هدف بررسی عملیات حرارتی ، خواص و ساختار چدنها و خصوصا چدن مالیبل و خاکستری است .

دانلود آزمایش عملیات حرارتی چدن ها

گزارش آزمایش: بررسی عملیات حرارتی و ساختار چدن‌ها

هدف آزمایش

هدف از این آزمایش، بررسی عملیات حرارتی، خواص و ریزساختار انواع چدن‌ها، به ویژه چدن‌های مالیبل و خاکستری، است.

مقدمه: چدن‌ها و عملیات حرارتی

چدن‌ها، به دلیل داشتن کربن بیشتر نسبت به فولادها، خواص متفاوتی دارند. این تفاوت‌ها منجر به انجام عملیات حرارتی خاصی بر روی چدن‌ها می‌شود تا خواص آن‌ها بهبود یابد. برخی از اهداف اصلی عملیات حرارتی عبارتند از:

• بهبود قابلیت ماشین‌کاری
• افزایش استحکام و مقاومت به سایش
• از بین بردن تنش‌های داخلی
• افزایش انعطاف‌پذیری و چقرمگی

یکی از تفاوت‌های اصلی چدن‌ها با فولاد در عملیات حرارتی، نقش سیلیسیم است که محدوده دمای سخت‌کاری را افزایش می‌دهد. همچنین، وجود عناصر آلیاژی مانند منگنز در چدن‌ها، سختی‌پذیری آن‌ها را بالا می‌برد و معمولاً به جای کوئنچ در آب، در روغن یا هوا سرد می‌شوند.

انواع ساختارهای میکروسکوپی در چدن‌ها

• لدبوریت: ساختاری لایه‌ای از آستنیت و سمنتیت که در چدن‌های سفید مشاهده می‌شود.
• گرافیت ورقه‌ای: در چدن خاکستری، کربن به صورت ورقه‌های گرافیتی تشکیل می‌شود.
• گرافیت کروی (ندولار): در چدن داکتیل، گرافیت به شکل کروی رشد می‌کند.
• گرافیت برفکی: در چدن مالیبل، گرافیت‌های کروی شکل به خود می‌گیرند که حاصل عملیات حرارتی مالیبل کردن است.

عملیات حرارتی رایج روی چدن‌ها

• آنیل کردن (Annealing): حرارت دادن قطعه تا دمایی بالاتر از A۱​ و سپس سرد کردن آهسته در کوره. این عملیات باعث کاهش سختی، افزایش انعطاف‌پذیری و تجزیه سمنتیت به فریت و گرافیت می‌شود.
• نرماله کردن (Normalizing): حرارت دادن تا دمایی بالاتر از محدوده بحرانی و سپس سرد کردن در هوا. این روش ساختار پرلیتی ریزدانه با سختی و استحکام بالاتر ایجاد می‌کند.
• مالیبل کردن (Malleablizing): مهم‌ترین عملیات حرارتی برای تبدیل چدن سفید (سخت و شکننده) به چدن مالیبل (چکش‌خوار). این عملیات شامل سه مرحله اصلی است:
  1. جوانه‌زنی گرافیت: گرم کردن تا دمای بالا.
  2. اولین مرحله گرافیتی‌زایی: نگهداری در دمای ۸۴۰ تا ۹۸۰ درجه سانتی‌گراد برای حذف سمنتیت.
  3. دومین مرحله گرافیتی‌زایی: سرد کردن آهسته در محدوده دمای یوتکتوئید برای تشکیل زمینه فریتی.

بررسی نتایج آزمایشگاهی

• چدن سفید هایپویوتکتوئید: دارای زمینه سمنتیت سفید و ساختار پرلیتی تیره.
• چدن سفید هایپریوتکتوئید: با ۵% کربن، ساختار لدبوریت با سمنتیت پرویوتکتوئیدی و دانه‌های پرلیت.
• چدن مالیبل با سیکل ناکامل: پس از ۱۰ ساعت نگهداری در ۹۵۰ درجه سانتی‌گراد و خنک شدن در هوا، ساختار حاصل شامل سمنتیت، پرلیت و گرافیت‌های بی‌شکل است.
• چدن مالیبل با سیکل کامل: پس از ۳۰ ساعت نگهداری در ۹۵۰ درجه و سرد شدن آهسته، ساختار شامل گرافیت‌های کروی شکل (ندولار) در زمینه فریتی و پرلیتی است که به “ساختار چشم گاوی” معروف است.
• چدن خاکستری آنیل شده: پس از نگهداری در ۸۵۰ درجه و سرد کردن در کوره، ساختار شامل زمینه فریتی سفید و گرافیتهای ورقه‌ای است.
• چدن خاکستری نرماله شده: پس از نگهداری در ۸۵۰ درجه و سرد کردن در هوا، ساختار شامل گرافیت‌های ورقه‌ای در زمینه پرلیتی و فریتی است.
• چدن داکتیل: پس از نرماله کردن، ساختار آن شامل گرافیت‌های کروی (ندولار) است که توسط فریت احاطه شده و بقیه زمینه را پرلیت تشکیل می‌دهد.
• چدن مالیبل کوئنچ شده در روغن: دارای زمینه فریتی، گرافیت‌های برفکی و ذرات قهوه‌ای‌رنگ بینیت.
• چدن مالیبل کوئنچ شده در آب: دارای گرافیت‌های برفکی، فریت، و زمینه مارتنزیتی با ذرات آستنیت باقی‌مانده.

نتیجه‌گیری و بحث

آزمایش‌های انجام شده، تأثیر عملیات حرارتی مختلف را بر روی ریزساختار و خواص چدن‌ها به وضوح نشان داد. هدف اصلی این عملیات، افزایش خواصی مانند مقاومت به ضربه (چدن مالیبل)، مقاومت به سایش (چدن سفید) و بهبود ماشین‌کاری است. با وجود وزن زیاد و مقاومت به ضربه پایین، قیمت مناسب و خواص خاص مانند کاهش ارتعاشات، چدن‌ها را به یک ماده ارزشمند در صنایع مختلف تبدیل کرده است.

پاسخ به سؤالات

1. آیا می‌توان از چدن خاکستری، چدن مالیبل تهیه کرد؟ خیر. برای تهیه چدن مالیبل، به ساختاری اولیه با کاربید آزاد نیاز است که در چدن سفید به وفور یافت می‌شود. چدن سفید پس از حرارت‌دهی در دمای بالا، سمنتیت خود را تجزیه کرده و به گرافیت تبدیل می‌کند. اما چدن خاکستری، از ابتدا دارای گرافیت ورقه‌ای است و کاربید آزاد ندارد، بنابراین نمی‌توان آن را به چدن مالیبل تبدیل کرد.
2. چدن مغز سفید و مغز سیاه کدامند و چگونه تشکیل می‌شوند؟ هر دو نوعی چدن مالیبل هستند:
   • چدن مغز سفید (Whiteheart Malleable Iron): از آنیل کردن چدن سفید در اتمسفر اکسیدکننده و در دمای ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد به دست می‌آید. در این فرآیند، کربن از سطح قطعه خارج می‌شود، در نتیجه سطح آن سفید می‌شود اما مغز آن همچنان چدن سفید باقی می‌ماند.
   • چدن مغز سیاه (Blackheart Malleable Iron): از آنیل کردن چدن سفید در اتمسفر خنثی و در دمای ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد به دست می‌آید. در این فرآیند، سمنتیت به گرافیت‌های برفکی تبدیل می‌شود که باعث می‌شود مقطع شکست به رنگ سیاه به نظر برسد. این نوع چدن خواص ماشین‌کاری و استحکام خوبی دارد و در صنایع کشاورزی کاربرد فراوانی پیدا کرده است.

مطالعه بیشتر