چدن های آلیاژی نسوز

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.

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.

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.