چدن خاکستری چیست و انواع آن

چدن خاکستری (Gray iron) نوعی چدن با محتوای کربن بیشتر از ۲ درصد و ریزساختار گرافیتی است. به دلیل وجود گرافیت مقطع شکست این چدن خاکستری رنگ است. همچنین بعنوان فراوان‌ترین ماده ریختگی بر اساس وزن و متداول‌ترین چدن شناخته می‌شود.

چدن خاکستری

چدن خاکستری یکی از رایج‌ترین انواع چدن است و در کاربردهای مختلفی استفاده می شود. این چدن نسبتا ارزان، چکش خوار و بادوام است. درجه انقباض کم در چدن خاکستری آن را برای کاربردهای مهندسی صنایع مطلوب می کند زیرا دارای دامنه مقاومت کششی متفاوت از کمتر از 20000 psi تا بیش از 60000 psi و سختی از 100 تا 300 BHN (عدد سختی برینل) است. خواص این چدن تحت تأثیر مقدار گرافیت موجود و همچنین شکل، اندازه و توزیع دانه های گرافیت است.

ترکیب شیمیایی و تأثیر ترکیبات بر خواص چدن خاکستری

این چدن به صورت تجاری در طیف وسیعی از ترکیبات تولید می‌شود. محدوده ترکیباتی که ممکن است در ریخته گری چدن خاکستری پیدا شود در زیر آورده شده است.

کربن: 2.75٪ تا 4.00٪

سیلیسیم: 0.75٪ تا 3.00٪

منگنز: 0.25٪ تا 1.50٪

گوگرد: 0.02٪ تا 0.20٪

فسفر: 0.02٪ تا 0.75٪

مهم‌ترین عناصر آلیاژی در چدن خاکستری سیلیسیوم و کربن هستند که بیشترین تاثیر را بر روی ریزساختار می‌گذارند. همچنین همه عناصر به میزانی بر روی ریزساختار اثر دارند. عناصری که باعث ایجاد گرافیت می‌شوند پایدارکننده‌های گرافیت نام دارند. در فرایند گرافیت زایی کربن آزاد در آهن رسوب یا کاربید آهن در طی یک واکنش به آهن و کربن آزاد (گرافیت) تجزیه می‌گردد.

اثر کربن و سیلیسیم

سیلیسیوم و کربن گرافیت زا هستند و با افزایش درصد آن‌ها ایجاد چدن خاکستری نسبت به تشکیل چدن سفید ارجحیت پیدا می‌کند. اگر میزان این عناصر از حد بحرانی کمتر شود چدن سفید تشکیل خواهد شد.

اثر گوگرد و منگنز

در تمام چدن‌ها مقداری گوگر یافت می‌شود و در چدن داکتیل مقدار آن باید کم باشد تا با اضافه کردن منیزیم گرافیت کروی تشکیل شود. اما در دیگر چدن‌ها تاثیر گوگرد به واکنش آن با منگنز بستگی دارد. در صورت نبود منگنز در چدن، گوگرد با آهن ترکیب و سولفید آهن تشکیل می‌دهد که در هنگام انجماد در مرزدانه‌ها جدا می‌گردد. زمانی که منگنز در چدن هست، ترکیب پیچیده‌ای از سولفید منگنز- آهن ایجاد می‌شود که در همه مراحل انجماد رسوب می‌کند. سپس توزیع تصادفی ذرات سولفید منگنز گوشه‌دار تشکیل می‌شود.

اثر فسفر بر ریزساختار چدن خاکستری

در چدن‌های که به اندازه کافی فسفر دارند مانند خاکستری می‌توانند ترکیب فسفید آهن یا یوتکتیکی آهن که استیدیت نام دارد تشکیل دهند. نقطه ذوب استیدیت پایین بوده و در دماهای کم منجمد می‌گردد.

خواص فیزیکی و مکانیکی

چدن خاکستری ۳ تا ۴ برابر استحکام کششی، استحکام فشاری دارد به همین دلیل برای ساخت قطعات تحت فشار از این چدن استفاده می‌شود. همچنین در این چدن‌ها امکان جذب ارتعاش بالا بوده که به دلیل حضور گرافیت لایه‌ای است. چدن‌ خاکستری در برابر خستگی، تأثیرپذیری کمتری نسبت به شیارهای سطحی دارند و به دلیل گرافیت آزاد لایه‌ای و کربن معادل بالا از انتقال حرارتی خوبی برخوردارند.

این چدن به دلیل ویژگی‌های متعددی که دارد بین مهندسان طراح محبوب است. همچنین ارزانی و سادگی انجام کار باعث شده از چدن خاکستری در ساخت تمام قطعات ریختگی استفاده شود. وجود گرافیت رشته‌ای باعث خواص زیر می‌شود:

تراش‌پذیری خوب در سختی‌هایی که مقاومت سایشی بالا است
مقاومت به خوردگی سایشی همراه با روغنکاری محدود
جذب و قدرت ارتعاش بالا

پراکندگی، اندازه، شکل و مقدار گرافیت تعیین کننده خواص این نوع است و کنترل آن در هنگام تولید اهمیت زیادی دارد. ممکن است ساختار گرافیت در Gray iron در اثر جوانه زایی، سرعت انجماد، تغییرات ذوب و اثر برخی از عناصر تغییر یابد. گرافیت می‌تواند به صورت ورقه‌های درشت یا ریز به صورت پراکنده تشکیل شود.

انواع چدن خاکستری

طبقه‌بندی انواع چدن‌های خاکستری بر این اساس انجام می‌شود که عبارتند از:

خواص: ضد سایش، نسوز
درصد عناصر: کم آلیاژ، آلیاژ متوسط و آلیاژ بالا
ساختارهای کریستالی: پرلیتی، فریتی و …

دسته‌بندی چدن‌های خاکستری غیر آلیاژی طبق استاندارد ASTM A48 بر اساس استحکام کششی است. که این استاندارد چدن‌ها با افزایش مقاومت کششی از کلاس ۲۰ به کلاس ۶۰ افزایش می‌یابد.

مقاومت در برابر سایش
همه استحکام‌ها، مانند استحکام در دمای بالا
مدول الاستیسیته
پرداخت سطح خوب پس از ماشینکاری

با افزایش استحکام کششی خصوصیات زیر کاهش پیدا می‌کند که در صورت نیاز چدن‌های با استحکام کم عملکرد بهتری را ارائه می‌دهند.

قابلیت ریخته‌گری آن در مقاطع نازک
ظرفیت دمپینگ
مقاومت به شوک حرارتی
قابلیت ماشینکاری

گرافیت‌های ورقه‌ای بر اساس شکل خود به پنج کلاس طبقه‌بندی می‌شوند:

گرافیت نوع A

در این نوع، گرافیت‌ها با توزیع تصادفی و اندازه یکنواخت دیده می‌شوند. از گرافیت نوع A در کاربردهای مکانیکی استفاده می‎‌شود. جوانه‌زنی در حد بالا باعث تشویق انجماد یوتکتیک نزدیک به گرافیت یوتکتیک تعادلی شده که برای ایجاد گرافیت نوع A لازم است. با افزایش فوق تبرید و تغییر نوع A به D، توزیع ورقه‌ها ظریف‌تر می‌شوند. جوانه‌زنی درست مذاب همراه با پتانسیل گرافیت‌زایی کافی مانع از ایجاد ساختارهای نامطلوب می‌شود.

گرافیت نوع B

شکل این نوع گرافیت مانند گل است و اندازه سلول یوتکتیک به دلیل درجه پایین جوانه‌زنی، بزرگ است. گرافیت‌های ورقه‌ای ریز در مرکز گل به وسیله انجماد یوتکتیکی است که در سرعت تبریدی زیاد آغاز می‌شود.

گرافیت نوع C

این نوع گرافیت در چدن‌های هایپریوتکتیک وجود دارد و از گرافیت‌های درشت ایجاد می‌شود. گرافیت نوع C ممکن است روی توزیع گرافیت یوتکتیک و اندازه سلول یوتکتیک تأثیر بگذارد. حضور این گرافیت سبب حفره‌دار شدن سطح بعد از ماشین‌کاری و کاهش خواص کششی می‌شود اما زمانی که انتقال حرارت اهمیت دارد مفید است.

گرافیت نوع D

این نوع گرافیت تبریدی ریزی است و زمانی که انجماد در یک فوق تبرید زیادی قرار می‌گیرد ایجاد می‌شود. وجود تیتانیوم به این ساختار کمک می‌کند و وجود مقادیر کافی Si در در چدن‌هایی که سریع سرد می‌شوند برای اطمینان از پتانسیل، گرافیته شدن را بالا می‌برد. اما این فرایند مطلوب نیست. چون نفوذ کربن را برای ایجاد زمینه‌ای کاملاً پرلیتی با داشتن مسیر کوتاه مخل بوده و به تشکیل فریت کمک می‌کند.