الف – تقديمات:

- به حضور امام عصر (عج)

- به روح پرفتوح بنيانگذار فقيه انقلاب اسلامي

- به پدر، مادر و برادر عزيزم

- به لاله هاي سرخ اين مرزوبوم

ب- شناسنامه‌ي طرح:

- مشخصات طرح:

نام طرح: تكنولوژي ساخت چدن دوگونه (چدن G.D)

نوع طرح:

موضوع طرح: فني و مهندسي

شاخه: مهندسي متالورژي (ريخته گري فلزات)

نام واحد عالي: دانشكده فني انقلاب اسلامي

استان / شهر: تهران منطقه: 18

آغاز پروژه:

پيش نويس اوليه‌ي طرح:

آغاز جمع آوري اطلاعات:

- گروه پژوهش: مبتكر و محقق: حامد سرلكي ( ف – قلم)

تكنسين ساخت و مشاور پروژه: محمد بيوك آقازاده

ويراستارداري: حبيب سرلكي

ويراستار فني: حامد سرلكي

مترجم متون غيرفارسي: محمد بيوك آقازاده

اتوكديست و طراحان: ميثم بي خسته، حامد سرلكي

 

د) فهرست مطالب

فصل اول: شناخت فلز آهن

1-1) طبيعت و خواص آهن

1-2) سنگهاي معدني آهن خالص

1-3) خواص بلوري آهن خالص

1-4) فرآيند استخراج آهن (متالورژي استخراجي آهن)

1-5) انواع آهن

1-5-1) آهن خام (لخته)

1-5-1-1) خواص آهن خام (لخته)

1-5-2) آهن كار شده

1-5-2-1) خواص و كاربرد آهن كار شده

فصل دوم: چدن شناسي عمومي

2-1) طبيعت چدن ها

2-2) خصوصيت چدن ها

2-2-1) برتري ها

2-2-2) كاستي ها

2-3) انواع چدن ها

2-3-1) چدن براي مقاصد عمومي (معمولي)

2-3-1-1) چدن ماليبل (چدن چكش خوار)

2-3-1-2) چدن سفيد

2-3-2) چدن براي مقاصد ويژه (آلياژي)

2-4) متالورژي چدنها

2-4-1) سيستم آهن – كربن – سيليسيم

2-4-1-1) كربن معادل

2-4-2) حضور كربن در چدن

2-4-2-1) كربن آزاد (گرافيت)

2-4-2-2) كربن تركيبي (كاربيد)

2-4-3) ساختار زمينه ها در چدن

2-4-3-1) فريت

2-4-3-2) پرليت

2-4-3-3) سمنيت

2-4-3-4) آستيت (اوتسيت)

2-4-3-5) بينيت و مارتنزيت

2-4-3-6) كاربيدها

2-5 ) تأثير عناصر در چدن

2-5-1) عناصر عمده

2-5-1-1) گوگرد (S)

2-5-1-2) منگنز (Mn)

2-5-1-3) فسفر (P)

2-5-2) عناصر جزئي

2-5-3) عناصر آلياژي

2-5-3-1) نيكل (Ni)

2-5-3-2) كرم (Cr)

2-5-3-3) موليبدن (Mo)

2-5-4-3) واناديم (Va)

2-5-3-5) سيلييم (Si)

2-5-3-6) مس (Cu)

2-5-3-7) آلومينيوم (Al)

2-5-4) عناصر گازي

2-5-4-1) اكسيژن (O)

2-5-4-2) نيتروژن (ازت N)

2-5-4-3) هيدروژن (H)

2-6) موارد استعمال چدن ها

2-6-1) چدن خاكستري (ريختگي)

2-6-2) چدن ماليبل (چكش خوار)

2-6-3) چدن داكتيل (نشكن)

فصل سوم: چدن شناسي تخصصي

3-1) چدن خاكستري

3-1-1) متالورژي چدنهاي خاكستري

3-1-2) ساختار ميكروسكوپي در چدنهاي خاكستري

3-1-2-1) گرافيت (G)

3-1-3) ريخته گري چدن خاكستري

3-1-3-1) مواد شارژ

3-1-3-2) مسئله‌ي تلقيح مواد در ريخته گري چدن خاكستري

3-1-3-2-1) عملكرد تلقيح

3-1-3-2-2) مواد تلقيح

3-1-3-2-3) روش هاي تلقيح

3-1-3-2-4) اثر مواد تلقيح

3-1-3-2-5) ارزيابي عملكرد تلقيح

3-1-3-3) متالورژي ذوب چدن خاكستري

3-1-3-3-1) گرافيت زايي

3-1-4) انجماد چدن خاكستري

3-1-4-1) گرايش انجماد به تشكيل چدن سفيد

3-1-4-2) گرايش انجماد به تشكيل چدن خاكستري

3-1-4-3) اصول فرآيند انجماد

3-1-4-4) ساختار چدن خاكستري در دماي محيط

3-1-4-5) اثر ضخامت

3-2) چدن داكتيل (نشكن)

3-2-1) مباني ساخت چدن داكتيل

3-2-2) كاربرد چدن داكتيل

3-2-3) متالورژي چدن داكتيل (نشكن)

3-2-3-1) انجماد و مكانيزم كروي شدن گرافيت در چدن نشكن

3-2-3-2) تعادل آهن و گرافيت

3-2-3-2-1) كربن معادل

3-2-3-2-2) انجماد هيپويوتكتيكي

3-2-3-2-3) انجماد هيپر (هايپر) يوتكتيكي

3-2-3-2-4) مكانيزم كروي شدن گرافيت

3-2-4) ريخته گري چدن داكتيل (نشكن)

3-2-4-1) مواد شارژ

3-2-4-2) ملاحظات كيفي، شيميايي و متالورژيكي در حين ذوب

3-2-4-2-1) كربن دهي

3-2-4-2-2) كنترل گاز مذاب

3-2-4-2-3) گوگرد زدايي

3-2-4-2-4) انتخاب تركيب شيميايي

3-2-4-2-5) اثر كربن معادل

3-2-4-3) اثر درجه حرارت بارريزي

3-2-4-4) فرآيند كروي سازي

3-2-4-4-1) مشكلات افزدون منيزيم به شكل خالص

3-2-4-4-2) روشهاي مختلف كروي سازي

3-3) چدن با گرافيت فشرده (CGI)

3-3-1-1) ريزساختار

3-3-1-2) تركيب شيميايي

3-3-1-3) خواص مكانيكي و فيزيكي

3-3-1-3-1) خواص كششي

3-3-1-3-2) هدايت حرارتي

3-3-1-3-3) جذب ارتعاش

3-3-1-3-4) قابليت رشد و پوسته شدن

3-3-2) ريخته گري چدن با گرافيت فشرده

3-3-2-1) عمليات ذوب و تهيه مذاب چدن با گرافيت فشرده

3-3-2-2) مواد قالبگيري

3-3-3) كاربردهاي صنعتي چدن با گرافيت فشرده (CGI)

3-3-4) مقايسه چدن با گرافيت فشرده در مقابل چدن هاي خاكستري و نشكن

3-3-4-1) در مقايسه با چدن خاكستري (مزايا CGI)

3-3-4-2) در مقايسه با چدن نشكن (مزايا CGI)

فصل چهارم: تئوري چدن دوگونه (G&D)

4-1) مقدمه اي بر چدن دو گونه (G&D)

4-2) مقدمه اي بر مسئله‌ي تكنولوژي

4-3) تشريح تكنولوژي ساخت

فصل اول: شناخت فلز آهن

1-1) طبيعت و خواص آهن:

آهن داراي نقطه‌ي ذوب و نقطه‌ي جوش مي باشد. وزن مخصوص اين فلز 86/7 و شعاع اتمهاي آهن به صورت (گاما) و به صورت آلفا است.

آهن خالص را نمي توان به طريق صنعتي تهيه كرده آهن با درصد خلوص 9917/99 در آزمايشگاه ها قابل تهيه است. آهن ساخته شده در آزمايشگاه ها 0083/0 درصد ناخالصي دارد و در حدود 27 عنصر را در بر مي گيرد كه اهم تركيبات آن عبارتند از كربن، سيليسيم، گوگرد، فسفر (عناصر دائمي همراه آهن) و ساير ناخالصي ها از قبيل هيدروژن، ازت، كلسيم، منيزيم و غيره. هر نوع ناخالصي روي خواص آهن تأثير مي گذارد، مثلاً اگر مقدار درصد كربن آهن از 02/0 درصد به 1/0 درصد افزايش پيدا كند، هدايت حرارتي آهن را از 177/0 به 134/0 كاهش مي دهد. تأثير ناخالصي هاي غيرفلزي (فسفر، گوگرد، اكسيژن، ازت و هيدروژن) حتي به مقادير بسيار ناچيز روي خواص آهن، به مراتب زيادتر از ناخالصيهاي فلزي است. از قبيل مس، نيكل، منگنز و غيره است.

آهن خالص قابليت استفاده صنعتي را ندارد. قابليت انعطاف آهن خالص زياد و سختي آن بسيار كم است. اين آهن قابليت سخت شدن را ندارد. بدين علت مطالعه اشكال وجود ناخالصي ها يا به عبارتي ديگر چگونگي انحلال كربن و اكسيژن و ساير ناخالصيها در آهن مذاب از اهميت زيادي برخوردار است.

1-2) سنگهاي معدني آهن خالص:

تمامي يا بهتر بگويم اكثر فلزات در طبيعت به صورت سنگهاي معدني يافت مي شوند، لذا آهن نيز از اين قاعده مستثني نيست. از آن جايي كه اين فلز يكي از مهمترين مواد اوليه صنايع مهندسي مي باشد لذا صنايع بسياري در مراكزي نزديك به منابع سنگ آهن، به شرط آن كه انرژي‌هاي سوختي نيز در دسترس باشند تأسيس مي گردند.

معمولاً در صنايع استخراجي، سنگهاي معدن اكسيدي آهن داراي عيار بيشتري نسبت به سنگهاي كربناتي آهن هستند. پس يك سنگ آهن خوب معمولاً محتوي بيش از 20% آهن بوده و در بعضي از انواع سنگ معادن آهن خالص، نظير هماتيت اين مقدار مي تواند تا 70% افزايش يابد. در جدول (1-1)، به انواع تركيبات سنگهاي معدني آهن اشاره شده است.

نام سنگ معدن	فرمول تركيبي	درصد آهن موجود
هماتيت	0/70%
ليمونيت	60%
مانيتيت	72%
هيدريت	48%

جدول (1-1): مشخصه‌ي سنگهاي معدني آهن

1-3) خواص بلوري آهن خالص:

آهن يك فلز آلوتروپيك است، بدين معني كه بيشتر از يك نوع شبكه‌ي بلوري دارد، در واقع ساختمان شبكه‌ي بلوري دارد، در واقع ساختمان شبكه‌ي بلوري آن در دماهاي مختلف تغيير مي يابد. منحني تبريد آهن خالص در شكل (1-1) نشان داده مي شود.

 

شكل (1-1): منحني تبريد براي آهن خالص

آهن در دماي انجماد يافته و شبكه‌ي بلوري آن b.c.c مي‌شود. اين آهن را آهن (دلتا) مي نامند. در تغيير آلوتردپي در آهن ظاهر شده، اتمها موقعيت خود را تغيير مي دهند و شبكه‌ي بلوري در آهن ظاهر شده، اتمها موقعيت خود را تغيير مي دهند و شبكه‌ي بلوري آهن از b.c.c به f.c.c تبديل مي گردد. اين آهن را آهن (گاما) مي‌نامند كه غيرمغناطيسي است. وقتي درجه‌ي حرارت به رسيد تغيير فاز ديگري در آهن رخ مي دهد و دوباره تغيير آلوتروپي در آهن ظاهر شده و شبكه‌ي بلوري آن مجدداً از f.c.c. به b.c.c تبديل مي شود. اين آهن را آهن (آلفا) مي نامند كه هنوز خاصيت مغناطيسي ندارد. سرانجام در آهن بدون اينكه شبكه‌ي بلوري خود را تغيير دهد خاصيت مغناطيسي پيدا مي كند. قبلاً آهن غيرمغناطيسي را آهن (بتا) مي ناميدند ولي بعدها با مطالعات و بررسي هاي اشعه‌ي X معلوم شد كه در ساختمان شبكه‌ي بلوري آهن تغيير نمي كند. سپس كليه‌ي تغييرات آلوتروپي در موقع خنك كردن آهن حرارت پس مي دهند (اگزوترميك يا گرمازا) و در هنگام گرم كردن آن حرارت جذب مي كنند (اندوترميك يا گرماگير).

 

شكل (1-2): شبكه‌ي بلوري و آرايش اتمهاي مكعب مركزدار (b.c.c)

شكل (1-3): شبكه‌ي بلوري و آرايش اتمهاي مكعب با سطوح مركزدار (f.c.c)

1-4) فرآيند استخراج آهن (متالورژي استخراجي آهن):

سنگ آهن به همراه يك كك مناسب سخت از طريق قسمت بالاي كوره اي استوانه‌اي بلند، به داخل كوره ريخته مي شود (شكل 1-4).

شكل (1-4): نماي كلي يك كوره بلند ذوب آهن شامل: 1. قيف ناوداني 2. واگن وزن كننده شارژ 3. واگنت انتقال مواد به كوره 4. قيف شارژ 5. تويرهاي هوا 6. كف كوره 7. سوراخ خروج سوباره

در اين كوره هوا با فشار لازم از طريق تويرهاي هوا به طرف بالا جريان يافته و اكسيژن لازم را براي احتراق كك فراهم مي آورد. حرارت و كربن حاصل از كك باعث احياء سنگ آهن و تبديل آن به چدن مذاب مي گردد. مذاب چدن به تدريج از قسمتهاي فوقاني كوره ذوب شده و با گذشتن از لابلاي تكه هاي كك در ته كوره جمع مي گردد. اين نكته را بايستي به خاطر داشت كه هر گونه سنگ معدن مصرفي، محتوي مقاديري مواد معدني ناخواسته به نام «گانگ» بوده ولذا براي جدا كردن اين مواد زائد (به همراه خاكستر حاصل از سوختن كك) از مذاب، مقداري آهك نيز به داخل كوره ريخته مي شود.

آهك اين مواد زائد را به صورت سرباره رقيقي درآورده و از طريق سوراخي كه در زير تويرهاي هوا و بالاي سوراخ خروج مذاب قرار دارد اين سرباره از كوره خارج مي گردد. از آنجايي كه روش گداز و تصفيه سنگ معدن آهن به طريق فوق فرآيند ساده اي مي باشد لذا داراي قدمتي هزاران ساله است. اولين كوره هاي به كار گرفته شده توسط انسان، بسيار ابتدايي بوده و از سنگ ساخته مي شده است. اين كوره ها داراي ظرفيت ذوب محدودي بوده است. با گسترش صنايع، كوره هاي به مراتب بزرگتري جايگزين كوره هاي سنگي گرديدند.

در اولين طرحهاي صنعتي كوره هاي بلند، به جاي بدنه سنگي از ورقه هاي چدني كه درون آن توسط آجرهاي نسوز پوشيده شده بود استفاده شد. امروز اين نوع جداره ها جاي خود را به استوانه هاي فولادي داده كه درون آنها توسط ديرگدازه هاي مناسبي پوشش گرديده است. در مراحل اوليه تكامل اين نوع كوره ها از هوا با درجه حرارت نرمال (درجه حرارت محيط) استفاده شد و به همين دليل اين نوع كوره ها به كوره هاي بلند با هواي سرد معروف گرديدند.

يكي از تكاملهاي اساسي در زمينه كوره هاي بلند جايگزين نمودن هواي پيش گرم شده بجاي هواي سرد است. پيش گرم كردن هواي ورودي به كوره در برجهاي گرم كن انجام مي شود. در اين نوع برجها، آجرهاي نسوز را به صورت لانه زنبوري مي چينند. گازهاي گرم خروجي از كوره بلند كه احتراق آنها به طور ناقص انجام يافته، وارد و برج گرم كن شده و به همراه هواي اضافي كه وارد اين برجها مي گردد، اين گازها سوخته و باعث حرارت ديدن آجرهاي برجها مي شود. در هنگامي كه گازهاي خروجي از كوره بلند صرف حرارت دادن اين برجها مي گردد دو برج ديگر كه قبلاً به طريقه مشابه گرم شده اند، هواي مورد نياز كوره بلند را از خود عبور داده و آن را تا حدود 650 درجه سانتيگراد پيش گرم مي سازند. در فواصل كوتاه زماني جهت جريان فوق تغيير كرده يعني هنگامي كه دو برج اول هوا ورودي به كوره را پيش گرم مي كنند، گازهاي خروجي از كوره بلند صرف حرارت دادن به دو برج ديگر مي‌شود. در شكل (1-5)، نماي شماتيكي و ابعاد نسبي يك كوره بلند به همراه چهار برج گرم كن هوا نشان داده شده است.

تغييرات شيميايي كه در كوره بلند اتفاق مي افتد نسبتاً ساده است. سوختن كك باعث تشكيل شده و قسمت اعظم در جريان تماس با كك گداخته به CO تبديل مي گردد. منواكسيد كربن داغ، اكسيد آهن را احياء كرده و نتيجه واكنش انجام شده، آهن مذاب و گاز خواهد بود.

 

شكل (1-5): اندازه هاي نسبي يك كوره بلند و برجهاي گرم كن هواي ورودي به كوره

آهك موجود در كوره نيز در اثر حرارت ديدن به و CaO تجزيه شده و CaO در تركيب با ناخالصيها (اكثراً ) در سنگ معدن يك سرباره روان با نقطه‌ي ذوب پاييني را به وجود مي آورد، لذا خروج ناخالصي از كوره و جداسازي آن را از مذاب مقدور مي سازد. در زير اهم فعل و انفعالات انجام يافته در يك كوره بلند نشان داده شده است.

1. فعل و انفعالات مربوط به سوختن كك:

2. احياي :

3. احياي سنگ آهن:

4. پيدايش سرباره:

در شكل (1-6)، روابط بين اجزاء متشكله شارژ كوره و محصولات واكنش هاي انجام يافته بين آنان نظير چدن مذاب سرباره، و گازهاي خروجي از كوره نشان داده شده است. در حالي كه در شكل (1-7) نشان دهنده‌ي وزن واقعي عناصر مصرفي در كوره بلند مي باشد. اين نكته مهم را بايستي بخاطر داشت كه اعداد نشان داده شده در شكل (7-1) بر مبناي مصرف سنگ معدن آهن خاص در يكي از كشورهاي صنعتي جهان است. بديهي است با تغيير نوع سنگ معدن و درصد ناخاليصهاي محتوي آن مقادير داده شده تغيير خواهند كرد.

 

شكل (1-6): رابطه‌ي بين مداد شارژ شده در كوره و محصولات به دست آمده از كوره

شكل (1-7): مقادير نسبي مدار مصرف شده در كوره بلند براي توليد يك تن شمش چدن

1-5) انواع آهن:

1-5-1) آهن خام (لخته):

آهن خامي كه از كوره بلند بدست مي آيد اولين تبديل سنگ بصورت فلز قابل مصرف است. عمل كوره بلند يك فرآيند پيوسته است، سنگ معدن، سنگ آهك و ذغال كك به تناوب در كوره ريخته مي شود، گاز و كربن موجود در ذغال كك اكسيد آهن را طي واكنشهاي قسمت قبل احياء مي نمايد.

فرآيند واقعي احياء بصورت ساده اي كه در رابطه‌ي قسمت قبل نشان داده شد صورت نمي گيرد؛ بلكه در چندين مرحله انجام مي گيرد ولي در هر صورت نتيجه نهايي مطابق روابط قبل است و نيز دو واكنش احياي سنگ آهن برگشت پذير مي باشند. اما مي توان با تنظيم مقدار شارژ كوره درجه حرارت و مقدار هواي اين واكنش ها را طوري كنترل كرد كه در جهت مطلوب صورت گيرند به تدريج كه شارژ كوره به نزديكي شكم كوره مي رسد و درجه حرارت بالا مي‌رود و سنگ آهن احياءشده و به شكل اسفنج گداخته درمي آيد، در اين مرحله آهن، كربن زيادتري جذب مي نمايد. كه موجب پايين آمدن نقطه‌ي ذوب مي شود. در اين مرحله آهن، كربن زيادتري جذب مي نمايد. كه موجب پايين آمدن نقطه‌ي ذوب مي شود؛ تا اينكه بالاخره آهن ذوب شده، و بر روي قطعات سوخته‌ي ذغال گداخته جاري گرديده و در بوته جمع مي شود. اين آهن خام مذاب را هر پنج يا شش ساعت يك بار از كوره خارج مي نمايند. آهن خام را در قالبهاي كوچك مي ريزند، قطعات كوچك آهن كه به شكل اين قالبها در مي آيند لخته نام دارند. محصول كوره بلند معمولاً به اين اسم ناميده مي شود.

1-5-1-1) خواص آهن خام (لخته):

به همراه سنگ آهن، اكسيدهاي ديگري از سنگ معدن و زغال كك به وجود مي‌آيد، و به سادگي احياء شدني هستند كه در كوره بلند احياء مي شوند. بنابراين تمام فسفر و قسمت عمده منگنز موجود در سنگ معدن در آهن خام باقي مي مانند ولي اكسيدهاي گوگرد و سيليسم كاملاً احياء نمي شوند. اكسيدهاي كلسيم، منيزيم و آلومينيوم، به كمك كربنات كلسيم موجود در سنگ آهك به صورت سرباره در آمده و از كوره خارج مي شود. در نتيجه آهن خام شامل حدود 4% كربن، تمام فسفر موجود در سنگ معدن و قسمت عمده منگنز آن است. مقدار سيليسم و گوگرد موجود را مي توان تا حدودي از روي مواد خام و همچنين نحوه كنترل تركيب شيميايي سرباره و درجه حرارت كوره معلوم نمود، تمام عناصر احياء شده در فلز مذاب باقي مي مانند. در حالي كه تمام عناصر اكسيد شده در سرباره جمع مي شوند. بنابراين تركيب تقريبي آهن خام از اين قرار است.

عنصر	درصد
C	4-3
Si	3-1
S	1/0-05/0
P	1-1/0

جدول (1-2): تركيب شيميايي آهن لخته

1-5-2) آهن كار شده:

«آهن كار شده» اساساً شامل دو جزء است، آهن نسبتاً خالص و سرباره – سرباره بيشتر از سيليكاتهاي آهن تشكيل مي يابد كه به صورت دانه هاي كوچك و مجزا در زمينه‌ي آهن به طور يكنواخت مي گردند، هيچگونه نفوذ و واكنش شيميايي بين آهن و سرباره رخ نمي دهد.

آهن كار شده در قديم به صورت عمليات پودلاژ – دستي توليد مي شد و بعدها پودلاژ مكانيكي رواج يافت. از سال 1930 عمليات با يرز يا استون معمول گرديد. صرف نظر از عمليات، سه مرحله‌ي اساسي در توليد آهن كار شده وجود دارد:

1 – ذوب و تصفيه‌ي فلز اصلي

2- تهيه و ذوب سرباره‌ي مناسب

3- اختلاط و تركيب مكانيكي فلز اصلي با مقدار معيني از سرباره

در عمليات «بايرز» هر مرحله مجزا بوده و با وسايل مخصوصي انجام مي‌گيرد، چدن خام، اكسيد آهن و سيليس را در كوره هاي كوپل ذوب مي كنند. چدن خام را قبلاً در كنورتورهاي «بسمر» تصفيه كرده و درجه‌ي خلوص آن را بالا مي برند و سپس به پاتيل عمليات پودلاژ منتقل مي كنند. معمولاً سرباره‌ي سيليكات آهن را با ذوب اكسيد آهن و مواد سيليس دار در كورهـي «زيمنس – مارتين» تهيه مي كنند و در پاتيل مخصوص ريخته و در زير ماشين عمليات قرار مي دهند.

در مرحله‌ي بعدي كه «عمليات كليدي» ناميده مي شود، فلز اصلي با سرباره مخلوط مي شود. براي اين كار مقدار معيني از فلز اصلي تصفيه شده كه به صورت مايع است در دماي تقريباً به پاتيل حاوي سرباره‌ي مايع كه دماي آن در حدود است ريخته مي شود (شكل 1-8).

 

شكل (1-8): عمليات كليدي در توليد آهن كار شده (شركت A.M.Byers)

براي اينكه آهن بخوبي توزيع شده و با سرباره مخلوط يكنواختي را تشكيل دهند، دستگاه به طور خودكار نوسان كرده و به جلو و عقب حركت مي كند. از آنجايي كه درجه‌ي حرارت سرباره به مقدار قابل توجهيي پايين تر از دماي ذوب چدن است، بنابراين، چدن بلافاصله پس از ريخته شدن در پاتيل سرباره به طور سريع و مداوم انجماد پيدا مي كند. چدن مايع معمولاً داراي مقدار زيادي گاز به صورت محلول است، اما با انجماد چدن اين گازها ديگر نمي‌توانند به صورت محلول باقي بمانند و در نتيجه آزاد مي شوند. انجماد سريع چدن سبب مي شود كه اين گازها به صورت انفجارهاي كوچكي از فلز جدا شده و آن را به صورت تكه هاي كوچكي در داخل پاتيل سرباره در بياورد. با توجه به سروصدايي كه اين عمليات ايجاد مي كند آن را «شاتينگ» مي نامند. با توجه به اينكه چدن در دماي جوشكاري بوده و سرباره‌ي سيليسي به صورت سيال مي‌باشد، تكه هاي چدن به صورت گلوله هاي اسفنجي كوچكي به هم چسبيده و در زير پوششي از سرباره قرار مي گيرند.

اضافي سرباره را بيرون ريخته و چدن اسفنجي را در وزنهاي تقيريباً 2500 الي 3500 كيلوگرم زير پرس قرار مي دهند. در زير پرس مقدار اضافي سرباره مجدداً جدا مي شود و گلوله هاي خميري چدن كه آغشته به سرباره هستند به هم جوش مي خورند و به صورت «شمشه» در مي آيند. شمشه را مجدداً زير پرس قرار مي دهند و سطح مقطع آن را كاهش داده به صورت شمشال درمي‌آورند. اين شمشال ديگر چدن نيست بلكه آهن كار شده است كه حالا مي‌توان آن را مجدداً حرارت داده با نورد انواع صفحه، ميله، مفتول و لوله و غيره توليد كرد.

1-5-2-1) خواص و كاربرد آهن كار شده:

آهن كار شده‌ي مرغوب معمولاً از روي محتواي اندك مقدار كربن و منگنز تشخيص داده مي شود. بدين معني كه عموماً در آهن كار شده با كيفيت مطلوب مقدار كربن كمتر از 08/0 % و مقدار منگنز ير 06/0% است. مقدار گوگرد خيلي پايين بوده و مقدار سيليسم بين 10/0 و 20/0% است كه تقريباً تمامي آن در سرباره متمركز مي شود. مقدار سرباره نيز از نظر وزني معمولاً 1 الي 3% تغيير مي كند.

نمونه از آناليز شيميايي آهن كار شده در زير آورده مي شود:

عنصر	درصد
كربن	06/0
منگنز	045/0
سيليسيم	101/0
فسفر	068/0
گوگرد	009/0
سرباره از نظر وزن	97/1

جدول (1-3): تركيب شيميايي آهن كار شده

از آنجايي كه آهن كار شده يك ماده‌ي مركب است، روشهاي متعددي وجود دارد كه بوسيله‌ي آنها مي توان آهن كار شده را از فولاد تشخيص داد. شكل (1-9) شكست رشته‌اي آهن كار شده را نشان مي دهد، در حالي كه سطح شكست فولاد دانه دانه و به صورت بلوري است.

 

شكل (1-9): شكست رشته اي آهن كار شده، شكست بلورين فولاد

توزيع يكنواخت سرباره در زمينه‌ي فريت بوسيله‌ي تصوير ميكروسكوپي مقطع عرضي يك نمونه در شكل (1-10-الف) بوضح ديده مي شود. در برش طولي همين نمونه رشته هاي نخ مانندي ديده مي شوند كه همان دانه هاي سرباره هستند كه به موازات جهت نورد كشيده شده اند (شكل 1-10-ب)

 

شكل (1-10): ساختار ميكروسكوپي آهن كار شده، سرياره در يك زمينه‌ي فريت، (الف) قطع عرضي، (ب) مقطع طولي، در نايتال 2% اچ شده، و بزرگنمايي 100 برابر.

خواص مكانيكي آهن كار شده تقريباً مشابه آهن خالص است اما به علت طبيعت توزيع سرباره، استحكام كششي و نرمي آن در جهت طولي يا در جهت نورد بيشتر از جهت عرضي (عمود بر جهت نورد) مي باشد. در جدول (1-4) خواص مكانيكي يك نمونه از آهن كار شده در جهت هاي طولي و عرضي داده شده است. با بهبود روش هاي نورد مي توان استحكام كششي و نرمي آن را در هر دو جهت تا اندازه‌اي يكسان كرد.

خاصيت	طولي	عرضي
استحكام كششي PSI	48000-50000	36000-38000
نقطه‌ي تسليم PSI	27000-30000	27000-30000
ازدياد طول % in & in	18-25	2-5
كاهش سطح مقطع %	35-45	3-6

جدول (1-4): خواص كششي آهن كار شده

مي توان استحكام آهن كار شده را با آلياژ كردن آن افزايش داد. معروفترين آلياژهاي آهن كار شده آنهايي هستند كه 5/1 الي 5/3 % نيكل دارند. در جدول (1-5) خواص مكانيكي آهن كار شده‌ي خالص و آلياژهاي نيكل دار آن مقايسه شده‌اند.

خاصيت	آهن كار شده بدون آلياژ	آهن كار شده‌ي نيكل دار
استحكام كششي PSI	48000	60000
نقطه‌ي تسليم PSI	30000	45000
ازدياد طول % in & in	25	22
كاهش سطح مقطع %	45	45

جدول (1-5): خواص كششي آهن كار شده بدون آلياژ و نيكل دار

آزمايش ضربه‌ي شاري نشان مي دهد كه آلياژ نيكل دار آهن كار شده در دماهاي زير صفر استحكام خود را در مقابل ضربه همچنان به مقدار قابل ملاحظه اي حفظ مي كند.

يكي از ويژگي هاي عمده‌ي آهن كار شده مقاومت آن در مقابل خوردگي است، وقتي در محيط خورنده قرار مي گيرد بزودي لايه‌ي نازكي از اكسيد آهن سطح آن را مي پوشاد. با ادامه‌ي خوردگي رشته هاي سرباره وارد عمل شده و خاصيت منوزنگ از خود نشان مي دهند. لايه‌ي اكسيد اوليه به صورت متراكم و يكنواخت بوسيله‌ي رشته هاي سرباره به سطح فلز مي چسبد و به اصطلاح لايه‌ي اكسيد بوسيله‌ي اين رشته ها ميخكوب شده و سطح فلز را از اكسيداسيون بيشتر حفاظت مي كند.

آهن كار شده معمولاً براي توليد انواع لوله هاي استاندارد ميخ، سيم خاردار، وسايل جوشكاري مصرف مي‌شود و به صورت صفحه، ورق، لوله و پروفيل‌هاي ساختماني عرضه مي گردد. كاربردهاي صنعتي آن بيشتر در صنايع كشتي سازي، ساخت ادوات كشاورزي، صنايع نفت و توليد مصالح ساختماني معمول است.

 

فصل دوم: چدن شناسي عمومي

2-1) طبيعت چدن ها: