طراحان موتور، به دليل افزايش تقاضا در زمينه ارتقاي نيرو، هدرروي کمتر و صرفهجويي بهتر در سوخت، مجبورند در پي يافتن موادي مقاومتر براي ساخت بدنه موتور باشند. اين مسئله بويژه در بخش ديزل که به فشار زياد قطر داخلي سيلندر نياز است، صدق ميکند. فشار قطر داخلي در ديزلهاي انژکتوري مستقيم امروزي، حدود 135بار (واحد اندازهگيري فشار) است، اما نسل جديد ديزلهاي DI درصد كسب فشار 160بار و فراتر از آن هستند. فشار ماکزيمم احتراق در کاميونهاي سنگين کنوني، از 200 بار بيشتر است. در اين سطح از عملکرد، خصوصيات استحکامي، سفتي و خستگي چدن خاکستري و آلياژهاي معمولي آلومينيم نميتواند پاسخگوي تامين معيارهاي عملکرد و دوام کافي باشند. طي کشف و توسعه چدن نشکن در دهه 40، چدن داراي گرافيت فشرده براي اولين بار شناخته شد. تا دهه 70ميلادي، تقاضاي نسبتاً کمي براي مواد مهندسي در صنعت خودرو وجود داشت، اما بتازگي تعدادي از قطعات خودرو از جنس چدن گرافيت فشرده توليد ميشوند. به همين علت، چندين خودروساز بزرگ براي به‌‌کارگيري در سر و بدنه سيلندرهاي ديزلي و بنزيني خود، چدن گرافيت فشرده را موردارزيابي قرار دادند. خواص مکانيکي چدن CGI در بهبود عملکرد قطعات موتورهاي ديزلي آشکار شده است.

گرچه چدن گرافيت فشرده بيش از 40سال است که شناخته و چندين بررسي در مورد آن چاپ شده است، اما خصوصيات CGI (چدن گرافيت فشرده) آن چنان که خصوصيات چدن خاکستري و آلياژهاي رايج آلومينيمي شناخته شده‌اند، مورد شناسايي قرار نگرفته است. اين مقاله، اطلاعاتي دقيقتر در مورد خواص مکانيکي و فيزيکي CGI را به عنوان تابعي از کروي بودن گرافيت، ميزان کربن و تاثير فريت و پرليت، به شما ارائه ميدهد.

بررسي ساختار ميکروسکوپي

چدن با گرافيت فشرده، مادهاي داراي خواص ممتاز و موردنياز بسياري از روشهاي ويژه توليدي است. شکل و مکانيزم رشد گرافيت فشرده نسبتاً پيچيده است(شکل1). گرافيت در چدن گرافيت فشرده (که گاهي به آن عنوان چدن کرمي شکل گفته ميشود) به صورت ذرات کرمي شکل منفرد، ديده ميشود. اين ذرات گرچه همانند چدنهاي خاکستري کشيده بوده و به صورت تصادفي داراي جهت هستند، اما ذرات گرافيت فشرده، کوتاهتر و کلفتتر بوده و لبههايي گرد دارند.

در حالي که شکل گرافيت فشرده، ممکن است به نظر کرمي شکل باشد، مشاهده تصوير ميکوسکوپ الکتروني نشان ميدهد که کرمها به نزديکترين همسايههاي خود در داخل سلولهاي يوتکتيک متصل هستند. اين شکل پيچيده گرافيت همراه با لبههاي گرد و سطوح برآمده غيرمعمولي منجر به چسبندگي محکم بين گرافيت و فاز اصلي چدن شده و در نهايت از ايجاد ترک و انتشار آن جلوگيري کرده و منشاء خصوصيات مکانيکي بهتر در مقايسه با چدن خاکستري است. چدن گرافيت فشرده قابل قبول، داراي هيچ گرافيت ورقهاي (FG) در ساختار نبوده، گرافيتهاي کروي (SG) کمتر از 20درصد بوده و 80درصد از کل گرافيت فشرده به صورت ورقههاي نازک و ضخيم نسبتاً کوتاه با انتهاي گرد و سطوح مواج است. شکل 2، تصاوير سه بعدي (حاصله از ميکروسکوپ الکتروني) از شکل گرافيت در سه نوع چدن داکتيل، گرافيت فشرده و خاکستري را نشان ميدهد.

توليد چدن CGI با کيفيت مناسب، نيازمند کنترل دقيق در هر مرحله براي دستيابي به درجه مورد نياز فشردگي در مقطعي مشخص از يک قطعه است. مطالعه شکل هندسي گرافيت فشرده نشان ميدهد که اين گرافيت، از شروع و رشد ترک در قطعات جلوگيري کرده و مبنايي براي بهبود خواص مکانيکي در مقايسه با چدن خاکستري است.

چدنهاي داراي گرافيت فشرده، به‌طوري اجتنابناپذير شامل تعدادي ذرات گرافيت کروي هستند. با افزايش ميزان کرويت، نه تنها سختي و استحکام افزايش مييابد بلکه هزينههاي مربوط به قابليت ريختهگري، قابليت ماشينکاري و هدايت حرارتي نيز افزايش مييابد.

قطعه چدني داراي گرافيت فشرده را ميتوان با مقادير مختلفت پرليت، براي کاربردهاي موردنياز توليد کرد. منيفولدهاي اگزوز به بيش از 95درصد فريت براي جلوگيري از رشد در دماي بالا نياز دارند، بلوکهاي سيلندر و سرسيلندرها اکثراً با ساختار پرليتي براي دستيابي به حداکثر ميزان سختي و استحکام، توليد ميشوند.

کاربرد چدن گرافيت فشرده GCI

در خصوص کاربرد چدن CGI براي ديوارههاي نازک، موارد بسيار مهم و قابل ملاحظهاي وجود دارد. خواص منحصر بفرد شيميايي و ريز ساختار CGI، سبب به وجود آمدن خواص فيزيکي مناسب نظير: استحکام، انعطافپذيري، هدايت حرارتي، قابليت ماشينکاري و ... ميشود. اين خواص، حد ميانگين چدن داکتيل و چدن خاکستري هستند.

با توجه به مطلوب بودن خواص CGI، ميتوان از اين نوع چدن در موارد نيازمند به ضريب اطمينان بالا، استفاده کرد.

مهمترين مشخصه استفاده از CGI، کاربرد آن در مواردي است که خواص مکانيکي چدن خاکستري ناکافي و چدن داکتيل نيز بيش از حد موردنياز باشد. در واقع CGI، ماده مياني چدن خاکستري و داکتيل شناخته ميشود.

يکي از اولين کاربردهاي چدن CGI، ديسکهاي ترمز قطارهاي سريعالسير است. استفاده از چدن خاکستري، سبب ايجاد ترک در اينگونه قطعات شده و مدولهاي الاستيکي بالا و هدايت حرارتي پايين چدن داکتيل نيز سبب تاب برداشتن بيشتر اين قطعات ميشد. خواص چدن CGI براي بسياري از محصولات که به‌طور همزمان نياز به خواص حرارتي و مکانيکي دارند، ايدهآل است.

از ديگر کاربردهاي چدن CGI، توليد با حجم بالاي قطعاتي پيچيده نظير بلوک سيلندرها و سرسيلندرهاست داراي مشخصات ريزساختاري محدود بوده و همچنين مجاز به استفاده از تيتانيم به منظور افزايش ميزان قابليت ماشينکاري نيز نميباشند