لوله‌های چدنی و کاربرد استفاده از چدن خاکستری در آن
به قلم: مهران نژادمنساری و علی حلاجان
مقدمه
همانطور که می‌دانیم چدن ها گروهی از آلیاژهای آهنی با درصد کربن بیش از ۲.۱۴ درصد وزنی هستند که در محدوده دمایی ۱۱۵۰ و ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد ذوب شده و ریخته گری می‌شوند که نسبت به دمای ذوب آهن خالص (۱۵۳۸ درجه سانتی‌گراد) پایین‌تر و مناسب‌تر می‌باشد. امروزه انواع مختلفی از چدن‌ها از قبیل چدن خاکستری، مالیبیل، داکتایل و سفید در کاربردهای مختلفی به کار گرفته می‌شوند.
یکی از کابردهای مهم استفاده از چدن که باوجود گذشت زمانی که شاید از یک سده نیز فراتر رود و همچنین تولید مواد به نسبت جدیدتری از قبیل پلیمرها، تولید لوله‌های چدنی است.
در اغلب موارد از چدن خاکستری در لوله‌های چدنی مورد استفاده قرار می‌گیرد که البته چدن خاکستری از جمله پراستفاده ترین و رایج‌ترین چدن‌ها است. این چدن دارای حدود ۱.۷ تا ۴٪ کربن و حدود ۳٪ سیلیسیم است. قیمت کمتر این نوع چدن و خواص ویژه آن سبب شده که استفاده بسیاری از آن شود.
یکی از روش‌های متداول تولید لوله‌های چدنی، فرایند ریخته‌گری سانتریفیوژ است که ابتدا به آن می‌پردازیم و سپس به سراغ نحوه تشکیل چدن خاکستری می‌رویم. در انتها نیز در مورد کاربردها و خواص مختلفی از چدن خاکستری و دلیل مناسب بودن استفاده از این نوع چدن در ساخت لوله‌های چدنی خواهیم پرداخت.
فرایند ریخته‌گری سانتریفیوژ
برای ساخت لوله‌های چدنی می‌توان از روش ریخته‌گری سانتریفیوژ استفاده کرد. به این ترتیب که فرایند انجماد به صورت جهت‌دار اتفاق می‌افتد و ابتدا از لایه‌های بیرونی شروع به سرد شدن می‌کند. قالب‌هایی که ماده مذاب به آن وارد می‌شود می‌تواند چند لایه باشد که با کمک آن می‌توان میزان دمای آن و تولید بهینه آن را کنترل کرد.
در ابتدا ماده مذاب در محفظه‌ای پیش‌گرم شده ریخته می‌شود که با چرخش ماده مذاب آن را به شکل رشته در می‌آورد. این رشته می‌تواند هم در جهت افقی و هم در جهت عمودی به سبب گریز از مرکز بچرخد. عمودی یا افقی بودن جهت آن بنا به شکل قطعه مورد نظر تعیین می‌شود. ماده‌ای که چگالی بیشتری دارد به سمت جداره قالب حرکت می‌کند و مواد با چگالی کمتر که شامل ناخالصی می‌باشد به قسمت‌های درونی‌تر می‌روند. پس از انجماد جهت‌دار برای حذف ناخالصی‌ها و نیز حباب‌های گاز که احیانا در سطح داخلی یا خارجی ایجاد شده اند، آن را ماشین‌کاری می‌کنند.
به علاوه اگر از ریخته‌گری سانتریفیوژ که با شرایط محدود کردن هوا و اکسیژن و نزدیک به شرایط خلا است (vacuum centrifugal casting) استفاده شود، می‌تواند سبب بهبود کیفیت و خواص قطعه مورد نظر شود.
فرایند تشکیل چدن خاکستری
در چدن خاکستری که کربن به صورت ورقه‌ای رسوب می‌کند باید به سه پارامتر اندازه گرافیت، شکل گرافیت و نحوه توزیع و سه عامل تعیین کننده این پارامترها یعنی ترکیب شیمیایی، سرعت سرد شدن و جوانه زنی چدن توجه کرد.
چدن خاکستری دارای فازهای فریت، پرلیت، سمنتیت و آستنیت می باشد.
گرافیت موجود در چدن بر اساس استاندارد ASTM (American Society for Testing and Materials) به ۵ صورت A و B و C و D و E می باشد.گرافیت نوع A هنگامی به وجود می‌آید که عملیات جوانه زنی به خوبی انجام شده باشد و سرعت سرد کردن پایین باشد. به طور کلی بهترین گرافیت در چدن خاکستری است. گرافیت نوع B هنگامی به وجود می‌آید که سرعت سرد کردن بالا باشد و جوانه زنی به خوبی انجام نشده باشد. گرافیت نوع B خواص مکانیکی نامطلوبی دارد. گرافیت نوع C در اثر تجزیه سمنتیت به وجود می‌آید و دارای خواص مکانیکی ضعیف اما دارای خواص حرارتی و الکتریکی خوبی است. گرافیت نوع D و C هر دو از طریق سرعت بالا سرد کردن و جوانه زنی نامناسب شکل می‌گیرند با این تفاوت که گرافیت نوع D از نوع C ریزتر است و مقدار گوگرد در آن بسیار کم است.
در ابتدا باید ترکیب شیمیایی چدن را کنترل کرد. با افزایش هیدروژن در چدن، عمق سفیدی قطعه افزایش پیدا می‌کند (به عبارتی درون قطعه حفرات گازی تشکیل می‌شود) که این پدید ناخوشایند است و مقاومت به ضربه در چدن کاهش پیدا می‌کند. هیدروژن از هوای محیط وارد مذاب می‌شود و با افزایش آلومینیوم میزان انحلال آن افزایش پیدا می‌کند.
نیتروژن درون هوای محیط در مقدار کم باعث افزایش خواص مکانیکی و در مقدار زیاد سبب کاهش خواص مکانیکی می‌شود. عموما سعی می‌شود میزان نیتروژن در مذاب چدن را بین ۰.۰۰۴٪ و ۰.۰۱۵٪ نگه دارند.
منشا آلومینیوم درون مذاب چدن، قراضه‌های فولادی می‌باشد. میزان آلومینیوم نباید بیشتر از ۰.۰۰۴٪ شود چون با افزایش انحلال هیدروژن حفرات گازی درون چدن پدید می‌آیند.
منشا گوگرد در چدن زغال‌سنگ، کک، گاز و سوخت‌های فسیلی مایع هستند که کاربیدزای قوی‌ای می‌باشد.
سیلیسیم، نیکل، مس و کروم عناصر گرافیت‌زا هستند که اصولا نیکل و کروم با هم استفاده می‌شوند و باعث افزایش استحکام، سختی و مقاومت به سایش می‌شوند. عناصر نیکل، مس و کروم باعث ایجاد پرلت ریز در چدن می‌شود. وجود مولیبدن در چدن باعث کاهش سرعت تبدیل آستنیت به پرلیت می‌شود از همین رو سبب ریز شدن اندازه پرلیت‌ها می‌شود.
منگنز جز عناصر کاربیدزا می‌باشد و تاثیر منفی گوگرد را جبران می‌کند. منگنز در حدود ۱٪ به مذاب اضافه می‌شود و باعث افزایش سختی و مقاومت به خوردگی چدن می‌شود.
بعد از کنترل ترکیب شیمیایی نوبت به گوگردزدایی می‌رسد که از طریق اضافه کردن مواد گوگرد زدا در کف پاتیل و ریختن مذاب روی مواد یا مواد گوگردزدا را به صورت پودر به همراه گازهای خنثی مانند نیتروژن و آرگون به مذاب اضافه می‌کنند. مرحله بعدی افزایش مواد کربن‌ده مانند گرافیت مصنوعی، گرافیت طبیعی، کک متالورژیکی، کک نفتی کلسینه‌شده و کک نفتی کلسینه‌نشده به مذاب است. دمای کوره هنگام اضافه کردن این مواد باید بین ۱۳۳۰ و ۱۳۴۰ درجه سانتی‌گراد باشد و با تنظیم شعله کوره، یک اتمسفر احیایی به وجود می‌آید. همچنین باید مذاب تلاطم داشته باشد چون مواد کربن‌ده چگالی کمتری نسبت به مذاب دارند و به همین دلیل بر روی آن قرار می‌گیرند. مقدار بیشتر از ۱.۸٪ سیلیسیم باعث کاهش به‌دست‌آمدن کربن می‌شود به همین دلیل درصد آن نباید از حد مجاز عبور کند. در نهایت نوبت به جوانه‌زنی می‌رسد. به اضافه کردن موادی مانند فروسیلیس، سیلیکات کلسیم، زیرکونیوم سیلیساید، تیتانیوم و گرافیت خلوص بالا قبل از تخلیه مذاب در قالب به مذاب چدن اضافه می‌شود. جوانه زنی باعث ریز شدن و توزیع یکنواخت گرافیت می‌شود. همچنین باعث ریزشدن دانه‌های مذاب و کاهش منطقه سفیدشده می‌شود. بدین گونه قابلیت تراشکاری، ماشین‌کاری و خواص مکانیکی چدن افزایش می‌یابد.
روش‌های جوانه‌زنی به صورت زیر می‌باشد: ۱- اضافه کردن مواد جوانه زنی به پاتیل؛ ۲- تزریق از کف با استفاده از گاز خنثی؛ ۳-تزریق مواد جوانه‌زنی با استفاده از لوله‌های گرافیتی؛ ۴- اضافه کردن در ناودان خروجی مذاب در کوره؛ ۵- قرار دادن مواد جوانه‌زنی در سیستم راهگاه و عبور مذاب از روی آن‌ها.
کنترل اثربخشی جوانه زنی با استفاده از ۸ نوع گوه طبق استاندارد ASTMصورت می گیرد.(با نام های A تا H)
در ریخته گری چدن های خاکستری از روش های ریخته گری در قالب های ماسه تر، خشک، پوسته ای، فلزی و استفاده می‌شود. در قالب‌های ماسه‌ایِ تر از آرد و پودر زغال سنگ (برای قطعات کوچک مقدار آن بین ۳٪ تا ۶٪ و در قطعات بزرگ بین ۶٪ تا ۷٪) و چسب استفاده می‌شود. روش ماسه خشک دقیق‌تر از ماسه‌ی تر است و حفرات گازی کمتری به وجود می‌آید.روش به مراتب دقیق‌تر از ماسه خشک است که از ماسه سیلیسی استفاده می‌شود و چسب آن سیلیکات سدیم است.
خواص کلی و کاربرد چدن خاکستری
بر اساس استانداردهای مختلف ASTM که A48 یکی از آنهاست، مقاومت کششی این آلیاژ حدود ۲۰ تا ksi۶۰ می‌باشد. همچنین این آلیاژ در دماهای جاری‌شدن(pouring temperatures) به خوبی جاری می‌شود(good fluidity) که آن را برای ریخته‌گری مناسب می‌سازد که می‌توان به این دلیل محصولاتی در اندازه‌ها و شکل‌های گوناگون تولید کرد. این نوع چدن دارای گرافیت به شکل فلس‌مانند(flake) است و به همین دلیل دارای چقرمگی پایین است و در صورت افزایش تنش به دلیل افزایش تمرکز آن در نوک فلس‌مانند کربن می‌تواند موجب ایجاد ترک و شکست شود. البته نرخ سرد شدن آن نیز می‌تواند تاثیر به‌سزایی روی خواص مکانیکی آن داشته باشد.
باتوجه به ویژگی‌های بیان شده معمولا برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر ضربه‌های ناگهانی است، مورد استفاده قرار نمی‌گیرد بلکه در مواردی که در حالت‌های خنثی یا فشاری از لحاظ تنشی و نیروهای وارد بر آن است مورد استفاده می‌باشد. برای مثال در خط لوله‌ها که که تنش‌های مختلفی (تحت فشار) را تحمل می‌کنند. البته باتوجه به این مسئله که معمولا خط لوله‌ها از زیر زمین می‌گذرند و مواردی مشابه آن، لذا در معرض خوردگی قرار می‌گیرند. اما توجه به این مسئله که گرافیت از ارزش کمتری نسبت به آهن برخوردار است و در حفاظت کاتدی، آهن دچار خوردگی می‌شود. چدن خاکستری در معرض نوع خاصی از خوردگی که به عنوان گرافیت‌زایی (graphitization) شناخته می‌شود، قرار می‌گیرد که این فرایند به شکل انحلال‌سازی انتخابی (selective leaching) اتفاق می‌افتد، به این معنا که گرافیت زمینه آهنی را ترک می‌کند و به کربن در حالت آزاد تبدیل می‌شود و به سمت مرزدانه‌ها مهاجرت می‌کند که تغییر قابل توجهی در ابعاد ایجاد نمی‌کند ولی سبب تغییراتی از قبیل تغییر در مقاومت و برخی خواص مکانیکی آن می‌شود که نتیجه آن می‌تواند ترک و شکست را در پی داشته باشد. اما به طور کلی، در بسیاری از مواردی که از فولادهای کربن‌دار و فولادهای کم‌آلیاژ استفاده می‌شود، چدن خاکستری می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد و حتی از نظر مقاومت به خوردگی نیز بهتر عمل کند.
همچنین این نوع چدن در مواردی که مربوط به خروجی‌های گاز از کوره‌های چوب، زغال سنگ و مبدل گرما و نیز قطعات نظامی است، به کار گرفته می‌شود.
منابع
۲-https://www.metaltek.com/metal-casting/centrifugal-casting/page/2/
۳- iranzob.com
۴- کلیستر؛ ویرایش ۳؛ ترجمه محمدرضا طرقی‌نژاد و حامد عسگری
۵- METALLIC MATERIALS Physical, Mechanical, and Corrosion Properties Philip A. Schweitzer, P. E. Consultant York, Pennsylvania, U.S.A.
