چدن مالیبل یا چکش خوار (Malleable Cast Iron)

چدن مالیبل چیست؟

چدن مالیبل یا چکش خوار (Malleable Cast Iron) دسته ای از انواع چدن های کم آلیاژی یا غیرآلیاژی است که تحت عملیات حرارتی آنیل (Annealing) قرار گرفته باشد. در هنگام عملیات ریخته گری، کربن به صورت ترکیبی همراه آهن منجمد شده که منجر به تشکیل چدن سفید می‌شود. اما این چدن باید تحت عملیات حرارتی قرار گیرد تا کربن به صورت گرافیت جوانه زده و رشد کند. در طی این فرایند، ساختار از حالت ترد و شکننده به حالت چکش خوار تغییر می کند.

کربن در ساختار این نوع چدن بیشتر به صورت کره‌ها (کلوخه‌هایی) از گرافیت و با اشکال نامنظم است. چدن مالیبل حاوی کلوخه‌های گرافیتی است که مانند چدن داکتیل کروی نیستند؛ زیرا در حین عملیات حرارتی به جای تشکیل، در هنگام خنک شدن از مذاب به وجود می‌آیند. شکل گرافیت‌ها در چدن مالیبل کروی نبوده و به شکل برفکی است.

ریزساختار این چدن ها به گونه ای است که آن را برای کاربردهایی که نیاز به چقرمگی و ماشین کاری بالایی دارند، مناسب می‌کند. به همین دلیل می‌توان آن‌ها را بدون ترک خوردگی خم کرد.

علاوه بر قابلیت شکل‌پذیری مناسب، این چدن طیف وسیعی از ویژگی‌ها نظیر مقاومت کششی بالا، مقاومت در برابر سایش، ضربه و خوردگی بالا را دارد.

ترکیب شیمیایی چدن چکش خوار

جدول زیر محدوده ترکیب شیمیایی چدن‌های مالیبل را نشان می‌دهد. گاهی اوقات مقادیر کمی از کروم (0/01 تا 0/03 درصد)، بور (0/002 درصد)، مس ( حدود 1 درصد)، نیکل (0/5 تا 0/8 درصد) و مولیبدن (0/35 تا 0/5 درصد) نیز درون ساختار مشاهده می‌شود.

خواص مکانیکی چدن مالیبل

چدن چکش‌خوار همانند چدن داکتیل، به دلیل ترکیب گرافیت گره‌دار و ماتریس فلزی کم‌کربن، شکل‌پذیری و چقرمگی قابل توجهی دارد. با این حال، به دلیل نحوه تشکیل گرافیت در چدن مالیبل، گره‌ها مانند چدن شکل‌پذیر واقعاً کروی نیستند، بلکه کلوخه‌هایی با شکل نامنظم هستند.

7

دقیــقه مطالعه

انواع چدن‌ با قابلیت ماشینکاری بالا

چدن‌ها از جمله آلیاژهای صنعتی کاربردی هستند که به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و مکانیک...

از چدن چکش‌خوار برای برخی از کاربردهایی که شکل‌پذیری و چقرمگی در آن‌ها مهم است، استفاده می‌شود. از نظر خواص مکانیکی این چدن در قطعات ریخته‌گری شده با مقاطع نازک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• برای قطعاتی که قرار است سوراخ یا سرد شوند.
• برای قطعاتی که به حداکثر ماشینکاری نیاز دارند.
• برای قطعاتی که باید در دماهای پایین مقاومت خوبی در برابر ضربه حفظ کنند.
• برای قطعاتی که نیاز به مقاومت در برابر سایش دارند.

عملیات حرارتی چدن‌ مالیبل

در هنگام عملیات آنیل، چدن سفید به آرامی تا دمایی بین 900 الی 950 درجه سانتی‌گراد گرم می‌گردد. قطعات در این دما نگهداری می‌شوند تا تمام کاربیدها تجزیه شوند. از آنجایی که گرافیت‌زایی فرایند بسیار کندی است، قطعات بایستی حداقل به مدت 20 ساعت در این دما نگهداری شوند. البته برای قطعات ضخیم‌تر ممکن است این زمان تا 72 ساعت افزایش یابد.

ساختار حاصل از مرحله اول شامل کربن تمپرشده برفکی است که در زمینه آستنیتی اشباع توزیع شده است. بعد از انجام مرحله اول عملیات، قطعات تا دمای 760 درجه‌ سانتیگراد با سرعت معمولی سرد می‌شوند. این سرعت سرد شدن بسته به تجهیزات مورد استفاده به 2 تا 6 ساعت زمان نیاز دارد.

در مرحله دوم عملیات حرارتی، قطعات به آهستگی و با سرعت 5 الی 10 درجه‌ سانتی‌گراد در ساعت سرد می‌شوند تا واکنش یوتکتوئید کامل شود. در حین سردشدن آهسته، کربن حل شده در آستنیت به گرافیت تبدیل می‌شود و بر روی کربن تمپرشده رسوب می‌کند و مابقی آستنیت به فریت تبدیل می‌شود.

پس از آنکه گرافیت‌زایی کامل شد، تا دمای محیط تغییر ساختاری رخ نداده و در نتیجه ساختار نهایی کربن تمپرشده در زمینه فریتی به وجود می‌آید. نتیجه این ساختار استحکام بالاتر و انعطاف‌پذیری بهتر نسبت به چدن خاکستری است. شکل گرافیت‌ها در چدن مالیبل کروی نبوده و به شکل برفکی است.

مقایسه خواص چدن چکش خوار با سایر چدن ها

چدن خاکستری دارای ظرفیت میرایی بالایی بوده و در برابر خوردگی مقاوم است. با این حال، شکننده بوده و ماشین‌کاری آن دشوار است. در نتیجه تولید ابزار آلات با سطوح صاف دشوار بوده و باعث کاهش عمر قطعات می‌شود.

در مقایسه با چدن خاکستری، چدن مالیبل استحکام و شکل‌پذیری بالاتری دارد، انعطاف‌پذیری و مقاومت به ضربه بهتری داشته و ماشین‌کاری مناسبی دارد.

در مقایسه با چدن داکتیل، هر دوی این آلیاژها استحکام و شکل‌پذیری مناسبی دارند؛ اما چدن مالیبل مقاومت ضربه بهتر و چدن داکتیل مقاومت سایشی بهتری از خود ارائه می‌دهند.

اما یکی از بزرگ‌ترین محدودیت‌های چدن‌های چکش خوار، انقباض آن‌ها در زمان سردشدن و انجماد آن‌هاست.

چدن مالیبل به چه صورت هایی وجود دارد؟

تقسیم‌بندی چدن چکش‌خوار به عواملی مثل ترکیب شیمیایی، دما، زمان و اتمسفر بازپخت بستگی دارد که باعث ایجاد خواص و ریزساختار متفاوت در آن‌ها می‌شود. بر این اساس، چدن‌های مالیبل به دو گروه زیر تقسیم‌بندی می‌شوند:

• چدن مغز سیاه
• چدن مغز سفید

چدن مالیبل مغز سیاه (Black Heart)

در صورتی که عملیات حرارتی در اتمسفر خنثی صورت گیرد، چدنی با گرافیت‌های شبه کروی در زمینه‌ای فریتی به‌دست می‌آید. به دلیل اینکه سطح مقطع شکست این نوع چدن سیاه رنگ است، به آن چدن مالیبل مغز سیاه گفته می‌شود.

چدن مغز سیاه می‌تواند ساختار فریتی یا پرلیتی داشته باشد. نوع فریتی نرم‌تر و انعطاف‌پذیرتر بوده، درحالی‌که نوع پرلیتی سخت‌تر و شکننده‌تر است.

هر دو با بازپخت در اتمسفر غیرکربن‌زدایی تولید می‌شوند. آن‌ها چدن‌های بدون کربوره هستند. ریزساختار چدن مالیبل زمینه‌ای از فریت دارد. ریزساختار چدن مالیبل پرلیتی دارای یک زمینه، با توجه به درجه مشخص شده، از پرلیت یا سایر محصولات تبدیلی آستنیت است. گرافیت به شکل کلوخه‌های کربن تمپرشده وجود دارد. ریزساختار نباید حاوی گرافیت پوسته پوسته باشد. این چدن برای تولید قطعات ریخته‌گری چدن با عملکرد ضربه، لرزش یا پیچش مانند قطعات اتومبیل، اتصالات لوله‌ها و حفاظت از عایق‌های الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

چدن مالیبل مغز سفید (White Heart)

در صورتی که عملیات حرارتی صورت گرفته بر روی چدن سفید در یک محیط اکسیدکننده انجام گیرد، کربن سطح سوخته و به صورت گاز خارج می‌شود. در نتیجه کربن موجود در لایه‌های پایین‌تر به سمت سطح قطعه نفوذ کرده و چدنی ایجاد می‌کند که سطح شکست سفید رنگ دارد.

ریزساختار این چدن به صورت بخش‌های کوچکی از پرلیت و کربن درون زمینه‌ی فریتی است. درون این ریزساختار می‌توان سه ناحیه را مشاهده کرد که عبارتند از:

1. ناحیه سطحی که حاوی فریت خالص است.
2. ناحیه میانی که دارای پرلیت، فریت و کربن تمپرشده است.
3. ناحیه هسته که شامل پرلیت، کربن تمپرشده و فریت است.

7

دقیــقه مطالعه

تمپر کردن (Tempering)

در علم متالورژی، تمپر کردن تحت عنوان یک فرآیند عملیات حرارتی تعریف می‌شود که اغل...

از چدن مالیبل برای چه کاربردهایی استفاده می‌شود؟

از چدن چکش‌خوار در مواردی استفاده می‌شود که استحکام و چکش‌خواری توامان مورد نیاز باشد. به همین جهت، انتظار می رود که این آلیاژ قابلیت استفاده برای بسیاری از کاربردها را داشته باشد. در این قسمت به برخی از کاربردهای چدن چکش خوار در صنایع گوناگون اشاره می کنیم:

اتصالات لوله و ابزارآلات

از این آلیاژ برای طیف وسیعی کاربردها شامل اتصالات الکتریکی، ابزار دستی، واشر، براکت‌ها، فلزآلات خطوط برق، اتصالات حصار (فنس)، تجهیزات مزرعه، فلزآلات معدن و قطعات ماشین‌آلات استفاده می‌شود.

همچنین از چدن مالیبل می‌توان در اتصالات لوله مانند سه‌راهی زانویی، سوکت کاهش‌دهنده، بوش، دوشاخه، کلاهک، ضربدر، مهره چک، خم کوتاه، زانویی 3 طرفه و سه‌راهی 4 طرفه استفاده کرد.

صنعت حمل و نقل

در صنعت خودرو از قطعات چدن مالیبل برای بلوک سیلندر، حامل‌های دیفرانسیل، کیس‌های دیفرانسیل، کلاهک‌های بلبرینگ، بدنه‌های دنده فرمان و همچنین جعبه گیربکس استفاده می‌شود. این ماده به‌ویژه برای تولید قطعات در مقیاس بزرگ در وسایل نقلیه تجاری موثر است. قطعات این نوع چدن در صنعت راه آهن، به‌ویژه برای ساخت خطوط راه آهن و مکانیزم‌های اتصال واگن استفاده می‌شود. در اینجا، توانایی این ماده برای مقاومت در برابر زنگ زدگی (اکسید شدن)، آن را برای استفاده‌های سنگین و قرار گرفتن در معرض شرایط آب و هوایی شدید مناسب می‌کند.

سیستم‌های گرمایش، سرمایش و ایمنی

اتصالات چدنی چکش‌خوار می‌توانند در شرایط فشار بالا (بالاتر از 5 بار در مقیاس فشار) مقاومت کنند. این قابلیت اطمینان به این معنی است که آن‌ها معمولاً در سیستم‌های اضطراری مانند مکانیزم های اطفاء حریق گاز و اسپرینکلر استفاده می‌شوند. به دلایل مشابه، این قطعات در سیستم‌های سرمایشی، تهویه مطبوع و گرمایشی هم در املاک خصوصی و هم تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سایر کاربردها

قطعات چدن مالیبل معمولاً در صنایع کاغذسازی، چاپ و کشاورزی برای ساخت لوله‌های روغن، خنک‌کننده‌ها و روانکاری استفاده می‌شوند. این چدن همچنین در ساخت کارخانه‌های صنعتی، برای لوله‌های هوای تحت فشار مورد استفاده قرار می‌گیرد. مقاومت در برابر حرارت و استحکام مکانیکی مناسب چدن مالیبل را برای این اتصالات ایده‌آل می‌کند.

جمع‌بندی

در هنگام دسته بندی چدن‌ها، چدن مالیبل گروهی از آلیاژهای پایه آهنی است که خواص استحکام، شکل‌پذیری، مقاومت در برابر ضربه و ماشین‌کاری مناسب را نسبت به سایر آلیاژهای چدنی توامان ارائه می‌دهد. این چدن در نتیجه‌ی عملیات حرارتی آنیل چدن سفید ایجاد می‌شود که در آن کربن به شکل کلوخه‌هایی از گرافیت با اشکال نامنظم مشاهده می‌شود. به دلیل بهره‌مندی از این خواص مکانیکی مناسب، از این آلیاژ برای کاربردهای بسیاری همچون ساخت قطعات اتومبیل، سیستم‌های گرمایشی و عایق‌های الکتریکی استفاده می‌شود.