چدن ها و انواع آن

2

  1. انواع ساختارهای چدن

  2. تاثیر عناصر مختلف در چدن ها

  3. تولید چدن نشکن

  4. کارگاه چدن 

1

  1. انواع ساختارهای چدن

  2. تاثیر عناصر مختلف در چدن ها

  3. تولید چدن نشکن

  4. کارگاه چدن 

چدن :

با وجود کاهش قابل توجه در تولید چدن‌ها در طول دهه گذشته، چدن‌هابه عنوان مهمترین آلیاژهای ریختگی مورد توجه بوده‌اند. محبوبیت ریشه ای چدن‌ها درریخته گری اشکال پیچیده با هزینه‌های پایین تولید، قیمت تمام شده نسبتا پایین ومحدوده وسیع خصوصیاتی که قابل دسترسی توسط کنترل دقیق ترکیب و سرعت خنک کردن بدون تغییرات بنیانی و اساسی در روش‌های تولید، است.

چدن خام:

آهن،اغلب از کانه های اکسید یا کربنات که گوگرد، آرسنیک و غیره از آنها زدوده شده باشد با برشته کردن در هوا، و کاهش با کربنتهیه می‌شود. کانه آهن با کک و کربنات کلسیم آمیخته شده و در یک کوره بلند که دمای بیشینه آن ۱۳۰۰ درجه سانتیگراداست. گرم می‌شود ناخالصیهای عمده اسیدی به کمک سرباره (کلسیم سیلیکات، آلومینات وغیره) خنثی می‌شود و توده فلزات مذاب به صورت چدن خام به بیرون جریان می‌یابدچدن خامشامل ۲ الی ۴ درصد کربن و اندکی گوگرد، فسفر و سیلسیم است. چدن مذابرا به صورت خام یا پس از افزودن فلزهای آلیاژ دهنده، برای بهبود خواص چدن، درقالبهایی از ماسه یا فلز و بر حسب نوع مصرف، آنها را به صورت اشکال مختلف درمی‌آورند.

آلیاژهای چدن:

فلزهای آلیاژ دهنده برای بهبود کیفیت چدن برای مصارف ویژه بهآن افزوده می‌شوند. آلیاژهای چدن در کارهای مهندسی که در آنها چدن معمولی ناپایداراست به کار می‌روند و حتی ممکن است در مواردی نیز، مثلا ساخت میل لنگ، جانشین  فولاد شوند. در هر حال، با دارا بودن مزایایی از قبیل از قیمت تمام شده تولید پایین توام با قابلیت ریخته گری، استحکام، قابلیت ماشین کاری، سختی، مقاومت در برابر سایش،مقاوم در برابر خوردگی، انتقال حرارت و جذب ارتعاش در این آلیاژ آن را از سایرآلیاژهای ریختگی آهنی متمایز ساخته است.

انواع ساختارهای زمینه چدن:

اساس خواص مکانیکی چدن به زمینه آن بستگی دارد. به همین دلیل است چدن ها را با عبارت ساختار زمینه آنها برای مثال انواع پرلیتی یافریتی توصیف می‌کنند. مهمترین ساختار زمینه چدن عبارتند از:

فریت:

فریت محلول جامد Fe-C است که به طور قابل ملاحظه‌ای Si و مقادیرکمتری Ni ,Cu ,Mn در آن حل شده‌اند. فریت نسبتا نرم، چکشخوار، استحکام کم، مقاومت به سایش ضعیف، شکست خوب، ضریب هدایت گرمایی نسبتا خوب وقابلیت ماشینکاری خوبی است. یک زمینه فریتی را می‌توان به طور ریختگی تولید کرد امااغلب با عملیات حرارتی باز پخت (تابکاری) می‌توان به آن دست یافت.

پرلیت:

مخلوطی از فریت و سمانتیت Fe<sub>3</sub>C است که توسطواکنش یوتکتیک از استینیت تشکیل شده و نام پرلیت از ظاهرصدف گونه‌اش مشتق شده است. پرلیت نسبتا سخت و از چقرمگی کمتری برخوردار بوده و ضریب هدایت گرمایی کم و در ضمن از ماشینکاری خوبی برخوردار است. وقتی فاصله بین دانه‌های پرلیت در زمینه کم می‌شود خواص مکانیکی افزایش می‌یابد مقدار کربن پرلیت در فولادهای غیر آلیاژی ۰٫۸ % است در حالی که در چدنها بسته به ترکیب چدن و سرعت خنک شدن متغیر بوده و حتیمی تواند کمتر از ۰٫۵% در چدن های پرسیلسیم باشد.

فریت- پرلیت:

ساختار مخلوطی است که غالبا برای رسیدن به خصوصیاتی بینابی نیاز آنچه که در فوق شرح داده شده به کار گرفته می‌شود.

بینیت:

این ساختار می‌تواند به صورت ریختگی با افزودن عناصر آلیاژی Mo و Ni به مقادیرمعین تولید شد. در ضمن جهت اطمینان بیشتر می‌توان توسط عملیات حرارتی آستمپر نیز به این ساختار رسید. این آلیاژ، با توجه به صرفه اقتصادی اخیرا توانسته‌اند نقش موثریبویژه در مهندسی خودرو، قطعات دنده ها، قطعات انتقال نیرو داشته باشند. مزایای چدنهای گرافیت کروی آسمتپر عبارتند از: استحکام کششی بالا توام با چقرمگی، انعطافپذیری و استحکام خوب، مقاومت به سایش و خراش، ظرفیت بالای جذب صدا و کارکرد، خواصریخته کری خوب، فرم پذیری نزدیک به شکل نهایی حتی در شکل های خیلی پیچیده، قابلیتماشینکاری خوب در حالت ریخته و حدود ۱۰% صرفه جویی در وزن در مقایسه با فولاد.

آستنیت:

برای پایدار نگاه داشتن این فاز در طول عمل خنک شدن یک عنصر آلیاژیبا مقدار زیاد و معینی لازمست. چدن گرافیت ورقه ایوگرفیت کروی آلیاژی(نیکل- سخت) چدن هایی با زمینه آستنیتی و دارای خواص عالی حرارتی مقاومت بهخوردگی و نیز غیر مغناطیسی هستند. این زمینه می‌تواند خصوصیات چقرمگی خوب، مقاومتبه خزش، تنش پارگی تا دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد و یک محدوده گسترده ای از انبساطحرارتی که تابع از Si موجود در چدن است را نشان دهد.

انواع چدن :

چدن ها به دو گروه اصلی تقسیم بندی می‌شوند، آلیاژهایی برای مقاصدعمومی که موارد استعمال آنها در کاربردهای عمده مهندسی است و آلیاژهای با منظور ومقاصد ویژه از جمله چدن های سفید و آلیاژهای که برای مقاومت در برابر سایش، خوردگیو مقاوم در برابر حرارت بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

چدن های عمومی

اینچدن ها جزو بزرگترین گروه آلیاژهای ریختگی بوده و بر اساس شکل گرافیت به انواع زیرتقسیم بندی می‌شوند:

    • چدن گرافیت لایه ای یا چدن خاکستری ورقه‌ای
    • چدن گرافیت مالیبل یا چدن چکش‌خوار
    • چدن گرافیت کروی یا چدن نشکن
    • چدن گرافیت فشرده یا کرمی شکل

چدن های سفید و آلیاژی مخصوص:

این چدن ها با آلیاژهای چدنی معمولی فرق می‌کنند. میزان عنصر آلیاژی درآنها بیش از ۳% بوده ولذا آن را نمی‌توان توسط مواد افزودنی به پاتیل اضافه کرده وبه یک ترکیب پایه استانداردی رسید. این چدن های آلیاژهای به آلیاژهای عاری ازگرافیت و گرافیت‌دار تقسیم بندی می‌شوند و به صورت های مقاوم به خوردگی، دمای بالا،سایش و فرسایش می‌باشند.

    • چدن های بدون گرافیت:
      • چدن سفید پرلیتی: مقاوم به سایش
      • چدن سفید مارتنزیتی (نیکل-سخت): مقاوم سایش
      • چدن پر کرم (۳۳-۱۷ %Cr): مقاوم به خوردگی، سایش و حرارت
  •   چدن های دارای گرافیت:
    • چدن سوزنی: استحکام بالا و مقاوم به سایش
    • آستنیتی: شامل دو نوع نیکروسیلال یعنی نیکل سیلسیم بالا و نیکل مقاوم (Ni-resist) و هر دو مقاوم به حرارت و خوردگی
    • فریتی: شامل دو نوع چدن، پر سیلسیم (۱۵%) مقاوم در برابر خوردگی و چدن ۵%سیلسیمدر سیلال مقاوم در برابر حرارت

برخی از کاربردهای چدن‌ها:

  • در تولید قطعات ریختگی تحت فشار از جمله شیر فلکه ها، بدنه های پمپ قطعات ماشینآلات که در معرض شوک و خستگی هستند، میل لنگ ها، چرخ دنده ها، غلتک ها، تجهیزاتفرایند شیمیایی، مخازن ریختگی تحت فشار و…
  • برای خودروو صنایع وابسته به آن مثلا در ساختمفصل های فرمان، دیسک ترمزها، بازوها، میل لنگ‌ها و چرخ دند‌ه‌ها، صفحه کلاچ‌هاو…

 در راه آهن، کشتیرانی و خدمات سنگین و دیگر جاهایی که نیاز به مقاومت در برابرشوک است مثلا در تجهیزات الکتریکی کشتی‌ها، بدنه موتور، پمپ ها، بست ها و غیره

 قطعات غیر فشاری برای کاربردهای درجه حرارت بالا برای مثال در ساخت قطعات وجعبه های درگیر با آتش، میله های شبکه، قطعات کوره‌ها، قالبهای شمش، قالبهای شیشه،بوته‌های ذوب فلز.

 اگر چدن های غیر آلیاژی به طور کلی مقاوم به خوردگی بویژه در محیط های قلیایی هستند،چدن‌های نیکل مقاوم و نیکروسیلال و نیکل و کروم بالا به صورت برجسته‌ای مقاوم بهخوردگی در محیط هایی مناسب و مختص به خودشان هستند. مهمترین کاربرد این چدنها درپمپهای دنده‌ای حمل اسید سولفوریک، پمپ‌ها و شیرهایی که در آب دریا مصرف می‌شوند،قطعات مورد استفاده در سیستم هایبخارو جابجایی محلول های آمونیاکی،سودو نیز برای پمپاژ و جابجایی  نفت خام اسیدی در صنایع نفت هستند.

تاثیر عناصر مختلف بر چدن خاکستری :

۱- هیدروژن :

که از اتمسفر محیط و رطوبت موجود در محفظه قالب وارد مذاب می شود . و باعث ایجاد مک و حفرات گازی در درون قطعه می گردد . و با افزایش درصد الومینیم در مذاب چدن میزان جذب هیدروژن افزایش پیدا می کند.

هیدروژن باعث تشدید تشکیل کاربید شده و عمق سفیدی را در چدن افزایش می دهد که این عمق باعث می شود که مقاومت به ضربه چدن کاهش پیدا کرده و هزینه تراشکاری افزایش پیدا کند . که برای از بین بردن سفیدی در چدن ها می توان با تلقیح مناسب و یا جلوگیری از عوامل کاربیدی این عمق را کاهش داد.

v    بهترین شرایط در چدن خاکستری شرایطی است که عمق سفیدی کاهش پیدا کند.

v    گوگرد یک عامل کاربید زا بوده و شدیدا عمق سفیدی را افزایش می دهد و حتی در بعضی موارد باعث سفیدی معکوس می شود و معمولا وجود هیدروژن باعث ایجاد حفره های سوزنی در سطح قطعه و نواحی زیر سطحی قطعه می شود.

v    سفیدی معکوس به این معناست که به جای آن که لایه های سفیدی در سطح قطعه تشکیل شوند در مرکز قطعه تشکیل شده که این امر در چدن ها به ندرت پیش می آید.

۲- ازت ( نیتروژن ):

این عنصر از اتمسفر محیط وارد قطعه شده و در میزان کم باعث فشرده شدن گرافیت می شود و همچنین باعث افزایش خواص مکانیکی و مقاومت به ضربه می شود اما در مقادیر زیاد باعث تشکیل حفرات گازی می ­شود که این عامل باعث افزایش عیوب شکافی و حفرات سوزنی شده و نتیجتا باعث کاهش خواص مکانیکی می شود برای کاهش خواص ازت می توان با افزودن تیتانیم به مذاب خود تاثیرات آن را خنثی و یا کم کنیم و همچنین آلومینیم نیز تاثیر نیتروژن را کاهش می دهد اما به علت آن که میزان انحلال هیدروژن را افزایش می دهد در مذاب کمتر استفاده می شود.

v    میزان ازت موجود در مذاب اگر از ۰/۰۸۵% بیشتر شود برای مذاب و قطعه مضر می باشد که معمولا میزان ازت را در مذاب چدن ۰/۰۰۴% الی ۰/۰۱۵% در نظر می گیرند

۳- آلومینیوم:

این عنصر که از طریق قراضه های فولادی وارد مذاب می شود باعث افزایش قابلیت انحلال هیدروژن در مذاب شده که افزایش هیدروژن نیز باعث افزایش مک و حفرات در سطح قطعه می شود منشا آلومینیم در مذاب می تواند فولاد های مصرفی در تهیه مذاب و یا شارژ و همچنین قراضه های فولادی باشد و همچنین عناصر تلقیحی مانند فروسیلیس تا حدود یک درصد آلومینیم در خود دارند.

v    میزان آلومینیم بیش از ۰/۰۰۴% در مذاب چدن مضر می باشد.

v    فرو سیلیس در چدن ها باعث کاهش نقطه ذوب می شود.

۴- سرب (Pb):

این عنصر مضر بوده و مخرب گرافیت می باشد و همچنین باعث پوک شدن گرافیت های موجود در مذاب چدن می شود این عنصر از طریق رنگ هایی که روی سطح قراضه ها وجود دارد و همچنین قراضه های فولادی و قراضه های اتومبیل وارد مذاب چدن می شود و در چدن ها باعث کاهش شدید مقاومت به ضربه می شود.

۵- گوگرد (S) :

این عنصر کاربید زای بسیار قوی ای می باشد که اثر خود را در چدن های خاکستری با منگنز خنثی  می کند.

فرمول میزان منگنز مصرفی : Mn=1/7% S+ 0/3

منشا وجود گوگرد در چدن ها سوخت های فسیلی می باشد که از جمله آن ها می توان به ترتیب اولویت عوامل زیر موثر می باشد.

  • زغال سنگ ، کک ، گاز و سوخت های مایع فسیلی.
  • گوگرد با منگنز تولید سولفید منگنز می نماید.

۶- سیلیسیم : (Si)

این عنصر پس از کربن یکی از قوی ترین عناصر گرافیت زا محسوب می شود و بیشترین حد سیلیسیم در مذاب خاکستری حد اکثر ۳ در صد می باشد که با آهن تشکیل Fe3Si
Fe3C+Si—-Fe3Si+C   که کربن در مذاب رسوب می کند.

۷- نیکل : (Ni)

این عنصر گرافیت زا بوده و تاثیر آن در مذاب چدن نصف سیلیسیم می باشد نیکل باعث افزایش استحکام ، سختی و خواص مکانیکی می شود و همچنین باعث افزایش وزن مخصوص چدن می شود که یک عامل پرلیت زا می باشد که باعث ایجاد پرلیت ریز درچدن خاکستری می باشد نیکل معمولا با عنصر کرم استفاده می شود

۸- مس (Cu) :

مس مانند نیکل جزو عناصر گرافیت زا بوده و باعث به وجود آمدن پرلیت ریز در چدن می شود و تاثیر آن یک /پنجم تاثیر سیلیسیم می باشد

۹- کرم

این عنصر کاربید زا قوی محسوب می شود که در چدن ها باعث افزایش سختی و مقاومت به سایش آن ها می شود که در مذاب چدن در مقادیر حدود ۱ تا ۱/۵ درصد با نیکل استفاده می شود

۱۰- مولیبدن :

مولیبدن باعث کاهش سرعت تبدیل آستنیت به پرلیت می شود لذا باعث ریز شدن اندازه پرلیت ها می شو و همچنین باعث افزایش استحکام چدن می شود

۱۱- برم (Br) – بیسموت و تلریم (Te) :

هر سه عنصر کاربید زا بوده و باعث به وجود آمدن گرافیت های نوع دی می شود و همچنین با افزایش مواد تلقیحی جوانه زا و سدیم تاثیر آن ها کاهش پیدا می کند .

نکته : میزان مجاز برم درمذاب چدن ۰/۰۱ درصد تا ۰/۰۵ درصد می باشد و میزان مجاز بیسموت در مذاب چدن حداکثر یک درصد و میزان مجاز تلریم در مذاب چدن حداکثر ۰/۰۰۵ درصد می باشد .

۱۲- قلع :

این عنصر مشابه مس بوده و پرلیت زا می باشد و همچنین باعث ایجاد پرلیت ریز می شود.


تولید چدن نشکن :

این چدن بعد از جنگ جهانی دوم وارد صنعت شد و با توجه به خواص خوب مکانیکی که داشت کاربرد های مهمی در صنعت پیدا کرد و به علت کاربرد بالای آن و استحکام خوب آن رفته رفته جای فولاد را گرفت.

دلایل جایگزینی چدن نشکن به جای فولاد :

۱- در این چدن ها عمدتا گرافیت به صورت کروی و با ضمینه پرلیتی بوده و برخلاف چدن مالیبل این نوع چدن ها قابلیت چکشخواری و انعطاف پذیری بالایی دارند.

۲- در مقایسه با چدن های مالیبل این نوع چدن ها نیاز به سیکل عملیات حرارتی ندارند لذا از لحاظ اقتصادی مقرورن به صرفه تر می باشند همچنین با اضافه کردن عناصر آلیاژی در ضمن ذوب ریزی گرافیت های ورقه ای به گرافیت های کروی تبدیل می شود . در ترکیب شیمیایی این چدن ها حدود ۰٫۰۳ درصد تا ۰٫۰۵ درصد منیزیم وجود داشته و مقدار گوگرد موجود در این چدن ها کمتر از ۰٫۰۱ درصد می باشد.

طرز تهیه و ریخته گری این نوع چدن ها مشابه چدنها خاکستری می باشد با این تفاوت که در فرآیند ذوب ریزی با استفاده از عناصر آلیاژی نظیر منیزیم ، گرافیت ورقه ای تبدیل به گرافیت کروی می شود.

نکته : مقدار انبساط مذاب چدن نشکن از چدن خاکستری بیشتر بوده و به همین دلیل در ریخته گری آن تغذیه های کوچکتری به کار می رود و همچنین در بعضی موارد بدون تغذیه نیز می توان ریخته گری را انجام داد.

انواع کوره های جهت تولید چدن داکتیل (نشکن ) :

کوره کوپل و کوره های شعله ای و کوره های الکتریکی را می توان جهت تولید چدن نشکن استفاده کرد :

۱-    کوره کوپل : در روش کوره کوپل چون نیاز است که مقدار گوگرد را کاهش دهیم و دیگر این که کوره کوپل یکی از روش هایی می باشد که به علت استفاده از زغال سنگ بیشترین گوگرد را در مذاب ایجاد می نماید لذا باید گوگرد زدایی را قبل از کروی کردن گرافیت ها انجام داد.

مزایای کوره کوپل :

کاهش قیمت تمام شده ذوب و عملیات ذوب :دوبله کردن کوره کوپل : در این روش ابتدا مذاب تهیه شده در کوره های کوپل مقرون به صرفه می باشد اما به علت بالا بودن میزان گوگرد یک مرحله گوگرد زدایی و یک مرحله اضافه کردن کربن در صورت کم بودن میزان کربن انجام می شود سپس مذاب را داخل کوره القایی ریخته و مذاب را از نظر ترکیبات شیمیایی کنترل می کنند.

مواد شارژ برای تهیه چدن نشکن در کوره های القایی :

معمولا موادی مانند شمش چدن – قراضه فولاد – فرو آلیاژ ها – آهن اسفنجی – برگشتی های چدن نشکن – در کوره های القایی به عنوان شارژ استفاده می کنند.

شمش چدن : این شمش معمولا تفاوت های با شمش چدن خاکستری داشته . معمولا در تهیه چدن خاکستری از شمش کوره بلند استفاده می شود که معمولا دارای گوگرد تقریبا زیادی می باشد . شمش چدن جهت تهیه چدن داکتیل معمولا دارای درصد گوگرد پایین تری نسبت به شمش چدن های خاکستری می باشد که این درصد معمولا کمتر از ۰٫۰۲ درصد می باشد این شمش معمولا به شکل سوزن برزیلی و سوری کانادایی ریخته می شود در این شمش های معمولا منیزیم به عنوان عنصر تلقیحی استفاده می شود و درصد گوگرد را پایین در نظر می گیرند تا از تلفات منیزیم جلوگیری شود.

قراضه فولاد :

به علت وجود گوگرد کم در تولید چدن های داکتیل کاربرد این نوع چدن ها در صنعت بین ۴۰ تا ۵۰ درصد می باشد و عیب آن بالا بودن نقطه ذوب و کربن آن می باشد که جهت صرفه جویی درانرژی قراضه ها را قبل از ریخته گری پیش گرم می کنند.

آهن اسفنجی :

محصول کوره های غیر مستقیم بوده که از آن در صنعت بین ۱۰ الی ۱۵ درصد استفاده می کنند و علت استفاده آن کاهش قیمت تمام شده آن می باشد . و عیب کلی آن افزایش درجه حرارت و افزایش مصرف مواد نسوز می باشد.

برگشتی ها :

این نوع مواد در صنعت در حدود ۳۰ درصد در شارژ کوره استفاده می شود.

فرو آلیاژ ها :

 عموما این نوع مواد شامل فرو سیلیکوم منیزیم و فرو سیلیس می باشندکه در این مواد فروسلیکوم منیزیم به عنوان ماده کروی کننده استفاده می شود و فرو سیلیسیم به عنوان ماده جوانه زا استفاده می شود.

مزایا فرو آلیاژ ها :

۱- عموما از تلفات عناصر آلیاژی جلوگیری می کنند .

۲- فرو سیلیس باعث افزایش سیالیت مذاب می شود .و جلوگیری از تشکیل کاربید می شود .

۳- باعث افزایش جوانه زایی می شود .

تهیه و آماده نمودن مذاب که شامل سه مرحله می باشد :

۱- کنترل درجه حرارت

۲- کنترل ترکیب شیمیایی

۳- اضافه نمودن مواد کروی کننده

۱-    کنترل درجه حرارت : درجه حرارت بالای مذاب باعث حذف مواد پایدار کننده گرافیت می شود وتاثیر تلقیح را کاهش می دهد از طرفی درجه حرارت پایین باعث کاهش سیالیت مذاب می شود. درجه حرارت معمولا برای تهیه مذاب در چدن های نشکن در حدود دامنه دمایی ۱۴۵۰ تا ۱۵۶۰ می باشد که انتخاب درجه حرارت بستگی به حجم مذاب و روش کروی سازی و مقدار مواد کروی کننده دارد .

۲-    کنترل ترکیب شیمیایی : گوگرد باعث تلفات مواد کروی کننده می شود و از طرفی باعث پایداری فاز کاربید می باشد اگر درصد گوگرد بالا باشد قبل از اضافه کردن مواد کروی کننده گوگرد زدایی انجام می شود در این حالت گوگرد زدا باید در پاتیل بازی و توسط مواد گوگرد زدا (کاربید کلسیم CaO2 سیانامید کلسیم CaN2O2 –NaCH – Na2Ca5- CaO-CaCO3)می باشد.
برای انجام بهتر عملیات گوگرد زدایی دو مورد را باید رعایت کرد.

۱- تماس مواد گوگرد زدا با مذاب باید حداکثر ممکن باشد.

۲- زمان فعل و انفعال : اگر زمان گوگرد زدایی طولانی باشد باعث ورود مجدد گوگرد از سرباره به مذاب   می شود لذا پس از گوگرد زدایی باید سریعا عملیات سرباره گیری و پاتیل به پاتیل انجام شود.

عناصر کروی کننده : که این مواد شامل منیزیم، سریم و منیزیم تزریق شده به کک می باشد . منیزیم دارای نقطه ذوب ۶۲۰ درجه سانتیگراد می باشد که این عنصر در درجه حرارت ۱۱۰۰ درجه تبخیر می شود که در این درجه فشار داخلی منیزیم به بیشترین حد خود می رسد . که پس از اضافه کردن به مذاب باعث پاشش مذاب می شود لذا برای اضافه کردن منزیم از آلیاژ ها و آمیژن های منیزیم استفاده می شود قابل توجه است که منیزیم می تواند به دو شکل استفاده می شود.

۱- منیزیم فلزی : در مواقعی استفاده می شود که در مواقعی استفاده می شود که حجم مذاب کم باشد .

این مواد را می توان به اشکال پودر منیزیم – شمش منیزیم و قراضه منیزیم به همراه آهن و بریکتهای منیزیم فشرده استفاده کرد.

۲- آلیاژ های منیزیم :که عمدتا به دو گروه تقسیم می شوند .

الف : آلیاژ های نیکل منیزیم :

 نیکل به علت خاصیت پرلیت زایی باعث افزایش خواص مکانیکی چدن می شود که تنها محدودیت استفاد ه ان در صنعت قیمت تمام شده بالای آن می باشد آلیاژ های مختلف نیکل منیزیم عبارتند از آلیاژ ۵۰ درصد نیکل ۳۰ درصد سیلیسیم و ۲۰ درصد منیزیم – ۸۵ درصد نیکل ۱۵ منیزیم – ۷۰ درصد نیکل ۳۰ منیزیم -۹۵ نیکل ۵درصد منیزیم باید توجه داشت که به علت آن که نیکل دارای قیمت بالایی می باشد معمولا به جای نیکل از عناصر مشابه آن ( مس ) برای آلیاژ سازی استفاده می کنند .

v    معمولا از آلیاژ نیکل منیزیم در روش های ساندویچی و پاتیل سرباز استفاده می کنند .

ب- آلیاژ های منیزیم سیلسیم آهن ( فروسیلیکم منزیم) :

این نوع آلیاژ های در مقایسه با آلیاژ های نیکل ارزان تر بوده همچنین سیلیس موجود در این آلیاژ ها می تواند به عنوان عنصر تلقیح در مذ اب عمل کند علاوه بر آن این آلیاژ تاثیر کروی سازی شدید دارد لذا این عنصر در صنعت بیشتر به کار می رود و ترکیب شیمیایی آن ۵ درصد منیزیم و ۴۵ درصد سیلسیم و ۵۰ درصد آهن می باشد.

۲- روش منیزیم تزریق شده در کک : این روش کمتر مورد استفاده قرار می گیرد و علت آن گوگرد زیاد موجود در کک می باشد و این امر باعث می شود که میزان مصرف منیزیم در این روش افزایش پیدا کند .

۳- سریم : درجه حرارت تبخیر این عنصر ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد بنابراین مشکلات منیزمی را در کروی سازی ندارد اما به علت آن که عنصری کمیاب می باشد د ر صنعت کمتر مورد استفاده قرار می گیرد و عموما از آن در مواردی خاص همراه منیزیم استفاده می کنند.

روش افزایش مو اد کروی کننده :

۱-    روش پاتیل سرباز : در این روش مواد کروی کننده در کف پاتیل قرار گرفته و مذاب روی این مواد ریخته می شود . در این روش چون مذاب روی منیزیم ریخته می شود و تماس مستقیم مذاب با منیزیم برقرار می شود لذا میزان بازیابی منیزیم در مذاب پایین می باشد که میزان بازیابی را در این روش می توان بین ۲۰ تا ۲۵ درصد تخمین زد.

v    در کلیه روش های تلقیح در پاتیل باید نسبت ارتفاع پاتیل به قطر را رعایت کرد که این نسبت ۳ به ۱ می باشد . (H<3D)

۲-   روش ساندویچی : در این روش ارتفاع ۳ برابر قطر می باشد با این تفاوت که در قسمت کف پاتیل محفظه ای را تعبیه کرده اند که مواد کروی کننده در این محفظه قرار می گیرند سپس به وسیله پوششی از ماسه ( فروسلیس- ماسه – ورق فولادی ) پوشش داده می شود . سپس مذاب را به داخل پاتیل ریخته و در صورتی که از پوشش ماسه ای استفاده شود ماسه را شکانده و مواد با مذاب واکنش ایجاد می کند اما در صورتی که از ورقه ای فولادی استفاده شود ورقه ذوب می شود و مواد منیزیم با مذاب واکنش ایجاد می کند و همچنین اگر با فر وسیلیس انجام شود بازدهی بالا رفته و مزیت هایی در بردارد که علاوه بر فروسیلیسیم منیزیم عمل جوانه زایی نیز انجام می شود که میزان بازیابی در این روش را می توان بین ۴۵ تا ۴۰ درصد تخمین زد مزیت دیگری که این روش به همراه دارد این می باشد که به علت ریختن مذاب بر روی فروسیلیس منیزیم و همچنین به علت خروج کامل اکسیژن تلفات منیزیم به شدت کاهش پیدا می کند . همچنین به علت دانسیته پایین منیزیم و حضور آن در کف پاتیل پس از ریختن مذاب ، منیزیم به طرف بالا حرکت کرده و تلقیح به طور کامل انجام می شود.

۳-  روش قوطه وری : در این روش مواد کروی کننده داخل محفظه از جنس گرافیت جاسازی شده و هنگامی که پاتیل از مذاب پر شده محفظه داخل پاتیل می شو د که میزان بازیابی منیزیم در این روش ۵۰ تا ۵۵ درصد می باشد . که معمولا درجه حرارت ریخته گری را در این روش ۱۵۶۰ درجه در نظر گرفته همچینن افت درجه حرارت در این روش ۵۰ درجه سانتیگراد می باشد.

۴-   روش کنورتر گردان : در این روش بعد از جاسازی مواد کروی کننده در داخل کنورتر، کنورتر تا حدود ۹۰ درجه چرخانده شده تا مواد کروی کننده با مذاب تماس برقرار کنند که میزان بازیابی در این روش را می توان تا حدود ۶۰ در صد تخمین زد .

۵-   روش پودر منیزیم : در روش پودر منیزیم در داخل محفظه ای همراه با گاز خنثی از کف در داخل پاتیل تزریق می شود.

۶-   درون قالبی (اینمولت ) : بازیابی منیزیم در این روش در حدود ۱۰۰ درصد می باشد که مدت زمان بین تلقیح مذاب و تخلیه مذاب در حداقل ممکن می باشد که هر چه این زمان کمتر باشد کروی سازی بیشتر و یکنواخت تر می شود در این روش مواد کروی کننده در داخل سیستم راهگاهی قرار گرفته و ضمن عبور مذاب از داخل سیستم راهگاهی عمل کروی سازی انجام می شود.

مزایای روش اینمولت :

  • بالا بودن میزان بازیابی منیزیم تا حدود ۱۰۰ درصد
  • تولید قطعات با سطح مقطع نازک
  • برطرف شدن خطرات زیست محیطی
  • کاهش مراحل تولید
  • افزایش خواص مکانیکی قطعه
  • تسهیل در شرایط اتوماسیون

 معایب روش اینمولت :

۱-    امکان ورود ناخالصی ها به محفظه قالب در صورت طراحی غلط سیستم راهگاهی.

۲-    نیاز به طراحی دقیق و درست سیستم راهگاهی که منجر به افزایش روش تولید می شود.

۳-    نیاز به استفاده از آلیاژ مناسب.

پدیده میرایی :

هر چه فاصله زمانی بین اضافه کردن مواد کروی کننده و ذوب ریزی افزایش پیدا کند میزان تاثیر این مواد کاهش پیدا می کند همچنین میزان بازیابی این مواد کاهش می یابد.

 طراحی سیستم راهگاهی :

طراحی سیستم راهگاهی برای چدن نشکن شامل دو مرحله می باشد.

۱- طراحی محفظه فعل و انفعالات    ۲- طراحی راهگاه

۱- طراحی محفظه فعل و انفعالات که شامل ویژگی هایی به شرح زیر می باشد :

الف : جریان مذاب باید به صورت یکنواخت با سطح مواد کروی کننده در تماس باشد.

ب: از حمل مواد کروی کننده به داخل محفظه قالب جلوگیری کند.

فاکتورهای موثر در انتخاب روش کروی کننده :

۱-    اگر حجم طولی زیاد باشد از روش مخصوص برای کروی کردن استفاده می شود .

۲-    درجه حرارت تولید اگر زیاد باشد از روشهایی استفاده می شود که دارای حداقل دما باشد.

۳-    قیمت تمام شده

۴-    شرایط زیست محیطی: روش هایی مانند اینمول حداقل آسیب های زیست محیطی را دارد.

۵-    مواد شارژ : اگر مواد شارژ دارای میزان گوگرد بیشتری باشند باید از روش هایی استفاده شود که کروی سازی راحت تر انجام شود.

۶-     محدودیتهای فیزیکی

۷-    مدت زمان ریخته گری

تلقیح مذاب چدن داکتیل:

مواد تلقیحی در چدن داکتیل باعث افزایش تعداد هسته ها در واحد سطح شده و لذا توزیع گرافیت کروی را بیشتر و یکنواخت تر می کند که نسبتا خواص مکانیکی افزایش پیدا می کند.

مواد تلقیحی در چدن داکتیل:

این مواد شامل فروسلیس – گرافیت- آلومینیوم- زیرکنیم می باشد.

v    در روش اینمولت کمتر عملیات تلقیح انجام می شود.

به طور کلی تلقیح در چدن داکتیل مهم تر از چدن خاکستری است زیرا در چدن داکتیل گرافیت کروی بوده اما گرافیت در چدن خاکستری گرافیت ورقه ای می باشد به همین دلیل سرعت ورود مواد تلقیحی در چدن داکتیل کمتر از چدن خاکستری است به همین دلیل نیاز به هسته های بیشتری در تلقیح داکتیل است.

روش های تلقیح:

۱- تلقیح در جریان ذوب ریزی .

۲- قرار دادن مواد تلقیحی روی سطح قالب و انجام سیستم ارتعاشی.

کنترل خط تولید چدن نشکن:

۱- کنترل مواد شارژ کوره

۲- کنترل عملیات افزایش منیزیم و کنترل تلقیح و کروی سازی و جوانه زایی

۳- کنترل تاثیر گذشت زمان

۴- کنترل ساختار متالوگرافی

۵- کنترل خواص متالوگرافی

۱- کنترل مواد شارژ کوره شامل :

  • حذف مواد غیر آهنی از مواد شارژ
  • حذف قطعات یاتاقان که این قطعات به دلیل به همراه داشتن سرب باعث پوک شدن گرافیتها در چدن داکتیل می شود.
  • حذف قطعات سربی و یا سرب اندود شده و یا گالوانیزه شده
  • کنترل خشک بودن مواد شارژ و چرب نبودن این مواد ( این امر به دلیل جلوگیری از ایجاد تلاطم در مذاب و کاهش تلفات آن می باشد)
  • خشک بودن پوشش کوره
  • جدا کردن قطعات زنگ زده یا اکسید شده که باعث افزایش انحلال اکسیژن شده و این امر باعث افزایش تلفات منیزیم می شود که برای رفع اکسید ها و چربی ها مواد شارژ را قبل از ذوب ۳۰۰ تا ۴۰۰درجه پیشگرم می کنند

۲- کنترل عملیات افزایش منیزیم و عملیات جوانه زایی :

  • کنترل ترکیب شیمیایی گوگرد و عناصر مضر (در این مرحله باید حداقل باشد معمولا برای کنترل ترکیب شیمیایی از دستگاه هایی نظیر کوانتومتر –اکسترومتری – اکستروفوتومتری و اتمیک ابزوروشین و اشترلاین استفاده می شود که امروزه عموما از کوانتومتر در صنعت استفاده می شود
  • کنترل درجه حرارت : درجه حرارت افزایش منیزیم ۱۳۸۰ تا ۱۴۵۰ درجه است برای کنترل درجه حرارت نیز می توان از انواع ترموکوپل ها و پیرومتر ها استفاده کرد

v    پیرومتر:دستگاهی است که با استفاده از آن اشعه می تواند بدون تماس با مذاب اعلام دما کند . که از طریق رنگ آلیاژ درجه حرارت را تعیین می کند

  • بازیابی مواد منیزیم دار :

منیزیمی که به مذاب اضافه می شود عموما به چهار طریق استفاده می شود :

۱- اکسید می شود

۲- بخار می شود

۳- سولفید می شود

۴- و باقی مانده منیزیم (ریوان شده ) باعث کروی شدن گرافیت ها می شود که مقدار منیزیمی که توسط مذاب مصرف شده را منیزیم ریوان شده یا سولفید شده می نامند.

معمولا در چدن های نشکن چون میزان گوگرد زیر ۰٫۲% میباشد Mg s در صورت انجام گوگرد زدایی صفر منظور می شود

۳-  انتخاب روش افزایش مواد منیزیم دار

۴-   کنترل شکل هندسی پاتیل که ارتفاع پاتیل باید ۳ برابر قطر آن باشد تا از تلفات منیزیم جلوگیری شود.

۵-   کنترل ساختار متالوگرافی :

که در انتهای خط تولید نمونه ای جهت عملیات پولیش و متالوگرافی ریخته می شود و تحت میکروسکوپ نوری عملیات ریز ساختار انجام می شود.

۶-   کنترل خواص مکانیکی :

به این جهت از آزمایشگاهی نظیر سختی سنجی تست کرنش . … استفاده می شود که تست کشش برای واحد های کوچک استفاده می شود ولی در آزمایشگاههای بزرگ تست سختی سنج تست براده برداری و زنگ دار بودن قطعه نیز استفاده می شود.

v    تست براده برداری : در چدن های نشکن هر چه طول براده بیشتر باشد خاصیت نشکن شدن قطعه بیشتر می شود .

تست زنگدار بودن : که هر چه صدا خفه تر باشد چدن نشکن تر است.

مبانی طراحی سیستم های راهگاهی درچدن نشکن :

وظایف سیستم راهگاهی :

۱- انتقال مذاب از بوته به داخل محفظه قالب با حداکثرسرعت ممکن

۲- حرکت مذاب در داخل سیستم راهگاهی با حداقل اختشاش و تلاطم

۳- ورود مذاب به داخل محفظه قالب باید به گونه ای باشد که سرد ترین قسمت مذاب در دورترین منطقه قالب از نظر ورود مذاب قرار بگیرد و نیز گرم ترین قسمت مذاب در داخل سیستم راهگاهی باشد
۴- ابعاد سیستم راهگاهی باید به گونه ای طراحی شود که ضمن این که مذاب محفظه قالب را به  صورت کامل پر می کند حداقل میزان برگشتی را در سیستم راهگاهی داشته باشد.

عیوب ایجاد شده در طراحی غلط سیستم راهگاهی :

۱- وارد شدن ماسه شلاکه و ناخالصی ها به داخل محفظه قالب

۲- کاهش کیفیت سطحی قطعه تولیدی

۳- جذب گاز در مذاب و ایجاد مک های گازی

۴- اکسید شدن بیش از حد مذاب

۵- ایجاد حفرات انقباضی در قطعات تولیدی

۶- پرنشدن کامل قالب( نیامد کردن )

۷- وارد شدن ذرات از پیش جامد شده به داخل محفظه قالب

برای طراحی سیستم راهگاهی از دو قانون در علم فیزیک استفاده می شود

۱- قانون بقای انرژی(قانون برنولی) :که رابطه برنولی از آن استخراج شده است که بیان می کند که مقدار انرژی در یک سیستم بسته همواره ثابت می باشد که انرژی های موجود در این سیستم را می توان به طریق زیر معرفی کرد.

۲- قانون تداوم :

این قانون بیان می کند که مقدار حجم مایع در حال جریان از هر مقطع در واحد زمان ثابت است.

محاسبات سیستم راهگاهی :

۱- تعیین نسبت سیستم راهگاهی :

که شامل الف : سیستم راهگاهی فشاری ب: سیستم راهگاهی غیر فشاری ‍ج: سیستم راهگاهی ترکیبی می باشد.

الف : سیستم راهگاهی فشاری : در این سیستم باید سطح مقطع از طرف راهگاه بارریز به سمت قطعه کاهش می یابد و مذاب با فشار وارد محفظه قالب می گردد.

مزایا :

۱- راهگاه بلافاصله از مذاب پر می شود.

۲- حجم مذاب جامد شده در سیستم راهگاهی حداقل است و باعث بالارفتن راندمان سیستم راهگاهی می شود.

۳- جریان مذاب به داخل محفظه قالب یکنواخت تر وارد می شود

معایب :

۱-    این سیستم باعث ایجاد تلاطم و اختشاش در داخل سیستم راهگاهی می شود که این امر موجب ایجاد مک و حفرات گازی و نیز ماسه شویی در داخل سیستم می شود

۲-    سیستم راهگاهی غیر فشاری : مزیت این نوع سیستم ایجاد حداقل تلاطم و اختشاش در مذاب است و معایب آن عبارت است از ۱- غیر یکنواخت بودن ورود مذاب از راهگاه های فرعی ۲- افزایش وزن سیستم راهگاهی که در این نوع سیستم باید همیشه داخل راهگاه پر از مذاب باشد
نکته : در آلیاژ های آهنی از فشاری و غیر آهنی از غیر فشاری استفاده می شود

اجزای سیستم راهگاهی :

۱- حوضچه بار ریز

۲- راهگاه بارریز

۳- حوضچه پای راهگاه

۴- کانال های اصلی و فرعی

۵- منافض هوا دهی

۱- حوضچه بارریز : برای کنترل سرعت بارریزی و کاهش فشار ورودی به داخل محفظه قالب و سیستم راهگاهی استفاده می شود معمولا در چدن ریزی و فولاد ریزی به شکل ذوزنقه ای شکل می باشد.

علت استفاده از این نوع جمع آوری سرباره در سطح مذاب می باشد و کنترل سرعت بارریزی
۲- راهگاه بارریز : که هدایت مذاب از قیف بارریز به راهگاه اصلی به عهده دارد اگر قطعه ابعاد بزرگی داشته باشد ممکن از دو یا چند راهگاه بارریز نیز به شکل همزمان استفاده می شود و سطح مقطع این نوع راهگاه ها معمولا مستطیل شکل می باشد اما در بعضی موارد از سطح مقطع دایره ای نیز استفاده می شود برای محاسبه ی نسبت راهگاه بارریز باید قطر راهگاه ورودی و خروجی داشته باشیم .

تغذیه گذاری فشاری : اساس این روش تغذیه گذاری بر مبنای استفاده از فشار مذاب در مرحله ی انبساط مذاب به علت رسوب گرافیت می باشد

فاکتور های موثر در تغذیه گذاری فشاری:

۱- مواد قالب گیری : که باید استحکام کافی داشته باشند تا هنگام انبساط مذاب تغییر ابعادی در محفظه قالب به وجود نیاید .

۲- تغذیه گذاری فشاری برای قطعاتی استفاده می شود که مدول حجمی ۰٫۴ تا ۲٫۵ داشته باشند
موارد عملی برای طراحی تغذیه فشاری :

۱- مدول بزرگترین قسمت قطعات را به دست بیاوریم اگر بین ۰٫۴تا ۲٫۵ باشد از این روش استفاده

می کنیم

۲- تعیین مدول تغذیه قطعه :

۳- به دست آوردن مدول گردن تغذیه

۴- به دست آوردن حجم موثر تغدیه

۵- به دست آوردن ارتفاع درجه با توجه به حجم تغذیه و ارتفاع بین ۱ تا ۱٫۵ به دست می آید
با استفاده از نمودار ضخامتی از تغذیه که در مجاورت مواد قالب گیری منجمد شده را به دست می آوریم
قطر تغذیه در مرحله ۵ معادله دو برابر ضخامت منجمد شده اضافه می کنیم

تغذیه به قسمت ضخیم تر تغذیه گرم و اگر بزرگ باشد از تغذیه گرم استفاده می کنیم .

اگر از تغذیه کور استفاده می شود باید تغذیه حتما با اتمسفر محیط در تماس باشد

درجه حرارت ریختن مذاب باید مقداری باشد که در محاسبات در نظر گرفته شده است

تغذیه گذاری با استفاده از تحلیل فشار :

در این روش باتوجه به اینکه در روش فشاری نیاز به مواد قالبگیری با استحکام بالا می باشد لذا استفاده از این مواد باعث افزایش قیمت تولید می گردد لذا از روش تقلیل فشار استفاده می شود در این روش کاهش فشار انبساطی مانع از تغییر ابعاد محفظه قالب می شود در این روش فشار از یک مقدار ماکسیمم که استحکام مواد قالبگیری می باشد بالاتر نمی رود از طرفی فشار preimi نیز کمتر از انبساط مذاب در فاصله ی انجماد جهت انقباض استفاده می شود به این ترتیب که با وارد شدن مذاب و پرشدن محفظه قالب و تغذیه و سرد شدن مذاب از حالت فوق ذوب سطح مذاب در داخل قطعه افت می کند این کاهش حجم توسط تغذیه جبران می شود با سرد شدن بیشتر قطعه و شروع انجماد و رسوب گرافیت در حین انجماد مذاب منبسط می شود که این عمل باعث برگشت مذاب به تغذیه می شود از طرفی تغذیه مورد استفاده عموما از نوع کور یا بسته می باشد فشار داخل محفظه قالب را در حد فاصل pminو pman نگه می دارند تا ضمن جلوگیری از ایجاد مک های انقباضی باعث تغییر فرم محفظه قالب نشود

مراحل تغذیه گذاری به روش تقلیل فشار :

تغیین مدول موثر قطعه : در این روش مدول موثر قسمتی از قطعه می باشد که بیشترین مدول را دارد
تعیین استحکام محفظه قالب

تعیین و ارزیابی کیفیت متالوژیکی مذاب هر چه کیفیت متالوژیکی مذاب بیشتر رسوب مذاب بیشتر و فشار نیز بیشتر می شود

به طور کلی عناصر گرافیت زا باعث افزایش کیفیت متالوژیکی می شوند و عناصر کاربید زا باعث کاهش کیفیت متالوژیکی مذاب می شود استفاده از کوره های الکتریکی باعث افزایش کیفیت متالوژیکی مذاب می شود و نگه داشتن مذاب دردرجه جرارت های بالا باعث افزایش تلفات عناصر آلیاژی و کاهش کیفیت متالوژیکی مذاب می شود مواد شارژ مورد استفاده هر چه دارای مقداری برگشتی بیشتر می باشند افزایش کیفیت متالوژیکی می شود

۲- تلقیح چدن : تلقیح چدن نیز باعث افزایش تعداد هسته ها و جوانه ها – افزایش گرافیت زایی و لذا افزایش کیفیت متالوژیکی می شود

۳- تعیین مدول گردن تغذیه: که مدول گردن برابر است با مدول موثر Mn=4.MS مدول تغذیه را محاسبه می کنیم .

Mr=1.2Mn

محاسبه حجم تغذیه :

H=7.5Mr و که D=5Mr

نکته : حتما قسمی از تغذیه باید در درجه بالایی باشد و تقریبا حجم تغذیه ای که در درجه بالا قرار می گیرد بین ۳ تا ۵ برابر می باشد .

شکل تغذیه : معمولا از تغذیه کور و بسته استفاده می شود تا از تلفات حرارتی تا حد ممکن جلوگیری شود

شکل قسمت فوقانی نمی تواند به شکل گنبدی باشد شکل فوقانی تغذیه باید دارای زائده ای به جهت کنترل حرارت در تغذیه باشد

روش سوم : ا ستفاده از تغذیه : در مورد قطعاتی استفاده می شود که مدول آن ها بیشتر از ۲۵ باشد مدول قطعه در این روش بالا بوده و کیفیت متالوژیکی بالا می باشد و درجه حرارت ذوب ریزی کمتر از ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد می باشد و سرعت بارریزی بالا می باشد

نکته:درجه حرارت مدول قطعه را کمتر از ۱۴۰۰ می گیرند چون دراین روش انبساط ناشی از مذاب کار تغذیه را انجام می دهد و چون مدول زیاد می باشد انتقال حرارت کم بوده و رسوب دهی زیاد می شود .

گلوگاه راهگاه فرعی در این روش بدون تغذیه راهگاه فرعی و گلوگاه آن طوری طراحی می شود که مذاب به محض وارد شدن به سیستم راهگاهی و پرکردن سیستم قالب منجمد شود تا مذاب برگشت نکند در این حالت طول و عرض راهگاه ۴ برابر ضخامت می باشد.

پاسخ دهید