چدن های ضد سایش و مقاوم به سایش

در تجهیزاتی که عملیات سایش انجام می گیرد آلیاژهای آهنی با بیشترین کربن بهترین مقاومت سایشی را دارند . ولی به خاطر تنشهای متعددی که هنگام کار به وجود می آید باید ماده به کار رفته چقرمگی کافی برای جلوگیری از بروز عیوب گوناگون را داشته باشد . فولادهای غیر آلیاژی یا کم آلیاژ با کربنی حدود 4/0% در حالتی که ساختارشان مارتنزیتی است چقرمگی پایینی دارند . چدن های سفید غیر آلیاژی که اغلب کاربید موجود در آنها سمنیتت است سالها به علت مقاومتی که در مقابل سایش دارند مورد استفاده قرار گرفته اند . با این حال در موارد متعددی استفاده از آنها رضایت بخش نبوده است . ضعف این چدن ها در ساختارشان است . فاز کاربید یک شبکه پیوسته ای را در اطراف دانه های آستنیت تشکیل داده و موجب تردی و ترک خوردن می گردد . افزایش یک عنصر آلیاژی که کربن را به صورت کاربیدی غیر از سمنتیت با سختی بیشتر و خواص مطلوبتر درآورده ونیز مقداری کربن زمینه را کاهش می دهد ، موجب بهبود همزمان چقرمگی و مقاومت سایشی می شود . عنصری که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد کروم است و کاربید آن بیشتر به صورت M7 C3 می باشد . در خرد کننده ها قطعاتی که تحت سایش هستند باید نه تنها در مقابل سایش بلکه در مقابل تنشهای دینامیکی هم که می تواند منجر به شکستهای ناگهانی شود مقاومت کنند . قطعاتی که در معرض تنشهای سنگین هستند مشکل بزرگی را به وجود می آورند و ان اینکه قطعه باید دو خاصیت متناقض را در کنار هم داشته باشد که عبارت است از مقاومت سایشی و چقرمگی .کربن مهمترین عاملی است که روی مقاوت سایشی و چقرمگی آلیاژهای آهنی به طور همزمان ولی در خلاف جهت هم اثر می گذارد . با افزایش مقدار کربن تأثیر آن روی مقاومت سایشی بیشتر میشود انتخاب ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی برای کسی که در صدد یافتن راهی برای بهینه کردن مقاومت سایشی و چقرمگی باشد از بیشترین اهمیت برخوردار است .جهت بدست آوردن سختی پذیری کافی است برای ضخامت مشخص مقدار عنصر آلیاژی مناسب انتخاب شود . ساختار میکروسکوپی این گروه از چدن های سفید شامل کاربیدهای آهن - کروم یوتکتیک ناپیوسته و کاربیدهای ثانویه غنی از کروم در زمینه ای از آستنیت یا محصولات استحاله آن می باشد . به کمک عملیات حرارتی می توان زمینه ی آستنیتی ، مارتنزیتی ، بینیتی و یا پرلیتی به دست آورد .
اثر ساختار میکروسکوپی:
بیشترین مقاومت سایشی این چدن ها نتیجه ی مستقیم ساختار میکروسکوپی آنهاست . اغلب فرآیندهای سایشی را می توان یک عمل برشی یا فراشی تعریف نمود . نظیر عملیات ماشین کاری که یک ذره ساینده به سطح فلز فرو رفته و خطوط سایش و تغییر شکل ایجاد کرده و ذراتی را از سطح جدا می کند . براده هایی که از محل سایش به دست آمده اند حاوی ذرات بسیار ریزی هستند که از قلم تراش در حین عملیات ماشین کاری جدا شده اند . برای عملی شدن مکانیزم سایش کاملاً ضروری است که وسیله ی ساینده از فلز سخت تر باشد . اگر این وسیله نرمتر باشد فرآیند بیشتر به خوردگی و اکسیداسیون شبیه خواهد بود و فقط سایش ناچیزی انجام می گیرد .
انتخاب زمینه:
بهترین زمینه ای که می توان انتخاب کرد مارتنزیت پر کربن و سختی است که سختی آن ناشی از کاربیدهای ثانویه ی پراکنده می باشد . دومین انتخاب خوب می توان آستنیت ناپایدار کارسختی پذیر باشد . بهترین اتحاد بین استحکام و چقرمگی را می توان براساس ساختار میکروسکوپی توضیح داد . در چدن های سفید پر کروم کاربیدها در زمینه پراکنده شده اند که این برخلاف حالتی است که در چدن های سفید کم آلیاژ لدبوریتی وجود دارد . در این حالت ساختار را می توان به صورت زمینه ای از سمنتیت با محصولات گوناگون استحاله آستنیت که فاز ترد کاربید بر استحکام و چقرمگی غلبه کرده است توصیف نمود . افزایش مقدار کربن حجم کاربیدها را در ساختار افزایش می دهد از آنجایی که این کاربیدها سختی و مقاومت سایشی بالایی دارند افزایش کربن موجب افزایش مقاومت سایشی نیز می شود . به هر حال اگر مقدارکربن از مقدار یوتکتیک زیادتر شود کاربیدهای اولیه ی زیادی تشکیل خواهد شد که اینها ترد بوده و تحت ضربه ذرات ساینده منجر به شکست می شوند و در نتیجه باعث افزایش کاهش وزن در اثر سایش می گردند و این با یک کاهش در چقرمگی و خواص میکانیکی همراه است تنها در حالت هایی که سطح چه در مقیاس میکروسکوپی و چه در مقیاس ماکروسکوپی تحت ضربه و تنشهای مکانیکی پایینی باشد مقدار کربن هیپریوتکتیک مفید خواهد بود . هرچه زمینه نرمتر باشد مقاومت سایشی آن کمتر شده و تمایل کاربیدها برای خارج شدن از زمینه افزایش خواهد یافت . اثر نامطلوب دیگری که به وجود آمدن زمینه ی نرم در پی دارد پایین بودن استحکام تسلیم می باشد ممکن است چنین زمینه هایی نتوانند ساپورت و پشتوانه کافی برای کاربیدها را در جهت مقاومت در برابر تنشهای مکانیکی وارده ایجاد کنند و نتیجتاً کاربدها در اثر اعمال تنش برشی توأم با سایش بشکنند . در این رابطه خصوصاً پرلیت مهم است و اگر مقدار پرلیت 10 % و یا کمتر باشد ممکن است اثرات زیان آوری روی مقاومت سایشی داشته باشند .
ذوب و ریخته گری چدن های پر کروم:
چدن های پر کروم را می توان در انواع کوره های الکتریکی و کوره های سوختی تولید کرد . چدن های پر کروم معمولاً به صورت آرام ذوب می شوند و به جز حالتی که نیاز به کاهش کربن باشد نیازی به دمش اکسیژن نیست . برای ذوب در کوره های القایی که تلاطم خوبی دارند دماهای بالا لازم نیست و معمولاً اگر دمای نهایی به 1480 درجه سانتیگراد برسد کافی خواهد بود . در کوره های قوس الکتریکی برای اطمینان هموژن شدن ترکیب مذاب و برای افزایش سرعت حل شدن کربن و عناصر آلیاژی که بعد از ذوب به کوره اضافه می شود عموماً از دماهای نهایی تا 1565 درجه سانتیگراد استفاده می شود .
ریختن فلز مذاب:
برای تولید قطعات چدنی پر کروم ، کنترل دقیق دماهای بارریزی بسیار مهم است . جهت جلوگیری از کشیدگی و عیوبی نظیر نفوذ مذاب و ماسه سوزی لازم است که از دماهای بارریزی پایین استفاده شود . دمای بارریزی قطعاتی که ضخامت آنها کمتر ازmm 10 باشد ، دمای 1350 تا 1400 درجه ی سانتیگراد انتخاب می شود . در این دما لایه ی اکسید تشکیل شده بر روی فلز مذاب باعث می شود که مذاب غلیظ به نظر آید ولی در واقع سیالیت بسیار عالی دارد .
کاربرد چدن های مقاوم در مقابل سایش :
مصرف این نوع چدن ها در تولید قطعاتی نظیر بوشها ، سیلندرها ، بوش سیلندرها ، کاسه چرخ و ... می باشد . به منظور افزایش مقاومت در مقابل سایش چدن ها معمولاً از عناصری نظیر کروم و مولیبدن استفاده میگردد . مصارف دیگر چدن های مقاوم در برابر سایش در ساخت قالب های حدیده مربوط به کشش سیم ، گلوله ها و زره آسیاب ها ، غلطک نوارهای نقاله و پمپ های ضد سایش می باشد .
ب : چدن های ضد سایش نیکل دار:
چدن های نیکل سخت به وفور در عملیات خرد کن ، پودر کردن ، نورد کردن و حمل مواد به کار برده می شود . دو گروه عمده ی چدن نیکل سخت وجود دارد :
چدن های با 4% نیکل و چدن های با 6% نیکل و 9% کروم که معمولاً به نیکل سخت 2 و 4 موسوم اند . نوع 2 چدن نیکل سخت شامل کاربدهای یوتکتیکی M3C لدبوریتی است و بنابراین دارای چقرمگی کمی است ، در صورتی که نوع 4 نیکل سخت عمدتاً شامل کاربیدهای ناپیوسته M7C3 است و در نتیجه چقرمگی نیکل سخت 4 بیشتر است . چدن نیکل سخت 2 چقرمگی کمتری دارد و عمدتاً در تولید غلطک های فلز کاری مورد استفاده قرار می گیرد . متالورژی و کاربرد چدن های نیکل سخت 4 تقریباً مشابه چدن های پر کروم است اما مشاهده شده است که در کاربردهای خاصی مانند گلوله های آسیاب و جداره پوسته ی آسیاب های سیمان با قطر زیاد که قطعات ریختگی در آن هم تحت سایش و هم ضربات مکرر سنگین قرار دارند . نیکل سخت 4 مقاومت لازم برای شکست را ایجاد نمی کند ، به طور کلی مقاومت شکست چدن های پر کروم بیش از چدن های نیکل سخت 4 است . مشخصه ای که سبب ارجحیت بارز چدن های نوع نیکل سخت 4 در مقایسه با چدن های پر کروم می شود ، قابلیت سختی پذیری عالی آن است .
فاز های کاربیدی در چدن های نیکل سخت:
ترکیب شیمیایی تمام چدن های نیکل سخت طوری انتخاب می شود که بیشتر ساختار به صورت ترکیب یوتکتیک و آستنیت جامد شود . مقدار کاربید یوتکتیک که تشکیل می شود و نیز ساختار زمینه به ترکیب شیمیایی چدن بستگی دارند . چدن نیکل سخت نوع 2 دارای ساختار لدبوریتی خاصی است که در آن کاربید M3C در برابر ریز ساختار پیوسته حضور دارد اما چدن نیکل سخت نوع 4 دارای ساختار یوتکتیکی است که در آن کاربیدهای نوع M7C3 به طور ناپیوسته حضور دارد . مزیت این نوع ساختار کاربیدی این است که اگرچه کاربید M7C3 ترد است ولی ترک هایی که در آن ایجاد می شوند قبل از اینکه وارد زمینه به مراتب نرمتری شوند نمی توانند خیلی اشاعه پیدا کنند . به این دلیل چدن نیکل سخت 4 نسبت به چدن های نیکل سخت 2 مقاومت به وضوح بیشتری به شکست دارند .با در نظر گرفتن این مطلب که : Si% + 0.3 %Cr از4.1 بزرگتر است ، مطمئناً توسط این ترکیب به جای کاربیدهای لدبوریتی ، کاربیدهای ناپیوسته تشکیل می شوند .
 چدن های مقاوم در برابر خوردگی:
مقاومت خوردگی چدن خاکستری بوسیله ی افزودن مقادیر محسوس نیکل ، کروم و مس ، به تنهایی یا مجموعاً ، یا سیلیس بیش از 3 % افزایش می یابد . به طور نرمال تا 3 % سیلیسیم در همه ی چدن ها موجود است ، در درصدهای بالاتر ، سیلیسیم به عنوان یک عنصر آلیاژی به حساب می آید و باعث تشکیل لایه ی محافظ سطحی که در معرض محیط از اکسید شدن لایه های زیری محافظت می نماید . مقادیر کم مولیبدن را می توان در چدن های پر سیلیس اضافه نمود .افزایش نیکل به چدن خاکستری مقاومت در مقابل اسیدهای احیاء کننده را بهبود بخشیده و همچنین مقاومت آن را در برابر بازها نیز بالا می برد . کروم با تشکیل یک لایه ی محافظ مقاومت در برابر اسیدهای اکسید کننده را افزایش می دهد . ولی در محیط های احیاء کننده کمتر مورد استفاده قرار می گیرد .
1 ) چدن های مقاوم به خوردگی سیلیسیم بالا
چدن های پر سیلیسیم و مولیبدن دار تا مقدار 5/3 % در بسیاری از جاها برای حمل اسید های خورنده استفاده می شود . با مقدار سیلیسیم 5/14 % یا بیشتر ، این نوع چدن ها مقاومت بالایی نسبت به اسید سولفوریک گرم 30 % پیدا می کنند . افزایش سیلیسیم تا مقدار 5/16 % در چدن خاکستری باعث کاهش خوردگی آن در برابر اسیدهای گرم سولفوریک و نیتریک شده و در تمام غلظت های آن ﻣﺆثر می باشد . چدن خاکستری با 14 % سیلیس در برابر خورندگی اسید کلریدریک مقاومت کمتری دارد ولی می توان با افزودن 5/3 % مولیبدن این مقاومت را بهبود داد همچنین می توان با افزودن تا مقدار 17 % سیلیس این مقاومت را بالا برد . این چدن ها در تماس با محلولهای شامل نمک مس یا گاز مطوب کلرین مقاومت مفیدی دارند ، همچنین در برابر اسیدهای آلی و در هر غلظت و درجه حرارتی مقاوم می باشند . چدن های پر سیلیس از خواص مکانیکی ضعیفی برخوردار هستند و مخصوصاً مقاومت پایینی نسبت به شوک های مکانیکی و حرارتی دارند . ریخته گری آنها مشکل بوده و غیر قابل ماشین کاری و براده برداری هستد .استفاده ی قابل توجه این چدن به خاطر مقاومت برجسته ی آن نسبت به اسیدها می باشد .این چدن ها برای لوله کشی در کارخانه های شیمیایی و آزمایشگاه ها به کار برده می شوند .
2 ) چدن های مقاوم به خوردگی پر کروم
چدن های پر کروم با مقدار کروم 20 نا 35 % نظیر چدن های پر سیلیس در مقابل اسیدهای اکسید کننده مقاوم به خوردگی خوبی دارند اما در برابر اسیدهای احیاء کننده مقاوم نیستند . این چدن ها به طور قابل اطمینانی برای استفاده در مقابل اسیدهای ضعیف تحت حالت های اکسیداسیون ، محلول های نمک ، محلول های اسید آلی و برای قرار گرفتن در معرض اتمسفر عمومی به کار میروند مقاومت در مقابل خوردگی چدن های پر کروم نسبت به اسید نیتریک استثنایی است . این چدن در برابر تمام غلظت های بالای 95 % اسید فوق در درجه حرارت محیط مقاوم است . میزان خوردگی آن در سال کمتر از 12 /0 میلی متر است و همین میزان برای تمام درجه حرارت های تا نقطه ی جوش و برای غلظت های تا 70 % نیز صادق است . چدن های پر کروم با مقدار کربن کمتر از 1 % برای دیگ های آنیلینگ سرب ، روی و آلومینیوم ، زنجیرهای انتقال دهنده و دیگر قسمت های تحت خوردگی در درجه حرارت های بالا رضایت بخش هستند .چدن های پر کروم با مقدار 30 تا 35 % کروم برای شرایط محیط های شدید خورندگی اسید ها مورد استفاده قرار می گیرند . این چدن ها یک مقاومت مفید به همه ی غلظت های اسید های سولفوره در درجه حرارت های تا 80 درجه سانتیگراد ، محلول سولفیت در کارخانه کاغذ سازی ، محلول های سفید کننده در درجه حرارت های محیط ، سولفت آلومینیوم سرد در غلظت های تا 5 % و بعضی نمک ها که هیدرولیز می شوند تا محلول های اسیدی بدهند دارند ، این چدن ها در برابر تمام غلظت های اسید فسفریک 60 % در درجه حرا رت های تا نقطه ی جوش و غلظت های 85 % تا 80 درجه سانتیگراد مقاوم هستند . این چدن ها همچنین مقاومت خوبی در مقابل آب دریا و آب های معدنی که دارای مجلول های اسیدی می باشند دارند . چدن های پر کروم خواص مکانیکی بهتری نسبت به چدن های پر سیلیس دارا هستند و وقتی که مقدار کروم و کربن به طور مناسبی بالانس باشند به آسانی عملیات حرارتی می شوند .
3 ) چدن های آوستینیتی
چدن های آوستینیتی خانواده ای از چدن ها هستند که به دلیل مقاومت در برابر خوردگی وابستگی شدیدی به ترکیب شیمیایی دارند بنابراین رعایت حدود تغییرات عناصر در محدوده های تعیین شده بسیار مهم است . از آنجایی که سیلیسیم از تشکیل کاربیدها جلوگیری نموده و باعث رسوب گرافیت می شود لذا بایستی با در نظر گرفتن محدوده ی مجاز استاندارد مقدار آن را به بالاترین حد ممکن رساند . نوع کاربید تأثیر مهمی بر خواص ریخته گری دارد ، تشکیل کاربید بیانگر این نکته است که در هنگام انجماد گرافیت کمتری رسوب نموده است و در این صورت میزان انبساط چدن در قالب کمتر می باشد . بعلاوه کاربید های یوتکتیک کروم در مراحل انتهای انجماد نمی توانند به خوبی تغذیه شوند در نتیجه باعث ایجاد خلل و فرج و همچنین بروز انقباض های بین دندریتی در قطعه می شوند بنابراین از نظر انقباض ناشی از انجماد بهتر است که میزان کاربید ها حداقل باشد . دربیشتر چدن های آوستینیتی کروم وجود دارد که تشکیل کاربید های کروم را می دهد . به هر حال کروم مقاومت در برابر خوردگی و اکسید شدن را افزایش می دهد و در بعضی موارد برای ایجاد مقاوم سایشی زیاد بیش از 3 % کروم به آلیاژ اضافه می شود . چدن آوستینیتی نظیر چدن های خاکستری غیر آلیاژی نسبت به ضخامت حساس هستند بدین معنی که مقاطع نازک تر نسبت به مقاطع ضخیم تر دارای کاربید های بیشتری هستند . همچنین مقدار کاربید با افزایش کربن معادل کاهش می یابد .
عوامل ﻣﺆثر در ریخته گری قطعات چدن آوستینیتی:
بی عیب بودن ریختگی از جنس چدن آوستینیتی ، علاوه بر اینکه به روش های راهگاهی و تغذیه - گذاری مربوط است معمولاً به عومل دیگری نیز بستگی دارد که بعضی از آنها از نظر اندازه ی قطعه ی ریختگی ، استحکام قالب ، ترکیب شیمیایی ، درجه حرارت ریختن و جوانه زایی ، خود با یکدیگر وابستگی دارند . همیشه در نظر داشته باشید که چدن های آوستینیتی با گرافیت ورقه ای از نظر خصوصیات انقباضی و سایر خصوصیات ریخته گری شباهتی با چدن خاکستری ندارد .
کاربرد قطعات چدن آوستینیتی:
از چدن های آوستینیتی برای تولید محصولاتی استفاده می شود که بایستی در محیط های گوناگون در مقابل خوردگی ، پوسته شدن مقاوم باشند و در درجه حرارت های بالا تا 800 درجه سانتیگراد رشد و خزش آنها نسبتاً کم باشد البته این آلیاژها به خاطر خواص خوب انبساطی ، الکتریکی ، غیر مغناطیسی بودن وسایر خصوصیات خوب فیزیکی مصارف بسیار زیادی دارد . همچنین از آن در تولید قطعاتی که در درجه حرارت های زیر صفر به کار گرفته می شود نیز استفاده می گردد . کاربرد اصلی این چدن ها در تولید رینگ پیستون های موتورهای دیزلی ، پمپ ها و شیرهای مورد استفاده در صنایع نمک زدائی ، شیمیایی ، نفت و تمام صنایع که آب سایر مایعات خورنده حمل می نماید ، همچنین برای تولید توربو شارژهای لوله های اگزوز ، شیرهای مقاوم در درجه حرارت های بالا ، کمپرسورها ،کلید های الکتریکی و پروانه های کشتی ها می باشد . مقاومت خوب چدن های آوستینیتی در برابر خوردگی در مقابل آب دریا ، از مهمترین عواملی است که استفاده از این نوع چدن را روز افزون نموده است .
خلاصه ای از نقش عناصر در چدن ها
1 - آلومینیوم ایجاد فریت را ترغیب می کند و مقدار 025/0 گرافیت زاست .
2 - آنتیموان پایدار کننده پرلیت است .
3 - بیسموت پایدار کننده ضعیف پرلیت می باشد .
4 - بر بالای 15/0 درصد پایدار کننده قوی پرلیت است .
5 - کروم ، قویترین کاربید زاست همچنین ایجاد کننده پرلیت است .
6 - مس در مقدار کم گرافیت زاست و بعد از قلع ، پرلیت زای خوبی است .
7 - منگنز کاربید زاست و همچنین باعث ایجاد پرلیت می شود .
8 - تلریم نگهدارنده ی قوی پرلیت است .
9- تیتانیم زیر 25/0 درصد پیدایش گرافیت را تسهیل میکند .
10 - نیکل ایجاد کننده ضعیف پرلیت است ، پیدایش گرافیت و فریت را تسهیل می کند .
11 - وانادیم کاربیدزای قوی است و همچنین پرلیت زای قوی نیز می باشد .