خانه » مقالات » ریخته‌گری چدن سفید — راهنمای جامع فنی، کاربردی و عملی برای تولیدکنندگان و مهندسان

مهر 17, 1404

ریخته‌گری چدن سفید — راهنمای جامع فنی، کاربردی و عملی برای تولیدکنندگان و مهندسان

مقدمه

چرا چدن سفید اهمیت دارد؟

چدن سفید (White Cast Iron) یکی از شاخه‌های مهم و پراستفاده در صنعت ریخته‌گری است که به خاطر سختی و مقاومت یکپارچهٔ بسیار بالا در برابر سایش و سایش ساینده، در کاربردهای پرتأثیر و پوشش‌های مقاوم به سایش نقش حیاتی دارد. برخلاف چدن خاکستری که کربن به‌صورت گرافیت آزاد تشکیل می‌شود، در چدن سفید کربن عمدتاً به‌صورت کاربیدها (سمنتیت و ساختار لبدبوریتی) حضور دارد که سطح شکستگاه آن را سفید و براق می‌سازد. این ساختار باعث می‌شود چدن سفید سخت و مقاوم به سایش باشد اما هم‌زمان ترد و شکننده شود؛ بنابراین کاربرد آن بیشتر در قطعاتی است که نیاز به مقاومت به سایش دارند ولی بار ضربه‌ای یا خمش زیاد به آن‌ها وارد نمی‌شود. در این مقاله مرحله‌به‌مرحله فرآیند تولید، کنترل کیفیت، روش‌های کاهش عیوب، عملیات حرارتی منتخب و نکات طراحی و نگهداری مرتبط با چدن سفید را بررسی می‌کنیم تا تولیدکنندگان و مهندسین بهره‌برداری بتوانند انتخاب‌های فنی و اقتصادی مناسبی اتخاذ کنند.

بخش 1

تعریف فنی و انواع چدن سفید

چدن سفید به‌عنوان گروهی از چدن‌ها تعریف می‌شود که در آن ساختار سطحی و حجم داخلی عمدتاً شامل کاربیدها (Fe3C یا سمنتیت) و ماتریسی ترد است. برحسب سرعت انجماد، ترکیب شیمیایی و پردازش پس از انجماد، چدن سفید می‌تواند در انواع مختلفی تولید شود: چدن سفید آستنیتی/لبدبوریتی، چدن سفید پِرلیتیک، و آلیاژهای چدن سفید با کروم یا نیکل بالا. همچنین چدن سفید پایه برای تولید چدن مالیبل (Malleable Iron) به‌کار می‌رود؛ در این روند، چدن سفید با عملیات آنیلینگ بلندمدت تبدیل به ساختاری می‌شود که گرافیت پرلتی یا نواری در آن تشکیل شده و خواص چقرمه‌تری ارائه می‌دهد. در جمع‌بندی، چدن سفید را براساس میزان کربن آزاد، درصد عناصر آلیاژی و نوع ساختار کاربیدی می‌توان طبقه‌بندی کرد و هر کلاس کاربرد و محدودیت‌های خود را دارد.

بخش 2

ریزساختار و مبانی متالورژیکی

ریزه‌‌ساختار چدن سفید عمدتاً از لبدبوریت، کاربیدهای سخت و زمینه‌ای با درصدهای متفاوت تشکیل شده است. لبدبوریت ساختاری مرکب است که شامل فازهای کاربیدی و زمینهٔ فلزی است و به‌طور معمول در چدن سفید نرمال دیده می‌شود. افزایش درصد عناصر مثل کروم، مولیبدن و وانادیوم تمایل به تشکیل کاربیدهای مقاوم‌تر به سایش دارد. سرعت سرد شدن بالا موجب می‌شود که کربن فرصت تبدیل به گرافیت نداشته باشد و به‌جای آن به‌صورت کاربید تثبیت شود؛ این نکته پایهٔ ایجاد چدن سفید است. میکروساختار چدن سفید باید از نظر اندازه کاربید، توزیع و انسجام متالوژیکی کنترل شود زیرا کوچک شدن کاربیدها و توزیع یکنواخت آن‌ها می‌تواند رفتار شکست را بهبود بخشد، هرچند ماهیت تردی ذاتی حفظ می‌شود.

بخش 3

ترکیب شیمیایی و نقش عناصر آلیاژی

ترکیب شیمیایی چدن سفید بر رفتار کاربیدسازی و خواص نهایی بسیار مؤثر است. کربن و سیلیسیم نقش اساسی در تعادل گرافیت/کاربید دارند؛ سیلیسیم معمولاً گرافیت‌سازی را تقویت می‌کند، اما در چدن سفید کنترل نسبی این عناصر و سرعت سردشدن باعث می‌شود کاربید تثبیت شود. عناصر آلیاژی مانند کروم و مولیبدن به‌طور برجسته برای بالا بردن مقاومت به سایش از طریق تشکیل کاربیدهای مقاوم به کار گرفته می‌شوند. کروم بالا (مثلاً 12–30٪ در چدن‌های کرومی) به‌وجود آوردن فازهای کروم-کاربید را تسهیل می‌کند که پایدار و مقاوم در محیط‌های ساینده‌اند. سایر عناصر مانند سیلیکون، منگنز، نیکل نیز می‌توانند خواص زمینه را تعدیل کنند. کنترل گوگرد و فسفر نیز حیاتی است؛ مقادیر زیاد این ناخالصی‌ها می‌تواند سبب تردی موضعی و مشکلات ریختگی شود.

بخش 4

فرایندهای ذوب و تجهیزات کوره‌ای

چدن سفید معمولاً در کوره‌های القایی (induction furnace) یا کوره‌های الکتریکی قوس ذوب می‌شود که امکان کنترل دقیق دما و ترکیب را فراهم می‌کنند. در خط تولید باید اقدامات تصفیهٔ مذاب مانند حذف سرباره (slag removal)، degassing و تعدیل ترکیب به‌دقت انجام شود. دمای ریختن در چدن سفید اهمیت ویژه دارد؛ دمای خیلی بالا می‌تواند واکنش با ماسه و اکسیداسیون را تشدید و دمای خیلی پایین موجب جریان ناکافی شود و عیوبی مانند cold shut ایجاد کند. برای تولید چدن سفید با کروم بالا، کنترل ورود عناصر آلیاژی و یکنواختی ذوب از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. نگهداری سوابق ذوب (heat numbers) و نمونه‌برداری جهت آنالیز شیمیایی، بخشی از مدیریت کیفیت است.

بخش 5

طراحی قالب و انتخاب مواد قالب (Mold Design)

انتخاب نوع قالب — ماسه‌ای، دائمی یا قالب‌های فلزی — و مواد آن تأثیر مستقیمی بر نرخ سردشدن و الگوی انجماد دارد. برای چدن سفید که نیاز به سردشدن سریع یا کنترل‌شده برای ایجاد ساختار کاربیدی دارد، ماسه‌های با نفوذپذیری مناسب و پوشش‌دهی سطحی استاندارد استفاده می‌شوند. طراحی قالب باید به نحوی باشد که مسیر تغذیه مناسب برای جلوگیری از shrinkage و حفره انقباضی فراهم گردد و همچنین تهویهٔ گازها به‌راحتی انجام شود زیرا نفوذ گاز می‌تواند سبب تخلخل و عیوب سطحی گردد. استفاده از chills موضعی و insulation برای کنترل گرادیان دما در نواحی حساس پیشنهاد می‌شود.

بخش 6

سیستم گِیت و ریزِر (Gating & Risering) برای چدن سفید

طراحی سیستم راهگاهی برای چدن سفید باید هدفمند و با در نظر گرفتن کاهش توربولانس مذاب و جلوگیری از ورود اکسیژن صورت گیرد. جریان آرام و بدون آشفتهٔ مذاب از اهمیت برخوردار است تا از واکنش‌های اکسایشی و تشکیل ناخالصی جلوگیری شود. ریزِرها باید طوری محل‌گذاری شوند که منابع تغذیهٔ کافی برای جبران انقباض در نواحی ضخیم فراهم شود. توجه ویژه‌ای به قرارگیری ریزرها نسبت به نقاط تشکیل کاربید و جهت انجماد دارد تا از تشکیل حفره‌های انقباضی جلوگیری شود. استفاده از شبیه‌سازی انجماد در طراحی گِیت و ریزِر می‌تواند خطاها را پیش از ساخت قالب کاهش دهد.

بخش 7

کنترل رفتار انجماد و نقش سرعت سردشدن

برای دستیابی به ساختار سفید (که مبتنی بر کاربیدهاست) معمولاً نیاز است نرخ سردشدن به‌حدی باشد که کربن به‌صورت کاربید منجمد شود و فرصت تشکیل گرافیت نداشته باشد. در قطعات ضخیم این کار مشکل‌تر است؛ زیرا سرد شدن کندتر است و احتمال تشکیل گرافیت افزایش می‌یابد. برای کنترل این موضوع از chills، عایق‌گذاری موضعی و طرح ریزر مناسب استفاده می‌شود تا الگوی انجماد مطلوب هدایت گردد. همچنین سرعت سردشدن روی اندازهٔ کاربیدها و چسبندگی آن‌ها به زمینه تأثیر دارد؛ کاربیدهای ریزتر و توزیع یکنواخت‌تر عملکرد سایشی بهتر و شکنندگی کمتر را فراهم می‌آورند.

بخش 8

عیوب متداول در ریخته‌گری چدن سفید و علل آنها

عیوب معمول شامل تخلخل گازی، حفره انقباضی، سردشدن ناقص (cold shut)، inclusionها (شامل سرباره یا ماسه)، ترک‌های سرد و hot tear است. علت‌ها متنوع‌اند: نامناسب بودن دمای ریختن، ترکیب ناخالصی در مذاب، طراحی نامناسب گِیت و ریزِر، یا تهویه ناکافی قالب. به‌طور خاص، در چدن سفید، مشکلاتی مانند تشکیل گرافیت محلی یا عدم تشکیل کاربید در بخش‌هایی از قطعه که سردشدن کندتری دارند، دیده می‌شود که می‌تواند خصوصیات سطح و مقاومت سایشی را تضعیف کند. پیشگیری از طریق کنترل مذاب، طراحی قالب هوشمند و پایش فرآیند انجام می‌پذیرد.

بخش 9

روش‌های کنترل کیفیت و آزمون‌های میکروساختاری

کنترل کیفیت چدن سفید الزام به آزمون‌های میکروساختاری، آنالیز شیمیایی و تست‌های مکانیکی دارد. میکروسکوپی نورسنجی و متالوگرافی برای بررسی توزیع کاربیدها، اندازهٔ آن‌ها و وجود فازهای ناخواسته ضروری است. همچنین آزمون‌های سختی (برینل یا راکول) برای تعیین مقاومت سطح و یکنواختی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در قطعات بحرانی، تست‌های رادیوگرافی یا التراسونیک برای تشخیص عیوب داخلی مانند حفره انقباضی توصیه می‌شود. نمونه‌برداری از هر عدد کوره و ثبت داده‌ها برای ردیابی و تحلیل ضرروی است.

بخش 10

عملیات حرارتی مخصوص چدن سفید و کاربردها

چدن سفید را به‌طور معمول برای حفظ ساختار سخت آن بدون عملیات حرارتی پس از ریختن به‌کار می‌برند؛ با این حال در مواردی عملیات حرارتی جهت تعدیل تنش‌ها یا تبدیل به چدن مالیبل انجام می‌شود. فرآیند تبدیل چدن سفید به چدن مالیبل (mal leabilization) شامل آنیلینگ طولانی‌مدت در دماهای حدود 700–900 درجه سانتی گراد و نگهداری طولانی برای تفکیک کاربیدها و تشکیل گرافیت کروی یا پرلاتی است. همچنین برای برخی آلیاژهای چدن سفید کرومی از عملیات رسوب‌دهی یا تمپرینگ سطحی برای بهینه‌سازی مقاومت به سایش استفاده می‌شود. انتخاب عملیات حرارتی باید با توجه به هدف نهایی — حفظ سختی سطحی یا تولید قطعات قابل شکل‌پذیری بیشتر — انجام شود.

بخش 11

تولید چدن سفید کروم‌دار (High-Chrome White Iron)

یکی از شاخه‌های پراهمیت چدن سفید، چدن سفید با درصد بالای کروم است که برای کاربردهای سایشی شدید استفاده می‌شود. کروم باعث تشکیل کروم-کاربیدهای مقاوم به سایش می‌شود که در برابر سایش ساینده و چسبنده عملکرد برجسته‌ای دارند. تولید این آلیاژ نیازمند کنترل دقیق ترکیب و دمای ریختن است تا از جدایش عناصر جلوگیری شود. همچنین ریزساختار کرومی تمایل به شکنندگی دارد؛ بنابراین طراحی قطعه و پشتیبانی مکانیکی باید برای جلوگیری از شکست‌های شکننده در نظر گرفته شود.

بخش 12

کاربردهای صنعتی چدن سفید

چدن سفید به‌علت مقاومت بالا در برابر سایش در صنایع معدنی و سیمان، آسیاب‌ها، نوار نقاله‌ها، پوسته‌های پمپ‌های دوغاب، آسترها، دنده‌های مقاوم به سایش و قطعات خردکن و آسیاب کاربرد گسترده دارد. برای مثال در هیدروکن‌ها و سنگ‌شکن‌ها، قطعاتی که در تماس مستقیم با ذرات ساینده هستند اغلب از چدن سفید یا چدن سفید کروم‌دار ساخته می‌شوند. همچنین به‌عنوان لاینر و کاور برای حفاظت از بدنه‌های فلزی در خطوط انتقال مواد ساینده کاربرد فراوان دارد.

بخش 13

ماشین‌کاری و چالش‌های تولیدی

ماشین‌کاری چدن سفید به دلیل سختی بالا و حضور کاربیدها دشوار است. ابزارهای کاربید تنگستن با پوشش‌های مناسب، و پارامترهای برش کندتر و با پیشروی کم مورد نیاز‌اند. قالب‌ریزی دقیق و کاهش دقت ماشین‌کاری بعد از ریختن می‌تواند هزینهٔ براده‌برداری را کاهش دهد. برای کاهش سایش ابزار، روش‌هایی مانند پرداخت شیمیایی، شات‌بلاست یا جایگزینی قطعات ماشین‌کاری‌شده با قطعات تکمیل‌شده نیز به کار می‌روند. در طراحی باید allowance ماشین‌کاری را حداقل نگه داشت و در صورت امکان نقاط ماشین‌کاری را در نواحی کم‌شدت سایش قرار داد.

بخش 14

جوشکاری و بازسازی قطعات چدن سفید

جوشکاری چدن سفید به‌دلیل سختی و محتوای کاربیدی بالا حساس و مشکل‌زا است؛ گرادیان حرارتیِ پس از جوش امکان ایجاد ترک‌های حرارتی را افزایش می‌دهد. برای بازسازی معمولاً از روش‌هایی مانند preheating (پیش‌گرم) و پس‌گرم کنترل‌شده، انتخاب فیلر متناسب (معمولاً فیلرهای مخصوص چدن یا فلزات سازگار) و تکنیک‌های جوش سرد/الکترودهای خاص استفاده می‌شود. در مواردی که بازسازی باعث کاهش مقاومت سطحی می‌شود، می‌توان پس از تعمیر پوشش سخت یا تعویض موضعی را در نظر گرفت. برخی تعمیرها ممکن است اقتصادی نباشند و تعویض قطعه گزینهٔ مناسب‌تری باشد.

بخش 15

تست‌های پوشش و پوشش‌دهی برای افزایش دوام

برای بهبود عملکرد قطعات چدن سفید در شرایط خوردگی یا جهت افزایش مقاومت سطحی در برابر سایش، از روش‌های پوشش‌دهی مانند کروم‌دهی (hard chrome plating)، پوشش‌های سرامیکی، یا لایه‌نشانی حرارتی (thermal spray) استفاده می‌شود. این پوشش‌ها می‌توانند عمر سرویس را به‌طور چشمگیری افزایش دهند اما نیاز به آماده‌سازی سطح، کنترل ضخامت و چسبندگی و بررسی اثر دماهای سرویس بر پوشش دارند. انتخاب نوع پوشش باید بر اساس نوع ساینده، شرایط محیطی و هزینه صورت گیرد.

بخش 16

بازرسی و نگهداری در سرویس (Inspection & Maintenance)

چون چدن سفید شکننده است، بازدیدهای دوره‌ای برای شناسایی نشانه‌های ترک یا خوردگی موضعی ضروری‌اند. روش‌های معمول شامل بازرسی چشمی، بررسی ضخامت با ابزارهای التراسونیک، و در صورت نیاز تست‌های غیرمخرب مانند MT یا UT برای بررسی ترک‌های داخلی است. برای تجهیزات با تماس مستقیم با مواد ساینده، برنامهٔ زمان‌بندی تعویض یا چرخشی قطعات پوششی می‌تواند از خرابی ناگهانی جلوگیری کند. ثبت داده‌های سرویس و تحلیل روند سایش به برنامه‌ریزی نگهداری پیشگیرانه کمک می‌کند.

بخش 17

الزامات ایمنی و زیست‌محیطی در تولید چدن سفید

تولید چدن سفید، به‌ویژه در مرحله ذوب و افزودنی‌های آلیاژی، خطرات ایمنی خاصی دارد: بخارات فلزی، گرد و غبار سرباره و بخارات هنگام افزودن برخی عناصر مانند کروم. استفاده از سیستم‌های تهویه محلی، فیلترهای ذرات، PPE مناسب و مدیریت پسماند سرباره از الزامات محیطی و ایمنی است. همچنین هنگام جوشکاری و عملیات حرارتی باید مراقبت از انتشار دود و گازها و تبعات زیست‌محیطی رعایت شود.

بخش 18

طراحی برای ریخته‌گری (Design for Casting — DfC)

طراحی قطعاتی که قرار است از چدن سفید ساخته شوند باید با تمرکز بر کاهش تمرکز تنش و حداقل کردن تغییرات ضخامت ناگهانی انجام شود. گوشه‌های تیز، تغییرات ناگهانی بخش‌ها و نواحی با نسبت ضخامت بالا می‌تواند موجب hot tear و ترک شود. بهتر است مسیر انجماد و محل ریزرها در مرحله طراحی مشخص شود و در نظر گرفتن نقاط دسترسی جهت تعمیر یا پوشش‌دهی نیز کمک خواهد کرد. استفاده از شبیه‌سازی‌های ریخته‌گری برای پیش‌بینی مشکلات انجماد و عیوب بسیار مفید است.

بخش 19

مقایسه اقتصادی: چدن سفید در برابر سایر گزینه‌ها

از منظر هزینه، چدن سفید معمولاً مقرون‌به‌صرفه برای قطعات سایشی نسبت به فولاد ابزار یا قطعات سخت‌کاری شده است. هزینهٔ اولیهٔ مواد و تولید پایین‌تر و عمر مفید بالای در مواجهه با سایش می‌تواند هزینه چرخه عمر را کاهش دهد. با این حال در مواردی که بار ضربه‌ای یا خمش بالا وجود دارد، هزینه‌های تعمیر و تعویض ناشی از شکست ممکن است اقتصادی نباشد؛ در این موارد باید با آنالیز LCC تصمیم‌گیری شود که آیا استفاده از چدن سفید یا مواد دیگر اقتصادی‌تر است.

بخش 20

مطالعات موردی (Case Study 1: لاینر سنگ‌شکن)

در یک معدن شن و ماسه، لاینرهای سنگ‌شکن که در تماس دائمی با سنگ‌های ساینده بودند از جنس چدن سفید کروم‌دار تولید شدند. طراحی لاینر با توجه به مسیر انجماد و توزیع کاربید انجام شد و پس از ریختن، آزمون‌های سختی و میکروساختار نشان داد توزیع کاربید یکنواخت است. این قطعات در مقایسه با لاینرهای فولادی سخت‌کاری‌شده، عمر سرویس دو تا سه برابر بیشتر داشتند و هزینهٔ چرخه عمر به‌طور محسوسی کاهش یافت. درس مهم: توجه به ترکیب و کنترل انجماد می‌تواند هزینه‌های عملیاتی را کاهش دهد.

بخش 21

مطالعات موردی (Case Study 2: پوسته پمپ دوغاب)

یک کارخانهٔ فرآوری مواد معدنی برای پوستهٔ پمپ دوغاب از چدن سفید با کروم متوسط استفاده کرد؛ با طراحی مناسب و پوشش داخلی سرامیکی، پمپ برای مدت طولانی تری بدون نیاز به تعمیر کار کرد. در این نمونه، رعایت نکات طراحی برای کاهش تمرکز تنش و انتخاب پوشش مناسب برای جلوگیری از ترک‌های سطحی از عوامل موفقیت بود. نتیجه نشان داد که ترکیب چدن سفید به‌همراه پوشش مناسب می‌تواند راه‌حل سازگار و اقتصادی برای کاربردهای دوغابی باشد.

بخش 22

سفارش و مشخصات فنی نمونه (Specification Guidance)

در سند سفارش برای قطعات چدن سفید باید مواردی مانند ترکیب شیمیایی هدف و محدوده مجاز، دمای ریختن، نوع قالب و پوشش، الزامات سختی سطحی و میکروساختاری، حداقل الزامات NDT (مثلاً RT یا UT برای قطعات بحرانی)، و الزامات بسته‌بندی و ردیابی (heat number) قید گردد. همچنین جدول پذیرش عیوب سطحی و داخلی، شرایط پذیرش یا رد قطعات، و الزامات تعمیر یا تعویض باید شفاف بیان شوند تا تفاهم بین خریدار و تولیدکننده برقرار شود.

بخش 23

پرسش و پاسخ (FAQ) دربارهٔ چدن سفید

س: «چدن سفید چرا سفید است؟»
ج: در چدن سفید کربن عمدتاً به‌صورت کاربید (سمنتیت) بوده و نه گرافیت؛ سطح شکستگاه به‌دلیل حضور کاربید براق و سفید به‌نظر می‌رسد.

س: «آیا چدن سفید قابلیت ماشین‌کاری دارد؟»
ج: به‌خاطر سختی بالا و وجود کاربیدها، ماشین‌کاری دشوار است و معمولاً نیاز به ابزارهای سخت‌کار و پارامترهای برش خاص دارد.

س: «آیا می‌توان چدن سفید را جوش داد؟»
ج: جوشکاری ممکن است اما دشوار است؛ نیاز به پیش‌گرم، پس‌گرم، فیلر مناسب و عملیات حرارتی پس از جوش دارد.

س: «چه تفاوتی بین چدن سفید و کروم دار وجود دارد؟»
ج: کروم‌دار نوعی چدن سفید است که درصد بالای کروم باعث تشکیل کاربیدهای کرومی بسیار مقاوم به سایش می‌شود.

س: «چگونه از تردی قطعات جلوگیری کنیم؟»
ج: طراحی صحیح، کنترل ریزساختار کاربیدی، افزودن عناصر مناسب و در برخی موارد عملیات پس از ریختن یا پوشش‌دهی می‌تواند ریسک شکست ترد را کاهش دهد.