ، کاربید آهن تجزیه شده و کربن داخل آن بصورت گرافیت شبه کروی در ساختار چدن رسوب می نماید.

از آنجایی که برای تولید چدنهای مالیبل ابتدا باید چدن سفید تولید گردد و چدن سفید هنگامی بدست می آید که سرعت انجماد مذاب سریع باشد، لذا قطعات تولیدی از نظر ضخامت با محدودیت روبرو هستند. به بیان دیگر هرچه ضخامت بیشتر شود سرعت سرد شدن مذاب کمتر بوده و بنابراین تولید چدن سفید با مشکلات بیشتری همراه می شود. بهر حال با افزودن عناصری نظیر بیسموت و تلریم و یا منیزیم بهمراه عناصر قلیایی خاکی می توان این مشکل را تا حدود زیاد حل کرد. علاوه بر شکل گرافیت در چدنهای مالیبل با کنترل زمینه این نوع چدنها نیز می توان به مشخصات مکانیکی بسیار متنوعی دست یافت. زمینه های پرلیتی و مارتنزیتی را می توان توسط سرد کردن سریع قطعات در هنگام عملیات حرارتی و یا افزودن عناصری به مذاب بدست آورد. چدن چکش خوار که به آن چدن مالیبل نیز گفته می‌شود، از چدن خاکستری مستحکم‌تر و در عین حال، نرم‌تر است. این چدن ها به طور گسترده در خودروسازی، ساخت ابزارهای کشاورزی، راه آهن، جرثقیل‌سازی، تولید انواع اتصالات و چرخ های صنعتی کاربرد دارند.

ترکیب شیمیایی چدنهای مالیبل

ترکیب شیمیایی انواع چدن های غیر آلیاژی شباهت بسیاری با هم دارند و نمی توان از ترکیب شیمیایی چدن ها به گرید آلیاژی آن ها پی برد. به همین دلیل، آنالیز عنصری چدن های غیر آلیاژی در استانداردها ذکر نمی شود و گواهی ترکیب شیمیایی آن ها نیز اهمیت چندانی در بین گواهی های مواد ندارد. ویژگی های این نوع چدن متأثر از ابعاد، مقدار، توزيع گرافيت و سختي نسبي فلز زمينه در پيرامون گرافيت می باشد. در جدول زیر، ترکیب شیمیایی انواع چدن غیرآلیاژی آورده شده است:

نوع چدن	کربن %	سیلیسیم %	منگنز %	گوگرد %	فسفر%
چدن خاکستری	2.5-4.0	1.0-3.0	0.2-1.0	0.02-0.25	0.02-1
چدن سفید	1.8-3.6	0.5-1.9	0.25-0.8	0.06-0.2	0.06-0.2
چدن داکتیل	3.0-4.0	1.8-2.8	0.1-1.0	0.01-0.03	0.01-0.1
چدن مالیبل	2.0-2.9	0.9-1.9	0.15-1.2	0.02-0.2	0.02-0.2
چدن با گرافیت فشرده	2.5-4.0	1.0-3.0	0.2-1	0.01-0.03	0.01-0.1

عملیات حرارتی چدن های مالیبل

• آنیلینگ گرافیت زایی :

پس از جداسازی راهگاه ها و تغذیه قطعات چدن سفید و تمیزکاری وبازرسی ، قطعات آنها را داخل جعبه  سربسته و آب بندی شده قرار داده تا آنیلینگ آنها در اتمسفر خنثی انجام گیرد سپس داخل کوره های عملیات حرارتی قرار می دهند. در جریان آنیلینگ گرافیت زایی، کربن بصورت گرافیت آزاد شبه کروی در می آید. چدن سفید در جریان آنیلینگ بکلی گرافیته می شود. فرایند گرافیته شدن کامل چدن سفید باعث تولید چدنی با گرافیت کروی در زمینه ای پرلیتی فریتی می گردد (چون مقطع شکست این نوع چدن سیاه رنگ است به آن چدن مالیبل مغزه سیاه می گویند).

• آنیلینگ دی کربوره :

در فرایند عملیات حرارتی گرافیته – دی کربوره، چدنی با ساختار گرافیت کروی با زمینه ای پرلیتی (چدن مغزسفید، با مقطع شکست سفید رنگ) بدست می آید.

عملیات حرارتی مالیبل کردن در سه مرحله، اولیه، ثانویه و مرحله نهایی انجام می شود. مرحله اول گرم کردن در دمای 960 تا 1050 درجه سانتیگراد، مرحله دوم قطعات را تا 760 درجه سانتی گراد (درجه حرارت یوتکتویید) سرد می کنند و مرحله نهایی قطعات را دردرجه حرارت یوتکتوئید یا زیر آن نگهداری می کنند .

 زمان نگهداری قطعات در مراحل سه گانه بستگی به ضخامت قطعه دارد .کل زمان مالیبل کردن در تولید چدنهای فریتی بین 37 تا 39 ساعت طول می کشد. البته این زمان را در کوره های عملیات حرارتی مداوم می توان تا 24 ساعت کاهش داد. لازم بذکر است طول مدت آنیلینگ بستگی به ترکیب چدن سفید ،ساختار میکروسکوپی آن درجه حرارت مرحله آنیلینگ ،طرح کوره و عوامل دیگر دارد.

تاثیر عناصر آلیاژی در عملیات آنیلینگ چدنهای مالیبل

تاثیر کربن: به منظور تولید چدن مالیبل با استحکام بالا بایستی مقدار کربن را در حداقل ممکن ( معمولا2.2تا3.2) نگه داشت. کاهش مقدار کربن زیر 2.2 درصد ریخته گری قطعات را مشکل ساخته و بالای 3.2 درصد کربن  بویژه در تولید فطعات با جداره های ضخیم، خواص مکانیکی قطعات را تحت تاثیرات منفی قرار می دهد. استحکام و سختی چدنهای مالیبل با افزایش کربن ترکیبی (Fe₃c) افزایش یافته در حالی که چکش خواری آن کاهش می یابد. قابلیت انعطاف و درصد ازدیاد طول نسبی چدن مالیبل بستگی به میزان کروی بودن و فشرده بودن گرافیت ها دارد کربن تاثیرکمی در مرحله اول آنیلینگ داشته و زمان مرحله دوم گرافیت زایی را کاهش می دهد.

تاثیرسیلیسیم: سیلیسیم در آستینیت بخوبی حل می شود. حضور سیلیسیم باعث سهولت تجزیه سمنتیت شده و به گرافیت زایی در جریان عملیات حرارتی کمک می کند. با افزایش مقدار سیلیسیم در چدن زمان مرحله آنیلینگ کوتاه می گردد. ازاین روافزایش مقدار سیلیسیم باعث جلوگیری ازسفید شدن چدن شده و بجای چدن سفید ،چدن خالدار یا چدن خاکستری تولید می گردد. بنابراین برای تعیین مقدار مناسب سیلیسیم در چدن بایستی حضور عناصر دیگر در چدن و ضخامت فطعه ریختگی را که در نحوه انجماد قطعه موثر هستند ،نیزدر نظر گرفت.

تاثیر منگنز: منگنز در مذاب و جامد حل شده و با کربن Mn₃c  را بوجود می آورد . حضور منگنز زمان مرحله اول و دوم آنیلینگ را افزایش می دهد. از طرف دیگر حضور منگنز به میزان 0.5 در صد گرافیت زایی در چدن سفید (در مرحله سرد شدن ) را متوقف کرده و لذا برای اطمینان از سفید شدن چدن، مقدار منگنز را بالا در نظر می گیرند.

تاثیر گوگرد: گوگرد گرافیت زایی را در مرحله انجماد مذاب چدن و مرحله آنیلینگ قطعات به تاخیر می اندازد .در تولید چدنهای مالیبل ، حضور منگنز تاثیرات منفی گوگرد را از میان می برد.

تاثیر فسفر : چنانچه مقدار فسفر زیر 0.18 در صد باشد، این عنصر تاثیری بر فرایند گرافیت زایی و آنیلینگ چدن ندارد. افزایش فسفر در چدن باعث کاهش مقاومت در مقابل ضربه می گردد.

تاثیر کرم: کرم عنصری کاربید زاست . بعلت تمایل به فعل و انفعال آن با کربن کاربید کرم تشکیل می شود. این عنصر فرایند گرافیت زایی را به تاخیر می اندازد در صورتی که مقدار کرم بالای 0.1 درصد باشد، ایجاد زمینه ی فریتی در چدن را غیر ممکن ساخته ،زیرا کرم گرافیت زایی در مرحله اول و دوم آنیلینگ را به تعویق انداخته و باعث ایجاد پرلیت کروی می شود. این موضوع به تجربه ثابت شده و به همین خاطر مقدار کرم را نبایستی بیش از 0.06 % در نظر گرفت.

تاثیر پارامتر های دیگر بر زمان مالیبل کردن

تاثیر ساختار اولیه چدن: هرچه ساختار چدن ریزتر بوده و قطعات ریختگی سریع تر سرد شوند، فرایند آنیلینگ سریع تر انجام می شود.

ضخامت قطعات: هرچقدر ضخامت قطعات بیشتر باشد طول مدت آنیبلینگ فطعات نیز افزایش می یابد.

تاثیر سرعت گرم کردن و حرارت دادن قطعات: هرچه درجه حرارت کوره در مرحله اول آنیلینگ (مرحله گرافیت زایی) بیشتر باشد طول مدت آنیلینگ کم تر می گردد. برای جلوگیری از تاب برداشتن قطعات لازم است این درجه حرارت زیر 1000 سانتی گراد انتخاب گردد.

لازم به ذکر است که طولانی بودن عملیات حرارتی چدنهای مالیبل یکی از معایب این فرایند تولید می باشد. لذا تحقیقاتی جهت کم کردن زمان حرارتی در سراسر جهان در حال انجام می باشد.

سایش (wear) عبارت است از کاهش و از بین رفتن تدریجی ماده در نتیجه عملیات مکانیکی متقابل اجسام بر سطوح یکدیگر. یکی از انواع سایش، سایش خراشان (Abrasion wear) است که در اثر تماس و حرکت نسبی یک سطح سخت در مقابل یک سطح نرم به وجود آمده و باعث تخریب و انهدام ماده نرم می شود. وقوع این پدیده در صنعت بسیار متداول است.

یکی از راهکارهایی که برای پیشگیری و یا کاهش اثرات مخرب سایش و یا افزایش عمر قطعات تحت سایش به کار گرفته می شود، استفاده از مواد مقاوم تر به سایش در ساخت آن ها است. چدن های مقاوم به سایش از مواد پر کاربرد در ساخت برخی قطعات صنعتی از جمله قطعات پمپ (محفظه، پروانه، رینگ سایشی و …) و ولو و شیرهای اسلاری، غلتک های نورد، میله، سندان و صفحات بدنه در سنگ شکن ها، سینی و غلتک آسیاب های غلتکی، لاینر آسیاب ها، صفحات و قطعات دستگاه های ساچمه پاش، تیغه، کفشک و پوسته داخلی مخازن مخلوط کن های معدنی، قطعات دستگاه های آجرسازی و مواد نسوز و…. هستند. چدن های کم آلیاژ نیکل مولیبدن دار با گرافیت ورقه ای و زمینه بینتی، چدن های سفید آلیاژی نیکل کرم دار و چدن های سفید آلیاژی پرکرم از انواع چدن های مقاوم به سایش هستند که در این صنایع مورد استفاده قرار می گیرند.

شرکت فایماکو پیشرو در ریخته گری انواع فولاد انواع چدن ریخته گری ماسه ای، ریخته گری ماسه ای انواع فولادها، ریخته گری انواع چدن، ریخته گری فولاد ضدسایش، ریخته گری چدن های نایهارد، ریخته گری فولادهای نسوز، ریخته گری فولادهای ضد سایش کرم دار.

نمونه قطعات تولید شده از جنس نای هارد

چدن های سفید آلیاژی نیکل کرم دار در صنعت به نام چدن های نای هارد (Ni-Hard Iron) یا نیکل- سخت شهرت پیدا کرده اند. چدن های نای هارد در ۴ تیپ   A,B,C,Dتولید می شوند که تفاوت اصلی آن ها در ترکیب شیمیایی (مقدار عناصر نیکل، کرم و کربن) است. تیپ های A,B,C,D به ترتیب به نام های تجاری نای هارد ۱، نای هارد ۲، نای هارد ۳ و نای هارد ۴ شناخته می شوند. نای هارد ۱ و ۲ دارای ۵-۳٫۳ درصد نیکل و ۴-۱٫۴ درصد کرم هستند و تفاوت اصلی آن ها این است که نای هارد ۱ کربن بیشتری نسبت به نای هارد ۲ دارد. نای هارد ۳ دارای ۴-۲٫۷ درصد نیکل و ۲٫۵-۱ درصد [u1] [u2] کرم و نای هارد ۴ دارای ۷-۴٫۵ درصد نیکل و ۱۱-۷ درصد کرم است. چدن های نای هارد در استاندارد ASTM A 532 و طبق کلاس I معرفی شده اند. 

نمونه قطعات تولید شده از جنس نای هارد

چدن های سفید آلیاژی پرکرم طبق معرفی استاندارد ASTM A 532 شامل ۲ کلاس آلیاژی II و III هستند. کلاس آلیاژی II شامل ۵ تیپ A,B,C,D,E است. تیپ A کلاس II آلیاژ ۱۲ درصد کرم و کلاس III آلیاژ ۲۵ درصد کرم است. تیپ های B و C کلاس II آلیاژهای ۱۵ درصد کرم و مولیبدن دار هستند و تفاوت اصلی آن ها این است که تیپ B کربن پایین و تیپ C کربن بالا است. تیپ های D و E کلاس II آلیاژهای ۲۰ درصد کرم و مولیبدن دار هستند و تفاوت اصلی آن ها این است که تیپ D دارای کربن کمتری نسبت به تیپ E است.

Cu%	Ni%	Mo%	Cr%	S%	P%	Mn%	Si%	C%	DESIGNATION	Type	CLASS
*	3.3-5.0	1.0	1.4-4.0	0.15	0.3	1.3	0.8	3.0 – 3.6	Ni-Cr-HC	A	I
*	3.3-5.0	1.0	1.4-4.0	0.15	0.3	1.3	0.8	2.5-3.0	Ni-Cr-LC	B	I
*	2.7-4.0	1.0	1.1-1.5	0.15	0.3	1.3	0.8	2.9-3.7	Ni-Cr-GB	C	I
*	5.0-7.0	1.0	7.0-11.0	0.15	0.1	0.5-1.5	1.0-2.2	2.5-3.6	Ni-Hi Cr	D	I
1.2	0.5	0.5-1.0	11.0-14.0	0.06	0.1	0.5-1.5	1.0	2.4-2.8	12%Cr	A	II
1.2	0.5	1.0-3.0	14.0-18.0	0.06	0.1	0.5-1.5	1.0	2.4-2.8	15%Cr-Mo-LC	B	II
1.2	0.5	2.3-3.5	14.0-18.0	0.06	0.1	0.5-1.5	1.0	2.8-3.6	15%Cr-Mo-HC	C	II
1.2	1.5	1.5	18.0-23.0	0.06	0.1	0.5-1.5	1.0	2.0-2.6	20%Cr-Mo-LC	D	II
1.2	1.5	1.0-2.0	18.0-23.0	0.06	0.1	0.5-1.5	1.0	2.6-3.2	20%Cr-Mo-HC	E	II
1.2	1.5	1.5	23.0-28.0	0.06	0.1	0.5-1.5	1.0	2.3-3.0	25%Cr	A	III

چدنهای ضد سایش ASTM A532

پارامترهای تاثیر گذار برخواص مکانیکی چدن نای هارد

 عواملی که روی خواص چدن نای هارد مخصوصاً بر روی سختی ضربه‌پذیری آن اثر می‌گذارند عبارتند از:

 1-      نوع کاربید

 2-      شکل و اندازه کاربیدها

 3-      اندازه دانه‌ ها

 4-      ساختار زمینه

فازهای کاربیدی در چدن نای هارد

چدن نای هارد نوع 2 دارای ساختار لدبوریتی خاصی است که در آن کاربید M₃C در برابر زیر ساختار پیوسته حضور دارد. ساختار کاربیدی علاوه بر اینکه محل مساعدی برای شروع ترک است مسیر بهتری برای اشاعه ترک نیز می باشد. بر عکس چدن نای هارد نوع 4 دارای ساختار یوتکتیکی است که در آن کاربیدهای نوع M₇C₃ به طور ناپیوسته حضور دارند. مزیت این نوع ساختار کاربیدی این است که گر چه کاربید M₇C₃ به اندازه M₃C ترد است ولی ترکهایی که در آن ایجاد می‌شوند قبل از این که وارد زمینه به مراتب نرمتری شوند نمی‌توانند خیلی اشاعه پیدا کنند و به این دلیل چدن نای هارد نوع 4 مقاومت به وضوح بیشتری به شکست دارند تا نوع چدن نای هارد 2.

 کاربیدهای نوع M₇C₃نسبت به کاربیدهای M₃C از سختی بیشتری برخوردارند ضمن این که کاربیدهای نوع M₇C₃ساختار ظریفتر را ایجاد می‌نماید که منجر به سختی‌پذیری بهتر می‌گردد. کاربیدهای M₃C عموماً دارای شبکه پیوسته هستند که باعث می‌شوند در مقایسه با کاربیدهای M₇C₃ضربه‌پذیری و سختی کمتری داشته باشند.  تمام عناصر آلیاژی موجب افزایش درصد حجمی فاز کاربید در چدن نای هارد می‌شوند. اما تاثیر این عناصر در مقایسه با اثر خود کربن جزیی است.

تاثیر شکل و اندازه کاربیدها در چدن نای هارد

 معمولاً ریزتر بودن کاربیدها و یک‌نواختی آنها نیز خواص مکانیکی را بهتر می‌کند لذا استفاده از روشهای انجماد سریع و اضافه کردن پاره‌ای مواد تلقیحی نظیر فرونیتانیوم یا فروکرم کربن به ذوب می‌‌تواند ساختاری ظریفتر و یکنواخت‌تر را ایجاد کرد. البته اخیرا با روشهای دیگری نظیر عملیات حرارتی خاص و یا کنترل ترکیب آنالیز توانسته‌اند شکل کاربیدها را نیز کنترل نمایند.

 اندازه دانه‌ها در چدن نای هارد

هرچه اندازه دانه‌ها کوچکتر باشند مقاومت به سایش چدن نای هارد بهبود می یابد.

ساختمان زمینه ی چدن نای هارد:

 ساختار زمینه توسط آلیاژی کردن صحیح قطعه با توجه به اندازه آن کنترل می‌شود. چدن نای هارد درحالت ریخته شده فاقد گرافیت بوده و دارای ساختار شامل کاربیدهای یوتکتیکی با زمینه‌ای که آستنیت در آن غالب است، می‌باشند. در صورتیکه عناصر آلیاژی به مقدار کافی موجود نباشند ممکن است به جای آستنیت مقادیری پرلیت نرمتر یا گرافیت به وجود آید. انجام عملیات آلیاژی کردن سبب ایجاد مقادیر زیادی آستنیت باقیمانده بعد از عملیات حرارتی می‌شود. به منظور ایجاد حداکثر سختی و مقاومت به سایش چدن نای هارد عملیات حرارتی انجام می‌شود تا زمینه‌ای با ساختار مارتنزیت فاقد آستنیت باقی مانده ایجاد شود. بهترین ترکیب شیمیایی چدن نای هارد به ابعاد قطعه ریختگی و خواص مورد نظر بستگی دارد.

علاوه بر کاربیدها آنچه خواص مکانیکی چدن نای هارد را تحت تاثیر قرار می‌دهد مابقی ساختار است. جهت حصول بهتر مقاومت سایش بهتر است زمینه مارتنزیتی به دست بیاید، منتهی محدودیتهایی نظیر عدم اطلاع دقیق از نحوه خروج حرارت از قطعه و تاثیر تغییر ضخامت و ترکیب شیمیایی و … باعث عدم توفیق ریخته‌گران در به دست آوردن زمینه ی مارتنزیتی می‌باشد. اما مشکلی که وجود دارد این است که در هنگام سرد کردن تبدیل آستنیت به پرلیت صورت گرفته و حضور پرلیت در جوار کاربید به شدت از مقاومت فرسایشی قطعه می‌کاهد و کرم به تنهایی برای جلوگیری از این تحول کافی نمی‌باشد ، لذا از عناصر آلیاژی مولیبدن، مس و نیکل جهت کاهش سرعت بحرانی سرد شدن می‌توان استفاده نمود.

 مساله دیگر این است که به دلیل حلالیت زیاد کربن در آستنیت ،مقداری از آستنیت باقی مانده تا درجه حرارت محیط وجود خواهد داشت. در مورد آستنیت باقیمانده دو نظریه وجود دارد: در حالیکه صرفاً مقاومت سایشی مطرح باشد و ضربه وجود نداشته باشد ، آستنیت باقیمانده نامطلوب تلقی می‌شود، زیرا سختی مجموعه کمتر می‌شود و در مواردی که سایش توام با ضربه شدید مطرح باشد، کار سختی در لایه تماس صورت میگیرد ،در حالی که میان قطعه دارای انعطاف بیشتری است، دراین  صورت وجود مقداری آستنیت باقی مانده مجاز خواهد بود که مقدار آن باید زیر 5% درچدن نای هارد باشد.

ساختار میکروسکوپی چدن نایهارد

عملیات حرارتی چدنهای نای هارد

تبدیل آستنیت در ارتباط با عملیات حرارتی

آلیاژهایی که در حالت As – cast ساختمان آستنیتی دارند در درجه حرارت مورد نظر برای آنیل از لحاظ کربن به حالت فوق اشباع هستند. در نتیجه رسوب کاربید از آستنیت آغاز می‌شود و تا هنگامی که تعادل حاصل شود این مساله ادامه پیدا می‌کند. بنابراین هر قدر زمان نگه‌داری کمتر باشد میزان کربن و آستنیت باقیمانده بعد از عملیات حرارتی بیشتر خواهد بود.

تبدیل مارتنزیتی

دو نوع عملیات حرارتی متداول بر چدن نای هارد نوع 4 انجام می‌شود. متداولترین عملیات آن است که قطعات ریختگی تا ^0c800 حرارت داده شده و به مدت 8 ساعت نگهداری و سپس در هوا سرد می‌شوند. عملیات باز پخت در ^0c 450 برای به دست آوردن حداکثر چقرمگی به کار می‌رود. قطعات با اشکال پیچیده و یا اندازه مقاطع مختلف ممکن است تحت یک عملیات حرارتی دو گانه به مدت 4 ساعت در ^0c550 و پس از آن 16 ساعت در ^0c450 قرار گرفتته و سپس در هوا سرد شوند.

 تنوع درجه حرارت آستنیت کردن در ارتباط با میزان حلالیت کربن در آستنیت و سرعت سرد کردن از مهمترین عوامل هستند که تحول مارتنزیتی را تحت تاثیر قرار می‌دهند. در حالیکه آستنیته کردن ساختمان سطح مقطع پرلیتی خیلی سریع صورت می‌گیرد. (تا حدودی که زمینه نسبت به کربن اشباع شود.) تبدیل کاربید m₃c حدوداً چهار ساعت طول می‌کشد ،هر چقدر زمان از 4 ساعت کمتر باشد روی مقدار آستنیت باقیمانده اثر نمی‌گذارد ولی سختی‌پذیری را کاهش می‌دهد. سختی مارتنزیت بستگی به میزان کربن محلول در آن دارد. اما با توجه به آستنیت باقیمانده و عواملی نظیر ناهمگن بودن ساختمان آستنیت به دلیل رسوب کاربیدهای ثانویه و توزیع آنها و … سختی نیز یکسان نمی‌باشد.

تمپر کردن

تبدیل آستنیت به مارتنزیت با 6% افزایش حجم همراه است که باعث به وجود آمدن تنش قابل توجهی در قطعه می‌شود. لذا برای از بین بردن این تنشها آنها را در ^0c200 تمپر می‌کنند اما هنگامیکه آستنیت باقی مانده زیاد باشد بین ^0c500 –^0c400 حرارت می‌دهند تا کربن محتوی آستنیت به شکل کاربید ثانویه تقلیل یافته ناپایدار شده و آستنیت به مارتنزیت تبدیل شود.

تعیین سختی چدن نای هارد

اندازه‌گیری دقیق و مداوم سختی قطعات ریختگی به عنوان یک وسیله کنترل مرغوبیت، بسیار مفید است،اما به تنهایی مفید نیست. بنابراین برای به دست آوردن مرغوب‌ ترین نوع چدن نای هارد کنترل‌های دیگری از قبیل آنالیز شیمیایی و مطالعه ساختمان میکروسکوپی از اهمیت خاصی برخوردار است.

تقسیم بندی عمومی چدن ها

چدنها یکی از انواع آلیاژهای آهنی می باشند که همانند فولادها به روشهای مختلف دسته بندی می شوند. این آلیاژها بصورت عمومی به دو گروه چدنهای آلیاژی و چدنهای غیر آلیاژی تقسیم می شوند که در این مقاله ما به صورت مختصر به تقسیم بندی چدنهای آلیاژی مطابق نمودار زیر با محوریت چدنهای آلیاژی نسوز خواهیم پرداخت.

چدن نسوز چیست؟

به دسته ای از چدن ها گفته می شود که قابلیت استفاده تا دمای ۱۱۰۰ در جه سانتی گراد را داشته باشند. مهم ترین عناصر موجود در این چدن ها مولیبدن، کروم ونیکل است. یکی از مهم ترین دسته آن ها چدن های فریتی هستندکه بدلیل داشتن عنصرسیلیسیم بالا،مقاومت به حرارت و مقاومت به خوردگی عالی دارند . چدن ها در دماهای بالاتر از  ۴۰۰ درجه سانتیگراد دچار باد کردن و ترک خوردن می شوند. علت این امر تجزیه شدن سمنتیت به آهن و گرافیت در اثر حرارت است که منجر به رشد و باد کردگی قطعات خواهدشد. میزان باد کردگی و رشد چدن ها در درجه حرارتی بالای  ۴۰۰ درجه سانتیگراد زیاد بوده و گاهاً تا ۱۰% نیز می رسد. برای جلوگیری از این مشکل، عناصری مانند مولیبدن، مس، کروم و فسفر را به چدن ها اضافه می کنند. به عبارت دیگر با افزدون این عناصر آلیاژی استحکام و خواص مکانیکی قطعه در دما های کاری بالا حفظ شده و از پدیده اکسیداسیون و باد کردن چدن جلوگیری می­کنند. مهم ترین عنصرآلیاژی قابل افزودن به این گروه چدن های آلیاژی، کروم است بطوریکه چدن های حاوی ۲۰% کروم،می توانند تا دمای حدود 1000درجه سانتی گرادعملکرد خوبی داشته باشند و با افزایش میزان کروم تا ۳۵%،  دمای کاری قطعه می تواند تا 1150درجه سانتی گرادبدون اکسیداسیون افزایش یابد. چدن های نای رزیست از گروه چدن های پرآلیاژ هستند که به منظور مقاومت در برابر خوردگی و گاه مقاومت در برابر حرارت تولید و در صنایع مختلف به کار گرفته می شوند. دلیل مقاومت این چدن ها در برابر خوردگی مربوط به وجود ۱۳٫۵ تا ۳۶ درصد نیکل، ۶ تا ۱۸ درصد کروم و در نوع خاصی از این چدن ها ۵٫۵ تا ۷٫۵ درصد مس در ترکیب شیمیایی آنها است. از این چدن ها برای ساخت قطعات و تجهیزات صنعتی برای کاهش مشکلات خوردگی در انتقال، حمل و پالایش نفت چاه های ترش، آب شور، بعضی اسید ها و قلیاها استفاده می شود.

قطعات تولید شده از جنس چدن های نسوز

ویژگیها چدن های نسوز  

این چدن ها باید سه ویژگی مهم زیر را داشته باشند :

1. برابر تغییر شکل و شکست تحت بارهای کاری در دماهای زیاد مقاومت کنند.
2. برابر اکسایش در دمایی که استفاده میشوند، مقاوم باشند.
3. پایداری ساختاری داشته باشند و در گستره دمایی که استفاده می شوند دچار تبدیل فاز نشوند.

انواع چدن های نای رزیست

چدن های نای رزیست در دو گروه اصلی چدن های خاکستری و چدن های داکتیل قرار دارند که دلیل این تمایز نوع گرافیت موجود در ساختار آن ها است. اگر گرافیت موجود در ساختار چدن های نای رزیست به صورت ورقه ای باشد از آن ها به عنوان چدن های خاکستری نای رزیست نام می بریم و اگر گرافیت موجود به صورت کروی باشد در گروه چدن های داکتیل نای رزیست قرار می گیرند. انواع تیپ های چدن های نای رزیست و مشخصات شیمیایی و مکانیکی آن ها در استانداردهای ASTM A436 برای گروه خاکستری و ASTM A439 برای گروه داکتیل معرفی شده است.

چدن های خاکستری نای رزیست

چدن های خاکستری نیکل دارمطابق ASTM A436 قدیمی ترین گروه چدن های پر آلياژ برای کار در دمای زیاد محسوب می شوند. از این چدن های آستنیتی می توان در گستره دمایی ۴۰۰ تا ۸۲۰در جه سلسيوس (۷۵۰ تا ۱۵۰۰ درجه فارنهایت)  استفاده کرد. به سبب چسبنده بودن لایه اکسید تشکیل شده بر روی قطعات چدن نای رزیست در دمای زیاد، این چدن ها برای کاربردهایی از قبیل راهنمای سوپاب موتور اتومبیل ها و چند راهه های دود(منیفلد)، محفظه توربین گازی، و غلتک های خم کاری شیشه ، غلتک های درون کوره ها مناسب می باشند . چدن های نای رزیست پر کروم تر (دارای ۳ تا ۶ درصد کروم) در برابر رشد و اکسایش در مجاورت بخار ودر دماهایی تا ۶۰۰ درجه سلسیوس (۱۱۰۰ درجه فارنهایت)مقاوم اند. ضریب انبساط خطی چدن های نای رزیست، به سبب داشتن زمینه آستنیتی، از ضریب انبساط خطی چدن های پر لیتی یا فریتی غیر آلیاژی یا کم آلیاژ بیشتر است؛ البته چدن نوع ۵ از این قاعده مستثنی است. از چدن نای رزیست نوع ۱ برای ساختن مغزی های شیار فوقانی پیستون ها استفاده می شود؛ این مغزی ها که سخت تر، و در برابر فرسایش مقاوم ترند، در برابر مالش و کوبش مداوم رینگ پیستون ها در دماهای زیاد، از آلیاژهای آلومینیمی بسیار پایدار ترند، عمر پیستون ها را بسیار افزایش می دهند و عملکرد موتور را بهبود می بخشند. محفظه های توربین گازی و توربو شارژرهای ساخته شده از چدن نای رزیست نوع ۴ (۲۹ تا ۳۲ درصد نیکل با ۵ تا ۶ درصد سیلیسیم ) به خوبی کار می کنند.

Cu%	Ni%	Cr%	S%	Mn%	Si%	C%	Type
5.5-7.5	13.5-17.5	1.5-2.5	0.12	0.50-1.50	1.00-2.80	3.00	type1
5.5-7.5	13.5-17.5	2.5-3.5	0.12	0.50-1.50	1.00-2.80	3.00	type1b
0.5	18.0-22.0	1.5-2.5	0.12	0.50-1.50	1.00-2.80	3.00	type2
0.5	18.0-22.0	3.0-6.0	0.12	0.50-1.50	1.00-2.80	3.00	type2b
0.5	28.0-32.0	2.5-3.5	0.12	0.50-1.50	1.00-2.00	2.60	type3
0.5	28.0-32.0	4.5-5.5	0.12	0.50-1.50	1.50-2.50	2.60	type4
0.5	34.0-36.0	0.10	0.12	0.50-1.50	1.00-2.00	2.40	type5
3.5-5.5	18.0-22.0	1.0-2.0	0.12	0.50-1.50	1.50-2.50	2.40	type6

ترکیب شیمیایی چدنهای نای رزیست مطابق استاندارد  ASTM A 436

چدن های داکتیل نای رزیست

برای تولید قطعاتی که در دماهای بالا باید استحکام خود را حفظ نماید از چدنهای داکتیل نای رزیست مطابق استاندارد ASTM A439 استفاده می کنند که ترکیب شیمیایی این چدنها در جدول زیر بیان می شود.

Ni%	Mo%	Cr%	P%	Mn%	Si%	C%	Type
18.0-22.0	0.70-1.00	1.75-2.75	0.08	0.7-1.25	1.5-3.0	3.00	D-2
18.0-22.0	*	2.75-4.00	0.08	0.7-1.25	1.5-3.0	3.00	D-2B
21.0-24.0	*	max 0.5	0.08	1.80-2.40	1.0-3.0	2.90	D-2C
28.0-32.0	*	2.50-3.50	0.08	max 1.00	1.0-2.8	2.60	D-3
28.0-32.0	0.70-1.00	1.00-1.50	0.08	max 1.00	1.0-2.8	2.60	D-3A
28.0-32.0	*	4.50-5.50	0.08	max 1.00	5.0-6.0	2.60	D-4
34.0-36.0	*	max 0.10	0.08	max 1.00	1.0-2.8	2.40	D-5
34.0-36.0	*	2.00-3.00	0.08	max 1.00	1.0-2.8	2.40	D-5B
34.0-36.0	*	1.75-2.25	0.08	max 1.00	4.9-5.5	2.30	D-6S

ترکیب شیمیایی چدنهای داکتیل نای رزیست مطابق استاندارد  ASTM A 439

 به عنوان مثال با توجه به جدول بالا مقاومت بسیار خوب و مؤثر چدن نوع D-4 و D-5B  در برابر اکسایش، این چدن ها را برای کار در دماهای تا ۸۰۰ درجه سلسیوس (۱۴۷۵ در جه فارنهایت) مناسب جلوه می دهد. چدن نوع D-6S به گونه ای استثنا یی تا دمای ۱۰۰۰ در جه سلسیوس (۱۸۳۰ درجه فارنهایت) در برابر اکسایش مقاوم است؛ گزارش داده شده که نمونه ای از چدن D-6S، پس از آنکه ۷۶ بار بین دمای محیط و ۸۷۰ در جه سلسيوس ( ۱۶۰۰درجه فارنهایت) گرم و سرد شد، تنها ۰٫۰۰۲۲ گرم بر سانتیمتر مربع از وزن خود را از دست داد. هنگامی که آهنگ خزش کم، همراه با تحمل تنش بیشتر در دماهای بالاتر از ۴۲۵درجه سلسیوس (۸۰۰در جه فارنهایت)مورد نیاز باشد، چدن های داکتیل نای رزیست استاندارد را با يك درصد مولیبدن آلیاژ می کنند. چدن های آستنیتی در گستره دمایی سودمند خود، از لحاظ متالورژیکی پایدارند، زیرا هیچ نوع تبدیل فازی، نا پیوستگی یا تغییری در انبساط گرمایی آن ها در گرمایش، و انقباض در سرمایش وجود ندارد. بنا براین چنین چدن هایی گرایش بسیار کمی به تابیدگی، واپیچش، ترك خوردن، یا رشد در حین چرخه گرمایی دارند. 

چدن نسوز پر کروم

از انواع دیگر چدن های مقاوم به حرارت چدن های پر کروم می باشد;چدن هایی که دارای 20% کروم باشند می توانند تا درجه حرارت 1000 درجه سانتی گراد را تحمل نمایند.

ساختار میکروسکپی چدن نسوز پر کروم

چدن نسوز با سیلیسیم بالا

انواع دیگراز  چدن های مقاوم به حرارت،  چدن های پر سیلیسیم می باشد. در شرایطی مصرف می شوند که درجه حرارتی کار بالا تر از 900 درجه سانتی گراد نباشد. مقدار سیلیسیم  مصرفی در آن حدود 5.5 تا 6% می باشد. چدنهای پر سیلیسیم که در گروه چدن مقاوم به حرارت قرار می‌گیرند تا دمای حداکثر ۸۱۵ درجه سانتی گراد هیچ تغییر فازی ندارند، سیلیسیم بالا در این چدنهای فریتی مقاوم به حرارت ، نرخ اکسیداسیون را در دماهای بالا کاهش می‌دهد ؛ زیرا سیلیسیم باعث تشکیل یک فیلم چسبنده و متراکم در سطح می‌شود . این فیلم متشکل از سیلیکات آهن است ( تا اکسید آهن ) . این لایه در برابر نفوذ اکسیژن مقاومت بسیار بیشتری دارد و با افزایش محتوای سیلیسیم، اثربخشی آن بهبود می‌یابد. اما این چدن در دمای اتاق بسیار شکننده می باشد. با افزایش حدود یک درصد مولیبدن به این آلیاژها مقاومت به خزش این آلیاژها را بهبود می یابد. چدنهای خاکستری و نشکن پر سیلیسیم عمدتا ساختار فریتی دارند ؛ اما وجود عناصر تثبیت کننده کاربید ، منجر به تشکیل مقدار مشخصی پرلیت می‌شود. این آلیاژها، که گروهی از چدنهای فریتی هستند ، ذاتا شکننده‌تر از گریدهای استاندارد چدن هستند و معمولا بدلیل هدایت حرارتی پایین و استحکام بالاتر در دمای بالا ، دارای تنش داخلی بالاتری هستند . این عوامل باید در هنگام انتخاب نوع عملیات حرارتی ، مورد توجه قرار گیرند.

چدن های Ni-Si

این چدنها به چدن نیکرو سیلال نیز معروف هستند بعلت داشتن درصد بالای نیکل زمینه این چدن ها آستنیتی بوده و در مقابل حرارت و خوردگی مقاومت خوبی داشته و خواص مکانیکی خود را در دمای 800 درجه سانتی گراد کاملا حفظ می کند. قیمت این چدنها نسبت به دیگر چدن های نسوز بالاست.

فولادهای آستنیتی منگنز دار که به فولادهای منگنزی هاتفیلد Hatfield نیز موسوم هستند. روبرت هاتفلید در سال 1882 فولادی را اختراع کرد که به افتخار آن به فولاد هاتفلید نامگذاری شد. این فولاد شامل 1 تا 2/1 درصد کربن و 12 تا 14 درصد منگنز است. فولاد هادفلید دارای ترکیب مناسبی از چقرمگی به همراه سخت پذیری بالا و همچنین مقاومت بالایی در برابر سایش می باشد. امروزه به دلیل ویژگی های منحصر به فرد این فولاد با تغییر کوچک در ترکیب شیمیایی وعملیات حرارتی آن به طور وسیع در صنعت مورد استفاده است. نکته جالب درمورد فولاد هاتفلید این است که در حین انجام عملیات با این فولاد،میزان سختی سطحی این فولادها رفته‌رفته افزایش پیدا می‌کند. این امر باعث می‌شود تا میزان مقاومت به سایش آن تا حد چشم‌گیری افزایش یابد. انجام عملیاتی نظیر چکش کاری، کوبش، پرس کاری، نورد سرد و شوک‌های انفجار روی سطح فولاد هاتفلید باعث افزایش استحکام تسلیم و بالا رفتن سختی سطح آن‌ها (ضمن حفظ انعطاف پذیری در مغز) می‌شود. فولادهای آستنیتی منگنزی (هاتفلید) با هدایت حرارتی کم و ضریب انبساط حرارتی زیاد، از فولادهای ساده کربنی متمایز می‌شوند. معمولا این فولادها دردرجه حرارت اتاق غیرمغناطیسی هستند و جاذب مغناطیسی نیستند.

 این فولادها با استحکام بالا، انعطاف پذیری خوب و مقاومت دربرابر سایش عالی مشهورهستند و به صورت مختلف ریختگی، ورق، سیم، میله وغیره عرضه می شوند. قطعات ریخته شده یا نورد شده این گروه فولادها غالبا به صورت کوئنچ شده به کارمی روند. مقاومت سایشی این فولاد بسیار بالاست. این خاصیت فولاد منگنزی، مرهون افزایش سه برابری سختی سطح دراثرضربه است که با عدم افزایش تردی، که به طورمعمول با افزایش سختی شاهد آن هستیم، منجر به چقرمگی بالای این فولاد می شود. از جمله کاربردهای این فولاد می توان به استفاده در وسایل حفاری، چکش های خرد کننده سنگ، آسیاب ها و بیل های مکانیکی اشاره کرد.

قطعات ریخته گری شده ازجنس فولاد منگنزی (فولاد هاتفلید)

عناصر موجود در فولاد منگنزی

  ترکیب شیمیایی فولادهای آستنیتی منگنزی براساس استاندارد ASTM  برای گریدهای مختلف در جدول زیر آورده شده است. (تمام گرید های ذکر شده در جدول دارای ۰٫۰۷ درصد فسفر هستند.)

Silicon Wt%	Nickel Wt%	Chromium Wt%	Chromium Wt%	Manganese Wt%	Carbon Wt%	Grade
1.00	–	–	–	11.0Min	1.05-1.35	A
1.00	–	–	–	11.5-14.5	0.90-1.05	B-1
1.00	–	–	–	11.5-14.5	1.05-1.20	B-2
1.00	–	–	–	11.5-14.5	1.12-1.28	B-3
1.00	–	–	–	11.5-14.5	1.20-1.35	B-4
1.00	–	–	1.5-2.5	11.5-14.5	1.05-1.35	C
1.00	3.0-4.0	–	–	11.5-14.5	0.7-1.30	D
1.00	–	0.90-1.20	–	11.5-14.5	0.7-1.30	E-1
1.00	–	1.80-2.10	–	11.5-14.5	1.05-1.45	E-2
1.00	–	0.90-1.20	–	6.0-8.0	1.05-1.35	F

عناصر موجود دراین فولاد آلیاژی عبارتند از:

کربن:  این عنصربه همراه عنصر منگنزازمهمترین عناصر ساختاراین فولاد به شمار می آیند. فولاد منگنز یک محلول فوق اشباع کربن است. کربن تا محدوده ای معین باعث افزایش استحکام تسلیم، افزایش استحکام کششی و پس از آن با افزایش کربن، شاهد کاهش ازدیاد طول نسبی خواهیم بود. میزان کربن در این فولادها تعیین‌کننده میزان مقاومت به سایش و تنش تسلیم می باشد. حداکثر استحکام کششی در 1.2 درصد کربن حاصل می‌شود. با افزایش میزان کربن به بیش از 1.2 دهم درصد، استحکام کششی کاهش می یابد. با افزایش درصد کربن میزان رسوبات سمنتیت در مرز دانه های آستنیتی بیشترشده به طوری که وقتی میزان کربن به بیش از 1.2 درصد برسد رسوبات درشت سمنتیت به وجود آمده در مرز دانه های آستنیت مشکلاتی را در ریخته گری و عملیات حرارتی به وجود می‌آورند زیرا سمنتیت حل نشده در آستنیت پس از عملیات حرارتی باعث کاهش چقرمگی فولاد می شود. حصول ساختار آستنیتی عاری از شبکه فاز کاربید، در فولادهایی که کربن آنها بیش از 4/1است بسیار مشکل است و بنابراین افزایش کربن به بیش از 4/1 بندرت صورت میگیرد. در قطعات ضخیم یا قطعاتی که جوشکاری میشوند، میتوان از حداقل کربن ( 7/0 درصد) در فولادهای هاتفلید حاوی مولیبدن و نیکل استفاده کرد.

وانادیم : این عنصر به عنوان یک کاربیدزای بسیار قوی برای افزایش استحکام تسیلم فولاد به آن اضافه می شود. وانادیوم روی مقاومت سایشی تاثیری ندارد و انعطاف‌پذیری را کاهش می‌دهد. به دليل تمايل واناديوم به تشكيل كاربيدهاي غير قابل تغيير فرم ظريف و پراكنده، سختي و تنش تسليم راافزايش داده ولي باعث كاهش شديدي در چقرمگي مي گردد.

منگنز:  منگنز تاثیر چندانی براستحکام تسلیم این فولاد ندارد. تا 14 درصد استحکام کششی و ازدیاد طول نسبی را افزایش می دهد و در مقادیر بالاتر باعث کاهش آن می شود.عنصر منگنز به عنوان عامل پایدارکننده آستنیتی به کار گرفته می‌شود و نقش آن به تاخیر انداختن استحاله آستینت است ولی نمی‌تواند این استحاله را متوقف کند.

عنصر سیلیسیم:  در فولادهای هاتفلید از سیلیسیم جهت اکسیژن زدایی و بهتر شدن خاصیت سیالیت استفاده می شود. اگر مقدار سیلیسیم در این فولاد حداکثر 2 درصد باشد، بر میزان استحکام تسلیم فولاد تأثیر مثبت دارد. در این مورد قطعات فولادی در برابر تغییر شکل پلاستیک و در حالی که تحت ضربات متوالی قرار دارند، مقاومت خوبی از خود نشان می دهند. اگر میزان عنصر سیلیسیم از 2/2 درصد بیشتر شود، باعث کم شدن میزان استحکام و انعطاف پذیری فولاد می شود. چنین فولادهایی قابل کارپذیری نیستند.

فسفر:  از اثرات فسفر می توان به کاهش انعطاف پذیری به ویژه در دماهای پایین تر از دمای اتاق و افزایش تمایل به شکست در دمای بالا اشاره کرد. کاهش عنصر فسفر در حداقل ممکن، همواره و به‌خصوص در مواردی که قطعات جوشکاری می‌شوند توصیه می‌گردد. میزان فسفر در الکترودهای جوشکاری در فولادهای منگنزی، باید در پایین‌ترین حد باشد.

مس:  مس در محدود مقادیر 1 تا 5 درصد برای تثبیت فاز آستنیت استفاده می شود. این عنصر برحالت شکنندگی موثر است هر چند این مساله به صورت دقیق و کامل مورد مطالعه قرار نگرفته است ولی گزارش‌هایی پراکنده حکایت از ایجاد حالت شکنندگی در فولاد هاتفلید دارند و این پدیده را با محدودیت حلالیت مس در فاز آستنیت مرتبط می‌دانند.

تیتانیم: استفاده از عنصر تیتانیم برای خنثی کردن اثر فسفر، در کشورهای اروپایی متداول است. این عنصر با ایجاد کاربیدهای پایدار میزان کربن محلول در آستنیت را کاهش داده و نتیجه آن خواص معادل رده‌های کم کربن فولادهای هاتفلید است. حضور تیتانیوم باعث ریزدانه تر شدن پس از انجماد می شود و حساسیت نسبت به سیکل عملیات حرارتی در قطعه را کاهش داده و بنابراین این قطعه را از خطر ترک برداشتن در طول عملیات حرارتی محافظت می‌کند. حضور تیتانیوم تا چهاردهم درصد باعث افزایش ازدیاد طول نسبی و استحکام کششی شده ولی از این حد بیشتر به علت به وجود آوردن رسوبات کاربری و نیتریدی باعث کاهش چقرمگی می شود. بيشتر از 4%  تيتانيم رسوب كردن كاربيدها يا نيتريدها را باعث شده وچقرمگي را به طور جدي كاهش مي دهد.

نیکل:  عنصر نیکل تا حد 4 درصد یا بیشتر برای تثبت فاز آستنیت بکار گرفته میشود. این عنصر مخصوصا در جلوگیری از ایجاد کاربیدهایی که در محدوده حرارتی 300 تا 500 بوجود می آیند، موثر است. بطور مثال وجود نیکل خطر رسوب سمانتیت را که ناشی از آهسته خنک شدن قطعه پس از عملیات جوشکاری می باشد ،بشدت کاهش میدهد. در قطعاتی که احتمال ترک یا تابیدگی وجود دارد با افزودن 5 – 3 درصد نیکل میتوانیم آنها را بجای کوئینچ در آب ،در هوا خنک کنیم. نیکل استحاله آستنیت به مارتنزیت در طول کارکرد قطعه کندتر و مقدار سختی را کاهش میدهد، در نتیجه این دسته از فولادها در حضور نیکل، مقاومت به سایش کمتری را از خود نشان می دهند وانعطاف پذیری را به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش میدهد. نیکل به دلیل تأثیری که در تثبیت آستنیت دارد عموماً در فولادهای هاتفلید با میزان کربن کم افزوده میشود تا خاصیت جوشکاری آنها را افزایش دهد. وجود نیکل در فولاد مقدار استحکام کششی را کاهش داده و بر استحکام تسلیم تأثیر زیادی ندارد و باعث افزایش چشمگیر انعطاف پذیری می شود.

مولیبدن: فولاد های آستنیتی منگنزی بطور معمول دارای تنش تسلیم پایینی بوده و در نتیجه احتمال تغییر شکل در بعضی از کاربردها مثل فک سنگ شکنهای بزرگ یا مانتل کانکرهای بزرگ وجود دارد. افزایش مولیبدن به میزان 2 درصد تسلیم این فولادها را افزایش میدهد. و محدودیت کاربردی قطعات منگنزی را از بین می برد و باید به این نکته توجه کرد که مولیبدن نقطه تسلیم قطعه را بدون کاهش در چقرمگی آن افزایش میدهد. مولیبدن نیز مانند نیکل پایدار کننده آستنیت بوده ولی بر خلاف نیکل، موجب کاهش کار سختی در حین کار نمی گردد. عنصر مولیبدن تأثیر زیر را بر خواص مکانیکی این خانواده از فولادها دارد:

1- استحکام تسلیم را افزایش میدهدو تا میزان 5/1درصد انعطاف پذیری را افزایش میدهد

2– علاوه بر این مولیبدن برای جلوگیری از ترک خوردن قطعات در حالت ریختگی و افزایش چقرمگی مورد استفاده قرار میگیرد

3– مقدار كم موليبدن توليد قطعات سنگين را آسان مي كند

4- موليبدن نيز تشكيل اجزا پرليتي را كند كرده وهنگامي كه با كرم اضافه شود چقرمگي قطعات ضخيم را بصورت موثرتري بهبود مي بخشد.

عنصر کروم: مقدار 8/2 تا 2/2 درصد از این عنصر در ترکیب شیمیایی این فولادها موجب افزایش استحکام تسلیم آن‌ها می شود. مقدار عنصر کروم تا 2 درصد در ترکیب این فولادها بر استحکام کششی تأثیر زیادی ندارد ولی اگر مقدار آن از 2 درصد بیشتر شود، به تدریج استحکام آن کاهش پیدا می کند. در مقادیر 5/2 درصد عنصر کروم، انعطاف پذیری بسیار کم می شود.

ویژگیهای آلیاژهای منگنزی

• با انجام عملیات مکانیکی با فولاد هاتفلید، میزان سختی سطحی در این فولادها به مرور افزایش می‌یابد. این موضوع سبب میگردد که میزان مقاومت به سایش در این فولادها، افزایش بسیاری داشته باشد.

• داشتن چقرمگی بالا نسبت به فولادهای کربنی
• تمایل بالای فولاد منگنزی مذاب به اختلاط با مواد اسیدی دیرگداز دیواره کوره های القایی
• قابلیت استفاده از گریدهای مختلف فولاد منگنزی بعد از عملیات بازپخت انحلالی و کوئنچ در آب یعنی نیازی به تمپر بعد از حرارتی ندارد .
• سخت بودن عملیات ماشین کاری روی قطعات تولید شده با فولاد منگنزی و نیاز به استفاده از تجهیزات و ابزار خاص برای انجام ماشین کاری دارد ( چون در حین ماشینکاری، کار سرد می شود )
• داشتن قابلیت آهنگری گرم در دمای1200 درجه سانتیگراد
• هدایت حرارتی کم و ضریب انبساط حرارتی بالا در نتیجه اعوجاج در حین حرارتی و جوشکاری و ریخته گری مطرح می باشد .
• فولاد منگنزی در درمای 1200 درجه سانتیگراد تحت عملیات پتک کاری از هم گسیخته می شود.
• امکان برش کاری با استفاده از برش لیزر، پلاسما و اکسی استیلن را دارد ولیکن بهتر است از روش اکسی استیلن استفاده نشود چون گرمایی بیش از حد این روش باعث رسوبات در مرز دانه ها شده و انعطاف پذیر را کم می کند
• تمایل بالای آستنیت نیمه پایداربه پرلیت و یا کاربید.
• سیالیت فولاد منگنزی نسبتا بالاست که امکان ایجاد اشکال پیچیده را فراهم می کند. (درروش ریخته گری)
• ویژگی های مکانیکی فولاد منگنزی به میزان قابل توجهی به وسیله دانه بندی می تواند ارتقا داده شود و استحکام و قابلیت چکش خواری برای مواد ریزدانه می تواند تا 30% بیشتر باشد.
• کارسختی فولاد منگنزی بالاست و حداکثر مقدار این ویژگی برای فولاد منگنزی 550 برنيل خواهد بود. وارد کردن ضربات سنگین، عمق سخت شده را افزایش داده اما مقدار حداکثر سختی حاصل را کاهش می دهد. با توجه به توضیحات ارائه شده در صورتی که عملیات کارسختی بر روی فولاد منگنزی بطور کامل انجام نشود میزان مقاومت در برابر سائیدگی قطعه تولید شده در حد فولادهای کربنی خواهد بود. این فولادها شدیدا تحت کار سرد، سخت می شوند و اگر حرارت داده شوند، ترد شدن آنها خیلی سریع اتفاق می افتد، چون جوانه های بیشتری برای بروز استحاله فازی وجود دارد. لایه سخت شده کاملا سطحی است و هنگام جوشکاری و در زمان برقراری قوس الکتریکی، ذوب می شود اما در شرایطی که از اتصال، کیفیت ویژه ای انتظار رود باید قشر کار سخت شده را با دقت سنگ زده یا ماشین کاری کرد. همچنین چقرمگی این فولادها بر عکس دیگر فولادها، در اثر سریع سرد شدن یا کوئنچ کردن در آب، به شدت افزایش می یابد اما در حرارت مجدد یا تمپر کردن، ترد می شوند.
• اهمیت سختی (Hardness) برای تولید فولاد هاتفلید، بعد از اتمام مرحله عملیات حرارتی، مقدار سختی بالانبوده و در حدود ۱۷۰ تا ۲۲۰ HB  است.  بنابراین در شرایطی که کارسختی وجود نداشته باشد ، نمی‌توان تفاوت زیادی برای این نوع فولادها با فولادهایی که کربن متوسط دارند قائل شد. لازم به ذکر است در شرایطی که هنگام کار قطعات با جنس فولاد هاتفلید، در سختی آن اثر گذاشته می‌شود، (مانند ضربات شدیدی که از چکش‌های سنگ شکن ناشی می شود) سختی فولاد هاتفلید به حدود HB  ۵۵۰نیز می‌رسد. این افزایش سختی نتیجه یک استحاله مکانیکی یعنی تبدیل آستنیت به مارتنزیت است. افزایش سختی به صورت تدریجی و با روند لایه‌ای از سطح به طرف داخل قطعه صورت می‌گیرد. لازم به ذکر است که تمامی آستنیت موجود در سطح به مارتنزیت تبدیل می‌شود و منظور از لایه لایه بودن افزایش سختی، این است که ابتدا تمامی آستنیت موجود در سطحی‌ترین قسمت قطعه به مارتنزیت تبدیل می گردد.

قطعات ریخته گری شده ازجنس فولاد هادفلید

خانواده فولاد هاتفلید در کنار ویژگی‌های عالی، دارای برخی محدودیت‌هایی نیز هستند که عمده‌ترین آن‌ها عبارتند از:

• قابلیت ماشین‌کاری ضعیف
• استحکام تسلیم پایین (در محدوده ۳۴۵ تا ۴۱۵ مگاپاسکال)
• در مواردی که دقت ابعادی بالایی نیاز است، از فولاد هاتفلید استفاده نمی شود.
• امکان استفاده در تنش‌های بالا و تغییر شکل‌های شدید را ندارند.
• یکی از ضعف ها اصلی فولاد هاتفلید مقاومت کم سایشی در برابر شرایط سایش لغزشی آرام است.
• سختی فولاد درهاتفلید بسیارپایین است، اگرسایش شدیدی قبل ازپایان استحاله اتفاق بیفتد، احتمال نابود شدن قطعه وجود دارد. به همین علت قطعاتی را که می‌خواهند تحت سایش‌های بسیار شدیدی قراربگیرند، با روش‌هایی مثل شات بلاست یا سندبلاست مقطع را سخت کاری کرده و سپس مورد استفاده قرار میگیرند

قطعات ریخته گری شده از فولاد منگنزی (هاتفلید )

نکاتی در مورد ریخته گری فولاد منگنزی

ذوب فولاد منگنزی

  کوره القایی برای ذوب فولاد آستنیتی منگنزی مناسب می باشد .به منظور جلوگیری از واکنش شدید بین منگنز و اکسید منگنز با سیلیس موجود در خاک سیلیسی می توان از نسوزهای منگنزی یا خنثی مانند آلومینا استفاده کرد. برگشتی های فولاد آستنیتی منگنزی قراضه ها ، داغی وقراضه آهن با افزایش مواد فرو آلیاژ و کربن را می‌توان به عنوان مواد شارژ کوره به کار برد. در هنگام ریختن قطعات فولاد آستنیتی منگنزی باید تا حد امکان دو پارامتر اساسی زیر را رعایت کرد:

1-  دمای بار ریزی پایین

2-  سرعت بار ریزی بالا. دمای ریختن باید نسبت به شکل و ضخامت قطعه انتخاب شود برای مثال قطعات نازک باید در دمای بالاتر ریخته شود.

ریخته گری قطعات فولادی هاتفلید مانند سایرقطعات فولادی است و تغذیه گذاری به گونه‌ای طراحی می‌شود که انجماد جهت دار ایجاد شود طراحی راهگاه بارریزی راهگاه اصلی و راهگاه های فرعی باید به گونه‌ای باشد که مذاب سریع داخل قالب ریخته شود. به دلیل وجود کربن بالا و حضورسمنتیت درساختار میکروسکوپی وهدایت حرارت کم احتمال ترک خوردگی در بعضی از قطعات یا ترک خوردن هنگام برش تغذیه ها توسط گاز وجود دارد.

بطوركلي رفع عيوب ريختگي قطعات فولاد منگنزي را بايد پس ازعمليات كوينچ كردن آنها انجام داد، زيرا درحالت ريخته شده as-cast  بسيار ترد و شكننده بوده ودر حين جوشكاري  ممکن است شكسته شوند .

قطعات با ضخامت بالا

با افزایش ضخامت قطعات ریختگی سرعت سرد شدن قطعه در قالب کاهش یافته و در نتیجه فاز کاربید زمان کافی برای رسوب کردن خواهد یافت. این پدیده به خصوص در قطعاتی که اشکال تنش پذیر دارند مانند استوانه و مخروط تمایل به شکنندگی را افزایش می دهد. تنش های ایجاد شده نتیجه تغییر حجم قطعه در اثر ایجاد فاز کاربیدی و استحاله آستنیت می باشد. درقطعات با ضخامت زیاد سرعت انجماد در قالب بسیار کم می باشد،بنابراین دانه‌های آستنیت به جز در شرایط خاص و کنترل شده درشت خواهد شد و اندازه دانه‌ها در عملیات حرارتی تمایل به درشت تر شدن دارند، پس با انجام عملیات حرارتی نمی توان دانه های آستنیتی را ریز کرد و اندازه آنها به شرایط ریخته گری بستگی دارد.

قطعات ریخته گری شده از جنس فولاد منگنزی ( هاتفلید )

نکاتی در مورد عملیات حرارتی فولاد Hat Filed

 عملیات حرارتی فولاد هاتفلید باعث می شود که بتوان آن را با اطمینان کامل در محدوده بسیار وسیعی از کاربردهای ویژه مهندسی به کار گرفت عملیات حرارتی متداول برای این فولاد انجام می شود عملیات حرارتی آنیل و سپس سرد کردن سریع درحمام آب است هرچند که ساختار کاملاً آستنیتی و عاری از هرگونه فاز کاربید ساختار مطلوب است و این ساختار بخصوص برای  قطعات با ضخامت زیاد و فولاد های حاوی عناصر کاربید زا نظیر کروم مولیبدن وانادیم و تیتانیوم همیشه قابل دستیابی نیست در هر حال اگر فاز کاربیدی در ساختار میکروسکوپی موجود باشد حالت پراکنده و غیر پیوسته آن از حالت پیوسته و شبکه‌های در مرز آن ها مطلوب تر است.

نکته : هدایت حرارتی فولاد آستنیتی منگنزی تقریباً 1.4فولاد کربنی و ضریب انبساط حرارتی آن 5/1برابر فولاد کربنی می باشد به همین دلیل سرعت گرم کردن باید آهسته باشد ،اگرسرعت گرم کردن را بالا درنظربگیریم ،شیب حرارتی بین سطح و مغز قطعه به وجود آمده و تنش های حرارتی ایجاد می‌شود که ممکن است ترک خوردگی قطعه را به همراه داشته باشد. درهنگام گرم کردن باید گرم کردن آهسته صورت بگیرد و قبل ازشارژ،دمای کوره نباید بالاتراز250 درجه سانتیگراد باشد واصولاً میزان گرم کردن فولاد آستنیتی منگنزی ۱۰۰درجه سانتی گراد برساعت می باشد(عملیات حرارتی که به صورت متداول روی فولاد هاتفلید انجام می شود شامل آنیل محلولی یا آستنیته کردن دردمای950-1150 درجه سانتیگراد، سریع سرد کردن در آب است که نتیجه آن شکل گرفتن ساختاری آستنیتی بدون کاربید است).

ریز ساختار فولاد های منگنزی

کاربرد فولاد منگنزی

فولاد منگنزی در تولید قطعات دستگاه­های مورد استفاده در صنایع کاربرد دارد. متریال فولاد منگنزی در ساخت قطعات دستگاه های مورد استفاده در صنعت سیمان، صنعت معدن، میکسرهای سیمانی، سنگ شکن ها، گذرگاه های راه آهن، آج های شخم زدن و سایر صنایعی که عملیات سایشی و ضربه ای دارند، استفاده می شود. همچنین از این فولاد می توان در تولید قطعات مورد نیاز صنایع برودتی استفاده کرد. شایان ذکر است که برای افزایش سختی سطح فولاد هاتفلید واستحکام تسلیم آن، نیاز است که عملیاتی انجام شود که این عملیات شامل موارد زیر میباشد:

• شوک‌های انفجار روی سطح فولاد

• انجام عملیات نورد سرد
• انجام عملیات پرس کاری
• انجام عملیات چکش کاری
• انجام عملیات کوبش

کروم فلزی است که در دما ۱۸۷۵ درجه سانتی گراد ذوب شده و وزن اتمی آن ۵۲ می باشد. این عنصر در آهن گداخته مایع حل شده و در محلول های انجماد آهن گاما و آلفا باقی می ماند. کروم اضافه شده به فولاد کربنی در درصد معمولاً بیشتر از ۱۳٪ باعث ایجاد فولاد زنگ نزن می شود. در این حالت با افزایش مقدار مولیبدن  مقاومت در برابر سایش وخوردگی فــولاد افزایش می یابد. مولیبدن همچنین می تواند سختی، چقرمگی و مقاومت کششی فولاد را افزایش دهد  همچنین عناصر بسیاری وجود دارند که میتوانند به فولاد خاصیت های جدیدی بدهند برای مثال افزودن منگنز و کرم به فولاد میتواند آن را تا سطح زیادی در برابر سایش مقاوم کنند.

شرکت فایماکو پیشرو در ریخته گری انواع فولاد انواع چدن ریخته گری ماسه ای، ریخته گری ماسه ای انواع فولادها، ریخته گری انواع چدن، ریخته گری فولاد ضدسایش، ریخته گری چدن های نایهارد، ریخته گری فولادهای نسوز، ریخته گری فولادهای ضد سایش کرم دار

انواع فولاد زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن در استاندارد AISI در پنج دسته اصلی جای می‌گیرند. چهار دسته از این فولادها را می‌توان براساس ریز ساختار (فریت، آستنیت، مارتنزیت و ترکیب آستنیت به علاوه فریت (داپلکس() تقسیم بندی نمود و دسته پنجم نیز براساس آلیاژهای رسوب سخت شونده دسته بندی می‌شوند. که فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی در بازار و بعضی منابع بعنوان فولادهای ضد سایش کروم دار مطرح هستند که در این مقاله درمورد این فولادها مطالبی ارایه می گردد.

قطعات ریخته گری شده  صنایع فولاد از جنس فولاد ضد سایش کروم دار

فولاد زنگ نزن مارتنزیتی (یا فولادهای ضدسایش کروم دار): Martensitic Steel

در لغت مارتنزیت به ساختاری گفته می شود که به واسطه یک استحاله مارتنزیتی یا جا‌به‌جایی تعداد زیادی از اتم‌ها به صورت گروهی و همزمان ایجاد می شود. در آلیاژهای آهن – کربن و فولاد، مارتنزیت از سریع سرد کردن آستنیت به وجود می‌آید. استحاله آستنیت به مارتنزیت فرآیندی کاملا مستقل از نفوذ است ( بر خلاف فاز پرلیت که با آهسته  سرد کردن به دست می‌آید)، اتم‌های کربن فرصت این را پیدا نمی‌کنند که بین دو فاز فریت و سمنتیت توزیع شوند. در نهایت اتم‌های کربن  در مکان‌های هندسی هشت وجهی بین نشین در شبکه آهن به دام می‌افتند و ساختار شبکه  به  BCT تبدیل می شود. میکرو ساختار مارتنزیتی، سخت‌ترین ساختاری است که می‌تواند در یک فولاد بوجود آید.

ساختار میکروسکوپی فولاد کروم دار ضد سایش  الف ریخته گری ب- عملیات حرارتی شده

همان طور که بیان شد این دسته از فولادها، مانند فولادهای کربنی از ناحیه آستنیت سرد شده و به ساختار مارتنزیتی تبدیل می‌شوند و پس از آن جهت افزایش داکتیلیتی و چقرمگی تمپر می‌گردند. بیشترین گرید مورد استفاده در این گروه از فولادها، گرید 410 است که 12 درصد کروم و 0.1 درصد کربن دارد. مقاومت به سایش در این گروه از فولادهای استنلس به شدت به میزان کربن بستگی دارد. فولاد 440 در این دسته دارای حدود 1.1 درصد کربن است که مانند فولادهای ابزار مقاومت به چسبندگی و سایش مناسبی دارد. باتوجه به این که رسیدن به استحکام و سختی بالا در فولادهای مارتنزیتی مد نظر می‌باشد، میزان عناصر پایدارکننده آستنیت مانند نیکل در ترکیب شیمیایی این دسته از فولادها کمتر است. به همین دلیل فولادها زنگ نزن مارتنزیتی مقاومت به خوردگی کمتری در مقایسه با فولادهای آستنیتی دارند.

مارتنزیت در فولادها به چه صورت هایی یافت می شود؟

در فولادهای کربنی سختی‌پذیر، مارتنزیت به دو شکل لایه‌ای و بشقابی ایجاد می‌شود. این تقسیم بندی بر اساس میکروساختار و شکل تیغه‌های مارتنزیتی به دست آمده است. مارتنزیت لایه‌ای، از موازی قرار گرفتن دسته‌هایی از لایه‌های مارتنزیتی در جهات مختلف تشکیل می‌شود. این نوع مارتنزیت در درصدهای کمتر کربن (0.3-0.6 درصد) در فولادها به چشم می‌خورد. اما مارتنزیت بشقابی در فولادهای پر کربن (بیش از 1 درصد) تشکیل می‌شود و میکروساختار آن شامل تیغه‌های درشت و سوزنی شکل مارتنزیت است. حالت میانی این دو یعنی زمانی که فولاد بین 0.6 تا 1 درصد کربن داشته باشد شامل هر دو ساختار است که به مارتنزیت مختلط مرسوم است.

آیا هر فولادی قابلیت مارتنزیتی شدن را دارد؟

عامل تعیین‌ کننده‌ای که در تولید فولادهای مارتنزیتی با سختی بالا نقش کلیدی دارد، سختی‌پذیری فولاد مورد نظر است. این تصور که هر فولادی را می‌توان با سریع سرد کردن سخت و مارتنزیتی کرد، تصور اشتباهی است. برای بیان توانایی فولادها برای مارتنزیتی شدن باید با مفهوم سختی‌پذیری آشنا شویم. سختی پذیری،میزان توانایی یا قابلیت تشکیل مارتنزیت در فولاد در اثر سریع سرد شدن از ناحیه آستنیت است. سختی‌پذیری را می‌توان با نمودارهای TTT و CCT به خوبی توجیه کرد. بر این اساس، سرعت سرد کردن فولادها باید در حدی باشد که نمودار سرد شدن بدون وارد شدن در منطقه تشکیل بینیت و پرلیت از ناحیه دمای شروع و پایان مارتنزیت یعنی خطوطMs  و Mf کاملا بگذرد. در غیر این ‌صورت مارتنزیت تماما در ساختار ایجاد نمی‌شود و سختی مطلوب به‌ دست نمی‌آید. سختی پذیری به عوامل مختلفی مانند درصد کربن، عنصر آلیاژی، سرعت سرد کردن و بستگی دارد، اما سختی تنها تابعی از درصد کربن فولاد است.

در رابطه با فولادهای ضدسایش کروم دار (یا فولادهای مارتنزیتی) به چند نکته توجه داشته باشید:

پس از سرمایش سریع و تشکیل ساختار مارتنزیتی در فولاد، معمولا تنش های پسماند داخلی بالا بوده و فولاد بسیار ترد و شکننده است به همین دلیل با استفاده از یک عملیات حرارتی در زیر دمای آستنیته، فرصتی به وجود می آید تا این تنش ها آزاد شوند. همچنین بخشی از کربن اضافی که در داخل ساختار BCT فولاد محبوس شده بود، خارج شده و منجر به تشکیل فازهای تعادلی فریت و سمنتیت می شود. ساختار نهایی چیزی است که از آن با عنوان مارتنزیت تمپر شده (Tempered Martensite) یاد می کنیم. این فولاد علاوه بر حفظ سختی و استحکام، انعطاف پذیری و چکش خواری مناسبی خواهد داشت.

در هنگام سرمایش سریع و تولید ساختار مارتنزیتی در مقاطع ضخیم فولادی، شیب دمایی زیادی بین سطح و مغز قطعه ایجاد می شود. در این حالت ممکن است مغز قطعه مارتنزیت نشده باقی بماند و ساختار بینیتی یا پرلیتی تشکیل شود. در این مواقع می توان از عناصری مانند بور یا منگنز استفاده کرد. این عناصر با جابه‌جایی دماغه نمودار TTT به سمت راست، تشکیل این فازها را به تاخیر انداخته و باعث تشکیل ساختار مارتنزیتی در مغز قطعه می شوند. فولادهای مارتنزیتی در مقایسه با سایر فولادها، جوش پذیری ضعیف تری دارند. به همین دلیل جهت جلوگیری از آسیب های احتمالی به فولاد، همواره باید آن را پیشگرم کرد. انتخاب دمای مناسب پیشگرم به ابعاد ماده، نوع اتصال و ساختار بستگی دارد، اما معمولا این دما بین 200 تا 400 درجه سانتیگراد انتخاب می شود.

مهمترین خصوصیات فولادهای ضدسایش کروم دار عبارتند از:

1. استحکام کششی بالا
2. مقاومت به سایش بالا
3. مقاومت به خوردگی سایشی بالا
4. قابلیت سختی پذیری در هوا

ترکیب شیمیایی فولادهای ضدسایش کروم دار (فولاد زنگ نزن مارتنزیتی)

ترکیب شیمیایی فولادهای ضد سایش کروم دارریخته گری  که متداول‌ ترند در جدول زیر آمده است. چون ترکیب شیمیایی فولادهای ضدسایش کرومدارطوری انتخاب می‌شود که سختی و استحکام مناسبی به‌ دست آید، مقاومت به‌ خوردگی این آلیاژها نسبت به فولاد زنگ نزن فریتی و آستنیتی ضعیف تر است. میزان عناصر آلیاژی که می‌توان به فولادهای ضدسایش کروم داراضافه کرد محدود است زیرا عناصر آلیاژی مثل کربن، دمای Ms را کاهش می‌دهند، و اگر دمای Ms خیلی کاهش یابد در دمای محیط آستنیت بدست می آید که خواص مورد نظر کاهش می یابد.

Mo%	Ni%	Cr%	Si%	Mn%	C%	AISI	ACI type
0.5	1.0	11.5-14.0	1.50	1.00	0.15	410	CA-15
0.5	1.0	11.5-14.0	1.50	1.00	0.40	420	CA-40
…	1.0	11.5-14.0	1.50	1.00	0.20-0.40	…	CA-40F

ترکیب شیمیایی فولادهای ضدسایش کروم دار ریخته گری

قابلیت جوش پذیری فولادهای ضدسایش کروم دار

-چون مارتنزیت فاز سخت وترد وشکننده است بایستی به دمای پیشگرم و پسگرم دقت کافی داشت تا از ورود ترک در فلز جوش ومنطقه HAZ جلوگیری به عمل آید

2-هر چه درصد کربن بالا برود قابلیت جوش پذیری این فولادها کاهش می یابد

3-هر گونه عدم دقت در جوش باعث ایجاد عیوب زیر خواهد شد:

       الف- ترکهای انجمادی: که با افزودن عناصری مثل NB نیوبیم ومنگنز می توان از بروز آنها جلوگیری نمود

       ب- ترک های بازگرمایی :عناصری مانند مولیبدن فسفر گوگرد وقلع مس باعث پیدایش این عیب می شود که بایستی درصد آنها      در آلیاژ تحت کنترل باشد

      ج-ترکهای هیدروژنی : به دلیل وجود رطوبت ،چربی وآلودگی به وجود می آیند که با عملیات حرارتی پیشگرم می توان از بروز   آنها جلوگیری کرد

نکته: به منظور کاهش حساسیت به ترک درمحلِ اتصال جوش و ناحیه‌ی تحت تأثیر حرارت، عملیات پیشگرم و پسگرم باید با دقت انجام شود . در صورت اجرای عملیات حرارتی صحیح و انتخاب فلز پُرکننده‌ی مناسب، فولادهای  403، 410 و420  جزء فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی هستند که قابلیت جوشکاری دارند. برخی از این فولادها به هیچ وجه جوش پذیر نیستند.

مهمترین کاربردهای فولادهای ضدسایش کروم دار

از این فولادها می توان درساخت پره های توربین، غلتک های حمل کننده ورق ، آستر های آسیاب های سیمان و معادن، ابزارآلات وتیغه های چاقو و تیغ های اصلاح و جراحی و… استفاده نمود.

قطعات ریخته گری  صنایع سیمان  از جنس فولادهای ضد سایش کروم دار

فولاد نسوز چیست؟

فولاد نسوز، فولادی است که در دمای بالاتر از 500 درجه سانتیگراد مقاوم است. از مشخصات فولاد نسوز وجود یک لایه اکسید استثنایی بر روی آن و توانایی مقاومت در برابر حرارت ،می توان اشاره کرد. این لایه برای حفظ شکل فولاد در هنگام عدم پوشش مناسب است، که باعث مقاومت آن در دماهای بیش از 650 درجه سانتیگراد می‌شود. مقاومت در برابر گرمای انواع فولاد نسوز به محتوای کروم، نیکل، سیلیکون و آلومینیوم آنها وابسته است.(بعنوان نمونه می توان به قطعات امرشن تیوپ در صنایع سیمان اشاره کرد)

شرکت فایماکو پیشرو در ریخته گری انواع فولاد انواع چدن ریخته گری ماسه ای، ریخته گری ماسه ای انواع فولادها، ریخته گری انواع چدن، ریخته گری فولاد ضدسایش، ریخته گری چدن های نایهارد، ریخته گری فولادهای نسوز، ریخته گری فولادهای ضد سایش کرم دار

قطعات ریخته گری شده  امرشن تیوپ از جنس فولاد نسوز

انواع فولاد نسوز

این نوع فولادها به چهار دسته کلی با خواص مختص خود تقسیم بندی می شوند:

1. فولاد آستنیتی: این نوع فولاد زنگ نزن و نسوز دارای عنصر نیکل بالاتر از بقیه است؛ از جمله ویژگی‌های آن می‌توان به انعطاف‌پذیری بالا، استحکام کششی بالا و خاصیت مقاومت به خوردگی بالاتر اشاره کرد. فولاد آستنیتی گریدهای 200 تا 300 را شامل می‌شود و استحکام حرارتی بالاتری نسبت به سری‌های 400 در درجه حرارت‌های بالای 540 درجه سانتی‌گراد را دارد. گریدهای فولاد نسوز آستنیتی بر اساس استانداردDIN عبارتند از 1.4828،1.4841،1.4825

Ce%	Si%	N%	Ti%	Ni%	Cr%	C%-Max	ASTM	EN-Number
–	0.5	0.1	–	8.0-11.0	17-19	0.2	304H	1.4948
–	0.75	0.1	0.7	9.0-12.0	17-19	0.1	321H	1.4878
–	1.5-2.5	0.11	–	11.0-13.0	19-21	0.2	–	1.4828
–	0.75	0.11	–	12.0-15.0	22.0-24.0	0.08	309S	1.4883
–	1.5	0.11	–	19.0-22.0	24.0-26.0	0.1	310S	1.4845
0.03-0.08	1.0-2.0	0.12-0.2	–	9.0-11.0	18.0-20.0	0.08	–	1.4818
0.03-0.08	1.4-2.5	0.12-0.2	–	10.0-12.0	20.0-22.0	0.12	–	1.4835
–	1.5-2.5	0.2	–	19.0-22.0	24.0-26.0	0.2	314	1.4841

فولاد مارتنزیتی: این گروه شامل سری 400 می‌شوند و کلا کروم عنصر اصلی مجموعه است. در همه ی دماها مغناطیسی هستند و از خصوصیات بارز آنها می‌توان به مقاومت به سایش خراشی و شکل‌دهی خوب اشاره کرد. آن‌ها در دماهای بالا نمی‌توانند همانند فولادهای آستنیتی مقاومت به حرارت نشان دهند و مناسب نیستند، چون در دماهای بالاحالت نرمی یا پیرشدگی به دلیل تشکیل فاز آستنیتی استحاله یافته یا باقی‌مانده رخ می‌دهد.

ساختار میکروسکوپی فولاد نسوز مارتنزیتی

1. فولاد فریتی: این گروه نیز بعضی گریدهای سری 400 را شامل می‌شود و بسیار برای مقاومت به خوردگی و پوسته شدن در درجه حرارت بالا مناسب‌اند که این به دلیل  تعادل مقدار کروم و کربن و عدم رشد فاز آستنیتی در دماهای بالاست.
2. فولاد سخت رسوبی: این گروه خود سه زیرگروه دارند؛ سختی رسوبی آستنیتی، نیمه آستنیتی و مارتنزیتی یا مارجینگ سه زیرگروه آن هستند که تفاوت آن‌ها در ساختار و در نتیجه خواص است. گریدهای سختی رسوبی آستنیتی دارای کم‌ترین مقاومت حرارتی بین فولادهای این گروه در دمای محیط هستند و بین آن‌ها نیمه آستنیتی مقاومت به حرارتی بهتری دارد.

نکته : درمیان چهار گروه که بیان شده بیشتر آلیاژ های آستنتیتی در بازار ایران به  فولادهای نسوز معروف هستند.

علت مقاوم بودن در دمای بالا

عنصر کروم در حد 12 درصد، تا دمای  750-800 درجه سانتی‌گراد، کروم  بیشتر (15-17 درصد) تا 850-1000 درجه سانتی‌گراد و مقدار 20-30 درصد تا 1100 درجه سانتی‌گراد مقاومت در برابر اکسایش و استحکام حرارتی را تضمین می‌کند. با وجود کروم، فولادهای نسوز در برابر اکسایش در دمای بالا مقاومت بسیار خوبی دارند، به همین دلیل در جعبه‌های سمانتاسیون، اجزای کوره‌هایی که در دمای بالا کار می‌کنند، بویلر صنعت نفت و لوله‌های بخار کاربرد دارند. بنابراین کروم اساسی‌ترین و موثرترن عنصر در این فولادها به شمار می‌رود و باعث جذابیت این فولادها در صنایع با دمای بالا شده است. با این حال، در برخی مصارف به خصوص، برای دستیابی به استحکام بالا و مقاوم ساختن این فولادها مقادیر کمی از عناصری مانند وانادیوم تا 5/0 درصد، آلومینیوم تا کمتراز 0.35 درصد و تنگستن تا 0.6 درصد نیز به ترکیب اصلی اضافه شده تا بتواند مقاومت در دمای بالا این ترکیب را بهبود ببخشد، ولی اصلی‌ترین ترکیب برای مقاومت در برابر حرارت، عنصر کروم و نیکل با نسبت تعیین شده است.

 تأثیر عناصر آلیاژی بر فولادهای نسوز

کروم : کروم، عنصری است که در تمام فولادهای نسوز وجود دارد. علاوه بر مقاومت در برابر اکسیداسیون به استحکام در دمای بالا و مقاومت در برابر کربن دهی می افزاید. کروم عنصری است که باعث میکرو ساختار فریتی می‌شود.

نیکل: نیکل وقتی به این فولادها اضافه می‌شود باعث افزایش خاصیت انعطاف پذیری، استحکام دمای بالا و مقاومت در برابر کربن دهی و نیتروژن دهی می‌شود. نیکل تمایل دارد ساختار اتمی را آستنیتی کند و باعث کاهش حلالیت کربن و نیتروژن در آستنیت می‌شود.

کربن: کربن، مهم‌ترین عنصر تقویت کننده است. کربن، در این فولادها در محدوده مشخصی کنترل می‌شود. بیشتر فولادهای مقاوم در برابر حرارت حاوی 0.05% تا 0.1% کربن هستند. کربن در آلیاژ حل می‌شود و استحکام آن را افزایش می‌دهد. حاصل ترکیبات شیمیایی کربن با عناصر فلزی مانند کروم، مولیبدن، تیتانیوم و نیوبیوم و غیره کاربید این فلزات است .

نیتروژن: نیتروژن، به میزان کمی در این فولادها وجود دارد و در تقویت فولادهای مارتنزیتی و آستنیتی نیز مفید می‌باشد.

سیلیکون: سیلیکون، باعث کاهش حلالیت کربن در فلز می‌شود که یک متغیر مهم در فرآیند ساخت فولاد است. سیلیکون، یک عنصر تقویت کننده بوده و به طور معمول بالاتر از 0.04% است. سیلیکون، باعث افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر جذب نیتروژن برای این فولادها در دمای بالا می‌شود.

گوگرد: این عنصر، ناخالصی محسوب شده و برای قابلیت جوشکاری مضر بوده اما باعث بهبود قابلیت ماشینکاری می‌شود.

فسفر: فسفر، معمولاً یک عنصر نامطلوب در این فولادها است؛ زیرا در مرز دانه ها  تجمع پیدا می کند وباعث شکنندگی می شود.

این عناصر، خواص مکمل فولادها را در دمای بالا بهبود می‌بخشند. بعضی از عناصر برای استحکام و بعضی دیگر برای افزودن مقاومت در برابر اکسیداسیون،افزوده می‌شوند.

کاربردهای فولاد نسوز

استیل نسوز در پره‌های توربین گازی و بخار، ساخت دیگ‌های بخار، گرم‌کننده‌ها، پیچ و مهره‌های مقاوم در برابر خزش، مخازن تحت فشار، مهندسی راکتور، ساخت محفظه‌های عملیات حرارتی، لوله‌های هدایت کننده بخار، شاسی‌های قرارگیری شمش برای کوره‌های نورد، جداره‌های داخلی کوره‌های ذوب فلزات، مشعل‌های روغن، تجهیزات احیای روغن، قطعات گرید کولر کارخانه سیمان ، درتجهیزات کوره های احیاء مستقیم و گندله سازی صنایع فولاد ودر تجهیزات فرآیندهای شیمیایی استفاده می‌شوند. 

نمونه قطعات ریخته گری شده  از جنس فولاد نسوز

مزایای فولاد نسوز یا مقاوم به حرارت

این نوع فولاد مزایای بسیاری دارد که برخی از مهم ترین آنها عبارت است از:

• مقاومت بالا در برابر خستگی و خزش در محدوده دمایی مورد نظر
• مقاومت بالا در برابر خوردگی در دماهای بسیار زیاد
• مقاومت در برابر پوسته پوسته شدن و ایجاد یک لایه اکسیدی
• داشتن ویژگی مقاومت در برابر تنش ناشی از تغییر مداوم دما که در نتیجه منجر به افزایش ریسک پدیده تردی می شود.
• ریزساختار پایدار
• تحمل بار مکانیکی زیاد

معایب فولاد نسوز یا مقاوم به حرارت

• تولید و عرضه کم این نوع فولاد در کارخانه های تولید فولاد
•  قیمت بالای آن

جوشکاری فولادهای نسوز

قابلیت جوشکاری فولادهای نسوز به دلیل وجود آلیاژهای مختلف در آن تفاوت زیادی با سایر آلیاژها دارد.

فریت ها را می توان تحت شرایطی جوشکاری کرد.

آستنیت ها به طور کلی قابل جوشکاری هستند.

معمولاً می توان از تمام روش های معمول جوشکاری برای مثال MIG، MAG، TIG  یا جوشکاری الکترودی استفاده کرد.

فولاد ضدزنگ چیست؟

فولاد ضدزنگ یا به اصطلاح استنلس استیل در ترکیب خود مقدار زیادی کروم دارد. حداقل کروم مصرفی در فولاد ضد زنگ حدود ۱۱ درصد است. این کروم به فولاد ساده خاصیت مقاومت در برابر خوردگی می‌دهد. این فلز با افزودن عناصر دیگر مانند مولیبدن، نیکل و ازت مقاومت خود را در برابر خوردگی و همچنین مقاومت در برابر حرارت را افزایش می‌دهد. برای اینکه این نوع از فولاد بتواند در برابر زنگ‌زدگی از خود واکنش نشان دهد و به خوبی عمل نماید، نباید میزان کروم استفاده شده در آن از این مقدار کمتر باشد. زیرا وجود همین مقدار از کروم در فولاد باعث ایجاد خاصیت ضدزنگ می‌گردد. به عبارت ساده‌تر کروم عنصری می‌باشد که تقویت‌کننده مقاومت فولاد در برابر زنگ زدگی است.

علاوه بر کروم از ترکیبات دیگری به منظور تولید فولاد ضد‌زنگ نیز استفاده می‌نمایند. از جمله این ترکیبات می‌توان به مولیبدن و نیکل اشاره کرد. نیکل به منظور ایجاد انعطاف و افزایش فرم‌پذیری در فولاد ضدزنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. کشف فولاد ضدزنگ به این صورت بود که دانشمندان دریافتند با افزودن حدود ۱۰ الی ۲۰ درصد کروم مقداری نیکل به فولاد موجود، نوعی دیگر از فولاد به دست می‌آید که در برابر اسیدها و زنگ‌زدگی مقاوم هستند. در زندگی روزمره خود با مواردی روبه‌رو می‌شویم که از فولاد تولید شده‌اند؛ مانند لوازم برقی، وسایل ماهی‌گیری و بسیاری دیگر. این نوع از فولاد براق است و به راحتی صیقل داده می‌شود. بدین منظور از فولاد ضدزنگ به عنوان جایگزینی برای نورافکن‌ها و آینه‌ها استفاده می‌کنند. فولاد ضدزنگ نوعی محصول فولادی است که در ترکیب خود دارای مقادیر زیادی کروم بوده و جهت افزایش مقاومت در برابر خوردگی تولید می‌شود. این محصول در انواع متفاوتی عرضه می‌شود که هرکدام کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند.

انواع فولادهای ضدزنگ

فولادهای ضد زنگ بر مبنای ترکیبات شیمیایی و متالوژیکی، معمولا در پنج کلاس مختلف دسته‌بندی می‌شوند:

• مارتنزیتی (Martensitic)
• فریتی (Ferritic)
• آستنیتی (Austenitic)
• آستنیتی- فریتی یا دو فازی (Duplex or ferritic-austenitic)
• رسوب سختی (Precipitation-Hardening or PH)

مارتنزیتی (Martensitic)

این نوع گروهی از آلیاژهای ضد زنگ می باشد که آلیاژ سه‌گانه ‌ای از آهن، کروم و کربن است و ساخته شده تا در برابر خوردگی مقاوم باشد. تمام گریدهای مارتنزیتی، فولادهای کروم دار بدون نیکل هستند به عبارت دیگر در این نوع از فولاد ضدزنگ نیکل وجود ندارد.(لازم بذکر است که اگر درصد کروم بیشتر 13≤Cr% باشد خاصیت ضدسایش و نسوزبودن فولاد بر مقاومت به خوردگی آن غالب می شود و فولادی بدست خواهد آمد که در دما بالاتر از 650 درجه خواص خود را حفظ نموده و مقاوم به خوردگی نیز خواهد داشت، هرچه در صد کروم افزایش یابد  خواص ضدسایش این فولادها در دماهای بالاتر بهبود خواهد یافت .(برای مطالب بیشتر به مقاله فولاد های ضد سایش کروم دار مراجعه شود)). در این  فولاد ها با انجام عملیات حرارتی مناسب می توان خواص مکانیکی را بهبود داد. میزان کروم موجود در این فولاد می‌تواند از ۱۱ تا ۱۸ درصد باشد و همچنین مقدار یک درصد نیز کربن دارد. استحکام، سختی و مقاومت در برابر خستگی در این نوع از استنلس استیل بالا است. از نظر انعطاف‌پذیری و استحکام در سطح خوبی قرار دارد، ولی در برابر خوردگی مقاومت متوسطی را داراست؛ به طور کلی نسبت به سایر انواع فولادهای ضد زنگ، از مقاومت کمتری در برابر خوردگی برخوردارند،همچنین مغناطیسی بوده واز قابلیت جوش و شکل‌پذیری پایینی برخوردارند. معمولا برای ساخت شیرآلات، فنرها، و قطعات ضد سایش در دماهای بالاتر از دمای محیط ، از فولاد ضد زنگ مارتنزیتی استفاده می‌کنند.

قطعه ریخته گری شده از جنس فولاد ضدزنگ مارتنزیتی

فریتی (Ferritic)

به طور کلی فولادهای فریتی مقدار کروم بالاتری نسبت به فولادهای مارتنزیتی دارد و به طور نرمال درصد کروم آن بین ۱۱ تا ۳۰ درصد وزنی است. اما درصد نیکل آن یا خیلی کم است و یا بدون نیکل است. ساختار کریستالی این نوع فولاد Bcc است و این فولادها مغناطیسی بوده اما عملیات حرارتی‌پذیر نمی‌باشند. فولادهای ضد زنگ فریتی از مقاومت حرارتی و خوردگی خوبی برخوردار هستند اما به طور خاص و ویژه‌ای از مقاومت بالایی در برابر خوردگی مواد کلراید برخوردار است. از جمله کاربرد این نوع از فولادهای ضد زنگ عبارتند از: اگزوز خودرو، لوازم خانگی.

ساختارمیکروسکوپی فولاد ضدزنگ حاوی فریت پرلیت

قطعه ریخته گری شده از جنس فولاد ضدزنگ فریتی

آستنیتی (Austenitic)

فولادهای ضد زنگ آستنیتی حاوی حداقل ۱۶ درصد کروم و سه درصد نیکل هستند. این فولاد ضد زنگ بیشترین میزان استفاده را در بین سایر فولادهای ضدزنگ دارد. حدود ۸۰ درصد فولاد ضد زنگ در بازار جهان به فولاد آستنیتی اختصاص پیدا کرده است. حداقل نیکل مصرفی در این نوع، حدود 7 درصد بوده و همین امر باعث شده تا در دماهای بالا انعطاف‌پذیر و مقاوم باشند. شرایط آن از نظر جوشکاری کاملا مساعد است و در محیط‌های مختلف مانند آب دریا و محیط‌های اتمسفری کاربرد دارد. به دلیل مقدار بالای کروم و نیکل، بیشترین مقاومت در برابر خوردگی را نسبت به دیگر انواع فولادهای ضد زنگ دارند. به طور کلی فولادهای ضد زنگ آستنیتی غیرمغناطیسی هستند و با استفاده از عملیات حرارتی سخت نمی‌شوند اما می‌توان با عملیات کارسرد(cold working) به میزان قابل توجهی سختی یا استحکام آن‌ها را بالا برد. فولاد ضد زنگ آستنیتی بیشترین قابلیت جوشکاری را در میان انواع دیگر فولاد ضد زنگ دارند و می‌توانند به سه گروه تقسیم شوند:

• کروم- نیکل معمولی (رایج) یا سری ۳۰۰
• منگنز- کروم- نیکل- ازت یا سری ۲۰۰
• آلیاژهای ویژه

از جمله کاربردهای این نوع از فولاد ضدزنگ می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

دیگ بخار،  قطعات ضد سایش ونسوز صنایع سیمان و صنایع فولاد ،صنعت هوانوردی، قطعات الکترونیکی، تجهیزات راه‌آهن، مخازن شیمیایی، سیستم‌های گرمایشی، تجهیزات کوره، مبدل‌های حرارتی، لوله، اجاق گاز، سینک ظرف‌شویی، سقف ساختمان، ناودانی، در و پنجره، و…

قطعه ریخته گری شده از جنس فولاد ضدزنگ آستنیتی

آستنیتی- فریتی یا دو فازی (Duplex or ferritic-austenitic)

ترکیبی از فولادهای ضد زنگ فریت و آستنیتی می باشد؛ به عبارت دیگر دارای ریزساختاری است که از تقریبا ۵۰ درصد Ferritic و ۵۰ درصد Austenitic تشکیل شده و در مقایسه با آستنیت، مقاومت بیشتری در برابر ترک خوردگی– تنشی و خوردگی دارد. فولادهای super duplex  در مقایسه با فولادهای آستنیتی استحکام و مقاومت بیشتری به انواع  خوردگی دارند. مغناطیسی بوده اما نه به اندازه Ferritic)، قابل جوشکاری هستند و شکل‌پذیری متوسطی هم دارند. از موارد استفاده این نوع از فولاد ضدزنگ می‌توان به قطعات مبدل حرارتی اشاره کرد.

میکرو ساختار فولاد های دوفازی

رسوب سختی (Precipitation-Hardening or PH)

فولاد سخت‌گردان رسوبی علاوه بر کروم و نیکل، به میزانی مس، تیتانیوم و مولیبدن نیز در خود دارد. این نوع از فولادهای ضد زنگ انعطاف‌پذیری بالایی داشته و در برابر خوردگی نیز مقاوم هستند،همچنین ازاستحکام بالایی در دماهای بالا برخوردارند. این فولادها می‌توانند با افزودن عناصری مانند مس، Niobium و آلومینیوم مقاومت خود را بسیار افزایش دهند. مقاومت در برابر خوردگی این نوع را می‌توان با فولادهای آستنیتی استاندارد مانند ۳۰۴ مقایسه کرد. از جمله کاربرد‌های این نوع از استنلس استیل می‌توان به استفاده از آن‌ها در قطعات فضایی و هواپیما اشاره نمود.

مزیت‌های فولاد ضد زنگ

• مقاومت بیشتر در برابر خوردگی تمام فولادهای ضد زنگ از آلیاژهای آهن هستند که دارای حداقل حدود ۱۰٫۵ درصد کروم می‌باشند. کروم موجود در آلیاژ یک لایه اکسید محافظ خود ترمیم‌کننده را تشکیل می‌دهد. این لایه اکسید باعث همان مقاومت در برابر خوردگی فولاد ضد زنگ می‌شود. حتی اگر این لایه از بین برود، می‌تواند خود را ترمیم کرده و همچنان در برابر خوردگی مقاوم بماند.
• مقاومت دربرابرافزایش دما   
• انعطاف‌پذیری بیشتر
• استحکام و سختی بالاتر
• عدم نیاز به پوشش محافظ در مقابل فولادهایی با کربن معمولی، با پوشش‌هایی مانند گالوانیزه در برابر خوردگی محافظت می‌شوند.

کاربردهای فولاد ضدزنگ

فولاد ضدزنگ به تنهایی نام یک نوع فولاد نیست بلکه نام خانواده‌ای از فولادهای مقاوم در برابر خوردگی است. این فولاد به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی و دوام خوب یکی از مهم‌ترین فلزات موجود در بازار است. اگرچه عرضه تجاری آن به بازار کمتر از یک قرن پیش اتفاق افتاده است، ولی به سرعت به یکی از مهم‌ترین یا اساسی‌ترین فلزات تبدیل شده و تقریبا هر صنعتی را از معماری و مهندسی گرفته تا علوم پزشکی شامل می‌شود.

از جمله کاربردهای این نوع از فولاد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

مصارف خانگی:

• کارد و چنگال، ظروف غذاخوری و سایر وسایل مشابه
• سینک ظرف‌شویی
• قابلمه و وسایل آشپزی
• اجاق گاز و باربیکیو
• مبلمان منزل

مصارف شهری:

• کیوسک تلفن
• نمای ساختمان
• آسانسور و پله برقی
• مترو و زیرساخت ایستگاه‌های آن

مصارف صنعتی:

• تجهیزات برای تولید مواد غذایی و دارویی
• قطعات موتور اتومبیل و هواپیما
• تانکرهای سوخت و شیمیایی
• قطعات مقاوم در دماهای بالا (قطعات نسوز)
• قطعات مقاوم به انواع سایش ها (قطعات ضد سایش)

تاثیر عناصر آلیاژی بر روی فولاد ضد زنگ

• آلیاژ کروم که به عنوان اصلی‌ترین آلیاژ فولاد ضد زنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد دارای خاصیت ضدخوردگی است. برای استفاده از این آلیاژ آن را با اکسیژن واکنش داده، اکسید کروم بوجود آمده را روی سطح مقاطع فولادی مورد نظر می‌زنند. برای اینکه لایه‌ی پوشاننده از مقاومت بالایی برخوردار باشد، حداقل از 11 درصد کروم استفاده می‌شود.
• دومین عنصرآلیاژی مورد استفاده برای تولید فولاد ضدزنگ، نیکل است. نیکل نیز به منظور حصول خواص خوردگی مناسب به خصوص در محیط اسید سولفوریک اضافه می گردد. زمانی که لایه مقاوم تخریب و یا از بین رود حضور نیکل به منظور ایجاد مقاومت به خوردگی ضروری است. نیکل همچنین از طریق استحکام دهی محلول جامد سبب افزایش استحکام فولاد می شود.
• مولیبدن به منظور مقاومت به خوردگی شیاری در محیط های کلریدی و مقاومت به خوردگی حفره ای به فولاد ضدزنگ اضافه می‌شود. همچنین تمایل لایه اکسیدی به تجزیه را کاهش می دهد.
• منگنزبرای تشکیل ترکیبات اکسیدی و سولفیدی به منظور بهبود مقاومت نسبت به اکسیداسیون و جلوگیری از تشکیل ناخالصی های سولفیدی که عامل پارگی داغ است، به فولاد ضدزنگ عنصرآلیاژ منگنز را اضافه می‌کنند.
• کربن ، گریدهای مختلف استنلس استیل مقاوم در برابر خوردگی و مقاوم در برابر حرارت وسایش را با توجه به میزان کربن آنها مشخص می کند. استنلس استیل باید کربن کمی داشته باشد تا در محیط های خورنده عملکرد خوبی از خود نشان دهد. بنابراین، محتوای کربن بیشتر باعث بهبود استحکام و میزان مقاومت در شرایط دما بالا می شود.
• عنصر نیتروژن برای اینکه محصول نهایی در برابر خوردگی‌های موضعی، خوردگی بین دانه‌ای و حفره دار شدن مقاوم باشد  به ترکیبات اضافه شده است. این آلیاژ به خصوص در ترکیب با فولادهای کم کربن باعث بوجود آمدن استحکام بسیار بالا می‌شود. نیتروژن قیمت پایینی را دارا بوده و می‌تواند به عنوان جایگزین نیکل در ترکیبات فولاد ضدزنگ اضافه شود.

ریخته گری فولاد ضد زنگ

میان انواع فولاد ضدزنگ کار شده و ریخته گری شده، تفاوت هایی وجود دارد. این موضوع به دلیل ترکیب شیمیایی و ساختار ریز دانه آنها است که تحت تأثیر نحوه تولید، ریخته گری یا اکسترود مواد (فشرده سازی) قرار گرفته است. این عوامل هنگام انتخاب آلیاژ برای پروژه ریخته گری فولاد ضد زنگ باید مورد توجه قرار گیرند.

Ni%	Cu%	Mo%	Cr%	S%	P%	Mn%	Si%	C%	DIN-ED
3.5-5.5	*	*	26.0-28.0	0.030>,=	0.045>,=	1.50>,=	0.20>,=	0.30-0.50	1.4340
5.5-7.5	*	*	25.0-27.0	0.030>,=	0.045>,=	1.50>,=	1.50>,=	0.08>,=	1.4347
11.5-13.5	*	2.5-3	16.5-18.5	0.030>,=	0.045>,=	2.00>,=	2.00>,=	0.07>,=	1.4537
19.0-21.0	1.8-2.4	2-2.5	16.5-18.5	0.030>,=	0.045>,=	2.00>,=	1.50>,=	0.08>,=	1.4548

مشخصات فولاد ضدزنگ ریخته گری

یکی از اساسی ترین مشکلاتی که صنعت با آن مواجه هست و رفع آن نیاز به دانش و اطلاعات کاربردی فروانی دارد، پدیده سایش می باشد. لغزش یک ماده یا یک سطح روی سطحی دیگر که در واقع یک کار مکانیکی محسوب می شود، باعث کنده شدن ذرات موجود در سطح گشته و سایش سطحی را بوجود می آورد.

تعریف سایش  (Wear) 

سایش عبارت است از کاهش و از بین رفتن تدریجی ماده درحین عملیات مکانیکی متقابل اجسام بر سطوح یکدیگر، لذا از بین رفتن تدریحی سطوح فلزی در شرایط کاری معمولا به پدیده سایش نسبت داده می شود. عواملی همچون متغيرهاي متالورژيكي نظير سختي، چقرمگي و ساختار ميكروسكوپي و تركيب شيميايي و همچنین مواد در حال تماس (نظير ساينده ها و مشخصات آنها ) نوع و روش بارگذاري، سرعت، دما، زمان، خشونت سطحي، روانكاري و خوردگي بروی پدیده سایش تاثیر گذار هستند.

تصویر میکروسکوپی  سطح ساییده شده فولادی

مقاومت به سایش

بدلیل ماهیت سایش، روش جامعی برای سنجش مقاومت به سایش مواد وجود ندارد، ASTM  مقدار کاهش حجم ماده رامبنای سنجش قرار می دهد. در نظرگرفتن حجم کاسته ‌شده بجای جرم، معیار دقیق‌تری ا‌ست به ویژه هنگامی که مقایسه مقاومت به سایش چند ماده باچگالی‌های متفاوت مد نظر باشد.

مکانیزم های سایش

1. سایش خراشان  Abrasive wear :

سایش خراشان زمانی رخ می‌دهد که یک سطح سخت و زبر در مقابل یک سطح نرم تر می لغزد ASTM .سایش خراشان را کاهش جرم مواد به سبب حرکت ذرات سخت در سطح لغزش تعریف می‌کند . شکل 1 فرآیند های متداول برای سایش خراشان را نشان می دهد. شوتها، سیستم های هیدرولیکی با ذرات معلق، اکسترودرها، سنگ شکن ها و قالب های متالورژی پودر از جمله مثال های سایش خراشان می باشند. در این نوع سایش نوع مواد، اندازه ذرات و زاویه برخورد تاثیر زیادی دارد.اگر سایش بین دو جسم ایجاد شود سایش دو جسمی نامیده می شود (شکل 2). در این حالت سایش به علت زبری جسم سخت بر جسم نرم ایجاد می گردد. برای مثال حرکت ماسه بر سطوح شوت ها سایش دو جسمی می باشد.

اگر سایش توسط جسم سخت بین دو جسم نرم تر ایجاد شود سایش سه جسمی نامیده می شود(شکل 2). سایش در اکسترودرها و سنگ شکن های فکی از نوع سه جسمی است.

براساس بررسی های انجام شده، سایش خراشان می تواند بسته به نسبت سختی ماده ساینده به سختی ماده تحت سایش شدید یا ضعیف دسته بندی شود.همگن یا ناهمگن بودن خواص و ساختار ماده تحت سایش نیز در شدت سایش موثر می باشد. برای مثال فولاد های مارتنزیتی به عنوان ماده همگن و چدن های پر کروم به علت وجود کاربید ها ناهمگن در نظر گرفته می شوند.

1. سایش چسبان : Adhesive wear

این سایش حاصل اتصال میکروسکوپی سطوح و جوش خوردن زبری ها در سطح جسم مقابل می باشد. نیروی وارد شده به اندازه ای است که زبری ها در هم فرو رفته، تغییر شکل داده و به هم جوش می خورند سپس حرکت اجسام باعث پاره شدن اتصال های میکروسکوپی می گردد در نهایت مقداری از ماده توسط جسم مقابل کنده می شود.

1. سایش خورندهCorrosive Wear

سایش ممکن است توسط خوردگی یا اکسید شدن در سطوح در تماس با هم تسریع گردد. جدا شدن پوسته های اکسیدی سخت و اکسید شدن مداوم باعث ایجاد شرایط سایش سه جسمی نیز می گردد.

• سایش فرسایشی Erosive wear 

این سایش به علت پرتاب شدن ذرات به سطح ایجاد می گردد. به صورتی که به علت انرژی حرکتی مقداری از ماده را از سطح جدا می کند.

انواع سایش طبق نظریه AVERY توسط مواد ساینده

1. سایش تحت تنش های پایینLow Stress Abrasion  
2. سایش تحت تنش های بالا و یا آسیاب کردن Grinding Wear or High Stress Abrasion
3. سایش در اثر کنده شدن مواد Gouging Wear
4. سایش تحت ضربه stroking wear

سایش تحت تنش های پایین

این نوع سایش هنگامی اتفاق می افتد که مواد ساینده بطورآزاد روی سطح مورد نظر حرکت نمایند. دراین حالت، تنش های اعمال شده توسط ذرات ساینده خرد نشده و نیز میزان تغییر شکل روی سطح حداقل بوده و تنها خراشهای سطحی دیده می شود. این نوع سایش در تجهیزات انتقال مواد جامد نظیر ناودانی ها، بونکرها، سرندهای ویبره ای و غیره مشاهده می گردد.

سایش تحت تنش های بالا یا آسیاب کردن

این نوع سایش هنگامی اتفاق می افتد که دو سطح در حضور ذرات ساینده ای که بین آنها قرار می گیرند، روی هم حرکت نموده و یا باراز یک سطح به سطح دیگر اعمال می شود. بار اعمال شده نسبت به کل سطح، کم می باشد، اما تنش های موازی اعمال شده بر ذرات بقدری بالا است که ذرات ساینده را خرد می نماید و در صورت پایین بودن استحکام تسلیم یا سختی سطوح، موجب تغییر شکل پلاستیک شده و سبب بروز ترک های ریز و خراش در سطوح می شود. این نوع سایش در صنعت سیمان نظیر آستر آسیابهای گلوله ای (Ball Mill Liners) و گلوله های آسیاب مشاهده می گردد.

سایش در اثر کندگی

این نوع سایش هنگامی اتفاق می افتد که ذرات ساینده نظیر کلوخه های ساینده با چنان ضربه ای به سطوح مورد نظر برخورد می نمایند که ذرات درشت از سطوح سایشی کنده شده و در نتیجه شیارهای عمیق روی سطوح بوجود می آید. این نوع سایش در خطوط انتقال کلوخه های بزرگ، خرد کننده های فکی (Jaw Crushers) و غیره مشاهده می گردد.

سایش در اثر ضربه

در این نوع سایش بر خلاف سایش در اثر کندگی، عملی که عمدتاً سبب سایش میشود بجای حرکت ذرات ساینده روی سطوح، ضربه های وارد شده توسط ذرات ساینده می باشد. به عبارتی دیگر تمایز این نوع سایش با سایش دراثر کندگی از جهت اعمال نیروهای ضربه ای بالاتر می باشد. مکانیزم عمل این نوع سایش بصورت ایجاد خطوطی در سطوح و نهایتا ً کندگی در مقیاس میکروسکوپی می باشد. این نوع سایش در چکش های خردکننده سنگ های معدنی مشاهده می گردد.