بررسی خواص و خوردگی و اکسیداسیون فلزات(چدن‌ها ، فولاد‌ها و آلومینیوم هاو مقایسه بین آنها) (7)

چدن:

چدن(Cast Iron) آلیاژی از آهن و کربن و سیلیسیم است که همواره محتوی عناصری در حد جزیی( کمتر از1/0%) و غالباً عناصر آلیاژی ( بیشتر از1/0% ) بوده و به حالت ریختگی یا پس از عملیات حرارتی به کار برده می‌شود. عناصر آلیاژی برای بهبود کیفیت چدن برای مصارف ویژه به آن افزوده می‌شود. آلیاژهای چدن در کارهای مهندسی که در آنها چدن معمولی ناپایدار است بکار می‌روند. اساساً خواص مکانیکی چدن به زمینه ساختاری آن بستگی دارد و مهمترین زمینه ساختار چدن‌ها عبارتند از : فریتی، پرلیتی، بینیتی و آستینتی. انتخاب نوع چدن و ترکیب آن بر اساس خواص و کاربردهای ویژه مربوطه تعیین می‌شود.

 

- طبقه بندی چدن‌ها:

چدن‌ها به دو گروه اصلی طبقه بندی می‌شوند، آلیاژهایی برای مقاصد عمومی که موارد استعمال آنها در کاربرد‌های عمده مهندسی است و آلیاژهای با منظور و مقاصد ویژه از جمله چدن‌های سفید و آلیاژی که برای مقاومت در برابر سایش، خوردگی و مقاوم در برابر حرارت بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

- چدن‌های معمولی( عمومی) :

این چدن‌ها جزو بزرگترین گروه آلیاژهای ریختگی بوده و بر اساس شکل گرافیت به انواع زیر تقسیم می‌شوند:

Ãچدن‌های خاکستری ورقه‌ای یا لایه‌ای:

چدن‌های خاکستری جزو مهمترین چدن‌های مهندسی هستند که کاربردی زیاد دارند. نام این چدن‌ها از خصوصیات رنگ خاکستری سطح مقطع شکست آن و شکل گرافیت مشتق می‌شود، خواص چدن‌های خاکستری به اندازه، مقدار و نحوه توزیع گرافیت‌ها و ساختار زمینه بستگی دارد. خود اینها نیز به کربن و سیلیسیم و همچنین روی مقادیر جزیی عناصر، افزودنی‌های آلیاژی، متغیر‌های فرآیندی مانند، روش ذوب، عمل جوانه زنی و سرعت خشک شدن بستگی پیدا می‌کنند. اما بطور کلی این چدن‌ها ضریب هدایت گرمایی بالایی داشته، مدول الاستیسیته و قابلیت تحمل شوکهای حرارتی کمی دارند و قطعات تولیدی از این چدن‌ها به سهولت ماشینکاری و سطح تمام شده ماشینکاری آنها نیز مقاوم در برابر سایش از نوع لغزشی است. این خواص آنها را برای ریختگی هایی که در معرض تنشهای حرارتی محلی با تکرار تنشها هستند، مناسب می‌سازد. افزایش میزان فریت در ساختار باعث استحکام مکانیکی خواهد شد. این نوع حساس بودن به مقاطع نازک و کلفت در قطعات چدنی بدنه موتورها مشاهده می‌شود. دیواره نازک و لاغر سیلندر دارای زمینه ای فریتی و قسمت نشیمنگاه یاتاقان‌ها زمینه‌ای با پرلیت زیاد را پیدا می‌کند. هم‌چنین ساخت ماشین‌آلات عمومی، کمپرسورهای‌ سبک و سنگین، قالبها، میل‌لنگها، شیر فلکه‌ها و اتصالات لوله‌ها و غیره از چدن‌های خاکستری استفاده ‌می‌شود.

 

à چدن‌های مالیبل یا چکشخوار:

چدن‌های چکشخوار با دیگر چدن‌ها به واسطه ریخته‌گری آنها نخست به صورت چدن سفید فرق می‌کنند. ساختار آنها مرکب از کاربیدهای شبه پایدار در یک زمینه‌ای پرلیتی است باز پخت در دمای بالا که توسط عملیات حرارتی مناسب دنبال می‌شود باعث تولید ساختاری نهایی از توده متراکم خوشه های گرافیت در زمینه فریتی یا پرلیتی بسته به ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی می‌شود. ترکیب بکاربرده شده بر اساس نیازهای اقتصادی، نحوه‌ی باز پخت خوب و امکان جذب و امکان تولید ریخته‌گری انتخاب می‌شود. مثلاً بالا رفتن Si بازپخت را جلو انداخته و موجب عملیات حرارتی خوب و سریعی با سیلکی کوتاه می‌شود و در ضمن مقاومت مکانیکی را نیز اصلاح می‌نماید.

تأثیر عناصر به مقدار بسیار کم در این چدنها دستاورد دیگری در این زمینه هستند. Te وBi تشکیل چدن سفید در حالت انجماد را ترقی داده، B و AL موجب اصلاح قابلیت بازپخت و توأم با افزایش تعداد خوشه های گرافیت می‌شود میزان Mn موجود و نسبت  برای آسان کردن عمل بازپخت می‌بایست کنترل گردد. عناصری از جمله Cu و Ni و Mo را ممکن است برای بدست آوردن مقاومت بالاتر یا افزایش مقاومت به سایش و خوردگی به چدن افزود. دلیل اساسی برای انتخاب چدن‌های چکشخوار قیمت تمام شده پایین و ماشینکاری راحت و ساده است. کاربردهای آنها در قطعات اتومبیل، قطعات کشاورزی، اتصالات لوله‌ها، اتصالات الکتریکی و قطعات مورد استفاده در صنایع معدنی است.

 

à چدن‌های گرافیت کروی یا نشکن:

این چدن در سال 1948 در فیلادلفیای آمریکا در کنگره جامعه ریخته‌گران معرفی شد. توسعه سریع آن در طی دهه 1950 آغاز و مصرف آن در طی سالهای 1960 رو به افزایش نهاده و تولید آن با وجود افت در تولید چدن‌ها پایین نیامده است. شاخصی از ترکیب شیمیایی این چدن به صورت 7/3% کربن، 5/2% سیلیسیم، 3/0% منگنز، 01/0%  گوگرد، 01/0% فسفر و 04/0% منیزیم است. وجود منیزیم این چدن را از چدن خاکستری متمایز می سازد، برای تولید چدن گرانیت کروی از منیزیم و سریم استفاده می‌شود که از نظر اقتصادی منیزیم مناسب و قابل قبول است. جهت اصلاح و بازیابی بهتر منیزیم برخی از اضافه شونده‌هایی از عناصر دیگر با آن آلیاژ می‌شوند و این باعث کاهش مصرف منیزیم و تعدیل کننده آن است. منیزیم، اکسیژن و گوگرد زدا است. نتیجتاً منیزیم وقتی خواهد توانست شکل گرانیتها را به سمت کروی شدن هدایت کند که میزان اکسیژن و گوگرد کم باشند. اکسیژن زدایی‌ها مثل کربن و سیلیسیم موجود در چدن مایع این اطمینان را می‌دهند که باعث کاهش اکسیژن شوند ولی فرایند گوگرد زدایی اغلب برای پایین آوردن مقدار گوگرد لازم است. از کاربرهای این چدن‌ها در خودرو سازی و صنایع وابسته به آن مثلاً در تولید مفصل‌های فرمان و دیسک ترمز‌ها، در قطعات تحت فشار در درجه حرارت‌های بالا مثل شیر فلکه‌ها و اتصالات برای طرح‌های بخار و شیمیایی غلتکهای خشک کن نورد کاغذ، در تجهیزات الکتریکی کشتی‌ها، بدنه موتور، پمپ‌ها و غیره است.

 

à چدن‌های گرافیت فشرده یا کرمی شکل:

این چدن شبیه خاکستری است با این تفاوت که شکل گرافیت‌ها بصورت کروی کاذب، گرافیت تکه‌ای با درجه بالا و از نظر جنس در ردیف نیمه نشکن قرار دارد. میتوان گفت یک نوع چدنی با گرافیت کروی است که کره‌های گرافیت کامل نشده‌اند یا یک نوع چدن گرافیت لایه‌ای است که نوک گرافیت گرد شده است و بصورت کرمی شکل درآمده‌اند. این چدن‌ها اخیراً از نظر تجاری جای خود را در محدوده خواص مکانیکی بین چدنهای نشکن و خاکستری باز کرده‌است.

ترکیب آلیاژ موجود تجارتی که برای تولید چدن گرافیت فشرده استفاده می‌شود عبارت است از 5/1- 1%  AL، 5/5- 4%  Ca، 5/10- 5/8% Ti ، 5- 4% Mg ، 52- 48% Si ، 2%- 5/0% Ce و بقیه Fe . چدن گرافیت فشرده در مقایسه با چدن خاکستری از مقاومت به کشش- صلبیت و انعطاف پذیری، عمر خستگی، مقاومت به ضربه و خواص مقاومت در دمای بالا و برتری با زمینه‌ای یکسان برخوردار است و از نظر مقاومت به شکاف و ترک خوردگی برتر از سایر چدنها است. در هر حال ترکیبی از خواص مکانیکی و فیزیکی مناسب، این چدنها را به عنوان انتخاب ایده‌آلی جهت موارد استعمال گوناگون مطرح می‌سازد. مقاومت بالا در این چدن‌ها باعث کاربرد برای قطعاتی از جمله سر سیلندرها، منیفلد‌های دود، دیسکهای ترمز، دیسکها و رینگ‌های پیستون شده است.

 

چدن‌های سفید و آلیاژی مخصوص:

کربن چدن سفید به صورت بلور سمانتیت ( کاربید آهن Fe₃C) میباشد که از سرد کردن سریع مذاب حاصل می‌شود و این چدن‌ها به آلیاژهای عاری از گرافیت و گرافیت‌دار تقسیم می‌شوند و به صورتهای مقاوم به خوردگی، دمای بالا، سایش و فرسایش می‌باشند.

 

à چدن‌های بدون گرافیت: شامل سه نوع زیر می‌باشند:

µ چدن سفید پرلیتی: ساختار این چدن‌ها از کاربیدی های یکنواخت برجسته و توپر M₃c در یک زمینه پرلیتی تشکیل شده است این چدنها مقاوم در برابر سایش هستند و هنوز هم کاربرد داشته ولی بی نهایت شکننده هستند لذا توسط آلیاژهای پرطاقت دیگری از چدنهای سفید آلیاژی جایگزین گشته اند.

µچدن سفید مارتنزیتی (نیکل سخت): نخستین چدنهای آلیاژی که توسعه یافتند آلیاژهای نیکل ـ سخت بوده اند. این آلیاژها بطور نسبی قیمت تمام شده کمتری داشته و ذوب آنها در کوره کوپل تهیه شده و چدنهای سفید مارتنزیتی دارای نیکل هستند. Ni به عنوان افزایش قابلیت سختی پذیری برای اطمینان از استحاله آستینیتی به مارتنزیتی در طی مرحله عملیات حرارتی به آن افزوده می شود. این چدنها حاوی Cr نیز به دلیل افزایش سختی کاربید یوتکتیک هستند. این چدنها دارای یک ساختار یوتکتیکی تقریباً نیمه منظمی با کاربیدهای یکنواخت برجسته و یکپاره M₃c هستند که بیشترین فاز را در یوتکتیک دارند و این چدنها مقاوم در برابر سایش هستند.

µ چدن سفید پر کرم: چدن‌های سفید با  Crزیاد ترکیبی از خصوصیات مقاومت در برابر خوردگی، حرارت و سایش را دارا هستند. این چدنها مقاومت عالی و به رشد و اکسیداسیون در دمای بالا داشته و از نظر قیمت نیز از فولادهای ضد زنگ ارزان‌تر بوده و در جاهایی که در معرض ضربه و یا بازهای اعمالی زیادی نیستند به کار برده می‌شوند. این چدنها به 3 دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند:

1- چدن‌های مارتنزیتی با 28- 12% Cr

2- چدن‌های فریتی با 34- 30% Cr

3- چدن‌های آستنیتی با 30- 15% Cr و 15- 10% Ni برای پایداری زمینه آستینیتی در دمای پایین طبقه بندی این چدن‌ها بر اساس دمای کار، عمر کارکرد در تنشهای اعمالی و عوامل اقتصادی است. کاربرد این چدنها در لوله های رکوپراتو، میله، سینی، جعبه در کوره‌های زینتر و قطعات مختلف کوره‌ها، قالبهای ساخت بطری شیشه و کاسه نمدهای فلکه‌ها است.

 

… چدن‌های گرافیت دار:

D چدن‌های آستنیتی: شامل دو نوع ( نیکل- مقاوم) و نیکروسلال Si – Ni، که هر دو نوع ترکیبی از خصوصیات مقاومت در برابر حرارت و خوردگی را دارا هستند. اگر چه چدن‌های غیر آلیاژی بطور کلی مقاوم به خوردگی به ویژه در محیط‌های قلیایی هستند، این چدنها بصورت برجسته‌ای مقاوم به خوردگی در محیط‌های مناسب و مختص خودشان هستند. چدن‌های نیکل مقاوم آستنیتی با گرافیت لایه‌ای که اخیراً عرضه شده‌اند از خواص برتری برخوردار بوده ولی خیلی گران هستند. غلظت نیکل و کروم در آنها نسبت به طبیعت محیط خورنده‌شان تغییر می‌کند. مهمترین کاربرد شامل پمپ‌های دنده‌ای حمل اسید سولفوریک، پمپ خلاء و شیرهایی که در آب دریا مصرف می‌شوند. قطعات مورد استفاده در سیستم‌های بخار و جابجایی محلول‌های آمونیاکی، سود و نیز پمپاژ و جابجایی نفت خام اسیدی در صنایع نفت هستند. 

 

D چدن‌های فریتی: شامل دو نوع زیر می باشند: چدن سفید 5% سیلیسیم در سیلال که مقاوم در برابر حرارت می‌باشد و نوع دیگر چدن پر سیلیسیم (15%) که از مقاومتی عالی به خوردگی در محیط اسیدی مثل اسید نیتریک و سولفوریک در تمام دماها و همه غلظتها برخوردارند. اما بر خلاف چدن‌های نیکل- مقاوم، عیب آن، ترد بودن است که تنها با سنگ زنی میتوان ماشین‌کاری نمود. مقاومت به خوردگی آنها در برابر اسیدهای هیدرولیک و هیدروفلوریک ضعیف است. جهت مقاوم سازی به خوردگی در اسید هیدرولیک می‌توان با افزودن Si تا 18- 16% ، افزودن 5- 3% Cr یا 4- 3% Mo به آلیاژ پایه، اقدام نمود. 

Dچدن‌های سوزنی: در این چدنها Al به طور متناسبی جانشینSi در غلظت‌های کم می‌گردد، چدن‌های آلیاژهای آلومینیوم دار تجارتی در دو طبقه بندی یکی آلیاژهای تا 6% Al و دیگری 25- 18% Al قرار می‌گیرند. Al پتانسیل گرافیته شدگی را در هر دوی محدوده های ترکیبی ذکر شده حفظ کرده و لذا پس از انجماد چدن خاکستری بدست می‌آید. این آلیاژ به صورت چدن‌های گرافیت لایه‌ای، فشرده و کروی تولید می‌شوند. مزایای ملاحظه شده شامل استحکام به کشش بالا، شوک حرارتی و تمایل به گرافیته شدن و سفیدی کم می‌باشند که قادر می‌سازند قطعات ریختگی با مقاطع نازک تر را تولید کرد. چدن‌های با Al کم مقاومت خوبی به پوسته شدن نشان داده و قابلیت ماشین‌کاری مناسبی را نیز دارا هستند. محل‌های پیشنهادی جهت کاربرد آنها منیفلدهای دود، بدنه توربو شارژها، روتوهای دیسک ترمز، کاسه ترمزها، برش سر سیلندرها، میل با دامکها و رینگهای پیستون هستند. وجود Al در کنار Si در این نوع چدنها باعث ارائه خواص مکانیکی خوب توأم با رطوبت یا هیدروکربنهای موجود در قالب ترکیب شده و هیدروژن آزاد تولید می‌کند. این هیدروژن‌آزاد قابل حل در فلز مذاب بوده و باعث به وجود آوردن مک‌های سوزنی شکل در انجماد می‌شود.

 

تعیین مقاومت خوردگی چدن های سفید، خاکستری و پرسیلیس:

در ابتدا توصیه هایی از این سه چدن داده می‌شود.

چدن سفید: چدن که در آن تمامی کربن موجود به حالت ترکیب و به صورت سمنتیت وجود دارد، ساختمان چدن سفید بصورت زیر است:

1- چدن سفید یوتکتیکی در بوریت

2- چدن سفید هیپو یوتکتیکی پرلیت + لدبوریت

3- چدن سفید هاپیر یوتکتیکی سمنتیت + لدبوریت

سطح مقطع چدن سفید بصورت سیاه و سفید است، نواحی سیاه رنگ پرلیت و سفیدها لدبوریت یوتکتیک می‌باشد. این چدن مصرف صنعتی نداشته و اکثراً برای ساخت چدن مالیبل از آنها استفاده می‌شود. بر خلاف چدن خاکستری، چدن سفید محتوی کربن و سیلیسیم کمتری بوده و لذا دارای سیالیت کمتر، تمایل به انقباض و ترک‌هایی حرارتی گرم و سرد بیشتری می‌باشد. علاوه بر آن قطعات ریختگی چدن سفید در جریان انجماد و سرد شدن دارای تنشهای پسماند زیادی هستند. چدنهایی سفید به دلیل دارا بودن زمینه سمنتیتی نسبتاً سخت و شکننده بوده و مقاومت به سایش نسبتاً بالایی دارند. چدنهای سفید مقابل اسیدها مقاومت مناسبی از خودشان انجام نمی‌دهند. چدن خاکستری قسمت عمده کربن به صورت ورقه های کربن آزاد ( گرافیت) می‌باشد. چدن خاکستری دارای سطح مقطع خاکستری رنگ می‌باشد و نانم این چدن از رنگ سطح مقطع آن گرفته شده‌است. این چدن در صنعت بیشترین میزان تولید و مصرف را در بین انواع چدنها دارد. از مزایای این چدن می‌توان به بالا بودن استحکام آن- مقاومت به سایش خوب و قابلیت مناسب و قابلیت جذب ارتعاش بالا و ضربه گیری خوب به همراه اقتصادی بودن آن را نام برد. 

چدنهای خاکستری در حالت عادی مقاومت زیادی در برابر اسیدوز و دما از خود نشان نمی‌دهند (بالاتر از سفید) با افزایش مقادیری عناصر آلیاژی مشخص می‌توان تا حدی مقاومت به خوردگی را در چدن خاکستری افزایش داد. چدنهای پرسیلیس سیلیسیم مقاومت در برابر شدت پوسته شدن را افزایش می‌دهند. سیلیسیم باعث کاهش در چقرمگی و کاهش مقاومت در برابر شوکهای حرارتی در چدن می‌شود. چدن با سیلیس بالا شکننده می‌باشد. ساختار میکروسکوپی چدن سیلال کاملاً فریتی می‌باشد. چدنهای مقاوم به خوردگی پرسیلیس در بسیاری از جاها برای حمل اسیدهای خورنده استفاده می‌شود. با مقدار 14/5% Si یا بیشتر، این نوع چدن‌ها مقاومت بالایی نسبت به اسید سولفوریک پیدا می‌کنند و چدن خاکستری با 14% سیلیسیم در برابر خورندگی اسید کلریدریک مقاومت کمتری دارد که می‌توان با افزودن 5/3% مولیبدن این مقاومت را بهبود داد. ریخته‌گری چدنهای پرسیلیس مشکل بوده و غیر قابل ماشین‌کاری و براده برداری هستند. 

   تفاوت زنگ زدن (Rusting) و اکسید شدن ساده فلزات سبک:

زنگ زدن فقط در مورد اکسید شدن آهن و آلیاژهای آهنی در هوای خشک یا مرطوب به کار می‌رود که محصول خوردگی از جنس هیدرات فریک یا اکسید فریک است. فلزات سبک شامل فلزات قلیایی خاکی بوده که وقتی اکسید می‌شوند حجم قشر اکسید تشکیل شده متخلخل بوده و مانعی جهت نفوذ اکسیژن به داخل قشر اکسید نیست و اکسید خاصیت چسبندگی به فلز ندارد. بطور خاص سدیم و پتاسیم در حرارتهای عادی و متعارفی میل ترکیبی شدیدی با اکسیژن دارند ولی در درجات حرارت خیلی کم اکسید شدن به تأخیر می‌افتد و اکسید تشکیل شده در این حالت خاصیت چسبندگی دارد.