مقاله در مورد چدن خاکستری استنیتی ( نایرزیست )

بخشی از مقاله

1- چدنهاي پر آلياژ
1-1- مقدمه
گروه مهمي از چدنهاي آلياژي كه با چدنهاي ريختگي معمولي تفاوت دارند، به نام چدنهاي پرآلياژ يا چدنهاي مخصوص شناخته مي‌شوند.
چدن‌هاي پر آلياژ را جداگانه بررسي مي‌كنيم زيرا مقدار عنصرهاي آلياژي در آنها از 3 درصد بيشتر است و نمي توان آنها را در پاتيل با افزودن عنصرهاي آلياژي به چدنهاي با تركيب شيميايي

استاندارد توليد كرد. چدنهاي پر آلياژ معمولا در ريخته گريهايي توليد مي‌شوند كه به تجهيزات لازم براي توليد اين گونه تركيبها مجهزند. اين چدن‌ها را معمولا در كوره‌هاي قوس الكتريكي يا القايي ذوب مي‌كنند . در اين كوره‌ها مي‌توان تركيب شيميايي و دما را به دقت كنترل كرد. چدنهاي پر آلياژ گران قيمت ترند و در شرايط دشوار كاربردي از چدن‌هاي معمولي بهتر كار مي‌كنند. مي‌توان ريخته گريهايي را كه اين گونه چدن‌ها را توليد مي‌كنند به كوره‌هاي عمليات گرمايي و تجهيزات آبدادن با سرمايش مجهز كرد تا از عنصرهاي آلياژي به اقتصاديترين شيوه استفاده شود.

چدن‌هاي آلياژي را معمولا براي كاربرد اقتصادي و رضايت بخش در شرايط خاص انتخاب مي‌كنند. عنصرهاي آلياژي گوناگون و مشخصه‌هاي آنها را در سه نوع وضعيت كاري بررسي مي‌شود:
كار در محيط خورنده
الف- چدن‌هاي نيكل دار ب – چدن‌هاي پرسيليسيم
كار در دماي بالا
الف- چدن نيكل دار ب- چدن‌هاي پر سيليسيم ج – چدن آلومينيم دار د- چدن سفيد پرکرم

كار در محيطهاي ساينده و فرساينده الف- چدن‌هاي سفيد نيكل – كروم دار (ناي هارد) ب- چدن‌هاي سفيد پر كروم موليبدن ج- چدن سفيد كروم دار
تركيب شيميايي بسياري از اين چدن‌هاي مخصوص در مشخصات فني استاندارد گنجانيده شده است اما بعضي از آنها تركيب شيميايي اختصاصي دارند. براي دستيابي به سودمندترين خواص بعضي از اين چدن‌ها را عمليات گرمايي مي‌كنند.

2-چدن خاكستري آستنيتي ناي ر زيست
از زماني كه اولين نوع چدن آستنيتي تهيه گرديد يعني از حدود پنجاه سال پيش تا كنون انواع زيادي از اين چدن با خواص مطلوب توليد شده است. در حال حاضر انواع مختلفي از اين نوع چدن‌ها با 36-14% نيكل و همچنين مقادير متغيري از عناصر ديگر نظير سيليسيم، منگنز، مس كرم و موليبدن وجود دارد.
گروهي معروف از چدن‌هاي پرآلياژ با نام تجاري ناي رزيست شناخته مي‌شوند و از مدتها پيش به منظور مقاومت در برابر خوردگي توليد شده اند. مقاومت عالي اين چدن‌هاي پركاربرد در برابر خوردگي مديون وجود 5/13 تا 36 درصد نيكل و 8/1تا 6 درصد كرم و در يك نوع 5/5 تا 5/7 درصد مس در آنهاست. از چدن‌هاي ناي رزيست براي حل مسائل خوردگي مربوط به تلمبه كردن حمل و پالايش نفت چاههاي ترش اب شور، بعضي اسيدها و قلياها استفاده مي‌شود. اغلب چدن‌هاي ناي رزيست را مي‌توان به صورت چدن خاكستري يا داكتيل توليد كرد. چدن‌هاي ناي رزيست در مشخصات فني ASTM جداول 1 و 2 گنجانيده شده اند.

در برابر اكسايش در دماي زياد و نيز در محيطهاي خورنده مقاوم اند. وجود نيكل زياد باعث تشكيل پولكهاي گرافيت در حين انجماد حتي در حضور كروم زياد ( تا 6 درصد در چدن نوع 2b) مي‌شود. زياد بودن مقدار نيكل از تبديل زمينه آستنيتي نيز جلوگيري مي‌كند. خواص مكانيكي و فيزيكي چدن‌هاي خاكستري ناي رزيست كه در جدولهاي 3 و 4 ارائه شده است حاكي از ريز ساختار گرافيت پولكي در زمينه آستنيتي است. به طور كلي استحكام كششي در گسترده 170 تا 240 مگان پاسكال خواهد بود، و اگر چه چدن‌هاي خاكستري ناي رزيست پر آلياژند، نبايد تصور كرد كه پراستحكام نيز هستند. معمولا چدن‌هاي ناي رزيست عمليات گرمايي نمي شوند اما در بعضي

كاربردها و هنگامي كه قطعات ريختگي بايد در دماي زياد كار كنند آنها را بايد از لحاظ ابعادي پايدار كرد. اين گونه عمليات گرمايي ساختار زمينه آستنيتي را تغيير نخواهد داد.
فازآستنيت در چدن‌ها كاملا مانند فولادها نمي تواند در درجه حرارت معمولي حفظ شود مگر اينكه نقطه Ms با افزايش عناصر مناسب به اندازه مناسبي پايين رود.
براي اين منظور عناصر منگنز نيكل مس يا تركيب كروم + نيكل كه استنيت را پايدار مي‌كند به كار مي‌برند. بعلت مقدار زياد كربن در چدن اگر بخواهيم از گذار كربن به حالت تركيبي با ناپديد شدن گرافيت و سرانجام به دست آمدن چدن سفيد اجتناب شود نبايد عناصر منگنز و كروم كه كربورهاي كمپلكس مي‌دهند بيش از اندازه لازم افزوده شوند. بنابر اين نمي توان يك چدن خاكستري بر طبق فرمول مخصوص فولاد تهيه نمود.
براي اينكه چدن خاكستري استنيتي همراه با كربورهاي آزاد يا بدون آنرا به دست آوريم با در نظر گرفتن اينكه افزايش مسي نبايد از حد حلاليت فراتر رود، و اينكه افزايش منگنز و كروم نبايد ايجاد مقدار زيادر كربور بنمايد، اساسا از عنصر نيكل استفاده مي‌گردد.

دامنه موارد استعمال چدن‌هاي خاكستري استنيتي فقط بعضي از كاربردهاي ويژه را در بر مي‌گيرد انواع ناي رزيست زماني كه مقاومت در برابر خوردگي مورد تقاضاست، مناسب مي‌باشد. انواع غير مغناطيسي در قطعات موتورها و ماشينهايي كه قابليت نفوذ مغناطيسي آنها بايد حداقل باشد به كار مي‌روند نوع minvar داراي ضريب انبساط فوق العاده كوچكي است و نوع أهزقخسهمشم در درجات حرارتي بالا مورد استعمال دارد.

چدن‌هاي آستنيتي بدليل مقاومت در برابر خوردگي وابستگي شديدي به تركيب دارند بنابر اين رعايت حدود تغييرات عناصر در محدوده‌هاي تعيين شده بسيار مهم است. از آنجائيكه سيليسيم از تشكيل كاربيدها جلوگيري نموده و باعث رسوب گرافيت مي‌شود لذا بايستي با در نظر گرفتن محدوده مجاز استاندارد مقدار آنرا به بالاترين حد ممكن رساند. نوع كاربيد تاثير مهمي بر خواص ريخته گري دارد تشكيل كاربيد بيانگر اين نكته است كه در هنگام انجماد گرافيت كمتري رس

وب نموده است و در اين صورت ميزان انبساط چدن در قالب كمتر مي‌باشد.
بعلاوه كاربيدهاي يوتكتيك كرم در مراحل انتهاي انجماد نمي توانند بخوبي تغذيه شوند در نتيجه باعث ايجاد خلل و فرخ و همچنين بروز انقباضهاي بين دندريتي در قطعه مي‌شوند بنابر اين از نظر انقباض ناشي از انجماد بهتر است كه ميزان كاربيدها حداقل باشد. در بيشتر چدن‌هاي آوستينتي كرم وجود دارد كه تشكيل كاربيدهاي كرم را مي‌دهد. به هر حال كرم مقاومت در برابر خوردگي و اكسيد شدن را افزايش مي‌دهد و در بعضي موارد براي ايجاد مقاومت سايشي زياد بيش از 3% كرم به آلياژ اضافه مي‌شود. چدن‌هاي آوستنيتي نظير چدن‌هاي خاكستري غير آلياژي نسبت به ضخامت حساس هستند بدين معني كه مقاطع نازكتر نسبت به مقاطع ضخيمتر داراي كاربيدهاي بيشتري هستند. همچنين مقدار كاربيد با افزايش كربن معادل كاهش مي‌يابد.

كربن معادل بايد به نحوي انتخاب شود كه از قابليت ريخته گري تشكيل تخلخل دروني استحكام و ساختمان گرافيت مطلوبترين شرايط بدست آيد، چدن آوستنيتي قادر به توليد ساختمانهاي گرافيتي كامل نظير آنچه كه در چدن‌هاي غير آلياژي ديده مي‌شوند نيستند. كربن معادل طبق فرمول زير قابل محاسبه است:

‍CE=C%+0.33% Si+0.047% Ni – 0-0055% Ni*Si%
مشخصه مشترك چدن‌هاي استنيتي مختلف مقاومت ضعيف آنها در برابر كشش است. اين مقاومت وقتي كه گرافيت ورقه اي باشد 13 تا 25 كيلوگرم بر ميليمتر مربع و وقتي كه گرافيت كروي باشد 32 تا 45 كيلوگرم بر ميليمتر مربع است. اين امر ناشي از آنست كه زمينه بسيار نرم مي‌باشد. اما با وجود اين اين زمينه بسيار قابل كشش بوده و اين چدن‌ها افزايش طولي قابل اندازه گيري اي را در آزمايش كشش نشان مي‌دهند حتي با گرافيت ورقه اي افزايش طول مربوطه مي‌تواند به 2 تا 3 درصد برسد زماني كه گرافيت كروي باشد اين اعداد به مقدار زيادي بالاتر

هستند. حتي اگر خواص مكانيكي اين چدن‌ها هميشه از اهميت قابل ملاحظه اي برخوردار باشد، انتخاب اين چدن‌ها اساسا بعلت خواص كاربردي بسيار ويژه شان توجيه مي‌گردد.
انواع ناي رزيست مقاومت خوبي در برابر خوردگي بوسيله اسيدها يا بوسيله نمكهاي معدني يا آلي، نشان مي‌دهند. مقاومت آنها در بسياري از حالات به طور غير قابل مقايسه اي بهتر از مقاومت يك چدن معمولي با يك چدن كم آلياژ است.
انواع ني رزيست كه داراي مس هستند به استثناي حالت خوردگي توسط بازها و در حالتي كه بايد با تمام قوا از آلوده شدن محصولات مورد عمل بوسيله مس اجتناب شود ترجيح داده مي‌شوند. در كنار اينها بايد متذكر شد كه انواع داراي مقدار كربن كم خواص مكانيكي بهتري داشته و علاوه بر اين نوع 4 در برابر اكسيد شدن در درجات حرارت بالا مقاومت بهتري دارد.
غالب چدن‌هاي استنيتي اصولا بعلت حضور كربورها، مغناطيس ضعيفي هستند،‌قابليت نفوذ مغناطيسي آنها بين 1/1 تا 4/1 واقع شده است در حالي كه چدن خاكستري معمولي كه شديدا مغناطيسي است قابليت نفوذي نزديك به 200 گوس بر ارستد دارد.
براي چدن‌هاي واقعا غير مغناطيسي مانند انواع نوماگ و 556 برعكس قابليت نفوذي پايينتر از 05/1 و گاهي اوقات پايينتر از 03/1 مورد مطالبه است.
يك چنين مقدار پاييني فقط مي‌تواند در غياب كربورها مثلا به كمك تلقيح گرافيتي كننده به دست آيد.
مي دانيم كه آستنيت ضريب انبساط حرارتي اش بزرگتر از فريت است، در مقابل در جه سانتيگراد بين صفر و 200 درچه سانتي گراد بر عكس، آستنيت انوار غني از نيكل ضريب انبساط حرارتي فوق العاده ضعيفي دارد. بين صفر و 200 درجه سانتي گراد) ناي رزيست معمولي (نوع 1)‌ ضريب انبساط حرارتي حدود درجه سانتي گراد دارد، اين ضريب به تدريج كه مقدار نيكل افزايش مي‌يابد كاهش مي‌پذيرد و در چدني ني‌وار به حداقل خود يعني بين صفر و 200 درجه سانتي گراد

مي‌رسد. از اين خاصيت زماني كه پايداري ابعاد بايد فوق العاده دقيق باشند استفاده مي‌شود مثلا براي بعضي از قطعات ماشين‌هاي ابزار دقيق و غيره.
چدنNicrosilal داراي خواص مكانيكي تقريبا رضايت بخش حتي در درجات حرارت بالا مي‌باشد، اين چدن در مقابل اكسيد شدن تا حدود 900 درجه سانتي گراد نيز نسبتا خوب مقاومت مي‌كمند. با وجود اين مقاومت در برابر اكسيد شدن Nicrosilal در درجات حرارت بالا كمتر از مقاومت آلياژ‌هاي غني از كروم ( 12 تا 35 درصد) كه گاهي با فولادها و گاهي با چدن‌ها طبقه بندي مي‌شوند

مي‌باشد.
ساختار چدن‌هاي آستنيتي تشريح بسيار ساده اي دارند. اين چدن‌ها از يك زمينه آستنيتي همراه با گرافيت به صورت ورقه اي يا كروي و همراه با كربورهاي اتكتيك تشكيل شده است.
جدول 1_انواع چدن استنیتی
3- تاثير عناصر آلياژي
1-3-كربن
مقدار كربن معمولا حدود 3-4/2% مي‌باشد. بايد توجه داشت مقدار كربن با افزايش نيكل كاهش مي‌يابد. تقريبا 20 % كربن به ازاي هر 0.2% نيكل. در چدن‌هاي كم كربن آستنيتي، مقدار كربن آزاد كمي كمتر از چدن‌هاي غير آلياژي است.
2-3-مس
مس نسبت به نيكل ارزان است و بهمين خاطر مي‌توان مقداري از آن را جانشين نيكل نمود. ولي اگر قرار باشد قطعه در مجاورت محلولهاي قليايي و مواد غذايي باشد استفاده از آن مناسب نمي باشد.
3-3-كروم
در چدن‌هاي آستنيتي وجود كرم باعث افزايش سختي و افزايش مقاومت در برابر پوسته شدن حرارتي و نيز افزايش استحكام مي‌شود. در اين نوع چدن‌ها كرم بصورت كاربيد وجود دارد. اگر مقدار كرم كم حدود 1% باشد مي‌تواند بصورت محلول در ساختار چدن وجود داشته باشد كه اين مسئله باعث پايدار شدن آستنيت مي‌گردد. در چدن آستنيتي كرم دار بعلت بالا بودن مقاومت در برابر سايش ماشينكاري مشكل و هزينه آن زياد خواهد بود.
4-3-منگنز

منگنز در حدود 5/1 – 5/0 % در چدن‌هاي آستنيتي وجود دارد. البته گاهي نيز بخاطر بالا بردن مقاومت در مقابل ضربه در درجه حرارتهاي پايين ممكن است ميزان آن به حدود 7% نيز برسد.
5-3-سيليسيم
بعلت اينكه ساختمان زمينه آستنيتي مي‌باشد سيليسيم در آن اثر چنداني ندارد و بيشتر براي رسوب ورقه‌هاي گرافيتها استفاده و بطور معمول مقدار آن بين 5/2 تا 2/1% مي‌باشد ( نسبت به ضخامت قطعه)، با افزايش ميزان سيليسيم به حدود 5/5 تا 5/4% و كاهش كربن به مقدار 2/2 -6/1 مقاومت درجه حرارت بالا خزش و مقاومت در برابر اكسيد شدن افزايش مي‌يابد. حضور بيشتر از 5/5% سيليسيم، خطر تشكيل فاز ترد سيليكوفريت را در قطعات بوجود مي‌آورد.
6-3-فسفر
فسفر باعث ترد و شكننده شدن قطعات مي‌شود. لذا در تمامي چدن‌هاي آستنيتي عنصري مضر مي‌باشد و مقدار آن به حداكثر 08/0% محدود مي‌گردد.
7-3-ساير عناصر
ساير عناصر بمقدار جزيي وجود دارند كه در ميان آنها مي‌توان از سرب آرسنيك و آنتيموان و بيسموت به عنوان عناصر مضر نام برد.
4-كنترل دقيق متغيرها
تحقيق و تجربه نشان داده است كه تغييرات جزئي در تركيب درجه حرارت و ساير پارامترهاي متغير تاثير زيادي در ساختار زمينه و ميزان تخلخل دارد. بنابر اين هنگام توليد قطعات از چدن‌هاي آستنيتي بايستي كنترل دقيقي روي متغيرها اعمال شود. درجه حرارت بهينه در حدود 80 درجه بالاي درجه حرارت ليكوئيدوس مي‌باشد. مثلا در مورد چدني كه حاوي 20% نيكل و 8/3% كربن معادل مي‌باشد درجه حرارت مناسب حدود 1350 درجه خواهد بود.

1-4-اهميت كربن معادل

انتخاب كربن معادل بايد به گونه اي باشد كه مطلوبت ترين شرايط از نظر قابليت ريخته گري، تشكيل تخلخل دروني، استحكام و ساختار گرافيت بدست آيد. مثلا در مورد قطعاتي كه نياز به تغذيه گذاري دارند استفاده از چدن‌هايي كه تركيب آنها باعث بوجود آمدن كمترين درجه حرارت انجماد و بيشترين حد سياليت مذاب مي‌شوند بسيار مفيد است. بنابر اين به ريخته گراني كه چدن آستنيتي توليد مي‌كنند توصيه مي‌شود كه از چدن‌هايي استفاده نمايند كه كربن معادل آنها بالاترين مقدار ممكن را دارد. مشروط بر اينكه كربن معادل مقاطع ضخيمتر از رابطه زير پيروي نمايند.

‍ CE=C%+0.2% Si+0.06% Ni <4.4%
-2-4-مسائل مربوط به تركيب شيميايي
تركيب شيميايي چدن هاي آستنيتي تاثير زيادي روي مقاومت در برابر خوردگي و حرارت و خواص ديگر آنها دارد. بنابر اين بايستي محدوده تعيين شده عناصر آلياژي را دقيقا حفظ نمود. تا كنون بررسيهاي زيادي در مورد دو عنصر كربن و سيليسيم بخصوص تاثير آنها بر روي كربن معادل صورت گرفته است. سيليسيم عنصري است كه باعث رسوب گرافيت مي شود، بنابر اين با توجه به محدوده مجاز، بهتر است از بالاترين حد سيليسيم استفاده نمود تا به اين ترتيب از تشكيل كاربيد جلوگيري شود. ذكر اين نكته ضروري است كه هر نوع كاربيد،‌تاثير به سزايي بر روي خواص قطعه ريختگي دارد. براي مثال تشكيل كاربيد نشان مي دهد كه در هنگام انجماد گرافيت كمتري رسوب كرده و نتيجتا ميزان انبساط چدن در قالب كمتر است. در ضمن كاربيدهاي يوتكتيكي كرم در مراحل نهايي انجامد بخوبي تجزيه نمي شوند در نتيجه باعث به وجود آمدن خلل و فرج و نيز به وجود آمدن انقباض هاي بين دندريتي در قطعه مي شود. در نتيجه از نظر انقباض ناشي از انجماد بهتر است كه ميزان كاربيدها حداقل باشد.
در بعضي از چدن هاي آستنيتي چه با گرافيت ورقه اي و چه با گرافيت كروي، معمولا كرم وجود دارد كه تشكيل كاربيدهاي كرم را تشديد مي نمايد. كرم مي تواند تا ميزان 5/0 % در آستنيت حل شود. بايد توجه داشت كه با تشكيل كاربيد كرم پايدار، تنش تسليم افزايش يافته و سختي زياد مي گردد وجود بيش از 1% كرم در قطعات با ضخامت متوسط باعث كاهش سريع ازدياد طول نسبي و مقاومت در مقابل ضربه خواهد شد با اين حال كرم باعث افزايش مقاومت در برابر خوردگي و اكسيد شدن مي گردد. در جائي كه مقاومت به سايش زيادي مد نظر باشد ممكن است بيش از 3% كرم به آلياژ اضافه شود. بعنوان مثال 20% حجم چدن نشكن آستنيتي (S-Ni-Si-Cr) 30-5-5 راكاربيد تشكيل مي دهد كه به همين علت مقاومت در برابر خوردگي و سايش اين چدن بسيار بالا است و از آن براي ساخت پمپهايي كه مايعات شيميايي شن و ذرات جامد ديگر را انتقال مي دهند استفاده مي گردد.
چدن هاي آستنيتي نظير چدن هاي خاكستري و چدن هاي غير آلياژي با گرافيت كروي، نسبت به ضخامت حساس هستند، بدين معني كه مقاطع نازكتر نسبت به مقاطع ضخيم تر داراي كاربيد بيشتري هستند، همچنين مقدار كاربيد با افزايش كربن معادل كاهش مي يابد.

5-خواص
مجموعه از خواص چدن آستنيتي كه در مقايسه با فلزات ريختگي ديگر بي نظير مي‌باشد شامل موارد زير مي‌باشد:
1- مقاومت در برابر خوردگي
2- خواص خوب انبساطي ( حداقل تغيير ابعاد در اثر تغيير درجه حرارت)
3- مقاومت در برابر حرارت و اكسيداسيون
4- بهبود خواص در درجه حرارتهاي پائين ( دماي تبديل شكست نرم به ترد پائين)
5- استحكام و چقرمگي

6- بهبود مقاومت سايشي
7- قابليت ماشين كاري بالا و مناسب
8- خاصيت غير مغناطيسي مفيد