چدن چکش خوار (Malleable Cast Iron)

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:

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.