چدن های سفید مقاوم به سایش چیست؟| کاربرد و انواع چدن سفید نیهارد

چدن سفید پرآلیاژ مقاوم به سایش به چه چدنی گفته می شود؟

چدن سفید آلیاژی مقاوم به سایش، به چدنی گفته می شود که با داشتن مقادیر زیادی کاربید در ساختار خود باعث به وجود آمدن ویژگی مهمی به نام مقاومت به سایش می شود و در کاربردهایی که سختی و مقاومت نسبت به سایش از اهمیت بالایی برخور دار است مانند صفحات خرد کننده، سنگ شکن ها، پمپ های دوغاب و... استفاده می شود. در همه ی چدن سفید از عنصر کروم جهت جلوگیری از ایجاد گرافیت در زمان انجاد استفاده می شود

آنچه در این مقاله در مورد چدن سفید بیان شده است:

1. چدن سفید آلیاژی مقاوم به سایش چیست؟
2.  میزان مقاومت به سایش چدن سفید، به چه عواملی بستگی دارد؟
3. عملیات ذوب چدن سفید پرآلیاژ چگونه انجام می شود؟
4. درجه حرارت کوره های القایی مناسب چدن  نایهارد چگونه تعیین می شود؟
5. آلیاژهای nihard چه کاربردهایی دارد؟

چدن سفید پرآلیاژ نیهارد

قدیمی ترین گروه چدن پرآلیاژی که در صنایع اهمیت دارد، چدن سفیدی نیکل-کروم یا چدن نایهارد (Nihard) است که بیش از 50 سال است که تولید می شوند و در زمینه سایش و خرد کردن بسیار مؤثر هستند. در این چدنهای سفید مارتنزیتی نیکل عنصر آلیاژی اولیه است زیرا 3 تا 5 درصد آن از انتقال زمینه آستنیت به سرعت جلوگیری می کند. بنابراین مطمئنا ساختار زمینه مارتنزیت سخت (معمولا با مقداری از آستنیت باقیمانده) با سرد شدن داخل قالب ایجاد خواهد شد. کروم نیز در این آلیاژها وجود دارد از 1.4 تا 4 درصد، تا چدن پس از انجماد کاربید تشکیل دهد و تآثیر گرافیت زدائی نیکل را خنثی کند.اپتیمم ترکیب شیمیایی نیکل و کروم در چدن سفید آلیاژی بستگی به خواص مورد نیاز در کاربرد، ابعاد و وزن قطعه ریخته گری دارد.

میزان مقاومت به سایش چدن سفید

بطور کلی مقاومت به سایش قطعات بستگی به سختی و حجم کاربید در میکروساختار دارد. زمانی که مقاومت به سایش قطعات بیشترمدنظر باشد و مقاومت به ضربه در مرحله دوم اهمیت باشد، درصدکربن آلیاژ باید بالا درنظرگرفته شود، ASTM A532 کلاس 1 نوع A (Nihard1) پیشنهاد می شود. زمانیکه ضربات مکانیکی متوالی مورد انتظار باشد کلاس 1 نوع B (Nihard2) پیشنهاد می شود، زیرا کاربید کمتر تشکیل داده و بنابراین قطعه چقرمگی بیشتری دارد.

یک نوع آلیاژ شاخص کلاس 1 نوع C جهت گلوله های خرد کننده و کاربرددرضربات سخت مکانیکی توسعه یافته اند.کلاس 1 نوع D (Nihard 2) یک آلیاژ اصلاح شده چدن نیکل-کروم می باشد که شامل مقداری بیشتری از کروم از 7 تا 11 درصد و نیکل 5 تا 7 درصد است. درحالیکه فاز کاربید یوتکتیک در آلیاژ با کروم-نیکل پایین M3C بصورت یک خطوط مشبک و بهم پیوسته است. در آلیاژ با کروم بالا در نوع D توزیع کاربید یوتکنیک به شکل نسبتا ناپیوسته کاربید کروم M7C3 می باشد . این اصلاح کاربید یوتکنیکی در تست ضربه با بهبود مقاومت شکست قابل محسوس است. درچدنهای سفید، مقاومت به خوردگی شیمیایی با بالا رفتن درصدکروم افزایش می یابد.

عملیات ذوب چدن سفید پرآلیاژ:

چدن نیکل-کروم در کوره های کوپل می توانند ذوب شوند به هرحال کنترل ترکیب شیمیایی و درجه حرارت در کوره های الکتریکی بهتر انجام می شود. اساسا کوره های قوس الکتریک و کوره های القائی رایج تر می باشند. چدنهای نیکل-کروم به آسانی در کوره های اسیدی ، خنثی و بازی تولید می شوند. این آلیاژها بطور طبیعی بالاتر از نقطه ذوبشان، ذوب می گردند و هیچ دلیلی وجود ندارد تا از لانس اکسیژن استفاده نماییم، بجز اینکه بخواهیم یک مقدار جزئی کربن را کاهش دهیم.جداره اسیدی بطور کلی از جداره بازی اقتصادی تر است. جداره اسیدی بازدارنده تلفات سیلیسیم و کروم است. در اکثر تولیدات یکنواخت درکوره باجداره اسیدی کنترل خیلی کمی برروی ترکیب شیمیایی سرباره لازم است .

بیشتر بخوانید: نکات ضروری هنگام استعلام قیمت کوره های صنعتی

مواد شارژ طبیعی شامل انواع قراضه فولاد، برگشتی ریخته گری و یا آلیاژهای مشابه برگشتی از جای مصرف می باشد. برای کارخانجات بدست آوردن آنالیز سریع روش آسانی نخواهد بود، بنابراین لازم است که قراضه فولاد بطور دقیقی انتخاب شوند تا اطمینان حاصل شود که سطح عناصری مانند منگنز و مس که تاثیر قوی برروی آستنیت باقیمانده می گذارند کنترل گردند.بطور کلی کروم بصورت فروکروم پرکربن در پایان عملیات ذوب اضافه می شود تا از تلفات مضاعف اکسیداسیون اجتناب شود. کربن نیز از الکترود گرافیتی، کک نفتی و یا منابع دیگر تأمین می شود. شمش چدن نیز جهت افزایش کربن استفاده می شود و همچنین یک منبع تأمین افزایش سیلیسیم نیز است. سلیسیم ومنگنز بصورت فروآلیاژ اضافه می شوند. مولیبدن نیز بصورت فرومولیبدن نیز می توان استفاده نمود. مطابق مشخصات در استاندارد ASTM A532 گوگرد تا 0.06 و فسفر تا 0.1 درصد نگه داشته می شود.

درجه حرارت کوره های القایی مناسب چدن نایهارد(nihard)

زمانیکه در کوره القائی عملیات ذوب انجام می شود درجه حرارت بارریزی بالایی لازم نیست و معمولا درجه حرارت نهایی 1480 درجه سانتیگراد برای ابعاد ضخیم قطعات ریخته گری مناسب است. درجه حرارت 1505 بطور عمومی در کوره های قوس الکتریک استفاده می شود تا ترکیب شیمیایی حوضچه مذاب هموژنیزه شده و حلالیت کربن و عناصری که بعد از ذوب اضافه می شود را تسریع نماید. بارریزی با فوق ذوب بالا مشکلی ایجاد نخواهدکرد اما خیلی سخت است تا تلفات ذوب پیش گویی شود.در عملیات فولادسازی اکسیژن زدائی با آلومینیوم عمومیت دارد اما در اغلب تولید این آلیاژها مدتهای زیادی است که عمل انجام نمی شود و اثر زیان آوری روی سلامتی و خواص مکانیکی قطعات ریخته گری ندارد.  جوانه زا فروسیلیس دانه بندی شده در کارگاه ریخته گری اغلب جهت بهبود چقرمگی قطعات استفاده می شود.  

مزایای استفاده از چدن سفید پرآلیاژ

استفاده از چدن سفید با توجه به ساختاری که دارد در بسیار از کاربردها مزایای بسیاری خواهد داشت از جمله طول عمر بالای قطعات، کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری، افزایش بهره وری و.. 

طول عمر بالا: به دلیل مقاومت به سایش بالا، قطعات ساخته شده از این آلیاژ عمر طولانی‌تری دارند.
کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری: با استفاده از این آلیاژ، هزینه‌های تعمیر و نگهداری تجهیزات کاهش می‌یابد.
افزایش بهره‌وری: با افزایش عمر قطعات، بهره‌وری سیستم‌های تولیدی افزایش می‌یابد.
کاهش توقف تولید: با کاهش خرابی قطعات، توقف تولید به حداقل می‌رسد.

بیشتر بخوانید: انواع روش های تعمیر و نگهداری

کاربرد آلیاژ Nihard

بخاطر هزینه کم تولید چدن سفید مارتزیینی نیکل-کروم ، این آلیاژها در تناژهای بالا درقطعات معادن مانند گلوله ساینده خطوط و گلوله های آسیاب پیشنهاد می گردد.

آلیاژ کلاس 1 نوع A :

قطعات ریخته گری کلاس1 نوع A در کاربردهایی که ماکزیمم مقاومت به سایش لازم موردنیاز است بکار می رود مانند لوله های عبورماسه و گردوغبار، پمپ های دوغاب، غلتک های نورد، چرخهای ساینده، مته ها، خرد کننده کک، دسته بندی کننده کفش ها، قالبهای آجر و زانوئی لوله های حمل کننده دوغاب

آلیاژ کلاس 1 نوع B:

 نوع B جهت کاربری با استحکام بیشتر و مقاومت به ضربه متوسط است  که در صفحات خرد کننده و توپی ساینده استفاده می شود.

کلاس 1 نوعD  Nihard4  :

کلاس 1 نوعD  Nihard4  استحکام و چقرمگی بالاتری دارد و بنابراین جهت کاربرد در شرایط سخت که افزایش هزینه تولید آلیاژ را توجیه می کند بکار می رود. این آلیاژ بطور عمومی جهت دسته پمپهای حلزونی که دوغابهای خورنده را حمل می کنند و میز خرد کننده ذغال سنگ و چرخهای آن بکار می رود.

کلاس 1 نوع C آلیاژ Nihard3:

کلاس 1 نوع C آلیاژ Nihard3 مشخصا جهت تولید گلوله های خردکننده طراحی شده است. این آلیاژ هم در ماسه و هم در قالب فلزی ریخته گری می شود. ریخته گری در قالب ریزه هزینه تولید آلیاژ را کاهش داده و عمر قطعات تولیدی را 15 تا 30 درصد بهبود می بخشد. تمام گلوله های آسیاب یک عملیات تمبر بمدت 8 ساعت در 260 تا 315 درجه سانتی گراد لازم دارند تا چقرمگی مناسبی حاصل شود.

محدودیت‌های استفاده از چدن سفید:

با وجود مزایای فراوانی که چدن سفید دارد، مانند سختی بالا و مقاومت به سایش، این آلیاژ نیز مانند سایر مواد، محدودیت‌هایی دارد که استفاده از آن را در برخی کاربردها محدود می‌کند.مهمترین محدودیت‌های چدن سفید عبارتند از:

شکنندگی بالا: یکی از بارزترین محدودیت‌های چدن سفید، شکنندگی بالای آن است. این ویژگی باعث می‌شود که چدن سفید در برابر ضربه و شوک بسیار حساس باشد و به راحتی بشکند.
قابلیت ماشینکاری پایین: به دلیل سختی بسیار زیاد، ماشینکاری چدن سفید بسیار دشوار و پر هزینه است. این موضوع باعث می‌شود که فرآیند تولید قطعات از چدن سفید پیچیده و زمان‌بر شود.
تنوع کم در خواص مکانیکی: چدن سفید عمدتاً به دلیل سختی و مقاومت به سایش شناخته می‌شود و در سایر خواص مکانیکی مانند چقرمگی و انعطاف‌پذیری محدودیت دارد.
هزینه تولید بالا: فرآیند تولید چدن سفید به دلیل نیاز به کنترل دقیق شرایط انجماد و ترکیب شیمیایی، نسبت به سایر آلیاژها هزینه بیشتری دارد.

محدودیت های کاربردی چدن سفید:

با توجه به محدودیت هایی که چدن سفید دارد در بعضی از کاربردهای صنعتی قابل استفاده نیست از جمله:

1- در کاربردهایی که قطعه ممکن است تحت ضربه قرار گیرد، مانند شفت‌ها و چرخ‌دنده‌ها، استفاده از چدن سفید مناسب نیست.
2- در مواردی که قطعه نیاز به تغییر شکل داشته باشد، مانند فنرها و ورق‌های خم‌شونده، چدن سفید گزینه مناسبی نیست.
3- در مواردی که قطعه نیاز به ماشینکاری دقیق و پیچیده داشته باشد، استفاده از چدن سفید هزینه و زمان زیادی را می‌طلبد.

روش رفع محدودیت های ساختاری چدن سفید:

جهت افزایش مقاومت با عملیات حرارتی خاص، می‌توان چدن سفید را به چدن مالیبل تبدیل کرد که چقرمگی بالاتری دارد.
جهت افزایش مقاومت در برابر ضربه با افزودن عناصر آلیاژی مانند نیکل و کروم می‌توان خواص چدن سفید را بهبود بخشید و مقاومت آن را در برابر ضربه افزایش داد.هم چنینبا طراحی مناسب قطعات می‌توان از ایجاد تنش‌های موضعی جلوگیری کرد و مقاومت قطعه را در برابر شکست افزایش داد.
در نتیجه، اگرچه چدن سفید دارای محدودیت‌هایی است، اما با توجه به خواص منحصر به فرد آن، همچنان در بسیاری از صنایع به عنوان یک ماده مهندسی ارزشمند استفاده می‌شود.

شرکت فلات گستر آپادانا از تولیدکنندگان محصولات آلیاژی مقاوم به سایش در ایران با داشتن 23 سال سابقه تولید و یکی از اعضای بخش صنعتگران و تولید کنندگان سامانه صنعتی شمستا می باشد که زمینه تولید و ساخت لاستیک مشبک شات پلاست دارمی، فلکه توربین، یاتاقان لوله ای و مجموعه کامل توربین شات پلاست فعالیت می کند از دیگر فعالیت های گروه صنعتی فلات گستر آپادانا را می توان کمک به راه اندازی و رفع عیب دستگاه های شات پلاس در کم ترین زمان ممکن نام برد.