آشنایی با متالورژی کاربردی فولادها و چدنها

آهن یکی از متنوع ترین فلزات است و برای قرن ها یک ماده ساختمانی مهم بوده است که در بسیاری از ساختمان ها از ایستگاه های قطار و سالن های بازار گرفته تا ادارات و تاسیسات مکانیکی خانه ها استفاده می شود. وقتی آهن با کربن و سایر عناصر آلیاژ می شود، تنوع بسیار زیادی را ارائه می دهد. از دیربازاستفاده اولیه از آهن در ساخت ابزار و سلاح به دلیل توزیع گسترده سنگ آهن و سهولت کاهش ترکیبات آهن در سنگ معدن توسط کربن امکان پذیر بود. برای مدت طولانی، زغال چوب شکل کربنی بود که در فرآیند کاهش استفاده می شد. تولید و استفاده از آهن در حدود سال 1620، زمانی که کک به عنوان عامل کاهنده معرفی شد، بسیار گسترده تر شد. کک شکلی از کربن است که با گرم کردن زغال سنگ در غیاب هوا برای حذف ناخالصی ها ایجاد می شود.

تفاوت بین آهن، فولاد و چدن در میزان کربن موجود در مواد است. آهن خالص هیچ کربنی ندارد، فولاد هر آلیاژ آهنی است که تا ۲ درصد وزنی کربن داشته باشد و چدن به هر آلیاژ آهنی با بیش از ۲ درصد وزنی کربن گفته می شود. در عمل، آلیاژهای آهن به ندرت بیش از 4 درصد وزنی کربن دارند.

در این مطلب ضمن معرفی متالوژی تولید فولاد و چدن، بررسی خواهیم کرد که چگونه تغییرات کوچک در محتوای کربن می تواند چنین نتایج متفاوتی را ایجاد کند.

متالورژی آهن

متالورژی آهنی فقط مربوط به مطالعه تولید آهن و آلیاژهای آهن می شود. متالورژی معمولاً بین “آهنی” و “غیرآهنی” تقسیم می شود

فولاد نه تنها برخی از بهترین خواص مکانیکی را نسبت به هر ماده ای دیگر دارد، بلکه ارزان است و شیمی پیچیده ای نیز دارد. مهندسان می توانند با تنظیم ترکیبات و تکنیک های پردازش، خواص فولاد را به طور چشمگیری تغییر دهند.

همانطور که گفته شد فولاد با اضافه کردن مقادیر ناچیز کربن به آهن خالص حاصل می شود. فولاد مخلوطی از آهن و Fe3C سمنتیت دارد. سمنتیت خالص بسیار قوی، اما شکننده است. اما اگر سمنتیت توسط آهن شکل پذیر ⍺ احاطه شود، مخلوط حاصل شکل پذیر باقی می ماند اما به طور چشمگیری استحکام آن افزایش می یابد.

فولادهای با محتوای کربن بالاتر دارای سمنتیت بیشتری هستند. این باعث می شود آنها قوی تر، اما انعطاف پذیری کمتری داشته باشند. در برخی موارد، آنها به طور کامل انعطاف پذیری را از دست می دهند.

آلیاژهای آهن با کربن کافی که شکل پذیری خود را به طور کامل از دست می دهند، چدن نامیده می شوند. معمولاً این بدان معنی است که بیش از 2 درصد وزنی کربن دارد. با این مقدار کربن، آلیاژهای ریخته گری معمولاً هر 3 فاز فریت (Fe)، سیمنتیت (Fe3C) و گرافیت (C) را دازند

تعادل های مختلف فازها در آهن، فولاد و چدن به خواص بسیار متفاوت آنها کمک می کند.

واکنش کلی برای تولید آهن در کوره بلند به شرح زیر است:

Fe2O3(s)+3C(s)→Δ2Fe(l)+3CO(g)

احیا کننده واقعی CO است که Fe2O3 را کاهش می دهد و Fe(l) و CO2(g) می دهد سپس CO2 با واکنش با کربن اضافی به CO کاهش می یابد. همانطور که سنگ معدن، آهک و کک به داخل کوره می ریزند هر گونه کانی سیلیکات موجود در سنگ معدن با آهک واکنش می دهد و مخلوط کم ذوب سیلیکات های کلسیم به نام سرباره تولید می کند که در بالای آهن مذاب شناور می شود. سپس اجازه داده می شود آهن مذاب از کف کوره خارج شود و سرباره را پشت سر بگذارد

اولین مرحله در متالورژی آهن معمولاً برشته کردن سنگ معدن (گرم کردن سنگ معدن در هوا) برای حذف آب، تجزیه کربنات ها به اکسید و تبدیل سولفیدها به اکسید است. سپس اکسیدها در یک کوره بلند با ارتفاع 80 تا 100 فوت و قطر حدود 25 فوت کاهش می‌یابند. که در آن سنگ معدن بو داده، کک و سنگ آهک (CaCO3 ناخالص) به طور مداوم وارد قسمت بالایی می‌شوند. آهن مذاب و سرباره در پایین خارج می شوند.

کل این ذخایر در یک کوره ممکن است چند صد تن وزن داشته باشد.

در نزدیکی کف کوره نازل هایی وجود دارد که از طریق آنها هوای پیش گرم شده به داخل کوره دمیده می شود. به محض ورود هوا، کک در ناحیه نازل ها با آزاد شدن مقدار زیادی گرما به دی اکسید کربن اکسید می شود. دی اکسید کربن داغ از لایه پوشاننده کک سفید داغ به سمت بالا عبور می کند، جایی که به مونوکسید کربن کاهش می یابد:

CO2(g)+C(s)⟶2CO(g)

مونواکسید کربن به عنوان عامل کاهنده در نواحی بالایی کوره عمل می کند. اکسیدهای آهن در ناحیه بالایی کوره کاهش می یابد. در ناحیه میانی، سنگ آهک (کربنات کلسیم) تجزیه می شود و اکسید کلسیم حاصل با سیلیس و سیلیکات های موجود در سنگ معدن ترکیب می شود و سرباره تشکیل می دهد. سرباره عمدتاً سیلیکات کلسیم است و حاوی اکثر اجزای تجاری بی اهمیت سنگ معدن است:

CaO(s)+SiO2(s)⟶CaSiO3(l)

درست در زیر وسط کوره، دما به اندازه ای بالاست که هم آهن و هم سرباره را ذوب کند. آنها در لایه های پایین کوره جمع می شوند. سرباره با چگالی کمتر روی آهن شناور می شود و مطابق مطالب دوره حفاظت کاتدیک آن را از اکسیداسیون محافظت می کند. چندین بار در روز، سرباره و آهن مذاب از کوره خارج می شود. آهن تولید شده به ماشین های ریخته گری یا به کارخانه فولادسازی منتقل می شود.

خواص آهن، فولاد و چدن

طیف بسیار گسترده ای از خواصی که این سه ماده می توانند داشته باشند وجود دارد. اثرات کربن چیزی است که آهن، فولاد و چدن را متمایز می کند، اما آلیاژهای واقعی ممکن است دارای دوازده عنصر دیگر باشند.

حتی اگر به ترکیبات اصلی آهن و کربن پایبند باشیم، این مواد بسته به نحوه پردازش آنها نیز می توانند بسیار متفاوت عمل کنند. برای مثال، کوئنچ کردن فولاد ممکن است باعث تشکیل مارتنزیت به جای فریت شود.

چند نوع آلیاژ های معروف آهن عبارتند از: فولاد TRIP، فولاد هایپریوتکتوئید، فولاد هیپویوتکتوئید، فولاد ابزار، فولاد ضد زنگ، فولاد آستنیتی، چدن خاکستری، چدن سفید، چدن چکش خوار و چدن انعطاف پذیر.

با این حال، می توانم تعمیم های گسترده ای در مورد خواص این مواد داشته باشم. به عنوان مثال، آهن خالص بسیار ضعیف تر از فولاد و چدن است و رسوبات سمنتیت بسیار قوی تر از فریت هستند.

از سوی دیگر، چدن بسیار شکننده تر از فولاد یا آهن خالص است. در فولاد، داشتن رسوبات شکننده چندان بد نیست، زیرا یک ترک برای اتصال این رسوبات باید مسافت زیادی را طی کند. در چدن، فاز سمنتیت پیوسته تر است، بنابراین اگر ترک در جایی شروع شود، به سرعت در کل فاز سمنتیت حرکت می کند.

علاوه بر این، گرافیت موجود در چدن به این معنی است که این ماده در هنگام جدا شدن ضعیف است (اما در صورت فشرده شدن همچنان قوی است!)

آهن خالص بالاترین نقطه ذوب را دارد و چدن کمترین نقطه ذوب را دارد. با این حال، فولاد به سادگی خواص مکانیکی بهتری دارد، بنابراین تقریباً در تمام کاربردهای دمای بالا به جای آهن از فولاد استفاده می شود.

چدن ارزان ترین آلیاژ آهن است. با این حال، از آنجایی که بسیار شکننده است، ماشینکاری آن دشوار است. برای ساخت قطعه چدنی معمولاً باید مواد را ذوب کرده و در قالب بریزید. این فرآیند “ریخته گری” نامیده می شود.

از قضا آهن خالص اغلب گرانتر از فولاد یا چدن است. خالص سازی آهن عنصری یک فرآیند بی اهمیت نیست و فولاد و چدن بسیار بیشتری تولید می شود که صرفه جویی در مقیاس این مواد را ارزان تر می کند.

آهن خالص بهترین رسانایی را دارد، اما آهن در مقایسه با فلزات دیگر مانند مس یا آلومینیوم رسانایی نسبتاً پایینی دارد، بنابراین نمی توانم موقعیتی را تصور کنم که از آهن خالص برای هدایت الکتریکی استفاده کنید.

بدون عناصر آلیاژی، چدن بهترین مقاومت در برابر خوردگی را دارد. با این حال، نوعی فولاد به نام «فولاد ضد زنگ» وجود دارد که در آن کروم وجود دارد – این کروم به جلوگیری از زنگ‌زدگی فولاد کمک می‌کند

فولاد

بیشتر آهن تولید شده تصفیه شده و به فولاد تبدیل می شود. فولاد از آهن با حذف ناخالصی ها و افزودن موادی مانند منگنز، کروم، نیکل، تنگستن، مولیبدن و وانادیم برای تولید آلیاژهایی با خواصی که مواد را برای مصارف خاص مناسب می کند ساخته می شود. اکثر فولادها همچنین حاوی درصد کمی کربن (تا دو درصد وزنی) هستند. با این حال، بخش بزرگی از کربن موجود در آهن باید در ساخت فولاد حذف شود. در غیر این صورت کربن اضافی باعث شکننده شدن آهن می شود. با این حال، تنها یک ماده به نام فولاد وجود ندارد. آنها خانواده ای از آلیاژهای آهن با کربن یا فلزات مختلف هستند.

برای رسیدن به ترکیب فولاد باید مراحلی در پروسه ی تولید طی شود. ناخالصی های موجود در آهن کوره بلند شامل کربن، گوگرد، فسفر و سیلیکون است که باید حذف شوند.

حذف گوگرد:

ابتدا گوگرد باید در یک فرآیند جداگانه حذف شود. پودر منیزیم از طریق آهن مذاب دمیده می شود و گوگرد با آن واکنش می دهد و سولفید منیزیم را تشکیل می دهد. این یک سرباره در بالای آهن تشکیل می دهد و می تواند حذف شود.

Mg+S→MgS

حذف کربن

آهن مذاب ناخالص با آهن بازیافت مخلوط می شود و اکسیژن به مخلوط دمیده می شود. اکسیژن با ناخالصی های باقی مانده واکنش داده و اکسیدهای مختلفی از جمله مونوکسید کربن را تشکیل می دهد. از آنجایی که این یک گاز است، خود را از اتو خارج می کند! این مونوکسید کربن را می توان تمیز کرد و به عنوان گاز سوخت استفاده کرد.

حذف عناصر دیگر

عناصری مانند فسفر و سیلیکون با اکسیژن واکنش داده و اکسیدهای اسیدی تشکیل می دهند. اینها با استفاده از آهک زنده (اکسید کلسیم) که در طی دمش اکسیژن به کوره اضافه می شود، حذف می شوند. آنها برای تشکیل ترکیباتی مانند سیلیکات کلسیم یا فسفات کلسیم واکنش نشان می دهند که سرباره ای را در بالای آهن تشکیل می دهند.

آهن فریت

اگر تمام کربن از آهن جدا شود تا آهن با خلوص بالا بدست آید، به آن آهن فریت می گویند. فریت کاملاً نرم و به راحتی کار می شود و استحکام ساختاری کمی دارد. زمانی برای ساخت دروازه‌ها و نرده‌های تزئینی استفاده می‌شد، اما این روزها معمولاً به جای آن از فولاد نرم استفاده می‌شود.

آهن خالص یا فریت (فریت به معنای ساختار کریستالی BCC است که در دمای اتاق صادق است) یک فاز منفرد با اتم های آهن است. بسته به دما، آهن می تواند مقادیر بسیار کمی کربن را در محلول جامد بینابینی حل کند.

فولاد نرم

فولاد نرم آهنی است که تا حدود 0.25 درصد کربن دارد. وجود کربن باعث می شود فولاد قوی تر و سخت تر از آهن خالص باشد. هر چه درصد کربن بیشتر باشد، فولاد سخت تر می شود. فولاد نرم برای تولید در صنایع وابسته ی زیادی از قبیل میخ، سیم، بدنه اتومبیل، ساخت کشتی، تیرها و پل ها و غیره استفاده می شود.

فولاد با کربن بالا:

فولاد پر کربن حاوی حدود 1.5 درصد کربن است. وجود کربن اضافی آن را بسیار سخت می کند، اما همچنین آن را شکننده تر می کند. فولاد با کربن بالا برای ابزارهای برش و میخ های بتن یا سنگ تراشی (میخ هایی که برای کوبیدن به بلوک های بتنی یا آجرکاری بدون خم شدن طراحی شده اند) استفاده می شود. فولاد پر کربن در صورت بدرفتاری به جای خم شدن تمایل به شکستگی دارد.

چدن

اصطلاح چدن به آلیاژهای آهن-کربن-سیلیکون اطلاق می شود که حاوی 2.5-4٪ کربن و معمولاً 1-3٪ سیلیکون هستند. در آهن های خاکستری، کربن به صورت گرافیت وجود دارد. در چدن سفید به صورت کاربید آهن و کاربیدهای آلیاژی وجود دارد. چدن دارای قابلیت ریخته گری و ماشین کاری خوب و همچنین خواص مکانیکی متوسطی است. چدن به دلیل مزایای اقتصادی آن برای کاربردهای زیادی در صنایع خودروسازی، ساخت و فرآوری فلزات استفاده می شود. علاوه بر این، چدن های خاص ماده انتخابی برای محفظه های پمپ آب دریا، غلتک های آسیاب نورد و قطعات تجهیزات جابجایی زمین هستند.

از آنجایی که مورفولوژی گرافیت تأثیر عمده ای بر خواص مکانیکی چدن دارد، کنترل کیفیت متالولوژی آهن خاکستری بخشی جدایی ناپذیر از فرآیند تولید چدن است.

مورفولوژی، اندازه و توزیع گرافیت با استفاده از نمودارهای مقایسه مرجع استاندارد و/یا تجزیه و تحلیل تصویر، بر روی یک نمونه صیقلی نشده و صیقلی شده تعیین می‌شود.

مشکل اصلی در تهیه متالوگرافی چدن، حفظ شکل و اندازه واقعی گرافیت به شکل پولکی، ندولار یا دمیده شده آن است. به طور خاص، چدن هایی با ماتریس فریتی نرم تمایل به لکه دار شدن دارند و مستعد تغییر شکل و خراش هستند.

بسته به مشخصات، نمونه سپس برای بررسی ساختار ماتریس اچ می شود.

چالش اصلی هنگام تهیه نمونه های چدن، حفظ گرافیت در شکل و اندازه اصلی آن برای اطمینان از نمایش صحیح ریزساختار چدن است.

درصد معینی از گرافیت در حین سنگ زنی و صیقل دادن بسیار کم عمق بریده می شود و فقط در ماتریس نگه داشته می شود. بنابراین، همیشه این احتمال وجود دارد که گرافیت را نتوان به طور کامل حفظ کرد، به خصوص پوسته های بسیار بزرگ یا تجمعات پولکی. در نتیجه، فاز گرافیت را نمی توان همیشه به خوبی حفظ یا جلا داد.

در چدن های چکش خوار، گرافیت به شکل روزت یا کربن مزاج وجود دارد. این یک شکل شکننده از گرافیت است و حفظ آن در طول آماده سازی متالوگرافی می تواند به ویژه دشوار باشد.

یک خطای رایج آماده سازی حذف ناکافی فلز ماتریکس آغشته شده پس از آسیاب است که می تواند شکل و اندازه واقعی گرافیت را مبهم کند. این امر به ویژه در چدن های فریتی و آستنیتی که مستعد تغییر شکل و خراش هستند رایج است. برای این مواد، الماس کامل و پرداخت نهایی بسیار مهم است.

اکثر بررسی های میکروسکوپی استاندارد چدن ها با بزرگنمایی 100 برابر انجام می شود که باعث می شود گرافیت سیاه به نظر برسد. با این حال، برای بررسی اینکه آیا کربن کاملاً حفظ شده است، به بزرگنمایی‌های بالاتری نیاز است، زیرا گرافیت خوب صیقل‌شده خاکستری است.

محدودیت‌های زمانی اغلب حفظ نتایج آماده‌سازی ثابت هنگام استفاده از روش‌های دستی برای آماده‌سازی متالوژی و تجزیه و تحلیل ریزساختار چدن را دشوار می‌کند. با این حال، به دلیل هندسه قطعه آزمایش، اغلب امکان آماده سازی خودکار وجود ندارد. راه حل این است که قطعات آزمایشی خاصی را طراحی کنید تا در یک سیستم خودکار قرار بگیرند. مدیریت و کنترل هر پروژه ای نیازمند دانش تخصصی و ابزار ویژه ی خود همچون آموزش pmbok است ولی در حالت کلی فرآیندهایی که در تولید چدن باید کنترل شوند به شرح زیر است:

برش دادن

چدن های سفید آلیاژی بسیار سخت (HV 600) هستند و برش آن به خصوص برش های بزرگ دشوار است. با وجود این، چرخ های برش الماسی برای برش چدن سفید مناسب نیستند. در عوض، یک چرخ مکعب نیترید بور توصیه می شود.

برای مقاطع بزرگ، برش خودکار کارآمدتر از برش دستی است.

برای برش چدن ها با گرافیت، انتخاب چرخ اکسید آلومینیوم با توجه به سختی چدن توصیه می شود.

نصب چدن و فولاد

نمونه های کنترل کیفیت معمولاً بدون نصب آماده می شوند. برای نمونه های تجزیه و تحلیل شکست، بهتر است از نصب فشرده سازی داغ استفاده شود.

برای چدن های نرم تا متوسط ​​سخت، رزین فنولیک (MultiFast) توصیه می شود، همچنین برای حفظ لبه بهینه بهتر است از LevoFast (رزین ملامین با پرکننده معدنی و شیشه ای) استفاده شود.

برای چدن های سخت تر نیز، رزین تقویت شده (DuroFast) مناسب است.

الماس بر روی دیسک های سفت و سخت برای آسیاب ریز اکثر چدن ها توصیه می شود، زیرا نمونه ها را بسیار صاف نگه می دارد و گرافیت را به حالت برجسته نمی گذارد.

چدن‌های سفید سخت و چدن‌های داکتیل austempered را می‌توان با الماس (MD-Piano 220) و روی MD-Allegro با الماس آسیاب کرد.

چدن های نرم و متوسط سخت با ماتریس فریتی، آستنیتی یا پرلیتی باید با فویل/کاغذ سیلیکون کاربید و با الماس ریز روی MD-Largo آسیاب شوند.

برای چدن هایی که در حین پرداخت تمایل به خوردگی دارند، تعلیق الماس بدون آب (DP-A) و روان کننده زرد توصیه می شود.

از آنجایی که بسیاری از چدن ها تمایل به خوردگی دارند، تمیز کردن باید سریع باشد و همیشه باید با آب سرد انجام شود. با این حال، نمونه نباید در تماس با آب باقی بماند.

شستشوی کامل با اتانول و خشک کردن سریع با جریان قوی هوای گرم توصیه می شود. اگر همچنان خوردگی رخ داد، فقط با الکل بدون آب تمیز و شستشو دهید.

نمونه‌های چدن در ابتدا به‌صورت میکروسکوپی بررسی می‌شوند تا شکل، اندازه و توزیع گرافیت و همچنین تخلخل ریختگی بررسی شود. پس از این ارزیابی اولیه ریزساختار، نمونه را می توان برای ریزساختار با 1-3 درصد نیتال اچ کرد.

چدن های دارای گرافیت برای پرداخت الکترولیتی مناسب نیستند زیرا گرافیت توسط الکترولیت شسته می شود. با این حال، اگر فقط شناسایی سریع ریزساختار ماتریس مورد نیاز باشد، می توان از پرداخت و اچینگ الکترولیتی استفاده کرد.

در طول سنگ زنی، ماتریس روی گرافیت آغشته می شود و، مگر اینکه با یک جلا دادن الماس بسیار کامل دنبال شود، گرافیت به شکل واقعی خود نشان داده نمی شود. بنابراین، سنگ زنی سطحی با فویل/کاغذ کاربید سیلیکون و به دنبال آن سنگ زنی ریز و پرداخت با الماس توصیه می شود. پرداخت کوتاه نهایی با سیلیس کلوئیدی اختیاری است.