در مورد نقش هر عنصر در چدن خاکستری صحبت کنید

 

نقش عناصر پرکاربرد در چدن خاکستری

1. کربن و سیلیکون: کربن و سیلیکون عناصری هستند که به شدت گرافیت را ترویج می کنند. معادل کربن را می توان برای نشان دادن اثرات آنها بر ساختار متالوگرافی و خواص مکانیکی چدن خاکستری استفاده کرد. افزایش معادل کربن باعث درشت شدن ورقه های گرافیت، افزایش تعداد و کاهش استحکام و سختی می شود. برعکس، کاهش معادل کربن می تواند تعداد گرافیت ها را کاهش دهد، گرافیت را تصفیه کند و تعداد دندریت های آستنیتی اولیه را افزایش دهد و در نتیجه خواص مکانیکی چدن خاکستری را بهبود بخشد. با این حال، کاهش معادل کربن منجر به کاهش عملکرد ریخته‌گری می‌شود.

2. منگنز: منگنز خود عنصری است که کاربیدها را تثبیت می کند و مانع از گرافیت شدن می شود. دارای اثر تثبیت و تصفیه پرلیت در چدن خاکستری می باشد. در محدوده منگنز 0.5% تا 1.0% افزایش مقدار منگنز منجر به بهبود استحکام و سختی می شود.

3. فسفر: هنگامی که میزان فسفر در چدن از 0.02% بیشتر شود، ممکن است یوتکتیک فسفر بین دانه ای ایجاد شود. حلالیت فسفر در آستنیت بسیار کم است. هنگامی که چدن جامد می شود، فسفر اساساً در مایع باقی می ماند. هنگامی که انجماد یوتکتیک تقریباً کامل شد، ترکیب فاز مایع باقیمانده بین گروه‌های یوتکتیک نزدیک به ترکیب یوتکتیک سه تایی است (Fe-2٪، C-7٪، P). این فاز مایع در حدود 955 درجه سانتیگراد جامد می شود. وقتی چدن جامد می شود، مولیبدن، کروم، تنگستن و وانادیم همگی در فاز مایع غنی از فسفر جدا می شوند و مقدار یوتکتیک فسفر را افزایش می دهند. هنگامی که میزان فسفر در چدن زیاد باشد، علاوه بر اثرات مضر خود یوتکتیک فسفر، عناصر آلیاژی موجود در زمینه فلزی را نیز کاهش می دهد و در نتیجه اثر عناصر آلیاژی را تضعیف می کند. مایع یوتکتیک فسفر در اطراف گروه یوتکتیک که جامد می شود و رشد می کند، نرم است و در طول انقباض انجماد به سختی می توان آن را دوباره پر کرد و ریخته گری تمایل بیشتری به انقباض دارد.

4. گوگرد: سیالیت آهن مذاب را کاهش می دهد و تمایل قطعات ریخته گری به ترک خوردن داغ را افزایش می دهد. این یک عنصر مضر در ریخته گری است. بنابراین، بسیاری از مردم فکر می کنند که هر چه میزان گوگرد کمتر باشد، بهتر است. در واقع، هنگامی که محتوای گوگرد ≤0.05٪ باشد، این نوع چدن برای تلقیح معمولی که ما استفاده می کنیم، کار نمی کند. دلیل آن این است که تلقیح خیلی سریع از بین می رود و اغلب لکه های سفید در ریخته گری ظاهر می شود.

5. مس: مس رایج ترین عنصر آلیاژی اضافه شده در تولید چدن خاکستری است. دلیل اصلی این است که مس دارای نقطه ذوب پایین (1083 ℃) است، به راحتی ذوب می شود و اثر آلیاژی خوبی دارد. توانایی گرافیتی شدن مس حدود 1/5 سیلیکون است، بنابراین می تواند تمایل چدن را به ریختگی سفید کاهش دهد. در عین حال، مس نیز می تواند دمای بحرانی تبدیل آستنیت را کاهش دهد. بنابراین، مس می تواند باعث تشکیل پرلیت، افزایش محتوای پرلیت، و پالایش پرلیت و تقویت پرلیت و فریت در آن شود و در نتیجه سختی و استحکام چدن را افزایش دهد. با این حال، هر چه مقدار مس بیشتر باشد، بهتر است. مقدار مناسب مس اضافه شده 0.2٪ تا 0.4٪ است. هنگام افزودن مقدار زیادی مس، افزودن همزمان قلع و کروم برای عملکرد برش مضر است. باعث می شود مقدار زیادی ساختار سوربیت در ساختار ماتریس تولید شود.

6. کروم: اثر آلیاژی کروم بسیار قوی است، عمدتاً به این دلیل که افزودن کروم تمایل آهن مذاب را به ریخته گری سفید افزایش می دهد و ریخته گری به راحتی جمع می شود و در نتیجه باعث ضایعات می شود. بنابراین میزان کروم باید کنترل شود. از یک طرف، امید است که آهن مذاب حاوی مقدار مشخصی کروم باشد تا استحکام و سختی ریخته گری را بهبود بخشد. از طرف دیگر، کروم در حد پایین به شدت کنترل می شود تا از انقباض ریخته گری و افزایش نرخ ضایعات جلوگیری شود. تجربه سنتی معتقد است که وقتی محتوای کروم آهن مذاب اصلی از 0.35٪ بیشتر شود، تأثیر مرگباری بر ریخته‌گری خواهد داشت.

7. مولیبدن: مولیبدن یک عنصر ترکیبی معمولی و یک عنصر تثبیت کننده پرلیت قوی است. می تواند گرافیت را تصفیه کند. هنگامی که ωMo<0.8٪، مولیبدن می تواند پرلیت را تصفیه کرده و فریت را در پرلیت تقویت کند، در نتیجه به طور موثر استحکام و سختی چدن را بهبود می بخشد.

چند مسئله در چدن خاکستری باید مورد توجه قرار گیرد

1. افزایش گرمای بیش از حد یا افزایش زمان نگهداری می تواند باعث ناپدید شدن هسته های ناهمگن موجود در مذاب شود یا اثربخشی آنها را کاهش دهد و تعداد دانه های آستنیت را کاهش دهد.

2. تیتانیوم دارای اثر تصفیه آستنیت اولیه در چدن خاکستری است. زیرا کاربیدهای تیتانیوم، نیتریدها و کربنیتریدها می توانند به عنوان پایه ای برای هسته سازی آستنیت عمل کنند. تیتانیوم می تواند هسته آستنیت را افزایش داده و دانه های آستنیت را تصفیه کند. از سوی دیگر، زمانی که Ti اضافی در آهن مذاب وجود داشته باشد، S موجود در آهن به جای منگنز با Ti واکنش داده و ذرات TiS را تشکیل می دهد. هسته گرافیتی TiS به اندازه هسته MnS موثر نیست. بنابراین، تشکیل هسته گرافیت یوتکتیک به تعویق می افتد و در نتیجه زمان بارش آستنیت اولیه افزایش می یابد. وانادیم، کروم، آلومینیوم و زیرکونیوم شبیه تیتانیوم هستند زیرا به راحتی کاربید، نیترید و کربنیترید تشکیل می دهند و می توانند به هسته های آستنیت تبدیل شوند.

3. تفاوت های زیادی در تأثیر تلقیح های مختلف بر روی تعداد خوشه های یوتکتیک وجود دارد که به ترتیب زیر مرتب شده اند: CaSi>ZrFeSi>75FeSi>BaSi>SrFeSi. FeSi حاوی Sr یا Ti تأثیر ضعیف تری بر تعداد خوشه های یوتکتیک دارد. تلقیح‌های حاوی خاک‌های کمیاب بهترین اثر را دارند و زمانی که در ترکیب با Al و N به آن اضافه می‌شوند، تأثیر آن بیشتر است. فروسیلیکون حاوی Al و Bi می‌تواند به شدت تعداد خوشه‌های یوتکتیک را افزایش دهد.

4. دانه های رشد همزیست دو فازی گرافیت- آستنیت که با هسته های گرافیت به عنوان مرکز تشکیل شده اند، خوشه های یوتکتیک نامیده می شوند. سنگدانه های گرافیتی زیر میکروسکوپی، ذرات گرافیت ذوب نشده باقیمانده، شاخه های پوسته پوسته گرافیت اولیه، ترکیبات با نقطه ذوب بالا و آخال های گازی که در آهن مذاب وجود دارند و می توانند هسته های گرافیت یوتکتیک باشند نیز هسته های خوشه های یوتکتیک هستند. از آنجایی که هسته یوتکتیک نقطه شروع رشد خوشه یوتکتیک است، تعداد خوشه های یوتکتیک منعکس کننده تعداد هسته هایی است که می توانند در مایع آهن یوتکتیک به گرافیت تبدیل شوند. عوامل موثر بر تعداد خوشه های یوتکتیک شامل ترکیب شیمیایی، حالت هسته آهن مذاب و سرعت سرد شدن است.
مقدار کربن و سیلیکون در ترکیب شیمیایی تأثیر مهمی دارد. هر چه معادل کربن به ترکیب یوتکتیک نزدیکتر باشد، خوشه های یوتکتیک بیشتری وجود دارد. S عنصر مهم دیگری است که بر خوشه های یوتکتیک چدن خاکستری تأثیر می گذارد. محتوای گوگرد کم برای افزایش خوشه های یوتکتیک مناسب نیست، زیرا سولفید موجود در آهن مذاب یک ماده مهم در هسته گرافیت است. علاوه بر این، گوگرد می تواند انرژی سطحی بین هسته ناهمگن و مذاب را کاهش دهد، به طوری که می توان هسته های بیشتری را فعال کرد. هنگامی که W (S) کمتر از 0.03٪ باشد، تعداد خوشه های یوتکتیک به طور قابل توجهی کاهش می یابد و اثر تلقیح کاهش می یابد.
وقتی کسر جرمی منگنز در 2% باشد، مقدار منگنز افزایش می‌یابد و تعداد خوشه‌های یوتکتیک بر این اساس افزایش می‌یابد. Nb به راحتی می تواند ترکیبات کربن و نیتروژن را در آهن مذاب تولید کند، که به عنوان یک هسته گرافیت برای افزایش خوشه های یوتکتیک عمل می کند. Ti و V تعداد خوشه های یوتکتیک را کاهش می دهند زیرا وانادیوم غلظت کربن را کاهش می دهد. تیتانیوم به راحتی S را در MnS و MgS جذب می کند تا سولفید تیتانیوم را تشکیل دهد و توانایی هسته زایی آن به اندازه MnS و MgS موثر نیست. N در آهن مذاب تعداد خوشه های یوتکتیک را افزایش می دهد. وقتی محتوای N کمتر از 350 x10-6 باشد، واضح نیست. پس از فراتر رفتن از یک مقدار معین، ابرسرد شدن افزایش می یابد و در نتیجه تعداد خوشه های یوتکتیک افزایش می یابد. اکسیژن موجود در آهن مذاب به راحتی ترکیبات اکسیدی مختلفی را به عنوان هسته تشکیل می دهد، بنابراین با افزایش اکسیژن، تعداد خوشه های یوتکتیک افزایش می یابد. علاوه بر ترکیب شیمیایی، حالت هسته مذاب یوتکتیک یک عامل تأثیرگذار مهم است. حفظ دمای بالا و گرمای بیش از حد برای مدت طولانی باعث از بین رفتن یا کاهش هسته اصلی، کاهش تعداد خوشه های یوتکتیک و افزایش قطر می شود. تیمار تلقیح می تواند حالت هسته را تا حد زیادی بهبود بخشد و تعداد خوشه های یوتکتیک را افزایش دهد. سرعت سرد شدن تأثیر بسیار آشکاری بر تعداد خوشه های یوتکتیک دارد. هرچه سرد شدن سریعتر باشد، خوشه های یوتکتیک بیشتری وجود دارد.

5. تعداد خوشه های یوتکتیک به طور مستقیم ضخامت دانه های یوتکتیک را منعکس می کند. به طور کلی دانه های ریز می توانند عملکرد فلزات را بهبود بخشند. با فرض ترکیب شیمیایی و نوع گرافیت یکسان، با افزایش تعداد خوشه‌های یوتکتیک، استحکام کششی افزایش می‌یابد، زیرا ورقه‌های گرافیتی در خوشه‌های یوتکتیک با افزایش تعداد خوشه‌های یوتکتیک ریزتر می‌شوند و این باعث افزایش استحکام می‌شود. با این حال، با افزایش محتوای سیلیکون، تعداد گروه های یوتکتیک به طور قابل توجهی افزایش می یابد، اما در عوض استحکام کاهش می یابد. استحکام چدن با افزایش دمای سوپرهیت (تا 1500 درجه سانتیگراد) افزایش می یابد، اما در این زمان، تعداد گروه های یوتکتیک به طور قابل توجهی کاهش می یابد. رابطه بین قانون تغییر تعداد گروه های یوتکتیک ناشی از تیمار تلقیح طولانی مدت و افزایش قدرت همیشه روند یکسانی ندارد. استحکام به دست آمده از تیمار تلقیح با FeSi حاوی Si و Ba بیشتر از مقدار بدست آمده با CaSi است، اما تعداد گروه های یوتکتیک چدن بسیار کمتر از CaSi است. با افزایش تعداد گروه های یوتکتیک، تمایل به انقباض چدن افزایش می یابد. به منظور جلوگیری از تشکیل انقباض در قطعات کوچک، تعداد گروه های یوتکتیک باید زیر 300 تا 400 بر سانتی متر مربع کنترل شود.

6. افزودن عناصر آلیاژی (کروم، منگنز، مو، منیزیم، Ti، Ce، Sb) که باعث افزایش فوق سرد در تلقیح‌های گرافیتی می‌شود، می‌تواند درجه فوق‌سرد شدن چدن را بهبود بخشد، دانه‌ها را تصفیه کند، میزان آستنیت را افزایش دهد و تشکیل تلقیح را تقویت کند. پرلیت عناصر فعال سطحی اضافه شده (Te, Bi, 5b) می توانند بر روی سطح هسته های گرافیت جذب شوند تا رشد گرافیت را محدود کرده و اندازه گرافیت را کاهش دهد تا به هدف بهبود خواص مکانیکی جامع، بهبود یکنواختی و افزایش مقررات سازمانی دست یابد. این اصل در عمل تولید چدن با کربن بالا (مانند قطعات ترمز) اعمال شده است.