چدن داکتیل چیست؟ خواص، درجه ها و موارد استفاده

چدن داکتیل چیست؟

چدن داکتیل - که چدن گره‌دار یا گرافیت کروی (SG) نیز نامیده می‌شود - نوعی چدن است که در آن گرافیت به صورت وجود دارد. گره های کروی به جای پوسته پوسته شدن . این تفاوت ساختاری همان چیزی است که به چدن انعطاف پذیر ویژگی تعیین کننده آن را می دهد: توانایی تغییر شکل پلاستیکی قبل از شکستن، به جای شکستن ناگهانی مانند آهن خاکستری معمولی.

پاسخ کوتاه به "چدن شکل پذیر چیست" این است: این یک ماده ریخته گری آهنی با استحکام بالا و مقاوم در برابر ضربه است که قابلیت ریخته گری و ماشینکاری چدن را با خواص مکانیکی نزدیک به فولاد ترکیب می کند. مقاومت کششی از 414 مگاپاسکال تا بیش از 900 مگاپاسکال است بسته به درجه، و مقادیر ازدیاد طول 2 تا 18 درصد قابل دستیابی است - اعدادی که آهن خاکستری، با ازدیاد طول نزدیک به صفر، نمی تواند به آنها نزدیک شود.

چدن داکتیل در سال 1943 توسط کیت میلیس در شرکت بین المللی نیکل ساخته شد که کشف کرد افزودن مقادیر کمی منیزیم به آهن مذاب باعث جامد شدن گرافیت به شکل کروی می شود. تولید تجاری در اواخر دهه 1940 آغاز شد و اکنون چدن داکتیل وجود دارد یکی از پرمصرف ترین مواد مهندسی در جهان است با تولید جهانی بیش از 25 میلیون تن در سال.

تفاوت چدن داکتیل با آهن خاکستری در سطح ریزساختاری

کلید درک چدن داکتیل در ریزساختار آن نهفته است. در چدن خاکستری، گرافیت به صورت تکه های به هم پیوسته در سراسر ماتریس فلزی شکل می گیرد. این ورقه‌ها به‌عنوان ترک‌های از قبل موجود عمل می‌کنند - تحت فشار، شکستگی در نوک‌های پوسته شروع می‌شود و به سرعت منتشر می‌شود و باعث شکست شکننده و عملاً بدون تغییر شکل پلاستیکی می‌شود.

در چدن داکتیل، افزودن از 0.03 تا 0.05 درصد منیزیم وزن نسبت به آهن مذاب (فرآیندی به نام ندولیزاسیون یا تصفیه منیزیم) باعث می‌شود که گرافیت به‌جای ورقه‌ای، به صورت کره‌های مجزا (گره‌ها) جامد شود. هر گره یک ذره گرافیت ناپیوسته بدون نوک تیز برای شروع ترک است. ماتریکس آهن بین گره‌ها می‌تواند تحت تنش، قبل از انتشار هر ترک، تغییر شکل پلاستیکی بدهد و شکل‌پذیری آن را به ماده بدهد.

ماتریس احاطه کننده گره های گرافیت می تواند فریتی، پرلیتی یا ترکیبی از هر دو باشد و این ترکیب ماتریس چیزی است که در درجه اول خواص مکانیکی هر درجه آهن شکل پذیر مشخص را تعیین می کند. عملیات حرارتی می تواند ماتریس را از پرلیتی به فریتی تبدیل کند (بازپخت) یا ریزساختارهای austempered را برای حداکثر استحکام ایجاد کند.

خواص مکانیکی کلیدی چدن داکتیل

خواص مکانیکی چدن داکتیل همان چیزی است که آن را از سایر گریدهای چدن متمایز می کند و آن را به یک جایگزین مهندسی اصیل برای فولاد در بسیاری از کاربردها تبدیل می کند. ویژگی های زیر برای نمرات استاندارد در ASTM A536 اعمال می شود:

• استحکام کششی: 414 مگاپاسکال (60000 psi) برای درجه 60-40-18 تا 827 مگاپاسکال (120000 psi) برای درجه 120-90-02. چدن داکتیل Austmpered (ADI) به استحکام کششی بیش از حد دست می یابد 1400 مگاپاسکال .
• قدرت تسلیم: 276 مگاپاسکال تا 621 مگاپاسکال (40000 تا 90000 psi) در گریدهای استاندارد، با ADI به بیش از 1100 مگاپاسکال.
• ازدیاد طول: 2 تا 18 درصد در شکستگی، بسته به درجه. پیشنهادات درجه 60-40-18 18 درصد کشیدگی - سطحی مرتبط با فلزات بسیار انعطاف پذیر.
• سختی: 140 تا 300 عدد سختی برینل (BHN) برای گریدهای استاندارد؛ گریدهای ADI بسته به دمای austempering به 269 تا 477 BHN می رسند.
• مقاومت در برابر ضربه: به طور قابل توجهی بالاتر از آهن خاکستری است. مقادیر تاثیر شارپی از 7 تا 100 جی بسته به درجه و درجه حرارت، در مقابل نزدیک به صفر برای آهن خاکستری قابل دستیابی هستند.
• قدرت خستگی: تقریباً 45 تا 49 درصد استحکام کششی در خستگی خمشی دوار - قابل مقایسه با بسیاری از فولادهای کربن متوسط.
• مدول الاستیک: 159 تا 172 گیگا پاسکال - کمتر از فولاد (200 گیگا پاسکال) اما به طور قابل توجهی بالاتر از آلومینیوم (69 گیگا پاسکال)، که رفتار سختی نسبت به وزن خوبی را در قطعات ریخته گری با مقطع ضخیم ارائه می دهد.

نمرات و استانداردهای چدن داکتیل

چدن داکتیل در چندین درجه تولید می شود که با استحکام کششی، استحکام تسلیم و حداقل کشیدگی تعریف می شود. قرارداد نامگذاری در ASTM A536 مستقیماً این ویژگی ها را رمزگذاری می کند: پایه 65-45-12 به معنای حداقل استحکام کششی 65000 psi، حداقل استحکام تسلیم 45000 psi و حداقل کشیدگی 12 درصد است.

در سطح بین المللی، گریدهای چدن داکتیل در زیر تعریف می شوند ISO 1083 (به عنوان مثال، EN-GJS-400-18، EN-GJS-500-7، EN-GJS-700-2) و استاندارد اروپایی EN 1563. قرارداد نامگذاری متفاوت است، اما محدوده ویژگی ها تقریباً با درجه های ASTM A536 قابل مقایسه است.

Austempered Ductile Iron: The بالا-Performance Variant

آهن داکتیل آستمپر شده (ADI) با قرار دادن آهن داکتیل استاندارد در یک چرخه عملیات حرارتی تخصصی تولید می شود: آستنیته کردن در 850 تا 950 درجه سانتی گراد و به دنبال آن کوئنچ همدما در حمام نمک در 230 تا 400 درجه سانتی گراد . این یک ریزساختار آسفریت - مخلوطی از فریت سوزنی و آستنیت تثبیت شده با کربن - ایجاد می کند که ترکیبات فوق العاده ای از استحکام، شکل پذیری و چقرمگی را ارائه می دهد.

گریدهای ADI در ASTM A897 به استحکام کششی دست می یابند 900 تا 1400 مگاپاسکال با مقادیر کشیدگی 1 تا 10 درصد - ویژگی هایی که با فولاد آلیاژی متوسط همپوشانی دارند، اما در 10 درصد تراکم کمتر و هنگام تولید در هندسه های پیچیده که نیاز به ماشینکاری گسترده از استوک میله دارد، هزینه بسیار کمتری دارد. ADI در چرخ دنده ها، میل لنگ، پیوندهای مسیر و اجزای کشاورزی ساختاری استفاده می شود که در آن نسبت عملکرد به هزینه تعیین کننده است.

چدن داکتیل در مقابل آهن خاکستری در مقابل فولاد: مقایسه مستقیم

درک محل قرارگیری چدن داکتیل نسبت به آهن و فولاد خاکستری به مهندسان کمک می کند تا تصمیم درستی برای انتخاب مواد داشته باشند. هر ماده دارای یک پاکت عملکرد و مشخصات هزینه تعریف شده است.

این جدول نشان می دهد که چرا چدن انعطاف پذیر چنین موقعیت غالبی را در مهندسی اشغال می کند: استحکام و شکل پذیری نزدیک به فولاد را ایجاد می کند، ظرفیت میرایی و مزایای ریخته گری چدن را حفظ می کند، و هزینه به طور قابل توجهی کمتر به ازای هر کیلوگرم جزء نهایی نسبت به ریخته گری فولاد در صورت دخالت هندسه پیچیده است.

چدن داکتیل چگونه ساخته می شود: فرآیند تولید

تولید چدن داکتیل نیاز به کنترل فرآیند دقیق تری نسبت به چدن خاکستری دارد. مرحله درمان منیزیم حیاتی ترین و از نظر فنی سخت ترین بخش فرآیند است.

1. آماده سازی آهن پایه: آهن مذاب پایه با یک ترکیب کنترل شده - معمولاً تهیه می شود 3.6 تا 3.8 درصد کربن و 2.0 تا 2.8 درصد سیلیکون بر حسب وزن میزان گوگرد باید قبل از درمان با منیزیم به کمتر از 0.02 درصد کاهش یابد، زیرا گوگرد با منیزیم واکنش می دهد و مصرف می کند و از تشکیل گره جلوگیری می کند.
2. درمان منیزیم (نودولاسیون): منیزیم به آهن مذاب اضافه می شود - معمولاً به عنوان یک آلیاژ منیزیم- فروسیلیکون (FeSiMg) برای تعدیل واکنش خشونت آمیز. درمان در ملاقه با روش ساندویچ، غوطه وری یا تزریق سیم انجام می شود. مقدار منیزیم باقیمانده در آهن تیمار شده باید باشد 0.03 تا 0.05 درصد - نتایج بسیار کم در ندولاریزاسیون ناقص. بیش از حد باعث تشکیل کاربید می شود.
3. تلقیح: بلافاصله پس از درمان منیزیم، مایه تلقیح فروسیلیکون برای تقویت هسته گرافیت و جلوگیری از تشکیل کاربید در طول انجماد اضافه می شود. تلقیح باید در یک پنجره کوتاه رخ دهد - معمولاً در داخل 10 تا 15 دقیقه - قبل از محو شدن موثر باقی بماند.
4. بازیگری: آهن تصفیه شده بسته به هندسه قطعه در قالب های ماسه، قالب های دائمی یا تجهیزات ریخته گری گریز از مرکز ریخته می شود. سرعت انقباض کمی بیشتر آهن داکتیل در مقایسه با آهن خاکستری نیاز به طراحی دقیق رایزر برای جلوگیری از تخلخل داخلی دارد.
5. عملیات حرارتی (اختیاری): چدن داکتیل به صورت چدنی ممکن است برای فریت کردن کامل ماتریس (بهبود شکل‌پذیری)، نرمال‌سازی برای ایجاد یک ماتریس پرلیتی (افزایش استحکام) و یا برای تولید درجه‌های ADI، آنیل شود.
6. تایید کیفیت: گره بودن (درصد گرافیت موجود به صورت کره در مقابل اشکال نامنظم) از نظر متالوگرافی تأیید می شود. ندولاریته بالای 85 درصد برای اکثر کاربردهای ساختاری مورد نیاز است. زیر 80 درصد، خواص مکانیکی به طور قابل توجهی کمتر از نیاز درجه است.

جایی که چدن داکتیل استفاده می شود: کاربردهای عمده بر اساس صنعت

ترکیب چدن داکتیل از استحکام، شکل پذیری، قابلیت ریخته گری و هزینه، آن را به انتخاب مواد پیش فرض در طیف وسیعی از صنایع تبدیل می کند. این یک ماده طاقچه نیست - یک اسب کار است.

خودرو و حمل و نقل

کاربردهای خودرو بیشترین سهم از تولید آهن داکتیل جهانی را به خود اختصاص می دهند. اجزای کلیدی شامل میل لنگ، میل بادامک، محفظه دیفرانسیل، بند فرمان، بازوهای کنترل تعلیق و کالیپرهای ترمز است. یک وسیله نقلیه مسافربری معمولی شامل 30 تا 60 کیلوگرم چدن داکتیل . استحکام خستگی و ماشین‌کاری این ماده، آن را برای چرخش و رفت و برگشت قطعات پیشرانه که در غیر این صورت به آهنگری فولادی پرهزینه نیاز دارند، ایده‌آل می‌کند.

زیرساخت های آب و فاضلاب

لوله چدن داکتیل تا حد زیادی جایگزین لوله های بتنی و آهن خاکستری در سیستم های توزیع آب و فاضلاب در سراسر جهان شده است. ترکیبی از استحکام کششی بالا، انعطاف پذیری در زیر زمین، مقاومت در برابر خوردگی (مخصوصاً با پوشش سیمانی) و عمر طولانی - 50 تا 100 سال مورد انتظار - آن را به ماده انتخابی برای شبکه های آب شهری، لوله های تحت فشار و اتصالات تبدیل می کند. AWWA C151/A21.51 مشخصات لوله های چدن داکتیل را در آمریکای شمالی کنترل می کند.

تجهیزات کشاورزی و ساختمانی

محفظه محور تراکتور، بدنه سیلندرهای هیدرولیک، بدنه گیربکس و اجزای اتصال دهنده به طور معمول در چدن شکل پذیر ریخته می شوند. این ماده در برابر بارگذاری ضربه ناشی از زمین های ناهموار و عملیات مزرعه ای که منجر به ترک خوردن آهن خاکستری می شود، مقاومت می کند، در حالی که ماشینکاری بهتر و هزینه کمتری نسبت به ریخته گری فولادی معادل ارائه می دهد.

نفت، گاز و شیرآلات

شیرهای دروازه، شیرهای گلوب، شیرهای چک و بدنه شیر برای خطوط لوله صنعتی معمولاً در چدن داکتیل درجه 65-45-12 یا 80-55-06 ریخته گری می شوند. قابلیت محتوی فشار، قابلیت ماشینکاری برای سطوح نشیمن دقیق و مقاومت در برابر خوردگی، آن را به آهن خاکستری برای هر کاربرد که در آن پارگی بدنه سوپاپ یک رویداد ایمنی است ترجیح می دهد.

انرژی باد

ریخته‌گری‌های چدن داکتیل با فرمت بزرگ، اجزای ساختاری حیاتی در توربین‌های بادی هستند. ریخته گری هاب برای توربین های چند مگاواتی می تواند وزن داشته باشد 10 تا 30 تن با قاب ناسل، محفظه یاتاقان اصلی و ریخته گری قفل روتور نیز در چدن شکل پذیر تولید می شود. ترکیبی از استحکام بالا، مقاومت در برابر خستگی و قابلیت ریخته‌گری هندسه‌های توخالی پیچیده در ضخامت‌های مقاطع بزرگ، چدن داکتیل را در این کاربرد غیرقابل جایگزین می‌سازد.

محدودیت ها و ملاحظات هنگام استفاده از چدن داکتیل

چدن داکتیل یک راه حل جهانی نیست. درک محدودیت های آن از اشتباهات پرهزینه طراحی و کاربرد نادرست مواد جلوگیری می کند.

• حساسیت بخش: خواص مکانیکی در مقاطع عرضی بسیار ضخیم (بالاتر از 75 تا 100 میلی‌متر) کاهش می‌یابد، جایی که سرعت سرد شدن آهسته در مرکز، گره‌زایی را کاهش می‌دهد و باعث تشکیل پرلیت یا کاربید می‌شود. ریخته گری های بزرگ نیاز به تنظیم دقیق آلیاژ دارند و ممکن است برای دستیابی به خواص یکنواخت در سرتاسر نیاز به عملیات حرارتی داشته باشند.
• شکل پذیری کمتر در دماهای پایین: برخلاف فولاد، چدن داکتیل مقادیر ضربه Charpy خود را در دماهای زیر صفر حفظ نمی کند. زیر تقریبا -20 درجه سانتی گراد ، آهن داکتیل فریتی استاندارد تحت یک انتقال شکل پذیر به شکننده است. کاربردهای در دمای پایین نیاز به گریدهای خاص با سیلیکون کم یا آلیاژ نیکل دارند.
• جوشکاری مشکل است: چدن داکتیل is weldable but requires careful preheat (typically 250 تا 400 درجه سانتی گراد ، فلزات پرکننده مناسب (الکترودهای پایه نیکل یا با نیکل بالا) و خنک سازی کنترل شده پس از جوش برای جلوگیری از ترک خوردگی. جوشکاری یک تکنیک تعمیر است، نه یک روش اتصال، برای اکثر اجزای چدن داکتیل.
• مقاومت در برابر خوردگی متوسط است: آهن داکتیل در محیط های تهاجمی – به ویژه خاک های غنی از کلرید و شرایط اسیدی، خورده می شود. پوشش های محافظ (روکش سیمانی، اپوکسی، روی) استاندارد برای کاربردهای زیرساخت مدفون هستند. آهن داکتیل محافظت نشده نباید در سرویس های غوطه ور یا مدفون بدون کاهش خوردگی استفاده شود.
• چگالی بالاتر از آلومینیوم است: در 7.1 گرم بر سانتی متر مکعب در مقایسه با 2.7 گرم بر سانتی‌متر مربع آلومینیوم، آهن انعطاف‌پذیر سنگین‌تر است. برای کاربردهای حساس به وزن که در آن مزیت های مقاومتی چدن داکتیل مورد نیاز نیست، ریخته گری آلومینیوم یا منیزیم ممکن است مناسب تر باشد.

ماشینکاری و تکمیل چدن داکتیل

ماشین های چدن داکتیل در مقایسه با فولاد به خوبی کار می کند، اگرچه به دلیل گره های فشرده گرافیت تا حدودی ساینده تر از آهن خاکستری است. گرافیت موجود در آهن خاکستری یک اثر روان کننده داخلی ایجاد می کند که به طور جزئی سایش ابزار را کاهش می دهد. گرافیت کروی چدن داکتیل فواید مشابهی ندارد.

• سرعت برش: دستگاه گریدهای فریتی (60-40-18، 65-45-12) در سرعت های برش 150 تا 250 متر در دقیقه با ابزار کاربید گریدهای پرلیت (80-55-06، 100-70-03) به دلیل سختی بالاتر به سرعت های کاهش یافته 100 تا 180 متر در دقیقه نیاز دارند.
• پرداخت سطح: چدن داکتیل را می توان تا سطوح Ra 0.8 تا 1.6 میکرومتر با ابزار استاندارد کاربید ماشینکاری کرد - برای اکثر سطوح آب بندی و یاتاقان بدون سنگ زنی مناسب است.
• پوشش و عملیات سطحی: چدن داکتیل آبکاری، فسفاته کردن، رنگ آمیزی، پوشش پودری و پوشش های اسپری حرارتی را به خوبی می پذیرد. سخت شدن شعله و سخت شدن القایی گریدهای پرلیت می تواند به سختی های سطحی دست یابد 50 تا 58 HRC برای سطوح حساس به سایش مانند لوب میل بادامک و ژورنال میل لنگ.