تحقیق مقاله چدن ریختگی

مقدمه :

         عنوان چدن ریختگی مشخص کننده دسته بزرگی از فلزات است . فلزاتی که در این دسته قرار دارند از نظر خواص با یکدیگر  تفاوتهای فاحش دارند . عنوان چدن ریختگی ، همانند  عنوان  فولاد  که  مشخص کننده دسته دیگری از فلزات است ، یک عبارت کلی است  .  فولادها  و چدنها در اصل آلیاژ آهن هستند که با کربن  ساخته  شده اند  اما  فولاد همواره کمتر از دو درصد کربن داشته و معمولاً درصد کربن آنها  از  یک درصد بیشتر نمی شود . درحالیکه چدنها بیش از دو درصد کربن  دارند. چدنها ی  ریختگی گذشته از کربن باید دارای  مقادیر  قابل  توجهی  از سیلیسیم باشند که عموماً میزان آن از یک تا سه درصد متغیر است .             

         تفاوتهای مذکور اختیاری  و  دلخواه  نیست  اما همین امر ریشه متالورژیکی  و  عامل  موثری  است  که  سبب میشود خواص مفید و متفاوتی در این دو دسته از گروه فلزات آهنی پدید آید .

         امید است این پروژه سهمی در پیشبرد صنعت وتکنولوژی ریخته گری چدن در ایران داشته باشد و مورد  استفاده  دیگر دانشجویان  نیز قرار گیرد .  

تقسیم بندی انواع چدنها :

چدن سفید  :

         در چدنهای سفید کربن به شکل کاربید آهن یا  سمانتیت  ظاهر می شود  . کاربید آهن ترکیب شیمیایی کربن  موجود در مذاب  همراه با آهن می باشد بصورت مجموعه ای از اجزاء سخت  و  شکننده می باشند که به آنها سمانتیت نیز گفته میشود ، کاربید آهن  یا  سمانتیت تعیین کننده خواص نهایی ریز  ساختار می باشد .  به  همین  دلیل چدن سفید اساساً آلیاژی سخت و شکننده است . سطح مقطع شکست این  چدن  به  رنگ سفید بوده و استحکام فشاری زیادی خواهد داشت .

         از خواص دیگر این آلیاژها  مقاومت عالی در  برابر سایش و نیز سختی زیاد را می توان نام برد  . در این چدنها سرعت سرد شدن مذاب بسیار زیاد است که برای این  منظور معمولاً ریخته گری  این  نوع چدن در قالب مبرد دار  انجام می شود .  مبرد  مورد  استفاده  در  انجماد  این آلیاژها معمولاً از جنس گرافیت یا آهن می باشد در قسمتهای نازک و یا گوشه های تیز از  یک  قطعه  با این جنس یا پره های نازکی که  از این جنس استفاده می شود . معمولاًو به طور حتم چدن سفیدتشکیل خواهد   شد .  

چدن چکشخوار ‌‌ ( مالیبل Malleable   )  :

         در این چدنها کربن بشکل گرافیت در نقاط مختلف  تجمع  نموده و شکلهای نا منظمی شبیه به کلوخه را ایجاد  می کنند  این  چدن از نظر ترکیب شیمیایی شبیه به چدن سفید بوده و قطعات چدن چکش خوار را در ابتدا  می توان از چدن سفید تهیه  نمود بدین  صورت  که  ابتد ا چدن سفید ریخته گری شده و سپس  با انجام یک عملیات  حرارتی  کربن را به صورت گرافیت کروی در زمینه  راسب ( رسوب ) می کنند  .  ضخامت قطعه های چدن  چکش خوار  معمولاً  محدود  و  ضخامت  کمی  دارند مزیت این  چدنها  قابلیت چکش خواری ،  نرمی و  قابلیت  تراشکاری مناسب می باشد .

چدن خاکستری  :

         در این چدنها ، کربن به شکل گرافیت می باشد ،  این چدنها  در صنعت بیشترین کاربرد را به خود اختصاص می دهند  و  به  آنها  چدن ریختگی می گویند که البته برای این نوع چدن عنوان نا مناسبی می باشد سطح مقطع چدن خاکستری به رنگ خاکستری بوده که این  رنگ ناشی ازرسوب ( ورقه های ) نازک گرافیتی در آن می باشد .

         از نظر خواص مکانیکی ، سختی بالایی دارند و مقاومت  فشاری زیاد و نیز قابلیت تراشکاری خوبی از خود نشان می دهند .  از خواص دیگر این چدنها قابلیت جذب ارتعاش می باشد . ورقه های گرافیت در این چدنها می توانند به شکلها و فرمهای مختلفی ظاهر شوند . هر یک از انواع گرافیت تمایل به افزایش خواص معینی از این چدنها دارند .

چدن نشکن داکتیل ( چدن با گرافیت کروی ) :

         کربن دراین چدنها به صورت گرافیت کروی شکل ظاهر میشود . ترکیب  شیمیایی  این  چدنها  شبیه  ترکیب  شیمیایی  چدن  خاکستری میباشد ،  فقط وجود مقدار عنصر گوگرد در این چدنها بسیار حساسیت دارد . 

         افزودن مقدار کمی از عنصر منیزیم( Mg )  به چدن مذاب باعث کروی شدن گرافیت و تولید  چدن نشکن خواهد شد  . بالا بودن  مقدار کربن و سیلیسیم باعث افزایش محفوظ ماندن مزایای فرآیند  ریخته گری و قابلیت ماشینکاری در این چدنها میشود .

         مدول الاستیک چدن نشکن  زیاد است و استحکام  تسلیم آن در محدوده خوبی قرار دارد  ،  از طرفی  انعطاف پذیری  این  آلیاژها  بسیار خوب است .

         وجود  گوگرد  د ر این  چدنها  باعث  اتلاف  منیزیم  به  شکل سولفورید منیزیم  Mgs  می شود بنابراین  مقدار گوگرد  در این آلیاژها نباید از 03/0% بیشتر باشد .

         ضخامت مقطع تاثیر بسیار محدودی برخواص آن دارد . ضخامت این چدن بطور کلی اثری بر میزان سختی آن نخواهد داشت .

         انواع مختلف چدنهای داکتیل یا نشکن باخواص مکانیکی متفاوت و ریز ساختارهای مختلف وجود دارند  .  از نظر ترکیب شیمیایی معمولاً تفاوتی  بین  انواع   مختلف  این چدن  وجود  ندارد ،  مگر  اینکه  جهت کاربردهای از پیش تعیین شده وطراحی های از قبل صورت گرفته عمداً اختلاف در ترکیب شیمیایی ایجاد گردد ، این تغییرات ترکیب شیمیایی به منظور بهبود ساختمان میکروسکوپی قطعه صورت می گیرد . 

5) چدن با گرافیت فشرده : 

         در این چدنها  گرافیت به  شکل ورقه های ضخیم و کرمی شکل خواهد بود که هر یک از این ورقه ها با یک  دانه  موجود  در  زمینه فلز ارتباط دارد این چدنها از نظر خواص در بین خواص چدن خاکستری و خواص چدن نشکن قرار دارند . شکل گرافیت فشرده تحت عناوین :

1 ) شبه ورقه ای 2) ورقه متراکم 3) نیمه کروی 4) گرافیت کرمی شکل

قرار دارد .

         روش تولید این چدنها  شبیه روش  تولید  چدن نشکن می باشد ولی برای تهیه آن از عناصر آلیاژی دیگر  مانند  تیتانیم استفاده می شود  تا تشکیل گرافیت کروی به حداقل خود برسد  . چدن با گرافیت فشرده

قابلیت ریخته گری ، چدنهای خاکستری را به اندازه ای  دارا می باشد  .

ولی استحکام کششی آن بیشتر بوده وقابلیت انعطاف پذیری بهتری دارد.

چدن پر آلیاژ ( چدن آلیاژی ) :

         این گروه از چدنها شامل چدن سفید پر آلیاژ و چدن خاکستری پر آلیاژ و چدن نشکن  پر آلیاژ می باشد  ، خصوصیات آنها در  مقایسه با خصوصیات همان نوع چدن بدون ترکیب آلیاژی به شکل متفاوت می باشد این چدنها در مواردی که خصوصیات و مشخصات مورد نیاز غیر معمولی باشد مانند  نیاز به :

1) مقاومت به سایش بسیار زیاد .

2) مقاومت آلیاژ در دماهای بالا .

3) مقاومت در برابر خوردگی .

4) داشتن خواص فیزیکی فوق العاده (  مانند  انبساط  حرارتی  زیاد  ،  خاصیت جاذبه مغناطیسی و ... )

مورد استفاده قرار می گیرد .

      مشخصات عمومی آلومینیوم و آلیاژهای آن :

مشخصات فیزیکی :

         آلومینیوم یکی از عناصر گروه سدیم در جدول تناوبی است که با تعداد پروتون 13 و نوترون 14 می باشد ، که در نتیجه می توان  علاوه بر ظرفیت 3 ، ظرفیت 1 را نیز  در بعضی شرایط برای آلومینیوم در نظر گرفت .

         آلومینیوم از یک نوع ایزوتوپ تشکیل شده است و جرم  اتمی آن

دراندازه گیری های فیزیکی 9901/26 و در اندازه گیری های شیمیایی 98/26 تعیین گردیده است.شعاع اتمی این عنصر در 25 درجه سانتیگراد

برابر 42885/1 آنگستروم  و شعاع  یونی آن از طریق روش گلد اسمیت برا بر57/0 آنگستروم بدست آمده است که در ساختمان F.c.c و بدون

هیچگونه تغییر شکل آلوتروپیکی متبلور می شود .

         مهمترین آلیاژهای صنعتی و تجارتی آلومینیوم عبارت از آلیاژهای

این عنصر و عناصر دوره تناوبی سدیم مانند منیزیم ، سیلیسیم  و  عناصر دوره وابسته تناوب مانند مس و آلیاژهای توام این دو گروه است .

( Al-cu  )،  ( Al- si mg )  ،  ( Al-cumg)   ،  (Al-cumgsi)

         سیلیسیم  و منیزیم با  اعداد اتمی 14 و 12   همسایه های  اصلی

آلومینیوم می باشند  و بسیاری  از کاربرد های  تکنولوژیکی  آلومینیوم        

بر اساس چنین همسایگی استوار است .

         ثابت کریستالی آلومینیوم 0414/4 =a آنگستروم ومطابق شرایط

فیزیکی قطر اتمی آن 8577/2= dAL می باشد . بدیهی است  حلالیت آلومینیوم به نسبت زیادی به قطر اتمی آن بستگی دارد و مطابق آنچه  در مباحث متالورژی فیزیکی بیان می گردد ، اختلاف  قطر اتمهای حلال  و محلول نباید از 15% تجاوزنماید، درحالیکه شکل ساختمانی و الکترونهای مدار آخر نیز در این حلالیت بی تاثیر نیستند .

مشخصات ریخته گری و ذوب :

         آلومینیوم و آلیاژهای آن به دلیل نقطه ذوب کم  و  برخورداری

از سیالیت بالنسبه خوب و همچنین گسترش خواص مکانیکی و فیزیکی در  اثر آلیاژ سازی  و  قبول  پدیده های  عملیات  حرارتی  و  عملیات مکانیکی ، در صنایع امروز از اهمیت زیادی بر خوردارند و روز به  روز موارد مصرف این آلیاژها توسعه می یابد . عناصر مختلف مانند سیلسیم ،

منیزیم و مس در خواص ریخته گری و مکانیکی این عنصر شدیداً  تاثیر

می گذارند و یک رشته آلیاژهای صنعتی را پدید می آورند که از مقاومت

مکانیکی ،  مقاومت  به خورندگی  و  قابلیت ماشینکاری بسیار مطلوب بر  خوردارند .  قابلیت جذب گاز و فعل و انفعالات شیمیایی  در حالت مذاب از اهم مطالبی است که در ذوب و ریخته گری آلومینیوم مورد بحث

قرار می گیرد .

تقسیم بندی آلیاژها :

         آلیاژهای آلومینیوم در اولین مرحله به دو دسته تقسیم میگردند :

الف ) آلیاژهای  نوردی (Wrought Alloys  )  که  قابلیت  پذیرش انواع  و  اقسام  کارهای  مکانیکی ( نورد ، اکستروژن و فلز گری )   را دارند . 

ب) آلیاژهای  ریختگی ( Casting  Alloys ) که  در  شکل ریزی  و ریخته گری های آلومینیوم با گسترش بسیار مورد استفاده اند . آلیاژهای

نوردی که در مباحث شکل دادن فلزات مورد  مطالعه قرار می گیرند  از طریق یکی  از روشهای شمش ریزی ( مداوم ، نیمه مداوم ، منفرد )  تهیه می گردند و  پس  از قبول عملیات حرارتی لازم ،  تحت  تاثیر  یکی  از روشهای عملیات مکانیکی به شکل نهایی درمی آیند

.مشخصات عمومی و ترکیب این نوع آلیاژها در جدول 1-1 درج گردیده است .

         آلیاژهای ریختگی آلومینیوم که مورد بحث ما می باشد از طرق مختلف ریخته گری ( ماسه ای ، پوسته ای ، فلزی و تحت فشار ) شکل می گیرند و مستقیماً ویا بعد از عملیات حرارتی ( در صورت لزوم ) در

صنعت استفاده می شوند .    

         در مورد آلومینیوم وسایرآلیاژها کشورهای مختلف استاندارد های 

 متفاوتی به کار می برند که مشخصه درجه خلوص ویا میزان نا خالصیها

و سایر ترکیبات آلیاژ می باشد . استاندارد آلیاژهای آلومینیوم علاوه  بر

مشخصه های ارقامی به کمک  رنگهای  اصلی نیز  انجام می گیرد . نمونه

چنین رنگهایی در استاندارد انگلیسی عبارتست از :

         آلومینیوم خالص                          رنگ سفید

         آلومینیوم مس                           رنگ  سبز     

         آلومینیوم منیزیم                         رنگ سیاه

         آلومینیوم مس نیکل                  رنگ قهوه ای

         آلومینیوم روی مس                  رنگ  آبی

         آلومینیوم سیلیسیم ( منیزیم )          رنگ زرد

         آلومینیوم سیلیسیم ( مس )            رنگ قرمز            

         در ایران متاسفانه هنوز استانداردی برای صنایع آلومینیوم به  کار

نمی رود  و به  رابطه  کارخانه با کشورهای  مختلف  سیستمهای  متفاوت انگلیسی ، امریکایی ، بلژیکی و ... بستگی دارد . 

مواد شارژ و آماده کردن آنها :

         مواد مختلفی که درریخته گری آلیاژهای آلومینیوم به کارمی روند،

بر اساس نوع ترکیب خواسته شده و شرایط ترمودینامیکی عبارتند  از  :

شمشهای اولیه، شمشهای دوباره ذوب ، قراضه ها، برگشتیها و آلیاژسازها.

تفاوت عمده بین شمشهای اولیه وشمشهای  دوباره ذوب آنستکه شمشهای

اولیه  که  از  کارخانجات  ذوب  بدست می آیند حاوی  مقادیر  زیادی ناخا لصی و گاز می باشند که  تاثیر  منفی  و  نامطلوب  در قطعه  ایجاد مینمایند در حالیکه شمشهای ثانویه در اثر خروج ناخالصیها و سایر مواد

( بر اساس تصفیه ) از کیفیت ترکیبی برتری برخوردار می باشند .

شمشهای اولیه :

         این شمشها در قطعات 5 تا 15 کیلوگرمی براساس درجه خلوص

 تهیه می شوند . وزن شمشهای خالص که حاوی ترکیب  دقیق  شیمیایی

می باشند معمولاً از 5 کیلوگرم تجاوز نمی نمایند . این شمشها  معمولاً  در مورد  ساخت  قطعات  که  از  کنترل کیفی  بسیار  مطلوب  برخوردارند استفاده می شوند  و  قیمت آنها  نیز  بر حسب  درجه  خلوص  و تقلیل نا خالصیها به صورت تصاعدی افزایش می یابد .

         در ساخت آلیاژهای آلومینیوم  ،  بسیاری از عناصر مستقیماً  به

آلیاژ مذاب افزوده می شود  که در این مورد شمشهای اولیه  خالص  این عناصر نیز مورد استفاده اند . این شمشها عبارتند از : 

روی ( zn ) :

         شمشهای روی با درجه خلوص 7/98 تا  5/99  درصد روی در     

استانداردهای مختلف بین المللی تهیه میشوندو همواره حاوی ناخالصیهایی

از قبیل مس ، کادمیوم ، آهن ، سرب و گاهی قلع و آنتیموان می باشند .

در ذوب  آلومینیوم  معمولاً از شمشهای  روی با  درجه  خلوص  9/99

استفاده می شود تا میزان ناخالصیها ، به خصوص آهن تقلیل یابد . نقطه

ذوب روی  419  درجه سانتیگراد  و  وزن  مخصوص آن  1/7  گرم بر سانتیمتر مکعب است .