محتوای کربن تنها تأثیرگذارترین متغیر در متالورژی چدن است. چدن با محتوای کربن 2.0٪ تا 4.5٪ وزنی تعریف می شود - بسیار بالاتر از محدوده 0.02-2.0٪ فولاد. در این محدوده، حتی یک تغییر 0.3 درصدی کربن میتواند اساساً ریزساختار، استحکام مکانیکی، سختی، ماشینکاری و رفتار حرارتی ریختهگری را تغییر دهد. درک چگونگی تعامل کربن با آهن - و با سایر عناصر آلیاژی - پایه و اساس تولید قطعات ریخته گری است که عملکرد قابل اعتمادی در سرویس دارند.
برخلاف فولاد، که در آن کربن برای به حداکثر رساندن شکلپذیری و چقرمگی پایین نگه داشته میشود، چدن عمدا سطوح کربن بالایی را برای دستیابی به قابلیت ریختهگری، میرایی ارتعاش و مقاومت در برابر سایش حفظ میکند. تمایز کلیدی در این است که کربن در ماتریس فلزی جامد شده چه شکلی به خود می گیرد.
کربن در چدن به یکی از دو شکل اصلی وجود دارد: به عنوان گرافیت رایگان (کربن عنصری که در حین انجماد رسوب می کند) یا به عنوان کاربید آهن (Fe3C که سمنتیت نیز نامیده می شود) . اینکه کدام شکل غالب است با محتوای کربن، سرعت خنکشدن، و حضور عناصر دیگر - بهویژه سیلیکون، تعیین میشود. این تمایز آرایشی نیست. مشخص می کند که آهن خاکستری، سفید، چکش خوار یا شکل پذیر است – هر کدام با خواص مکانیکی عمیقا متفاوت.
گریدهای مختلف چدن دستهبندی دلخواه نیستند - آنها نتیجه محدودههای کربن کنترل شده عمدی همراه با شرایط پردازش خاص هستند.
| نوع چدن | محتوای کربن (%) | فرم کربن | ویژگی های کلیدی |
|---|---|---|---|
| آهن خاکستری | 2.5 - 4.0٪ | گرافیت پولکی | ماشینکاری خوب، میرایی بالا، استحکام کششی کم |
| آهن سفید | 1.8 - 3.6٪ | سیمانیت (Fe3C) | بسیار سخت، شکننده، مقاومت در برابر سایش عالی |
| آهن چکش خوار | 2.0 - 2.9٪ | کربن معتدل (رزت) | شکل پذیری خوب پس از بازپخت، مقاوم در برابر ضربه |
| چدن داکتیل (ندولار). | 3.2 - 4.2٪ | گرافیت کروی | استحکام کششی بالا، شکل پذیری، مقاومت در برابر خستگی |
| آهن گرافیت فشرده | 3.1 - 4.0٪ | گرافیت ورمیکول (کرم مانند). | حد واسط بین آهن خاکستری و شکل پذیر |
کربن به صورت مجزا عمل نمی کند. سیلیکون و فسفر نیز به رفتار موثر "کربن مانند" مذاب کمک می کنند. مهندسان ریخته گری از فرمول هم ارزی کربن (CE). برای در نظر گرفتن این تعاملات:
CE = %C (%Si %P) / 3
آهن خالص در دمای 1538 درجه سانتیگراد جامد می شود. نقطه یوتکتیک سیستم آهن-کربن در آن رخ می دهد CE = 4.3٪ که ترکیبی با کمترین نقطه ذوب (~1150 درجه سانتیگراد) و بهترین سیالیت است. بیشتر آهن خاکستری تجاری CE از را هدف قرار می دهد 3.9-4.3٪ برای متعادل کردن قابلیت ریخته گری با عملکرد مکانیکی.
رابطه بین محتوای کربن و خواص مکانیکی خطی نیست - به شدت به نحوه توزیع کربن در ماتریس بستگی دارد. با این حال، روندهای جهت دار واضح وجود دارد.
در آهن خاکستری، کربن کل به طور کلی افزایش می یابد استحکام کششی را کاهش می دهد زیرا دانه های گرافیت بیشتر و درشت تر به عنوان متمرکز کننده تنش عمل می کنند. آهن خاکستری معمولاً به استحکام کششی می رسد 150-400 مگاپاسکال ، در مقایسه با 400-900 مگاپاسکال برای آهن داکتیل که در آن کربن یکسان به صورت کره وجود دارد تا پولک. مورفولوژی گرافیت بیش از درصد کربن کل اهمیت دارد.
کربن بالاتر به شکل سمنتیت (آهن سفید) سختی را به طور چشمگیری افزایش می دهد - آهن سفید معمولاً به 400-700 HBW ، در مقایسه با 150-300 HBW برای آهن خاکستری با این حال، این به قیمت شکلپذیری نزدیک به صفر است. در ریختهگریهای سرد، یک لایه سطحی آهن سفید و سخت عمداً در سطوح سایش ایجاد میشود در حالی که قسمت عمده خاکستری باقی میماند.
آهن خاکستری دارد اساساً شکل پذیری صفر (ازدیاد طول <0.5٪) به دلیل ورقه های گرافیت که به عنوان بریدگی داخلی عمل می کنند. آهن داکتیل، با کربن یکسان یا بالاتر اما به شکل گره ای، به مقادیر ازدیاد طول می رسد. 2-18٪ بسته به درجه - یک پیشرفت چشمگیر که تنها با تغییر مورفولوژی گرافیت از طریق تصفیه منیزیم امکان پذیر است، نه با کاهش کربن.
گرافیت آزاد به عنوان یک روان کننده داخلی در حین ماشین کاری عمل می کند، به همین دلیل است آهن خاکستری یکی از آسان ترین فلزات برای ماشین کاری است . محتوای گرافیت بیشتر (کربن بالاتر در آهن خاکستری) به طور کلی ماشینکاری را بهبود می بخشد. در مقابل، ماشینکاری آهن سفید به دلیل محتوای سیمانیت آن بسیار دشوار است و معمولاً فقط به صورت ریخته گری یا آسیاب شده استفاده می شود.
فراتر از خواص مکانیکی، محتوای کربن مستقیماً بر بروز عیوب معمول ریختهگری تأثیر میگذارد - برخی از آنها ناشی از کربن زیاد و برخی دیگر به دلیل کم بودن کربن هستند.
کربن و سیلیکون هر دو ترویج می کنند انبساط گرافیت در طول انجماد . همانطور که گرافیت رسوب می کند، به صورت حجمی منبسط می شود و تا حدی با انقباض ناشی از سرد شدن فلز مایع مقابله می کند. محتوای کربن بالاتر در آهن خاکستری (CE نزدیک به 4.3٪) باعث ایجاد انبساط گرافیت کافی برای دستیابی به انقباض خالص نزدیک به صفر ، نیاز به رایزرهای بزرگ را کاهش می دهد. آهن خاکستری کربن کمتر (CE ~ 3.6٪) ممکن است انقباض خالص را نشان دهد 0.5-1.5٪ ، نیاز به طراحی دقیق رایزر دارد.
در آهن های هایپریوتکتیک (CE > 4.3%)، گرافیت اولیه قبل از واکنش یوتکتیک رسوب می کند و می تواند به سطح بالایی قالب یا قالب شناور شود. این گرافیت "کیش". ایجاد حفره های سطحی، آخال ها و عیوب زیبایی می کند. کنترل کربن زیر آستانه هایپریوتکتیک از تشکیل کیش جلوگیری می کند.
هنگامی که محتوای کربن و سرعت سرد شدن با هم تطابق ندارند - به ویژه در بخش های نازک با CE مرزی - تشکیل جزئی آهن سفید در کنار مناطق آهن خاکستری رخ می دهد. این ریزساختار "لکه دار". سختی غیرقابل پیشبینی و غیریکنواختی تولید میکند و ماشینکاری را ناسازگار و عملکرد مکانیکی را غیرقابل اعتماد میکند. این یک نقص در تمام طرح های ریخته گری سرد به جز عمدی در نظر گرفته می شود.
کربن هرگز به تنهایی عمل نمی کند. سیلیکون قوی ترین عنصر گرافیت کننده در چدن است و با مشارکت مستقیم کربن برای تعیین ریزساختار نهایی کار می کند. محتوای سیلیکون در چدن تجاری معمولاً از 1.0٪ تا 3.0٪ .
به همین دلیل است که تعیین کربن به تنهایی کافی نیست - مهندسان ریخته گری همیشه کربن و سیلیکون را با هم مشخص می کنند و معمولاً CE را به عنوان پارامتر کنترل ترکیبی نظارت می کنند.
کنترل محتوای کربن در تولید هم یک رشته شیمی و هم یک رشته فرآیندی است. روش های زیر روش استاندارد در ریخته گری های مدرن است:
محتوای کربن متغیر اصلی متالورژی چدن است - اما تأثیر آن همیشه از طریق تعامل آن با سرعت خنکسازی، محتوای سیلیکون و شرایط پردازش بیان میشود. کربن کل تعیین می کند که چه مقدار گرافیت یا کاربید می تواند تشکیل شود. محیط پردازش تعیین می کند که کدام یک انجام دهد. چه هدف ظرفیت میرایی آهن خاکستری باشد، چه مقاومت در برابر سایش آهن سفید، یا چقرمگی چدن داکتیل، دستیابی به کیفیت ریختهگری ثابت با کنترل دقیق کربن همراه با تجزیه و تحلیل مذاب در زمان واقعی آغاز میشود. برای مهندسان ریخته گری و خریداران ریخته گری به طور یکسان، مشخص کردن و تأیید کربن - همیشه در کنار سیلیکون و CE - اختیاری نیست. این نقطه شروع هر ریخته گری با کیفیت است.
