چدن خاکستری

چدن خاکستری با ساختار گرافیتی آن مشخص می شود که باعث می شود شکست مواد ظاهر خاکستری  داشته باشد. این پرکاربردترین چدن و پرمصرف ترین مواد ریخته گری بر اساس وزن است. اکثر چدن ها دارای ترکیب شیمیایی 2.5 تا 4.0 درصد کربن، 1 تا 3 درصد سیلیکون و بقیه آهن میباشد . چدن خاکستری استحکام کششی و مقاومت ضربه ای کمتری نسبت به فولاد دارد، اما مقاومت فشاری آن با فولاد کربن کم و متوسط قابل مقایسه است.

چدن خاکستری  که به چدن گرافیت پولکی نیز معروف است، نوعی چدن ریخته‌گری است که بیشتر کربن در آن به صورت گرافیت پولکی وجود دارد. خواص چدن خاکستری به توزیع، اندازه و مقدار دانه‌های گرافیت و ماتریس بستگی دارد. ساختار کیفیت ریخته گری عمدتاً تحت تأثیر شرایط ساخت، ترکیب شیمیایی، زمان انجماد و سرعت سرد شدن در قالب است.

چدن خاکستری دارای استحکام کم تا متوسط، مدول الاستیسیته کم، حساسیت بریدگی کم، هدایت حرارتی بالا، مقاومت متوسط ذخایر حرارتی و قابلیت ریخته‌گری فوق‌العاده است. برای محفظه هایی استفاده می شود که مقاومت کششی آنها ملاک انتخاب ماده نباشد ، مانند بلوک های سیلندر موتور احتراق داخلی، محفظه پمپ، بدنه سوپاپ ها، جعبه های الکتریکی و ریخته گری های تزئینی. هدایت حرارتی بالای چدن خاکستری و ظرفیت حرارتی ویژه اغلب برای ساخت ظروف چدنی و روتورهای ترمز دیسکی مورد استفاده قرار می گیرد.

چدن سفید به دلیل ناخالصی های کاربید آن که اجازه می دهد ترک ها مستقیماً از آن عبور کنند، به خاطر سطح سفید آن در هنگام شکستگی نامگذاری شده است.

چدن خاکستری به خاطر سطح شکسته خاکستری آن نامگذاری شده است، که به این دلیل رخ می دهد که تکه های گرافیتی یک ترک عبوری را منحرف می کنند و با شکستن مواد باعث ایجاد ترک های جدید بی شماری می شوند.

کربن و سیلیکون عناصر آلیاژی اصلی هستند که مقدار آن به ترتیب از 2.1 تا 4 درصد وزنی و 1 تا 3 درصد وزنی متغیر است. آلیاژهای آهن با محتوای کربن کمتر به عنوان فولاد شناخته می شوند. در حالی که از نظر فنی این آلیاژهای پایه را آلیاژهای سه تایی Fe-C-Si می سازد، اصل انجماد چدن از نمودار فاز کربن دوتایی آهن درک می شود. از آنجایی که ترکیبات اکثر چدن ها در اطراف نقطه یوتکتیک سیستم آهن-کربن است، دمای ذوب ارتباط نزدیکی دارد، که معمولاً بین 1150 تا 1200 درجه سانتیگراد است که حدود 300 درجه سانتیگراد کمتر از نقطه ذوب آهن خالص است.

ریز ساختار چدن خاکستری

چدن خاکستری یکی از قدیمی ترین محصولات آهنی ریخته گری است. علیرغم رقابت با مواد جدیدتر و ارتقای انرژی آنها، چدن خاکستری  هنوز برای کاربردهایی استفاده می شود که خواص آن ثابت کرده است که مناسب ترین ماده موجود است. بعد از فولاد فرفورژه، چدن خاکستری پرکاربردترین ماده فلزی برای اهداف مهندسی است. برای سال 1967، تولید ریخته‌گری‌های چدن خاکستری  بیش از 14 میلیون تن یا حدود دو و نیم برابر حجم سایر انواع ریخته‌گری‌ها بود.

دلایل مختلفی برای محبوبیت و استفاده گسترده از آن وجود دارد. دارای تعدادی ویژگی مطلوب است که هیچ فلز دیگری ندارد و در عین حال جزو ارزانترین مواد آهنی در دسترس مهندس است. ریخته‌گری‌های چدن خاکستری تقریباً در تمام مناطق صنعتی به آسانی در دسترس هستند و می‌توانند در ریخته‌گری‌هایی که سرمایه‌گذاری نسبتاً کمی را نشان می‌دهند، تولید شوند. هدف این مقاله این است که ویژگی‌های چدن خاکستری  را که این ماده را بسیار مفید می‌سازد، مورد توجه شما قرار دهد.

چدن خاکستری یکی از راحت ترین فلزات برای ریخته گری است. برای اکثر کاربردها، از چدن خاکستری در حالت ریختگی استفاده می شود، بنابراین تولید را ساده می کند .ریخته گری چدن خاکستری را می توان تقریباً با هر فرآیند ریخته گری شناخته شده تولید کرد. تمام کربن موجود در آهن خاکستری ، به غیر از کربن ترکیب شده با آهن برای تشکیل پرلیت در ماتریس، به صورت گرافیت به شکل تکه‌هایی با اندازه و شکل‌های مختلف وجود دارد. وجود این ورقه های تشکیل شده در انجماد است که مشخصه چدن خاکستری است. وجود این پولک ها نیز بیشتر خواص مطلوب را به چدن خاکستری می بخشد.

مک‌کنزی در سخنرانی یادبودها و در سال 1944 از چدن به عنوان “فولاد به علاوه گرافیت” یاد کرد. چدن خاکستری  متعلق به خانواده ای از آلیاژهای سیلیکونی با کربن بالا است که شامل آهن های چکش خوار و گره ای است. بحث های مفصل در مورد متالورژی چدن خاکستری  را می توان در کتاب های راهنما که به راحتی در دسترس است یافت می شود. چدن خاکستری  به صورت تجاری در طیف وسیعی از ترکیبات تولید می شود. محدوده ترکیباتی که می توان در ریخته گری چدن خاکستری  یافت به شرح زیر است: کربن کل، 2.75 تا 4.00 درصد. سیلیکون، 0.75 تا 3.00 درصد؛ منگنز، 0.25 تا 1.50 درصد؛ گوگرد، 0.02 تا 0.20 درصد؛ فسفر، 0.02 تا 0.75 درصد. کربن تا حد زیادی مهمترین عنصر در چدن خاکستری  است.

تولید تمام گریدهای آهن با مشخصات ASTM برای ریخته گری چدن خاکستری صرفاً با تنظیم محتوای کربن و سیلیکون آهن امکان پذیر است. تولید چدن خاکستری بدون وجود مقدار مناسب سیلیکون غیرممکن خواهد بود. افزودن سیلیکون حلالیت کربن در آهن را کاهش می دهد و همچنین محتوای کربن یوتکتیک را کاهش می دهد. یوتکتیک آهن و کربن حدود 4.3 درصد است. افزودن هر 1.00 درصد سیلیکون، مقدار کربن موجود در یوتکتیک را 0.33 درصد کاهش می دهد. از آنجایی که کربن و سیلیکون دو عنصر اصلی در چدن خاکستری هستند، اثر ترکیبی این عناصر به شکل درصد کربن به اضافه  یک سوم درصد سیلیکون معادل کربن نامیده می‌شود. چدن‌های خاکستری  که ارزش کربن کمتر از 4.3 درصد دارند، چدن‌های هیپویوتکتیک و آنهایی که بیش از 4.3 درصد معادل کربن دارند، چدن‌های هایپریوتکتیک نامیده می‌شوند. برای چدن های هیپویوتکتیک در صنایع خودروسازی و صنایع وابسته، هر 0.10 درصد افزایش در مقدار معادل کربن، استحکام کششی را حدود 2700 psi کاهش می دهد. آهن ممکن است در سیستم غیرپایدار آهن-کاربید آهن به جای سیستم پایدار آهن-گرافیت منجمد و تشکیل شود، که منجر به لبه های سخت یا سرد در قطعات ریخته گری می شود.

افزایش محتوای سیلیکون تأثیر بیشتری در کاهش لبه های سخت نسبت به افزایش محتوای کربن به همان مقدار کربن دارد. افزایش محتوای سیلیکون باعث کاهش محتوای کربن پرلیت و افزایش دمای تبدیل فریت به اضافه پرلیت به آستنیت می شود. متداول ترین محدوده برای منگنز در چدن خاکستری   از 0.55 تا 0.75 درصد است. تقریباً تمام گوگرد موجود در چدن خاکستری   به صورت سولفید منگنز وجود دارد و منگنز لازم برای این منظور 1.7 برابر گوگرد است. تا 0.15 درصد، گوگرد تمایل به تشکیل گرافیت نوع A دارد. اکثر کارخانه های ریخته گری میزان گوگرد را زیر 0.15 درصد نگه می دارند که 0.09 تا 0.12 درصد یک محدوده معمول برای چدن است. Collaud و Thieme گزارش می دهند که اگر گوگرد به مقدار بسیار کم همراه با فسفر و سیلیکون کم کاهش یابد، آهن های سخت تری ایجاد می شود و به عنوان “TG” یا آهن های گرافیت سخت تعیین می شوند.

محتوای فسفر اکثر ریخته گری های چدن خاکستری با تولید بالا کمتر از 0.15 درصد با روند فعلی به سمت فولاد بیشتر در شارژ کوره است. محتوای فسفر زیر 0.10 درصد رایج است. فسفر به طور کلی به عنوان یک یوتکتیک آهن-فسفید آهن وجود دارد، اگرچه در برخی از آهن های با کربن بالاتر، یوتکتیک سه تایی آهن-فسفید-آهن-کاربید آهن ممکن است تشکیل شود. محتوای فسفر بیش از 0.10 درصد در آهن‌های معادل کربن پایین‌تر مورد استفاده برای سر و بلوک‌های موتور و سایر کاربردهایی که نیاز به سفتی فشار دارند نامطلوب است. مس و نیکل در چدن نیز رفتار مشابهی دارند. چدن خاکستری   آستنیتی را می توان با افزایش میزان نیکل به حدود 15 درصد همراه با حدود 6 درصد مس، یا تا 20 درصد بدون مس، همانطور که در مشخصات ASTM برای ریخته گری آستنیتی خاکستری  (A 436-63) نشان داده شده است، به دست آورد.

کروم اغلب برای بهبود سختی و استحکام چدن خاکستری اضافه می شود و برای این منظور سطح کروم به 0.20 تا 0.35 درصد افزایش می یابد. کروم خواص دمای بالا چدن خاکستری را بهبود می بخشد. مولیبدن به طور گسترده ای برای بهبود خواص دمای بالا چدن خاکستری استفاده می شود. از آنجایی که مدول الاستیسیته مولیبدن بسیار زیاد است، افزودن مولیبدن به چدن خاکستری  مدول الاستیسیته آن را افزایش می دهد.

حتی در مقادیر کم، وانادیم اثر مفیدی بر خواص دمای بالا چدن خاکستری دارد. افزایش محتوای تیتانیوم چدن خاکستری از حدود 0.05 به 0.14 درصد از طریق استفاده از آهن خام حاوی تیتانیوم، استحکام آهن هایپریوتکتیک را افزایش داد.

فولادهای زنگ نزن آن دسته از آلیاژهای آهن و کروم و یا عناصر دیگر هستند که حداقل 11 درصد کروم دارند. این حداقل مقدار کروم لازم برای تشکیل یک فیلم اکسید کروم پایدار است. این فیلم است که اساس مقاومت در برابر خوردگی تمام آلیاژهای ضد زنگ و اکثر آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی پایه نیکل است.

شش طبقه بندی اساسی از فولادهای زنگ نزن وجود دارد: فریتی، مارتنزیتی، مارتنزیت پیر سختی شده، آستنیتی-فریتی ، دوبلکس و آستنیتی.

متداول‌ترین آنها فریتی 409 برای مصارف خودرویی و 430 برای مصارف مقاوم در برابر خوردگی/تزیینی، گرید مارتنزیتی 410 و مارتنزیتی سخت‌شونده 17-4PH  هستند. از گریدهای دوبلکس آستنیتی-فریتی، آلیاژ 2205 گسترده ترین گرید است. دو گرید ضد زنگ آستنیتی که بیشترین استفاده را دارند عبارتند از L304 و L316.  تعدادی از “سوپر آستنیت ها” از نیتروژن برای حفظ ساختار آستنیتی با مولیبدن نسبتاً بالا، حدود 6٪ و نیکل متوسط، 18-25٪ استفاده می کنند. از گریدهای بالاتر نیکل، ضد زنگ 20-3BC برای اسید سولفوریک و پردازش شیمیایی عمومی استفاده می شود. متداول ترین مورد استفاده از آلیاژهای نیکل بسیار بالا C-276 است. زنگ نزن های آستنیتی با آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت و خوردگی پایه نیکل یک زنجیره تشکیل می دهند. آنها بر اساس محتوای نیکل با تعاریف دلخواه یا تجاری متمایز می شوند. هیچ تعریف متالورژیکی شناخته شده ای از جایی که انتهای ضدزنگ و پایه نیکل شروع می شود وجود ندارد.

اثر عناصر آلیاژی

رفتار خوردگی عناصر آلیاژی به شکل خالص بر خواص خوردگی آلیاژها تأثیر می گذارد.

کروم اولین نمونه است، با مقاومت در برابر خوردگی بالا در حالت غیرفعال. در محلول های با pH خنثی، اکسیژن محلول از هوا برای حفظ انفعال کافی است. اما در محلول‌های با pH پایین، برای تثبیت وضعیت غیرفعال، باید عامل اکسید کننده قوی‌تر وجود داشته باشد و هالوژن یا اسید سولفوریک وجود نداشته باشد. فلز کروم با کاهش اسیدها در برابر خوردگی مقاوم نیست.

  چند مثال، از مقاومت در برابر خوردگی کروم الکترورسوب شده:

از این داده ها می توان به سه نکته اشاره کرد.

اولاً، کروم به عنوان یک عنصر آلیاژی در تقویت مقاومت در برابر اسیدهای احیا کننده یا هالوژن مؤثر نیست.

دوم، در محلول های برخی از نمک های هالوژن، لایه غیرفعال توسط اکسیژن محلول در محلول حفظ می شود.

سوم، اسید سولفوریک در غلظت‌های پایین‌تر به‌عنوان یک اسید کاهنده، اما در شکل غلیظ به‌عنوان یک اسید اکسیدکننده عمل می‌کند. هنگام انتخاب آلیاژهایی برای مقاومت در برابر اسید سولفوریک، باید این را در نظر داشت.

فولادهای ضد زنگ که فقط حاوی کروم و آهن هستند، مخصوصاً ضد زنگ‌های فریتی و مارتنزیتی، به همین ترتیب مقاومت ضعیفی در برابر محلول‌های اسید سولفوریک دارند اما ممکن است در برابر اسید نیتریک مقاومت کنند. این آلیاژهای کروم-آهن در برابر خوردگی توسط اسیدهای هالوژن یا نمک های کلرید مقاوم نیستند. آن دسته از آلیاژهای فریتی که مقاومت حفره‌ای کلریدی خوب تا عالی دارند، مانند E-BRITE و AL29-4C، به ترتیب با افزودن 1 و 4 درصد مو، این مقاومت را به دست می‌آورند.

آلیاژهای نیکل آستنیتی با مقاومت در برابر اسید سولفوریک غلیظ (اکسیدکننده) به کروم بالا مانند آلیاژ Krupp VDM 33 یا سیلیکون مانند آلیاژ Haynes Mickel D-205 و گریدهای ضد زنگ A610، A611 و Sandvik SX نیاز دارند.

چند آلیاژ نیکل بسیار مقاوم در برابر خوردگی با کروم کم یا بدون کروم وجود دارد، از جمله گریدهای مختلف Ni-Mo ”B” و آلیاژ 67Ni-31Cu alloy400   آنها در محیط های احیا عالی هستند و تقریباً هیچ تحملی در برابر ترکیبات اکسید کننده ندارند. .یک آلیاژ نیکل-مولیبدن که به تازگی ساخته شده است، B-10، شامل 8٪ کروم در ترکیب خود برای مقاومت محدود در برابر سطوح پایین اکسید کننده ها است.

مولیبدن، برخلاف کروم، مقاومت بسیار کمی در برابر محلول های اکساینده دارد، اما در برابر اسیدهای احیا کننده و هالوژن مقاومت می کند. اسیدهای اکسید کننده مانند نیتریک، تیزاب سلطانی و اسیدهای سولفوریک غلیظ فلز مولیبدن را به راحتی حل می کنند. اسید هیدروفلوئوریک روی مولیبدن تاثیر نمی گذارد و اسید کلریدریک داغ (110 درجه سانتیگراد) فقط به آرامی به فلز مولیبدن حمله می کند. در فولادهای زنگ نزن و در آلیاژهای پایه نیکل، مولیبدن به عنوان یک عنصر آلیاژی برای مقاومت در برابر اسیدهای هالوژن و خوردگی حفرگی توسط اسید مورد نیاز است. یا کلریدهای اکسید کننده مقدار استفاده شده از 2% در ضد زنگ L316  تا 24 تا 30% در آلیاژهای B تا B-10 متغیر است. به عنوان یک افزودنی آلیاژی، مولیبدن پایداری لایه غیرفعال را در حضور هالوژن ها بهبود می بخشد.

تنگستن در سطح 2-4٪، همراه با مولیبدن، برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی حفره های کلرید استفاده می شود.

فلز نیکل به طور کلی توسط محلول های اکسید کننده مورد حمله قرار می گیرد، در حالی که محلول های احیا کننده تهاجمی کمتری دارند. چند مثال در زیر آمده است:

فلز نیکل به شدت توسط محلول های اسید فسفریک حاوی نمک های آهن (اکسید کننده) مورد حمله قرار می گیرد، در حالی که در برابر محلول های اسید فسفریک که فاقد ترکیبات اکسید کننده هستند مقاومت می کند. فلز نیکل در برابر محلول های کلرید خنثی مانند کلرید سدیم مقاومت می کند، اما توسط اسید یا نمک های کلرید اکسید کننده مورد حمله قرار می گیرد. آلیاژهای مورد استفاده در اسیدهای احیا کننده همواره دارای محتوای نیکل قابل توجهی هستند که از 8% در 304L تا 71% در آلیاژ B-2 متغیر است.

مس به طور کلی در برابر محلول های اسیدی احیا کننده که فقط حاوی سطوح کم اکسیژن هستند مقاوم است اما به راحتی توسط اسیدهای اکسید کننده مورد حمله قرار می گیرد. اینها شامل اسیدهای نیتریک، گوگردی و سولفوریک غلیظ و همچنین محلول های حاوی نمک های اکسید کننده مانند کلرید آهن است. مس در محلول تمایل به کاهش نرخ خوردگی آلیاژهای ضد زنگ در اسید سولفوریک (کاهنده) دارد. آن دسته از آلیاژهایی که برای استفاده در محیط های حاوی مقدار زیادی اسید سولفوریک در نظر گرفته شده اند، همواره دارای مقداری مس به عنوان آلیاژ هستند. اینها عبارتند از L904 ، 20CB-3، 825، Nicrofer 3127 hMo  (آلیاژ 31)، و آلیاژهای Hastelloy G، G-3 و G-3.

افزودن 4 یا 5 درصد سیلیکون باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی در محیط های اکسید کننده می شود. سیلیکون در گرید اول در آلیاژهایی استفاده می شود که برای مقاومت در برابر اسید سولفوریک غلیظ و در نتیجه اکسید کننده استفاده می شود. چنین آلیاژهایی در تولید فعلی عبارتند از A610، A611، Sandvik SX و Haynes D-205. استفاده از سیلیکون به عنوان یک عنصر آلیاژی برای مقاومت در برابر خوردگی به قبل از جنگ جهانی اول باز می گردد. اگرچه ضد زنگ نیست، یکی از قدیمی ترین و به طور کلی مقاوم در برابر خوردگی آلیاژهایی که تا کنون ساخته شده است، چدن سیلیکونی 14.5 درصد، است. اعتقاد بر این است که یک فیلم اکسید سیلیکون مسئول مقاومت این گرید در برابر محیط های مختلف از اکسید کننده تا کاهش دهنده است. این شامل آب دریا، اسیدهای آلی و بسیاری از اسیدهای معدنی است، البته نه اسیدهای هالوژن. عدم استحکام و شکل پذیری محدوده استفاده چدن را محدود می کند.

وقتی از تأثیر این یا آن ماده شیمیایی خالص بر روی یک آلیاژ صحبت می شود، باید تأکید کرد که محیط های صنعتی واقعی مخلوط های پیچیده ای از مواد شیمیایی هستند. این مخلوط ها ممکن است به شیوه های شگفت انگیزی رفتار کنند. کاملاً برخلاف آنچه می توان از رفتار آلیاژها در محیط های خالص و تحت کنترل آزمایشگاهی انتظار داشت. نرخ خوردگی نه تنها به غلظت مواد شیمیایی مختلف بلکه به دما نیز بستگی دارد. دمای مایع داخل ظرف یک نقطه قابل اندازه گیری است، اما دمای سطح کویل های گرمایش غوطه ور در آن ظرف یک مقدار دیگر و بالاتر است. به همین ترتیب، غلظت، مثلاً یک اسید، در ظرف با غلظت در نقطه ای که اسید به مخلوط وارد می شود، یکسان نیست.

متداول ترین آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی فولادهای زنگ نزن 304 (18% کروم 8% نیکل که معمولاً به عنوان ضد زنگ 18-8 شناخته می شود) و 316 (17% کروم 11% نیکل 2% مولیبدن) هستند. آلیاژهای نیکل مقاوم در برابر خوردگی، مانند C-276، دارای سطوح بسیار بالاتری از نیکل، 57 درصد، و مولیبدن، 15.5 درصد هستند. نیکل خالص تجاری و آلیاژهای نیکل مس برای محیط های خاص استفاده می شوند.

محیط های اکسید کننده و احیا کننده از نظر شیمیایی با توجه به اینکه هیدروژن تحت محیط مورد نظر اکسید شده یا احیا می شود، تعریف می شوند. در یک محیط اکسید کننده، هیدروژن تنها به صورت شیمیایی با برخی عناصر دیگر ترکیب می شود

مواد شیمیایی اکسید کننده رایج عبارتند از اسید نیتریک، HNO3 و نمک های خاصی مانند کلرید آهن، FeCl3 و کلرید مس، CuCl2  . یون‌های آهن و مس در ظرفیت‌های نسبتاً بالایی به ترتیب 3 و 2 هستند و به آسانی الکترون‌ها را می‌پذیرند یا سایر مواد را اکسید می‌کنند تا ظرفیت خود را به سطح پایدارتری کاهش دهند. اسید سولفوریک، H2SO4، معمولا یک اسید کاهنده است. در غلظت های بالا، بالای حدود 95 درصد، اسید سولفوریک ویژگی خود را تغییر می دهد و به اسید اکسید کننده تبدیل می شود. البته، اکسیژن محلول به ویژگی اکسید کننده یک محیط کمک می کند. تا حدودی گوگرد عنصری محلول نیز همینطور است.

برای مقاومت در برابر شرایط اکسیداسیون، یک آلیاژ باید حاوی مقداری کروم باشد. برای خدمات اسید اکسید کننده، اغلب از مواد ساده ای مانند 304 (18% کروم 8% نیکل) یا 310 (25% کروم 20% نیکل) استفاده می شود. سطح غیرمعمول بالای کروم، 33 درصد، در یک آلیاژ تازه توسعه یافته، UNS R20033، وجود دارد که برای مقاومت در برابر اسیدهای اکسید کننده بسیار ساخته شده است. در هر یک از این آلیاژها، محتوای نیکل برای ایجاد یک آلیاژ آستنیتی پایدار ضروری است، اما به طور خاص در مقاومت اسیدی اکسید کننده کمک نمی کند. ممکن است افزودن‌ مقدار کمی مولیبدن یا مس در این آلیاژها برای افزایش مقاومت در برابر کلریدها یا اسید سولفوریک تحمل شود. اما نه مولیبدن و نه مس برای مقاومت در برابر مواد شیمیایی به شدت اکسید کننده مفید نیستند.

مقدمه

منگنز انعطاف پذیری فلز را افزایش داده و به میزان زیادی بر چقرمگی و مقاومت فلز در برابر عوامل ساینده می افزاید. سر رابرت ابوت هادفیلد  (Sir Robert Abbott Hadfield) متالورژیست انگلیسی بود که در سال 1882 به دلیل کشف فولاد منگنزی، یکی از اولین فولادهای آلیاژی، مشهور شد. اختراع او بر اساس افزودن درصد زیادی منگنز به آهن مذاب بود که به موجب آن فولادی تولید کرد که دارای چقرمگی و سختی خوبی باشد. پس از تعدادی آزمایش که توسط سر هادفیلد انجام شد، نتیجه‌گیری شد که فولادی با چقرمگی و سختی خوب و در عین حال ویژگی‌های متمایز را می‌توان زمانی یافت که محتوای منگنز بین 11-13٪ منگنز و 1-1.3٪ کربن با  نسبت 10:1 باشد . جدول زیر تأثیر محتوای مختلف منگنز بر خواص مکانیکی فولاد هادفیلد را نشان می دهد.

فولاد منگنز هادفیلد ظرفیت بالایی برای سخت شدن در هنگام ضربه دارد و با توجه به این ویژگی به طور گسترده در تعداد زیادی از صنایع مانند خطوط ریلی، سطل های لایروبی، سنگ شکن های فکی و عملیات های مقاومت بالا در برابر ضربه و سایش کاربرد دارد . در شرایط ریختگی، فولاد حاوی کاربیدها ، به محصول شکننده تبدیل میشود. کاربیدها در قالب های ریخته گری در صورتی که سرعت سرد کردن پایین باشد تشکیل میشوند . برای حذف کاربیدهای ناخواسته می توان از عملیات حرارتی مناسب و کوئنچ در هوا یا آب (با توجه به ضخامت قطعه) استفاده کرد.

از دیگر نکاتی که خواص نهایی محصول را به ویژه در طی فرآیند ساخت تعیین می کند، ترکیب شیمیایی ذوب و به دنبال آن عملیات حرارتی مناسب به منظور ایجاد ریزساختار مناسب به منظور جلوگیری از عیوب ساختاری (حفره ها، ترک ها، آخال ها) و تشکیل فازهای شکننده است. بنابراین پارامترهای مختلفی مانند عناصر آلیاژی، شرایط ریخته‌گری، سرعت انجماد، عناصر میکروآلیاژی و چرخه‌های عملیات حرارتی می‌توانند ریزساختار بهینه را تعیین کند .

یکی ازویژگی منحصر به فرد این فولاد سخت و با استحکام بالا، سخت شدن سریع در حین کار، از استحکام تسلیم 379 مگاپاسکال تا مقاومت کششی نهایی 965 مگاپاسکال است. در آزمایش‌های سایشی، فولاد هادفیلد بهتر از فولادهای آلیاژی فرفورژه، فولادهای آلیاژی ریختگی، فولادهای ضد زنگ، فولادهای ابزار یا فولاد با کروم بالا و چدن‌های سفید عمل می‌کند.

تأثیر ترکیب شیمیایی بر فولاد هادفیلد

ترکیب شیمیایی یکی از مهمترین عواملی است که می تواند بر خواص مکانیکی ریخته گری فولاد منگنز بالا تأثیر بگذارد. محتوای کربن و منگنز نقش مهمی در تولید فولاد با منگنز بالا دارد. ریخته گری فولاد منگنز می تواند چندین گرید اصلاح شده در مسیر تولید خود داشته باشد و این گریدها معمولاً برای برآوردن الزامات کاربرد، اندازه مقطع، اندازه ریخته گری، هزینه و ملاحظات توانایی جوش تولید میشود. همانطور که در جدول بالا نشان داده شده است، خواص مکانیکی فولاد منگنز آستنیتی با محتوای کربن و منگنز متفاوت است. با افزایش کربن، حفظ کل کربن در محلول جامد به طور فزاینده ای دشوار می شود، که ممکن است باعث کاهش استحکام کششی و شکل پذیری شود. یک واقعیت مهم این است که محتوای کربن و منگنز در فولادهای منگنزی نه تنها به هم مرتبط هستند، بلکه با ضخامت ریخته‌گری نیز مرتبط هستند. شکل زیر تأثیر محتوای کربن را بر خواص فولاد هادفیلد نشان می‌دهد.

مقاومت سایشی ریخته گری فولاد منگنز بالا با افزایش محتوای کربن افزایش می یابد . محتوای کربن بالای 1.4 درصد به ندرت مورد استفاده قرار می گیرد به دلیل دشواری به دست آوردن یک ساختار آستنیتی عاری از کاربیدهای مرز دانه که برای استحکام و شکل پذیری فولاد مضر است.

کروم تمایل به افزایش سختی دارد. این عنصر اثرات جالبی بر روی فولاد و همچنین بهبود مقاومت در برابر خوردگی فولاد منگنزی دارد. کروم به عنوان یک کاربید تشکیل دهنده عمل می کند بنابراین مازاد کروم به فولاد منگنز منجر به رسوب کاربید در مرز دانه در شرایط ریختگی می شود. تحقیقات نشان میدهد که برای کاهش کسر حجمی کاربید و به دست آوردن مقادیر مناسب ضربه، محتوای کروم باید به 0.1٪ محدود شود. اگر این کاربیدها به صورت ذرات بی ضرر در زمینه وجود داشته باشند، قدرت تسلیم افزایش می یابد در حالی که انرژی ضربه کاهش می یابد.

فسفر در فولاد منگنز باعث افزایش تمایل به جدایش در مرزهای دانه میشود، یا تشکیل یک فیلم یوتکتیک فسفیدی شکننده باعث میشود فولاد منگنزی با فسفر بالاتر از 0.06 درصد ، انعطاف پذیری دمای بالا فولاد منگنز به شدت کاهش می یابد.

ایران در صنعت ریخته گری سابقه درخشانی دارد. در واقع می توان گفت از وقتی که بشر به فکر استفاده از فلزات افتاده صنعت ریخته گری هم به وجود آمده است. برای مثال در گذشته برای ساخت ابزارآلات جنگی فلزات را ذوب می کردند و آن را در قالب مورد نظر می ریختند. ریخته گری بخشی از علم متالورژی هست، بنابراین نمی توان فقط به دید فعالیت تجربی به آن نگاه کرد، بلکه یک روش علمی می باشد که با اصول و قوائد فنی می توان بهترین نتیجه را از این روش گرفت. ریخته گری انواع مختلفی دارد، ما در این مقاله می خواهیم ریخته گری قطعات چدنی و فولادی با روش ماسه ای را شرح دهیم.

معرفی ریخته گری

یکی از روش های تولید در صنعت ریخته گری می باشد تاریخچه آن به ۴۰۰۰ سال قبل از میلاد بر می گردد یعنی زمانی که بشر برای تولید زیورآلات نوک پیکان جنگی از جنس مس و دیگر  وسایل فلز را ذوب می کرد در واقع داشت از روش ریخته گری بهره می برد

فرآیند ریخته گری مواد یعنی این که فلز مورد نظر مانند: مس، فولاد نسوز ، چدن، آلومینیوم و … را ذوب کنیم و بعد آن را در قالبی که از قبل آماده کردیم بریزیم و بعد از منجمد شدن آن شکل قالب را به خود بگیرد و قطعه ما ساخته شود. در نتیجه محصولات ساخته شده با ریخته گری فولاد نسوز ، چدنی، مسی و … تولید می شوند.

صنعت ریخته گری در ایران:

سابقه درخشان ایران در صنعت متالورژی و ریخته گری

 در ایران بحث ریخته گری به صورت علمی در 50 سال اخیر مطرح شده است و روز به روز با انجام تحقیقات در این زمینه پیشرفت هایی صورت گرفت و حتی ریخته گری دوشابی مطرح شده، که نشان می دهد پتانسیل کار روی این روش خیلی بالاست، اما تفاوت عمده ریخته گری در ایران با کشورهای صنعتی بزرگ دنیا فاصله زیادی است، که بین کیفیت و قیمت قطعات داخلی و خارجی وجود دارد. ما باید بتوانیم قطعات با کیفیت بالا را تولید کنیم تا در این شاخه از صنعت با کشورهای بزرگ و صنعتی رقابت داشته باشیم.

فرآیند ریخته گری قابلیت تولید قطعات با اشکال مختلف و پیچیده به صورت یکپارچه و همچنین حفره های داخلی را دارد.

• تولید قطعه های خیلی بزرگ
• تولید قطعات خیلی کوچک
• تولید قطعات حفره دار

از قطعات معروف که با روش ریخته گری تولید میشود میتوان به این موارد اشاره کرد:

• بدنه موتور
• سیلندر
• پوسته جعبه دنده و دیفرانسیل
• پیستون
• دیسک های توربین
• چرخ های واگن قطار
• وسایل تزیینی
• زیورآلات
• و …

عملیات ریخته گری شامل موارد زیر است:

• جریان فلز مذاب به داخل حفره ها

یعنی فلز مورد نظر توسط کوره هایی با دمای بالا نقطه ذوب حرارت داده می شود و به صورت مذابی با سیالات بالا در می آید، سپس فلز مذاب را به درون حفره قالب ریخته می شود.

• منجمد شدن فلز از حالت فاز مذاب و تغیرات حجمی مربوطه

مذابی که درون قالب ریخته شده است حرارت خود را از دست می دهد کم کم منجمد می شود، که با تغییرات حجمی همراه می شود و در ئاقع انقباض داریم.

در حین تبدیل شدن فلز از حالت  بذاب به جامد انتقال حرارت صورت می گیرد بحث انتقال حرارت و نحوه آن خیلی مم است و روی خواص قطعه تاثیر زیادی می گذارد.

با این روش قطعات و لوازم زیادی با اندازه ها و رنگ های متفاوت با اشکال ساده و پیچیده ساخته می شوند و یک  روش ساخت متداول هست.

از قطعات معروف که با این روش تولید می شوند سیلندر و سرسیلندر موتور اتومبیل است. این قطعه با ساختار فلزی بزرگ با شکل خاص تولید می شود. برای ساخت این قطعه با ابعاد مناسب خواص مکانیکی مورد نظر باید با علم ریخته گری و طراحی آشنا بود. حفره هایی که در این قطعه وجود دارد برای آنها از اسم ماهی چه استفاده می شود.

• ابتدا مدل مورد نظر را را درون قالب قرار داده پودر تالک روی مدل پاشیده می شود تا جلوی چسبیدن آن با قالب رویه را بگیرد.
• حالا ماسه تر را که درصد چربی و رطوبت آن مناسب و آزمایش شده روی سطح مدل میریزیم تا کفی مسطح مناسب ایجاد کنیم.
• قالب را تا لبه بیرونی کاملاً پر میکنیم و کوبیدن را از دور لبه به صورت مارپیچ به سمت داخل با مدیریت میکوبیم. یعنی باید دقت شود کوبیدن به شکلی باشد که مدل خراب و جابجا نشود.
• دوباره روی قالب ماسه ریخته طوری که سطح آن بالا می آید و با کف کوبه آرام به آن ضربه میزنیم.
• سطح را کاملاً صاف می کنیم و با آرامی قالب را برمیگردانیم.
• ماسه های اضافه با فرچه جمع آوری کنید.
• برای جلوگیری از چسبیدن مجدداً از پودر تالک استفاده می کنیم.
• حالا نوبت قرار دادن نیم درجه بالایی است که روی نیم درجه پایینی قرار می دهیم و از مدل لوله نگهدارنده برای ایجاد حفره استفاده می کنیم.
• ماسه را مرطوب را برای افزایش کیفیت سطح روی مدل میریزیم مانند قبل باید کوبیده شود.
• هر دو طرفه قالب رو با سیخ هواکش حفره‌های ایجاد می کنیم به گونه‌ ای که به مدل آسیب وارد نشود.
• قبل از خشک شدن باید یک راه باره برای ریختن فلز مایع ایجاد کرد تا قالب شکل بگیرد.
• با یک پیچ که جای آن قبلا مشخص شده است، روی مدل قرار داده و پیچ رو محکم نگه میداریم و مدل را به آرامی بیرون می آوریم، به صورتی که به طرحی که در قالب ایجاد شده آسیب وارد نشود و شکل خود را از دست ندهد.
• پس از خشک کردن آنها روی هم دیگه قرار داده می شوند و هر دو را میبندیم. باید دقت شود در هنگام بسته شدن کامل و فیکس باشد، سپس مذاب ریزی را به آرامی با روش استاندارد انجام می دهیم به این فرآیند ریخته گری ماسه ای گفته می شود.

ریخته گری فولادی و چدنی

یکی از مزایای ریخته گری ماسه ای قطعات چدنی و فولادی این است که در این تولید فلزات، هزینه تجهیزات و ابزار نسبت به بقیه فرآیند ها پائین تر است، همین امر باعث شده تا یکی از روش های ارزان تولید قطعات مختلف باشد.

 ویژگی اصلی این روش این است که از ماسه  به عنوان قالب استفاده می شود، بنابراین با کاهش هزینه تجهیزات و مواد روبرو هستیم که این خود یک مزیت بزرگ است.

مراحل ریخته گری قطعات چدنی و فولادی

1. ساختن حفره قالب
2. گرم کردن مواد و ذوب آنها در کوره مخصوص وکنترل ترکیب
3. ریختن فلز ذوب شده درون حفره قالب
4. جامد شدن فلز فولاد و چدن
5. خارج کردن محصول پس از جامد شدن و فرم دهی و برش دادن قطعه

شرکت صنایع ذوب و تکمیل فلزات یکی از تولید کننده های قطعات خودرو همواره در تلاش است، تجهیزاتی با کیفیت بالا و قیمت قابل رقابت در زمان مناسب به مشتریان خود ارائه دهد. پیشنهاد می شود برای خرید با مشاورین ما در ارتباط باشید.

سخن پایانی

با توجه به مطالب فوق می توان دریافت در فرآیند ریخته گری فولاد و چدنی به روش ماسه ای می توان این فلزات را با طرح ها و مدل های متنوع در سایزهای مختلف به محصولات کاربردی تبدیل کرد. این قطعات می توانند در خودرو، موتور، اکسسوری منزل، زیورآلات و دیگر موارد تولید و استفاده شوند.