تفاوت بین چدن خاکستری و چدن سفید چیست؟

تفاوت اساسی بین چدن خاکستری و چدن سفید است چگونه کربن در ماده وجود دارد . در چدن خاکستری، کربن به صورت ورقه‌های گرافیت رسوب می‌کند و سطح شکست خاکستری ایجاد می‌کند و به ماده خاصیت ماشین‌کاری و خاصیت میرایی ارتعاش می‌دهد. در چدن سفید، کربن در کاربید آهن (سیمنتیت، Fe3C) قفل شده باقی می‌ماند و یک سطح شکستگی سفید روشن و سخت با سختی شدید اما عملاً بدون شکل‌پذیری ایجاد می‌کند.

از نظر عملی: چدن خاکستری is machinable, dampens vibration, and is used where compressive loads and wear resistance matter; white cast iron is extremely hard, essentially unmachinable, and is used where abrasion resistance is the overriding requirement . هیچ‌کدام از اینها برتری جهانی ندارند - آنها اهداف مهندسی اساساً متفاوتی را دنبال می‌کنند.

چدن خاکستری چیست؟

چدن خاکستری گسترده ترین نوع چدن تولید شده است که اکثریت کل چدن های تولید شده در سطح جهان را تشکیل می دهد. ویژگی بارز آن وجود گرافیت به شکل پوسته پوسته در سراسر یک ماتریس آهن پرلیتی یا فریتی توزیع شده است . هنگامی که یک ریخته گری آهن خاکستری شکسته می شود، سطح در معرض خاکستری به نظر می رسد زیرا تکه های گرافیت نور را جذب و پراکنده می کنند.

تشکیل ورقه های گرافیتی توسط:

• محتوای سیلیکون بالا - معمولاً 1.0-3.0٪ که به عنوان یک عامل گرافیت کننده عمل می کند
• سرعت خنک کنندگی کند - اجازه دادن زمان کافی به کربن برای انتشار و تشکیل گرافیت به جای سیمانیت
• محتوای کربن کل از 2.5-4.0٪

خواص مکانیکی کلیدی چدن خاکستری (بر اساس ASTM A48):

• استحکام کششی: 140-400 مگاپاسکال (کلاس 20 تا 60)
• مقاومت فشاری: 570-1000 مگاپاسکال
• سختی: 150-300 HB
• ازدیاد طول در هنگام شکست: <1% - شکننده در تنش
• میرایی ارتعاش: تا 10× بهتر از فولاد

ورقه های گرافیتی آهن خاکستری نیز در حین ماشینکاری به عنوان روان کننده طبیعی عمل می کنند و آن را به یکی از آسان ترین مواد آهنی برای برش تبدیل می کنند. کاربردهای معمولی شامل بلوک های موتور، دیسک های ترمز، پایه های ماشین ابزار، اتصالات لوله و ظروف پخت و پز است.

چدن سفید چیست؟

چدن سفید زمانی تشکیل می شود که کربن فرصت رسوب به صورت گرافیت را نداشته باشد. در عوض، از نظر شیمیایی با آهن ترکیب می شود کاربید آهن (Fe3C)، که معمولا سمنتیت نامیده می شود . ریزساختار به دست آمده بسیار سخت و شکننده است، با سطح شکستگی روشن و نقره‌ای-سفید - از این رو به این نام می‌گویند.

تشکیل آهن سفید توسط:

• محتوای سیلیکون کم - معمولاً زیر 1.0٪، سرکوب گرافیتیزاسیون
• خنک کننده سریع (سرد کننده) - انکار زمان کربن برای انتشار و هسته شدن به عنوان گرافیت
• عناصر آلیاژی تثبیت کننده کاربید - کروم، مولیبدن، وانادیم و نیکل در گریدهای آلیاژی بالاتر
• محتوای کربن کل: 1.8-3.6٪

خواص مکانیکی کلیدی چدن سفید:

• سختی: 400-700 HB (حداکثر 65-70 HRC در گریدهای کروم بالا)
• استحکام کششی: 140-210 مگاپاسکال - به دلیل شکنندگی کم است
• مقاومت فشاری: 1400-2100 مگاپاسکال - فوق العاده بالا
• ازدیاد طول: اساسا 0٪ - بدون تغییر شکل پلاستیک قبل از شکست
• ماشین کاری: فوق العاده فقیر - به جای برش نیاز به سنگ زنی دارد

سختی فوق العاده چدن سفید آن را برای کاربردهای فشرده سایشی ایده آل می کند: آسترهای آسیاب گلوله ای، پروانه های پمپ دوغاب، صفحات سایش سنگ شکن و اجزای آسیاب سیمان که در آن سطوح باید در برابر سنگ زنی مداوم و ضربه مقاومت کنند.

خاکستری در مقابل چدن سفید: مقایسه مستقیم اموال

جدول زیر یک مقایسه ساختار یافته از مرتبط ترین خواص مهندسی بین چدن خاکستری و سفید را ارائه می دهد:

ریزساختار: علت اصلی هر تفاوت در عملکرد

هر تفاوت عمده در رفتار بین چدن خاکستری و سفید را می توان در یک عامل جستجو کرد: چه اتفاقی برای کربن در طول انجماد می افتد .

ریزساختار آهن خاکستری

در آهن خاکستری، ورقه های گرافیت هسته می شوند و در طول خنک شدن آهسته در ماتریکس آهن رشد می کنند. این ورقه‌ها اساساً اجزای نرم و غیرفلزی در یک زمینه سخت‌تر پرلیتی یا فریتی هستند. تحت بارگذاری کششی، نوک تیز پوسته ها به عنوان متمرکز کننده تنش عمل می کنند - به همین دلیل است که آهن خاکستری در کشش شکننده است. اما تحت بار فشاری یا ارتعاش، پولک‌ها انرژی را به طور موثر جذب و هدر می‌دهند و آهن خاکستری را برای پایه‌ها، محفظه‌ها و اجزای ترمز برجسته می‌کنند.

ریزساختار آهن سفید

در آهن سفید، ریزساختار شامل صفحات یا شبکه های سیمانیت سخت (Fe3C) تعبیه شده در ماتریس پرلیتی یا مارتنزیتی . سیمانیت دارای سختی ویکرز تقریباً می باشد 1000–1100 HV - سخت تر از بسیاری از مواد معدنی ساینده که در استخراج و فرآوری مواد معدنی با آن مواجه می شوند. این همان چیزی است که آهن سفید را به عنوان یک ماده سایش بسیار موثر می کند. با این حال، سمنتیت ذاتا شکننده است و شبکه پیوسته کاربیدها به این معنی است که انتشار ترک سریع و غیرقابل توقف پس از شروع است.

چگونه نرخ خنک کننده نوع شکل را کنترل می کند

همان مذاب آهن پایه بسته به سرعت سرد شدن می تواند آهن خاکستری یا سفید تولید کند. این اصل در عمل صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد:

• ریخته گری شن و ماسه با مقاطع ضخیم: خنک کننده آهسته → آهن خاکستری در سراسر
• مقاطع نازک یا قالب های فلزی (سرد): خنک شدن سریع → آهن سفید در سطح یا سرتاسر
• چدن سرد شده: یک روش عمدی که در آن سردهای آهنی (درج‌های فلزی) در قالب در سطوح سایش قرار می‌گیرند و یک لایه آهنی سفید و سخت روی یک هسته آهنی خاکستری سخت‌تر ایجاد می‌کنند - که در رول‌ها و میل بادامک استفاده می‌شود.

فرمول معادل کربن (CE) - CE = %C (%Si %P) / 3 - به پیش بینی اینکه آیا یک ترکیب معین به صورت آهن خاکستری یا سفید جامد می شود کمک می کند. CE بالاتر از تقریباً 4.3٪ (نقطه یوتکتیک) به شدت از تشکیل آهن خاکستری حمایت می کند. مقادیر کمتر CE همراه با خاموش شدن سریع به نفع آهن سفید است.

انواع و درجه های چدن سفید

چدن سفید بدون آلیاژ به ندرت در خدمات سخت استفاده می شود زیرا کاربیدهای آن در عین سختی نسبتاً درشت هستند و ماتریس بهینه نشده است. آهن آلیاژی سفید، استاندارد شده در زیر ASTM A532 ، نشان دهنده مواد کاربردی مورد استفاده در صنعت است:

کلاس I - آهن های سفید نیکل کروم (نیکل سخت)

آهن های Ni-Hard حاوی 3-5٪ نیکل و 1.4-4٪ کروم . نیکل تشکیل پرلیت را سرکوب می کند تا ماتریکس مارتنزیتی تولید کند. کروم کاربیدها را تثبیت می کند. سختی از 550–700 HB . کاربردهای معمولی: لاینرهای پمپ دوغاب، لاینرهای ناودانی و اجزای آسیاب آسیاب در محیط های با ضربه متوسط.

کلاس II - اتوهای سفید با کروم بالا (12 تا 28٪ کروم)

آهن های سفید با کروم بالا حاوی 12-28٪ کروم که فاز کاربید را از Fe3C به کاربید کروم M7C3 سخت تر و مقاوم تر در برابر خوردگی تبدیل می کند. این درجه به سختی تا 700–800 HB و مقاومت به خوردگی قابل توجهی بهتری نسبت به Ni-Hard ارائه می دهد و آن را برای محیط های سایشی مرطوب مانند جابجایی دوغاب معدنی مناسب می کند. اینها پرکاربردترین اتوهای سفید برای خدمات شدید هستند.

کلاس III - آهن‌های با کروم بالا و کربن بالا

این آهن ها محتوای کروم را به سمت بالا می راند 23-30٪ با کربن بالاتر برای به حداکثر رساندن کسر حجمی کاربید - گاهی اوقات بیش از 30٪ کاربید حجمی. در شدیدترین کاربردهای سایشی مانند سنگ شکن های کلینکر سیمان و تجهیزات استخراج سنگ سخت استفاده می شود.

مفهوم آهن خالدار: بین خاکستری و سفید

هنگامی که شرایط خنک کننده یا ترکیب بین محدوده هایی قرار می گیرد که آهن کاملاً خاکستری یا کاملاً سفید تولید می کند، نتیجه حاصل می شود آهن خالدار - یک ریزساختار حاوی ورقه های گرافیت و کاربید آهن در مناطق مختلف. سطح شکستگی ترکیب مشخصی از مناطق خاکستری و سفید را نشان می دهد.

آهن خالدار به طور کلی در اجزای مهندسی نامطلوب در نظر گرفته می شود زیرا نقاط ضعف هر دو نوع را ترکیب می کند: ماشینکاری آن از آهن خاکستری سخت تر است اما نسبت به آهن سفید واقعی در برابر سایش مقاومت کمتری دارد . وجود آن در یک ریخته‌گری معمولاً نشان‌دهنده مشکلی در کنترل فرآیند است - خنک‌سازی ناسازگار، ضخامت مقطع متغیر، یا شیمی خارج از مشخصات. مهندسان آهن خاکستری یا سفید را به صراحت مشخص می کنند و فرآیندهایی را برای اطمینان از ریزساختار سازگار طراحی می کنند.

آهن سفید به عنوان یک واسطه: مسیر رسیدن به آهن چکش خوار

یکی از مهمترین مصارف صنعتی چدن سفید به عنوان یک پیش ساز برای آهن چکش خوار . آهن چکش خوار با گرفتن قطعات ریخته گری آهن سفید و قرار دادن آنها در معرض عملیات حرارتی بازپخت طولانی مدت - معمولاً تولید می شود. 850-950 درجه سانتیگراد برای 20-70 ساعت - که باعث تجزیه سمنتیت و رسوب مجدد کربن به صورت گره های گرافیت فشرده به نام "کربن مزاج" می شود.

نتیجه، ماده ای با انعطاف پذیری قابل توجه بهبود یافته (ازدیاد طول 5-12٪) و چقرمگی در مقایسه با آهن خاکستری یا سفید است، در حالی که استحکام خوبی را حفظ می کند. به همین دلیل است که آهن سفید در وهله اول باید قابل تولید باشد - بدون توانایی تشکیل آهن سفید کاملاً کاربیدیک، تولید آهن چکش خوار غیرممکن است. قطعات معمولی آهن چکش خوار عبارتند از اتصالات لوله، براکت های تجهیزات کشاورزی و اجزای انتقال خودرو که در آن اشکال پیچیده همراه با شکل پذیری متوسط مورد نیاز است.

راهنمای کاربرد: انتخاب بین چدن خاکستری و سفید

تصمیم بین چدن خاکستری و سفید باید بر اساس حالت شکست غالب مورد انتظار در سرویس باشد:

محدودیت های هر ماده ای که مهندسان باید در نظر بگیرند

محدودیت های چدن خاکستری

• استحکام کششی کم و شکل پذیری صفر - شکستگی های آهن خاکستری به طور ناگهانی تحت بارگذاری کششی یا ضربه ای بدون تغییر شکل هشدار دهنده
• مقاومت در برابر ضربه ضعیف - برای بارهای شوک دینامیکی، قطعات سقوط کرده یا کاربردهای چکش کاری نامناسب
• جوشکاری سخت - به پیش گرمای زیاد نیاز دارد (معمولا 300-600 درجه سانتیگراد ) و عملیات حرارتی پس از جوش برای جلوگیری از ترک خوردگی
• مقاومت سایشی متوسط - برای محیط های سایش شدید مانند فرآوری سنگ معدن یا تولید سیمان مناسب نیست

محدودیت های چدن سفید

• شکنندگی شدید - آهن سفید اساساً چقرمگی ندارد و در اثر ضربه، به ویژه در مقاطع نازک، خرد می شود.
• با برش معمولی نمی توان ماشین کاری کرد - سنگ زنی تنها روش تکمیل قابل دوام است که هزینه ساخت را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد
• قابل جوش نیست - شبکه کاربید عملاً جوشکاری ذوبی را بدون از بین بردن مواد غیرممکن می کند
• مستعد شوک حرارتی - تغییرات سریع دما باعث ایجاد ترک می شود زیرا شبکه کاربید شکننده نمی تواند شیب تنش حرارتی را در خود جای دهد.
• هزینه بالاتر در گریدهای آلیاژی - آهن‌های سفید با کروم بالا با 20 تا 28 درصد کروم نسبت به آهن خاکستری بدون آلیاژ هزینه‌های آلیاژی قابل توجهی دارند.

خلاصه: تعریف تفاوت ها در یک نگاه

1. فرم کربن همه چیز را تعیین می کند - تکه های گرافیت در آهن خاکستری در مقابل کاربید آهن در آهن سفید تنها علت اصلی همه تفاوت های دیگر است.
2. آهن خاکستری قابل ماشینکاری است و ارتعاشات را کاهش می دهد - آن را به انتخاب غالب برای اجزای موتور، ساختار ماشین و سیستم های ترمز تبدیل می کند.
3. آهن سفید به مراتب بهتر در برابر سایش مقاومت می کند - با سختی تا 700 HB در مقابل 300 HB برای آهن خاکستری، در محیط های سایش کشویی و سنگ زنی چند برابر آهن خاکستری دوام می آورد.
4. هر دو شکننده هستند، اما آهن سفید بیشتر است - آهن خاکستری حداقل دارای چقرمگی فشاری است. آهن سفید اساساً هیچ مقاومتی در برابر ضربه ندارد و خرد می شود.
5. سرعت خنک‌سازی و محتوای سیلیکون اهرم‌های فرآیند هستند - خنک شدن سریع و سیلیکون کم، آهن سفید تولید می کند. خنک شدن آهسته و سیلیکون بالا، آهن خاکستری را از همان ترکیب پایه تولید می کند.
6. آهن سفید به عنوان پیش ساز آهن چکش خوار عمل می کند - یک مرحله میانی مهم در تولید بیشتر اجزای چدن انعطاف پذیر از طریق عملیات حرارتی بازپخت.

انتخاب بین چدن خاکستری و سفید پس از مشخص شدن شرایط خدمات غالب یک تصمیم ساده است: زمانی که ماشین کاری، میرایی ارتعاش و کارایی هزینه اهمیت دارند، آهن خاکستری را انتخاب کنید. هنگامی که مقاومت در برابر سایش نیاز اساسی است و شکنندگی را می توان از طریق هندسه قطعه و طراحی نصب کنترل کرد، آهن سفید را انتخاب کنید. .