کاربردهای پودر گرافیت در چدن سازی

پودر گرافیت شکلی از ماده طبیعی کربن است. این ماده معدنی بیشتر در سنگ‌های دگرگونی و آذرین یافت می­‌شود. این پودر بسیار نرم است و وزن مخصوص بسیار پایینی دارد. پودر گرافیت در برابر گرما بسیار مقاوم بوده و تقریبا در تماس با هر ماده دیگری بی‌اثر است.

از پودر گرافیت می‌­توان در ساخت انواع چدن­ استفاده کرد. چدن‌ها (Cast Irons) خانواده­ایی از آلیاژهای آهنی هستند که از آهن، کربن (از 11/٪2 تا تقریبا 5/٪4) و سیلیسیم (تا 5/٪3) تشکیل می‌شوند. چدن‌ها معمولا حاوی ۲ تا ٪۴ کربن، 5/0 تا ٪۳ سیلیسیم، کمتر از ٪۱ منگنز و کمتر از 2/0٪ گوگرد هستند.

وجه تمایز چدن‌ها و فولادها، درصد کربن موجود در آن‌هاست به نحوی که، آلیاژ آهن حاوی تا ۲ درصد کربن را فولاد و آلیاژ آهن حاوی ۲ الی 67/6 درصد کربن را چدن می‌نامند. کربن موجود در چدن‌ها به صورت گرافیت در زمینه پراکنده است و این در حالی است که کربن در فولادها به صورت ترکیب بین فلزی سمنتیت (Fe₃C) ظاهر می‌شود و به این دلیل خواص مکانیکی و فیزیکی و شیمیایی فولادها با چدن‌ها متفاوت است.

بیشترین استفاده گرافیت در صنایع تولید فولاد و چدن بوده و می­‌توان گفت کربن عضو جدا نشدنی ساختار فولاد و چدن است که با هر درصدی در مذاب چدن و فولاد، خواص متفاوتی به این مواد القا خواهد کرد. ساختار میکروسکوپی و خواص چدن هم‌چنین متفاوت از فولاد است، همان‌ طور که گفته شد، حین انجماد، کربن اضافی طی واکنش یوتکتیک به صورت فاز پایدار ترمودینامیک گرافیت (چدن خاکستری) و یا فاز ناپایدار سمنانیت (چدن خالدار یا چدن سفید) رسوب می­‌کند.

پودر گرافیت

پودر گرافیت یک ماده طبیعی یا سنتتیک است که با حرارت دادن کک پودری بالاتر از دمای گرافیت‌سازی با برخی تغییرات جزئی ایجاد می‌­شود. پودر گرافیت اکثر اوقات از قراضه­‌های گرافیت الکترودهای غیرقابل استفاده و تراشه­‌های تراشکاری معمولا پس از خرد شدن تهیه می­‌شود. از انواع پودر گرافیت می‌توان به پودرگرافیت چرب، طبیعی، نقره‌­ای، پولکی، کم سولفور، گرانوله و پر سولفور اشاره کرد.

تولید پودر گرافیت به منظور چدن‌سازی

در حال حاضر کیفیت تولید محصولات چدنی به علت استفاده از قالب­‌های ضعیف غیر گرافیتی پایین است که با راه‌­اندازی خطوط گرافیت‌سازی می­‌توان در این صنعت تحول ایجاد کرد.

در زیر انواع گرافیت مورد استفاده در چدن‌­سازی توضیح داده شده است.

گرافیت بر اساس استاندار ASTM به 5 نوع A – B – C – D – E تقسیم می‌شود:

1. گرافیت نوع A: گرافیت‌­های نوع A گرافیت‌­های رشته­‌ای و کشیده­ای هستند که در متالوگرافی قبل از اچ کاری دیده می­‌شود و هنگامی به وجود می‌آید که سرعت سرد کردن پایین و عملیات تلقیح به خوبی انجام شده باشد. این گرافیت بهترین نوع گرافیت در چدن خاکستری بوده و در میان گرافیت‌­ها بیش‌ترین قابلیت جذب ارتعاش را دارد.

2. گرافیت نوع B (گرافیت گل رزی): در مرکز این گرافیت، گرافیت‌های ریزی وجود دارد که به صورت دایره­‌ای شکل رشد کرده‌­اند و هر چه به  سمت بیرون حرکت کرده کشیده­‌گی این گرافیت بیشتر می­‌شود تا در نهایت به گرافیت نوع Aختم می‌­شود. این گرافیت هنگامی به وجود می‌آید که سرعت سردکردن بالا باشد و عملیات تلقیح به خوبی انجام نشده باشد. این گرافیت باعث ایجاد خواص نامطلوب و کاهش خواص مکانیکی می­‌شود.
3. گرافیت نوع C (گرافیت نوع کیش): این نوع گرافیت در چدن­‌های هیپر به وجود می‌­آید و در واقع گرافیت کیش کربنی است که از مذاب جداشده و بر اثر تجزیه سمنتیت به وجود می‌آید و مقاطع درشت به صورت درشت و مقاطع نازک به صورت ستاره‌­ای شکل دیده می­‌شود این نوع گرافیت باعث کاهش خواص مکانیکی شده و کم‌ترین خواص مکانیکی را در بین گرافیت­‌ها دارد؛ اما دارای بیشترین خواص فیزیکی در بین گرافیت­‌ها است. مانند خواص حرارتی و رسانایی خوب.

4. گرافیت نوع D: شکل و ابعاد این نوع گرافیت ریز hsj و خواص چدن را تضعیف می­‌کند و هنگامی به وجود می‌­آید که سرعت سردکردن زیاد بوده و تلقیح مناسب نباشد و همچنین میزان گوگرد کم باشد.

5. گرافیت نوع E: این نوع گرافیت به شکل دندریت است و در لابه لای شبکه­‌های دندریتی رشد می‌­کند و مشابه گرافیت نوع D بوده، اما دارای ابعاد درشت‌تری نسبت به نوع D است. معمولا در شبکه‌­های استنیتی رسوب می‌­کند و هنگامی به وجود می­‌آید که سرعت سرد کردن بالا بوده و تلقیح به خوبی صورت نگیرد.

انواع چدن­ و آثار گرافیت در آن‌­ها

چدن‌­ها جز بزرگترین گروه آلیاژهای ریختگی بوده و براساس شکل گرافیت به انواع گرافیت لایه‌­ای، مالیبل، کروی و فشرده تقسیم بندی می­‌شوند. انواع چدن­ با توجه به نوع گرافیت دارای خواص مختلفی هستند که براین اساس کاربردهای متفاوتی دارند.

چدن‌­های خاکستری ورقه‌­ای: چدن­‌های خاکستری جز مهم‌ترین چدن­‌های مهندسی هستند که کاربردهای زیاد دارند. نام این چدن­‌ها از خصوصیات رنگ خاکستری سطح مقطع شکست آن و شکل گرافیت مشتق می‌­شود، آن­‌ها نسبتا ارزان بوده و تولیدشان آسان است. در صورتی که مقدار سیلیسیم موجود در محصول کوره کوپل زیاد باشد و آن را آهسته سرد کنیم، کربن موجود در ترکیبات آهن (Fe₃C) به صورت گرافیت لایه لایه از آن خارج شده و در لابه لای کریستال‌ها قرار می‌گیرد.

مقدار، اندازه و فرم گرافیت تا حد زیادی به سرعت سرد کردن مذاب بستگی دارد به طور مثال سرد کردن کمتر و اضافه کردن سیلیسیم بیشتر موجب افزایش گرافیت حاصل می­‌شود. هم‌چنین افزایش منگنز و سرعت سرد کردن، باعث کاهش گرافیت می‌­شود. وجود گرافیت در چدن خاکستری، ضریب اصطکاک و ارتعاشات را کاهش داده و قابلیت براده برداری را افزایش می‌دهد. چدن خاکستری در مقابل فشار و فرسودگی مقاوم بوده ولی قابلیت چکش خواری ندارد. وجود 6/2 تا 6/3 درصد کربن در این چدن نیز باعث کاهش نقطه ذوب (تا حدود °C 1250) می‌شود.

چدن با گرافیت کروی یا داکتیل (GGG): چدن داکتیل با نام چدن گرافیت کروی نیز در آمریکا شناخته شده است، دلیل این نام گذاری وجود کربن­‌های آزاد کروی شکل است. برای تولید چدن‌های خاکستری با گرافیت کروی، آلیاژهایی چون نیکل، منیزیم یا سیلیسیم، آهن منیزیم به چدن مذاب اضافه می‌شود.

میزان هر کدام از عناصر تاثیری ویژه در چدن داکتیل خواهند داشت به عنوان مثال سیلیسیوم موجب افزایش استحکام فریت در چدن شده و اگر مقدار آن کم باشد تمایل به تبرید را افزایش داده و در مقاطع نازک کاربیدهای اضافی تشکیل می‌­شود. وجود گرافیت کروی باعث می‌شود که قابلیت انبساط، خم کاری و استحکام در چدن افزایش پیدا کند همچنین این چدن در مقابل حرارت مقاوم بوده و نقطه ذوب آن در حدود °C 1400 است.

چدن مالیبل (تمپرگوس یا چدن چکشخوار GT): روش به دست آوردن چدن مالبیل یا همان چدن چکش‌خوار به این صورت است که ابتدا چدن سفید را تا 900 درجه سانتی گراد حرارت داده سپس با تجزیه کاربید آهن، به کربن و آهن و تبدیل شدن به گرافیت شبه کروی، چدنی چکش خوار با خواص مکانیکی مطلوب به دست می­‌آید.

گرافیت در مالیبل به صورت برفکی بوده و خود به دو نوع عمده تقسیم می­‌شود:

1. چدن مالیبل فریتی: دارای استحکام و انعطاف‌پذیری بالایی است. این ویژگی نتیجه وجود ذرات کروی کربن است که در فرآیند ماشین کاری نقش روان‌ساز را ایفا کرده و قابلیت ماشین کاری را بهبود می‌­بخشد.
2. چدن مالیبل پرلیتی: این نوع چدن شامل گرافیت‌های لایه لایه و به شکل کروی است و عموما نتیجه عملیات آنیل چدن‌های مالبیل با مغز سیاه هستند. چدن‌های پرلیتی نسبت به فریتی دارای استحکام بیشتری بوده ولی انعطاف‌پذیری و چکش خواری آن کمتر است.

چدن سخت (GH): در چدن سخت، کربن به صورت گرافیت وجود نداشته بلکه با آهن یک پیوند شیمیایی (Fe₃C) تشکیل می‌­دهد. تشکیل گرافیت در این چدن را می‌توان با سرد کردن سریع و کم کردن مقدار سیلیسیم و ازدیاد مقدار منگنز از بین برد.

چدن مخصوص: به چدن‌هایی که فلز یا فلزات دیگری در آن‌ها به صورت آلیاژ وجود دارد، چدن­‌های مخصوص گفته می‌شود. این چدن­‌ها دارای استحکام زیادی در مقابل عوامل شیمیایی همچون بازها و اسیدها بوده و در حرارت‌های زیاد نیز مقاوم هستند. فلزات آلیاژی در چدن­‌های مخصوص شامل نیکل، کرم، مولیبدن و وانادیم هستند.

منبع:برگرفته از کتاب جامع از نفت تا گرفت؛ مسئله الکترودگرافیتی