متالورژی و عملیات حرارتی چدنها

چدنها خانواده ای از آلیاژهای آهنی با خواص كاملاً متنوع بوده كه اكثراً به روش ریخته گری شكل داده می شوند. برخلاف فولادها كه حاوی كمتر از 2 درصد ( و معمولاً كمتر از 1 درصد ) كربن هستند، چدنها معمولاً دارای 2 تا 4 درصد كربن و 1 تا 3 درصد سیلیس می باشند. به علاوه، اغلب عناصر آلیاژی دیگر ( فلز ویا غیرفلز) جهت كنترل تركیب شیمیائی، ساختمان میكروسكوپی و در نتیجه خواص مكانیكی به چدنها اضافه می شود. علاوه بر تركیب شیمیایی، پارامترهای مهم دیگر كه بر روی خواص نهائی اثر می گذارند عبارتند از: فرآیند انجماد، سرعت انجماد، سرعت سرد شدن پس از انجماد و عملیات حرارتی.

مطالب این جزوه به دو بخش تقسیم شده، در بخش اول متالورژی چدنها را مورد بررسی قرار داده و در بخش دوم عملیات حرارتی چدنها و چگونگی بهبود خواص مكانیكی آنها، با استفاده از روشهای مختلف عملیات حرارتی مطالعه خواهد شد.

برخی از خواص ویژه چدنها كه آنها را از فولادها متمایز می سازد عبارتند از: ارزانی قیمت، نقطه ذوب پائین ( بین 1130 تا 1250 درجه سانتیگراد )، سیالیت بالا، پائین بودن میزان انقباض در موقع انجماد و سردش، مقاومت ضربه پائین، انعطاف پذیری كم، قابلیت جذب ارتعاش، مقاومت خوب سایش و عدم حساسیت در برابر شیارهای سطحی.

نكته قابل تذكر در مورد خواص فوق این است كه بسیاری از آنها شدیداً بستگی به ساختمان میكروسكوپی زمینه و نحوه توزیع كربن در آن دارد. از این رو، با تغییر هر یك از پارامترهای فوق خواص چدن نیز ممكن است كاملاً تغییر كند. به عنوان مثال در حالی كه گرافیت لایه ای شكل، انعطاف پذیری چدن را شدیداً كاهش می دهد، چدنهای نشكن از انعطاف پذیری بسیار خوبی برخوردارند، و یا اینكه چدنهای نشكن با زمینه بینیتی دارای مقاومت به ضربه و سایش بسیار خوبی می باشند.

اساساً چدنها، از آهن خام 1 كه محصول كوره بلند بوده و معمولاً دارای 2 الی 4 درصد كربن، حداكثر 5/ 3 درصد سیلیسیم، حداكثر 2 درصد فسفر، حداكثر 2 درصد منگنز و 4/ 0 درصد گوگرد می باشد تهیه می شوند. برای این كار آهن خام با تركیب شیمیائی مزبور را همراه با درصد مشخصی از چدن و یا قراضه فولاد ذوب كرده، پس از تنظیم تركیب شیمیائی به كمك عناصر دیگری كه به مذاب اضافه می كنند، آنرا در اشكال مورد نظر ریخته گری می نمایند. همانگونه كه گفته شد، خو اص مكانیكی چدنها نظیر سختی و استحكام، شدیداً بستگی به سا ختمان میكروسكوپی، یعنی طبیعت ساختمان زمینه و نحوه توزیع كربن دارد. تحت شرایطی كه هر یك از پارامترهای مزبور منجر به ایجاد خواص نامطلوب در چدنها شود، به كمك عناصر آلیاژی و یا عملیاتی كه بر روی مذاب انجام می گیرد و  یا عملیات حرارتی، پارامتر مورد نظر را در جهت بهبود خواص مكانیكی می توان تغییر داد. در این بخش ابتدا پدیده گرافیت زائی در چدنها و بعد نمودارهای شبه تعادلی آهن  سمنتیت و تعادلی آهن-گرافیت مورد بررسی قرار می گیرند. سپس پارامترهائی نظیر توزیع و شكل گرافیت، ساختمان زمینه و اثر ضخامت قطعه مطالعه شده و در پایان، انواع مختلف چدنها معرفی خواهند شد. روشهای عملیات حرارتی چدنها در بخش بعد توضیح داده می شوند.

كربن می تواند به دو صورت یكی الماس و دیگری گرافیت وجود داشته باشد. الماس نوع بسیار كمیاب كربن بوده و در آلیاژها تشكیل نمی شود. كربن چدنها می تواند به صورت آزاد، یعنی گرافیت، و یا به صورت تركیبی، یعنی سمنتیت، باشد. گرافیت دارای ساختمان كریستالی لایه ای می باشد. سطح هر یك از لایه ها تشكیل صفحه قاعده را داده و لبه های لایه ها صفحات جانبی را به وجود می آورند. در چدنهای خاكستری سرعت رشد گرافیت در جهات كریستالی a و c یكسان نیست.

به این صورت كه رشد آن در امتداد محور a راحت تر و بیشتر از محور c می باشد. از جمله دلایلی كه برای این امر آورده شده، عبارت است از: جذب گوگرد و اكسیژن مذاب بر روی صفحات قاعده و در نتیجه محدود كردن سرعت رشد گرافیت در جهت محور c. این نكته با مطالعه و مقایسه آلیاژهای Fe-C-Si خالص و عاری از اكسیژن و گوگرد و آلیاژهای معمولی Fe-C-Si به اثبات رسیده است. گرافیت از استحكام و خاصیت پلاستیكی بسیار پائین برخوردار می باشد. از مقایسه ساختمان كریستالی و تركیب شیمیائی آستنیت، سمنتیت و گرافیت نتایج صفحه بعد به دست می آیند.