چدنهای خاکستری ورقه ای یا لایه ای ( Flake graphite or Gray Cast Iron ) گروهی از چدن‌ها هستند که بدلیل ریزساختار گرافیتی قابلیت ماشینکاری و مقاومت به سایش بالایی دارند .

انواع چدنهای خاکستری ورقه ای یا لایه ای ( انواع چدن خاکستری )

در ایالات متحده ، رایج‌ترین طبقه بندی که برای چدن خاکستری با گرافیت ورقه‌ای استفاده می‌شود ، استاندارد بین المللی ASTM  A48 است . این استاندارد ، آهن خاکستری را به گروه‌هایی تقسیم می‌کند که با حداقل استحکام کششی آن در هزار پوند بر اینچ مربع ( ksi ) مطابقت داشته باشد .

بعنوان مثال ، چدن خاکستری گروه ۲۰ دارای حداقل مقاومت کششی ۲۰۰۰۰ psi ( 140 مگاپاسکال ) است . گروه ۲۰ این چدن ، دارای کربن معادل بالا و زمینه فریتی است . چدن‌های خاکستری ورقه‌ای یا لایه‌ای با استحکام بالاتر ، تا گروه ۴۰ ، دارای کربن معادل پایین‌تر و زمینه پرلیتی هستند . چدن‌های خاکستری با گروه‌ بالاتر از ۴۰ ، به آلیاژ سازی نیاز دارند تا استحکام بخشی در آن‌ها از طریق محلول جامد ( Solid solution strengthening ) فراهم شود ، از عملیات حرارتی نیز برای اصلاح زمینه استفاده می‌شود .

گروه ۸۰ بالاترین گروه موجود است ؛ این گروه بسیار شکننده است . از ASTM A247 معمولا برای توصیف ساختار گرافیتی استفاده می‌شود . سایر استانداردهای ASTM که با چدن خاکستری سر و کار دارند شامل ASTM A126 ، ASTM A278  و ASTM A319 هستند [۱] .

در صنعت خودرو ، از استاندارد بین‌المللی ( SAE ) SAE J431 برای تعیین گریدهای چدنهای خاکستری ورقه ای یا لایه ای ( به جای گروه‌های ذکر شده در بالا ) استفاده می‌شود . این گریدها مقیاسی از نسبت استحکام کششی به سختی برینل را نشان می‌دهند . تغییر مدول کششی الاستیک گریدهای مختلف چدن خاکستری ، بازتابی از درصد گرافیت در ماده است . چنین ماده‌ای استحکام و سختی ندارد و فضای اشغال شده توسط گرافیت مانند یک فضای خالی عمل کرده ؛ در نتیجه منجر به تولید یک ماده اسفنجی می‌شود [۱] .

خواص چدنهای خاکستری ورقه ای یا لایه ای

ریز ساختار چدن خاکستری

چدن خاکستری یا چدن با گرافیت ورقه‌ای نوعی چدن است که دارای ریز ساختار گرافیتی است . نام چدن خاکستری از سطوح شکست خاکستری رنگ ، که به دلیل وجود گرافیت است ، نشات گرفته است . این چدن متداول‌ترین و پرکاربردترین گروه از چدن‌های معمولی ( عمومی ) است . ترکیب شیمیایی رایج برای بدست آوردن ریز ساختار گرافیتی شامل ۲.۵ تا ۴.۰ درصد وزنی کربن و ۱ تا ۳ درصد وزنی سیلیسیم است . گرافیت ممکن است ۶ تا ۱۰ درصد از حجم چدن خاکستری را اشغال کند . شکل زیر ریز ساختار چدن‌های خاکستری ورقه‌ای یا لایه‌ای را نشان می‌دهد [۱] .

• 

ریزساختار چدن خاکستری [۱] .

تاثیر سیلیسیم و نرخ انجماد در گرافیت سازی

وجود یا محتوای سیلیسیم ، برخلاف چدن سفید ، برای ساخت چدنهای خاکستری ورقه ای یا لایه ای ضروری است ؛ زیرا سیلیسیم یک عنصر تثبیت کننده گرافیت در چدن است ، به این معنی که به آلیاژ کمک می‌کند تا به جای کاربید آهن ، گرافیت تولید کند . محتوای ۳ درصد از سیلیسیم هیچ کربنی را به صورت کاربید آهن باقی نمی‌گذارد . یکی دیگر از فاکتورهای گرافیت سازی نرخ انجماد است .

هرچه سرعت انجماد کندتر باشد ، زمان بیشتری برای نفوذ کربن و تجمع آن در گرافیت وجود دارد . سرعت سرمایش متوسط در چدن‌های خاکستری ورقه‌ای یا لایه‌ای ، یک زمینه با میزان پرلیت بیشتری را تولید می‌کند ؛ در حالی که نرخ نرمایش سریع‌تر منجر می‌شود که میزان فریت بیشتری در زمینه تولید شود . برای دستیابی به یک زمینه کاملا فریتی ، آلیاژ باید آنیل شود . یک فرآیند سرمایش سریع ، به طور کامل ( یا تا حدی ) گرافیت سازی را سرکوب می‌کند و منجر به تشکیل سمنتیت می‌شود ( فرآیند تولید چدن سفید ) [۱] .

نقش گرافیت در خواص چدنهای خاکستری ورقه ای یا لایه ای

گرافیت‌های چدن خاکستری به شکل یک پوسته سه بعدی در می‌آیند و در دو بعد ( در یک سطح پولیش شده ) ورق‌های گرافیت به صورت خطوط ظریف ظاهر می‌شوند . گرافیت استحکام قابل ملاحظه‌ای ندارد ، بنابراین می‌توان آن را بعنوان فضای خالی ( Voids ) در نظر گرفت .

سر یا نوک ورق‌ها بعنوان شکاف‌های از قبل بوجود آمده عمل می‌کنند و تنش‌ها در این مکان‌ها متمرکز می‌شوند ؛ به همین دلیل چدن‌های خاکستری ورقه‌ای یا لایه‌ای رفتاری ترد و شکننده دارند . وجود ورق‌های گرافیت باعث می‌شود که چدن خاکستری قابلیت ماشینکاری بالایی داشته باشد ( گرافیت بعنوان روانساز ) . وجود گرافیت در این چدن‌ها همچنین باعث افزایش ظرفیت میرایی یا قابلیت جذب ارتعاشات در آن‌ها می‌شود [۱] .

مزایا و معایب چدنهای خاکستری ورقه ای یا لایه ای

چدن خاکستری بدلیل هزینه نسبتا کم و قابلیت ماشینکاری خوب ( گرافیت بعنوان روانساز عمل می‌کند ) یک آلیاژ مهندسی رایج است . چدن خاکستری همچنین مقاومت خوبی در برابر جوش سرد ( Galling ) و سایش دارد ؛ چرا که گرافیت بعنوان ‌روانساز عمل کرده و از جوش سرد و سایش جلوگیری می‌کند . گرافیت همچنین به چدن‌های خاکستری ورقه‌ای یا لایه‌ای خاصیت میرایی ( کاهنده ارتعاشات ) خوبی می‌بخشد ؛ چرا که گرافیت انرژی را جذب می‌کند و آن را به گرما تبدیل می‌کند . روی چدن خاکستری نمی‌توان کار ( آهنگری ، نورد ، اکستروژن و غیره ) انجام داد ( حتی در دماهای بالا ) [۱] .

در جدول زیر ظرفیت میرایی مواد مختلف با هم مقایسه شده است [۱] .

مقایسه ظرفیت میرایی مواد مختلف [۱] .

مواد	ظرفیت میرایی (log نسبت نوسان‌های پی‌درپی)
چدن خاکستری (کربن معادل بالا)	۱۰۰-۵۰۰
چدن خاکستری (کربن معادل پایین)	۲۰-۱۰۰
چدن نشکن	۵-۲۰
چدن مالیبل	۸-۱۵
چدن سفید	۲-۴
فولاد	۴
آلومینیوم	۰.۴۷

چدنهای خاکستری ورقه ای یا لایه ای نسبت به سایر چدن‌هایی که ریز ساختار گرافیتی تشکیل نمی‌دهند ، انقباض دامنه انجماد ( Solidification shrinkage ) کمتری دارند . وجود سیلیسیم در چدن خاکستری باعث ایجاد مقاومت در برابر خوردگی خوب و افزایش سیالیت هنگام ریخته گری می‌شود . جوشکاری چدن خاکستری بطور کلی آسان است . در مقایسه با آلیاژهای مدرن‌تر ، چدن خاکستری دارای استحکام کششی و انعطاف پذیری کمی است ؛ بنابراین ، می‌توان گفت چدن خاکستری مقاومتی در برابر ضربه و شوک ندارد [۱] .

خواص برخی از چدن‌های خاکستری

خواص مکانیکی گروه‌های ASTM A48 از چدن‌های خاکستری ورقه‌ای یا لایه‌ای در جدول زیر ارائه شده است [۱] .

خواص مکانیکی گروه‌های ASTM A48 [1] .

گروه	استحکام کششی (ksi)	استحکام فشاری (ksi)	مدول کششی (E) (Mpsi)
۲۰	۲۲	۸۳	۱۰
۳۰	۳۱	۱۰۹	۱۴
۴۰	۵۷	۱۴۰	۱۸
۶۰	۶۲.۵	۱۸۷.۵	۲۱

خواص چدن‌های خاکستری گرید SAE J431 در جدول زیر ارائه شده است [۱] .

خواص چدن خاکستری گرید SAE J431 .

گرید	سختی برینل	t/h	توضیحات
G1800	۱۲۰-۱۸۷	۱۳۵	فریتی – پرلیتی
G2500	۱۷۰-۲۲۹	۱۳۵	پرلیتی – فریتی
G3000	۱۸۷-۲۴۱	۱۵۰	پرلیتی
G3500	۲۰۷-۲۵۵	۱۶۵	پرلیتی
G4000	۲۱۷-۲۶۹	۱۷۵	پرلیتی

t/h= tensile strength/hardness

چدن خاکستری از ظرفیت میرایی یا قابلیت جذب ارتعاش بسیار خوبی برخوردار است ؛ از این رو اغلب بعنوان پایه نصب در ابزارهای ماشینی ( مته و غیره ) مورد استفاده قرار می‌گیرد [۱] .

چدن خاکستری همچنین برای موقعیت‌هایی که سختی قطعه از مقاومت کششی آن مهم‌تر است مانند قطعات سیلندر موتور احتراق داخلی ، محفظه پمپ ، بدنه شیر ، جعبه‌های لوازم برقی و ریخته گری قطعات تزئینی استفاده می‌شود [۱] .

چدنهای خاکستری ورقه ای یا لایه ای یکی از آلیاژهای مهندسی رایج هستند که بدلیل وجود ریز ساختار گرافیتی از قابلیت ماشینکاری ، خاصیت میرایی ، مقاومت در برابر جوش سرد و سایش بالایی برخوردارند . این مواد بدلیل وجود گرافیت‌های لایه‌ای بسیار ترد و شکننده هستند ؛ چرا که این نوع از گرافیت‌ها ( نوک تیز ) باعث ایجاد تمرکز تنش در آن‌ها می‌شوند .

منع

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