فلزات بایگانی - صفحه 2 از 2 - قالب سازی و مدل سازی صفوی

مس خالص و خواص آن

مس را می توان اولین فلز مورد استفاده بشر دانست این فلز با داشتن سختی کافی دارای خاصیت انعطاف پذیری عالی نیز می باشد. به طوری که میتوان آن را به اشکال گوناگونی تبدیل کرد در طبیعت این فلز گاهی به صورت آزاد ولی اغلب به صورت کانی های مختلف یافت می شود.

خواص فیزیکی مس

مس یکی از مهم ترین عناصر مورداستفاده در صنایع غیر آهنی است. این فلز دارای تغییرات آلوتروپیکی در 1083 درجه سانتیگراد در ساختمان fcc از مذاب متبلور می شود ثابت کریستالی این عنصر 3.608 آنگسترم و به دلیل احراز کلی شرایط حلالیت از جمله ظرفیت، ردیف الکترو شیمی و اندازه اتمی و قرار گرفتن در میانه جدول تناوبی واندازه اتمی و ردیف الکتروشیمی به عنوان حلال ترین فلزات شناخته شده است (تقریبا کلیه عناصر به جز سرب) تا حدودی در مس قابلیت انحلال دارند.

در جدول زیر مشخصات فیزیکی مس آورده شده است :

خواص	عدد	واحد
وزن اتمی	63.57	—–
عدد اتمی	29	—–
شعاع اتمی	1.277	A
جرم اتمی	63.54	g/cm3
چگالی در c ◦20	8.93	g/cm3
چگالی در c ◦1083	8.32 در حالت جامد	g/cm3
نقطه ذوب	1083	c ◦
نقطه جوش	2580	c ◦
گرمای ویژه در c ◦20	0.3845	j/gk
هدایت حرارتی	0.94	cal/cm◦s.◦c
هدایت حرارتی در صفر درجه سانتیگراد	3.98	w/cmk
هدایت الکتریکی در c ◦20	59.5	sm/mm2
سختی برینل در c ◦20	45	n/mm2

این خواص نقش مهمی در کاربرد مس دارند. به دلیل اینکه قطر دهانه نفوذ ساختمان مس نسبت به آلومینیم کوچکتر از ضریب حلالیت نفوذی عناصر دیگر است وشرایط چنین نفوذی کمتر از آلومینیم و یا سایر عناصر با قطر اتمی بزرگتر است به جز هیدروژن و مقدار کمی اکسیژن که در مس محلول می شوند بدیهی است تاٌثیر درجه حرارت در ضریب نفوذ در مورد مس نیز صادق است و افزایش درجه حرارت باعث افزایش انواع مختلف حلالیت می گردد. وزن مخصوص این عنصر نیز در درجه حرارت محیط 8.93 و وزن مخصوص آن در نزدیکی نقطه ذوب 8.4 است، میزان انقباض حجمی آن از حالت مذاب به جامد، نزدیک به 5%می باشد که از انقباض آلومینیم کمتر است.

مس در صنعت مصارف گوناگونی دارد، محصولات مسی به صورتهای شمش، میل گرد،سیم، لوله و غیره به عنوان ماده اولیه در سایر صنایع مورد استفاده قرار می گیرد تولیدات مسی اغلب طبق استانداردهای کشور تولید شونده ساخته و به بازار عرضه می شوند برای درک بهتر مس موجود در صنعت در زیر بررسی می شود.

مس کاتدیک

مسی است که پس از تصفیه الکتریکی تولید شده و دارای هدایت الکتریکی مناسب می باشد این نوع کالا فقط بصورت ورق های کاتدی بفروش می رسد.

مس حاوی اکسیژن

کالاهای مسی حاوی اکسیژن به انواع مختلف زیر تقسیم می شوند. مس تصفیه شده الکتریکی- مس تصفیه شده حرارتی هر دو اینها به دلیل داشتن اکسیژن جهت جوشکاری و لحیم کاری مناسب نمی باشند مس های عاری از اکسیژن که به انواع زیر تقسیم می شوند:

مس عاری از اکسیژن

مزایای چنین مسی دارا بودن خاصیت بسیار مناسب جوش و لحیمکاری بدون خطر هیدروژن تردی است.

مس اکسیژن زدایی شده توسط فسفر

وجود فسفر به مقدار ناچیز باعث کاهش هدایت الکتریکی شده و بنابراین در صنایع الکتریکی به طور محدود استفاده می گردد ولی به واسطه نداشتن اکسیژن بالا ودارای خاصیت مناسب جوش و لحیم کاری است.

هدایت الکتریکی

تاثیر ناخالصی ها در کاهش هدایت الکتریکی مس، براثر آنها روی باند هدایت، نوع حلالیت جانشینی ها یا بین نشینی آنها و همچین به شکل و ساختار فازهای رسوبی آنها بستگی دارد. کاهش هدایت الکتریکی در مورد محلولها بیشتر از فازهای رسوبی بوده، به همین دلیل حضور مقدار کمی اکسیژن و تشکیل اکسید عناصر ناخالص به افزایش هدایت الکتریکی مس ناخالص منجر می شود و هدایت الکتریکی مس به درجه حرارت بستگی دارد و با کاهش درجه حرارت مقدار هدایت الکتریکی افزایش یافته و عملاً در درجات بسیار پایین و حدود صفر مطلق مقاومت الکتریکی مس نیز صفر می شود.

کنتور آب

خواص مکانیکی

به طور کلی مس فلزی است نرم و چکش خوار و عملیات مکانیکی باعث تغییرات در خواص آن می شود مس خالص صنعتی که در صنایع الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد اغلب مس کاتدیک ویا مس عاری از اکسیژن تشکیل شده است و در صنعت الکتریکی خواص مکانیکی مس کاتدیک از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. با توجه به این که مقدار5δ وΨ مس اکسیژن زدایی شده توسط فسفر به علت حذف ذرات یوتکتیک بیشتر از مس کاتدیک است بنابراین قابلیت انعطاف پذیری مس اکسیژن زدایی شده نیز بیشتر از مس کاتدیک می باشد و با توجه به این که مقدار مقاومت به ضربه مس اکسیژن زدایی شده به مراتب بیشتر از مقاومت به ضربه مس کاتدیک است؛ بنابر این خاصیت چکش خواری آن نیز بیشترخواهد بود.

خواص شیمیایی

مس از فلزات نجیب به شمار آمده و در جدول تناوبی قبل از نقره قرار دارد و اثر عوامل مختلف روی آنرا می توان به ترتیب زیر تشریح کرد:

هوا و آب

مس در مجاورت هوا و رطوبت از یک قشر نازک اکسید مس که مخلوطی از می باشد پوشیده می شود (Cuo-Cu2o)، این قشر نازک بقیه فلز را از اکسید شدن حفظ می نماید اگر زیادی این اکسیدها در مجاورت هوا قرار گیرند و یا سطح مس به شدت اکسید شود، رنگ مایل به سیاه آن به تدریج به رنگ سبز که مخلوطی از سولفات و کلرورهای بازی است تبدیل می گردد و هوای محیط در تشکیل این فازها بسیار موثر بوده به طوریکه اکثراًدر نواحی صنعتی ترکیبات سولفاتی و در مجاورت در یاها ترکیبات کلروری به وجود می آید. تاثیر آب بر روی مس بستگی به ترکیبات موجود در آن دارد که مهم ترین آنها وجود مقدار زیاد اکسیژن و ۲CO حل شده و میزان کم CaO درآن است آب سبک با حدوداٌ ۸-۴ میلی گرم CaO در هر لیتر معمولاٌ تاثیر بیشتری بر مس خواهد داشت..

نمک ها و آب دریاها

کلرورهای قلییایی وقلیایی خاکی نسبت به مس واکنش داشته وتاثیر آنها بر محصولات مسی بستگی به غلظت نمک و میزان اکسیژن حل شده در آن دارد. مس معمولاً در مقابل بخار آب وآبهای شور مانند آب در یا مقاوم بوده ولی وجود اکسیژن در نمک ها و غلظت آن ها میتواند روی شدت خوردگی اثر گذاشته وآنرا فرسوده سازد.

اسیدها

خوردگی مس در برابر اسیدها معمولاً از دو جنبه مورد بررسی قرار می گیرد:

الف) اسید های غیر اکسید کننده : این اسیدها روی مس معمولاً اثر چندانی نداشته و حل شدن مس در آنها به مقدار هوا و اکسیژن موجود در محیط بستگی دارد مانند HCL و 4SO2H

ب) اسیدهای اکسید کننده : مثل 3HCLO و 3HNO حلال بسیار خوبی برای مس بوده و مس را در خود حل می کنند.

بازها

تاثیر بازهای مانند هیدرو اکسید سدیم و هیدرو اکسید پتاسیم بر مس مورد توجه قرار گرفته و تقریباً اثرا متشابهی دارند. معمولاً بازهای رقیق به علت امکان حلالیت بیشتر اکسیژن در آنها اثر شدیدتری نسبت به بازهای غلیظ روی مس خواهند داشت.

خواص شیمی فیزیکی

مس مذاب قابلیت انحلال شدیدتری برای گازهای مختلف دارد.این پدیده هنگام انجماد به سرعت کاهش می یابد. مقدار حل شدن گازها در مس بستگی به درجه حرارت و فشار جزئی گازها در محیط خارج دارد.گازها اکثراً به صورت اتمی در مذاب حل می شوند.

مشخصات ریخته گری و ذوب

آلیاژهای مس در تنوع ترکیبات مختلف،فاصله انجماد متفاوتی دارند که پدیده انجماد پوسته ای و انجماد خمیری و انجماد یوتکتیکی و همچنین پریتکتیکی مختلف را شامل می شوند.

آلیاژهای مس معمولاً با نقطه ذوبی بالا تر از850 درجه سانتیگراد و درجه ریخته گری بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد و وزن مخصوص معادل 8 گرم بر سانتیمتر مکعب بیشتر در شرایط ریخته گری آلیاژهای آهنی و چدن ها قرار می گیرند و از این رو ریخته گری آن از آلومینیم مشکل تر است و سیالیت آن نیز از آلومینیم کمتر است.

تقسیم بندی آلیاژها

آلیاژهای مس به دو نوع آلیاژهای نوردی و ریخته گری تقسیم می شوند که از طرق مختلف ریخته گری در ماسه، قالب فلزی و اخیراً سیستم های تحت فشار شکل می گیرند.

آلیاژ مس و روی

برنجها آلیاژهای مس وروی می باشند که براساس تغییرات ترکیبی و رنگ ظاهری به برنج زرد و برنج قرمز و برنج سرب، برنج سیلیسیم، برنج قلع، برنجهای نیکلی (ور شو) تقسیم می شوند.

خواص فیزیکی

حد حلالیت روی در مس برابر5/32% در درجه حرارت انجماد و در حدود35% در درجه حرارت محیط می باشد از این رو فاز محلول جامد α مهمترین شبکه میکروسکوپی موجود در آلیاژ برنج است.و همانطور که در دیاگرم مس وروی نشان داده شده استاکثر آلیاژهای برنج دارای دامنه انجماد بسیار کم بوده ووجود فلزات دیگر در مس عملاً باعث پائین آمدن نقطه ذوب می شود و هر قدر دامنه انجمادکمتر باشد، سیالیت آلیاژ بهتر خواهد بود ولی این امر معمولاً با زیاد شدن حجم انقباض متمرکز همراه است و کاملاً برای ریخته گری مناسب میباشند و از نقطه نظر شبکه محلولهای جامد مس و روی دارای خواص زیر می باشند:

الف)محلول جامد α : این شبکه در سرما چکش خوار می باشد ولی چکش خواری آن در گرما منوط به نداشتن سرب در آلیاژ است (به دلیل تشکیل سرب مایع در گرما)

ب) محلول جامد β :در این شبکه وجود سرب کمتر مزاحم می باشد و شبکه خاصیت چکش خواری خود ار در گرما حفظ می کند.

ج) محلول جامدγ: این شبکه سخت و شکننده است و خواص عمومی شبکه γ را دارد، اگر مقدار فلز روی از 50%کمتر ابشد آلیاژ در ناحیه β بوده و برای به وجود آمدن شبکه γباید مقدار فلز روی از 50% تجاوز کند. به همین دلیل مقدار فلز روی در برنج ها مواره کمتر از 47% است و رنگ برنج به مقدار روی بستگی دارد.

اگر برنج تنها از محلول جامدα تشکیل شده باشد در این صورت خواص مکانیکی با افزایش فلزروی بالا می رود سپس با افزایش بیش از حد روی دوباره کاهش می یابد.اگر برنج از شبکه α و β تشکیل شده باشد مقدار درصد تغییر شکل به کم شدن ادامه می دهد در حالیکه سختی پیوسته زیاد می شود.

پمپ

دسته بندی آلیاژهای مس

آلیاژهای مس مانند آلومینیم به دو دسته آلیاژهای کارپذیر(نوردی) و ریختگی تقسیم می گردند. هر دسته از این آلیاژها نیز بر حسب شرایط ترکیبی و عناصر آلیاژی می توانند عملیات حرارتی پذیر یا عملیات حرارتی ناپذیر باشند.

انواع برنج های کارپذیر(نوردی) فقط حاوی مس وروی می باشند و عناصردیگر در حد ناخالصی در آنها وجود دارد و برنج های آلیاژی علاوه بر مس و روی حاوی عناصر دیگری نظیر سیلیسم، آهن، قلع، سرب و… نیز هستند و بیشتر از طریق ریخته گری شکل می گیرند.

برنجهای مخصوص

اگر به آلیاژ مس وروی سایر عناصر اضافه شوند به طورکلی خواص مکانیکی برنج بالا میرود و این نوع آلیاژها را برنج مخصوص می نامند و بالطبع نمی توان فقط ساختمانهای ساده محلول جامد α و یا β+α را انتظار داشت.

عناصری مانند سرب، قلع، آهن، منگنز، نیکل و غیره در برنج همواره به عنوان عنصر آلیاژی یا عنصر ناخالصی حضور دارند و مقدار این عناصر هیچگاه از حدود 2-1% تجاوز نمی کند.

آلیاژ مس و روی را برنج می گویند بر حسب درصد روی در مس می توان برنجهای متفاوتی را به دست آورد. هر چه درصد روی در مس افزایش یابد سختی و استحکام این آلیاژ بیشتر می شود و رنگ برنج از قرمز به زرد کم رنگ متمایل می شود. روی با نقطه ذوب C 419 و چگالی 14/7 گرم بر سانتی متر مکعب در مذاب مس با نقطه ذوب C1083 و وزن مخصوص 9/8 گرم بر سانتی متر مکعب معمولاً به صورت غیر همگن یا غیر یکنواخت قرار می گیرند که مشکل اساسی جدایش را به وجود می آورد . چون روی تا 32% می تواند در دمای محیط به صورت تک فازی α در مس وجود داشته باشد به آن برنج α میگویند که شامل یک ساختمان تک فازی کریستالهای محلول جامد روی و مس می باشد. معمولاً برنجهای α تجارتی تا 36% روی دارند و به دو گروه تقسیم می شوند:

برنج α زرد که شامل 20 الی 36% روی می باشدو برنج α قرمز که شامل 5 الی 20% روی می باشد.

در تهیه آلیاژهای برنج می توان دو روش را مورد استفاده قرار داد

1- از هاردنر مس و روی استفاده نمود. لازم است در این روش مس را تحت فلاکس پوششی ذوب کرده و بعد هاردنر را در چند مرحله به مذاب وارد نمود.

2- استفاده از روی خالص که لازم است مس را تحت فلاکس پوششی ذوب نموده فوق گداز آن را پایین آورده و روی را در چند مرحله به مذاب وارد نموده و کاملاً آن را مخلوط نمود. از دیاگرام مس و روی می توان فهمید که دامنه انجماد برنجها کوتاه و سیالیت خوبی دارند.

برای ساخت برنج 20% روی لازم است مس مورد نیاز را همراه با فلاکس پوششی که شیشه می باشد ذوب نموده و چون از روی خالص استفاده می شود بایستی فوق گداز را پایین آورده و این مقدار روی را در چندین مرحله ( معمولاً در 3 نوبت مناسب است ) به مذاب وارد کنیم. به دلیل نقطه ذوب و وزن مخصوص متفاوت این دو فلز که نقطه مس C1083 و چگالی آن 9/7 گرم بر سانتی متر مکعب می باشد و روی با نقطه ذوبC 419 و وزن مخصوص 14/7 گرم بر سانتی متر مکعب باعث جدایش این دو فلز از یکدیگر شده و پدیده جدایش را به وجود می آورند و لذا بایستی حتماً این مذاب را توسط ابزار خوب مخلوط نموده و اقدام به ذوب ریزی نمود.

فرایند استخراج مس

سنگهای معدنی مس

مس حدود 3-10*5 درصد در پوسته زمین را تشکیل می دهد که در نتیجه در قشر زمین برای استخراج مس مناسب تر است. مس به سه صورت در طبیعت یافت می شود سنگهای اکسیدی بیشتر در سطح قشر زمین وجود دارد و تغییرات جوی و فعل و انفعالاتی که در طبیعت صورت می گیرد باعث می شود که سنگهای سولفوره تبدیل به سنگهای اکسیده شوند ومهم ترین سنگهای اکسیده عبارتند از:

سنگهای سولفوره

سنگهای سولفوره بر عکس سنگهای اکسیده پائین تر و در عمق بیشتری از قشر زمین قرار گرفته اند.

قسمت اعظم سنگهای مس را سنگهای سولفوره تشکیل می دهند مهم ترین این سنگها عبارتند از:

3) مس طبیعی

مس گاهی به صورت آزاد در طبیعت یافت می شود. اغلب این مس به صورت دانه های ریز در داخل کنگلومرا یافت می شود.گاهی نیز به صورت 1- سنگهای سولفیدی 2- سنگهای اکسیدی 3- مس طبیعی یافت می شود.

1) سنگهای اکسیدی

صورت قطعات بزرگ در کانادا یافت شده اندچنین مسی حیت تا درجه خلوص 92/99 در صد می تواند وجود داشته باشد.

معادن مس: معادن مس در دنیا به صورت روباز و زیرزمینی وجود دارد که امروز 50%مس دنیا از معادن رو باز استخراج می گردد. مشروط برا ینکه حداقل مس موجود در سنگ معدن به طریق روباز4/.%در صد باشد ودر معادن زیر زمینی حداقل 7/.%در صد مس داشته باشدکه درصورت اقتصادی بودن استخراج می شود.

در ایران مس در نقاط مختلفی از کشوروجود دارد، از مهمترین مادن مس در ایران مس سرچشمه کرمان است معدن مس سرچشمه یکی از بزرگترین معادن مس و مولیبدن جهان است که حدود 25 میلیون سال پیش در امتداد رشته کوه زاگرس تشکیل گردید و میزان استخراج مس در این معدن روزانه 40 هزار تن سنگ سولفوره مس می باشد.

منطقه کانی سازی مس سرچشمه محدوده ای بیضی شکل به ابعاد حدود 1200*2300 متر و عمقی حدود 612 متر ومجموع ذخایر آن بالغ بر 400/887/223/1 تن با عیار 69% می باشد.

عملیات استخراج در معدن شامل 4 مرحله

1)حفاری

2)انفجار

3)بارگیری

4)باربری است که بعد از این مرحله وارد قسمت پر عیار کردن می شود.

پر عیار کردن:

مرحله به بعد سنگ معدن وارد قسمت پر عیار کردن می شود که فرایندی چند گانه است ومی توان آنرا به سه قسمت تقسیم کرد:

1)سنگ شکن ها

2)آسیا ها

3) فلو تاسیون

1) سنگ شکن ها

شامل دو دسته سنگ شکن اولیه و ثانویه تقسیم میشود که بر حسب نیاز از چند نوع سنگ شکن استفاده می شود و این قسمت پر هزینه ترین قسمت از نظر مصرف انرژی می باشد.

2) آسیاها

قسمت نرم کردن شامل انواع آسیاها بوده و متداولترین این آسیاها آسیای گلوله ای می باشد و اگر منظور نرم کردن بسیار زیاد باشد آسیای میله ای و سپس آسیای گلوله ای را به طور سری قرار می دهند.

3) فلوتاسیون

قسمت سوم عملیات پرعیارکردن فلوتاسیون است، که براساس جذب انتخابی هوا توسط سطح جامدی که در یک مایع غوطه ور شده و این سطح توسط معرف های فلوتاسیون قبلا مورد یک سری عملیات قرار گرفته قرار دارد مخلوط مواد جامد و آب که به آن مقدار کمی از معرفهای فلوتاسیون اضافه شده است از داخل سلولهایی که به شدت به هم زده شده و حباب هوا به داخل آن دمیده ممی شود عبور می کند و در نتیجه سطوح جامدی که توسط معرفهای فلوتاسیون مورد عمل قرار گرفته و فیلمی از معرف روی آنرا پوشانده و سطح آنرا آبران کرده است جذب هوا کرده و شناور می گردد معرفهایی که روی سطح ذرات تشکیل فیلم می دهند کلکتور می نامند و بدین ترتیب هر کلکتور روی کانه خاص با ترکیب شیمیایی و با شبکه بلوری معین تشکیل فیلم داده و سطح آنرا آماده برای جذب حباب هوا می کند و سایر ذرات که کلکتور روی آنها فیلمی تشکیل نداده است فاقد جذب هوا بوده و در نتیجه شناور نخواهد شد و بدین ترتیب می توان ذرات خاصی را از مجموع ذرات شناور کرده و جدا کرد.

استخراج مس ازسنگ معدن مس به دو روش انجام می شود

1 ) پیرو متالورژی (متالورژی خشک)

2 ) هیدرو متالورژی (متالورژی تر )

روش پیرو متالورژی

در این روش از کانه سولفیدی استفاده می‌شود. پس از طی مراحل عملیات استخراج (حفاری- انفجار- بار گیری – باربری) سنگ معدن وارد سنگ شکن اولیه (سنگ شکن فکی) شده و بعدخرد شدن وارد سنگ شکن ثانویه شده و به ابعادی در حدود 12 میلی متر در آمده و در نهایت واردآسیای گلوله ای شده و با مواد شیمیایی و شیر آهک ترکیب شده و به صورت دوغاب در آمده و اندازه دانه ها در این مرحله به 74 میکرون می رسد سپس دوغاب حاصله وارد قسمت سوم پر عیارکردن یعنی فلوتاسیون شده و کنستانتره مس و مولیبدن به دست می آید. پس جدا سازی مولیبدن کنستانتره مس وارد قسمت صافی شده وبه شکل خمیره در می آید و سپس وارد کوره های خشک کن شده و رطوبت آن گرفته شده را در کوره های روربر و یا شعله ای ذوب می‌کنند، حاصل این کوره ترکیبی از مس و سایر مواد ناخالصی نظیرگوگرد،آهن، طلا و … می‌باشد که تقریباً حاوی 45 درصد مس می‌باشد و آن را مات مس می‌نامند.

مات مس را در کوره های مبدل یا کنورتر ریخته و با عبور هوا و اکسیژن از آن ناخالصیها و به خصوص آهن و گوگرد را اکسیده می‌کنند و به سرباره انتقال می‌دهند. این مس نیز ناخالص است و به دلیل وجود عناصر مختلف و مواد غیر فلزی و تخلخل بیش از اندازه آن را مس بلیستر یا مس جوشدار و یا مس خام می‌نامند. مس خام در این مرحله بیش از 3/99 درصد مس دارد و سپس توسط پاتیلهایی وارد کوره های آند شده و در این کوره هابا تزریق گاز پروپان ناخالصی های موجود مجدداٌ سوخته و خارج می شود درجه خلوص آن تاعیار 7/99درصد نیز می‌رسد و سپس خروجی کوره اند به چرخ ریخته گری وارد می شود. مذاب مس خام به صورت صفحاتی بزرگ ریخته و آنها را به عنوان آند در الکترولیز مس به کار می‌برند وکاتد را که از صفحات مس بسیار خالص تشکیل یافته را به همراه آند (مس خام) در محلول الکترولیت اسید سولفوریک و سولفات مس است وارد می کنند. پس از عبور جریان معین و حساب شده، مس به صورت یک یون دو ظرفیتی از آند جدا شده و بر روی کاتد می‌نشیند.

عناصر و فلزات ناخالص در محلول الکترولیت حل نمی‌شوند و از این رو در کف کوره الکترولیز به صورت لجن رسوب می‌کنند. کاتدها را که حاوی مس الکترولیز شده می‌باشند و معمولاً در مرحله اول الکترولیز حدود 9/99 درصد مس دارند، ذوب کرده و در شکل و اندازه های معین و بر اساس برنامه تنظیمی‌می‌ریزند.پس از آنکه آند در عملیات الکترولیز تصفیه شد و به کاتد پیوست، اکنون کاتد به عنوان مس خالص آماده ورود به عرصه صنعت و بازار کار می‌باشد که در این موقع ممکن است کاتد از روشهای نورد به فرمهای متنوع شکل گیرد واز طریق کشش به شکل سیم در مصارف برقی و یا به صورت لوله در مصارف برودتی به کار گرفته شود. بخش دیگری از کاتد راهی کارخانه های آلیاژ سازی شده و در تولید آلیاژهای مس به کار گرفته می‌شود.

مس چیست

روش هیدرو متالورژی

در این روش از کانه اکسیدی، سولفیدی کم عیار یا کنسانتره سولفیدی تشویه شده برای استخراج مس استفاده می‌شود. همانطور که در بخش اول گفته شد سنگهای اکسیدی کم عیار که استخراج مس از آن به روش پیرو متالورژی مقرون به صرفه نیست پس از بررسی های انجام گرفته روش هیدرو متالورژی(انحلال سنگ اکسید در اسید سولفوریک) و استخراج مس از محلول توسط حلال و الکترو وینینگ از سایر روشها انتخاب شد. که طی مراحل زیر مس خالص بدست می آید:

بعد از بستر سازی یک منطقه شیب دار و مناسب جهت کارتوسط ماشین آلات سنگین و کشیدن یک پلاستیک پلی اتیلن و قرار دادن یک لوله پلی اتیلن جهت خروج محلول حاصل خاک های اکسیدی را روی ان پخش می کنند وبا ریختن اسید سولفوریک بر روی خاک اکسیدی محلولی به صورت CuSo4_ FeSo4 وارد لوله پلی اتیلن شده و به حوضچه انحلال می ریزد.

استخراج الکترولیتی مس (الکترووینینگ)

در این مرحله مس فلزی از محلول غلیظ مس (از استخراج حلالی یا لیچینگ با اسید غلیظ) را با استفاده از یک روش الکتروشیمیایی استخراج می‌کنند. این روش هم همانند روش تصفیه الکترولیتی در روش پیرومتالورژی می‌باشد، با این تفاوت که در آنجا آند استفاده شده از جنس مس بود، ولی در اینجا از جنس سرب می‌باشد و ولتاژ سلول الکتروشیمی‌2 تا 5/2 ولت می‌باشد.در طی واکنش انجام شده در سلول الکتروشیمی ‌یون مس داخل محلول بر روی آند سربی رسوب می‌دهد: Cu2+ + 2e- –> Cu

بعد از مدتی مس رسوب داده شده بر روی آند سربی را با کاردک جدا می‌کنند و حال مس فلزی با درجه خلوص بسیار بالا آماده است.

الکترولیز مس

مس آندی حاصل از مرحله قبل به صورت قطعاتی (معمولاً 40 عدد) به عنوان آند و همان تعداد قطعه دیگر به عنوان کاتد در یک وان الکترولیز قرار می‌گیرند.

کاتد مورد استفاده از جنس مس خالص می‌باشد. حال آندها به یک قطب و کاتدها به قطب دیگر متصل می‌شوند. ولتاژی در حدود 0.2-3V به دو سر آندها و کاتدها اعمال می‌شود. آندها به تدریج خورده می‌شوند و به صورت یون Cu2+ در می‌آیند، یونها وارد الکترولیت می‌شوند و روی سطح کاتد احیا می‌شوند و طی این فرآیند مس تصفیه می‌شود و عیار آن به 99/99% افزایش می‌یابد. در طی فرآیند الکترولیتی فوق واکنشهای زیر اتفاق می‌افتد:

الف) بر روی آند : مس آندی با دادن دو الکترون به یون مس تبدیل می‌شود: Cua –> Cu2+ + 2e –

ب) بر روی کاتد: یون با گرفتن دو الکترون به صورت مس کاتدی روی کاتد رسوب می‌دهد:

Cu2+ + 2e- –> Cuc

به این ترتیب واکنش زیر انجام می‌شود :

Cua –> Cuc

و در نهایت به صورتهای مختلف جهت مصارف خاص تولید و به بازار عرضه می شود.

پیرو متالورژی مس

به‌طور کلي مس از دو روش مهم استخراج مي‌شود که شامل روش پيرومتالورژي (خشک) و روش هيدرومتالورژي (تر) مي‌باشد. در حدود 90% مس توليد شده در دنيا از کانه‌هاي سولفوري و از روش پيرومتالورژي حاصل مي‌شود و روش هيدرومتالورژي براي استخراج مس از کانه‌هاي اکسيدي به‌ خصوص کربناتها، سيليکات‌ها و سولفات‌ها و همچنين دور ريز کارخانه‌ها بکار مي‌رود.

روش‌هاي الکتروشيميايي نيز براي توليد مس خالص نهايي مورد استفاده قرار مي‌گيرند که شامل تصفيه‌ي الکتريکي آندها در حالت استخراج از روش پيرومتالورژي و استخراج الکتروليزي از محلول در روش هيدرومتالورژي مي‌باشد.

استخراج مس از كانه‌هاي سولفيدي (پيرومتالورژي)

تقريباً 90% كانه‌ي مس اوليه‌ي دنيا به صورت كانه‌هاي سولفيدي است. سولفيدها به سهولت تحت عمليات هيدرومتالورژيكي قرار نمي‌گيرند، زيرا به‌راحتي حل نمي‌شوند. بنابراين قسمت اعظم استخراج مس توسط روش‌هاي پيرومتالورژي يا آتشي با كاني پرعيار شده‌ي مس انجام مي‌شود. عمل استخراج شامل مراحل زير مي‌باشد:

1- پرعيار كردن به روش فلوتاسيون، 2- تشويه (مرحله‌ي اختياري)، 3- ذوب به صورت مات (در كوره‌هاي دمشي، شعله‌اي، الكتريكي يا تشعشي) ، 4- مرحله تبديل به مس حفره‌دار.

محصول نهايي اين مراحل متوالي، مس ناخالص حفره‌دار است كه بايد قبل از ساخت و كاربرد، پالايش گرمايي (شعله‌اي) و الكتروليتي شود.

مس در طبيعت

مس در طبيعت به صورت مس خالص، سولفيدي يا اکسيدي موجود است که بيشتر به حالت کاني‌هاي سولفيدي چون کالکوپيريت، بورنيت و کالکوزيت يافت مي‌شود. مس طبيعي در حالت آزاد به‌صورت توده‌هاي بزرگ يا به شکل ذرات پراکنده در سنگ‌هاي آذرين در قشر زمين بوجود آمده است. در واقع اين نوع مس در طبيعت زياد نيست و فقط در بعضي نقاط دنيا مانند نواحي درياچه‌ي «سوپريور» در ايالات متحده‌ي آمريکا، در کشور بوليوي، چين، شيلي و ايران ديده شده‌ است.

عيار چنين مسي اگر به‌صورت توده‌اي باشد، بيش از 92% و اگر به‌صورت ذرات پراکنده باشد در حدود 1.5-1% مي باشد.

مس طبيعي در حالت آزاد به‌ صورت توده‌هاي بزرگ يا به شکل ذرات پراکنده در سنگ‌هاي آذرين در قشر زمين بوجود آمده است. در واقع اين نوع مس در طبيعت زياد نيست و فقط در بعضي نقاط دنيا مانند نواحي درياچه‌ي «سوپريور» در ايالات متحده‌ي آمريکا، در کشور بوليوي، چين، شيلي و ايران ديده شده‌ است.

کانه‌هاي اکسيدي مس بيشتر در قشري از زمين که نزديک به سطح است، پيدا مي شود و در اثر تغييرات جوي و واکنش‌هاي آرام شيميايي که در رگه‌هاي سولفيدي کانه‌دار مس صورت مي‌گيرد، بوجود مي‌آيند. از طرف ديگر آب‌هاي طبيعي که حاوي CO2 مي باشد، بر روي کانه‌هاي سولفيدي اثر کرده و بتدريج آن‌ها را به کربنات، اکسيد، سولفات و گاهي اوقات آن‌ها را به سيليکات مس تبديل مي‌کند. کانه‌هاي سولفيدي مس که مهم‌ترين ماده‌ي اصلي مس را تشکيل مي‌دهند، در حدود 95% از محصولات مس دنيا را شامل مي‌شوند.

بيشترين تجمعات كاني‌‌زايي مس جهان، در ميشيگان و آريزوناي آمريكا، آلمان، روسيه و استراليا ديده مي‌شود.

خصوصيات كانسارهاي فلزي

كانسارهاي فلزي گسترش وسيع و شكل متنوعي دارند. اين كانسارها در مقايسه با لايه‌هاي زغال، سخت‌ترند، بنابراين براي حفر اين قبيل موادمعدني، بايستي از روش آتشباري استفاده كرد.

كانسارهاي فلزي به اشكال مختلف ديده مي‌شوند. برخي از آن‌ها لايه‌اي شكلند مانند بعضي از معادن آهن. يكي از عمومي‌ترين اشكال كانسارهاي فلزي حالت رگه‌اي است. در چنين حالاتي، ماده‌ي معدني به‌صورت يك رگه در داخل شكستگي و شكاف سنگ‌هاي درون‌گير را پر مي‌كند. ضخامت رگه معمولاً ثابت نيست و در قسمت‌هاي مختلف آن تغيير مي‌كند.

گاهي از اوقات، ماده‌ي معدني منشا ماگمايي دارد و به‌صورت توده‌اي تجمع مي‌يابد. مواد فلزي را به شكل‌هاي ديگر نيز مي‌توان مشاهده كرد.

يكي از خصوصيات كانسارهاي فلزي اين است كه برخلاف كانسارهاي رسوبي، سنگ درون‌گير ماده‌ي معدني دقيقاً مشخص نيست، يعني تغييرات عيار ما در سنگ‌هاي ناحيه تدريجي است و به‌عبارت ديگر، سنگ درون‌گير، بتدريج به ماده‌ي معدني تبديل مي‌شود. در چنين حالاتي، بايستي حدود ماده‌ي معدني را با اندازه‌گيري‌ مرتب عيار آن در سنگ‌ها، تعيين كرد.

انواع ذخاير مس:

1- ذخاير مس پورفيري

اين ذخاير، كانسارهاي استوك ‌ورك تا افشان بزرگ و عيار پايين مس هستند كه ممكن است در بردارنده‌ي مقادير ناچيز اما قابل بازيافت موليبدن، طلا و نقره نيز باشند. اين ذخاير معمولاً كانسارهاي مس – موليبدن- يا مس – طلا هستند. ارزش اين كانسارهاي تابعي از روش‌هاي معدنكاري حجيم، اعم از روباز و يا درصورت زيرزميني بودن، استخراج بلوكي است. بيشتر اين كانسارها داراي 0.4 تا 1% مس و تناژي تا 1000 ميليون تن هستند.

عيار و تناژ يك ذخيره، مقدار كل فلز ذخيره را مشخص مي‌كند، اما افت پياپي قيمت مس سبب شده تا در سال‌هاي اخير به عيار اهميت بيشتري داده‌ شود.

استخراج انتخابي در اين معادن، امري ناممكن است و سنگ ميزبان، استوك ‌ورك و افشان بايد يك ‌جا استخراج شود و از اين راه برخي از بزرگ ‌ترين حفره‌هاي ساخت بشر در پوسته‌ي زمين ايجاد شده است. يك كانسار نمونه‌ي مس پورفيري، توده‌ي نفوذي مركب، استوانه‌اي و استوك ‌مانندي است كه رخنموني كشيده يا نامنظم با ابعادي در حدود 2×1.5 كيلومتر دارد و اغلب، سنگ‌هايي متوسط‌دانه با بافتي همسان ‌دانه آن را دربرمي‌گيرد. بخش مركزي توده‌ي نفوذي كه بخش پورفيري آن است، داراي بافت پورفيري است كه به يك دوره‌ي سردشدگي سريع اشاره دارد و منجر به تشكيل زمينه‌ي ريزدانه در سنگ مي‌شود

مس چیست

0 دیدگاه

مس چیست

مس یکی از عناصر جدول تناوبی است که نشان آن Cu و عدد اتمی آن 29 میباشد.

پیدایش

مس معمولا به شکل معدنی یافت می شود.کانیهایی مثل آزوریت ، مالاکیت و برنیت همانند سولفیدهایی از جمله از منابع مس (Cu٢O) یا اکسیدهایی مانند کوپریت ( Cu٢S) کالکوزین ، ( CuS) کوولین ، ( CuFeS کالکوپیریت هستند .

خصوصیات قابل توجه

مس فلز نسبتا” قرمز رنگی است که از خاصیت هدایت الکتریکی و حرارتی بسیار بالایی برخوردار می باشد.( در بین فلزات خالص ، تنها خاصیت هدایت الکتریکی نقره در حرارت اطاق از مس بیشتر است) چون قدمت مصنوعات مسی کشف شده به سال 8700 قبل از میلاد برمی گردد، احتمالا” این فلز قدیمی ترین فلز مورد استفاده انسان می باشد. مس علاوه بر اینکه در سنگهاي معدنی گوناگون وجود دارد ، به حالت فلزي نیز یافت می شود.( مثلا “مس خالص در بعضی مناطق) این فلز را یونانیان تحت عنوان Chalkos می شناختند .چون مقدار بسیار زیادي از این فلز در قبرس استخراج می شد رومیان آنرا aes Cyprium می نامیدند. بعدها این کلمه به فرم ساده تر cuprum درآمد و در نهایت انگلیسی شده و به لغت Copper تبدیل شد.

کاربردها

مس فلزي قابل انعطاف و چکش خوار است که کاربردهاي زیادي در موار زیر دارد :

سیمهاي مسی

لوله هاي مسی

دستگیره هاي درب و سایر وسایل منزل

مجسمه سازي مثلا “مجسمه آزادي شامل 179000 پوند مس می باشد .

آهنرباهاي الکتریکی

موتورها، بخصوص موتورهاي الکترومغناطیسی

موتور بخار وات

کلیدها و تقویت کننده هاي الکتریکی

لامپهاي خلاء ، لامپهاي پرتوي کاتدي ومگنترونهاي اجاقهاي مایکرو ویو

هدایت کننده موج براي تشعشع مایکروویو

به علت خاصیت هدایت بهتر آن نسبت به آلومینیوم، کاربرد مس در IC ها به جاي آلومینیوم رو به افزایش است.

بعنوان جزئی از سکه ها

در وسایل آشپزي، از جمله ماهی تابه

بیشتر سرویسهاي قاشق چنگال ( flatware) قاشقها، چنگالها و چاقوها داراي مقادیري مس هستند(نقره نیکلی)

اگر نقره استرلینگ در ظروف غذاخوري بکار رفته باشد، حتما”باید داراي درصد کمی مس باشد.

بعنوان بخشی از لعاب سرامیکی و در رنگ آمیزي شیشه

وسایل موسیقی، بخصوص سازهاي بادي

بعنوان یک بیواستاتیک در بیمارستانها و پوشاندن قسمتهاي مختلف کشتی براي حفاظت در برابر بارناکلها و ماسلها

ترکیباتی مانند محلول فلینگ که در شیمی کاربرد دارد

سولفات مس که بعنوان سم و تصفیه کننده آب کاربرد دارد

مس چیست

تاریخچه

مس براي تعدادي از تمدنهاي قدیمی ثبت شده ، شناخته شده بود و تاریخ استفاده از آن حد اقل به 10000 سال پیش می رسد. یک آویزه مسی ، متعلق به سال ٨٧٠٠ قبل از میلاد در شمال عراق کنونی پیدا شد.نشانه هایی مبنی بر ذوب و خالص کردن مس از اکسیدهاي آن مانند مالاکیت و آزوریت تا سال 5000 قبل از میلاد وجود دارد.در عوض اولین نشانه هاي استفاده از طلا تقریبا” به 400 سال قبل از میلاد بر می گردد .

مصنوعات مسی و برنزي که از شهرهاي سومري و مصنوعات مصري که از مس و آلیاژ آن با قلع یافت شده تقریبا” متعلق به 3000 سال قبل از میلاد هستند. در یکی از اهرام یک سیستم لوله کشی با مس پیدا شده که مربوط به 5000 سال پیش است.مصریان دریافتند افزودن مقدار کمی قلع ، قالب گیري مس را آسان تر می کند لذا آلیاژهاي برنزي که در مصر کشف میشوند تقریبا” قدمتی همانند مس دارند. استفاده از مس در چین باستان حداقل به 2000 سال قبل از میلاد مربوط بوده و تا 1200 سال قبل از میلاد در این کشور برنز مرغوب ساخته می شده است. در نظر داشته باشید چون مس به راحتی براي استفاده و کاربرد مجدد ذوب می شود ، دوران ذکر شده تحت تاثیر جنگها و کشورگشائیها قرار می گیرد.در اروپا مرد یخی Oetzi ، مردي که به دقت نگهداري می شود و متعلق به 3200 سال قبل از میلاد است تبري با نوك مسی در دست دارد که درجه خلوص فلز آن 7/99% می باشد. مقدار زیاد آرسنیک موجود در موهاي او نشان دهنده سرو و کار او با پالایش مس می باشد .

استفاده از برونز در مرحله اي از تمدن به قدري فراگیر بود که آن مرحله را عصر برونز می نامند .برنج براي یونانیان شناخته شده بود اما اولین بار بصورت گسترده توسط رومیان بکار رفت .

به خاطر زیبایی درخشانش- بطوریکه در باستان براي ساخت آئینه از آن استفاده می شد -ونیزبه دلیل ارتباط آن با قبرس که مربوط به الهه بود، در اسطوره شناسی و کیمیاگري فلز مس با الهه هاي آفرودیت و ونوس پیوند دارد. در کیمیا گري علامتی

را که براي مس در نظر گرفته بودند ، علامت سیاره زهره (ونوس) نیز بود .

نقش بیولوژیکی

وجود مس براي کلیه گیاهان و حیوانات عالی ضروري می باشد. مس در آنزیمهاي متنوعی ،از جمله مراکز مس cytochrome c oxidase و آنزیم حاوي Cu-Zn به نام superoxide dismutase وجود دارد و فلز اصلی در رنگدانه حامل اکسیژن hemocyanin است. RDA براي مس در بزرگسالان سالم 9/0میلی گرم در روز می باشد.

مس در جریان خون عمدتا روي پروتئین پلاسمایی بنام ceruloplasmin حرکت می کند. اگرچه مس اول در روده جذب میشود، این عنصر همبسته با آلبومین به سوي کبد منتقل می شود .

یک حالت ارثی که بیماري ویلسون نامیده می شود موجب باقی ماندن مس در بدن و عدم ورود آن به صفرا توسط کبد شود. این بیماري در صورت عدم درمان می تواند منجر به آسیبهاي کبدي و مغزي شود .

ترکیبات

آلیاژهاي بسیاري از مس وجود دارد -برنج آلیاژ مس/روي و برنز آلیاژ مس /قلع است. متداول ترین حالات اکسیداسیون مس شامل حالت مربوط به مس یک طرفیتی cuprous، +Cu١ و حالت cupric +Cu ٢می باشد.

کربنات مس به رنگ سبز است که بوسیله آن ظاهر منحصر به فرد بامها یا گنبدهاي با پوشش مس روي بعضی ساختمانها ساخته می شوند .

اکسیدهاي مس مانند :اکسید مس ایتریم و باریم O3CU 2 Vδ Yba یا YBCO پایه هاي بسیاري از ابر رساناهاي غیر معمول را تشکیل می دهند.

ترکیبات دیگر : سولفید مس

ایزوتوپها

علاوه بر تعداد زیادي رادیوایزوتوپ ، دو ایزوتوپ پایدار CU-63 و CU-65 موجود است.تعداد بسیار زیادي از این رادیوایزوتوپها داراي نیمه عمرهایی به مقیاس دقیقه یا کمتر دارند ، طولانی ترین نیمه عمر متعلق به ۶۴CU-است که مدت آن 12/7 ساعت، با دو حالت فرسایشی که منجر به محصولات جداگانه می شود.

هشدارها

با تمامی ترکیبات مس باید طوري رفتار شود گویی سمی هستند مگر خلاف آن مشخص باشد. این فلز در حالت پودزي خطر آتش زایی دارد. 30 گرم سولفات مس براي انسان کشنده است. مس موجود در آب آشامیدنی با غلظتی بیش از1 میلی گرم در لیتر موجب لک شدن لباسها و اقلام در آب می گردد. مقدار بی خطر مس در آب آشامیدنی انسان بر حسب منبع آن متفاوت است اما مرز آن بین 5/1 تا 2 میلی گرم در هر لیترمی باشد.

شناخت محیط رشد:مس

مس نیز به مقدار بسیار کم در تولید کلروفیل، پروتئین، کربوهیدرات ها و همچنین در فعال ساختن برخی از آنزیم ها مورد نیاز است. در صورت کمبود مس برگها کوچک مانده و سرشاخه هاي جوان را دچار برگ سوختگی می کند. هر چه واکنش خاك اسیدي تر باشد، مس قابل استفاده تر است.

براي رفع کمبود مس از سولفات مس به تنهایی و گاهی مخلوط با آهک به نام محلول بردو استفاده می شود که البته بازده آن در خاکهاي ایران بسیار کم است.

کروم چیست

4 دیدگاه

کروم چیست

کروم یکی از عناصر جدول تناوبی است که دارای نشان Cr و عدد اتمی ۲۴ می‌باشد. کروم یا کرومیوم فلزی سخت، براق به رنگ خاکستری فلزی با جلاپذیری بالا و نقطه جوش بالا و مقاومت قابل توجه در برابر زنگ‌زدگی و تیرگی است.

اکسید کرومیوم از بیش از ۲ هزار سال پس در امپراتوری چین برای روکش سلاح‌های فلزی استفاده می‌شد. کروم به عنوان یک عنصر در سال ۱۷۶۱ کشف شد و ابتدا به عنوان رنگدانه کاربرد داشت. در ۱۷۹۷ فلز کروم برای نخستین بار از سنگ معدنی آن جدا شد.از آن زمان تاکنون تقریباً تمام کروم دنیا از سنگ معدنی کرومیت به دست می‌آید. ارزش این فلز بیشتر به دلیل مقاومت بسیار آن در برابر زنگ‌زدگی و فرسایش است به ویژه وقتی کشف شد که افزودن کروم به فولاد تاثیر قابل توجهی در جلوگیری از فرسایش و تیرگی فولاد دارد. امروزه حدود ۸۵ درصد مصرف کروم دنیا برای ساخت فولاد ضدزنگ (که حداقل ۱۰.۵ درصد حجم آن را کروم تشکیل می‌دهد) و همچنین آبکاری با کروم است.

معمولی‌ترین حالتهای اکسایش کروم ۲+ ۳+ و ۶+ است که ۳+ پایدارترین آنها وحالت‌های ۴+ و ۵+ نسبتا کمیاب هستند. ترکیبات کروم در حالت اکسایش ۶، اکسیدکننده‌هایی قوی هستند.

موارد استفاده کروم:

در متالورژی برای مقاوم کردن در مقابل پوسیدگی و در براقی نهایی

به‌عنوان یک جزء در آلیاژها، مثلاً”در فولاد ضدزنگ

در آب کاری با کروم

در آلومینیوم آنادایز

به عنوان یک کاتالیزور

از کرومیت برای ساخت قالبهای پخت آجر استفاده می‌شود.

نمک‌های کروم باعث سبز شدن رنگ شیشه می‌شوند.

کرومات‌ها و اکسیدها در رنگ مو و رنگهای معمولی به کار می‌روند.

دی کرومات پتاسیم یک معرف شیمیایی است که درتمیز کردن ظروف شیشه‌ای آزمایشگاهی و به عنوان یک عامل تیترات مورد استفاده قرار می‌گیرد. این عنصر همچنین بصورت دندانه (مثلا ، عامل ثابت نگه دارنده) در رنگرزی بکار می‌رود.

دی اکسید کروم(CrO2) در تولید نوارهای مغناطیسی مصرف می‌شود این نوارها نسبت به نوارهای اکسید آهن دارای مقاومت در برابر میدانهای مغناطیسی بیشتری بوده، لذا کارآیی بهتری دارند.

تاریخچه کروم

یوهان گوتلوب لمن در سال ۱۷۶۱ در کوههای اورال ماده معدنی نارنجی- قرمز رنگی پیدا کرد که نام آن را سرب قرمز سیبریایی نهاد. گرچه او به اشتباه آن را ترکیب سرب با آهن و سلنیوم انگاشت، آن ماده معدنی در حقیقت کرومات سرب (PbCrO4) بود.

پیتر سیمون پالاس در سال ۱۷۷۰ این ماده معدنی سربی قرمزرنگ (سرب قرمز سیبریایی) را در همان مکانی که لمن قبلاً دیده بود، مشاهده کرد که خصوصیات مفید زیادی داشت. از جمله این خصوصیات کاربرد آن به عنوان رنگدانه در تولید رنگ بود که استفاده از این ویژگی به سرعت توسعه یافت. رنگ زرد درخشانی که از کروکوئیت ساخته شد به یک رنگ بسیار رایج تبدیل گشت.

سال ۱۷۹۷ نیکلاس لوئی واکلین نمونه‌هایی از سنگ معدن کروکوئیت را پیدا کرد. او با مخلوط کردن کروکوئیت و اسید هیدروکلریک موفق به تهیه اکسید کروم (CrO3) گشت. سال ۱۷۹۸ واکلین متوجه شد که با حرارت دادن این اکسید در کوره‌های ذغالی می‌توان کروم فلزی به دست آورد. او موفق به شناسایی مقدار کمی کروم در سنگ‌های قیمتی از جمله یاقوت و زمرد شد.

در طول دهه اول قرن نوزدهم از کروم بیشتر به عنوان سازه‌ای در رنگ‌ها استفاده می‌شد، اما امروزه عمده کاربرد آن (۸۵٪) در آلیاژهای فلزی است و مابقی موارد استفاده آن در صنایع شیمیایی، مواد نسوز و صنایع پایه است.

نقش بیولوژیکی کروم

کروم سه ظرفیتی فلزی است که مقدار کم آن بسیار ضروری است و برای سوخت و ساز کامل قند در بدن انسان مورد نیاز است. کمبودهای کروم می‌تواند بر توانایی انسولین در ثابت نگه‌داشتن میزان قند خون تأثیر بگذارد. برخلاف سایر فلزاتی که مقدار کم آنها ضروری است، برای کروم عملکرد بیولوژیکی در متالوپروتئین دیده نشده است.

قالب ماهیچه منیفولد 206

خاصیت ضد زنگ کردن کروم

این فلز کروم میتواند بسیاری از فلزات دیگر را ضد زنگ کرده و از آنها در برابر خوردگی و زنگ زدن محافظت کند. از همین رو یکی از آلیاژهای اصلی فولاد ضدزنگ یا استیل را کروم تشکیل می‌شود.

پیدایش کروم

کروم به شکل سنگ معدن کرومیت Fe، Mg)Cr۲O۴) استخراج می‌شود و با غلظت ۲۱ ذره در میلیون بیست‌ویکمین عنصر از نظر فراوانی در پوسته زمین است. این عنصر را به صورت تجاری با حرارت دادن این سنگ معدن در حضور آلومینیوم یا سیلیسیوم تهیه می‌شود. نزدیک به نیمی از سنگ معدن کرومیت جهان در آفریقای جنوبی تولید می‌شود و قزاقستان، هند، زیمباوه، ایران، فنلاند، برزیل، روسیه و ترکیه نیز از تولید کنندگان عمده آن هستند. مقدار کرومیت اسخراج نشده بسیار زیاد است، اما از نظر جغرافیایی در قزاقستان و آفریقای جنوبی متمرکز هستند. در سال ۲۰۰۰ حدود ۴٫۴ میلیون تن سنگ معدن کرومیت قابل فروش تولید شد که ۳٫۳ میلیون تن آهن- کروم به ارزش تقریبی ۲٫۵ میلیارد دلار آمریکا از آن به دست آمد.

اگرچه وجود کروم خالص بسیار نادر است، مقادیری کروم خالص کشف شده است. معدن اوداچنایا در روسیه نمونه‌هایی از کروم خالص تولید می‌کند. این معدن یک استوانه کیمبرلیت غنی از الماس است که در آن هم کروم خالص و هم الماس تولید می‌شود.

ترکیبات کروم

دی کرومات پتاسیم عامل اکسید کننده بسیار قوی است و این ترکیب برای تمیز کردن ظروف آزمایشگاهی، ارجح تر از سایر ترکیبات آلی است. اکسید کرومیک همان اکسید کروم سبز است (Cr2O۳)که در نقاشی لعابی و رنگ کردن شیشه مورد استفاده قرار می‌گیرد. زردینه کروم رنگدانه زرد درخشانی است (PbCrO4) که مورد استفاده نقاشان قرار می‌گیرد. اسید کرومیک دارای ساختار فرضی H2CrO۴ است. نه اسید کرومیک و نه اسید دی کرومیک در طبیعت یافت نمی‌شوند اما آنیون‌های آنها در ترکیبات متنوعی یافت می‌شود. تری اکسید کروم CrO۳ ،-اسید بدون آب اسید کرومیک – بصورت تجاری، به‌عنوان اسید کرومیک بفروش می‌رسد.

ایزوتوپ‌های کروم

کروم به طور طبیعی متشکل از ۳ ایزوتوپ پایدار Cr-۵۳ ,Cr-۵۴ ,Cr-۵۲ است که فراوان‌ترین آنها Cr-۵۲ (با فراوانی طبیعی ۷۸۹/۸۳٪) است. ۱۹ رادیو ایزوتوپ که پایدارترین آنها Cr-۵۰ با نیمه عمر(بیش از) ۱٫۸E۱۷سال وCr-۵۱ با نیمه عمر۷۰۲۵/۲۷ روزمی‌باشد برای این عنصر شناخته شده است. مابقی ایزوتوپ‌های رادیواکتیو آن از نیمه عمری کمتراز ۲۴ ساعت برخوردارند که نیمه عمر اکثر آنها کمتر از ۱ دقیقه است. این عنصر همچنین دارای ۲ حالت برانگیخته است. کروم ۵۳ محصول فروپاشی پرتوزاد Mn-۵۳ است.محتویات ایزوتوپی کروم معمولاً” با محتویات ایزوتوپی منگنز ترکیب می‌شود و در زمین‌شناسی ایزوتوپی کاربرد دارد. نسبت‌های ایزوتوپ Mn-Cr شواهدی را که از Al-۲۶ وPd-۱۰۷ درباره تاریخ ابتدایی به دست آمده تقویت می‌کند. اختلاف در نسبتهای Cr-۵۳/Cr-۵۲ و Mn-Cr در چندین شهاب سنگ بیانگر یک نسبت Mn-۵۳/Mn-۵۵ است که نشان می‌دهد رده‌بندی ایزوتوپ Mn-Cr باید از فروپاشی ثابت Mn-۵۳ در پیکره سیاره‌های مجزا ناشی شده باشد. بنابراین Cr-۵۳ دلایلی بیشتر را درباره فرایندهای نوکلئوسنتزی بلافاصله قبل از یکپارچگی منظومه شمسی در اختیار می‌گذارد.

ایزوتوپهای کروم از نظر وزن اتمی، در بازه ۴۳amu (کروم ۴۳) تا ۶۷amu (کروم ۶۷) قرار دارند. حالت فروپاشی اتمی بلافاصله قبل از فراوان‌ترین ایزوتوپ پایدار(کروم ۵۲)، جذب الکترون است و حالت بلافاصله بعد از آن کاهش بتا است.

هشدارها در مورد کروم

فلز کروم و ترکیبات کروم (III) معمولاً” برای سلامتی خطرناک نیستند، اما ترکیبات کروم VI در صورت بلع سمی هستند. مقدار تقریباً” نصف قاشق چای خوری ترکیبات کروم سمی (VI) کشنده بوده و سرطانزا بودن مقادیر غیرکشنده کروم VI به اثبات رسیده است. بیشتر ترکیبات کروم VI برای چشم، پوست و بافت‌های مخاطی مضر هستند. تماس دائمی با این ترکیبات می‌تواند موجب آسیب‌های دائمی چشم گردد، مگر مواردی که درمان کامل صورت پذیرد.

در سال ۱۹۵۸ سازمان بهداشت جهانی حداکثر میزان مصرف مجاز کروم VI از جنبه سلامتی را ۰۵/۰ میلی‌گرم در هر لیتر آب آشامیدنی پیشنهاد کرد. این پیشنهاد بارها بررسی شد و در این فاصله مقدار اعلام شده تغییر نکرد.

نیکل چیست

0 دیدگاه

نیکل چیست

نیکل عنصر ۲۸ با معادل انگلیسی nickel نیکل فلزی مقاوم، چکش خوا، براق با ساختار بلورین و مکعبی شکل به رنگ سفید و نقره ای میباشد. این عنصر در سال 1751 توسط Axel Cronstedt دانشمند سوئدی کشف شد . از نظر خواص مغناطیسی وفعالیت شیمیایی شبیه به آهن وکبالت میباشد . کانیهای اصلی نیکل عبارتند از پنتلاندیت ، پیروتیت (سولفید های نیکل و آهن) و گارنییریت (سیلیکات نیکل و منیزیم ) هستند.

نیکل یکی از اجزا اصلی تشکیل دهنده شهاب سنگها به شمار می آید. شهاب سنگهای آهن و سیدریت شامل آلیاژهای آهن حدود 5 تا 20 درصد نیکل می باشد. نیکل تجاری به فرمهای پنتلاندیت و پیروتیت می باشد که این معادن در ایالت انتاریو یافت می شود که این ناحیه حدود 30 درصد از نیکل دنیا را تامین می کند. دیگر معادن این عنصر در کالندونیا، استرالیا، کوبا، اندونزی و در مناطق دیگر می باشد. این عنصر رسانای جریان بر ق است و سطح آن براق و صیقلی است. این عنصر از گروه عناصر آهن و کبالت است و آلیاژهای آن قیمتهای بالایی دارا هستند. این عنصر کاربردهای فراوانی در طبیعت دارد و برای ساخت فولاد ضدزنگ و دیگر آلیاژهای ضد زنگ و خوردگی مثل اینوار و مانل که الیاژى از نیکل و کبالت که در برابر خوردگى مقاوم است و و اینکونل و Hastelloys کاربرد دارد. برای ساخت لوله های نیکلی و مسی و همینطور برای نمک زدایی گیاهان و تبدیل آب شور به آب مایع استفاده می شود. نیکل استفاده های فراوانی برای ساخت سکه ها و فولاد نیکلی برای زره ها و کلید ها کار برد دارد و همینطور از نیکل می توان آلیاژهای نیکروم و پرمالوی و آلیاژی از مس را تهیه کرد. از نیکل برای ساخت شیشه های به رنگ سبز استفاده می شود. صفحات نیکلی می تواند نقش محافظت کننده برای دیگر فلزات را داشته باشد. نیکل همچنین کاتالیزوری برای هیدروژن دار کردن روغنهای گیاهی است. همچنین صنعت سرامیک و ساخت آلیاژی از آهن و نیکل که خاصیت مغناطیسی دارد و باتری های قوی ادیسون کاربرد دارد. از ترکیبات مهم نیکل می توان سولفات و آکسید را نام برد. نیکل طبیعی مخلوطی از 5 ایزوتوپ پایدار است . همچنین 9 ایزوتوپ ناپایدار دیگر نیز شناخته شده است. نیکل هم به صورت فلز و هم به صورت ترکیب محلول می تواند وجود داشته باشد. بخار سولفید نیکل سرطان زا می باشدکه در موقع استفاده از آن باید دقت لازم را به عمل آورد

نیکل خالص تجاری، خلوصی در حدود ( Co+ %99.5Ni ) دارد. این فلز دارای خواص مکانیکی خوب و مقاومت عالی در برابر محیط های خورنده است. این فلز بیشتر استحکام خود را در دمای بالا حفظ می کند و در دما های پایین دارای چقرمگی و داکتیلیته مناسبی است. این آلیاژ حاوی مقداری کربن (بیش از 0.1%) می باشد. هر چه مقدار کربن کمتر باشد، کار سختی کمتر و داکتیلیه بیشتر است. کاربردهای نیکل خالص تجاری شامل تجهیزات فرآیندهای غذایی، بشکه های کشتیرانی شیمیایی، اجزاء موشکی و فضایی و لوله کشی می باشد.

تاریخچه نیکل

کانی مخصوصی که به ظاهر شبیه مس بود و برای معدن داران آلمانی بسیار معروف بود٬برای سبزکردن شیشه به کار می‌رفت .اما کوششهای مداوم برای جدا کردن مس از آن ناموفق ماند و گمان می‌رفت که شیطان آزادانه این کانی را رنگ کرده است تا معدن‌داران گول بزند بنابراین آن راKupfer nickel نامیدند .در آلمانی نیکل یعنی شیطان پست. در سال ۱۷۵۱ کرونشتد از سوپد این کانی را آزمایش کرد (امروزه این کانی را نیکولیت می نامند)و موفق شد یک اکسید فلزی سبز از این کانی تهیه کند و از احیای این اکسید فلز سفید رنگ به دست آورد. او این فلز را نیکل نامید.

محل کشف و پیدایش نیکل

اکثر نیکلهای بدست آمده از دو نوع معدن بدست آمده‌اند، اولی خاکهای آجری رنگ بوده که مهمترین معدن سنگ نیکل هستند و دومی سولفید موجود در ماگمای زمین می‌باشد. منطقه Sud-bury در انتاریو، انتاریو کانادا 30% نیکل جهان را تولید می‌کند. معادن دیگر در روسیه استرالیا، کوبا، دومینکن، نروژ و اندونزی می‌باشند. با این وجود این باور وجود دارد که بیشتر نیکل موجود در زمین در هسته این سیاره تمرکز یافته است.

استخراج نیکل

نیکل از سنگ معدنش بوسیله عملیات تشویه و فرایندهای کاهش که در آنها فلز با خلوص بیش از 75% بدست می آید، استخراج می شود. خالص سازی نهایی در فرایند Mond با خلوص بیش از 99.99% بوسیله واکنش نیکل و مونوکسید کربن برای تشکیل کربونیل نیکل انجام میشود. این گاز از درون محفظه بزرگی در دمای بالا، که در آن دهها هزار گلوله نیکلی (که بعنوان پلت یا گندله شناخته می شوند) و در مکان ثابت نگه داشته می شوند، عبور می کند. کربونیل نیکل بر روی گندله ها یا گلوله های نیکلی، بصورت رسوب نیکل خالص، تجزیه می شود. از طرف دیگر، کربونیل نیکل، ممکن است در یک محفظه کوچکتر بدون حضور گندله، برای تشکیل پودرهای ریزدانه، تجزیه شود. مونوکسید کربن بدست آمده در طی این فرایند دوباره به جریان می افتد. نیکل با خلوص بالا، که در این فرایند تولید می شود بعنوان کربونیل نیکل شناخته می شود. دومین شکل متداول تصفیه، شامل لیچینگ مات فلز، بوسیله رسوب الکتریکی نیکل از محلول، بوسیله صفحه ای که بر روی کاتد قرار داده می شود، می باشد. در بیشتر کاربردهای فولاد ضد زنگ، نیکل می تواند با خلوص 75%، مستقیما بکار گرفته شود.

بزرگترین تولید کننده نیکل، روسیه است که 267000 تن نیکل در هر سال تولید می کند. استرالیا و کانادا دومین و سومین تولید کننده نیکل می باشند که سالانه 207000 تن و 189000 تن تولید می کنند.

طرز تهیه نیکل

کانیهای نیکل بر دو دسته هستند :سولفید و اکسید، کانی سولفید دو سوم مصرف جهان را به خود اختصاص داده است .کانیهای سولفید به کمک شناوری وتصفیه به اکسید نیکل ته نشین شده پالایش می‌شوند.

اکسید نیکل هم به کمک پالایش هیدرو متالوژی نظیر شستشو با آمونیاک پالایش می‌شوند.

شکلهای قابل دسترس

الکترولیتی٬شمش٬دانه۲ساچمه٬گرد٬نوار٬بلورهای منفرد

مشخصات نیکل

نیکل عنصری است فلزی با عدد اتمی ۲۸ و نماد علمی Ni در گروه VII و در دوره چهارم جدول تناوبی جای دارد. جرم اتمی ۵۸٫۷۱، ظرفیتها ۲ و۴ . دارای پنج ایزتوپ پایدار است.

آلیاژهای نیکل

آلیاژ مس- نیکل (مونل)

نیکل و مس در همه نسبت ها در یکدیگر قابل انحلال هستند. مهمترین آلیاژهای مس-نیکل حاوی حدود 67% نیکل و 33% مس می باشد که مونل نامیده می شود. این آلیاژها دارای کاربردهای عالی در آب دریا هستند و مقاومت بالایی در برابر حمله حلال های کلردار، بیشتر اسیدها و همه قلیاها دارند.

آلیاژهای کرم- نیکل

کرم یکی از مهمترین عناصر آلیاژی برای مقاومت به خوردگی زیاد و مقاومت در دماهای بالا در آلیاژهای پایه نیکل است. این عنصر دارای انحلال پذیری حالت جامد بالادر حدود 30% در دمای اتاق، در نیکل می باشد. اینکونل 600 یک آلیاژ مهندسی استاندارد برای استفاده در محیط های شدیدا خورنده در دماهای بالا می باشد که یک آلیاژ Ni-Cr-Fe حاوی 15.5% کرم و 8% آهن است. این آلیاژ قابل عملیات حرارتی نمی باشد ولی می تواند بوسیله کارسرد استحکام یابد.

سوپر آلیاژ پایه نیکل

نیکل همچنین می تواند پایهای برای سوپر آلیاژ با مشخصات دما بالا- استحکام بالا باشد. سوپر آلیاژها، در موتور جت و توربین های گازی استفاده می شوند. سوپر آلیاژها از آهن، کبالت یا نیکل ساخته می شوند. سوپر آلیاژها همچنین شامل سایر فلزات مانند کرم، تنگستن، آلومینیوم و تیتانیوم می باشند. سوپر آلیاژها مقاوم به خوردگی (زنگ زدگی) بوده و خواص خود را در دمای بالا حفظ می کنند.

پمپ

خواص نیکل

نیکل یک فلز سفید نقره‌ای است که به‌خوبی جلا می‌گیرد. از گروه آهن‌ها است که سخت و قابل انعطاف بوده، هادی جریان الکتریسیته می‌باشد و به‌راحتی با گوگرد و آرسنیک ترکیب می‌شود. با توجه به اینکه نیکل، دوام زیادی در هوا داشته، اکسیده نمی‌شود، برای تولید سکه‌های پول، فلز کاری برنج و آهن و همچنین برای ساخت ابزار آلات شیمیایی در آلیاژهای خاص مانند نقره آلمانی کاربرد دارد و معمولاً با کبالت همراه هست که هر دوی آنها در آهن‌های شهاب سنگی یافت می‌شوند. نیکل برای آلیاژهایی که بوجود می‌آورد، بسیار با ارزش می‌باشد. معمولترین حالت اکسیداسیون نیکل ، 2+ است و این در حالی است که نیکل 3+ و 1+ نیز به ندرت مشاهده می‌شوند.

مصارف نیکل

ساخت فولاد ضد زنگ آستنیتی

بعنوان سوپر آلیاژ

در فولاد آلیاژی، باتری های قابل شارژ، کاتالیست ها، ضرب سکه، محصولات ریخته گری و ورق سازی

ورق های زرهی و درب ضد سرقت

آلیاژ آلنیکو مورد استفاده در آهن ربا

در بوته های مورد استفاده در آزمایشگاه های شیمیایی

سیم های هوشمند یا آلیاژهای حافظه دار مورد استفاده در ربات ها

فلز مونل که آلیاژی از مس و نیکل است که در برابر خوردگی مقاومت زیادی دارد و برای پروانه کشتی، وسایل آشپزخانه و لوله کشی صنایع شیمیایی استفاده می شود.

عنصر نیکل در طبیعت

اثرات نیکل بر سلامت انسان

مقدارنیکل در طبیعت بسیار کم است. انسان در زمینه های مختلف از نیکل استفاده میکند. یکی از عمده ترین کاربردهای نیکل، در صنعت فولاد است. از نیکل به عنوان یکی از اجزا سازنده فولاد و سایر محصولات فلزی استفاده میشود. حتی از نیکل در جواهرات هم استفاده میشود.

مواد غذایی به طور طبیعی دارای مقداری نیکل هستند. شکلات و چربی ها دارای مقدار بسیار زیادی نیکل هستند. در صورتیکه افراد از سبزیجات حاصل از مناطق آلوده به نیکل تغذیه کنند، مقدار زیادی نیکل وارد بدنشان میشود. نیکل در بافت گیاهان تجمع می یابد و در نتیجه مقدار نیکل در سبزیجات افزایش پیدا میکند. در ششهای افراد سیگاری مقدار زیادی نیکل وجود دارد. همچنین نیکل در شوینده ها نیز مورد استفاده قرار میگیرد.

راههای ورود نیکل به بدن انسان از طریق هوا، آشامیدن آب، خوردن غذا و کشیدن سیگار است. ممکن است بر اثر تماس پوست با خاک یا آب آلوده به نیکل، مقداری نیکل وارد بدن انسان شود. مقدار اندک نیکل برای انسان ضروری است اما اگر مقدار آن افزایش یابد، برای سلامت انسان خطرناک است.

نتایج مصرف بالای نیکل به شرح زیر است

شانس مبتلا شدن به سرطان ریه، سرطان بینی، سرطان حنجره و سرطان پروستات را افزایش میدهد.

پس از اینکه فرد در معرض گاز نیکل قرار گرفت، دچار کسالت و سرگیجه میشود.

آب آوردن ریه ها

مشکلات تنفسی

کاهش توانایی تولید مثل

آسم و برونشیت مزمن

حساسیتهایی از قبیل خارش پوست (به خصوص در هنگام استفاده از جواهرات)

نارسایی قلبی نیکل

بخارات نیکل به دستگاه تنفس و ریه ها آسیب میرساند. نیکل و ترکیبات آن باعث آماس پوست میشوند که تحت نام ” خارش نیکل” نامیده میشود و معمولاً در افراد با حساسیت پوستی بالا مشاهده میشود. اولین علامت، خارش است که معمولاً هفت روز قبل از از بین رفتن پوست رخ میدهد. اولین علائم تخریب پوستی التهاب پوست یا پوسته پوسته شدن پوست است. سپس در پوست زخمهایی نمودار میشود.

از لحاظ تقسیم بندی برنامه سمشناسی ملی آمریکا (NTP)، نیکل و ترکیبات آن جزعوامل سرطانزا محسوب میشوند و از نظر طبقه بندی آژانس بین المللی تحقیقات سرطان (IARC) ترکیبات نیکل در گروه یک قرار میگیرند. گروه یک شامل عناصری میباشد که شواهد کافی در مورد سرطانزایی آنها وجود دارد. در این تقسیم بندی عنصر نیکل در گروه 2B قرار دارد. گروه 2B عناصری هستند که ممکن است در انسان سرطان ایجاد کنند.

تاثیرات زیست محیطی نیکل

کارخانه ها و سوزاندن زباله ها دو عامل اصلی در تولید نیکل و ورود آن به هوا میباشند. مقدار نیکلی که در هوا وجود دارد به مراتب از نیکل موجود در زمین بیشتر است. مدت زمان از بین رفتن نیکل موجود در هوا زیاد است. زمانیکه هرزآبها جریان پیدا میکنند، مقداری نیکل را وارد آبهای سطحی میکنند.

بخش اعظم ترکیبات نیکل در طبیعت جذب ذرات خاک و رسوبات شده و در نهایت به صورت غیر متحرک درمی آیند. در زمینهای اسیدی نیکل بسیار متحرک میشود و معمولاً در آبهایزیرزمینی شسته میشود.

شواهد چندانی درباره تاثیر نیکل بر سایر موجودات زنده به غیر از انسان وجود ندارد. در حال حاضر دانشمندان می دانند که غلظت بالای نیکل در خاکهای ماسه ای به گیاهان صدمه میزند و همچنین غلظت بالای نیکل در آبهای سطحی سبب کاهش تعداد و رشد جلبکها میشود. رشد موجودات ذره بینی نیز در حضور نیکل کاهش پیدا میکند، اما معمولاً با گذشت زمان در برابر نیکل مقاوم میشوند.

مقدار اندک نیکل باید در غذای جانوران وجود داشته باشد. اما زمانیکه مقدار نیکل از حد مجاز خود فراتر رود، میتواند برای جانوران مضر و خطرناک باشد. جانورانی که در نزدیکی پالایشگاه زندگی میکنند، بر اثر دریافت مقدار زیاد نیکل به انواع مختلف سرطان مبتلا میشوند.

از آنجاییکه نیکل در بافتهای گیاهی و جانوری نمیتواند تجمع پیدا کند، اثری در زنجیره غذایی ندارد.

ساختار بلوری عنصر نیکل

تجهیزات آزمایشگاهی مورد استفاده در تجزیه

اسپکترومتر جرمی ، میکروسکوپ ، کرماتوگرافی مایع و گازی ، اشعه x ، جذب اتمی ، مادون قرمز ، کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا و اسپکترومتر نشری

چدن مالیبل (چکش خوار)

1 دیدگاه

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 نشکن چیست

0 دیدگاه

چدن نشکن چیست

چدن های نشکن یا چدن های با گرافیت کروی ، خا نواده ای از چدن ها هستند و همانطور که از اسمشان پیداست شکل گرافیت درآن ها کروی است. همین کروی بودن گرافیت ها ، باعث افزایش استحکام و چقرمگی در مقایسه با چدن های با گرافیت ورقه ای می گردد.

ریخته گری چدن نشکن

اصولاً چدن نشکن با افزودن منیزیم Mg در مذاب تولید می شود.اصولاً چدن نشکن در مقاسیه با چدن با گرافیت ورقه ای، تمایل به تبرید بیشتری دارد و برای بدست آوردن ساختار عاری از کاربید مخصوصاً در مقاطع نازک، لازم است جوانه زایی با آلیاژ سیلیسیم انجام شود.

اندازه گرافیت می تواند روی خواص مکانیکی تاثیر بگذارد . اندازه گرافیت ها به دو پارامتر بستگی دارد:

1) آهنگ سرد شدن یا اندازه سطح مقطع. چون مقاطع نازک سریع سرد می شوند، تعداد بیشتری گرافیت کروی خواهند داشت.

2) جوانه زنی باآلیاژ سیلیسیم، افزایش تعداد گرافیت های کروی و کاهش تمایل به تبریدی بودن مخصوصاً در مقاطع نازک را باعث می شود. افزایش مقدار جوانه زا باعث افزایش تعداد گرافیت های کروی می شود.

تاثیر عناصر آلیاژی در گرافیت کروی

تولید چدن نشکن یا چدن با گرافیت کروی عموماً با اضافه کردن مقادیرجزئی منیزیم به عنوان عنصری کروی کننده به مذابی که دارای ترکیب شیمیایی مشابه چدن خاکستری می باشد انجام می گیرد ، منیزیم تنها عنصری نیست که میتواند نقش کروی کننده داشته باشد . عناصری نظیر کلسیم ، پتاسیم ، لیتیم ،لانتانیم ،و برلیم نیز می توانند ترغیب کننده گرافیت کروی باشند و دلیل استفاده از منیزیم به خاطر جنبه اقتصادی آن است .

عناصر بازدارنده گرافیت کروی نیز وجود دارند. از قبیل گوگرد ،سرب ،تیتانیم، اکسیژن، هیدروژن، ازت و… مقدار منیزیمی که می تواند وجود گرافیت های کروی را تضمین کند بسته به مقدار اکسیژن و گوگرد محتوای مذاب بین 0.03 تا 0.06 % میباشد در جه حرارت مناسب برای افزودن منیزیم به مذاب چدن معمولاً بین 1480 تا 1550 درجه میباشد.

نقش منیزیم در کروی کردن گرافیت ها :علت کروی شدن گرافیت ها مربوط به وجود مقدار کم ولی مشخص از عنصر منیزیم می باشد یا عناصر دیگر که باید در مرحله خاصی به مذاب چدن با ترکیب شیمیایی مشخص اضافه گردند. در چدن های نشکن تشکیل گرافیت های کروی را می توان در دو مرحله مجزا ( مرحله رشد و جوانه زنی ) قرار داد .جوانه زنی می تواند به دو صورت هموژن با خودی یا به شکل هیتروژن یا غیر خودی انجام گیرد.

نظریه کروی شدن گرافیت

درموردرشد نقش عناصر کروی کننده زیاد می باشد . طبق نظریاتی اغلب محققین ضمن اعتقاد به جوانه زنی هیدروژن معتقدند که رشد گرافیت ها برروی جوانه های موجود از مرکز به سمت خارج انجام می گیرد .طبق نظریه رشد شاخه ای اعتقاد بر این است پس از تشکیل جوانه کریستال های گرافیت به صورت کاملاً دندریتی و شاخه ای رشد می کنند . یعنی از هر یک از جوانه های گرافیت چندین شاخه جدا می شود و این عمل تکرار می یابد.

رشد این گرافیت ها مشابه رشد گرافیت ورقه ای می باشد ،منتها در مورد گرافیت ورقه ای تشکیل شاخه ها کمتر، ولی در مورد گرافیت کروی به دلیل وجود عناصر کروی کننده تشکیل شاخه ها بیشتر است . در مورد نظریه حباب باید گفت که با نزدیک شدن به درجه حرارت انجماد مذاب، اکسید های مختلف در مذاب شروع به رسوب کردن می نمایند. عناصر کروی کننده از طریق کم نمودن میزان اکسیژن موجود در مذاب مقدارواندازه حباب های گازی Co را کنترل نموده و در نتیجه از متلاشی شدن آن ها جلوگیری مینماید که این امر با تاثیری که عناصر کروی کننده دارند . نهایتاً موجب کروی شدن گرافیت ها می شود ، یعنی گرافیت ها بر روی سطوح حباب ها گاز Co می زندو رشد تا پر شدن کامل حباب از گرافیت ادامه می یابد .

جوانه زنی یا تلقیح در چدن با گرافیت کروی : این مرحله از مراحل ویژه و مهم در تولید چدن نشکن است که طی آن مواد ویژه ای در مقادیر کم و در آخرین مراحل ذوب به منظور کاهش تمایل به تشکیل کاربید و ترغیب تشکیل گرافیت به مذاب چدن افزوده می شود . این جوانه ها در چدن نشکن عموماً آلیاژ فرو سیلیسیم می باشد که می تواند با وجود مقادیر کمی از عناصر نظیر Ca- Al-Cr-Br- اثر بخشی بیشتری داشته باشند .

چدن نشکن چیست

عوامل موثر در کروی شدن گرافیت

عوامل موثر در کروی شدن گرافیت ها : اصولا ًبه منظور دستیابی به گرافیت های کروی علاوه بر شارژ مناسب ذوب به روش صحیح و درجه حرارت فوق گداز مناسب اصلاح ترکیب ذوب از نظر میزان عناصر جوانه زنی مناسب، مقدار عناصرکروی کننده یا منیزیم باقی مانده در مذاب عواملی محسوب میگردد که در کروی کردن گرافیتها موثر میباشند. اشکال مختلف گرافیت کروی ، با وجود شرایط ذکر شده با اشکال مختلفی در چدن نشکن به وجود می آیند و به دلیل اینکه حداکثر قابلیت فرم پذیری و بیشترین میزان مقاومت در مقابل ضربه با وجود ساختارهایی که حاوی گرافیت های کاملاً کروی می باشد ، حاصل خواهد شد لذا بسته به شرایط تولید ممکن است شکل گرافیت ها از حالت کروی کاملا ً خارج گشته و به صورت های نا منظم در ساختار میکروسکپی چدن های نشکن ظاهر گردد .این اشکال از گرافیت های کروی به ترتیب زیر می باشد

1) گرافیت های نامنظم که گرافیت هایی هستند غیر کروی ودارای ظاهری نامنظم که تاثیر نامطلوبی بر خواص چدن نشکن دارند .دلیل تشکیل این نوع گرافیت : کم بودن جوانه ها و طولانی بودن زمان نگه داری مذاب پس از جوانه زنی، کمبود میزان منیزیم باقی مانده، به کارگیری مواد شارژ بسیار خالص، زیرا وجود مقدارکمی عناصر نظیر مس، آنتیموان، آرسنیک و سریم باعث بهسازی شکل گرافیت ها می شود.

2) گرافیت های فشرده، گرافیت هایی هستندکه به صورت ورقه ای کوتاه و ضخیم می باشند و عواملی چون پایین بودن میزان منیزیم باقی مانده ، جوانه زنی نا مناسب ، انجماد سریع در قسمت های نازک به خاطر وجود عناصری مثل تیتانیم که باید مقدار تیتانیم درحد کمتر از % 4 درصد باشد.

3) گرافیت های چانگ یا خپل : این گرافیت ها شکل ظریفی از گرافیت بوده که در مقاطع قطعات ریختگی ظاهر میشود و شباهت به گرافیت های نوع E در چدن های خاکستری دارند.

عوامل به وجود آورنده :اول : به کارگیری سریم و استفاده از میش متال (50درصد منیزیم ،45 درصدلانتانیم و باقی مانده فلزات باقی نادر)

دوم : مواد شارژ با خلوص بالا و کربن معادل بالا

4) گرافیت های ستاره ای : این نوع گرافیت ظاهر غیر کروی ،دارای شاخ وبرگ تیز،می باشد که دلایلی مثل ناکافی بودن میزان منیزیم ،وجود مقادیری کمی از عناصری نظیر سرب ، بیسموت ، آنتیموان در ترکیب چدن نشکن است .

چدن چیست

2 دیدگاه

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.

تیتانیوم چیست (TITANIUM)

0 دیدگاه

تیتانیوم چیست (TITANIUM)

عنصري است سبک، مقاوم و داراي جلا به رنگ سفيد- نقره اي با نماد Ti ، عدد اتمي 22 ، وزن اتمي 88/47، وزن مخصوص 54/4 گرم بر سانتي متر مکعب ، سختي 6 در مقياس موس ، نرم ، نقطه جوش 3287 درجه سانتي گراد و نقطه ذوب 1660 درجه سانتي گراد . اين ماده كه داراي دو شكل الوتروپي به نام هاي روتيل و آناتازمي مي باشد، بواسطه رنگ سفيد، درجه دير گدازي و توان بالا و توان زياد در توزيع و انتشار يكنواخت در تركيبات ديگر، بعنوان عمده ترين ماده اوليه رنگ سفيد در صنايع رنگ سازي، كاغذ سازي،پلاستيك، لاستيك و مواد مختلف ديگر شناخته مي‌شود. حضور مقادير كمي از ناخالصي ها مثل اكسيژن، نيتروژن، كربن وهيدروژن در كه در فلز محلول اند، سبب شكنندگي مينرال فلز شده و مانع بهره برداري تجاري از آن مي شود. رنگ آن سفيد خاكستري مي باشد. سخت ترين فلز بوده و استحكام آن 3 برابر فولاد است. اما در عين حال بسيار سبك است.به هيچ عنوان ايجاد حساسيت در پوست نميكند. ضد خش نيز ميباشد. با حرارت دادن آن و ايجاد اكسيد در تيتانيوم ميتوان آن را به رنگهاي دلخواه در آورد.اما اين رنگ كم عمق بوده و با خراشيدن از بين ميرود. بنابراين بايد از تيتانيوم رنگي بسيار مراقبت كرد.

در انگلستان به وسيله William Gregor در سال 1791 كشف شد. تيتانيوم فلزي، خالص (9/99%) اولين بار در سال 1910 توسط Matthew A. Hunter به وسيله حرارت TiCl4 با سديم در يك بمب فلزي در 800-700 درجه سانتي گراد تهيه شد.

فلز تيتانيوم تا سال 1946 در خارج از آزمايشگاه استفاده نمي شد تا اين که در سال 1937 كرول(Kroll) روشي براي كاهش تتراكلريد تيتانيوم به وسيله منيزيم مذاب كشف كرد، اين روش منجر به توليد جسم متخلخلي از تيتانيوم مي شد كه ما آنرا به اسم “اسفنج” مي شناسيم.اما روشU.K. براي استخراج تيتانيوم اندكي متفاوت از روش Kroll مي باشد. در اين روش سديم به عنوان كاهنده متوسطي به جاي منيزيم به كار مي رود. در واقع تفاوت اصلي اين دو روش در محصول مي باشد، دانه هاي حاصل از فرآيند كاهش سديم، نسبت به اسفنج تيتانيوم خالص ترند. تحقيقات و توسعه فرآيندهاي ذوب و توليد در انگلستان از 1948 آغاز شد و بعد از يك مرحله كارخانه آزمايشي، يك كارخانه كامل (تمام عيار) توليد در ميانه سال 1950 تاسيس شد. از آن زمان پيشرفت هاي قابل توجهي در اين زمينه صورت گرفته است. البته در حال حاضر براي توليد تيتانيوم از روش Krollاستفاده مي شود. اين روش در دياگرام زير به طور كامل نشان داده شده است.

اما جديدترين روش فرآوري تيتانيوم FFC-Cambrith مي باشد.

FFC Cambridge Proces، يك فرآيند جديد براي استخراج فلزات و آلياژهاي از اكسيدهاي جامد آنها به وسيله الكتروليز نمك مذاب است. به طور كلي اين فرآيند به صورت زير انجام مي شود.

TiO2 (solid, cathode) => molten salt electrolysis => Ti (cathode) + O2 (anode)

اصول استخراج تيتانيوم همچون آلومينيوم و ديگر فلزات مشابه به كمك روش هاي الكتروليزي انجام مي شود. در 50 سال گذشته سرمايه گذاري زيادي براي ساختن تركيبات تيتانيوم محلول در يك الكتروليت مذاب و ته نشيني بر روي كاتد از محلول الكتروليت انجام شده است. اين تلاش ها به طور مختصر يعني

TiO or TiCl4 (dissolved in molten electrolyte) => electrolysis => Ti (cathode) + O2 or Cl2 (anode)

در اين روش مشكلات اساسي از جمله تقويت نيروي بين يون هاي تيتانيوم، ته نشيني درختي تيتانيوم بر روي كاتد و … وجود دارد كه به كمك FFCمي توان اين اثرات نامطلوب را به حداقل كاهش داد.

تيتانيوم به اين روش به صورت اسفنج يا پودر توليد مي شود. در هر دو مورد ساختمان ميكروسكوپي آنها تشكيل شده از ذرات كروي كه اندازه آنها بين 1 تا 100 ميكرومتر مي باشد. اسفنج تيتانيوم فرآوري شده از اين روش از نظر ساختماني شبيه به اسفنج Kroll است. فرآوري به روش FFC اقتصادي تر از Kroll مي باشد. روش FFC توسط سه تن از دانشمندان دانشگاه كمبريج ارائه شده است.

خواص فیزیکی تیتانیوم

تیتانیم فلزی است که با نسبت قدرت به وزن بالا شناخته شده است. تیتانیوم فلزی قوی با چگالی کم و کاملا انعطاف پذیر (به خصوص درحضور اکسیژن محیط) است. از لحاظ مغناطیسی پارامگنتیک بوده و رسانایی الکتریکی و حرارتی نسبتا کمی دارد.

این فلز سبک (دارای وزن مخصوص ۴/۵۱ گرم بر سانتی متر مکعب که مقداری بین چگالی آلومینیوم و آهن است) ، مقاوم (البته نه به سختی برخی ازفولادهای حرارت دیده) و دارای جلای براق- نقره ای ، عدد اتمی ۲۲ ، وزن اتمی ۴۷/۸۸، سختی در مقیاس موس ۶، دارای نقطه جوش ۳۲۸۷ درجه سانتی گراد و نقطه ذوب ۱۶۶۵درجه سانتی گراد می باشد. نقطه ذوب نسبتا بالا، آن را به عنوان فلز دیر گداز مفید می سازد. در دمای ۱۲۰۰ درجه خود به خود آتش می گیرد و به شدت اشتعال زا است. از لحاظ زمین شناسی ترکیب‌های تیتانیوم، پراکنده و استخراج آن دشوار است. نوع تجاری تیتانیوم(دارای خلوص ۹۹/۲ درصد) دارای مقاومت کششی نهایی ۶۳۰۰۰پوند بر اینچ مربع (۴۳۴مگاپاسکال) که تقریبا برابر مقاومت کششی آلیاژهای دارای عیار پایین فولاد می باشد اما به میزان ۴۵ درصد سبکتر از آن است. همچنین برخی از آلیاژهای تیتانیم (به عنوان مثال، نوع بتا C) دارای استحکام کششی بیش از۲۰۰ هزار پوند بر اینچ مربع(۱۴۰۰ مگاپاسکال) می باشند. البته، وقتی حرارت داده می شود، در دماهای بالاتر از (۸۰۶ ° F) ۴۳۰ ° C استحکام کششی خود را از دست می دهد.

تیتانیوم چیست

روش ذوب تیتانیوم

برخی از روش های ذوب تیتانیوم عبارتند از:

تصفیه الکترواسلگ (ElectroSlag Refining : ESR)

ذوب مجدد قوسی تحت خلاء (Vacuum Arc Remelting : VAR)

ذوب تحت پرتو الکترونی (Electron Beam Melting)

ذوب با قوس پلاسما (Plasma Arc Melting)

5- ذوب پوسته ای به روش القایی (Induction Skull Melting)

تیتانیوم خالص تجاری چیست؟

تیتانیوم خالص تجاری و آلیاژهای تیتانیومی آلفا و شبه آلفا به طور کلی نشان داده اند که مقاومت خوبی در مقابل خوردگی دارند . آنها جزء این دسته از آلیاژهای تیتانیوم هستند که قابلیت جو شکاری دارند .تیتانیوم خالص معمولاً دارای مقداری اکسیژن آلیاژ شده با آن است که استحکام تیتانیوم خالص تحت تاثیر مقدار این عناصر بین نشینی ( اکسیژن و نیتروژن ) در ساختار تیتانیومی است . آلیاژهای آلفا معمولاً دارای مقدار بالایی از آلومینیوم هستند که موجب مقاومت به اکسایش این آلیاژ در دماهای بالا می شوند . ( آلیاژهای آلفا – بتا همچنین دارای یک عنصر آلیاژی اصلی هستند که آلومینیوم است اما اولین دلیل آن برای پایدار کردن فاز آلفا است ).

آلیاژهای آلفا را نمی توان برای افزایش خواص مکانیکی بالا تحت عملیات حرارتی قرار داد زیرا یک آلیاژ تک فاز به حساب می آید . اضافه کردن عناصر آلیاژی به تیتانیوم خالص قابلیت عملیات حرارتی برای این آلیاژها یا کار در دمای بالا را چون به صورت یک ساختار دو فازی حاصل شده اند ( آلفا – بتا ) ایجاد می کند.

آلیاژهای بتا نیمه پایدار هستند ، به این منظور که تمایل به تغییر فاز برای یک حالت تعادلی یا بالانسی از ساختارها دارند . آلیاژهای بتا استحکامی به واسطه ، استحکام ذاتی شان ، ناشی از ساختار بتا و رسوب فاز آلفا و دیگر فازها از آلیاژها در طراحی فرآیندهای عملیاتی حرارتی به دست می آورند .

با اهمیت ترین فایده و مزیت به دست آمده از ساختارهای بتا ، افزایش شکل پذیری آنها در ارتباط با دیگر ساختارهای هگزاگونال از جمله آلفا و آلفا – بتا است . تیتانیوم آلومیند از آلیاژهای متداول تیتانیومی متفاوت هستند زیرا آنها به طور اساسی ترکیباتی هستند که باعث افزایش استحکام و قابلیت شکل پذیری و دیگر خواص می شوند . تیتانیوم آلومیندی کاربردهای دمای بالاتر نسبت به آلیاژهای تیتانیومی دارند اما قیمت تمام شده بیشتر و به طور کل داکتیلیته و قابلیت فرم پذیری کمتری خواهند داشت.

تیتانیوم وآلیاژهای آن پتانسیل بالایی در خیلی از کاربردهای خاص دارند ولی بایستی قبل از طراحی و استفاده از آن ، برخی از واقعیتها را درمورد آن مطلع بوده و مد نظر داشت که بیشتر آن در ادامه آورده شده است .

محصولات شکل داده شده تیتانیوم به راحتی در دسترس می باشند ولی ریخته گری شده آن محدودتر است . آلیاژهای شکل داده شده از فاکتورهای تجربی خوبی برخوردار می باشند . هر چند که آلیاژهای ریخته گری از لحاظ وزن و قیمت مقرون به صرفه هستند . ریخته گری تحت فشار ایزواستاتیک گرم می تواند محصولاتی در مقایسه با استحکام کاربردی محصولات شکل داده شده را برای بیشتر فلزات حاصل کند .

آلیاژهای پودری خیلی بیشتر مورد قبول هستند . همچنین فرآیندهای پودر ( متالورژی پودر ) امکان ترکیب آلیاژهای نا متعارف تری را نسبت به هم می دهد . اگر در این فرآیند به واسطه بر هم کنش تیتانیوم با گازهای بین شبکه همچون N2 & O2 ، روشهای پیچیده بایستی اتخاذ شود . بنابراین آلیاژهای پودری تیتانیوم بایستی بسیار گران و پر هزینه در کاربردهای مختلف باشند سطح خواص آلیاژهای پودر ممکن است به حد انتظار ترکیبات شیمیایی نرسد . با این حال با متالورژی پودر این امکان وجود دارد که با بدست آوردن محصولی ترکیبی به شکل نهایی محصول مورد نظر امکان جبران قیمت تمام شده باشد و دلیلی بر اینکه حداقل یک پتانسیل برای هزینه های پایین تر هنگامی که در طی پروژه منظور می شود وجود داشته باشد .

آلیاژهای ریخته گری شده یا پودری تیتانیومی همیشه امکان انتخاب در کاربردهای سازه را دارا می باشند . اما بایستی برنامه ریزی برای این قبیل استفاده ها در همان مراحل اولیه طراحی مد نظر قرار گیرد نه اینکه تلاش شود تا مواد به دست آمده پودری یا ریخته گری شده در مراحل نهایی کار به جای مواد شکل داده شده قرار گیرند . این معقول به نظر می رسد که موقع انتخاب آلیاژهای تیتانیومی از عمومی ترین آلیاژِها استفاده شود مگر در مواقعی که خاصیت خاصی از این فلز مد نظر باشد تا یک آلیاژ خاص در نظر گرفته شود ( مثلاً Ti-6AL- 4v دارای خواص متعدد و زیادی است اما مصارف خاصی دارد)

Handbook ها و مراجع مربوط به مواد و از این قبیل کتابها برای طراحی بسیار با ارزش هستند . اما هیچ جانشینی را برای تماس با تأمین کننده و سازنده وجود ندارد . خواص و ویژگیهای از این قبیل شرایط فرم دهی غیر معمول و یا فرآیند غیر ایده آل ریخته گری را برای این فلز نبایستی عملیات سرد کردن و گرم کردن غیر معمولی را برای خواص در نظر گرفت . خواص مواد ریخته گری شده و پودری در محدوده پایین تر نسبت به آلیاژهای شکل داده شده قرار دارد . به طوری که خواص مشترک آنها به سختی به همدیگرقابل مقایسه هستند .

اما داده های بدست آمده پراکنده در ریخته گری و همچنین متالورژی پودر ممکن است پایین تر از حداقل های طراحی را نتیجه بدهد . اگر یک طراحی پذیرفته شود بدون هیچ انعطافی با رعایت سطح خواص آن مشخص شده ، این طراحی ممکن است به صورت غیر قابل برگشت پذیری بعداً مورد سؤ ظن و گمان باشد . صنایع فضایی به دنبال بهترین خصوصیت وبهینه ترین آنها هستند . هنگامی که تیتانیوم در کاربردهایی با بحرانیت کمتر استفاده می شود ، دقت کمتری در خواص بایستی در نظر گرفته شود و این امکان وجود دارد تا هزینه و زمان کاهش داده شود .

امروزه دز ایران علاوه بر صنایع هوایی و نظامی رویکردی خاص به این فلز در صنایع شیمیایی به خصوص در صنایع پتروشیمی دیده می شود که این به نوبه خود باعث ایجاد مجال مناسبی جهت کار بر روی ابن فلز و تهیه روشهای استاندارد تولید تجهیزات تیتانیومی در ایران می گردد.

نقطه ذوب تیتانیوم در حدود درجه سانتیگراد می باشد . اما بیشتر آلیاژهای تجاری آلومینیوم در دمای 538 درجه سانتیگراد کاربرد دارند .

تیتانیوم دارای دو ساختار کریستالی است ، در یکی از آنها اتمها در ساختار مکعبی مرکزدار( bcc ) قرارگرفته اند و در دیگر اتمها در یک ساختار شش وجهی فشرده یا هگزا گونال ( HCP ) قرار دارند . ساختار مکعبی مرکز دار ( bcc ) تنها در دمای بالا به دست می آید بجز در مواردی که تیتانیوم با دیگر عناصر برای ثبات پایدار ساختار مکعبی در دمای پایین آلیاژ شده است .

دو ساختار کریستالی تیتانیوم به عنوان ساختارهای b ، a شناخته می شوند . a اشاره دارد به ساختارهای هگزاگونال تیتانیوم چه به صورت آلیاژ یا خالص و ساختار b مربوط به ساختارهای مکعبی یا آلیاژهای آن است .

ساختارهای b ، a در بعضی مواقع به عنوان سیستم ها یا نوع

تیتانیوم چیست

هایی از سیستم شناخته می شوند که آن را به چهار دسته آلیاژهای a و شبه a یا نزدیک به a و a / b و a تقسیم بندی می کنند .

این ترکیبات نشان دهنده تمامی عناصر آلیاژی تیتانیوم نیست اما بیشتر عناصر استفاده شده در طراحی آلیاژهای تیتانیوم را شامل می شود .

اطلاعات بیشتری در مورد ساختار تیتانیوم

تیتانیوم خالص تجاری به صورت ساختار a است . اضافه کردن برخی از عناصر آلیاژی به تیتانیوم خالص تجاری محدوده را برای ریز ساختارهای آلیاژی ایجاد می کند . با داشتن سطح مطلوبی از عناصر آلیاژی b ، فاز b در طول گرم کردن تولید می شود و در حین فرآیند سرد کردن در ادامه یک فرآیند گرم به ساختار دیگر منتقل می شود .

ساختار حاصله در این مورد را آلیاژهای b ، a می نامند ( فاز b به a تبدیل می شود ولی فاز باقی مانده هم خواهیم داشت ) تغییرات در آلیاژهای متمایز می شود با محدوده وسیعی از ساختار وخواص شیمیایی آلیاژ که لازمه یک آلیاژ a می باشد . این تغییرات به صورت ترم ساختاری near – a ( ساختارهای شبه a یا نزدیک به a ) هستند . ساختار را بایستی به طور کلی به عنوان نیمه پایدار شناخت . آلیاژها با ساختار b در حین سرد کردن تا دمای اتاق به دست می آیند .

آلومیندهای تیتانیومی ترکیبات بین فلزی هستند که از تیتانیوم وآلومینیوم ( به همراه یک یا بیشتر از عناصر آلیاژی ) به دست می آیند.

کاربرد تیتانیوم

عمده ترين مصرف تيتانيوم در صنايع به دو صورت فلزي و دي اکسيد تيتانيوم است . شکل فلزي آن به دليل مشکلات تهيه و خالص سازي مصرف چنداني ندارد،اما در عوض مصرف اکسيد آن بصورت TiO2 در صنعت کاربرد بسيار گسترده اي دارد : به طوري که 90 درصد از صنايع اوليه مصرف کننده اکسيد تيتانيوم هستند . امروزه فلز تيتانيوم به عنوان يک فلز استراتژيک در موتور و ساختمان داخلي هواپيما موشکها ،جت ها، ماشين هاي نساجي وسايل شيميايي وسايل جراحي وسايل نمک زدايي وسايل ارتوپدي، وسايل غذاسازي هدفهاي لوله هاي اشعه ايکس، وسايل ساينده ،تجهيزات حمل و نقل صنايع شيميايي ،واحدهاي مولد برق، صنايع آلياژي ،ساخت زيردريايي ها ،کارخانه هاي ساخت مواد شيميايي، دستگاههاي خنک کننده نيروگاه هاي اتمي و حرارتي و دهها مورد ديگر کاربرد دارد . مصرف عمده دي اکسيد تيتانيوم در صنايع رنگ سازي به عنوان رنگ دانه مي باشد و همچنين اين ماده در صنايع سراميک پلاستيک کاغذ و الکترونيک کاربرد دارد . مصرف اين ماده در کشورهاي پيشرفته تقريباً 10 برابر کشورهاي در حال توسعه مي باشد .

مصارف عمده تیتانیوم

فلز تيتا نيوم در محيط هاي فرسايشي بسيار مقاوم مي باشد . تيتانيوم خالص و يا آلياژهاي آن با ناخالصي کم در کارخانه هاي سولفور زدايي مشتقات نفتي در تجهيزات مربوط به چاه هاي نفت و در اتصالات مورد نياز و همچنين در موارد پزشکي مورد استفاده قرار مي گيرد . از طرفي هم اکنون ورق هاي فولادي يا پوشش تيتانيوم توليد شده که به علت خاصيت ضد فرسايشي کاربرد وسيعي در صنعت نفت و در مراحل سولفورزدايي مشتقات نفتي در پالايشگاه ها پيدا کرده اند . ديگر مصرف عمده اين فلز در صنعت هواپيما سازي است .امروزه در ايران علاوه بر صنايع هوايي و نظامي رويکردي خاص به اين فلز در صنايع شيميايي به خصوص در صنايع پتروشيمي ديده مي شود که اين به نوبه خود باعث ايجاد مجال مناسبي جهت کار بر روي اين فلز و تهيه روشهاي استاندارد توليد تجهيزات تيتانيومي در ايران مي گردد . ساير مصارف عمده تيتانيوم را مي توان به صورت زير خلاصه نمود : ساخت کاربيد تيتانيوم ،سراميک ،در فرآيندهاي شيميايي و الکتروشيميايي ،ساخت ورقه هاي فلزي و باز يافت آنها صنعت نفت ،سولفورزدايي گاز مايع ،نمک زدايي آب ( تصفيه آب ) ساخت پمپهاي مکش آب از دريا ،ساختمان سازي ،پزشکي ( قطعات تعويض در بدن دندانها )، صنايع اتومبيل سازي ، ساخت انباره هاي مخصوص براي نگهداري از موادي نظير ضايعات اتمي و غيره ،الياف تقويت کننده براي استفاده در ترکيبات فلزي، رباط هاي صنعتي ،جواهر سازي ،ساخت انواع آلياژها ، ذخيره سازي انرژي ، بالا بردن قابليت هدايت حرارتي آلياژها، پرکننده ي سنگ هاي جواهرات مصنوعي و نرم افزار .

آلياژهاي تيتانيوم در بدنه هواپيماهاي جنگي، سفينه هاي فضايي موشکها موتور هواپيماها ،ادوات رزمي، توربين هاي گازي، دوچرخه و کامپيوترهايLaptop، مورد استفاده قرار مي گيرند . تيتانيوم اغلب با آلومينيوم ،آهن ،منگنز، موليبدن و فلزات ديگر تشکيل آلياژ مي دهد .به دلیل دوام و ماندگاری بالا، تیتانیم به یکی از فلزات محبوب جواهرسازان بدل گشته است. همچنین به علت عدم تحریک آلرژیک، جواهرات تیتانیم گزینه بسیار مناسب برای افرادی است که به فلزات زینتی آلرژی دارند. تیتانیم همچنین با طلای ۲۴ عیار تشکیل آلیاژ می دهد.

آلياژ ايلمنيت اين فلز در تهيه اکسيد تيتانيوم که در صنايع رنگ سازي کاغذ سازي و پلاستيک به عنوان ماده رنگي براق کردن سطح فلزات، لعاب، لاستيک سازي ،شيشه فايبر گلاس ،سراميک الکتروسراميک و … مصرف مي شود، کاربرد دارد .

تنها در حدود 5 % توليد سالانه جهاني تيتانيوم صرف توليد فلز تيتانيوم شده و 95 % باقيمانده در توليد ماده رنگي دي اکسيد تيتانيوم مورد استفاده قرار مي گيرد . اين ماده به واسطه رنگ سفيد درخشندگي عالي بي اثر ( خنثي بودن ) و مقاومت سايشي و حرارتي بالاي آن درجه دير گدازي بالا و توان زياد در توزيع و انتشار يکنواخت در ترکيبات ديگر به عنوان عمده ترين ماده اوليه رنگ سفيد در صنايع رنگ سازي کاغذ سازي پلاستيک ،لاستيک و … شناخته مي شود . در زير به طور اخص مصارف تيتانيوم در صنايع و آلياژهاي آن مي آيند :

مصارف دارويي و آرايشي تیتانیوم

دي اکسيد تيتان براي التيام سوزش هاي پوستي مورد استفاده قرار مي گيرد و منعکس کننده اشعه ماوراء بنفش خورشيد است و بدين جهت در ساختن کرم ها و لوسيون هاي ضد آفتاب ( ضد سوختگي ) استفاده مي شود . از پودر در اکسيد تيتان در ساخت قاب کپسولهاي دارويي و پوشش قرص ها نيز استفاده مي شود .

تیتانیم ماده ای غیر سمی است و حتی در مقادیر زیاد، سمی محسوب نمی شود. همچنین این ماده هیچ نقشی در سیستم طبیعی بدن انسان ایفا نمی کند. بطور تخمینی روزانه ۸/۰ میلی گرم تیتانیم وارد بدن انسان می شود . اگرچه تقریبا بدون جذب شدن، از بدن دفع می شود.

مصرف ساليانه عنصر تيتانيوم و ترکيبات آن 105 تا 106 تن مي باشد . تقريباً 95% تيتان به فرم اکسيد تيتان TiO4 مصرف مي شود و يک رنگدانه دايمي و به شدت سفيد رنگ با قدرت پوششي خوب در رنگ ها کاغذ و پلاستيک است . رنگ ها با وجود اکسيد تيتانيوم يک باز تابنده بسيار عالي اشعه مادون قرمز را مي سازد و بنا براين به طور گسترده اي توسط اختر شناسان مورد استفاده قرار مي گيرد . از آنجايي که اين فلز مقاومت بالا وزن سبک مقاومت غيرعادي در برابر خوردگي و توانايي ايستادگي در برابر دماهاي بالا مي باشد . بخاطر مقاومت بالا در آب دريا اين فلز براي ساخت شفت ها (محور ) ملخ هواپيما و پروانه کشتي استفاده مي شود .

1 – تيتانيوم ايجاد حساسيت نكرده اما برخي از آلياژهاي طلا حساسيت زا مي باشند.

2 – اندازه قطر طلاي سفيد را ميتوان تغيير داد اما از آنجايي كه تيتانيوم را نميتوان لحيم كاري كرد ايجاد تغيير در اندازه آن نيز ميسر نميباشد.

3- تيتانيوم را ميتوان به رنگهاي گوناگون در آورد اما طلاي سفيد را نه.

4- تيتانيوم ارزان قيمت تر از طلاي سفيد ميباشد.

روی چیست

0 دیدگاه

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.

آلیاژ برنج چیست

1 دیدگاه

آلیاژ برنج چیست

برنجها آلیاژهای مس وروی می باشند که براساس تغییرات ترکیبی ورنگ ظاهری به برنج زرد وبرنج قرمز وبرنج سرب،برنج سیلیسیم،برنج قلع،برنجهای نیکلی(ور شو) تقسیم می شوند.

خواص فیزیکی

حد حلالیت روی در مس برابر5/32% در درجه حرارت انجماد و در حدود35% در درجه حرارت محیط می باشد از این رو فاز محلول جامد α مهمترین شبکه میکروسکوپی موجود در آلیاژ برنج است.و همانطور که در دیاگرم مس وروی نشان داده شده استاکثر آلیاژهای برنج دارای دامنه انجماد بسیار کم بوده ووجود فلزات دیگر در مس عملاً باعث پائین آمدن نقطه ذوب می شود و هر قدر دامنه انجمادکمتر باشد،سیالیت آلیاژ بهتر خواهد بود ولی این امر معمولاً با زیاد شدنحجم انقباض متمرکزهمراه است و کاملاً برای ریخته گری مناسب می باشند واز نقطه نظر شبکه محلولهای جامد مس و روی دارای خواص زیر می باشند:

الف)محلول جامد α : این شبکه در سرما چکش خوار می باشد ولی چکش خواری آن در گرما منوط به نداشتن سرب در آلیاژ است(به دلیل تشکیل سرب مایع در گرما)

ب)محلول جامد β :در این شبکه وجود سرب کمتر مزاحم می باشد وشبکه خاصیت چکش خواری خود ار در گرما حفظ می کند.

ج)محلول جامدγ:این شبکه سخت و شکننده است و خواص عمومی شبکه γ را دارد. اگر مقدار فلز روی از 50%کمتر آب شد آلیاژ در ناحیه βبوده وبرای به وجود آمدن شبکه γباید مقدار فلز روی از 50%تجاوز کند.به همین دلیل مقدار فلز روی در برنج ها مواره کمتر از 47%است ورنگ برنج به مقدار روی بستگی دارد.

ریخته گری برنج

آلیاژهای مس مانند آلومینیم به دو دسته آلیاژهای کارپذیر(نوردی)وریختگی تقسیم می گردند.هر دسته از این آلیاژها نیزبر حسب شرایط ترکیبی وعناصر آلیاژی می توانند عملیات حرارتی پذیر یا عملیات حرارتی ناپذیر باشند.

انواع برنجهای کارپذیر(نوردی)فقط حاوی مس وروی می باشند و عناصردیگردرحد ناخالصی در آنها وجود دارد وبرنجهای آلیاژی علاوه بر مس و روی حاوی عناصر دیگری نظیر سیلیسم،آهن، قلع،و سرب و… نیز هستند وبیشتر از طریق ریخته گری شکل می گیرند.

آلیاژ برنج چیست

برنجهای مخصوص

اگر به آلیاژ مس وروی سایر عناصر اضافه شوند به طورکلی خواص مکانیکی برنج بالا می رود واین نوع آلیاژها را برنج مخصوص می نامند.و بالطبع نمی توان فقط ساختمانهای ساده محلول جامد α ویا β+α را انتظار داشت.

عناصری مانند سرب،قلع،آهن،منگنز،نیکل وغیره دربرنج همواره به عنوان عنصر آلیاژی یا عنصر ناخالصی حضور دارند.ومقدار این عناصر هیچگاه از حدود 2-1% تجاوز نمی کند.

آلیاژ مس و روی را برنج می گویند. بر حسب درصد روی در مس می توان برنجهای متفاوتی را به دست آورد. هر چه درصد روی در مس افزایش یابد سختی و استحکام این آلیاژ بیشتر می شود و رنگ برنج از قرمز به زرد کم رنگ متمایل می شود. روی با نقطه ذوب C 419 و چگالی 14/7 گرم بر سانتی متر مکعب در مذاب مس با نقطه ذوب C1083 و وزن مخصوص 9/8 گرم بر سانتی متر مکعب معمولاً به صورت غیر همگن یا غیر یکنواخت قرار می گیرند که مشکل اساسی جدایش را به وجود می آورد . چون روی تا 32% می تواند در دمای محیط به صورت تک فازیα در مس وجود داشته باشد به آن برنج α میگویند که شامل یک ساختمان تک فازی کریستالهای محلول جامد روی و مس می باشد. معمولاً برنجهای α تجارتی تا 36% روی دارند و به دو گروه تقسیم می شوند :

برنج α زرد که شامل 20 الی 36% روی می باشدو برنج α قرمز که شامل 5 الی 20% روی می باشد.

در تهیه آلیاژهای برنج می توان دو روش را مورد استفاده قرار داد:

1) از هاردنر مس و روی استفاده نمود. لازم است در این روش مس را تحت فلاکس پوششی ذوب کرده و بعد هاردنر را در چند مرحله به مذاب وارد نمود.

2) استفاده از روی خالص که لازم است مس را تحت فلاکس پوششی ذوب نموده فوق گداز آن را پایین آورده و روی را در چند مرحله به مذاب وارد نموده و کاملاً آن را مخلوط نمود. از دیاگرام مس و روی می توان فهمید که دامنه انجماد برنجها کوتاه و سیالیت خوبی دارند.

آهن چیست

0 دیدگاه

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

فولاد چیست

0 دیدگاه

فولاد چیست

فولاد فلز مقاومی است که از آهن بدست می آید، ساده ترین روش ساخت فولاد ریختن آهن گداخته و مذاب داخل کوره تبدیل و دمیدن هوای گرم و اکسیژن روی آن که بخش عمده کربن موجود در آهن با استفاده از این روش می سوزد و در نهایت آهن تبدیل به فولاد خواهد شد.

فولاد یا پولاد به آلیاژهای آهن که بین 25 0/۰ تا حدود ۲ درصد کربن دارند گفته می شود، فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.

برای ساختن سیم، لوله و ورق از فولاد استفاده می‌شود.

فولاد متوسط ۲/0 تا ۶/0 درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند.

فولاد سخت ۶/0 تا 5/1

درصد کربن دارد، و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.

آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن، گوگرد، فسفر، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی‌های دیگر است. در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود:

سوزاندن ناخالصی‌های چدن
افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن .

فولادها از نظر آلیاژی به چهار گروه اصلی تقسیم می شوند:

1- فولادهای ساده کربنی

2- فولادهای کم آلیاژ

3- فولادهای متوسط آلیاژ

4- فولادهای پر آلیاژ

در فولادهای ساده کربنی، کربن اصلی ترین عنصر آلیاژی بوده و عناصری مانند منگنز و سیلیسیوم و آلومینیوم به مقدار جزیی و برای گاز زدایی به آن ها اضافه می شود. میزان کربن این فولادها نقش اصلی در میزان افزایش استحکام آنها پس از عملیات حرارتی دارد.

این فولادها به سه گروه کم کربن، کربن متوسط و پر کربن تقسم می شوند:

1- فولادهای کم کربن با حداکثر 0.25 درصد کربن Low Carbon Steel

2- فولاد کربن متوسط با 0.55-0.25 درصد کربن Medium carbon steel

3- فولاد پر کربن با 0.5 >درصد کربن High carbon steel

پس از فولادهای کربنی، فولادهای کم آلیاژ و متوسط آلیاژ بوده که میزان منگنز و سیلیسیوم آنها بیشتر از مقدار لازم برای اکسیژن زدایی می باشد و عناصر دیگری مثل نیکل، کرم و مولیبدن نیز به آنها اضافه شده است. عناصری مانند تیتانیوم، نیوبیوم، مس و بر نیز در صورت لزوم و به میزان جزیی ممکن است به آنها اضافه شود. افزودن این عناصر آلیاژی به فولادها جهت بهبود عملیات حرارتی پذیری آنها و افزایش برخی خواص فیزیکی و مکانیکی می باشد.

لازم به ذکر است که جهت طبقه بندی فولادهای کم آلیاژ، متوسط آلیاژ و پر آلیاژ محدودیتی وجود نداشته و عموما به فولادهای حاوی بیش از 10% عناصر آلیاژی، فولادهای پرآلیاژ می گویند.

فولاد چیست

دیاگرام آهن – کربن

دیاگرام فازی دوتایی آهن – کربن، دیاگرامی تعادلی از کربن در محلول جامد آهن است که نشان دهنده تغییرات ساختاری آلیاژهای آهن – کربن نسبت به درجه حرارت می باشد. این دیاگرام بر حسب درصد کربن آلیاژ، درجه حرارت، سرد کردن یا گرم کردن بسیار آهسته رسم شده و به همین علت به آن دیاگرام تعادلی آهن – کربن می گویند.

از آنجایی که آهن و کربن تشکیل یک ترکیب واسطه به نام سمنتیت Fe3C می دهد، این دیاگرام را دیاگرام آهن – سمانتیت نیز می نامند.

آهن ماده ای آلوتروپیک (چند ساختاری) بوده و در حین انجماد از حالت مذاب تا رسیدن به دمای محیط، تبدیل به ساختارهای مختلف می شود. در نمودار آهن – کربن سمانتیت، آستنیت، لدبوریت، آهن آلفا، آهن گاما و آهن بتا دیده می شود.

در نمودار آهن-کربن سه نوع فولاد با ترکیب و ریزساختار مختلف دیده می شود (یوتکتوئیدی، هیپویوتکتوئیدی، هایپریوتکتوئیدی) که توضیحات آن در لینک زیر به تفصیل آمده است.

فولادهای ساده کربنی

فولادهای ساده کربنی مهمترین گروه آلیاژهای مهندسی هستند. این فولادها به علت هزینه نسبتا کم تولید و داشتن گستره وسیعی از خواص در بین مواد مهندسی در درجه اول اهمیت قرار دارند. کاربرد فولادهای ساده کربنی نامحدود بوده و می تواند شامل ورق، نوار، میله، سیم، محصولات لوله ای، شکل های ساختمانی، آهنگری شده، ریخته گری و … باشد.

طبقه بندی فولادهای ساده کربنی

فولادهای ساده کربنی بسته به نوع و کاربردشان در چند سیستم مختلف دسته بندی می شوند و دسته بندی منحصر به فردی که در مورد تمامی فولادهای ساده کربنی به کار رود، وجود ندارد. دو سیستم مختلفی که در این زمینه بیشترین کاربرد را دارند عبارتند از: ASTM و AISI-SAE

سیستم دسته بندی AISI-SAE برای فولادهای ساده کربنی

این سیستم در مورد میلگردهای نورد سرد و نورد گرم شده، سیم ها، میله ها و لوله های بدون درز و محصولات نیمه تمام برای آهنگری به کار برده می شود. از آنجا که در فولادهای ساده کربنی، درصد کربن نقش اصلی و تعیین کننده میزان استحکام آنها می باشد، در این سیستم از درصد کربن برای شناسایی فولادهای مختلف استفاده می شود.

برای نامگذاری از چهار عدد استفاده شده که دو عدد اول 10 مشخص کننده فولاد ساده کربنی است. دو رقم بعدی مشخص کننده صدم درصد کربن است.

به عنوان مثال؛ عدد 1020 مشخص کننده فولاد ساده کربنی با 0.2% اسمی کربن است.

اثر عناصر آلیاژی بر فولادهای ساده کربنی

فولادهای ساده کربنی ، علاوه بر کربن حاوی عناصر زیر نیز می باشند:

منگنز تا 1%

گوگرد تا 0.05%

فسفر تا 0.04%

سیلیسیم تا 0.3%

منگنز

محدوده استفاده از منگنز در فولادهای ساده کربنی می تواند از حداکثر 0.35% در فولاد 1005 تا حداکثر 1% در فولادهای 1085 AISI متغیر باشد. منگنز با گوگرد موجود در فولاد ترکیب شده و سولفید منگنز را ایجاد می کند. منگنز با ریزکردن پرلیت و ایجاد محلول جامد با فریت موجب افزایش استحکام تسلیم فولادهای ساده کربنی می شود.

گوگرد

گوگرد می تواند حداکثر تا 0.05% در فولاد ساده کربنی وجود داشته باشد. معمولا با منگنز ترکیب شده و تشکیل آخال MnS می دهد. اگر گوگرد با آهن ترکیب شود، تشکیل FeS داده که معمولا در مرزدانه ها رسوب می کند. از آنجایی که FeS ترکیبی سخت بوده و دارای نقطه ذوب پایینی می باشد، لذا ممکن است در حین کارسرد و یا کارگرم فولاد ایجاد ترک کند. به همین دلیل و برای جلوگیری از تشکیل این ترکیب نامطلوب می بایست نسبت منگنز به گوگرد فولادها حدود 5 به 1 باشد.

فسفر

از آنجایی که فسفر ترکیب خیلی تردی با آهن تشکیل می دهد(Fe3P)، لذا میزان فسفر فولادهای کربنی در حد 0.04% محدود می باشد.

سیلیسیم

سیلیسیم به عنوان اکسیژن زدا، حین فولادسازی به مذاب اضافه شده و تشکیل آخال های SiO2 می دهد. میزان سیلیسیم فولاد ساده کربنی می تواند از 0.1 تا 0.3% متغیر باشد.

در مقایسه با فولادهای کم کربن عملیات حرارتی ناپذیر که کربنی بین 0.06 تا 0.1 درصد دارند، فولادهای دسته اول دارای سختی و استحکام بیشتری بوده ولی شکل پذیری سرد کمتری دارند. استحکام این دسته فولادها را می توان با عملیات حرارتی بالا برد اما این روش اقتصادی نمی باشد. جهت افزایش سختی این فولادها، آنها را کربوره کرده یا به طور سطحی سخت می کنند. برای کربوره کردن معمولا فولادهای AISI 1016,1018,1019 انتخاب شده و برای مقاطع بزرگتر، فولادهای AISI1015,1020,1022 به کار می رود.

دسته دوم، فولادهای کربن متوسط، کربن بیشتری داشته و معمولا با کوئنچ و تمپر (آب دهی و برگشت)، استحکام می یابند. اگر انتخاب محلول و دمای کوئنچ (آبدهی) مناسب باشد، می توان محدوده وسیعی از خواص مکانیکی را بدست آورد. در بین این سه گروه از فولادهای ساده کربنی سختی پذیر، دسته دوم بیشترین و وسیع ترین کاربرد را داشته و بیشتر قطعات خودرو از این فولادها ساخته می شوند.

دسته سوم فولادهای ساده کربنی که کربنی بالاتر از 0.55% دارند، نسبت به فولادهای کربن متوسط کاربرد کمتری دارند زیرا هزینه تولید و ساخت آنها گران تر بوده و قابلیت جوشکاری و شکل پذیری کمتری دارند. و چون کربن بیشتری دارند در اثر فرایند آبدهی، حداکثر سختی را به دست می آورند.

فولاد چیست

فولادهای آلیاژی

اگرچه تولید فولادهای ساده کربنی ارزان می باشد اما در کاربردهای مختلف مهندسی، این فولادها همیشه جوابگو نیستند. فولادهای آلیاژی اگرچه از لحاظ قیمت گران تر از فولادهای ساده کربنی هستند اما در عمل استفاده از آنها در صنعت اقتصادی تر می باشد. عناصر آلیاژی که در تولید فولادهای آلیاژی استفاده می شود عبارتند از: نیکل، کرم، مولیبدن، منگنز، سیلیسیم و وانادیم. در بعضی موارد عناصری دیگری مثل کبالت، مس و سرب نیز اضافه می شود.

عناصر آلیاژی جهت حصول خوا ص متالورژیکی مطلوب به فولادها اضافه می شود که بعضی از مهم ترین آنها عبارتند از:

1- بهبود خواص مکانیکی در دماهای مختلف

2- افزایش دمای باز پخت با حفظ استحکام و بهبود شکل پذیری

3- بهبود مقاومت به خوردگی در دماهای بالا

و سایر موارد.

طبقه بندی فولادهای آلیاژی

در تعریف کلی، فولادهای حاوی تا 50% عناصر آلیاژی را فولاد آلیاژی می گویند. اما از از نقطه نظر فنی، فولاد آلیاژی به فولادهای ماشین سازی و ساختمانی عملیات حرارتی پذیر که حاوی 1 تا 4 درصد عناصر آلیاژی هستند، اطلاق می شود.

این فولادها در ایالات متحده امریکا عموما با سیستم نامگذاری AISI-SAE مشخص می شوند. در این سیستم برای نامگذاری هر فولاد آلیاژی از یک عدد چهار رقمی استفاده شده که دو رقم اول مشخص کننده عنصر آلیاژی اصلی یا گروه عناصر آلیاژی و دو رقم آخر مشخص کننده تقریبی درصد اسمی کربن در آلیاژ است.

کاربرد انواع مختلف فولاد

از فولادی که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.

ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد

سوزاندن ناخالصی‌های چدن

افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می‌شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می‌شود و کربن هم می‌سوزد و مونوکسید کربن (CO) یا دی‌اکسید کربن (CO۲) در می‌آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولاً دی‌اکسید سیلسیم (SiO۲) است، بکار می‌برند:

(MnO + SiO۲ ——-> MnSiO۳(l

و چنانچه ناخالصی اصلی سیلسیم یا فسفر باشد (و معمولاً چنین است)، یک کمک ذوب بازی که معمولاً اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید کلسیم (CaO) است، اضافه می‌کنند:

(MgO + SiO۲ ——-> MgSiO۲(l

(۶MgO + P۴O۱۰ ——-> ۲Mg۳(PO۴)۲(l

کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها

معمولاً جداره داخلی کوره‌ای را که برای تولید فولاد بکار می‌رود، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، می‌پوشانند. این پوششی مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذب می‌کند. برای جدا کردن ناخالصی‌ها، معمولاً از روش کوره باز استفاده می‌کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جای می‌گیرد. بالای این ظرف، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می‌کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می‌دهند تا ناخالصی‌های موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می‌آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می‌کشد، البته مقداری از آهن، اکسید می‌شود که آن را جمع‌آوری کرده، به کوره بلند باز می‌گردانند.

روش دیگر جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن

در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن استفاده می‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره‌ای بشکه مانند که گنجایش ۳۰۰ تن بار را دارد، می‌ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می‌دهند. اکسایش ناخالصی‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO۲ رها می‌شوند، توده مذاب را به هم می‌زنند، بطوری که آهن ته ظرف، رو می‌آید. دمای توده مذاب، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریباً به دمای جوش آهن می‌رسد و در چنین دمایی، واکنشها فوق‌العاده سریع بوده، تمامی‌ این فرایند، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می‌شود و معمولاً محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می‌آید.