چدن‌های ضد سایش (Abrasive-Resistant Cast Irons) از دیرباز به‌عنوان یکی از راهکارهای مؤثر مقابله با پدیده سایش مطرح بوده‌اند. این چدن‌ها به دلیل وجود کاربیدهای مقاوم و ساختار زمینه‌ای خاص، توانایی تحمل سایش‌های شدید را داشته و امروزه در قطعات صنعتی مختلف کاربرد دارند.

۲. تاریخچه و انواع چدن‌های ضد سایش

اولین نمونه‌های چدن مقاوم به سایش در اوایل دهه ۱۹۲۰ میلادی معرفی شدند. در آن زمان چدن‌ها با درصد کربن بالا و عملیات حرارتی خاص، بهبود نیافته بودند؛ اما با گذشت زمان و ورود عناصر آلیاژی مانند کروم و مولیبدن، ساختار چدن‌های ضد سایش تغییر کرده و کارایی آنها به میزان زیادی افزایش یافت.

امروزه انواع اصلی این چدن‌ها عبارت‌اند از:

• چدن سفید آلیاژی (White Cast Iron): که به‌طور طبیعی دارای ساختار سخت و شکننده است و معمولاً برای تولید قطعات کوچک با سایش بالا به‌کار می‌رود.
• چدن کروم‌دار (High-Chromium White Cast Iron): حاوی 12–30% کروم بوده و به‌دلیل تشکیل گسترده کاربیدهای کروم، مقاومت عالی در برابر سایش دارد.
• چدن مولیبدنیومی (Molybdenum Alloyed Cast Iron): که درصد کمی مولیبدن دارد و در کنار چدن کروم‌دار، برای مصارف با سایش و حرارت بالا استفاده می‌شود.
• چدن نیتروژن‌دار (Nitrogen Alloyed Cast Iron): حاوی نیتروژن به‌عنوان عنصر رسوب‌دهنده و بهبوددهنده سختی.

نوع و درصد عناصر آلیاژی نقش کلیدی در تعیین ساختار کاربیدی و در نتیجه مقاومت به سایش دارند.

۳. ترکیب شیمیایی و اجزای آلیاژ

ترکیب شیمیایی چدن‌های ضد سایش معمولاً شامل کربن (C)، سیلیسیوم (Si)، منگنز (Mn)، کروم (Cr)، مولیبدن (Mo)، نیکل (Ni) و گاهی تیتانیوم (Ti) یا وانیوم (V) است. درصد عناصر به‌گونه‌ای انتخاب می‌شود که کاربیدهای سخت و پایدار در داخل زمینه فرویتی یا مارتنزیتی شکل گیرند.

عموماً افزایش درصد کروم باعث تشکیل کاربیدهای M₇C₃ می‌شود که سختی بسیار بالایی دارند. مولیبدن نیز به پایداری کاربیدها در دماهای بالا کمک می‌کند.

۴. ساختار میکروسکوپی و انواع کاربید

در چدن‌های ضد سایش، سه جزء اصلی ساختار میکروسکوپی دیده می‌شوند:

• کاربیدها: عمدتاً کاربیدهای M₇C₃ (کروم-کربن) و M₃C (آهن-کربن) که به‌صورت دندریتی و شبکه‌ای در زمینه قرار می‌گیرند.
• زمینه (Matrix): گاهی به صورت فرویتی (Ferritic) یا مارتنزیتی (Martensitic) یا مخلوط از هر دو، بسته به روش عملیات حرارتی.
• آخال‌ها (Inclusions): شامل اکسیدها، سولفیدها یا فسفیدها که ممکن است به‌عنوان نقاط تمرکز تنش عمل کنند.

شکل زیر نمونه‌ای از ساختار SEM را نشان می‌دهد که کاربیدهای کروم در زمینه فرویتی دیده می‌شوند:

جدول زیر انواع کاربیدهای رایج در این چدن‌ها را به همراه خواص کلی آنها نشان می‌دهد:

۵. عملیات حرارتی و تأثیر آن بر مقاومت به سایش

اصلی‌ترین روش برای بهبود خواص چدن‌های ضد سایش، عملیات حرارتی رسوبدهی (Aging) و کوئنچینگ و تمپری است. معمولاً مراحل زیر انجام می‌شود:

1. کوئنچینگ (Quenching): پس از ریخته‌گری، قطعه به دمای 900–950°C گرم شده و سپس سریعاً در آب یا روغن کوئنچ می‌شود تا زمینه به حالت مارتنزیتی یا سابرایت برسد.
2. تمپری (Tempering): در دمای 600–650°C برای چند ساعت انجام می‌شود تا تنش‌های داخلی کاهش یابد و مقداری کاربیدهای M₇C₃ به‌صورت ریزرسوب تشکیل شوند.
3. رسوبدهی ثانویه (Secondary Aging): در دمای 450–550°C برای 1–2 ساعت برای افزایش تعدادی از کاربیدهای ریز در زمینه.

این چرخه باعث ایجاد زمینه نیمه‌فرویتی یا مارتنزیتی می‌شود که در کنار کاربیدهای سخت، تعادل مناسبی بین سختی و چقرمگی ایجاد می‌کند.

۶. خواص مکانیکی و عملکرد در برابر سایش

پس از انجام عملیات حرارتی مناسب، چدن‌های ضد سایش معمولاً دارای خواص زیر هستند:

سختی بالا ناشی از وجود درصد بالای کاربیدهای سخت و زمینه مقاوم است. در آزمون‌های ASTM G65 برای سایش تحت بار مشخص، این چدن‌ها معمولاً میزان از دست رفتن جرم بسیار کمی نشان می‌دهند که بیانگر مقاومت بالا در مقابل سایش‌های سنگین است.

۷. کاربردهای صنعتی

چدن‌های ضد سایش به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود در بسیاری از صنایع کاربرد دارند. از جمله:

• گلوله‌ها و لاینرهای آسیاب: در صنایع سیمان، معادن و زغال‌سنگ برای خردایش مواد سخت.
• رول‌های خردایش (Crusher Rolls): در معادن برای خرد کردن سنگ‌ها و مواد معدنی.
• شات بلاست نوکۀ پاشش: در صنعت عمرانی برای پاک‌سازی سطوح بتنی و فلزی.
• سینی‌ها و بشکه‌های بومیسیون: در صنایع نفتی و پتروشیمی برای کاهش سایش در خطوط انتقال سیالات دارای ذرات معلق.
• بغل بندها (Roller Skates): در سیستم‌های کنوییر برای انتقال مواد سنگین و سایش‌دهنده.
• ریخته‌گری قطعات ماشین‌آلات معادن: شامل شانه‌ها، سایش‌گیرها و پوسته‌های آسیاب.

هر یک از این کاربردها نیازمندی ویژه‌ای به مقاومت در برابر سایش دارند که توسط چدن‌های آلیاژی تأمین می‌شود.

۸. فرآیند تولید و ریخته‌گری

فرآیند تولید چدن ضد سایش معمولاً شامل مراحل زیر است:

1. آماده‌سازی شارژ: ذوب فلزات پایه (آهن مذاب) به همراه عناصر آلیاژی (کروم، مولیبدن و …) در کوره القایی یا کوره قوس الکتریکی.
2. ریخته‌گری: انتقال مذاب به قالب‌های آهنی یا استیل پوشش داده شده با روکش نسوز با دمای کنترل‌شده.
3. خنک‌سازی کنترل‌شده: خنک کردن قالب‌ها به گونه‌ای که ساختار کاربیدی مناسب تشکیل شود.
4. پرداخت و زدودن پوسته: حذف پوسته‌ها و سرباره‌های سطحی با استفاده از شات‌بلاست یا سندبلاست.
5. عملیات حرارتی: کوئنچینگ و تمپری حسب نیاز برای بهبود ساختار میکروسکوپی و خواص مکانیکی.
6. پرداخت نهایی: ماشین‌کاری، تراشکاری و سنگ‌زنی برای دستیابی به ابعاد و تلرانس نهایی.

شرایط دقیق ریخته‌گری و خنک‌سازی تأثیر مستقیم بر اندازه و توزیع کاربیدها دارد. بنابراین کنترل دما و نرخ سردسازی بسیار حیاتی است.

۹. آزمون‌ها و روش‌های تضمین کیفیت

برای اطمینان از خواص مکانیکی و مقاومت به سایش، آزمون‌های زیر انجام می‌شوند:

• آزمون سختی: شامل اندازه‌گیری سختی راکول C یا Vickers در نواحی مختلف قطعه.
• آزمون کشش: برای ارزیابی استحکام کششی و ازدیاد طول.
• آزمون ضربه چارپی (Charpy): برای اندازه‌گیری مقاومت به ضربه و تعیین چقرمگی.
• آزمون سایش (ASTM G65): برای ارزیابی میزان از دست رفتن جرم تحت فشار و حرکت ساینده.
• آنالیز میکروسکوپی (SEM و Optical): بررسی اندازه، شکل و توزیع کاربیدها و اندازه دانه‌ها.
• آنالیز ترکیب شیمیایی (Spectrometry): اطمینان از درصد دقیق عناصر آلیاژی در ماده نهایی.

این آزمون‌ها به شناسایی هرگونه عیب داخلی، ترک‌های احتمالی یا عدم یکنواختی ساختاری کمک می‌کنند.

۱۰. مزایا و محدودیت‌ها

مزایا

• مقاومت بسیار بالا در برابر سایش و خوردگی مکانیکی
• سختی سطحی قابل‌مقایسه با فولادهای ابزار
• امکان تولید قطعات سنگین (تا چند صد کیلوگرم) با اشکال پیچیده
• هزینه نسبتاً کمتر نسبت به آلیاژهای تنگستن کاربید یا سرامیک‌ها
• قابلیت بازسازی سطحی با روش‌های پوشش‌دهی یا لحیم‌کاری

محدودیت‌ها

• چقرمگی محدود؛ احتمال شکست ترد در شرایط ضربه‌ای شدید
• خطر ترک‌خوردگی در هنگام کوئنچینگ سریع بدون کنترل دما
• نیاز به کنترل دقیق ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی
• هزینه بالای عناصر پرارزش مانند کروم و مولیبدن

۱۱. توانمندی‌های شرکت ایده پویان

در شرکت ایده پویان، با بهره‌گیری از تجهیزات پیشرفته ریخته‌گری القایی و کوره‌های با کنترل دقیق دما، توانایی تولید چدن‌های ضد سایش با وزن از ۱ کیلوگرم تا ۵۰۰ کیلوگرم را داریم. امکانات ما عبارت‌اند از:

• کوره القایی با ظرفیت ۲ تن برای ذوب دقیق و یکدست‌سازی مذاب
• سیستم قالب‌سازی با پوشش نسوز و کنترل نرخ خنک‌سازی
• کوره کوئنچ و تمپری با برنامه‌ریزی دقیق دما و زمان
• دستگاه شات‌بلاست و سندبلاست برای پرداخت سطحی استاندارد
• آزمایشگاه مجهز برای آزمون سختی، کشش، ضربه و آنالیز میکروسکوپی
• تیم فنی مجرب برای کنترل کیفی و تضمین یکنواختی خواص

با این توانمندی‌ها، قادر به تأمین انواع قطعات مقاوم به سایش شامل لاینر آسیاب، رول خردایش، نوکۀ پاشش شات‌بلاست، سینی‌های انتقال و سایر قطعات سفارشی صنایع معدنی، سیمان، نفت و پتروشیمی هستیم. اگر نیاز به قطعات مقاوم به سایش با کیفیت بالا دارید، مشاوران ما آماده ارائه راهکارهای اختصاصی به شما هستند.