جدیدآشنایی با چدن مالیبل سفید؛ از ساختار تا کاربرد در صنعت
مقدمه
چدن‌ها به دلیل خواص مکانیکی مطلوب و قابلیت ریخته‌گری بالا، یکی از پرکاربردترین آلیاژهای آهنی در صنایع مختلف محسوب می‌شوند. چدن مالیبل سفید(Whiteheart Malleable Cast Iron)، نوعی چدن سفید است که از طریق عملیات حرارتی مالیبل‌سازی به خواص مکانیکی بهینه‌ای از جمله استحکام، چقرمگی و قابلیت ماشین‌کاری دست می‌یابد....
این فرایند، که شامل حرارت‌دهی در دمای 900-1000 درجه سانتی‌گراد و خنک‌سازی کنترل‌شده است، ساختار کاربیدی شکننده چدن سفید را به گرافیت تمپر در ماتریس فریتی یا پرلیتی تبدیل می‌کند، که منجر به افزایش چقرمگی و شکل‌پذیری می‌شود. ترکیب شیمیایی این آلیاژ، با 2.0-2.8% کربن و 0.5-1.5% سیلیکون، به همراه استانداردهایی مانند ASTM A47 و EN 1562، امکان تولید گریدهای متنوع را فراهم می‌کند.
9
دقیــقه مطالعه
چدن مالیبل یا چکش خوار (Malleable Cast Iron)
چدن‌ها گروهی از آلیاژهای پایه آهنی با درصد کربن بیش از 14/2% هستند. در میان این ...
هدف از این مقاله، ارائه مطالب علمی و کاربردی به مهندسان مواد و متخصصان صنعت است تا با درک دقیق خواص چدن مالیبل سفید، بتوانند گرید مناسب را برای شرایط عملیاتی خاص انتخاب کنند. این آلیاژ با تعادل بین استحکام، چقرمگی، و قابلیت ماشین‌کاری، نه‌تنها نیازهای کنونی صنایع را برآورده می‌کند، بلکه پتانسیل توسعه برای کاربردهای نوین را نیز داراست.
مشخصات فنی چدن مالیبل سفید
در این بخش، ترکیب شیمیایی، ساختار متالورژیکی، خواص مکانیکی و فیزیکی، و رفتار حرارتی این نوع چدن بررسی می‌شود.
1- ترکیب شیمیایی چدن مالیبل سفید
چدن مالیبل سفید از نظر ترکیب شیمیایی، شامل عناصر آلیاژی مختلفی است که هر یک نقش مهمی در تعیین خواص نهایی این آلیاژ دارند. جدول زیر ترکیب شیمیایی معمول این نوع چدن را نشان می‌دهد:
| عنصر | درصد وزنی (%) | تأثیر بر خواص چدن مالیبل سفید |
| کربن (C) | ۲.۰ – ۲.۸ | تأمین سختی و استحکام، کاهش شکل‌پذیری |
| سیلیکون (Si) | ۰.۵ – ۱.۵ | کمک به گرافیتی شدن، افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون |
| منگنز (Mn) | ۰.۲ – ۱.۰ | بهبود استحکام و سختی، کاهش حساسیت به ترک گرم |
| فسفر (P) | ≤ ۰.۱۵ | افزایش سختی ولی کاهش چقرمگی |
| گوگرد (S) | ≤ ۰.۱۵ | تأثیر منفی بر چقرمگی و شکل‌پذیری |
| مس (Cu) | ۰.۲ – ۱.۰ | بهبود مقاومت به خوردگی |
| نیکل (Ni) | ۰.۵ – ۱.۵ | افزایش چقرمگی و بهبود خواص مکانیکی در دماهای پایین |
| مولیبدن (Mo) | ≤ ۰.۵ | افزایش مقاومت به سایش و بهبود مقاومت به خزش در دماهای بالا |
2- ساختار متالورژیکی
ساختار متالورژیکی این چدن بستگی به عملیات حرارتی اعمال‌شده بر آن دارد. در ابتدا، این آلیاژ دارای ساختار چدن سفید با کاربیدهای سخت است، اما طی فرایند مالیبل‌سازی که دمای آن می‌تواند بین 900-1000 درجه سانتی گراد باشد، کاربید آهن (Fe₃C) به گرافیت تمپر در ماتریس فریتی یا پرلیتی تبدیل می‌شوند. این تغییرات باعث افزایش چقرمگی و بهبود خواص مکانیکی می‌شود. چدن مالیبل سفید به دو نوع اصلی فریتی و پرلیتی تقسیم می‌شود.
- چدن مالیبل فریتی: دارای ساختار گرافیت کروی در زمینه فریتی، با شکل‌پذیری بالا و مقاومت به ضربه مناسب.
- چدن مالیبل پرلیتی: دارای ساختار گرافیت کروی در زمینه پرلیتی، با سختی و استحکام بالاتر نسبت به نوع فریتی.
3- خواص مکانیکی و فیزیکی چدن مالیبل سفید
چدن مالیبل سفید به دلیل ریزساختار خاص خود، دارای تعادل مناسبی بین استحکام، سختی، شکل‌پذیری و چقرمگی است. در جدول زیر، خواص مکانیکی این آلیاژ ارائه شده است:
| ویژگی | چدن مالیبل فریتی | چدن مالیبل پرلیتی |
| استحکام کششی (MPa) | ۳۵۰ – ۴۵۰ | ۵۰۰ – ۶۵۰ |
| استحکام تسلیم (MPa) | ۲۵۰ – ۳۵۰ | ۳۸۰ – ۵۰۰ |
| درصد ازدیاد طول (%EL) | ۱۰ – ۱۸ | ۵ – ۱۰ |
| سختی (HB) | ۱۲۰ – ۱۸۰ | ۱۸۰ – ۲۵۰ |
| مدول الاستیسیته (GPa) | ۱۶۵ – ۱۸۰ | ۱۸۰ – ۲۰۰ |
| چقرمگی ضربه (J/cm²) | ۱۲ – ۲۵ | 5-20 |
| ویژگی | مقدار |
| چگالی (g/cm³) | ۷.۲ – ۷.۴ |
| ضریب انبساط حرارتی (۱۰⁻⁶/°C) | ۱۰ – ۱۴ |
| هدایت حرارتی (W/mK) | ۳۰ – ۴۵ |
| مقاومت الکتریکی (µΩ·cm) | ۸۰ – ۱۲۰ |
۴- رفتار حرارتی چدن مالیبل سفید
چدن مالیبل سفید بسته به نوع ریزساختار، رفتار متفاوتی در برابر تغییرات دما از خود نشان می‌دهد. این آلیاژ دارای مقاومت حرارتی متوسطی است و در کاربردهایی که نیاز به دمای بالا دارند، عملکرد مطلوبی نشان می‌دهد. در جدول زیر، رفتار حرارتی این نوع چدن آورده شده است:
| ویژگی حرارتی | چدن مالیبل فریتی | چدن مالیبل پرلیتی |
| دمای ذوب (°C) | ۱۱۵۰ – ۱۲۵۰ | ۱۱۵۰ – ۱۲۵۰ |
| دمای بحرانی فاز آستنیت (°C) | ۷۰۰ – ۷۵۰ | ۷۵۰ – ۸۰۰ |
| مقاومت به شوک حرارتی | بالا | متوسط |
| مقاومت به اکسیداسیون در دمای بالا | متوسط | بالا |
نکته: دمای بحرانی آستنیتی شدن محدوده‌ای است که در آن تبدیل‌های فازی رخ می‌دهد و نقش کلیدی در عملیات حرارتی دارد.
انواع چدن مالیبل سفید
همان‌طور که اشاره شد، چدن مالیبل سفید به دلیل عملیات حرارتی ویژه‌ای که روی آن انجام می‌شود، دارای دو نوع اصلی است: چدن مالیبل پرلیتی و چدن مالیبل فریتی.
چدن مالیبل پرلیتی برای کاربردهایی که نیاز به استحکام، سختی و مقاومت به سایش بالا دارند، ایده‌آل است، در حالی که چدن مالیبل فریتی به دلیل چقرمگی و شکل‌پذیری بیشتر، برای قطعاتی که تحت بارهای ضربه‌ای یا تغییر شکل قرار می‌گیرند، مناسب‌تر است.در ادامه، هر یک از این انواع و مقایسه آن‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد.
کاربردهای صنعتی چدن مالیبل سفید
چدن مالیبل سفید به دلیل استحکام بالا، مقاومت در برابر ضربه، تحمل فشار و قابلیت ماشین‌کاری مناسب در صنایع مختلف کاربرد گسترده‌ای دارد. در خودروسازی، ماشین‌آلات صنعتی و حمل‌ونقل، این آلیاژ برای ساخت چرخ‌دنده‌های گیربکس، میل‌لنگ‌ها، کوپلینگ‌های واگن قطار و ریل‌های ترمز کامیون‌های سنگین استفاده می‌شود، زیرا این قطعات باید نیروهای شدید، سایش و ضربات مداوم را تحمل کنند.
در سیستم‌های انتقال سیالات و تأسیسات صنعتی، مقاومت بالای چدن مالیبل سفید در برابر فشار و خوردگی باعث شده از آن در شیرآلات و فلنج‌های نفت و گاز، لوله‌های تحت فشار، اتصالات آتش‌نشانی و تجهیزات نیروگاهی استفاده شود، زیرا این قطعات در دماهای بالا و محیط‌های خورنده عملکرد مطمئنی دارند.
در صنایع دریایی و کشتی‌سازی، این چدن به دلیل مقاومت بالا در برابر تنش‌های مکانیکی و خوردگی ناشی از آب دریا، در ساخت پروانه‌ها و شفت‌های کشتی، گیره‌های بارگیری و شیرهای انتقال آب شور به کار می‌رود. همچنین، در زیرساخت‌های شهری و ساختمانی، از آن برای دریچه‌های خیابانی، پایه‌های روشنایی و قطعاتتهویه مطبوع استفاده می‌شود، زیرا علاوه بر تحمل وزن و ضربه، در برابر شرایط محیطی سخت و رطوبت مقاوم است.
این ویژگی‌ها، چدن مالیبل سفید را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهایی تبدیل کرده که در آن‌ها دوام، استحکام مکانیکی، مقاومت به سایش و عملکرد مطمئن در شرایط سخت کاری ضروری است
گریدهای مختلف چدن مالیبل سفید
انتخاب نوع مناسب چدن مالیبل سفید باید بر اساس نیازهای مکانیکی، سایش، استحکام و فرایند ماشین‌کاری انجام شود تا بهترین عملکرد و طول عمر قطعه تضمین شود. همان‌طور که قبلا اشاره شده است گریدهای چدن مالیبل فریتی به دلیل وجود گرافیت تمپر در زمینه فریتی با چقرمگی و شکل‌پذیری بالا برای قطعاتی که نیاز به مقاومت در برابر ضربه دارند مناسب هستند و گریدهای چدن مالیبل پریتی به دلیل استحکام و مقاومت به سایش بالا برای قطعات تحت فشار و سایش استفاده می‌شوند.
گریدهای چدن مالیبل فریتی (Ferritic Malleable Iron)
| گرید | استاندارد | استحکام کششی (MPa) | استحکام تسلیم (MPa) | ازدیاد طول (%) | سختی (HB) | کاربردها |
| A47 32510 | ASTM A47 | 325-350 | 210-250 | 12-18 | 120-140 | اتصالات لوله‌کشی (زانویی، فلنج)، یاتاقان‌های سبک، قطعات تعلیق خودرو |
| A47 35018 | ASTM A47 | 350-380 | 240-280 | 10-15 | 130-150 | محفظه‌های الکتریکی، شفت‌های متحرک، قطعاتی با تنش ضربه‌ای متوسط |
| GJMB-350-10 | ISO 5922 | 350 | 230 | 10-12 | 140 | قطعات تهویه صنعتی، اتصالات با نیاز به انعطاف‌پذیری |
| EN-GJMB-400-10 | EN 1562 | 400 | 240 | 8-10 | 150 | پایه‌های تجهیزات، قطعات خودرو با بار دینامیکی (مثل بازوهای فرمان) |
| FCMW 370 | JIS G5702 | 370-400 | 220-250 | 10-15 | 120-150 | بوش‌های صنعتی، سیستم‌های انتقال سیالات، قطعات مقاوم به ضربه در دمای پایین |
گریدهای چدن مالیبل پرلیتی (Pearlitic Malleable Iron)
| گرید | استاندارد | استحکام کششی (MPa) | استحکام تسلیم (MPa) | ازدیاد طول (%) | سختی (HB) | کاربردها |
| A602 40010 | ASTM A602 | 400-450 | 270-320 | 8-12 | 160-180 | چرخ‌دنده‌های کوچک، محورهای صنعتی، شیرهای تحت فشار |
| A602 45012 | ASTM A602 | 450-500 | 300-350 | 6-10 | 180-220 | میل‌لنگ خودرو، دنده‌های گیربکس، پوسته‌های پمپ‌های هیدرولیکی |
| GJMB-500-7 | ISO 5922 | 500 | 350 | 5-7 | 200 | قطعات ترمز واگن، دنده‌های سنگین، محورهای ماشین‌آلات کشاورزی |
| EN-GJMB-450-12 | EN 1562 | 450 | 290 | 7-10 | 180 | اتصالات لوله‌های نفت و گاز، بدنه کمپرسورها، قطعات مقاوم به سایش |
| FCMW 480 | JIS G5702 | 480-530 | 300-350 | 5-8 | 180-220 | پروانه‌های کشتی، دنده‌های جرثقیل، قطعات دریایی با نیاز به سختی و دوام بالا |
چدن سفید و چدن مالیبل سفید چه فرقی با هم دارند؟
تفاوت اصلی بین چدن سفید (White Cast Iron) و چدن مالیبل سفید (White Malleable Cast Iron) در ساختار میکروسکوپی، خواص مکانیکی و روش تولید آن‌هاست. در ادامه این تفاوت‌ها را دقیق‌تر بررسی می‌کنیم:
چدن سفید
- دارای سطحی سفید در شکستگی به علت وجود سمنتیت (Fe₃C) یا کاربید آهن
- سخت و شکننده است.
- قابل ماشین‌کاری نیست یا بسیار سخت ماشین‌کاری می‌شود.
- مقاومت به سایش بالایی دارد، ولی چقرمگی بسیار پایینی دارد.
- در قالب‌گیری مستقیم به دست می‌آید (ذوب و ریخته‌گری بدون عملیات بعدی).
- ساختار میکروسکوپی: زمینه کاملاً کاربیدی (سمنتیت) یا ترکیبی از پرلیت و سمنتیت.
- گرافیت ندارد.
کاربردها: قطعات مقاوم به سایش مانند آستر آسیاب‌ها، تیغه‌های برش، چرخ‌دنده‌هایی که نیازی به چقرمگی ندارند.
چدن مالیبل سفید
- از چدن سفید معمولی با انجام عملیات بازپخت (annealing) به دست می‌آید.
- در طی بازپخت، سمنتیت تجزیه شده و به گرافیت‌های دانه‌ای (temper carbon) تبدیل می‌شود.
- خواصی نزدیک به فولاد نرم دارد: چقرمگی بالا، قابلیت ماشین‌کاری و شکل‌پذیری.
- مقاومت به ضربه و تنش کششی بهتری نسبت به چدن سفید دارد.
- ساختار میکروسکوپی: زمینه‌ای از فریت یا پرلیت همراه با گرافیت دانه‌ای (برخلاف گرافیت فلس‌دار چدن خاکستری یا گرافیت کروی چدن داکتیل).
کاربردها: قطعاتی که هم به مقاومت و هم به شکل‌پذیری نیاز دارند: اتصالات لوله، قطعات خودرو، اجزای ماشین‌آلات سبک.
جمع‌بندی
چدن مالیبل سفید به دلیل ویژگی‌های متالورژیکی خاص خود، از جمله استحکام، مقاومت به ضربه، و قابلیت ماشین‌کاری، یکی از آلیاژهای کلیدی در مهندسی مدرن است. فرایند مالیبل‌سازی، با ایجاد گرافیت تمپر در ماتریس فریتی یا پرلیتی، این آلیاژ را برای کاربردهای متنوعی از قطعات خودرو تا تجهیزات دریایی مناسب می‌سازد. گریدهای فریتی مانند GJMB-350-10 با چقرمگی بالا برای قطعاتی با بار دینامیکی و گریدهای پرلیتی مانند FCMW 480 با مقاومت سایشی برتر برای محیط‌های تحت فشار ایده‌آل هستند.
کاربردهای گسترده این آلیاژ در صنایع مختلف، از تولید شیرآلات و فلنج‌های نفت و گاز تا دریچه‌های شهری و پروانه‌های کشتی، نشان‌دهنده انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان آن است. انتخاب گرید مناسب، با توجه به عواملی مانند دما، سایش، و تنش‌های مکانیکی، برای دستیابی به عملکرد بهینه و طول عمر بالای قطعات حیاتی است. استانداردهای جهانی نظیر ISO 5922 و JIS G5702، تولید این آلیاژ با خواص دقیق و قابل پیش‌بینی را تضمین می‌کنند.
سوالات متداول (FAQ) درباره شناسایی چدن مالیبل سفید
.1 چگونه می‌توان چدن مالیبل سفید را از چدن سفید معمولی تشخیص داد؟
پاسخ: چدن مالیبل سفید سطح شکست خاکستری و یکنواخت دارد، درحالی‌که چدن سفید معمولی سطح شکست براق، سفید و بسیار شکننده دارد.
2. آیا می‌توان چدن مالیبل سفید را بدون تجهیزات آزمایشگاهی تشخیص داد؟
پاسخ: بله، با بررسی سطح شکست، تست سوهان، تست جرقه و تست چکش می‌توان به‌صورت تقریبی نوع چدن را مشخص کرد. چدن مالیبل سفید فریتی نرم‌تر است و سوهان به‌راحتی روی آن اثر می‌گذارد، اما نوع پرلیتی سخت‌تر بوده و مقاومت بیشتری در برابر سوهان دارد. چدن مالیبل سفید جرقه‌های زرد ملایم و با انشعاب کم تولید می‌کند، اما چدن سفید معمولی جرقه‌های روشن‌تر، تیزتر و کوتاه‌تر دارد. نوع فریتی چقرمگی بالایی دارد و کمتر می‌شکند، اما نوع پرلیتی سخت‌تر است و مقاومت متوسطی در برابر ضربه دارد. در مقابل، چدن سفید معمولی شکننده است و با ضربه ترک می‌خورد.
3. بهترین روش آزمایشگاهی برای تشخیص چدن مالیبل سفید چیست؟
پاسخ: بررسی ریزساختار با میکروسکوپ نوری؛ چدن مالیبل سفید دارای گرافیت کروی در ماتریس فریتی یا پرلیتی است، درحالی‌که چدن سفید معمولی کاملاً کاربیدی و بدون گرافیت است.
4. آیا چدن مالیبل سفید مغناطیسی است؟
پاسخ: بله، مانند سایر چدن‌های پایه آهنی، چدن مالیبل سفید نیز خاصیت مغناطیسی دارد.
5. آیا چدن مالیبل سفید قابل جوشکاری است؟
پاسخ: جوشکاری چدن مالیبل سخت و محدود است، اما در برخی شرایط با پیش‌گرم کردن و استفاده از الکترودهای مخصوص امکان‌پذیر است.
دیدگاه کاربران