۲۵ مهر ۱۴۰۰

پیشگامان توسعه
مواد سام,مواد سام,مواد سام

آلیاژهای آهنی به دو گروه اصلی فولادها (steels) و چدنها (Cast irons) دسته بندی می شوند.

آلیاژهای آهنی

آلیاژهای آهنی (Ferrous alloys) آلیاژهایی هستند که ماده اصلی تشکیل‌دهنده‌ی آن‌ها آهن است . با استفاده از فرآیندهای عملیات حرارتی مختلف و با افزودن مقادیر کمی از عناصر آلیاژی می‌توان خصوصیات آلیاژهای آهنی را تغییر داد [۱] .

ریزساختار فولاد در فرآیند عملیات حرارتی [۱] .

انواع آلیاژهای آهنی

آلیاژهای آهنی (فلزات آهنی) به دو گروه اصلی فولادها (steels) و چدن‌ها (Cast irons) تقسیم می‌شوند . فولادها نیز به سه گروه اصلی فولادهای کربنی ساده (carbon steels)، فولادهای کم آلیاژی (low-alloy steels) و فولادهای آلیاژی یا فولادهای پر آلیاژ (Higher Alloy Steels) و چدن‌ها به دو گروه اصلی چدن‌های معمولی (عمومی) (Ordinary cast iron (general)) و چدن‌های سفید (White cast iron) تقسیم می‌شوند.

خواص آلیاژهای آهنی

خواص آلیاژهای آهنی (شامل فولاد و چدن) در ادامه مورد بحث قرار گرفته است.

فولاد

فولاد گروهی از آلیاژهای آهنی و آلیاژی از آهن و کربن است که محتوای کربن در آن کمتر از ۲ درصد است. با افزودن عناصری مانند نیکل، کروم، مولیبدن، منگنز و غیره به فولاد می‌توان خواص نهایی آن را تغییر داد.

در جدول زیر خواص کلی برخی از فولادها در دمای اتاق (°C ۲۵) بیان شده است. بدلیل شرایط عملیات حرارتی مختلف، رنج گسترده‌ای از استحکام کششی نهایی، استحکام تسلیم و سختی وجود دارد[۲].

خواص کلی برخی از فولادها[۲]

چدن

چدن نیز گروهی از آلیاژهای آهنی و یک آلیاژ آهن- کربن است که محتوای کربن در آن از ۵/۱ تا ۴ درصد متغیر است. مقادیر اندکی از عناصر دیگر مانند سیلیسیم، منگنز، گوگرد و فسفر نیز در آن وجود دارد. کربن می‌تواند یا در حالت آزاد مانند گرافیت یا در حالت ترکیبی مانند سمانتیت در چدن حضور داشته باشد. چدن‌ها دارای مقدار زیادی کربن هستند؛ از این رو قابلیت چکش‌خواری یا انعطاف‌پذیری را ندارند. در بیشتر چدن‌ها (بجز چدن سفید) بیشتر محتوای کربن به حالت آزاد یا گرافیتی وجود دارد. خواص چدن‌ها تا حد زیادی به این موضوع وابسته است. نقطه ذوب چدن بسیار کمتر از فولاد است. بیشتر محصولات ریخته‌گری در یک کارخانه ذوب چدن، چدن خاکستری است. این چدن‌ها ارزان بوده و کاربردهای فراوانی دارند. خصوصیات چدن‌ها که آن‌ها را به مواد ارزشمند در کاربردهای مهندسی تبدیل کرده است عبارتند از:

  • ویژگی ریخته‌گری خیلی خوب
  • هزینه کم
  • استحکام فشاری بالا
  • مقاومت سایشی خوب
  • قابلیت ماشینکاری عالی

محدودیت اصلی چدن‌ها تردی و استحکام کششی پایین آن‌ها است؛ بنابراین در کاربردهایی که در معرض شوک هستند استفاده نمی‌شوند[۱].

کاربردهای آلیاژهای آهنی

در ادامه به برخی از کاربردهای آلیاژهای آهنی (شامل فولاد و چدن) پرداخته شده است.

فولادها

فولاد مهمترین ماده مهندسی در صنعت ساخت و ساز جهان است. فولاد در هر جنبه از زندگی ما کاربرد دارد؛ در ماشین‌ها، محصولات ساختمانی، یخچال‌ها، ماشین‌های لباسشویی، کشتی‌های باری و ابزارهای جراحی استفاده می‌شود. فولاد می‌تواند بارها و بارها بازیافت شود، بدون اینکه خواص خود را از دست بدهد[۳].

چدن ها

از چدن‌ها برای ساخت قالب‌ها، تختخواب‌ها، ریل‌ها، ماشین‌ آلات، چرخ‌ها، چرخ‌های هواپیما، قرقره‌ها، اهرم‌ها، اتصالات، حلقه‌های پیستون، سر سیلندرها، موتورهای IC، لوله‌های بخار، دریچه‌ها و کاربردهای کشاورزی استفاده می‌شود[۴].

ریخته‌گری آلیاژهای آهنی

در آلیاژهای آهنی، آهن و فولاد رایج‌ترین مواد جهت فرآیند ریخته‌گری هستند. کارخانه‌ها بدلیل مجهز بودن به تجهیزات ذوب و ریختگی مواد آهنی، غالبا در ریخته‌گری آلیاژهای آهنی تخصص دارند. ریخته‌گری این مواد معمولا به دو روش ریخته‌گری در قالب ماسه‌ای و ریخته‌گری در قالب پوسته‌ای انجام می‌شود. این روش‌ها به سرمایه‌گذاری اندکی نیاز دارند[۵]. در ادامه به بحث ریخته‌گری فولاد و چدن که زیرمجموعه‌های آلیاژهای آهنی هستند، پرداخته شده است.

فولاد

در ریخته‌گری فولادها دو مشکل اساسی شامل دمای ریخته‌گری بالا (معمولا ۱۶۰۰-۱۵۵۰ درجه سانتی گراد) و انقباض حجمی ایجاد شده در هنگام سرد شدن (۱۰-۶ درصد)، وجود دارد. گستره‌ی مقادیر در ریخته‌گری فولادها از چند گرم تا صدها تن متغیر است. ریخته‌گری فولادها اغلب در شرایط بحرانی که نیاز به خواص مکانیکی بهینه باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ بنابراین برطرف کردن عیوب ریخته‌گری از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است[۶]. مزایای فولاد ریختگی نسبت به فلزات ریختگی دیگر عبارتند از[۶]:

  • مدول بالا: در هنگام بارگذاری‌های شدید استاتیک، شکست به حداقل می‌رسد.
  • مقاومت در برابر ضربه و شوک: با بارگذاری‌های شدید دینامیک مقابله می‌کند.
  • قابلیت عملیات حرارتی: امکان دستیابی به چقرمگی، سختی و استحکام مورد نظر فراهم می‌شود.
  • قابلیت جوشکاری: بدلیل ریخته‌گری به محصولات فولاد کار شده (نرم) متصل می‌شود.
  • استحکام در دمای بالا: در آلیاژهای خاص قابل استفاده است.

در ادامه کاربردهای اصلی فولادهای ریختگی ارائه شده است[۶].

  • سوپاپ‌ها، پمپ‌ها و کمپرسورها
  • تجهیزات ساخت و ساز و خاکبرداری
  • سنگ‌شکن‌ها، آسیاب‌ها، معادن و لایروبی کردن
  • تجهیزات نفت و گاز
  • تجهیزات معدن
  • وسایل نقلیه موتوری
  • تجهیزات دفاعی
  • راه ‌آهن
  • کشتی سازی
  • کارخانه فولاد و آهن
  • نیروگاه هسته‌ای
  • تجهیزات مهندسی
  • کارخانه برق
  • تجهیزات کشاورزی

چدن

چدن‌ها بدلیل خصوصیاتی همچون استحکام، نسبت استحکام به وزن خوب، قیمت اقتصادی، دسترسی فراوان و قابلیت تولید اشکال پیچیده قابلیت ریخته‌گری بالایی دارند. چدن‌های ریختگی در کاربردهای مختلفی مانند خودرو، کشاورزی، لوازم خانگی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند[۷].

آلیاژهای آهنی به دو گروه اصلی فولادها و چدن‌ها گروه‌بندی می‌شود. محتوی کربن در گروه اول آلیاژهای آهنی یا فولادها بین ۲ تا ۱/۲ درصد و در گروه دوم آلیاژهای آهنی یا چدن‌ها بین ۵/۱ تا ۴ درصد وزنی است. چدن‌ها بدلیل محتوای کربن بالاتر تردتر و شکننده‌تر از فولادها هستند. در بین آلیاژهای آهنی، چدن‌ها مواد نسبتا ارزانی هستند؛ بنابراین کاربردهای گسترده‌ای در صنایع دارند. ریخته‌گری این آلیاژها عموما به دو روش ریخته‌گری در قالب ماسه‌ای و ریخته‌گری در قالب پوسته‌ای انجام می‌شود.

منابع

[۱]         T. Baker, “Ferrous Materials and Non-Ferrous Metals and Alloys,” ۲۰۱۵.

[۲]         “https://www.efunda.com/materials/alloys/alloy_home/steels_properties.cfm.” .

[۳]         “https://www.worldsteel.org/about-steel.html.” .

[۴]         “https://books.google.com/books?id=KaS4i6qdW5kC&pg=SA1-PA6&lpg=SA1-PA6&dq=%22General+applications+of+cast+iron%22&source=bl&ots=Kcm6DrP98O&sig=ACfU3U3bUa2677fRIV21hwKQW7dpqjqqkA&hl=fa&sa=X&ved=2ahUKEwjMk6zL6YDrAhWOx4UKHZtoBPgQ6AEwAHoECAEQAQ#v=onepage&q=%22.” .

[۵]         “http://www.themetalcasting.com/ferrous-alloys.html.” .

[۶]         “Types of steel castings,” in Foseco Ferrous Foundryman’s Handbook, Elsevier, 2000, pp. ۱۰۸–۱۲۰.

[۷]         “http://www.themetalcasting.com/cast-iron-alloy.html.” .