جستجو در تالارهای گفتگو

Cast Gray Iron چدن های خاکستری آلیاژها، ریز ساختار، انجماد و عملیات حرارتی (1) (2)

در میان آلیاژهای صنعتی، چدنها متنوعترین خواص مکانیکی را با ارزانترین قیمت دارا می باشند. استفاده کامل از دامنه وسیع خواص مزبور مستلزم بررسی دقیق اثرات و نتایج حاصل از اعمال روشهای مختلف عملیات حرارتی بر روی ساختمان و خواص چدنها می باشد. از جمله اهداف عملیات حرارتی چدنها عبارتند از: برطرف کردن تنشهای داخلی بهبود قابلیت ماشینکاری افزایش انعطاف پذیری و تافنس ضربه. افزایش استحکام و مقاومت به سایش. روشهای مختلف عملیات حرارتی چدنها و فولادها، همچنین واژه های استفاده شده در مورد آنها بسیار شبیه به یکدیگر می باشند، اما پنج اختلاف اساسی و مهم بین آنها وجود دارد که عبارتند از: 1- در فولادها، درصد کربن مهمترین پارامتر تعیین کننده درجه حرارت سخت کردن است، درحالی که در چدنها، سیلیسیم عنصر اصلی تعیین کننده محدوده حرارتی فوق می باشد. سیلیسیم محدوده حرارتی بحرانی چدنها را در مقایسه با فولادهای پرکربن افزایش می دهد. از اینرو، به منظور آستنیته شدن کامل درجه حرارت سخت کردن چدنها باید نسبتاً بالا و با توجه به درصد کربن زمینه و درصد سیلیسیم انتخاب شود. 2- چدنها اغلب حاوی مقدار قابل ملاحظه ای منگنز و عناصر آلیاژی دیگر می باشند. در نتیجه از سختی پذیری بالائی برخوردار بوده، بنحوی که اغلب به جای کوئنچ کردن در آب، آنها را در روغن و یا هوا سرد می کنند. 3- قطعات ریختگی اغلب دارای اشکال پیچیده ای بوده که می تواند موجب مشکلات در عملیات حرارتی آنها شود. بر خلاف مقاطع نازک و قسمتهای خارجی که سریع گرم می شوند، مقاطع ضخیم و قسمتهای داخلی براحتی گرم نمی شوند. از اینرو سرعت گرم کردن و زمان نگهداری در درجه حرارت سخت کردن باید بنحوی تنطیم شود که مناسب با شکل پیچیده قطعه باشد. 4- همچنین در ضمن سریع سرد کردن، شکل پیچیده قطعه می تواند منجر به خسارت دیدن آن شود، بدین صورت که تنشهای داخلی زیادی در قطعه به وجود آید و یا اینکه حتی قطعه بشکند. به منظور حذف تنشهای داخلی و احتمال ترک خوردن، بلافاصله پس از کوئنچ کردن باید عملیات حرارتی تمپر کردن بر روی قطعه انجام گیرد. 5- در موقع عملیات حرارتی در کوره های الکتریکی با اتمسفر خنثی نظیر نیتروژن، اکثر قطعات چدنی قادر هستند که اتمسفر محافظ مورد نیاز برای خود را تولید کنند. معهذا در کوره های شعله ای، قطعات چدنی براحتی اکسیده ویا دی کربوره می شوند. قطعات چدنی که شدیداً اکسیده شده باشند می توانند مسئله آفرین باشند، زیرا اکسید تشکیل شده بر روی چدن معمولاً بسیار چسبنده بوده و موجب سایش و خسارت دیدن ابزارهای برش خواهد شد. همانگونه که اشاره شد، سیلیسیم در چدنها، اثر قابل ملاحظه ای بر روی درجه حرارتهای بحراتی دارد، این مطلب برای حالت سرد شدن در شکل زیر نشان داده شده است. در حقیقت سیلیسیم باعث می شود که انجماد، ذوب و نحوه سرد و گرم شدن چدنها از سیستم سه تائی Fe-C-Si پیروی کند. از اینرو استحاله یوتکتوئیدی در چدنها به جای درجه حرارت ثابت، در یک محدوده حرارتی انجام می گیرد. وسعت محدوده حرارتی فوق بستگی به درصد سیلیسیم چدن دارد. در صورتی که منحنیهای شکل زیر به اندازه 33 درجه سانتیگراد (60 درجه فارنهایت) به بالا تغییر مکان داده شوند، منحنیهای مربوط به گرم کردن چدنها به دست می آید. اثر درصد سیلیسیم بر روی محدود حرارتی بحرانی برای چدنهای چکشخوار، خاکستری و نشکن در شرایطی که با سرعتی معادل 5 درجه سانتیگراد (9 درجه فارنهایت) بر ساعت سرد شوند. علاوه بر سیلیسیم عناصر آلیاژی دیگر نظیر منگنز، فسفر، نیکل، مس و... دماهای بحرانی را تغییر می دهند. فسفر و کرم همانند سیلیسیم عمل می کنند، در حالی که نیکل و منگنز باعث کاهش دماهای بحرانی خواهند شد. در این بخش ابتدا اصول کلی و کاربرد روشهای مختلف عملیات حرارتی چدنها مورد بررسی قرار گرفته و سپس عملیات حرارتی انواع چدنها، نظیر چدن خاکستری، چدن نشکن و... مطالعه خواهند شد.

مقدمه چدنها در مقایسه با فولادهای كربنی دارای قابلیت جوشكاری كم و محدود تری هستند . در میان چدن ها ، چدن با گرافیت كروی بهترین جوشپذیری را دارا است و بعد از آن چدن چكش خوار قرار دارد . جوشكاری چدن خاكستری به مهارت و توجه ویژه نیاز دارد و چدن خاكستری را به دشواری زیاد می توان جوشكاری كرد. با این ملاحظات دامنه جوشكاری چدنها بسیار محدود می شود و صرفا به تعمیر و اصلاح قطعات ریخته شده و قطعات فرسوده و شكسته شده منحصر می گردد . علت های جوش پذیری محدود چدن ها به علت زیادی كربن در فلز مبنا ، سیكل جوشكاری باعث ایجاد كاربیدهایی در منطقه فلز جوش و تشكیل فاز مارتنزیت پركربن در HAZ منطقه متاثر از حرارت می شود . هر دوی این ریز ساختار ها شكننده بوده و باعث ایجاد ترك در حین جوشكاری و یا بعد از آن می شود . این مطلب در مورد تمامی چدن ها مصداق دارد. همچنین به علت ضعف چقرمگی، چدن ها قابلیت تغییر شكل پلاستیكی را ندارند و از این رو نمی توانند تنش های حرارتی ایجاد شده جوشكاری را تحمل كنند. هر چه نرمی چدن بهبود یافته باشد احتمال ترك خوردگی آن كاهش می یابد . لذا چدن چكش خوار و چدن با گرافیت كروی كمتر از چدن خاكستری ترك خواهند خورد. شكنندگی منطقه HAZ به میزان و سهولت حل شدن گرافیت در آستنیت در حین جوشكاری بستگی پیدا میكند . در مورد چدن خاكستری كه دارای پولك های گرافیتی با سطح رویه نسبتا وسیعی می باشند ، انحلال این نوع گرافیت در آستنیت به سهولت انجام می شود . در حالیكه در مورد چدن با گرافیت كروی ، چون نسبت حجم رویه به حجم كره گرافیت كم می باشد بنابراین مقدار گرافیت كمتری در آستنیت حل میگردد و در نتیجه كاربید های درشت كمتری و مارتنزیت كم كربن تری در منطقه HAZ تشكیل میشود . این مطلب گواه دیگری بر قابلیت بهتر جوش پذیری چدن با گرافیت كروی در مقایسه با سایر انواع چدن هاست. برای اجتناب از تمایل منطقه حرارت پذیرفته به ترك خوردن لازم است كه قطعه چدنی را در موقع جوشكاری با قوس برقی با انرژی حرارتی كم جوشكاری نمود . زیرا این روش باعث كاهش پهنای منطقه سخت و شكننده كنار فلز جوش می شود . برای غلبه بر سختی و تردی منطقه حرارت پذیرفته اعمال تدابیری نظیر پیش گرمایش و خنك كردن تدریجی قطعه جوشكاری شده ضرورت دارد. در مورد جوشكاری چدن با قوس برقی دامنه درجه حرارت پیش گرم از درجه حرارت محیط كارگاه تا 300 درجه سانتی گراد توصیه میشود . این حرارت برای جوشكاری با استیلن در محدوده 450-650 درجه سانتی گراد قرار دارد . چدن خاكستری به حرارت پیش گرم بیشتری زیادتری و چدن با گرافیت كروی و چدن چكش خوار به درجه حرارت پیشگرم كمتری نیاز دارند. درجه حرارت پیش گرم و محدوده آن به نوع چدن ، اندازه قطعه ، روش جوشكاری ، نوع الكترود و مقدار فلز جوشی كه باید رسوب داده شود بستگی پیدا می كند. در مورد قطعات حساس ریختگری چدنی ، درست پس از خاتمه جوشكاری عملیات تنش زدایی از طریق حرارت دهی قطعه تا حدود 600 درجه سانتی گراد و نگهداری در این حرارت بمدت كافی صورت می پذیرد جوشكاری چدن خاكستری قطعات ریختگی چدن خاكستری به منظور اتصال به یكدیگر، تصحیح عیوب ریخته گری و انجام تعمیرات جوشكاری می شوند. جوشكاری همچنین برای ایجاد سطوح مقاوم به خوردگی یا سایش، در قطعات ریختگی چدنی و نیز برای بازسازی سطوح خورده شده به كار می رود.به دلیل وجود كربن زیاد در چدن، انجماد سریع چدن مذاب حین جوشكاری می تواند سبب تشكیل كاربیدهای سخت آهن و استحاله فازی شود. كاربرد فنون صحیح جوشكاری می تواند هر دو این مشكلات را یا به حداقل رسانیده یا حذف كند. فرآیندهای جوشكاری بسته به اینكه فلز زمینه در فرآیند جوش ذوب شود یا نه به دو دسته ی جوشكاری ذوبی (Fusion Welding) و غیر ذوبی طبقه بندی می شوند. منبع حرارتی در فرآیند ذوبی یك مشعل اُكسی استیلن و ماده پركننده آلیاژی با مبنای نیكل و آهن است. بعضی قطعات ریختگی چدنی در برخورد با ماده پركننده ذوب می شوند و در این محل بین فلز ریختگی و ماده پركننده تداخل ایجاد می شود. در جوشكاری غیر ذوبی قطعه ی ریختگی ذوب نمی شود. در دمایی كمتر از دمای ذوب چدن فلز پركننده ذوب می شود و توسط نفوذ، با چدن جامد داغ مخلوط می شود.آلیاژهای برنز و برنج با مبنای مس، و سایر آلیاژهای غیر آهنی به عنوان فلز پركننده به كار برده می شوند. حرارت لازم برای جوشكاری غیر ذوبی توسط یك مشعل و یا كوره ایجاد می شود. برای روشهای جوشكاری ذوبی و غیر ذوبی چدنها، دامنه وسیعی از مواد پركننده آهنی و غیر آهنی وجود دارد. مواد پركننده ی مخصوص مورد مصرف در جوشكاری چدنها در جدول زیر ذكر شده اند. عوامل موثر بر كیفیت جوش فرآیندهای جوش شامل بردن جوش و فلز مجاور آن به یك فرآیند گرم و سرد شدن است كه به نحو مشهودی بر ساختار و خواص اتصالات جوش داده شده تأثیر می گذارند. قسمتهایی از جوش كه توسط این فرآیند سرد و گرم شدن تغییر می كنند به طور معمول به حوضچه ذوب، ناحیه ذوب جزئی و ناحیه تحت تأثیر حرارت موسومند. ممكن است دربعضی فرآیندهای جوشكاری هر سه ناحیه مشاهده شوند در صورتی كه در یك فرآیند دیگر ممكن است فقط یك ناحیه مشاهده شود.

آهن و آلیاژهای آهنی آهن به عنوان یک عنصر خالص، فلزی مناسب برای استفاده های صنعتی به شمار نمی رود. برای تولید فولاد و چدن مقدار کمی عنصر کربن و عناصر فلزی دیگر به آهن خالص اضافه می شود. فرق اساسی بین فولاد و چدن در میزان کربن موجود در آنها است. کربن موجود در فولاد بین صفر تا 2 درصد و کربن موجود در چدن از 2 تا 6.67 درصد است. دیگر عناصر آلیاژی مانند منگنز و کروم به فولاد خصوصیات دیگری مانند مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برار خوردگی و ... را می دهد. فولاد فلز شناخته شده ای برای مردم است و مصارف زیادی در صنعت دارد. خصوصیات آهن و آلیاژهای آن در در جداول زیر نشان داده شده است.