چدن مالیبل (چکش خوار)

چدن چکش خوار (Malleable Cast Iron)، ذاتا از نوع چدن های هیپو یوتکتیکی کم آلیاژی یا غیر آلیاژی هستند. جهت ایجاد گرافیت های کروی فشرده و حصول خواص مکانیکی مانند استحکام و چکش خواری، عملیات آنیل کردن انجام میگیرد. پس از ریخته گری، کربن این چدن ها به شکل ترکیبی (ترکیب با آهن) بوده و قطعات به صورت چدن سفید در آمده که با فرایند حرارتی بخصوصی به چدن مالیبل تبدیل می شوند.

کربن این نوع چدن بیشتر بصورت کره ‌هایی (کلوخه‌) از گرافیت و با اشکال نامنظم می‌باشد. چدن چکش‌خوار ابتدا به‌ صورت چدن سفید و با ترکیب شیمیایی مناسب ریخته می‌ شود. سپس به هنگام آنیل از سمنتیت چدن سفید، گرافیت جوانه‌ زده و به‌ صورت کروی رشد می‌کند. با تغییر دادن عملیات آنیل، می‌توان چدن چکش‌ خوار با خواص مکانیکی مختلف به‌ دست آورد، از آنجا که ابتدا برای تولید چدن سفید انجماد سریعی لازم است لذا ضخامت قطعات چدن چکش‌ خوار محدود است.

پس از اتمام مرحله اول آنیل، ساختار دارای کربن برفکی در زمینه آستنیت اشباع شده از کربن بوده و در مرحله دوم می توان با تنظیم سرعت سرد کردن ساختار را از فریت تا پرلیت تغییر داد.

چدن مالیبل و چدن نشکن

چدن های مالیبل مانند چدن های نشکن دارای مجموعه خواص چکش خواری و چقرمگی خوب بوده و در مواردی که چکش خواری و چقرمگی حائز اهمیت باشد، چدن های مالیبل و نشکن می توانند جایگزین هم شوند. برای انتخاب یکی از این دو در اکثر موارد، پیش از آنکه خواص آنها مطرح باشد، بیشتر جنبه اقتصادی بودن آنها در نظر گرفته می شود.

برای مقایسه می توان گفت که در مقاصد ویژه زیر استفاده از چدن مالیبل به جای چدن نشکن پیشنهاد می شود:

1)  پرچ کاری

2) قلاویز زنی

3) سنبه کاری

4) حداکثر خواص ماشینکاری

5) انجام کار سرد

6) نیازمند بودن به مقاطع نازک

7) مقاومت به ضربه در درجه حرارت پایین

8) مقاومت به سایش (که تنها چدن مالیبل مارتنزیتی استفاده می شود)

در عین حال، اگر به حداقل رساندن مقدار انقباض (Shrinkage) و یا برطرف نمودن خطر ترک گرم و یا برطرف نمودن مشکل سفید چدن در مقاطع بزرگ و حجیم مد نظر باشد، استفاده از چدن نشکن پیشنهاد می شود.

عناصر آلیاژی در چدن مالیبل

در چدن های مالیبل، نیکل، مس، بور، تلوریم و بیسموت به عنوان عناصر آلیاژی مورد استفاده قرار می گیرند در حالی که وانادیوم، کروم و قلع با پایدار کردن کاربید باعث تاخیر در عملیات گرافیت زایی شده و مورد استفاده قرار نمیگیرند. عناصر کلسیم، باریم و تیتانیوم به خاطر قدرت گرافیت زایی و تشکیل چدن پایدار در تهیه چدن مالیبل کاربرد محسوسی ندارد.

افزایش مس و مولیبدن به چدن مالیبل باعث افزایش استحکام و مقاومت به خوردگی آن میگردد. این دو عنصر احتمال تردی در مرحله باز پخت را نیز کاهش می دهند. مولیبدن به خاطر تمایل به پایدار کردن کاربید، باعث افزایش زمان عملیات حرارتی آنیلینگ میگردد.

انواع چدن مالیبل (چکش خوار)

چدن های مالیبل به سه دسته تقسیم می شوند:

1) چدن مالیبل مغز سیاه

2) چدن مالیبل با زمینه پرلیتی

3) چدن مالیبل مغز سفید

چدن چیست

چدن به آلیاژهایی از آهن و کربن که بین ۲.۱الی ۶.۲ درصد کربن داشته باشند، گفته می‌شود. رنگ مقطع شکست این آلیاژ به عنوان شناسه نامگذاری انواع مختلف آن به کار می رود. بیش از ۹۵ درصد وزنی چدن را آهن تشکیل میدهد و عناصر آلیاژی اصلی آن کربن و سیلیسیم هستند. به طور معمول بین ۲.۱ تا ۴ درصد کربن و ۱ تا ۳ درصد سیلیسیم دارد و به عنوان آلیاژی سه گانه شناخته می شود. با این وجود، انجماد آن از روی دیاگرام فازی دوتایی آهن- کربن بررسی میشود. جایی که نقطه یوتکتیک در دمای ۱۱۵۴ درجه سانتی گراد و 3/4 درصد کربن اتفاق می افتد که حدود ۳۰۰ درجه کمتر از نقطه ذوب آهن خالص است. چدنها، به استثنا نوع داکتیل، ترد هستند و به دلیل نقطه ذوب پایین، سیالیت، قابلیت ریخته گری، ماشین کاری، تغییرشکل ناپذیری و مقاومت به سایش به موادی مهندسی با دامنه وسیعی از کاربرد تبدیل شده و در تولید لوله ها، ماشینها، قطعات صنعت خودرو مانند سرسیلندر، بلوک سیلندر و جعبه گیربکس به کار میروند. چدن همچنین به تضعیف و تخریب ناشی از اکسیداسیون (خوردگی) مقاوم است.

واژه چدن مشخص کننده گروه کاملي از فلزات با خواص گوناگون و متنوع است. اين واژه  نامي عمومي شبيه فولاد است که باز هم به گروه خاصي از فلزات اطلاق مي شود. فولادها و چدن ها از آهن , همراه با کربن به عنوان عنصر آلياژي اصلي, تشکيل مي شوند. فولادها کمتر از دو درصد و غالباً کمتر از يک درصد کربن دارند در حالي که چدن ها بيشتر از دو درصد کربن دارند. چدن با حداکثر دو درصد کربن، به صورت آلياژي تک فاز منجمد، و تمام کربن آن در آستنيت حل مي شود. بنابراين طبق تعريف چدن ها به صورت آلياژهاي ناهمگن منجمد مي شوند و همواره ريزساختار آنها بيش از يک تشکيل دهنده دارد. چدن علاوه بر کربن بايد حاوي مقدار قابل توجهي سيليسيم, معمولاً از يک تا سه درصد, نيز باشد. و بنابراين چدن را بايد آلياژ آهن-کربن-سيليسيم دانست. وجود سيليسيم و کربن بسيار زياد در چدن ها از آنها آلياژهاي ريختگي عالي مي سازد. دماي ذوب اين آلياژها از دماي ذوب فولاد بسيار کمتر است. چدن مذاب از فولاد سيال تر است و با مواد قالب کمتر وارد واکنش مي دهد. تشکيل گرافيت با چگالي کم، در حين انجماد چدن به کاهش تغيير حجم فلز از حالت مذاب به جامد مي انجامد و توليد قطعات ريختگي پيچيده تر را ممکن مي کند. اما چدن ها به اندازه اي داکتيل نيستند که بتوان آنها را نوردکاري يا آهنگري کرد.

عناصر آلیاژی

خواص چدن با افزودن عناصر آلیاژی مختلف تغییر می کند. بعد از کربن، سیلیسیم مهمترین عنصر محسوب می‌شود چرا که کربن را از حالت محلول خارج کرده، آن را به فرم گرافیت درمی آورد که تولید چدنی نرمتر، با انقباض کمتر کرده، استحکام و چگالی را کاهش می دهد. گوگرد نیز هنگام اضافه شدن سولفید آهن تولید می‌کند که مانع تشکیل گرافیت شده سختی را افزایش میدهد. مشکل گوگرد اینست که گرانروی چدن را در حالت مذاب بالا برده و عیوب ساختاری را افزایش میدهد. برای خنثی کردن اثرات گوگرد از منگنز استفاده می‌شود تا به جای سولفید آهن، سولفید منگنز تشکیل شود. سولفید منگنز از مذاب سبکتر است بنابراین برروی سطح مذاب و درون سرباره شناور میشود. مقدار منگنز مورد نیاز برای خنثی کردن گوگرد برابر است با ۱.۷*مقدار گوگرد+۰.۳%. افزودن منگنز بیش از این مقدار باعث تولید کاربید منگنز می‌شود که خود به بالا رفتن سختی و سرعت انجماد منجر میشود. تنها در مورد چدن خاکستری افزایش منگنز تا یک درصد استحکام و چگالی را افزایش میدهد. نیکل نیز از آلیاژسازهای بسیار معمول است که ساختار پرلیت و گرافیت را پالایش داده به افزایش چقرمگی کمک می‌کند و گاه حتی تفاوت سختی در ضخامتهای مختلف را از بین میبرد. کروم به مقدار جزیی به ملاقه مذاب افزوده می‌شود تا گرافیت آزاد را کاهش داده، مذاب را سرد کند و از آنجا که تثبیت کننده قوی کاربید به شمار میرود عمدتاً همراه با نیکل افزوده میشود. مقدار بسیار اندکی قلع را نیز می توان به جای ۰.۵درصد کروم افزود. بین ۰.۵ تا ۲.۵درصد مس هم در ملاقه یا کوره به مذاب اضافه می‌شود تا انجماد را کاهش، گرافیت را پالایش و سیالیت را افزایش دهد. افزودن ۰.۳ تا ۱ درصد مولیبدن باعث افزایش انجماد، پالایش گرافیت و پرلیت می‌شود و معمولاً همراه با نیکل مس و کروم افزوده می‌شود تا خواص استحکامی را بهبود بخشد.

تیتانیوم به عنوان گاززدا و اکسیدزدا استفاده می‌شود اما سیالیت را هم افزایش میدهد. اضافه نمودن ۰.۱۵ تا ۰.۵درصد وانادیوم، سمنتایت را تثبیت کرده سختی و مقاومت به سایش و گرما را افزایش میدهد. همچنین افزودن ۰.۱ تا ۰.۳ درصد زیرکنیوم به تشکیل گرافیت، احیا و افزایش سیالیت منجر میشود. به مذاب چدن مالیبل، حدود ۰.۰۰۲ تا ۰.۰۱ درصد وزنی بیسموت اضافه می‌شود تا بتوان سیلیسیم درصد سیلیسیم را افزایش داد. در چدن سفید عنصر بور به منظور تولید شدن چدن مالیبل افزوده می‌شود تا از اثر زمخت شدن در اثر وجود بیسموت کاسته شود.

تولید چدن

چدن از طریق ذوب مجدد سنگ آهن به همراه آهن و فولاد قراضه بدست می آید و با طی مراحلی برای حذف عناصر ناخواسته مانند فسفر و گوگرد همراه است. بسته به نوع کاربرد، میزان کربن و سیلیسم تا حد مطلوب (به ترتیب ۲ تا ۳.۵ و ۱ تا ۳ درصد وزنی) کاهش داده می شوند. سایر عناصر نیز حین ریخته گیری و قبل از شکل گیری نهایی، به مذاب افزوده می شوند. چدن به جز موارد خاص که در کوره بلند موسوم به کوره کوپل ذوب میشود، عمدتاً در کوره‌های القای الکتریکی تولید می گردد. پس از تکمیل ذوب، مذاب به کوره نگهدارنده یا قالب ریخته میشود.

 انواع چدن   

انواع گوناگون چدن را مي توان بر اساس ريزساختار دسته بندي کرد. اين دسته بندي بر شکل بخش عمده کربن موجود در چدن مبتني است. بر اين اساس پنج نوع اصلي چدن وجود دارد:

– چدن سفيد

– چدن چکش خوار

– چدن خاکستري

– چدن داکتيل

– چدن با گرافيت فشرده

به هر نوع از اين چدن ها مي توان تا حدودي عنصرهاي آلياژي افزود، يا آنها را مورد عمليات گرمايي قرار داد، بدون اين که نوع چدن تغيير کند. چدن هاي آلياژي را که معمولاً حاوي بيش از سه درصد عنصر آلياژي هستند مي توان به طور جداگانه به عنوان چدن سفيد ، خاکستري ،  يا داکتيل دسته بندي کرد.

اما چدن هاي آلياژي را از لحاظ تجاري به صورت گروهي جداگانه دسته بندي مي کنند.

چدن چیست

    1) چدن سفيد   

هرگاه ترکيب شيميايي چدن مناسب باشد, يا آهنگ سرمايش آن در حين انجماد به اندازه کافي تند باشد, چدن به گونه اي منجمد مي شود که همه کربن موجود در آن با آهن به صورت کاربيد آهن ترکيب مي شود. اين ترکيب که سمنتيت نيز ناميده مي شود سخت و ترد است و ترکيب غالب در ريزساختار چدن سفيد محسوب مي شود. بنابراين چدن سفيد سخت و ترد و مقطع شکست آن سفيد و بلورين است زيرا اساساً گرافيت ندارد. استحکام فشاري چدن سفيد بسيار زياد و مقاومت آن در برابر سايش عالي است. اين نوع چدن در حالت گداخته سختي خود را تا مدت محدودي  حفظ مي کند.

با افزايش آهنگ انجماد موضعي چدن, مي توان نواحي گزيده اي از قطعه ريختگي را به چدن سفيد تبديل کرد. قابليت ريخته گري چدن سفيد به خوبي چدن هاي ديگر نيست زيرا دماي انجماد آن معمولاً بالاتر است, و کربني که به صورت کاربيد آهن است منجمد مي شود. بنابراين ديگر گرافيت در به حداقل رسانيدن انقباض در حين انجماد نقشي ندارد. بخشي از قطعه ريختگي که با آهنگي معتدل جامد مي شود, هم گرافيت دارد و هم کاربيد آهن. اين ساختار را چدن ابلق مي نامند.

چدن سفيد سخت مي تواند در قطعه ريختگي از چدن نرم نيز به وجود آيد. دليل اين امر سرمايش سريع مقطعي نازک يا گوشه اي تيز از قطعه يا وجود پره اي بر روي قطعه ريختگي است که از وجود درزي در قالب ناشي شده است و باعث گرماگيري و افزايش آهنگ انجماد مي شود.

   2)  چدن چکش خوار

مشخصه اين نوع چدن اين است که بخش عمده کربن موجود در ريزساختار آن به صورت گره هاي نامنظم گرافيت ديده مي شود. اين نوع گرافيت کربن بازپختي نام دارد زيرا در حالت جامد و در حين عمليات گرمايي تشکيل مي شود.براي توليد چدن چکش خوار, چدن را به صورت چدن سفيد با ترکيب شيميايي مناسب مي ريزند. پس از آن که قطعات ريختگي را از قالب بيرون آوردند, آنها را به مدت طولاني در دمايي بالاتر از 900 درجه سلسيوس تحت عمليات گرمايي قرار مي دهند. اين عمليات کاربيد آهن را تجزيه مي کند و کربن آزاد را به صورت گرافيت در چدن رسوب مي دهد. آهنگ سريع انجماد که براي توليد چدن سفيد ضرورت دارد باعث محدوديت ضخامت مقاطع ريختگي چدن چکش خوار مي شود.

با تنظيم ساختار زمينه در پيرامون گرافيت مي توان به گستره وسيعي از خواص مکانيکي در چدن چکش خوار دست يافت. زمينه هاي پرليتي و مارتنزيتي با سرمايش سريع در حوالي دماي بحراني و افزودن عنصرهاي آلياژي به دست مي آيند. چدن هاي چکش خواري که در زمينه خود مقداري کربن ترکيبي داشته باشند غالباً به عنوان چدن چکش خوار پرليتي شناخته مي شوند, اگرچه ممکن است ريزساختار آنها مارتنزيتي يا پرليتي کروي شده باشد.

  3) چدن خاکستري

هنگامي که ترکيب چدن مذاب و آهنگ سرمايش آن مناسب باشد, کربن موجود در آن در حين انجماد جدا مي شود و پولک هاي گرافيت را تشکيل مي دهد که درون هر سلول اوتکتيک به يکديگر متصل اند. گرافيت در درون مذاب از ناحيه لبه رشد مي کند و پولک مشخصه چدن خاکستري را تشکيل مي دهد. هنگامي که چدن خاکستري مي شکند, بخش عمده شکست در پولک هاي گرافيت رخ مي دهد, و به همين دليل رنگ مقطع شکست آن خاکستري است. از آنجا که بخش عمده قطعات ريختگي چدني را از جنس چدن خاکستري مي سازند, واژه عمومي چدن را, غالباً به غلط در مورد چدن خاکستري به کار مي برند.

خواص چدن خاکستري از ابعاد, مقدار, و توزيع پولک هاي گرافيت, و سختي نسبي فلز زمينه در پيرامون گرافيت, تأثير مي پذيرد.اين عوامل را مي توان با کنترل مقدار کربن و سيليسيم فلز مذاب و آهنگ سرمايش قطعه ريختگي تنظيم کرد. هرچه چدن آهسته تر سرد شود و مقدار کربن و سيليسيم آن بيشتر باشد, تمايل به ايجاد پولک هاي بيشتر و بزرگتر گرافيت, ساختار زمينه نرم تر, و استحکام کمتر افزايش مي يابد. گرافيت پولکي خواص بي همتايي به چدن خاکستري مي بخشد که از جمله مي توان به ماشينکاري پذيري عالي در ترازهايي از سختي با بيشترين مقاومت در برابر سايش, توانايي مقاومت در برابر برهم سايي, و ميرايي لرزه عالي ناشي از خطي نبودن رابطه تنش- کرنش در تنش هاي نسبتاً کم اشاره کرد.

چندين عامل بر هسته زايي و رشد پولک هاي گرافيت تأثير مي گذارند. مقدار گرافيت و نيز ابعاد و توزيع آن تأثير مهمي برخواص چدن دارند.

در سیستم آهن-کربن پایدار، تمامی کربن بصورت گرافیت ظاهر می‌شود.

انواع چدن‌های خاکستری از نظر شکل گرافیت

• چدن‌های خاکستری با گرافیت کلوخه‌ای یا شکوفه‌ای یا چدن‌های مالیبل با چکش‌خوار
• چدن خاکستری با گرافیت ورقه‌ای یا فلسی یا پولکی
• چدن خاکستری با گرافیت کروی یا چدن داکتیل یا SGو یا چدن نشکن
• چدن خاکستری چشم گاوی (این نوع چدن ما بین خاکستری و سفید می‌باشد که به علت گرافیتهای نسبتاً بزرگ در بین فاز روشن رنگ فریت به این اسم مشهور است.

در سیستم آهن کربن ناپایدار نمی‌توان گفت تمام کربن به صورت گرافیت آزاد رسوب می‌کند چون شرایط تبرید و انجماد در نوع چدن حاصل نقش دارد.

انواع چدن‌ها از نظر فاز زمینه

• زمینه فریتی
• زمینه فریتی-پرلیتی
• زمینه پرلیتی
• زمینه مارتنزیتی
• زمینه آستنیتی
• زمینه بینیتی

  4) چدن داکتيل

اين چدن را گاهي به نام چدن با گرافيت کروي يا SG نيز مي شناسند. در چدن داکتيل مي توان به ترکيبي غير متعارف از خواص دست يافت زيرا در اين نوع چدن, گرافيت به جاي پولک هاي جداگانه به صورت کره يا گويچه ظاهر مي شود. اين شيوه انجماد با افزودن مقداري اندک, ولي کاملاً معين از منيزيم به چدن مذابي با ترکيب شيميايي مناسب به دست مي آيد. چدن پايه ازلحاظ دارا بودن بعضي عنصرهاي فرعي که مانع تشکيل گرافيت کروي مي شوند، محدوديت زيادي دارد

زياد بودن مقدار کربن وسيليسيم در چدن داکتيل از لحاظ فرايند ريخته گري مزايايي در بر دارد, اما گويچه هاي گرافيت بر خواص مکانيکي تأثير جزئي مي گذارند. رابطه تنش کرنش در چدن داکتيل همانند چدن چکش خوار خطي است و اين نوع چدن گستره وسيعي از استحکام تسليم را ارائه مي کند و همان گونه که از نام آن بر مي آيد داکتيل است. قطعات ريختگي چدن داکتيل در گستره وسيعي از ابعاد مختلف ومقاطع گوناگون, از بسيار نازک تا بسيار ضخيم, توليد مي شوند.

رده هاي مختلف اين نوع چدن با تنظيم ساختار زمينه در پيرامون گرافيت, به حالت سياه تاب يا با انجام عمليات گرمايي توليد مي شوند.بين رده هاي معمولي اين نوع چدن, از لحاظ ترکيب شيميايي تفاوت اندکي وجود دارد, و اين گونه تنظيم ها را براي بهبود ريزساختار زمينه مطلوب انجام مي دهند. براي تنظيم ساختار زمينه چدن داکتيل در حالت سياه تاب يا آماده سازي آن براي عمليات گرمايي مي توان عنصرهاي آلياژي را به چدن افزود. چدن هاي داکتيل و چدن هاي داکتيل آلياژي با ترکيب شيميايي خاص, خواص غير متعارفي دارند که در کاربردهاي ويژه به کار مي آيند.

  5)  چدن با گرافيت فشرده

گرافيت موجود در اين نوع چدن به صورت پولک هاي کلفت ديده مي شود که در درون هر سلول به يکديگر متصل اند. اين ساختار گرافيت و خواص ناشي از آن, حالتي بينابين چدن خاکستري و چدن داکتيل است. شکل گرافيت فشرده مدت هاست که شناخته شده و آن را شبه پولک, پولک متراکم, شبه گره اي, و گرافيت کرم مانند نيز مي نامند. فرايند توليد اين نوع چدن مشابه چدن داکتيل و مستلزم کنترل دقيق متالورژيکي و افزودن عناصر خاکي کمياب است, اما توليد چدن با گرافيت فشرده مستلزم افزودن عنصر آلياژي ديگري از قبيل تيتانيم نيز هست تا تشکيل گرافيت کروي به حداقل برسد. چدن با گرافيت فشرده بيشترين قابليت ريخته گري چدن خاکستري را حفظ مي کند, استحکام کششي بيشتري دارد و تا حدودي نيز داکتيل است. با افزودن عنصرهاي آلياژي, يا انجام عمليات گرمايي مي توان ساختار زمينه اين چدن را تنظيم کرد.

چدن چیست

6) چدن هاي آلياژي

اين دسته از چدن ها شامل چدن هاي سفيد آلياژي, چدن هاي خاکستري آلياژي, و چدن هاي داکتيل آلياژي است.چدن هاي چکش خوار پر آلياژ نمي شوند زيرا وجود عناصر آلياژي مانع از انجام فرايند چکش خواري مي شود. چدن هاي با گرافيت فشرده هنوز عمر چنداني ندارند ونمي توان نقش آنها را در عرصه چدن هاي آلياژي ارزيابي کرد.

چدن هاي آلياژي در مواردي که مستلزم مقاومت فوق العاده در برابر سايش, گرما, يا خوردگي است, به کار مي روند. به علاوه هنگامي که خواص فيزيکي غير متعارف, از قبيل انبساط گرمايي اندک,يا خواص غير مغناطيسي در نظر باشد از اين چدن ها استفاده مي شود. قطعات ريختگي چدن آلياژي به وسيله ريخته گري هايي توليد مي شوند که در اين زمينه تخصص دارند,زيرا افزودن3 تا 30 درصد عنصر آلياژي به چدن مذاب مستلزم در اختيار داشتن تجهيزات ذوب, فنون ريخته گري, و کنترل کيفيت ويژه است. شناسايي وتعيين خواص ويژه  مورد نياز درچدن هاي آلياژي غالباً بسيار دشوار است,بنابراين همواره آنها را بر اساس ترکيب شيميايي مشخص مي کنند. خواص مکانيکي مورد نظر را نيز, در مواردي که اهميت داشته باشند, مي توان مشخص کرد. چدن هاي آلياژي را بر اساس نوع کاربرد غير متعارف و مشخصه هاي ويژه آنها دسته بندي مي کنند.

   تغيير کربن معادل در چدن هاي خاکستري

مقدار گرافيت هاي ورقه اي مهم ترين عاملي است که بر روي استحکام و خواص ديگر چدن خاکستري تأثير مي گذارد و تغيير در مقدار آن ها علت اصلي تغيير استحکام چدن هاست که با استاندارد انگليسي BS1452 مشخص شده و تا رديف هاي 260 و يا 300 تغيير مي کند.

ساختار زمينه در صورتي پرليتي کامل است که مقدار سيليسيم کمتر يا مقدار منگنز زيادتر باشد و به همين ترتيب بر اثر وجود مقادير بسيار کم و جزئي از عناصر پايدار کننده پرليت از قبيل: آرسنيک, کرم, مس, نيکل و قلع در مواد اوليه يا قراضه هاي برگشتي مي توان زمينه اي کاملاً پرليتي به دست آورد.

در مورد چدن هايي که داراي استحکام کمتري هستند, ساختار زمينه داراي اهميت کمتري نسبت به نوع گرافيت ها در چدن است, در صورتي که در چدن هاي با استحکام و مقاومت زياد, نوع ساختار زمينه اهميت زيادي دارد به طوري که در چنين مواردي سعي مي شود تا ساختارهايي کاملاً پرليتي و يا بينايتي توليد گردد.

   تأثير تغيير ضخامت در ساختار ميکروسکوپي چدن خاکستري

به همان ترتيب که در استاندارد BS1452:1977 نشان داده شده است, با افزايش ضخامت قطعه در چدن خاکستري, استحکام افت مي کند و به همين دليل معمولاً يک نمونه ميله اي با قطر 30 ميلي متر به عنوان  مرجع براي استحکام و ساختار مورد استفاده قرار مي گيرد.

   تلقيح مواد گرافيت زا در چدن خاکستري

تلقيح يک ماده جوانه زا در چدن خاکستري عبارت است از اضافه کردن مقدار کمي از آن ماده به منظور آزاد شدن گرافيت ها از حالت ترکيبي سمنتيت (Fe3C? 3Fe + C ) که در اين حال سل هاي يوتکتيکي در ساختار چدن افزايش پيدا کرده و هم چنين فوق تبريد در حين انجماد نيزکاهش مي يابد.

در حقيقت تلقيح و اضافه کردن مواد گرافيت زا به عنوان کاتاليزور باعث سريع تر جدا شدن گرافيت ها از حالت ترکيبي گرديده و اغلب در چدن هاي با استحکام بيشتر و کربن کمتر مورد استفاده قرار مي گيرد و در نتيجه گرافيت هاي آزاد به ويژه در مقاطع نازک تر قطعه به سهولت ايجاد مي شود ولي در صورت عدم استفاده از چنين موادي کاربيدها و به ويژه سمنتيت در جداره خارجي و قسمت هاي نازک تر قطعه به وجود مي آيد.

به طور کلي مواد جوانه زا اغلب به صورت ترکيبات آلياژي شامل عنصر جوانه زاست که به طور مثال مواد جوانه زايي که در چدن ها مورد استفاده قرار مي گيرد, معمولاً فرو سيليسيم و کلسيم سيليسيد است که از عنصر سيليسيم غني است, هم چنين در مورد چدن ها از SMZ نيز استفاده مي شود.

يک ماده جوانه زاي مناسب عبارت از ماده اي است که افزودن مقادير کمي از آن بدون آن که تغيير قابل ملاحظه اي در ترکيب شيميايي آلياژ کند اثر مناسب و کافي بر روي ساختار داخلي ايجاد کند.

استحکام چدني که قبل از تلقيح يک ماده جوانه زا داراي ساختاري گرافيتي است, معمولاً پس از تلقيح به دلايل زير افزايش مي يابد:

الف) افزايش در تعداد سل هاي يوتکتيکي

ب) گرافيت هاي فوق تبريد اغلب همراه با فريت هستند و در صورت ايجاد گرافيت هاي بدون جهت در اين حالت, اغلب زمينه به صورت کاملاً پرليتي مي گردد که در نتيجه استحکام را افزايش مي دهد.

ج) مواد جوانه زاي سيليسيم دار مهمولاً حاوي آلومينيم هستند و وجود آلومينيم در چدن هاي پرليتي باعث ازدياد در استحکام آنها مي گردد.

    چدن سفيد

تمام کربن يوتکتيکي در چدن هاي غير آلياژي قطعاتي که در حين انجماد در قالب هاي ماسه اي داراي ضخامت هاي نازک و متوسطي بوده و حاوي مقدار سيليسيم کمتري باشند, بدون استفاده از تلقيح مواد جوانه زا به کاربيد آهن تبديل مي گردند. چنين چدن هايي داراي مقاطع شکست سفيد بوده و به چدن هاي سفيد موسوم هستند.

اين نوع چدن ها به صورت غير آلياژي و نيز همراه با مقادير قابل توجهي از عناصر کاربيدزا مانند کرم يا واناديم مورد استفاده قرار مي گيرند. مقاومت در مقابل ساييدگي و سايش چدن هاي سفيد دليل اصلي استفاده از اين نوع چدن ها در صنعت محسوب مي گردد.

چدن مختلط

در صورتي که ترکيب شيميايي چدني که در يک قالب ماسه اي ريخته گري مي گردد در حد وسط يک چدن خاکستري و چدن سفيد قرار گيرد، داراي ساختاري مخلوط از گرافيت و کاربيد آهن (يوتکتيکي) خواهد بود که به چدن مخلوط مشهور است. اين نوع چدن داراي سطح مقطع شکست مخلوط از سفيد و خاکستري بوده و در بسياري موارد به عنوان يک چدن مقاوم در مقابل سايش نيز مورد استفاده قرار مي گيرد.

به همين ترتيب, در يک حالت ديگر و در شرايطي که سرعت سرد شدن قسمت هاي مختلف يک قطعه به دليل اختلاف ضخامت متفاوت باشد در اين صورت مقطع نازک تر داراي ساختار چدن سفيد و مقطع ضخيم تر به صورت ساختار يک چدن خاکستري منجمد مي گردد و در نتيجه حد وسط دو مقطع مورد نظر ساختار مخلوط از دو نوع ساختار را خواهد داشت.

روی چیست

روی عنصری است شیمیایی با علامت اختصاری Zn که دارای عدد اتمی ۳۰ است. روی فلزی است به رنگ سفید متمایل به آبی که بر اثر رطوبت هوا تیره رنگ می‌شود و در حین احتراق رنگ سبز براقی تولید می‌کند. روی بعد از آهن، آلومینیوم و مس چهارمین فلز مورد استفاده در دنیا می‌باشد. از موارد استفاده روی می‌توان آلیاژهای مختلف و فولاد گالوانیزه را نام برد. روی یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن Zn و عدد اتمی آن ۳۰ می‌باشد.

تاریخچه

آلیاژهای روی از قرنها پیش استفاده می‌شده‌است. کالاهای برنجی که به ۱۰۰۰-۱۴۰۰ سال پیش باز می‌گردند در فلسطین پیدا شده‌اند و اشیاء رویی با ۸۷٪ روی در ترانسیلوانیا ما قبل تاریخ یافت شده‌اند. به خاطر نقطه جوش پایین و واکنش شیمیایی این فلز (روی جدا شده دود شده و قابل دست یابی نبود) خصوصیات واقعی این فلز در زمان باستان مشخص نشده بود. ساخت برنج به رومی‌ها نسبت داده شده و مربوط به ۳۰ سال پیش از میلاد می‌باشد. آنها کالامین و مس را با یکدیگر در بوته آهنگری حرارت می‌دادند که در این عمل اکسید روی در کالامین کاهش میافت و فلز روی آزاد توسط مس به دام انداخته می‌شد و به شکل آلیاژ در می‌آمد. برنج بدست آمده یا در قالب ریخته می‌شد یا با چکش به شکلهای مختلف در می‌آمد.

استخراج و تصفیه روی نا خالص

در ۱۰۰۰ سال پیش از میلاد مسیح در هند و چین صورت می‌گرفته‌است. در غرب نیز کشف فلز روی به Andreas Marggraf آلمانی در سال ۱۷۴۶ بر می‌گردد.

شرح تولید برنج در اروپای غربی در کتابهای آلبرتوس مگنوس در سال ۱۲۸۴ به چشم می‌خورد. این فلز در قرن ۱۶ به میزان قابل توجه شناخته شد.Agricola در سال ۱۵۴۶ اعلام کرد که وقتی که سنگ معدن روی گداخته می‌شود فلز سفید می‌تواند منقبض شود و دیواره کوره را بتراشد. او در نوشته‌های خود به این مسئله نیز اشاره کرد که فلزی شبیه آن به نام Zincum در Silesia تولید می‌شده‌است. پاراسلیوس (متوفی به سال ۱۵۴۱) اولین کسی در غرب بود که گفت Zircum فلزی جدید است که در مقایسه با فلزات دیگر خواص شیمیایی جداگانه‌ای دارد. نتیجه آن است که فلز روی زمانی شناخته شده که Margaraf کشفیاتش را شروع کرد و در حقیقت فلز روی دو سال زودتر توسط شیمیدان دیگری به نام Anton Von Swab تجزیه شده و بدست آمده بود. اما تحقیقات Margraaf جامع تر بود و بخاطر تحقیقات این دو شخص آنها به عنوان کاشفین روی شناخته میشوند. قبل از کشف تکنیک غوطه وری سولفید روی Calamine تنها منبع معدنی فلز روی بوده‌است.

 لایه‌های الکترونی روی

وزن اتمی65.38 چگالی 7.133 نقطه ذوب419.83 درجه سانتیگراددرجه سختی بر حسب واحد موهس ۵/۲ دارای ظرفیت۲ درگروهIIB جدول تناوب دارای ایزوتوپهای طبیعی۷۰ -۶۸-۶۶-۶۴ وایزوتوپهای رادیواکتیو۷۲-۷۱-۶۹-۶۵-۶۳-۶۰ روی فلز نرم و سفیدباقابلیت چکش خواری باجلای خاکستری متمایل به آبی قابل حل دراسیدهاوبازهاوغیرقابل حل درآب می‌باشد.

روی فلزی است که در Vielle Montagne و Zinkgruvan استخراج می‌شود و برای آبکاری فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. مانند فلزات دیگر به آرامی واکنش نشان می‌دهد. با اکسیژن و دیگر غیر فلزات ترکیب شده و با اسید رقیق واکنش نشان داده و گاز هیدروژن آزاد می‌کند. چهارمین فلز متداول و مورد استفاده بوده و بعد از آهن آلومینیوم و مس بیشترین فلزی تولیدی می‌باشد. حالت اکسیداسیون متداول این عنصر +۲ می‌باشد.

کاربردها روی

یک تاس زینتی ساخته شده از مس و روی

روی برای آبکاری فلزها استفاده می‌شود تا از زنگ زدگی آنها جلوگیری کند.روی در آلیاژهایی نظیر برنج Nickel Silver فلز ماشین تحریر فرمولهای مختلف لحیم نقره آلمانی و…. بکار می‌رود.

برنج بخاطر استقامت و مقاومت در برابر زنگ زدگی و خوردگی کاربردهای وسیعی دارد. روی به طور گسترده در صنعت خودرو سازی در Die Castingها استفاده می‌شود. روی لوله‌ای به عنوان قسمتی از محتوی باتری‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اکسید روی به عنوان رنگ دانه‌های سفید در رنگهای آبی و همچنین به عنوان فعال کننده در صنعت Rubber استفاده می‌شود. به عنوان Over the counter ointment به صورت لایه نازکی بر روی پوست بی حفاظ صورت و بینی استفاده می‌شود تا از کم شدن آب پوست جلو گیری کرده و در برابر آفتاب سوختگی در تابستان و باد زدگی در زمستان از پوست محافظت کند. استفاده از آن برای کودکان در هر مرحله از عوض کردن کهنه کودک توصیه شده زیرا از تحریکات پوستی جلوگیری می‌کند. کلرید روی به عنوان بوگیر و همچنین محافظ چوب نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. سولفید روی در رنگدانه‌های درخشان، برای تولید عقربه‌های ساعت و موارد دیگری که در تاریکی میدرخشد استفاده می‌شود.

اکسید روی

محلول‌های ضد عفونی کننده‌ای که از Calamine ساخته شده و ترکیبی از Zn-Hydroxy-Carbonate و سیلیکات است برای درمان جوش‌های پوستی استفاده می‌شود. فلز روی شامل ویتامینهای مورد مصرف روزانه و مواد معدنی نیز می‌باشد و با توجه به فلزات دیگر این فلز دارای خاصیت ضد اکسیداسیون است که از پیری زود رس پوست و مفصل‌های بدن محافظت می‌کند. با بررسی خواص روی به این نتیجه رسیده‌اند که این عنصر می‌تواند به بهبودی بعد از عمل جراحی سرعت بخشد. Zinc Gluconate Glycine از قرص‌های مکیدنی برای درمان سرما خوردگی و التهاب دهان و لوزه‌ها می‌باشد.

نقش زیست شناختی روی

روی از عناصر ضروری زندگی انسان است که برای بقاء و زندگی وی لازم است. کمبود روی در حیوانات موجب افزایش وزن می‌شود. روی در انسولینZinc Finger Proteins و آنزیم‌هایی مانند Super Oxide Dismutase وجود دارد. بر اساس بسیاری از منابع مصرف قرصهای حاوی روی می‌تواند در برابر سرما خوردگی و آنفلوآنزا ایمنی ایجاد کند. با این حال هنوز بر سر این مساله اختلاف نظر وجود دارد.

در واقع روی یک ماده معدنی اصلی کمیاب است که بعد از آهن، بیشترین میزان را در بدن داراست. روی به طور عمده در ماهیچه‌ها ذخیره می‌شود، اما در یاخته‌های خونی سفید و قرمز، پرده شبکیه چشم، استخوانها، پوست، کلیهها، کبد و پانکراس نیز یافت می‌شود. غده پروستات در مردان نسبت به سایر اعضا، بیشترین مقدار روی را داراست.

بعضی از تحقیقات و مطالعات نشاندهنده مؤثرترین قرص‌های روی در جلوگیری و کاهش علایم سرماخوردگی بوده‌است. شما می‌توانید قرص‌های روی را به راحتی از داروخانه برای درمان سرماخوردگی بخرید.

روی چیست

کاربرد روی در پزشکی

مکمل‌های روی می‌توانند دارای این فواید باشند:

کمک به جلوگیری از سرطان

جلوگیری ودرمان ریزش مو

تقویت فعالیت سیستم ایمنی

تسریع بخشیدن به بهبود زخمها

درمان آکنه

جلوگیری از دژنراسیون ماکولا (از بین رفتن بینایی که در افراد مسن اتفاق می‌افتد)

درمان بعضی از موارد بی اشتهایی عصبی (بی اشتهایی نشانه‌ای از کمبود روی است و افراد در دهه دوم زندگی بیشتر در معرض خطر کمبود روی ناشی از فقر غذایی هستند).

تقویت و بهبود باروری مردان مخصوصاً در بین سیگاریها.

درمان روماتیسم مفصلی (با داشتن آثار ضد التهابی).

درمان بیماری ویلسون (یک اختلال ناشی از ذخیره بیش از حد مس).

کاهش تغییرات در حس چشایی طی درمان سرطان.

تقویت حس چشایی و بویایی.

بعضی از بیماریها، بر روی جذب روی تأثیر می‌گذارند یا باعث افزایش نیاز به روی می‌شوند. لذا این بیماران از مکمل‌های روی سود می‌برند:

آکرودرماتیت آنتروپاتیکا (بیماری ارثی که به علت سوء جذب روی ایجاد می‌شود).

الکلیسم

دیابت قندی

بیماری کلیه

بیماری سلیاک

بیماری روده التهابی مانند کولیت زخم شونده

اسهال مزمن

بیماریهای پانکراس

پیدایش روی

روی بیست و سومین عنصر در پوسته زمین از نظر فراوانی می‌باشد. بسیاری از سنگهای معدنی سنگین استخراج شده حاوی ۱۰٪ آهن و ۴۰-۵۰٪ روی می‌باشند. معادنی که از آنها روی استخراج می‌شود شامل Sphakrite, Zinc Blende, Smith sonite, Calamine, Franklinite می‌شوند. تاکنون نزدیک به 60 نوع کانی روی شناخته شده است روی عنصری بطور طبیعی وجود ندارد. از این شمار سولفور روی با نام اسفالریت یا بلاند (ZnS) شناخته شده، مهمترین کانی است. از دیگر کانیهای با اهمیت روی می‌توان به اسمیت زونیت ZnCO3، همی مورفیت (Zn4Si2O7(OH و زنسیت (ZnO) اشاره کرد.

ترکیبات روی

اکسید روی معروفترین ترکیبی است که به طور گسترده در ترکیبات روی مورد استفاده قرار می‌گیرد و به عنوان رنگ دانه سفید در رنگها استفاده می‌شود. همچنین در صنعت Rubber کاربرد داشته و به عنوان Opaque Sunscreen فروخته می‌شود. دیگر ترکیبات روی به استفاده غیر صنعتی می‌رسند مانند: کلرید روی در بو گیر سولفید روی در رنگهای شب تاب و متیل روی در آزمایشگاه شیمی آلی. تقریباً یک چهارم فراورده‌های روی به صورت ترکیبات روی مورد مصرف قرار می‌گیرد.

ایزوتوپها

روی طبیعی در ۴ ایزوتوپ پایدار تشکیل شده‌است: Zn۶۴ Zn-۶۶, Zn-۶۷, Zn-۶۸ که در این میان Zn۶۴ فراوانترین آنها (۴۸٫۶٪ فراوانی طبیعی) می‌باشد. برای این عنصر ۲۲ رادیو ایزوتوپ اکتیو شناسایی شده‌است که در میان آنها Zn-۶۵ با نیمه عمر ۲۴۴٫۲۶ روز و Zn-۷۲ با نیمه عمر ۴۶٫۵ ساعت پایدارترین و فراوانترین ایزوتوپ می‌باشند. دیگر ایزوتوپهای رادیو اکتیو این عنصر نیمه عمرهای کمتر از ۱۴ ساعت هستند و بیشتر آنها نیمه عمری کمتر از یک دقیقه دارند. این عنصر همچنین ۴ حالت متا دارد.

هشدارها

فلز روی سمی نیست اما حالتهایی به نام Zinc Shakes و یا Zinc Chills وجود دارند که با استنشاق اکسید روی تازه و خالص تحریک می‌شوند.

شناخت محیط رشد روی

روی در تولید و فعالیت آنزیم‌ها، همچنین در ایجاد پروتئین موثر است. کمبود روی باعث کوچک ماندن برگ‌های گیاه و کوتاه شدن فاصله میان گره‌ها می‌شود. واکنش خاک، بر قابل استفاده بودن روی برای گیاه، موثر می‌باشد. معمولاً در خاک‌های قلیایی، و در خاک‌های محتوی فسفر بیش از حد، روی غیر قابل استفاده می‌گردد. در خاک‌های شنی، به راحتی شسته شده و از زمین خارج می‌شود. برای رفع کمبود روی، سولفات روی را به خاک اضافه می‌کنند. هر چند که شرایط خاک‌های ایران سولفات روی شدیداً تثبیت می‌شود و بازده آن کم است و بصورت Zn EDTA بازده بیشتری دارد.

آهن چیست

تاریخچه

اولین آهن شکل گرفته که توسط بشر در دوره پیش از تاریخ مصرف شد از شهاب سنگ‌ها آمده بود. ذوب آهن در کوره‌ها در هزاره دوم پیش از میلاد شروع شد، آثار مکشوفه از آهن ذوب شده از ۱۲۰۰-۱۸۰۰ پیش از میلاد در هند و در مشرق از حدود ۱۵۰۰ پیش از میلاد بدست آمد (که گمان می‌رود ناشی از ذوب آهن در آناتولی یا قفقاز بوده‌است). چدن برای اولین بار در حدود ۵۵۰ پیش از میلاد در چین تولید شد اما در اروپا تا سال‌های قرون وسطا تولید نشد، در طول دوران قرون وسطا ابزاری در اروپا کشف شد که از آهن شکل یافته از چدن (pig Iron) با استفاده از ریخته گری زیور آلات تولید شده بودند، برای تمام این فرآیندها از ذغال چوب به عنوان سوخت استفاده شد. فولاد (که با کربن کمتر از pig Iron است اما آهن شکل یافته بیشتری دارد) اولین بار در دوران باستان تولید شد. روش‌های تازهٔ تولید آن به وسیله میله‌های کربنیزه کردن آهن در فرآیند سیمانی کردن در قرن هفدهم بعد از میلاد ابداع شد. در انقلاب صنعتی روش‌های جدید تولید آهن بدون ذغال چوب ابداع شد و این روش‌ها بعداً در تولید فولاد مورد استفاده قرار گرفتند. در اواخر دهه ۱۸۵۰، هنری بسمر فرآیند جدیدی برای ساخت فولاد اختراع کرد که شامل دمیدن هوا از روی چدن مذاب برای تولید فولاد نرم بود. این فرآیند و دیگر فرآیندهای ابداع شده در قرن ۱۹ و بعد از آن منجر یه آن شد که دیگر آهن شکل یافته تولید نشود.

آهن چیست؟

آهن عنصر شیمیایی فلزی ایست با نماد Fe، عدد اتمی 26 و چگالی 7.87g/cm3 ، آهن در گروه 8 و دوره 4 عناصر است، بنابراین به عنوان فلز واسطه دسته ‌بندی شده است. آهن و آلیاژهای آن از رایج‌ترین فلزات و رایج‌ترین مواد فرومغناطیسی در کاربردهای روزمره هستند. آهن دارای سطوح صاف و نقره ای براق مایل به رنگ خاکستری‌ست اما وقتی در هوا با اکسیژن ترکیب می‌شود به رنگ قرمز یا قهوه ای در می آید که به آنها اکسید درای ترکیبات آهن یا زنگ گفته می شود. کریستال‌های خالص آهن نرمه (نرم تر از آلمینیوم) و با اضافه کردن مقدار کمی ناخالصی مانند کربن مقدار قابل توجهی تقویت می شود. مقادیر مناسب و کمی (تا چند درصد) از فلزات دیگر و کربن، تولید فولاد می‌کند که می تواند 1000 بار سخت تر از آهن خالص باشد. آهن عنصريست چند شكلي بدين معني كه در فشار 1آتمسفر با افزايش دما شبكه بلوري آن تغيير مي كند. آلفا يا آهن فريتي از صفر مطلق تا 912درجه سانتيگراد،آهن گاما يا آهن آستنيتي –در دماي 912_1394آهن دلتا واز 1394تا نقطه ذوب آهن خالص يا 1538درجه سانتي گراد پايدار است.

 آهن آلفا

آهن آلفا يا آهن فريتي جزء سيستم مكعبي بوده وشبكه بلوري آن مكعب مركز دار است.

آهن گاما

واحد شبكه ي بلوري آهن گاما يا آهن آستنيتي متعلق به سيستم بلوري مكعبي است.ولي داراي شبكه بلوري مكعب با سطوح مركزي FCCاست وجمعا4اتم در واحد شبكه ي آهن گاما وجود دارد.

 آهن دلتا

آخرين فازي كه ممكن است در آهن خالص وجود داشته باشد،آهن دلتا با شبكه BCC بوده واز نظر بلور شناسي مشابه آهن آلفا است .افزايش حجم ناشي از تبديل آهن گاما به آهن دلتا درست برابر افزايش حجم ناشي از تبديل آهنگاما ب آهن آلفا است.آهن دلتا فقط در دماهاي نزديك نقطه ذوب آهن تشكيل ميشود.

آهن با نماد شیمیایی Fe، نام یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۲۶ و چگالی ۷٫۸۷g/cm۳ است که در نخستین دوره فلزهای واسطه جای دارد. آهن از نظر جرمی، بزرگترین عنصر سازنده زمین است. این عنصر مهم ترین سازنده هسته بیرونی و درونی زمین و چهارمین عنصر مهم در پوسته است. فراوانی آهن در سیاره‌های زمین‌سان مانند کره زمین، به دلیل همجوشی هسته‌ای در ستاره‌های بزرگ است.

آهن خالص فلز است، اما به ندرت در این شکل روی سطح زمین یافت می‌شود زیرا در حضور اکسیژن و رطوبت یه آسانی اکسیده می‌شود. به منظور به دست آوردن فلز آهن، اکسیژن باید از سنگ معدن‌های طبیعی توسط کاهش شیمیایی حذف شود– به طور عمده از سنگ آهن از سنگFe2O۳ توسط کربن در درجه حرارت بالاست. خواص آهن را می‌توان با تولید آلیاژهایی از آن با استفاده از فلزات متنوع گوناگون (و بعضی غیر فلزها به ویژه کربن و سیلیکون) اصلاح نمود و فولادها را ایجاد کرد. هسته اتم‌های آهن تقریبا دارای بالاترین انرژی‌های اتصال در هر نکلئون است و تنها ایزوتوپNi۶۲ دارای انرژی بیشتر از آن می‌باشد. هرچند فراوان‌ترین نوکلیدهای پایدار همان Fe۵۶ می‌باشد، این آهن از طریق همجوشی هسته‌ای در ستاره‌های شکل گرفته‌است و اگرچه اندکی انرژی کمتر نیز از طریق سنتز کردن نیکل ۶۲ نیز استخراج می‌گردد. شرایط در ستارگان برای ایجاد این فرآیند مناسب نیست. توزیع عنصر آهن بر روی زمین بسیار بیشتر از نیکل است و احتمالا در تولید عنصر از طریق سوپر نوا نیز همینطور است. آهن (آهن Fe+۲، یون فروس) عنصر ردیابی لازمی‌ست که تقریبا تمام موجودات زنده از آن استفاده می‌کنند. تنها استثناهای این موضوع چندین موجود زنده‌ای هستند که در محیط‌های فقیر از نظر آهن زندگی می‌کنند و به گونه‌ای تکامل یافته‌اند که عناصر گوناگونی را در فرآیندهای متابولیکشان مورد استفاده قرار دهند مثل منگنز به جای آهن برای تجزیه و یا هموسیانین به جای هموگلوبین. آنزیم‌های حاوی آهن معمولاً دارای گروه‌های هموپروستاتیک هستند که در تجزیه واکنش‌های اکسیداسیون در زیست‌شناسی و در انتقال تعدادی از گازهای حل شدنی شرکت می‌کنند.

خواص مکانیکی

خواص مکانیکی و آلیاژهای آن با استفاده از آزمون‌های گوناگون مانند آزمون برنیل و راکول یا آزمایش‌های مقاومت کششی ارزیابی می‌شود، نتایج این قسمت‌ها به گونه‌ای با یکدیگر سازگارند که قسمت‌های آهن اغلب برای مرتبط نمودن نتایج یک تست با تست دیگر به کار می‌رود. اندازه گیری‌ها نشان می‌دهد که خواص مکانیکی آهن عمدتا بستگی به خلوص دارد به گونه‌ای که خالص‌ترین کریستال‌های تک آهن که برای مقاصد تحقیقاتی تولید شده‌اند از آلومینیوم نرم ترند، افزودن تنها ۱۰ قسمت در میلیون کربن مقاومتش را دو برابر می‌کند. سختی نیز به سرعت با افزایش مقدار کربن تا ۰/۲٪ و اشباع شده تقریبا در ۰/۶٪ به سرعت افزایش می‌یابد. خالص‌ترین آهن تولید شدهٔ صنعتی (تقریبا ۹۹/۹۹٪ خلوص) دارای سختی ۲۰-۳۰ برنیل است.

آهن چیست

پیدایش

آهن ششمین عنصر از لحاظ فراوانی در جهان است که در آخرین کنش نکلئوسنتز در ستاره‌های بزرگ از طریق سیلیکون فیوزینگ ایجاد می‌شود در حالی که آهن حدود ۵٪ از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد، اعتقاد بر این است که هسته زمین در حد زیادی از یک آلیاژ آهن-نیکل تشکیل شده‌است که ۳۵٪ جرم کل زمین را تشکیل می‌دهد، بنابر این آهن فراوانترین عنصر روی زمین است ولی در پوسته زمین چهارمین عنصر از لحاظ فراوانی می‌باشد. بیشتر آهن پوسته به شکل ترکیبی با اکسیژن به صورت سنگ‌های معدنی اکسید آهن مثل هماتیت و مگنتیت یافت می‌شود. حدود یکی از بیست شهاب سنگ تنها از مواد معدنی آهن-نیکل تائنیت (۳۵-۸۰٪ آهن) و کاماسیت (۹۰-۹۵٪ آهن) تشکیل شده‌اند. اگر چه تعاد اندکی از شهاب سنگ‌های آهنی بیشترین شکل آهن فلزی طبیعی در سطح زمین می‌باشند. تصور بر این است که رنگ قرمز سطح مریخ ناشی از رگولیت غنی اکسید آهن است.

ایزوتوپ‌ها

آهن به طور طبیعی متشکل از ۴ ایزوتوپ: ۵/۸۴۸٪ رادیواکتیو Fe۵۴ (نیمه عمر بزرگتر از ۳/۱ × ۲۲ ۱۰سال)، ۹۱/۷۵۴٪ Fe۵۶ پایدار، ۲/۱۱۹٪ ازFe۵۷پایدار و ۰/۲۸۲٪ از Fe۵۸ پایدار می‌باشد. Fe۶۰ یک رادیونیوکلاید منقرض شده با نیمه عمر طولانی (۱/۵ میلیون سال) می‌باشد. بیشتر کارهای قبلی در اندازه گیری ترکیب ایزوتوپیک Fe بر تعیین انواع Fe۶۰ تولید شده از فرایندهای همراه با نکلئو سنتز (یعنی مطالعات شهاب سنگ) و تشکیل سنگ معدن متمرکز شده‌است. هرچند در دهه اخیر پیشرفت تکنولوژی طیف سنجی جرمی اجازه تشخیص و ارزیابی تغییرات طبیعی در نسبت‌های ایزوتوپ‌های پایدار آهن را داده‌است. بیشتر این کار به وسیله انجمن‌های علوم زمین و سیاره‌ای انجام شده‌است، هرچند کاربردهای آن در سیستم‌های بیولوژیک و صنعتی در حال آغاز شدن می‌باشد. فراوان‌ترین ایزوتوپ آهن Fe۵۶ مورد توجه ویژه دانشمندان هسته‌ای می‌باشد. تصور غلط رایج این است که این ایزوتوپ پایدارترین هسته ممکن است و لذا انجام شکافت یا همجوشی در Fe۵۶ و آزاد سازی انرژی از آن غیر ممکن است این مطلب درست نیست، چرا که هم Ni۶۲ و هم Fe۵۸ پایدار ترند و پایدارترین هسته می‌باشند. هرچند چون نیکل Ni۵۶ در واکنش‌های هسته‌ای سوپر نوا در فرایند α از هسته‌های سبکتر به گونه‌ای بسیار آسانتر تولید می‌شود، نیکل ۵۶ (ذرات آلفای ۱۴)آخرین نقطه زنجیره همجوشی در ستاره‌های بسیار عظیم می‌باشد، و از آنجا که افزودن یک آلفای دیگر روی-۶۰ را تولید می‌کند که نیاز به مقدار بسیار بیشتری انرژی دارد. این نیکل ۵۶، که دارای نیمه عمر حدود ۶ سال است به مقدار زیاد در این ستاره‌ها ساخته می‌شود اما به زودی توسط دو انتشار پزیترون پی در پی در درون محصولات تاخیری سوپر نوا در ابر گاز باقی مانده از سوپر نوا به اولین رادیو اکتیو کبالت ۵۶، و سپس آهن ۵۶ پایدار متلاشی می‌شود. این هسته اخیر بنابر این در همه جای دنیا در مقایسه با دیگر فلزات پایدار با وزن اتمی تقریبا مشابه دارای فراوانی بیشتریست. در فازهای شهاب سنگ‌های سمارکونا و چرونیکات ارتباطی بین غلظت Na۶۰، محصول دختر Fe۶۰، و فراوانی ایزوتوپ‌های آهن پایدار قابل مشاهده بود که نشان از وجود Fe۶۰ در زمان تشکیل منظومه شمسی دارد. احتمالا انرژی رها شده از فروپاشی آهن ۶۰ همراه با انرژی رها شده از فروپاشی رادیونیکلاید Al۲۶ در ذوب دوباره و افتراق سیارات بعد از تشکیل آن‌ها در ۴/۶ بیلیون سال پیش مشارکت داشته‌است. فراوانی Na۶۰ موجود در مواد فرا زمینی نیز ممکن است اطلاعات بیشتری نسبت به منشا منظومه شمسی و تاریخ ابتدایی آن ارائه دهد. از میان ایزوتوپ‌های پایدار، تنها Fe۵۷ یک اسپین هسته‌ای (-۱/۲) دارد.

شیمی و ترکیبات

آهن ترکیباتی را ایجاد می‌کند که عمدتا در حالت‌های اکسیداسیون +۲ و +۳ هستند. به طور سنتی، ترکیبات آهن II فروس نامیده می‌شوند و ترکیبات آهن (III) فریک نامیده می‌شود. ترکیبات زیادی در هر یک از حالات اکسیداسیون وجود دارد که مثال‌هایی از آن شامل سولفات آهن (II) (FeSo4) و کلرید آهن (III) (FeCl3) می‌باشد. همچنین مثال‌های بیشماری از ترکیباتی که شامل اتم‌های آهن در هر دوی این حالات اکسیداسیون وجود دارد مانند مگنتیک و آبی پروسی. آنیون منفی فریت [Fe ۲۴] شامل یک مرکز آهن، (Vi) بالاترین حالت اکسیداسیون شناخته شده آن می‌باشد و مثلا در فریت پتاسیم (کا دو اف ای اُ ۴) وجود دارد. ترکیبات اورگانومتالیک بی شماری (مثل پنتا کربنیل آهن) وجود دارند که دارای آهن زیرو ولنت (یا کمتر) هستند

ماهیچه گذاری

تولید قطعات ریختگی پیچیده بدون استفاده از ماهیچه ممکن نیست. اکثر ماهیچه ها برای ایجاد فضای خالی طراحی شده در قطعه، ضروری است. با ماهیچه گذاری در قالب ماسه ای فضای خالی در قطعه ریختگی به وجود می آید. به خاطر اینکه دیواره های این محفظه به طور صحیح ریخته گری شود، باید ماهیچه با اطمینان بیشتر و بدون هزینه زیاد در قالب ریخته گری قرار داده شود و ماهیچه در قالب پشت ورو نشود. به همین جهت از تکیه گاه استفاده کرده تا ماهیچه با اطمینان و دقت بیشتر در موقعیت طراحی شده قرار بگیرد.

برای اینکه تکیه گاه ماهیچه در قالب ماسه ای به وجود آید مطابق با آن باید روی مدل نیز تکیه گاه ماهیچه در نظر گرفته شود. وقتی طرح یک قطعه ریختگی توسط طراح معین می شود باید تکیه گاه بعد از مطالعات کافی از نظر اصول ریخته گری و قالب گیری توسط مدلساز معین و روی مدل نصب شود. این زایده اضافی در روی مدل و جعبه ماهیچه، تکیه گاه ماهیچه و روی قالب و ماهیچه، ریشه ماهیچه نامیده می شود.

اصول پایه ماهیچه سازی

ابعاد تکیه گاه ماهیچه روی مدل و جعبه ماهیچه پیاده می شود. اصولا ابعاد ماهیچه در جعبه ماهیچه طبق اندازه های نقشه داده شده برای سوراخها و مجراها و مداخل ثابت می ماند، ولی تکیه گاه ماهیچه روی مدل به خاطر لقی ماهیچه بزرگتر ساخته می شود. بدین وسیله ماهیچه بدون اینکه با ماسه قالب گیری درگیر شده و یا باعث فرو ریختن آن شود، بی هیچ مانعی در قالب قرار داده می شود

چگونگی طراحی تکیه گاه ماهیچه

الف) طراحی مدل دائم یا مدل یک بار مصرف

هرگاه در مدلهای اسفنجی احتیاج به ماهیچه باشد (که به ندرت اتفاق می افتد) روی مدل تکیه گاه طراحی نمی شود. در این مورد جعبه ماهیچه را فقط به خاطر طول ماهیچه بزرگتر درست می کنند. فضای خالی موجود در قطعه عینا در مدل وجود دارد. با نصب ماهیچه در مدل، مدل و ماهیچه، قالب گیری شده و در آن می ماند. این نوع خاص قالب گیری و نصب ماهیچه به طور مجزا در مدلهای دائم نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

ب) طرح تکیه گاه ماهیچه بسته به تعداد قطعات ریختگی

وقتی تعداد قطعات خواسته شده کم باشد، گاهی از ماهیچه صرف نظر کرده و مدل را به طور ساده قالب گیری می کنند. در صورت زیاد بودن تعداد قطعات طرحهای خاص تکیه گاه، مطابق DIN 1511 تعیین می شود.

ج) طرح تکیه گاه در ماهیچه خارجی و داخلی

اغلب ماهیچه ها برای ایجاد فضای داخلی قطعه به کار می روند. طرح این تکیه گاهها به مجراهای قطعه، سطح جدایش مدل و قرار گرفتن ماهیچه با اطمینان بیشتر در قالب بستگی دارد. در مورد ماهیچه خارجی عواملی مانند سطح جدایش قالب، محکم شدن ماهیچه در قالب، سطح ریشه ماهیچه در قالب و روش ریخته گری نیز اهمیت دارد.

د) طرح تکیه گاه بسته به موقعیت ماهیچه در درجه بالایی و پایینی و نیز وضعیت ریخته گری

در صورت امکان ماهیچه باید در درجه پایینی قرار گیرد، زیرا در این صورت قالب گیر به هنگام قرار دادن ماهیچه تسلط و دید بیشتری دارد. همچنین می تواند ضخامت دیواره ها را نیز امتحان کند. بدین جهت مدلساز سطح جدایش و تکیه گاه را طوری تعیین می کند که قالب گیر با اطمینان بیشتری کار کند. در صورتی که ماهیچه در قالب افقی گذاشته شود. باید ریخته گری آن نیز عمودی باشد و تعیین تکیه گاه بیشتر مورد توجه قرار گیرد. این نکته در مورد روشهای قالب گیری بدون درجه است.

در این موارد ماهیچه را گاهی بلندتر درست می کنند تا به هنگام ریخته گری از قالب بالاتر قرار گیرد. مطلب فوق مهم است زیرا مواد اضافی در ماهیچه نفوذ نمی کنند و جریان جابه جایی گاز در ماهیچه مختل نمی شود، ماهیچه باید با اطمینان بیشتر بدون صدمه خوردن قالب در آن قرار گیرد.

ه) ماهیچه برای قالب گیری با ماسه تر و ماسه خشک

در قالب گیری تر، وقتی اندازه های تکیه گاه و ماهیچه در قالب و مدل نزدیک باشد در آن صورت ماهیچه در ماسه فرو می رود، که نتیجتا موقعیت ماهیچه زیاد دقیق نیست و عدم یکنواختی ضخامت دیواره را به دنبال خواهد داشت. به علاوه ماسه لبه های قالب شسته شده و باعث ایجاد پلیسه در قطعه می شود. در ریخته گری با ماسه تر در مقایسه با ماسه خشک جای ماهیچه در قالب بزرگتر است.

و) اندازه و شکل ماهیچه

در ماهیچه های سنگین با یک تکیه گاه که برای ایجاد مجرا در قطعه به کار می رود ابعاد تکیه گاه طوری نیست که بتوان ماهیچه را با اطمینان و بدون صدمه رساندن به قالب در آن قرار داد. بدین جهت با بزرگ گرفتن تکیه گاه می توان ماهیچه را با ثبات و اطمینان مورد نظر در قالب قرار داد.

ز) تعداد ماهیچه – تعداد تکیه گاه

طرح تکیه گاه بستگی به این دازد که ماهیچه در چند تکیه گاه قرار می گیرد. وقتی ماهیچه فقط از یک طرف در قالب می نشیند، در آن صورت باید تکیه گاه را بزرگتر طراحی کرده تا مرکز ثقل ماهیچه از تکیه گاه قالب بگذرد.

ح) نحوه شکل گیری تکیه گاهها

واضح است که در طراحی تکیه گاه باید به نحوه ایجاد تکیه گاه و به وجود آمدن فرم آن در ماسه دقت شود. بدین جهت قبلا ضمن تعیین سطح جدایش در مورد قرار دادن تکیه گاه و بیرون آوردن بعدی آن از قالب دقیقا مطالعه شود. همچنین در طرح جعبه ماهیچه مورد نظر برای تولید ماهیچه دقت و سپس تصمیم گیری شود. با یک طرح فنی بهینه در تکیه گاه و ماهیچه، بعضی از مشکلات قالب گیر کم می شود.

طَ) امکان قرار دادن ماهیچه در قالب

در درست کردن مدل نباید تنها به تمیزی و دقت در اندازه های مدل توجه داشت، زیرا گاهی ممکن است مدلی دقیق و تمیز ساخته شود ولی قرار گرفتن ماهیچه در آن امکانپذیر نباشد. برای مثال در قالبی ممکن است 20 و حتی 100 ماهیچه قرار داده شود که تعیین تکیه گاهها و تعیین شماره ترتیب هر یک برای قالب گیر و مدلساز موجب دردسر می شود.

ی) تکیه گاه با اطمینان و بدون چپ شدن ماهیچه در قالب

وقتی قالب گیر ماهیچه ای را در قالب قرار می دهد. باید بتواند با یک نگاه نحو قرار گرفتن ماهیچه را تشخیص دهد. او نباید در هیچ موردی مقایسه کند و یا حتی ابعاد ماهیچه را اندازه بگیرد تا مطمئن شود که ایا این ماهیچه مطمئنا متعلق به این قسمت از قالب است یا نه.

در چنین مواردی باید روی تکیه گاه علائمی نصب شود تا قالب گیر را به درستی راهنمایی کند. بدین وسیله از نصب غلط و پشت و رو گذاشتن ماهیچه و جابه جایی آن جلوگیری می شود. به هنگام ریختن مذاب نباید ماهیچه جابه جا و پشت و رو شود و باید در مقابل فشار مذاب مقاومت کند. موضوع فوق مخصوصا به هنگام نفوذ مذاب در ماهیچه مهم است.

ک) تکیه گاه و اضافه تراش

ماشینکاری به خاطر دارا بودن اضافه تراش در بعضی از سطوح قطعه ریختگی دارای ابعاد کوچکتری است. ابعاد تکیه گاه مربوط به یک مجرای مایل که ضمنا احتیاج به ماشینکاری دارد باید با محاسبه دقیق به دست آید. محل تلاقی ماهیچه ها را جایی قرار می دهند که بعدا باید ماشینکاری شود، زیرا به هنگام ماشینکاری پلیسه هایی که در محل تلاقی ماهیچه ها به وجود آمده از بین می رود.

ل) تکیه گاه و روش ساخت ماهیچه

روش ساخت ماهیچه در طراحی تکیه گاه موثر است. وقتی قرار است که تعداد قطعات ریختگی کم باشد از ساخت جعبه ماهیچه صرف نظر می شود و از ماهیچه استاندارد و یا به اصطلاح از ماهیچه ماشینی استفاده می شود. در این مورد باید تکیه گاه روی مدل از ماهیچه استوانه ای بزرگتر باشد.

وقتی در طراحی از ماهیچه تو خالی و پوسته ای که به وسیله گرما سخت شده است استفاده می شود، باید روی مجرای ورودی ماهیچه دقت شود، زیرا در مدخل ماهیچه تو خالی سطوح ماسه ای ناصافی به وجود می آید که جهت محکم شدن دقیق طولی ماهیچه در تکیه گاه مناسب نیست. بدین جهت مدلساز برای نصب مطمئن ماهیچه، ماهیچه را در داخل تکیه گاه قرار می دهد.

م) جای بازی تکیه گاهها روی مدل و جعبه ماهیچه (لقی ریشه ماهیچه – لقی تکیه گاهه)