چدنهای گرافیت کروی یا نشکن ( ( Spheroidal graphite or Ductile cast iron ) Spherical graphite ) گروهی از چدنهای معمولی ( عمومی ) هستند که بدلیل وجود گرافیت کروی مقاومت ضربه و خستگی آن‌ها نسبت به سایر چدن‌ها بیش‌تر است .

نام‌های دیگر چدن نشکن ( Ductile cast iron ) عبارتند از : آهن نشکن ( Ductile iron ) ، چدن ندولار ( Nodular cast iron ) ، آهن گرافیت کروی ( Spheroidal graphite iron ) ، چدن گرافیت کروی ( Spheroidal graphite cast iron ) و آهن SG . چدنهای گرافیت کروی یا نشکن نوعی چدن غنی از گرافیت هستند که در سال ۱۹۴۳ توسط Keith Millis کشف شدند . بیشتر چدنها از نظر کشش ضعیف و شکننده هستند ، اما چدن نشکن بدلیل وجود گرافیت کروی در برابر ضربه و خستگی مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد [۱] .

انواع چدنهای گرافیت کروی یا نشکن

دسته بندی چدنهای نشکن بر اساس ریز ساختار و خواص مکانیکی در ادامه بطور مختصر مطرح شده است .

چدن نشکن فریتی

کره‌های گرافیتی در زمینه فریتی ، یک چدن با انعطاف پذیری خوب و مقاومت به ضربه بالایی را ایجاد می‌کند . علاوه بر این ، استحکام تسلیم و استحکام کششی این چدن برابر با فولادهای ساده کربنی ( لینک داخلی ) است . چدنهای گرافیت کروی یا نشکن فریتی را می‌توان با ریخته گری تولید کرد ؛ اما ممکن است به عملیات حرارتی آنیل نیاز باشد تا از حصول حداکثر انعطاف پذیری و چقرمگی در دمای پایین اطمینان حاصل شود [۲] .

چدن نشکن فریتی – پرلیتی

این گروه رایج‌ترین گرید چدنهای نشکن هستند و معمولا با استفاده از فرآیند ریخته گری تولید می‌شوند . در این چدن گرافیت‌های کروی در زمینه‌ای حاوی فریت و پرلیت قرار می‌گیرند . خواص این گروه از چدنهای گرافیت کروی یا نشکن میانگینی از خواص گریدهای فریتی و پرلیتی است . این چدن‌ها قابلیت ماشینکاری خوب و هزینه تولید پایینی دارند [۲] .

چدن نشکن پرلیتی

در این چدنها گرافیت‌های کروی در زمینه پرلیتی قرار می‌گیرند ؛ در نتیجه یک چدن با استحکام بالا ، مقاومت سایشی خوب ، انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه متوسط حاصل می‌شود . قابلیت ماشینکاری این چدنها بسیار بهتر از فولادهایی است که خواص فیزیکی آن‌ها مشابه این چدن‌ها است [۲] .

سه نوع چدن نشکن ذکر شده در بالا از متداول‌ترین چدن‌های گرافیت کروی یا نشکن هستند و توسط فرآیند ریخته گری تولید می‌شوند ؛ اما چدن نشکن علاوه بر این می‌تواند آلیاژ شود و / یا تحت عملیات حرارتی قرار بگیرد تا گریدهایی با کاربردهای خاص ایجاد شود . این گریدها در ادامه بطور مختصر بیان شده‌اند [۲] .

چدن نشکن مارتنزیتی

استفاده از عناصر آلیاژی برای جلوگیری از تشکیل پرلیت و اعمال یک عملیات حرارتی کوئنچ – تمپر ، این نوع از چدن نشکن را تولید می‌کند . زمینه مارتنزیتی تمپر شده استحکام و مقاومت به سایش بسیار بالا اما سطوح پایین‌تری از چقرمگی و انعطاف پذیری را فراهم می‌کند [۲] .

چدنهای گرافیت کروی یا نشکن بینیتی

این گرید را می‌توان از طریق آلیاژ سازی و / یا با استفاده از عملیات حرارتی تولید کرد تا ماده‌ای سخت و مقاوم به سایش حاصل شود [۲] .

چدن نشکن آستنیتی

این چدن دارای یک زمینه آستنیتی است و مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون و خواص مغناطیسی خوبی را ارائه می‌دهد . داشتن استحکام و ثبات ابعادی در دماهای بالا از دیگر خصوصیات این چدن‌ها است [۲] .

چدن نشکن آستمپرشده ( Austempered ductile iron ( ADI ) )

این چدن جدیدترین گرید افزوده شده به خانواده چدنهای گرافیت کروی یا نشکن است . ADI یک گروه فرعی از چدنهای نشکن است که توسط یک فرآیند عملیات حرارتی آستمپرینگ خاص تولید می‌شود . این چدن تقریبا دو برابر قوی‌تر از چدن نشکن پرلیتی است ؛ این در حالی است که چقرمگی و درصد ازدیاد طول بالای خود را همچنان حفظ کرده است . این ماده مقاومت به سایش و استحکام خستگی فوق‌العاده‌ای دارد [۲] .

خواص چدنهای گرافیت کروی یا نشکن ( خواص چدن نشکن )

متالورژی چدن نشکن ( چدن داکتیل )

چدن نشکن صرفا یک ماده منفرد نیست ، بلکه بخشی از یک گروه از مواد است که می‌تواند از طریق کنترل ریز ساختار طیف وسیعی از خصوصیات در آن تولید شود . مشخصه مشترک این گروه از مواد ، شکل گرافیت است .

در چدنهای نشکن ، گرافیت به شکل کلوخه ( Nodule ) ( برخلاف چدن خاکستری که به شکل ورقه‌ای است ) تشکیل می‌شود . ورق‌های نوک تیز گرافیت ، باعث ایجاد تمرکز تنش در زمینه شده و در نتیجه ترک ایجاد می‌شود . این در حالی است که کلوخه‌های ( Nodules ) کروی ( گرافیت ) موجود در چدنهای گرافیت کروی یا نشکن مانع ایجاد ترک می‌شوند ، در نتیجه شکل پذیری تقویت شده‌ای ( که نام آلیاژ از آن نشات می‌گیرد ) در آن‌ها ایجاد می‌شود . کلوخه‌ها ( Nodules ) در اثر افزودن عناصر کلوخه زا ( Nodulizing elements ) تشکیل می‌شوند . این عناصر شامل منیزیم ( منیزیم در دمای ۱۱۰۰ درجه سانتی گراد می‌جوشد و آهن در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد ذوب می‌شود ) و سریم هستند . علاوه بر این از تلوریم و ایتریوم ( Yttrium ) نیز برای این منظور استفاده شده است [۱] .

چدن نشکن آستمپر شده ( Austempered Ductile Iron ( ADI ) ) که گروهی از چدنهای گرافیت کروی یا نشکن است در دهه ۱۹۵۰ کشف شد اما چند سال بعد به موفقیت دست یافت و تجاری شد .

ساختار متالورژی ADI ، از طریق یک فرآیند عملیات حرارتی پیچیده کنترل می‌شود . بخش ” aus ”  در نام ADI به آستنیت اشاره دارد [۱] .

ترکیب شیمیایی ( % ) چدن نشکن فریتی ریخته گری شده در جدول زیر ارائه شده است .

ترکیب شیمیایی چدن نشکن فریتی [۱] .

	کربن	سیلیسیم	نیکل	منگنز	منیزیم	کروم	فسفر	مس
درصد وزنی	۳.۰-۳.۷	۱.۲-۲.۳	۱.۰	۰.۲۵	۰.۰۷	۰.۰۷	۰.۰۳	۰.۱

چدنهای گرافیت کروی یا نشکن غالبا حاوی مقادیر اندکی گوگرد نیز هستند [۱] .

ترکیب شیمیایی چدنهای نشکن بطور معمول عبارتند از : کربن : ۳.۲ تا ۳.۶ درصد ، سیلیسیم : ۲.۲ تا ۲.۸ درصد ، منگنز : ۰.۱ تا ۰.۲ درصد ، منیزیم : ۰.۰۳ تا ۰.۰۴ درصد ، فسفر : ۰.۰۰۵ تا ۰.۰۴ درصد ، گوگرد : ۰.۰۰۵ تا ۰.۰۲ درصد و مس : کمتر از ۰.۴۰ درصد [۱] .

ممکن است عناصری مانند مس یا قلع نیز برای افزایش استحکام کششی و استحکام تسلیم ( در حالی که بطور همزمان انعطاف پذیری را کاهش می‌دهد ) به چدنهای گرافیت کروی یا نشکن افزوده شوند . با جایگزینی ۱۵ تا ۳۰ درصد آهن موجود در آلیاژ با مقادیر مختلفی از نیکل ، مس یا کروم مقاومت به خوردگی چدن بهبود می‌یابد . سیلیسیم بعنوان یک عنصر تشکیل گرافیت می‌تواند تا حدی با آلومینیوم جایگزین شود و حفاظت از اکسیداسیون را افزایش دهد [۱] .

شکل زیر ریز ساختار چدنهای گرافیت کروی یا نشکن را نشان می‌دهد . شکل الف ) اثر جزیره سازی ( Islanding effect ) کربن با کلوخه‌های ( Nodules ) احاطه شده با مناطق تخلیه شده از کربن را نشان می‌دهد و شکل ب ) اثر جزیره سازی کربن را در اطراف کلوخه‌ها در ریز ساختار چدن نشکن با بزرگنمایی ۱۰۰ برابر نشان می‌دهد .

• 

اثر جزیره سازی کربن در چدن نشکن [۱] .

کاربرد چدنهای گرافیت کروی یا نشکن ( کاربرد چدن داکتیل در صنعت )

بیشتر تولیدات سالانه چدن نشکن به شکل لوله است که در خطوط آب و فاضلاب استفاده می‌شود . این ماده با مواد پلیمری مانند PVC ، HDPE ، LDPE و پلی پروپیلن ، که همگی بسیار سبک‌تر از فولاد یا چدن نشکن هستند ، رقابت می‌کند.  چدن نشکن بطور خاص در بسیاری از اجزای خودرو کاربرد دارد ؛ اجزایی که استحکام آن‌ها باید از آلومینیوم بیشتر باشد اما استفاده از فولاد در آن‌ها لزومی ندارد [۱] .

سایر کاربردهای اصلی چدن‌های گرافیت کروی یا نشکن شامل کامیون‌های Off – highway diesel ، کامیون‌های Class 8 ، تراکتورهای کشاورزی و پمپ‌های چاه نفت است . در صنعت انرژی باد از چدن نشکن برای قطعات ساختاری مانند چارچوب‌های ماشین آلات استفاده می‌شود . چدن نشکن برای اشکال بزرگ و پیچیده و بارهای ( خستگی ) زیاد مناسب است . آهن SG در بسیاری از چنگ‌های پیانوی بزرگ ( صفحات آهنی که سیم‌های پیانو با کشش بالا به آن متصل می‌شوند ) استفاده می‌شود [۱] .

چدنهای گرافیت کروی یا نشکن گروهی از مواد هستند که می‌توان از طریق کنترل ریز ساختار طیف وسیعی از خصوصیات را در آن‌ها تولید کرد . این چدن‌ها بدلیل داشتن گرافیت کروی ، انعطاف پذیری بالایی دارد . این چدن‌ها در کاربردهای مختلف مانند خطوط آب و فاضلاب ، اجزای ماشین آلات ، پیانو و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند .

منابع

[۱]         “https://en.wikipedia.org/wiki/Ductile_iron.” .

[۲]         “https://www.ispatguru.com/ductile-cast-iron/.” .