آلیاژهای آهنی
یکی از رایج ترین تقسیم بندی ها در رابطه با فلزات و آلیاژهای ریختگی، دسته بندی آن ها به دو دسته آلیاژهای آهنی و آلیاژهای غیر آهنی است. آلیاژهای آهنی شامل آلیاژهایی هستند که در آن ها عنصر آهن به عنوان عنصر پایه و عنصر کربن به عنوان عنصر اصلی محسوب می شود.
اساس تمدن و صنعت جهان امروز وابسته به آهن و آلیاژهای مختلف آن است. کاربرد آهن از تمامی فلزات بیشتر است ولی آهن به صورت خالص به دلیل استحکام کم آن، مصرف صنعتی ندارد و اکثراً از آلیاژهای مختلف آن شامل فولادها و چدن ها استفاده می شود. این آلیاژها به واسطه کاربردشان در موارد مختلف از اهمیت زیادی در صنایع جدید برخوردارند. قیمت ارزان و استحکام بالای آلیاژهای آهنی، استفاده از آن ها را در صنایع اتومبیل سازی، کشتی سازی، تجهیزات نظامی، اسکلت ساختمان ها و غیره اجتناب ناپذیر کرده است.
چدن و فولاد نشان دهنده برخی از پیچیده ترین سیستم های آلیاژی هستند، زیرا با توجه به ترکیب شیمیایی، شرایط انجماد و نوع عملیات حرارتی، ریزساختارهای گوناگونی حاصل می شود که همین امر موجب حصول خواص مختلفی در این آلیاژها می شود.
چدن چیست؟
چدن ها آلیاژهای سه تایی از آهن، کربن و سیلیسیم هستند که میزان کربن آن ها بیش از ۲% بوده و برخی عناصر دیگر مانند فسفر، گوگرد و منگنز در حد کم در آن ها وجود دارد. چدن ها عموماً توسط ریخته گری شکل داده می شوند و دارای تحول یوتکتیک در هنگام انجماد هستند. تنوع زیاد در خواص، از طریق تغییر مقادیر عناصر سیلیسم و کربن در این آلیاژها امکان پذیر می باشد.
انواع چدن ها شامل چدن خاکستری، چدن سفید، چدن خالدار، چدن داکتیل، چدن با گرافیت فشرده و چدن مالیبل است. چنانچه برای ایجاد خواص مشخصی در ترکیبات چدن های مذکور از عناصر آلیاژی در مقادیر زیاد استفاده شود، این چدن ها را چدن های آلیاژی می نامند.
ذوب چدن های ریختگی در ابتدا توسط کوره بلند صورت گرفت. مذاب چدن تولید شده در این کوره ها شامل حدود ۴ درصد کربن و حدود ۲ درصد سیلیسیم همراه با دیگر عناصر آلیاژی بود که از سنگ معدن و دیگر محتویات شارژ تشکیل می شد. حضور کربن و دیگر عناصر آلیاژی در آهن مذاب موجب کاهش نقطه ذوب آهن از ۱۵۳۶ به حدود ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد می شود. به این ترتیب حرارت ایجاد شده در کوره دمشی موجب ذوب کامل چدن و رساندن دمای آن به حدود ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد می گردید.
در اثر انجماد چدن ها با توجه به ترکیب شیمیایی، سرعت سرد کردن و مواد جوانه زا، قسمت اعظم کربن به صورت گرافیت یا کاربید آهن رسوب می کند. اگر کربن به صورت ورقه های گرافیت رسوب کند، محصول تولید شده چدن خاکستری نام دارد، زیرا سطح مقطع شکست آن به رنگ خاکستری تیره می باشد که دلیل آن حضور گرافیت به میزان ۱۲ درصد از حجم کل می باشد. از مزایای چدن های خاکستری میتوان به سیالیت بالا، خواص خوب ماشینکاری و جبران انقباض حجمی در اثر انبساط گرافیت ها در مراحل انجماد اشاره کرد، که همین امر موجب افزایش کاربرد آن ها در صنایع مختلف گردیده است.
از پارامترهای اساسی در هنگام ریخته گری چدن خاکستری که می بایست به آن ها توجه نمود، دمای فلز مذاب، تمیزی مذاب از آخا ل ها و روش ریختن مذاب می باشد. سربارهگیری از سطح مذاب و جلوگیری از ورود آخال ها به محفظه قالب یکی از راه های تمیز نمودن مذاب است. از آن جایی که سیالیت به طور مستقیم به میزان فوق ذوب بستگی دارد، لذا مذاب چدن باید به اندازه کافی فوق ذوب داشته باشد تا تمام قسمت های قالب را بدون ایجاد عیوب ریختگی مربوط به دما پر نماید.
تصویر میکروسکوپی از چدن خاکستری با گرافیت های ورقه ای
در صورتی که کربن به صورت کاربید در ساختار رسوب کند، محصول حاصل چدن سفید نام دارد. زیرا سطح شکست آن سفید و براق است. قبلاً، چدن سفید ارزش کمی داشت، زیرا بسیار شکننده و سخت بود و قابلیت ماشینکاری نداشت، ولی امروزه با توجه به خواص مقاومت به سایش این دسته از چدن ها و استفاده از عناصر آلیاژی در ترکیب آن ها، چدن های سفید کاربردهای گوناگونی در صنایع به خصوص در کاربردهای سایشی یافته اند.
چدن هایی که در آن ها گرافیت و کاربید آهن در کنار هم وجود دارد به چدن های خالدار معروف هستند. چدن های مالیبل دسته دیگری از چدن ها هستند که با ریخته گری چدن سفید و انجام عملیات حرارتی مشخصی (عملیات مالیبل کردن) بر روی آن ها تولید می شوند. در طی عملیات حرارتی ذکرشده، کاربید آهن به نوعی از گرافیت به نام گرافیت برفکی تبدیل می شود. در اثر این عملیات، انعطاف پذیری و قابلیت افزایش طول، ۱۰ درصد و یا بیشتر افزایش می یابد. چدن های مالیبل برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر ضربه دارند مناسب هستند. از جمله کاربردهای مهم این دسته از چدن ها می توان به اجزاء خطوط راه آهن، صنایع اتومبیل سازی اشاره نمود.
تصویری میکروسکوپی از چدن مالیبل با گرافیت های برفکی شکل
در اواخر دهه ۱۹۴۰ میلادی با کشف چدن داکتیل پیشرفت بزرگی در صنایع چدن ایجاد شد. شکل گرافیت در این چدن ها به فرم کروی بود و توسط ریخته گری ترکیب مناسبی از چدن تلقیح شده با منیزیم تولید میشد. پیشرفت های زیادی از آن زمان تا به امروز در زمینه تولید و افزایش کاربرد این دسته از چدن ها صورت گرفته است، به طوری که امروزه چدن های داکتیل تبدیل به یکی از آلیاژهای پر مصرف شده اند و این روند رو به رشد همچنان ادامه دارد.
تصویری میکروسکوپی از چدن داکتیل با گرافیت های کروی شکل
چدن داکتیل دارای خواص مشترکی با چدن خاکستری است، مثل قابلیت خوب ریخته گری، ولی از نظر فرایند ریخته گری تفاوت های مهمی وجود دارد. افزایش و کاهش دمای بارریزی نامطلوب است و ممکن است تشکیل کاربید در مقاطع نازک را افزایش دهد. اگر برای کروی نمودن گرافیت ها بخواهیم از آلیاژ فروسیلیکومنیزیم استفاده کنیم، نیاز به یک چدن پایه با سیلیسیم کم می باشد.
چدن های با گرافیت فشرده نیز دسته دیگری از چدن ها هستند که شکل گرافیت در آن ها در حالتی حد واسط گرافیت ورقه ای و گرافیت کروی و به صورت کرمی شکل می باشد و خواص آن ها میانگینی از خواص چدن خاکستری و چدن داکتیل است.
تصویری میکروسکوپی از چدن با گرافیت فشرده
آخرین گروه از چدن ها شامل چدن های آلیاژی هستند که جهت دستیابی به خواص حرارتی یا مقاومت به خوردگی و سایش، در آن ها از عناصر آلیاژی در مقادیر بالا استفاده شده است.
فولاد چیست؟
فولادها گروه دیگری از آلیاژهای آهن-کربن هستند که در آن ها میزان کربن بسیار کمتر از چدن ها است. در فولادها عناصری مانند سیلیسیم و منگنز در مقادیر کم و عناصر فسفر و گوگرد به عنوان ناخالصی حضور دارند. فولادها بدون تحول یوتکتیک منجمد می شوند و میزان کربن آن ها کمتر از ۲ درصد است.
ریخته گری فولادها نسبت به چدن ها دارای پیچیدگی های بیشتری است. به همین جهت تولید قطعات ریختگی فولادی سالم وابسته به رعایت اصول مهمی در این زمینه می باشد. درجه حرارت بالای ریخته گری فولادها نسبت به چدن ها موجب نیاز به موادی با دیرگدازی بالا در کوره، قالب و پاتیل های حمل مذاب را ضروری می سازد. همچنین طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه گذاری به دلیل زیاد بودن انقباض در حین انجماد، در ریخته گری آلیاژهای فولادی از حساسیت بالایی برخوردار است. همچنین با توجه به عدم حضور گرافیت در فولادها حساسیت آن ها نسبت به آخال ها و عیوب داخلی بیشتر از چدن ها می باشد.
قالب ریخته گری
یکی از نکات مهم در تولید قطعات ریختگی مرغوب، توجه به تهیه قالب ها است، زیرا قالب جزئی است که در آن استحاله مذاب به جامد انجام می گیرد. با توجه به این که وظیفه اصلی یک قالب تضمین سلامت قطعات از نظر کیفیت، شکل و ابعاد آن ها است، به شرح مختصری از قالب های مورد استفاده و مواد قالب گیری در ریخته گری آلیاژهای آهنی می پردازیم.
قالب های مورد استفاده در ریخته گری آلیاژهای آهنی به دو دسته تقسیم می شود: قالب های موقت و قالب های دائمی.
قالب های موقت
این دسته از قالب ها شامل قالب هایی هستند که فقط به منظور تولید قطعات در یک بار ریختن مذاب مورد استفاده قرار می گیرند و پس از انجماد باید برای خروج قطعات، قالب را تخریب نمود. از انواع قالب های موقت می توان به قالب های ماسه ای، سرامیکی و پوسته ای اشاره کرد.
نمایی از یک قالب ماسه ای (موقتی)، به همراه بخش های مختلف آن
قالب های دائم
گروهی از قالب ها هستند که برای تولید تعداد زیادی قطعه از یک قالب مورد استفاده قرار می گیرند. وجود مزایایی از جمله کنترل ابعاد، یکنواختی در تولید، سطح تمام شده مناسب و سرعت تولید بالا، موجب توجه بیشتر به این دسته از قالب ها شده است.
در قالب های دائم نحوه پرشدن قالب از مذاب به سه طریق صورت می گیرد:
الف) استفاده از نیروی وزن مذاب
ب) استفاده از فشار وارده بر مذاب
ج) از طریق نیروی گریز از مرکز
با توجه به نقطه ذوب بالا و طولانی بودن زمان سرد شدن آلیاژهای آهنی، استفاده از برخی انواع قالب های دائمی با محدودیت همراه است.
نمایی از یک قالب دائمی و بخش های مختلف ان
سیستم های راهگاهی
یکی از مهم ترین پارامترها در تولید قطعات ریختگی سالم و عاری از عیوب ریختگی، توجه به طراحی سیستم راهگاهی می باشد. به طور کلی سیستم راهگاهی شامل چند کانال برای انتقال مذاب از پاتیل یا بوته به محفظه قالب می باشد. اجزای سیستم راهگاهی عبارتند از: حوضچه بارریزی، راهگاه بارریزی، حوضچه پای راهگاه، کانال اصلی و کانال فرعی.
عدم توجه و دقت در طراحی سیستم راهگاهی، موجب بروز معایبی از جمله تخریب قسمت هایی از قالب و وارد شدن ماسه به همراه مذاب به محفظه قالب، جذب گاز و اکسیداسیون مذاب، پر نشدن قالب و نرسیدن مذاب به قسمت های نازک تر و به وجود آمدن حفره های گازی و انقباضی در قطعه ریختگی می شود.
نمایی از سیستم راهگاهی به همراه بخش های مختلف آن
تغذیه گذاری
تغذیه گذاری عبارت است از ایجاد محفظه ای اضافی از مذاب در قالب (که در حین بارریزی همراه با قالب پر می شود) به منظور جبران کمبود حجمی فلز در حالت مذاب و ضمن انجماد؛ برای دستیابی به تولید قطعات سالم و عاری از عیوب انقباضی. در صورتی تغذیه مفید محسوب می شود که بتواند حفره های انقباضی را از قطعات ریختگی به داخل خود انتقال دهد و تولید قطعه سالم را تضمین کند و از نظر اقتصادی به صرفه باشد.
+ هندبوک آلیاژهای آهنی فوسکو
آلیاژهای آهنی به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند، به طوری که در حال حاضر بیش از ۹۰ درصد فلزات مصرفی در صنعت از نوع آلیاژهای آهنی است. لذا اطلاع از نحوه ریخته گری این آلیاژها و مشخصات آن ها از نیازمندی های اساسی تمامی دانشجویان و متخصصین متالورژی به خصوص فعالان صنعت ریخته گری کشورمان می باشد. یکی از کتاب های ارزشمندی که راهنمایی جامع و کامل در این زمینه است، “هندبوک ریخته گران فلزات آهنی فوسکو” (Foseco Ferrous Foundryman’s Handbook) تالیفJohn R. Brown ، با حمایت شرکت فوسکو (تامین کننده مواد اولیه و ملزومات صنعت ریخته گری) است. چاپ اول هندبوک ریخته گران فلزات آهنی در سال ۲۰۰۰ منتشر شده است. این کتاب در بیست فصل به شرح موارد زیر می پردازد:
- جداول و اطلاعات عمومی
- انواع چدن ها
- چدن خاکستری
- چدن مذاب
- تلقیح یا جوانه زایی در چدن خاکستری
- چدن داکتیل
- چدن مالیبل
- چدن های آلیاژی با کاربردهای ویژه (چدن های نسوز، چدن های مقاوم به خوردگی، چدن های مقاوم به سایش)
- انواع فولادهای ریخته
- ذوب و آماده سازی مذاب فولاد برای ریخته گری
- انتقال مذاب فولاد
- ماسه ها – ماسه های بدون چسب رزینی
- ماسه های چسب رزین دار
- ماسه CO2 یا ماسه با چسب سدیم سیلیکات
- ریخته گری لاست فوم (ریخته گری با مدل های فومی از بین رونده)
- پوشان قالب و ماهیچه
- سیستم راهگاهی و فیلترگذاری در ریخته گری چدن
- سیستم راهگاهی و فیلترگذاری در ریخته گری فولاد
- تغذیه گذاری
- شبیه سازی کامپیوتری فرایند ریخته گری
علاقمندان و کاربران محترم وب سایت عصر مواد می توانند هندبوک ریخته گران فلزات آهنی فوسکو را از لینک زیر در عصر مواد دریافت نمایند:
Foseco Ferrous Foundryman’s Handbook
فرمت: PDF
تعداد صفحه: ۳۷۳
زبان: انگلیسی
حجم: ۳٫۸ مگابایت
لینک دانلود:
 |
 |
 |
 |
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.