The Morphology of Graphite in Cast Irons

1. ‫ها‬ ‫چدن‬ ‫در‬ ‫گرافیت‬ ‫مورفولوژی‬
‫رفیعی‬ ‫ّین‬‫د‬‫ال‬ ‫شهاب‬
‫مواد‬ ‫مهندسی‬ ‫ارشد‬ ‫کارشناسی‬ ‫دانشجوی‬–‫شنا‬ ‫گرایش‬‫سایی‬

2. ‫مطالب‬ ‫سرفصل‬
1-‫چدن‬ ‫تعریف‬ ‫و‬ ‫معرفی‬
2-‫ها‬ ‫چدن‬ ‫بندی‬ ‫دسته‬
3-‫زایی‬ ‫گرافیت‬
4-‫ها‬ ‫چدن‬ ‫در‬ ‫آلیاژی‬ ‫عناصر‬
5-‫مذاب‬ ‫فاز‬ ‫از‬ ‫گرافیت‬ ‫رشد‬

4. ‫چدن‬‫ها‬‫آلیاژهای‬‫آهنی‬‫با‬‫خواص‬‫گوناگون‬‫و‬‫متنوع‬‫اند‬‫که‬‫به‬‫جای‬‫اینکه‬‫در‬‫حالت‬‫جامد‬‫روی‬‫آن‬‫ها‬‫کار‬‫انج‬‫ام‬
‫گیرد‬‫در‬‫حالت‬‫مذاب‬‫به‬‫شکل‬‫دلخواه‬‫به‬‫شکل‬‫دلخواه‬‫ریخته‬‫می‬‫شوند‬.
‫چدن‬‫ها‬‫معموال‬2-4‫درصد‬‫کربن‬‫و‬3-1‫درصد‬‫سیلسیم‬‫دارند‬.
‫کربن‬‫و‬‫سیلیسم‬‫دو‬‫عنصر‬‫آلیاژی‬‫اصلی‬‫و‬‫ثابت‬‫در‬‫چدن‬‫ها‬‫هستند‬.
‫چدن‬‫ها‬‫همچنین‬‫شامل‬،‫گوگرد‬‫منگنز‬‫و‬‫فسفر‬‫هستند‬‫که‬‫این‬‫عناصر‬‫ساختار‬‫و‬‫خواص‬‫آن‬‫ها‬‫را‬‫تحت‬‫ت‬‫اثیر‬
‫قرار‬‫می‬‫دهد‬.

6. ‫چدن‬‫آن‬ ‫ریزساختار‬ ‫در‬ ‫کربن‬ ‫توزیع‬ ‫به‬ ‫توجه‬ ‫با‬ ‫را‬ ‫ها‬‫می‬ ‫بندی‬ ‫دسته‬ ‫اصلی‬ ‫نوع‬ ‫چهار‬ ‫به‬ ‫ها‬‫کنند‬.
‫چدن‬
‫چکش‬
‫خوار‬
‫سفید‬
‫نشکن‬
‫خاکستری‬
‫از‬‫آنجا‬‫که‬‫ترکیب‬‫شیمیایی‬‫چدن‬‫ه‬‫ا‬
‫مشابه‬‫است‬‫امکان‬‫تشخیص‬‫آن‬‫ها‬‫از‬
‫طریق‬‫آنالیز‬‫شیمیایی‬‫وجود‬‫ندارد‬.

8. ‫گرافیت‬‫زایی‬(Graphitization)‫فرآیندی‬‫است‬‫که‬‫در‬‫آن‬‫گرافیت‬‫یا‬‫کربن‬‫آزاد‬‫در‬‫آهن‬‫رسوب‬‫می‬‫کند‬‫یا‬
‫کاربید‬‫آهن‬‫به‬‫آهن‬‫و‬‫کربن‬‫آزاد‬(‫گرافیت‬)‫تجزیه‬‫می‬‫شود‬.
‫به‬‫طور‬‫کلی‬‫گرافیت‬‫زایی‬‫تحت‬‫شرایط‬‫زیر‬‫ایجاد‬‫می‬‫شود‬.‫به‬‫عبارتی‬‫با‬‫برقراری‬‫شرایط‬‫زیر‬‫تشک‬‫یل‬‫گرافیت‬‫به‬
‫جای‬‫سمنتیت‬‫ارجحیت‬‫دارد‬:
1.‫درصد‬‫کربن‬‫باال‬
2.‫درصد‬‫باالی‬‫سایر‬‫عناصر‬‫گرافیت‬‫زا‬
3.‫نگه‬‫داری‬‫طوالنی‬‫مدت‬‫در‬‫دماهای‬‫باال‬‫یا‬‫سرد‬‫کردن‬‫آهسته‬‫در‬‫حین‬‫انجماد‬
4.‫عدم‬‫زا‬ ‫کاربید‬ ‫عناصر‬ ‫حضور‬(Cr, Mo‫و‬)...

9. ‫با‬‫افزایش‬‫درصد‬‫عناصر‬‫گرافیت‬‫زا‬‫که‬‫در‬‫رأس‬‫آن‬‫ها‬‫کربن‬‫و‬‫سیلیسیم‬‫ه‬‫ستند‬
‫سیستم‬‫ترغیب‬‫به‬‫تشکیل‬‫گرافیت‬‫به‬‫جای‬‫کاربید‬‫خواهد‬‫شد‬.
‫با‬‫افزایش‬‫درصد‬‫کربن‬‫و‬‫سیلیسیم‬‫تشکیل‬‫چدن‬‫خاکستری‬‫نسبت‬‫ب‬‫ه‬‫چدن‬‫سفید‬
‫ارجحیت‬‫می‬‫یابد‬.‫اگر‬‫مقادیر‬‫کربن‬‫و‬‫سیلیسیم‬‫به‬‫کمتر‬‫از‬‫حد‬‫بحرانی‬‫ک‬‫اهش‬‫یابد‬
‫چدن‬‫سفید‬‫تشکیل‬‫می‬‫شود‬.

10. ‫واکنش‬ ‫آزاد‬ ‫انرژی‬(ൗ𝒋
𝒎𝒐𝒍)‫دمای‬ ‫در‬
1530
‫واکنش‬
637-𝐶𝑒 + ൗ3
4 𝑂2 ↔ ൗ1
2 𝐶𝑒2 𝑂2
571-𝐿𝑎 + ൗ3
4 𝑂2 ↔ ൗ1
2 𝐿𝑎2 𝑂3
360-𝑀𝑔 + ൗ1
2 𝑂2 ↔ 𝑀𝑔𝑂
356-𝐶𝑎 + ൗ1
2 𝑆2 ↔ 𝐶𝑎𝑆
435-𝐶𝑎 + ൗ1
2 𝑂2 ↔ 𝐶𝑎𝑂
360-𝑀𝑔 + ൗ1
2 𝑂2 ↔ 𝑀𝑔𝑂
352-𝐶𝑒 + ൗ1
2 𝑆2 ↔ 𝐶𝑒𝑆
330-𝐿𝑎 + ൗ1
2 𝑆2 ↔ 𝐿𝑎𝑆
189-𝑀𝑔 + ൗ1
2 𝑆2 ↔ 𝑀𝑔𝑆

12. ‫کربن‬‫و‬‫سیلیسیم‬‫مهمترین‬‫عناصر‬‫آلیاژی‬‫در‬‫چدن‬
‫خاکستری‬‫اند‬‫مهمترین‬‫عامل‬‫در‬‫تشویق‬‫گرافیت‬‫زایی‬
‫هستند‬.
‫سیلیسیم‬‫باعث‬‫افزایش‬‫اکتیویته‬‫ی‬‫ترمودینامیک‬‫ی‬‫کربن‬
‫میشود‬‫و‬‫سد‬‫انرژی‬‫الزم‬‫برای‬‫رشد‬‫گرافیت‬‫را‬‫می‬‫توان‬‫ب‬‫ا‬
‫افزودن‬‫سیلیسیم‬‫کاهش‬‫داد‬.
‫سیلیسیم‬‫بر‬‫میزان‬‫کربن‬‫معادل‬‫اثر‬‫می‬‫گذارد‬.‫بنابر‬‫این‬‫هرچه‬
‫میزان‬‫سیلیسیم‬‫افزایش‬‫یابد‬‫تعداد‬‫کره‬‫های‬‫گرافیت‬‫نیز‬
‫افزایش‬‫می‬‫یابد‬.
1
2
3

13. ‫اضافه‬‫کردن‬‫آلومینیوم‬‫با‬‫ایجاد‬‫تغییرات‬‫اساسی‬‫در‬‫دیاگرام‬‫آهن‬‫کربن‬‫ب‬‫اعث‬‫بهبود‬
‫ایجاد‬‫گرافیت‬‫در‬‫تحول‬‫یوتکتیک‬‫می‬‫شود‬.
‫افزایش‬‫میزان‬‫آلومینیوم‬‫باعث‬‫افزایش‬‫تعداد‬‫کلوخه‬‫های‬‫گرافیت‬‫و‬‫ک‬‫اهش‬
‫اندازه‬‫آن‬‫ها‬‫می‬‫شود‬.
‫جوانه‬‫زاها‬‫در‬‫هنگام‬‫حضور‬‫آلومینیوم‬‫بهتر‬‫عمل‬‫می‬‫کنند‬‫و‬‫همچنین‬‫چدن‬‫های‬‫ح‬‫اوی‬
‫آلومینیوم‬‫تعداد‬‫دانه‬‫های‬‫گرافیت‬‫بیشتری‬‫نسبت‬‫به‬‫چدن‬‫های‬‫حاوی‬‫سی‬‫لیسیم‬
‫دارند‬.

14. ‫ریزساختار‬‫نمونه‬‫های‬‫کوئنچ‬‫شده‬‫در‬
‫قالب‬‫دائمی‬‫بالفاصله‬‫بعد‬‫از‬‫پولیش‬
‫شامل‬:
(‫الف‬)0/84‫درصد‬‫آلومینیوم؛‬
(‫ب‬)4/88‫درصد‬‫آلومینیوم؛‬
(‫د‬)6/16‫درصد‬‫آلومینیوم‬

15. ‫درصد‬
Al
‫کرویت‬ ‫درصد‬
‫قطر‬‫میانگین‬
‫ها‬ ‫کلوخه‬
‫دانه‬ ‫تعداد‬‫در‬ ‫ها‬
‫میلیمتر‬ ‫هر‬
‫مربع‬
‫ماسه‬‫دائمی‬‫ماسه‬‫دائمی‬‫ماسه‬‫دائمی‬
0/4889/1396/112/39/14134209
4/888594/13118/8211274
6/1681/39310/67/6161227

17. ‫سرعت‬‫رشد‬‫در‬‫هریک‬‫از‬‫این‬‫حاالت‬‫می‬‫تواند‬‫توسط‬‫عوامل‬‫زیر‬‫تعیین‬‫شود‬:
1-‫میزان‬‫تحرک‬‫فصل‬‫مشترک‬
2-‫نیروی‬‫محرکه‬‫ی‬‫ایجاد‬‫شده‬(‫می‬‫تواند‬‫ناشی‬‫از‬‫تحت‬‫انجماد‬‫و‬‫یا‬‫میزان‬‫غلظت‬‫باشد‬)

18. ‫تحرک‬‫فصل‬‫مشترک‬‫در‬‫حین‬‫انجماد‬‫توسط‬‫مکانیزم‬‫رشد‬‫کریستال‬‫تعیین‬‫می‬‫شود‬.‫فصل‬‫مشتر‬‫ک‬‫هایی‬‫که‬‫در‬
‫مقیاس‬‫اتمی‬‫خشن‬‫هستند‬‫مکانیزم‬‫رشد‬‫آن‬‫ها‬‫به‬‫صورت‬‫پیوسته‬‫است‬.‫این‬‫فصل‬‫مشترک‬‫ها‬‫در‬‫ت‬‫حت‬‫انجماد‬‫کم‬
‫دارای‬‫سرعت‬‫رشد‬‫باال‬‫هستند‬.‫رشد‬‫آستنیت‬‫و‬‫سمنتیت‬ً‫ا‬‫عمدت‬‫به‬‫صورت‬‫پیوسته‬‫می‬‫باشد‬.
‫در‬‫فصل‬‫مشترک‬‫هایی‬‫که‬‫در‬‫مقیاس‬‫اتمی‬‫صاف‬،‫هستند‬‫مانند‬‫گرافیت‬‫خالص‬‫و‬‫در‬‫شرایطی‬‫که‬‫مذاب‬‫عاری‬‫از‬
‫ناخالصی‬،‫باشد‬‫رشد‬‫جانبی‬(‫رشد‬‫هموار‬)‫باعث‬‫ایجاد‬‫یک‬‫فصل‬‫مشترک‬‫صاف‬‫می‬‫شود‬‫و‬‫معموال‬‫سرعت‬‫این‬
‫رشد‬‫پایین‬‫است‬.‫پس‬‫بنابراین‬‫در‬‫نوع‬‫فصل‬‫مشترک‬‫برای‬‫سرعت‬‫رشد‬‫زیاد‬‫نیازمند‬‫تحت‬‫انجماد‬‫های‬‫بیشتر‬
‫هستیم‬.

19. ‫ثابت‬‫شده‬‫است‬‫که‬‫ناخالصی‬‫ها‬‫حتی‬‫در‬‫مقادیر‬‫بسیار‬،‫کم‬‫تاثیر‬‫بسیار‬‫زیادی‬‫بر‬‫ت‬‫حرک‬‫فصل‬
‫مشترک‬‫دارند‬.
‫برای‬‫مثال‬‫در‬‫یکی‬‫از‬‫این‬،‫موارد‬‫ناخالصی‬‫ها‬‫با‬‫تشکیل‬‫پیوند‬‫های‬‫قوی‬‫در‬‫سطح‬‫کریست‬‫الی‬‫عناصر‬
،‫میزبان‬‫مکانهای‬‫مناسبی‬‫را‬‫برای‬‫جوانه‬‫زنی‬‫الیه‬‫های‬‫جدید‬‫فراهم‬‫می‬‫کنند‬‫که‬‫این‬‫نوع‬‫نا‬،‫خالصی‬
‫ناخالصی‬‫نظم‬‫دهنده‬‫نامیده‬‫می‬‫شود‬.
‫تاثیر‬‫سایر‬‫ناخالصی‬‫ها‬‫نیز‬‫در‬‫شکل‬‫نمایش‬‫داده‬‫شده‬‫است‬.
‫ها‬ ‫ناخالصی‬:

22. ‫سرعت‬‫رشد‬‫پیش‬‫بینی‬‫شده‬‫به‬‫عنوان‬‫تابعی‬‫از‬‫فصل‬‫مشترک‬‫برای‬‫آس‬،‫تنیت‬
،‫سمنتیت‬‫و‬‫گرافیت‬‫رشته‬‫ای‬‫در‬‫این‬‫شکل‬‫نشان‬‫داده‬‫شده‬‫است‬.‫همانطور‬‫ک‬‫ه‬
‫مشهود‬‫است‬‫گرافیت‬‫رشته‬‫ای‬‫دارای‬‫فصل‬‫مشترک‬‫با‬‫تحرک‬‫باالست‬‫که‬‫این‬‫ناشی‬
‫از‬‫اثر‬‫ناخالصی‬‫هاست‬.