بخشی از مقاله
مقدمه :
عنوان چدن ريختگي مشخص كننده دسته بزرگي از فلزات است . فلزاتي كه در اين دسته قرار دارند از نظر خواص با يكديگر تفاوتهاي فاحش دارند . عنوان چدن ريختگي ، همانند عنوان فولاد كه مشخص كننده دسته ديگري از فلزات است ، يك عبارت كلي است . فولادها و چدنها در اصل آلياژ آهن هستند كه با كربن ساخته شده اند اما فولاد همواره كمتر از دو درصد كربن داشته و معمولاً درصد كربن آنها از يك درصد بيشتر نمي شود . درحاليكه چدنها بيش از دو درصد كربن دارند. چدنها ي ريختگي گذشته از كربن بايد داراي مقادير قابل توجهي از سيليسيم باشند كه عموماً ميزان آن از يك تا سه درصد متغير است .
تفاوتهاي مذكور اختياري و دلخواه نيست اما همين امر ريشه متالورژيكي و عامل موثري است كه سبب ميشود خواص مفيد و متفاوتي در اين دو دسته از گروه فلزات آهني پديد آيد .
اميد است اين پروژه سهمي در پيشبرد صنعت وتكنولوژي ريخته گري چدن در ايران داشته باشد و مورد استفاده ديگر دانشجويان نيز قرار گيرد .
تقسيم بندي انواع چدنها :
چدن سـفيد :
در چدنهاي سفيد كربن به شكل كاربيد آهن يا سمانتيت ظاهر مي شود . كاربيد آهن تركيب شيميايي كربن موجود در مذاب همراه با آهن مي باشد بصورت مجموعه اي از اجزاء سخت و شكننده مي باشند كه به آنها سمانتيت نيز گفته ميشود ، كاربيد آهن يا سمانتيت تعيين كننده خواص نهايي ريز ساختار مي باشد . به همين دليل چدن سفيد اساساً آلياژي سخت و شكننده است . سطح مقطع شكست اين چدن به رنگ سفيد بوده و استحكام فشاري زيادي خواهد داشت .
از خواص ديگر اين آلياژها مقاومت عالي در برابر سايش و نيز سختي زياد را مي توان نام برد . در اين چدنها سرعت سرد شدن مذاب بسيار زياد است كه براي اين منظور معمولاً ريخته گري اين نوع چدن در قالب مبرد دار انجام مي شود . مبرد مورد استفاده در انجماد اين آلياژها معمولاً از جنس گرافيت يا آهن مي باشد در قسمتهاي نازك و يا گوشه هاي تيز از يك قطعه با اين جنس يا پره هاي نازكي كه از اين جنس استفاده مي شود . معمولاًو به طور حتم چدن سفيدتشكيل خواهد شد .
چدن چكشخوار ( ماليبل Malleable ) :
در اين چدنها كربن بشكل گرافيت در نقاط مختلف تجمع نموده و شكلهاي نا منظمي شبيه به كلوخه را ايجاد مي كنند اين چدن از نظر تركيب شيميايي شبيه به چدن سفيد بوده و قطعات چدن چكش خوار را در ابتدا مي توان از چدن سفيد تهيه نمود بدين صورت كه ابتد ا چدن سفيد ريخته گري شده و سپس با انجام يك عمليات حرارتي كربن را به صورت گرافيت كروي در زمينه راسب ( رسوب ) مي كنند . ضخامت قطعه هاي چدن چكش خوار معمولاً محدود و ضخامت كمي دارند مزيت اين چدنها قابليت چكش خواري ، نرمي و قابليت تراشكاري مناسب مي باشد .
چدن خاكستري :
در اين چدنها ، كربن به شكل گرافيت مي باشد ، اين چدنها در صنعت بيشترين كاربرد را به خود اختصاص مي دهند و به آنها چدن ريختگي مي گويند كه البته براي اين نوع چدن عنوان نا مناسبي مي باشد سطح مقطع چدن خاكستري به رنگ خاكستري بوده كه اين رنگ ناشي ازرسوب ( ورقه هاي ) نازك گرافيتي در آن مي باشد .
از نظر خواص مكانيكي ، سختي بالايي دارند و مقاومت فشاري زياد و نيز قابليت تراشكاري خوبي از خود نشان مي دهند . از خواص ديگر اين چدنها قابليت جذب ارتعاش مي باشد . ورقه هاي گرافيت در اين چدنها مي توانند به شكلها و فرمهاي مختلفي ظاهر شوند . هر يك از انواع گرافيت تمايل به افزايش خواص معيني از اين چدنها دارند .
چدن نشكن ـ داكتيل ( چدن با گرافيت كروي ) :
كربن دراين چدنها به صورت گرافيت كروي شكل ظاهر ميشود . تركيب شيميايي اين چدنها شبيه تركيب شيميايي چدن خاكستري ميباشد ، فقط وجود مقدار عنصر گوگرد در اين چدنها بسيار حساسيت دارد .
افزودن مقدار كمي از عنصر منيزيم( Mg ) به چدن مذاب باعث كروي شدن گرافيت و توليد چدن نشكن خواهد شد . بالا بودن مقدار كربن و سيليسيم باعث افزايش محفوظ ماندن مزاياي فرآيند ريخته گري و قابليت ماشينكاري در اين چدنها ميشود .
مدول الاستيك چدن نشكن زياد است و استحكام تسليم آن در محدوده خوبي قرار دارد ، از طرفي انعطاف پذيري اين آلياژها بسيار خوب است .
وجود گوگرد د ر اين چدنها باعث اتلاف منيزيم به شكل سولفوريد منيزيم Mgs مي شود بنابراين مقدار گوگرد در اين آلياژها نبايد از 03/0% بيشتر باشد .
ضخامت مقطع تاثير بسيار محدودي برخواص آن دارد . ضخامت اين چدن بطور كلي اثري بر ميزان سختي آن نخواهد داشت .
انواع مختلف چدنهاي داكتيل يا نشكن باخواص مكانيكي متفاوت و ريز ساختارهاي مختلف وجود دارند . از نظر تركيب شيميايي معمولاً تفاوتي بين انواع مختلف اين چدن وجود ندارد ، مگر اينكه جهت كاربردهاي از پيش تعيين شده وطراحي هاي از قبل صورت گرفته عمداً اختلاف در تركيب شيميايي ايجاد گردد ، اين تغييرات تركيب شيميايي به منظور بهبود ساختمان ميكروسكوپي قطعه صورت مي گيرد .
5) چدن با گرافيت فشرده :
در اين چدنها گرافيت به شكل ورقه هاي ضخيم و كرمي شكل خواهد بود كه هر يك از اين ورقه ها با يك دانه موجود در زمينه فلز ارتباط دارد اين چدنها از نظر خواص در بين خواص چدن خاكستري و خواص چدن نشكن قرار دارند . شكل گرافيت فشرده تحت عناوين :
1 ) شبه ورقه اي 2) ورقه متراكم 3) نيمه كروي 4) گرافيت كرمي شكل
قرار دارد .
روش توليد اين چدنها شبيه روش توليد چدن نشكن مي باشد ولي براي تهيه آن از عناصر آلياژي ديگر مانند تيتانيم استفاده مي شود تا تشكيل گرافيت كروي به حداقل خود برسد . چدن با گرافيت فشرده
قابليت ريخته گري ، چدنهاي خاكستري را به اندازه اي دارا مي باشد .
ولي استحكام كششي آن بيشتر بوده وقابليت انعطاف پذيري بهتري دارد.
چدن پر آلياژ ( چدن آلياژي ) :
اين گروه از چدنها شامل چدن سفيد پر آلياژ و چدن خاكستري پر آلياژ و چدن نشكن پر آلياژ مي باشد ، خصوصيات آنها در مقايسه با خصوصيات همان نوع چدن بدون تركيب آلياژي به شكل متفاوت مي باشد اين چدنها در مواردي كه خصوصيات و مشخصات مورد نياز غير معمولي باشد مانند نياز به :
1) مقاومت به سايش بسيار زياد .
2) مقاومت آلياژ در دماهاي بالا .
3) مقاومت در برابر خوردگي .
4) داشتن خواص فيزيكي فوق العاده ( مانند انبساط حرارتي زياد ، خاصيت جاذبه مغناطيسي و ... )
مورد استفاده قرار مي گيرد .
مشخصات عمومي آلومينيوم و آلياژهاي آن :
مشخصات فيزيكي :
آلومينيوم يكي از عناصر گروه سديم در جدول تناوبي است كه با تعداد پروتون 13 و نوترون 14 مي باشد ، كه در نتيجه مي توان علاوه بر ظرفيت 3 ، ظرفيت 1 را نيز در بعضي شرايط براي آلومينيوم در نظر گرفت .
آلومينيوم از يك نوع ايزوتوپ تشكيل شده است و جرم اتمي آن
دراندازه گيري هاي فيزيكي 9901/26 و در اندازه گيري هاي شيميايي 98/26 تعيين گرديده است.شعاع اتمي اين عنصر در 25 درجه سانتيگراد
برابر 42885/1 آنگستروم و شعاع يوني آن از طريق روش گلد اسميت برا بر57/0 آنگستروم بدست آمده است كه در ساختمان F.c.c و بدون
هيچگونه تغيير شكل آلوتروپيكي متبلور مي شود .
مهمترين آلياژهاي صنعتي و تجارتي آلومينيوم عبارت از آلياژهاي
اين عنصر و عناصر دوره تناوبي سديم مانند منيزيم ، سيليسيم و عناصر دوره وابسته تناوب مانند مس و آلياژهاي توام اين دو گروه است .
( Al-cu )، ( Al- si mg ) ، ( Al-cumg) ، (Al-cumgsi)
سيليسيم و منيزيم با اعداد اتمي 14 و 12 همسايه هاي اصلي
آلومينيوم مي باشند و بسياري از كاربرد هاي تكنولوژيكي آلومينيوم
بر اساس چنين همسايگي استوار است .
ثابت كريستالي آلومينيوم 0414/4 =a آنگستروم ومطابق شرايط
فيزيكي قطر اتمي آن 8577/2= dAL مي باشد . بديهي است حلاليت آلومينيوم به نسبت زيادي به قطر اتمي آن بستگي دارد و مطابق آنچه در مباحث متالورژي فيزيكي بيان مي گردد ، اختلاف قطر اتمهاي حلال و محلول نبايد از 15% تجاوزنمايد، درحاليكه شكل ساختماني و الكترونهاي مدار آخر نيز در اين حلاليت بي تاثير نيستند .
مشخصات ريخته گري و ذوب :
آلومينيوم و آلياژهاي آن به دليل نقطه ذوب كم و برخورداري
از سياليت بالنسبه خوب و همچنين گسترش خواص مكانيكي و فيزيكي در اثر آلياژ سازي و قبول پديده هاي عمليات حرارتي و عمليات مكانيكي ، در صنايع امروز از اهميت زيادي بر خوردارند و روز به روز موارد مصرف اين آلياژها توسعه مي يابد . عناصر مختلف مانند سيلسيم ،
منيزيم و مس در خواص ريخته گري و مكانيكي اين عنصر شديداً تاثير
مي گذارند و يك رشته آلياژهاي صنعتي را پديد مي آورند كه از مقاومت
مكانيكي ، مقاومت به خورندگي و قابليت ماشينكاري بسيار مطلوب بر خوردارند . قابليت جذب گاز و فعل و انفعالات شيميايي در حالت مذاب از اهم مطالبي است كه در ذوب و ريخته گري آلومينيوم مورد بحث
قرار مي گيرد .
تقسيم بندي آلياژها :
آلياژهاي آلومينيوم در اولين مرحله به دو دسته تقسيم ميگردند :
الف ) آلياژهاي نوردي (Wrought Alloys ) كه قابليت پذيرش انواع و اقسام كارهاي مكانيكي ( نورد ، اكستروژن و فلز گري ) را دارند .
ب) آلياژهاي ريختگي ( Casting Alloys ) كه در شكل ريزي و ريخته گري هاي آلومينيوم با گسترش بسيار مورد استفاده اند . آلياژهاي
نوردي كه در مباحث شكل دادن فلزات مورد مطالعه قرار مي گيرند از طريق يكي از روشهاي شمش ريزي ( مداوم ، نيمه مداوم ، منفرد ) تهيه مي گردند و پس از قبول عمليات حرارتي لازم ، تحت تاثير يكي از روشهاي عمليات مكانيكي به شكل نهايي درمي آيند
.مشخصات عمومي و تركيب اين نوع آلياژها در جدول 1-1 درج گرديده است .
آلياژهاي ريختگي آلومينيوم كه مورد بحث ما مي باشد از طرق مختلف ريخته گري ( ماسه اي ، پوسته اي ، فلزي و تحت فشار ) شكل مي گيرند و مستقيماً ويا بعد از عمليات حرارتي ( در صورت لزوم ) در
صنعت استفاده مي شوند .
در مورد آلومينيوم وسايرآلياژها كشورهاي مختلف استاندارد هاي
متفاوتي به كار مي برند كه مشخصه درجه خلوص ويا ميزان نا خالصيها
و ساير تركيبات آلياژ مي باشد . استاندارد آلياژهاي آلومينيوم علاوه بر
مشخصه هاي ارقامي به كمك رنگهاي اصلي نيز انجام مي گيرد . نمونه
چنين رنگهايي در استاندارد انگليسي عبارتست از :
آلومينيوم خالص رنگ سفيد
آلومينيوم ـ مس رنگ سبز
آلومينيوم ـ منيزيم رنگ سياه
آلومينيوم ـ مس ـ نيكل رنگ قهوه اي
آلومينيوم ـ روي ـ مس رنگ آبي
آلومينيوم ـ سيليسيم ( منيزيم ) رنگ زرد
آلومينيوم ـ سيليسيم ( مس ) رنگ قرمز
در ايران متاسفانه هنوز استانداردي براي صنايع آلومينيوم به كار
نمي رود و به رابطه كارخانه با كشورهاي مختلف سيستمهاي متفاوت انگليسي ، امريكايي ، بلژيكي و ... بستگي دارد .
مواد شارژ و آماده كردن آنها :
مواد مختلفي كه درريخته گري آلياژهاي آلومينيوم به كارمي روند،
بر اساس نوع تركيب خواسته شده و شرايط ترموديناميكي عبارتند از :
شمشهاي اوليه، شمشهاي دوباره ذوب ، قراضه ها، برگشتيها و آلياژسازها.
تفاوت عمده بين شمشهاي اوليه وشمشهاي دوباره ذوب آنستكه شمشهاي
اوليه كه از كارخانجات ذوب بدست مي آيند حاوي مقادير زيادي ناخا لصي و گاز مي باشند كه تاثير منفي و نامطلوب در قطعه ايجاد مينمايند در حاليكه شمشهاي ثانويه در اثر خروج ناخالصيها و ساير مواد
( بر اساس تصفيه ) از كيفيت تركيبي برتري برخوردار مي باشند .
شمشهاي اوليه :
اين شمشها در قطعات 5 تا 15 كيلوگرمي براساس درجه خلوص
تهيه مي شوند . وزن شمشهاي خالص كه حاوي تركيب دقيق شيميايي
مي باشند معمولاً از 5 كيلوگرم تجاوز نمي نمايند . اين شمشها معمولاً در مورد ساخت قطعات كه از كنترل كيفي بسيار مطلوب برخوردارند استفاده مي شوند و قيمت آنها نيز بر حسب درجه خلوص و تقليل نا خالصيها به صورت تصاعدي افزايش مي يابد .
در ساخت آلياژهاي آلومينيوم ، بسياري از عناصر مستقيماً به
آلياژ مذاب افزوده مي شود كه در اين مورد شمشهاي اوليه خالص اين عناصر نيز مورد استفاده اند . اين شمشها عبارتند از :
روي ( zn ) :
شمشهاي روي با درجه خلوص 7/98 تا 5/99 درصد روي در
استانداردهاي مختلف بين المللي تهيه ميشوندو همواره حاوي ناخالصيهايي
از قبيل مس ، كادميوم ، آهن ، سرب و گاهي قلع و آنتيموان مي باشند .
در ذوب آلومينيوم معمولاً از شمشهاي روي با درجه خلوص 9/99
استفاده مي شود تا ميزان ناخالصيها ، به خصوص آهن تقليل يابد . نقطه
ذوب روي 419 درجه سانتيگراد و وزن مخصوص آن 1/7 گرم بر سانتيمتر مكعب است .
منيزيم ( mg ) :
در مواقعي كه درصد كمي از منيزيم مورد نياز باشد ، مي توان مستقيماً منيزيم رابه مذاب آلومينيوم اضافه نمود كه شمشهاي آن با درجه
خلوص 9/99 حاوي ناخالصيهايي از قبيل آهن ، سديم ، آلومينيوم ، پتاسيم ، مس و نيكل مي باشند . نقطه ذوب منيزيم650 درجه سانتيگراد
و وزن مخصوص آن 74/1 و در شمشهاي 5/2 تا 15 كيلو گرمي تهيه مي شود .
سيليسيم ( si ) :
اين عنصر به دو صورت سيلومين و يا سيليسيم كريستاليزه به
آلومينيوم اضافه مي شود.تركيبات سيلوميني با 10 تا 13 درصد سيليسيم
وجود دارد . شمش سيليسيم كريستاليزه با درجه خلوص 5/99 تا 9/99
درصد سيليسيم همراه ناخالصيهايي از قبيل آهن ، آلومينيوم داراي نقطه
ذوبي حدود 1400 درجه سانتيگراد و وزن مخصوص آن 4/2 مي باشد .
منگنز ، مس ، آهن ، نيكل ، كروم مستقيماً به مذاب آلومينيوم اضافه نميگردند و در مورد اين عناصر معمولاً ازآميژانها استفاده ميكنند .
شمشهاي دوباره ذوب ( ثانويه ) و قراضه :
شمشهاي ثانويه كه از ذوب و تصفيه قراضه هاوآلياژهاي برگشتي
تهيه ميشوند معمولاً از كنترل كيفي مطلوب برخوردارند و حاوي مقداري
ناخا لصيهاي معمولي در آلومينيوم مانند مس ، آهن و سيليسيم هستند .
قراضه ها و قطعات برگشتي بايستي به دقت از نظر تركيب شيميايي كنترل ودسته بندي شوند . استفاده مستقيم ازقراضه هاو قطعات
كوچك ( براده ، پليسه و اضافات تراشكاري ) به دليل افزايش سطح تماس و شدت اكسيد اسيون عملاً نامطلوب ميباشد و ترجيحاً اين قطعات
را تحت نيروي پرسهاي هيدروليكي فشرده و در بلوكه هاي مختلف به كار مي برند . برگشتيها همچنين آغشته به روغن گريس ، رطوبت و ...
مي باشند كه بايستي قبل از استفاده و ذوب دقيقاً تميز و از كثافات روغن
بر كنار باشند و معمولاً از دستگاههاي دوار و خشك كننده در اين مورد
استفاده مي كنند .
از آنجا كه قراضه ها معمولاً تركيبات ناشناخته اي دارند ، اغلب
ترجيح داده مي شود كه آنها را در كارگاه ريخته گري ذوب و پس از
كنترل و آناليز كيفي مورد استفاده قرار دهند .
آلياژ سازها ( Hardeners ) :
اين عناصر كه به نامهاي Master alloys و Temper alloys
نيز ناميده مي شوند به مقدار زيادي در صنايع ريخته گري آلومينيوم به
كارميروند ، زيرا آلومينيوم با نقطه ذوب كم اغلب قادربه ذوب و پذيرش
مستقيم عناصر با نقطه ذوب بالا نيست ( مس 1083 ، نيكل 1455 ،
سيليسيم 1415 ، آهن 1539 و تيتانيم 1660 درجه سانتيگراد ) .
همچنين عناصر ديگري كه نقطه ذوب بالا ندارند ، داراي فشار
بخار و شدت تصعيد و اكسيد اسيون مي باشند كه در صورت استفاده مستقيم دردرصد اتلاف اين عناصر شديداً افزايش مييابد (منيزيم ، روي)
تركيب شيميايي و نقطه ذوب بعضي از آميژانها كه در صنايع آلومينيوم به
كار ميروند در جدول 2-1 درج گريده است .
تهيه آلياژ سازها معمولاً در كارگاههاي ريخته گري نيز انجام مي گيرد در اين مواقع اغلب روشهاي زير مورد استفاده قرار مي گيرد .
معمولاً قطعات عنصر دير ذوب را ريز نموده و در فويل هاي
آلومينيومي پيچيده ويادر شناورهاي گرافيتي قرار داده و در داخل مذاب
آلومينيوم ( 800 تا 850 درجه سانتيگراد تحت فلاكس ) فرو مي برند و
سپس آن را به هم ميزنند .
