انواع چدن، طبقه بندی، ترکیب، خواص، علامت گذاری و کاربرد

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

امروزه تقریباً هیچ منطقه ای از زندگی انسان وجود ندارد که در آن از چدن استفاده نشود. این ماده برای مدت طولانی برای بشر شناخته شده است و از نقطه نظر عملی خود را به خوبی ثابت کرده است. چدن اساس تنوع زیادی از قطعات، مجموعه ها و مکانیسم ها و در برخی موارد حتی یک محصول خودکفا است که قادر به انجام وظایف محول شده به آن است. بنابراین در این مقاله به این ترکیب آهن دار خواهیم پرداخت. ما همچنین خواهیم فهمید که چدن چه نوع است، ویژگی های فیزیکی و شیمیایی آنها چیست.

تعریف

چدن یک آلیاژ واقعاً منحصر به فرد از آهن و کربن است که در آن آهن بیش از ۹۰٪ و C بیشتر از ۶.۶۷٪ نیست، اما کمتر از ۲.۱۴٪ نیست. همچنین کربن را می توان در چدن به شکل سیمانیت یا گرافیت یافت.

کربنبه آلیاژ سختی کافی می دهد، اما در عین حال، چکش خواری و شکل پذیری را کاهش می دهد. در نتیجه، چدن یک ماده شکننده است. همچنین، افزودنی های خاصی به درجات خاصی از چدن اضافه می شود که می تواند خواص خاصی به ترکیب بدهد. نقش عناصر آلیاژی می تواند: نیکل، کروم، وانادیم، آلومینیوم باشد. شاخص چگالی چدن 7200 کیلوگرم بر متر مکعب است. که از آن می توان نتیجه گرفت کهوزن چدن شاخصی است که نمی توان آن را کوچک نامید.

پیشینه تاریخی

آهن از دیرباز برای بشر شناخته شده است. اولین ذکر این آلیاژ به قرن ششم قبل از میلاد برمی گردد.

در دوران باستان، چین چدن با نقطه ذوب نسبتاً پایین تولید می کرد. تولید چدن در اروپا در قرن چهاردهم آغاز شد، زمانی که برای اولین بار از کوره بلند استفاده شد. در آن زمان از چنین ریخته گری آهن برای تولید سلاح، پوسته، قطعات ساختمانی استفاده می شد.

در روسیه، تولید چدن به طور فعال در قرن شانزدهم آغاز شد و سپس به سرعت گسترش یافت. در زمان پیتر اول، امپراتوری روسیه توانست تمام کشورهای جهان را از نظر تولید آهن دور بزند، اما صد سال بعد دوباره در بازار متالورژی آهنی شروع به از دست دادن موقعیت خود کرد.

چدن از قرون وسطی برای خلق انواع آثار هنری استفاده می شده است. به طور خاص، در قرن 10، استادان چینی یک شیر واقعا منحصر به فرد را ریختند که وزن آن بیش از 100 تن بود. از قرن پانزدهم در آلمان و پس از آن در کشورهای دیگر، ریخته گری چدن رواج یافت. نرده ها، مشبک ها، مجسمه های پارک، مبلمان باغ، سنگ قبرها از آن ساخته شده است.

در سالهای پایانی قرن هجدهم، ریخته گری آهن بیشترین نقش را در معماری روسیه داشت. و قرن 19 به طور کلی "عصر چدن" نامیده می شد، زیرا آلیاژ به طور فعال در معماری استفاده می شد.

ویژگی ها

انواع مختلفی وجود داردچدن، اما میانگین نقطه ذوب این ترکیب فلزی حدود 1200 درجه سانتیگراد است. این رقم 250-300 درجه کمتر از مقدار مورد نیاز برای فولادسازی است. این تفاوت با محتوای نسبتاً بالای کربن همراه است که منجر به پیوندهای کمتر نزدیک آن با اتم‌های آهن در سطح مولکولی می‌شود.

در زمان ذوب و تبلور متعاقب آن، کربن موجود در چدن زمان نفوذ کامل به شبکه مولکولی آهن را ندارد و بنابراین در نهایت چدن کاملاً شکننده می شود. در این راستا، در جاهایی که بارهای دینامیکی ثابت وجود دارد، استفاده نمی شود. اما در عین حال برای قطعاتی که نیاز به استحکام بیشتری دارند بسیار عالی است.

فناوری تولید

کاملاً همه انواع چدن در کوره بلند تولید می شوند. در واقع، فرآیند ذوب به خودی خود یک فعالیت نسبتاً پرزحمت است که نیاز به سرمایه گذاری جدی مادی دارد. یک تن چدن به حدود 550 کیلوگرم کک و تقریباً یک تن آب نیاز دارد. حجم سنگ معدن بارگیری شده در کوره به محتوای آهن بستگی دارد. بیشتر اوقات از سنگ معدنی استفاده می شود که در آن آهن حداقل 70٪ است. غلظت کمتر عنصر نامطلوب است، زیرا استفاده از آن غیراقتصادی است.

تولید مرحله اول

آهن ذوب به شرح زیر است. اول از همه، سنگ معدن به داخل کوره ریخته می شود، و همچنین درجات زغال سنگ کک، که در خدمت تحت فشار قرار دادن و حفظ دمای مورد نیاز در داخل شفت کوره هستند. علاوه بر این، این محصولات در طول فرآیند احتراق به طور فعال در واکنش های شیمیایی در حال انجام در درگیر هستندنقش عوامل کاهش دهنده آهن.

در همان زمان، یک شار در کوره بارگذاری می شود که به عنوان یک کاتالیزور عمل می کند. این به ذوب شدن سریعتر سنگها کمک می کند که باعث آزاد شدن آهن می شود.

توجه به این نکته ضروری است که سنگ معدن قبل از بارگیری در کوره تحت یک پیش تصفیه ویژه قرار می گیرد. در کارخانه سنگ شکن خرد می شود (ذرات ریز سریعتر ذوب می شوند). سپس برای حذف ذرات بدون فلز شسته می شود. پس از آن مواد اولیه پخته می شود و به همین دلیل گوگرد و سایر عناصر خارجی از آن خارج می شود.

مرحله دوم تولید

گاز طبیعی از طریق مشعل های مخصوص به کوره بارگذاری شده و آماده بهره برداری می شود. کک ماده خام را گرم می کند. در این حالت کربن آزاد می شود که با اکسیژن ترکیب شده و اکسید می شود. این اکسید متعاقباً در بازیابی آهن از سنگ معدن شرکت می کند. توجه داشته باشید که با افزایش مقدار گاز در کوره، سرعت واکنش شیمیایی کاهش می یابد و با رسیدن به یک نسبت معین، به طور کلی متوقف می شود.

کربن اضافی در مذاب نفوذ می کند و به آهن می پیوندد و در نهایت چدن را تشکیل می دهد. تمام آن عناصری که ذوب نشده اند روی سطح هستند و در نهایت حذف می شوند. به این ضایعات سرباره می گویند. همچنین می توان از آن برای تولید مواد دیگر استفاده کرد. انواع چدنی که از این طریق به دست می‌آید را چدن ریخته‌گری و چدنی می‌گویند.

تمایز

طبقه بندی مدرن چدن ها تقسیم این آلیاژها را به انواع زیر فراهم می کند:

• سفید.
• نیمه.
• خاکستری با گرافیت پولکی.
• گرافیت ندولر با استحکام بالا.
• نشکن.

بیایید هر کدام را جداگانه بررسی کنیم.

چدن سفید

این چدن چدنی است که تقریباً تمام کربن در آن پیوند شیمیایی دارد. در مهندسی مکانیک، این آلیاژ زیاد استفاده نمی شود، زیرا سخت است، اما بسیار شکننده است. همچنین نمی توان آن را با ابزارهای مختلف برش ماشین کاری کرد و به همین دلیل برای ریخته گری قطعاتی که نیاز به پردازش ندارند استفاده می شود. اگرچه این نوع چدن امکان سنگ زنی با چرخ های ساینده را فراهم می کند. چدن سفید می تواند هم معمولی و هم آلیاژی باشد. در عین حال، جوشکاری آن باعث ایجاد مشکلاتی می شود، زیرا همراه با ایجاد ترک های مختلف در هنگام سرمایش یا گرمایش است و همچنین به دلیل ناهمگونی ساختاری که در نقطه جوش ایجاد می شود.

چدن های سفید مقاوم در برابر سایش از کریستالیزاسیون اولیه یک آلیاژ مایع در طی خنک شدن سریع به دست می آیند. آنها بیشتر برای کاربردهای اصطکاک خشک (مانند لنت ترمز) یا برای تولید قطعات با افزایش مقاومت در برابر سایش و حرارت (رول های آسیاب نورد) استفاده می شوند.

به هر حال، چدن سفید به این دلیل نام خود را به خود اختصاص داده است که ظاهر شکستگی آن یک سطح کریستالی سبک و درخشان است. ساختار این چدن ترکیبی از لدبوریت، پرلیت و سمنتیت ثانویه است. اگر این چدن آلیاژ شود، پرلیت به آن تبدیل می شودتروستیت، آستنیت یا مارتنزیت.

نیم چدن

طبقه بندی چدن ها بدون ذکر این نوع آلیاژ فلزی ناقص خواهد بود.

این چدن با ترکیبی از یوتکتیک کاربید و گرافیت در ساختارش مشخص می شود. به طور کلی، ساختار کامل به شکل زیر است: گرافیت، پرلیت، لدبوریت. اگر چدن تحت عملیات حرارتی یا آلیاژسازی قرار گیرد، این امر منجر به تشکیل آستنیت، مارتنزیت یا تروستیت سوزنی می‌شود.

این نوع چدن کاملا شکننده است، بنابراین استفاده از آن بسیار محدود است. خود آلیاژ نام خود را به این دلیل گرفت که شکستگی آن ترکیبی از نواحی تیره و روشن ساختار کریستالی است.

متداول ترین مواد مهندسی

چدن خاکستری GOST 1412-85 حاوی حدود 3.5٪ کربن، از 1.9 تا 2.5٪ سیلیکون، تا 0.8٪ منگنز، تا 0.3٪ فسفر و کمتر از 0، 12٪ گوگرد است.

گرافیت در چنین چدنی شکل لایه ای دارد. نیازی به اصلاح خاصی ندارد.

صفحات گرافیتی اثر ضعیف کنندگی قوی دارند و بنابراین چدن خاکستری با استحکام ضربه بسیار کم و فقدان تقریباً کامل کشیدگی (کمتر از 0.5٪) مشخص می شود.

چدن خاکستری به خوبی ماشینکاری شده است. ساختار آلیاژ می تواند به شرح زیر باشد:

• فریت-گرافیت.
• فریت-پرلیت-گرافیت.
• پرلیت-گرافیت.

چدن خاکستری در فشرده سازی بسیار بهتر از کشش عمل می کند. اونم همینطورکاملاً خوب جوش می شود، اما این نیاز به پیش گرم کردن دارد و میله های چدن مخصوص با محتوای سیلیکون و کربن بالا باید به عنوان ماده پرکننده استفاده شود. بدون پیش گرم کردن، جوشکاری دشوار خواهد بود زیرا چدن در ناحیه جوش سفید می شود.

چدن خاکستری برای تولید قطعاتی استفاده می شود که بدون ضربه کار می کنند (قرقره، روکش، تخت).

تعیین این چدن طبق اصل زیر انجام می شود: SCH 25-52. دو حرف نشان می دهد که این چدن خاکستری است، عدد 25 نشانگر مقاومت کششی است (به MPa یا kgf / mm 2)، عدد 52 استحکام کششی در حال حاضر است. خم شدن.

آهن داکتیل

چدن ندولار با دیگر "برادران" خود تفاوت اساسی دارد زیرا حاوی گرافیت گره ای است. با وارد کردن اصلاح کننده های ویژه (Mg, Ce) به آلیاژ مایع به دست می آید. تعداد اجزاء گرافیت و ابعاد خطی آنها می تواند متفاوت باشد.

چه چیزی در مورد گرافیت کروی خوب است؟ این واقعیت که چنین شکلی پایه فلزی را به حداقل می رساند، که به نوبه خود می تواند پرلیتی، فریتی یا پرلیتی-فریتی باشد.

به دلیل استفاده از عملیات حرارتی یا آلیاژسازی، پایه چدن می تواند سوزنی-تروستیت، مارتنزیتی، آستنیتی باشد.

درجات چدن نشکن متفاوت است، اما به طور کلی، نامگذاری آن به شرح زیر است: VCh 40-5. به راحتی می توان حدس زد که HF چدن با مقاومت بالا است، عدد 40 یک نشانگر است.استحکام کششی (kgf/mm2)، عدد 5 نسبت به کشیدگی است که به صورت درصد بیان می شود.

آهن داکتیل

ساختار چدن شکل پذیر وجود گرافیت در آن به شکل پوسته پوسته یا کروی است. در عین حال، گرافیت پوسته پوسته می تواند ظرافت و فشردگی متفاوتی داشته باشد که به نوبه خود تأثیر مستقیمی بر خواص مکانیکی چدن دارد.

آهن داکتیل صنعتی اغلب با پایه فریتی تولید می شود که شکل پذیری بیشتری را فراهم می کند.

ظاهر شکستگی آهن داکتیل فریتی ظاهری مخملی سیاه دارد. هر چه مقدار پرلیت در سازه بیشتر باشد، شکستگی سبک تر می شود.

به طور کلی، آهن شکل پذیر از ریخته گری های آهن سفید به دلیل خشک شدن طولانی در کوره هایی که تا دمای 800-950 درجه سانتیگراد گرم می شوند، به دست می آید.

امروزه دو راه برای ساخت چدن داکتیل وجود دارد: اروپایی و آمریکایی.

روش آمریکایی این است که آلیاژ را در ماسه در دمای 800-850 درجه خشک کنید. در این فرآیند، گرافیت بین دانه های خالص ترین آهن قرار می گیرد. در نتیجه چدن چسبناک می شود.

در روش اروپایی، ریخته گری در سنگ آهن از بین می رود. دما در همان زمان حدود 850-950 درجه سانتیگراد است. کربن وارد سنگ آهن می شود و در نتیجه لایه سطحی قطعات ریخته گری کربن زدایی شده و نرم می شود. چدن چکش خوار می شود، در حالی که هسته آن شکننده می ماند.

علامت گذاری آهن چکش خوار: KCH 40-6، که در آن KCH، البته، آهن چکش خوار است. 40 - شاخص مقاومت کششی؛6 - ازدیاد طول، %.

شاخص های دیگر

در مورد تقسیم چدن ها بر اساس مقاومت، طبقه بندی زیر در اینجا اعمال می شود:

• قدرت معمولی: σv تا 20 کیلوگرم در میلی متر2.
• افزایش قدرت: σv=20 - 38 کیلوگرم در میلی متر2.
• استحکام بالا: σv=40 kg/mm2 و بالاتر.

با توجه به شکل پذیری، چدن ها به: تقسیم می شوند

• غیر قابل انعطاف - کمتر از 1٪ کشیدگی.
• پلاستیک کم - از 1% تا 5%.
• پلاستیک - از 5% تا 10%.
• افزایش انعطاف پذیری - بیش از 10%.

در پایان، من همچنین می خواهم به این نکته اشاره کنم که خواص هر چدن حتی تحت تأثیر شکل و ماهیت ریختن کاملاً قابل توجه است.