أنواع مسبوكات الحديد

أنواع مسبوكات الحديد

سيناقش هذا الفصل الأنواع المختلفة من المسبوكات الحديدية.

صب الحديد الرمادي

إن ما يميز الحديد الزهر الرمادي هو البنية المجهرية الرسومية، والتي تكون قادرة على التسبب في كسور في المادة ويكون لها مظهر رمادي. هذا هو النوع الأكثر استخدامًا من الحديد الزهر وأيضًا مادة الزهر شائعة الاستخدام بناءً على الوزن. تحتوي غالبية حديد الزهر الرمادي على تحلل كيميائي بنسبة 2.5 إلى 4 بالمائة من الكربون، و1 بالمائة إلى 3 بالمائة من السيليكون والباقي عبارة عن تركيبة من الحديد.

يتمتع هذا النوع من الحديد الزهر بقوة شد أقل ومقاومة أقل للصدمات مقارنة بالفولاذ. قوتها الضاغطة قابلة للمقارنة بالفولاذ الكربوني المنخفض والمتوسط.

يتم التحكم في كل هذه الخواص الميكانيكية من خلال شكل رقائق الجرافيت وحجم رقائق الجرافيت، الموجودة في البنية المجهرية للحديد الزهر الرمادي.

صب الحديد الأبيض

هذا النوع من الحديد له أسطح مكسورة بيضاء اللون بسبب وجود راسب من كربيد الحديد يسمى السمنتيت. يترسب الكربون الموجود في الحديد الزهر الأبيض من المصهور على شكل سمنتيت في مرحلة مستقرة بدلاً من الجرافيت. يتم تحقيق ذلك من خلال محتوى أقل من السيليكون كعامل جرافيتي ومعدل تبريد أسرع. بعد هذا الترسيب، يتشكل السمنتيت على شكل جزيئات كبيرة.

أثناء ترسيب كربيد الحديد، يسحب الراسب الكربون من المصهور الأصلي، وبالتالي يحرك الخليط نحو خليط أقرب إلى سهل الانصهار. المرحلة المتبقية هي تحويل الحديد إلى كربون الأوستينيت، والذي يتحول إلى مارتنسيت بمجرد تبريده.

هذه الكربيدات سهلة الانصهار الموجودة كبيرة جدًا بحيث لا توفر فائدة تصلب الهطول. في بعض أنواع الفولاذ قد يكون هناك رواسب سمنتيت أصغر بكثير والتي قد تحمل تشوه البلاستيك عن طريق إعاقة حركة الاضطرابات من خلال مصفوفة الفريت الحديد النقي. لديهم ميزة لأنها تزيد من صلابة الحديد الزهر ببساطة بسبب صلابتهم وجزء الحجم. يؤدي هذا إلى إمكانية تقريب الصلابة السائبة من خلال قاعدة المخاليط.

يتم تقديم هذه الصلابة على حساب المتانة في أي حال. يمكن تصنيف الحديد الزهر الأبيض عمومًا على أنه أسمنت، نظرًا لأن الكربيد يشكل جزءًا أكبر من المادة. الحديد الأبيض هش للغاية بحيث لا يمكن استخدامه في المكونات الهيكلية، ولكن بسبب صلابته الجيدة ومقاومته للتآكل والتكلفة المنخفضة، يمكن استخدامه كسطح تآكل لمضخات الملاط.

من الصعب تبريد المسبوكات السميكة بمعدل أسرع وهو ما يكفي لتصلب المصهور مثل الحديد الزهر الأبيض، ومع ذلك يمكن استخدام التبريد السريع من أجل تصلب جحيم من الحديد الزهر الأبيض وبعد ذلك سيتم بقايا منه. يبرد بوتيرة أبطأ وبالتالي يشكل نواة من الحديد الزهر الرمادي. يُطلق على هذا القالب الناتج اسم الصب المبرد، ويحتوي على فوائد وجود سطح صلب ولكن مع تصميم داخلي أكثر صلابة.

تتمتع سبائك الحديد الأبيض عالية الكروم بالقدرة على السماح بالصب الضخم لحوالي 10 طن من المكره لتكون مصبوبة بالرمل. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الكروم يقلل من معدل التبريد المطلوب لإنتاج الكربيدات من خلال زيادة سماكة المادة. يتم أيضًا إنتاج الكربيدات ذات المقاومة الممتازة للتآكل بواسطة عناصر الكروم.

صب الحديد القابل للطرق

يبدأ الحديد الزهر القابل للطرق كصب حديد أبيض، ثم تتم معالجته حرارياً عند درجات حرارة حوالي 950 درجة مئوية لمدة يومين أو يوم واحد، ثم يتم تبريده لنفس الفترة الزمنية.

ثم يتحول الكربون الموجود في كربيد الحديد إلى الجرافيت والفريت بالإضافة إلى الكربون بسبب عملية التسخين والتبريد هذه. هذه عملية منخفضة، لكنها تمكن التوتر السطحي من تحويل الجرافيت إلى جسيمات كروية بدلاً من رقائق.

تكون الأجسام الشبه الكروية قصيرة نسبيًا وبعيدة عن بعضها البعض نظرًا لانخفاض نسبة العرض إلى الارتفاع. كما أنها تحتوي على مقطع عرضي سفلي، وشق منتشر، وفوتون. وعلى عكس الرقائق، فهي تحتوي على حدود حادة تساهم في التخفيف من مشاكل تركيز الإجهاد الموجودة في الحديد الزهر الرمادي. وبشكل عام، فإن الخصائص الموجودة في الحديد الزهر القابل للطرق تشبه إلى حد كبير خصائص الفولاذ المعتدل بطبيعته.

صب حديد الدكتايل

يُشار إليه أحيانًا باسم الحديد الزهر العقدي، ويحتوي هذا الحديد الزهر على جرافيت على شكل عقيدات صغيرة جدًا، حيث يكون الجرافيت على شكل طبقات متحدة المركز وبالتالي تشكل العقيدات. ونتيجة لذلك، فإن خصائصالحديد الزهر الدكتايلهي تلك المصنوعة من الفولاذ الإسفنجي الذي ليس له تأثيرات تركيز الإجهاد الناتجة عن رقائق الجرافيت.

وتتراوح كمية تركيز الكربون الموجودة فيه حوالي 3 إلى 4 بالمائة، وتتراوح نسبة السيليكون حوالي 1.8 بالمائة إلى 2.8 بالمائة. تؤدي الكميات الصغيرة من 0.02 إلى 0.1 بالمائة من المغنيسيوم، و0.02 بالمائة إلى 0.04 بالمائة من السيريوم فقط عند إضافتها إلى هذه السبائك إلى إبطاء معدل نمو ترسيب الجرافيت من خلال الارتباط بحواف ممرات الجرافيت.

يمكن أن يكون للكربون فرصة للفصل على شكل جسيمات كروية عندما تتصلب المادة، وذلك بسبب التحكم الدقيق في العناصر الأخرى والتوقيت المناسب أثناء العملية. الجسيمات الناتجة تشبه الحديد الزهر القابل للطرق، ولكن يمكن صب الأجزاء بأقسام أكبر.

عناصر صناعة السبائك

يتم تغيير خصائص الحديد الزهر وإضافتها في عناصر صناعة السبائك المختلفة أو السبائك في الحديد الزهر. ويتماشى مع الكربون عنصر السيليكون لأنه يمتلك القدرة على إخراج الكربون من المحلول. لا يمكن لنسبة أقل من السيليكون تحقيق ذلك بشكل كامل لأنها تسمح للكربون بالبقاء في المحلول، وبالتالي تكوين كربيد الحديد وإنتاج الحديد الزهر الأبيض أيضًا.

إن نسبة أو تركيز أكبر من السيليكون قادر على إخراج الكربون من المحلول ومن ثم تكوين الجرافيت وإنتاج الحديد الزهر الرمادي أيضًا. تشمل عوامل صناعة السبائك الأخرى التي لم تتم الإشارة إليها المنجنيز والكروم والتيتانيوم ثم الفاناديوم. تعمل هذه العناصر على مقاومة السيليكون، كما أنها تعزز الاحتفاظ بالكربون وبالتالي تكوين الكربيدات أيضًا. يتمتع النيكل وعنصر النحاس بميزة لأنهما يزيدان من القوة والقدرة على التصنيع، لكنهما لا يكونان قادرين على تغيير كمية الكربون المتكونة.

وينتج عن الكربون الموجود على شكل الجرافيت حديد أكثر ليونة، وبالتالي يقلل من تأثير الانكماش، ويقلل القوة ويقلل الكثافة الموجودة. الكبريت هو في الغالب مادة ملوثة عند احتوائه، وهو يشكل كبريتيد الحديد الذي يمنع تكوين الجرافيت ويزيد أيضًا من صلابته.

العيب الذي يفرضه الكبريت هو أنه يجعل الحديد الزهر المنصهر لزجًا مما يسبب العيوب. ولمعالجة آثار الكبريت والقضاء عليها، يتم إضافة المنغنيز إلى المحلول. ويتم ذلك لأنه عندما يتم الجمع بين الاثنين فإنهما يشكلان كبريتيد المنغنيز بدلاً من كبريتيد الحديد. يكون كبريتيد المنغنيز الناتج أخف من المنصهر ويميل إلى الطفو خارج المنصهر والدخول إلى الخبث.

الكمية التقريبية من المنجنيز اللازمة لإلغاء آثار الكبريت هي 1.7 وحدة من محتوى الكبريت و 0.3 بالمائة إضافية تضاف في الأعلى. إن إضافة أكثر من هذه الكمية من المنغنيز يؤدي إلى تكوين كربيد المنغنيز وهذا يزيد من الصلابة والتبريد باستثناء الحديد الرمادي حيث يمكن أن يزيد ما يصل إلى 1 بالمائة من المنغنيز من القوة والكثافة الموجودة. يعد النيكل أحد أكثر عناصر صناعة السبائك عمومية لأنه يميل إلى تكرير البرليت وبنية الجرافيت، وبالتالي تحسين المتانة، ويسوي فرق الصلابة بين سماكة القسم.

تتم إضافة الكروم بكميات صغيرة لتقليل الجرافيت الحر وإنتاج البرد. وذلك لأن الكروم هو عامل استقرار قوي للكربيد، وفي بعض الحالات يمكن أن يعمل جنبًا إلى جنب مع النيكل. بالنسبة للكروم أيضًا، يمكن إضافة كمية بديلة صغيرة من القصدير. تتم إضافة النحاس في المغرفة أو الفرن بنسبة 0.5 إلى 2.5 بالمائة لتحقيق انخفاض البرودة وتكرير الجرافيت وزيادة السيولة. يمكن أيضًا إضافة الموليبدينوم بنسبة 0.3 بالمائة إلى 1 بالمائة وذلك أيضًا لزيادة البرودة وصقل الجرافيت وتحسين بنية البرليت.

وعادةً ما يتم إضافته للعمل بالتوافق مع النيكل والنحاس والكروم لإنتاج مكاوي عالية القوة. يضاف عنصر التيتانيوم ليعمل كمزيل للغازات ومزيل للأكسدة، ويزيد من السيولة. تضاف نسب 0.15% إلى 0.5% من عنصر الفاناديوم إلى الحديد الزهر وتساعد في تثبيت السمنتيت، لزيادة الصلابة ومقاومة التآكل وتأثيرات الحرارة.

ويساعد الزركونيوم في تكوين الجرافيت ويتم إضافته بنسب تتراوح بين حوالي 0.1 بالمائة إلى 0.3 بالمائة. يساعد هذا العنصر أيضًا في إزالة الأكسدة وزيادة السيولة. في مصهور الحديد القابل للطرق، لزيادة كمية السيليكون التي يمكن إضافتها، يتم صب البزموت بمقياس يتراوح من 0.002 إلى 0.01 بالمائة. في الحديد الأبيض، يضاف عنصر البورون، مما يساعد في إنتاج الحديد الذي هو قابل للطرق، ويقلل من تأثير الخشونة لعنصر البزموت.