ریخته گری فولاد و آلیاژها

ریخته گری فولاد و آلیاژها

ریخته گری فلز فرآیندی مدرن و دارای ریشه ای باستانی است. در فرآیند ریخته گری فلز ، با ریختن فلز مذاب در حفره قالب ، اشکال فلزی شکل می گیرد و در آنجا خنک می شود و بعداً از قالب استخراج می شود. مسلماً ریخته گری فلزات اولیه ترین و یکی از تأثیرگذارترین فرآیند صنعتی در طول تاریخ است. برای ساخت بسیاری از قطعات فلزی با خواص مختلف در زندگی روزمره ما است.

قدیمی ترین ریخته گری فلز شناخته شده مربوط به قورباغه مس است که گمان می رود در 3200 سال قبل از میلاد مسیح در بین النهرین تولید شده است زمانی که مس ماده ای بود که بیشتر مورد استفاده قرار می گرفت ، حدود 2000 سال قبل از میلاد مسیح ، آهن کشف شد. اما در حدود 700 سال قبل از میلاد بود که اولین تولید چدن توسعه یافت. جالب است که روند قالب گیری شن و ماسه ریخته گری فلزات نیز در 645 سال قبل از میلاد اختراع شده است.

فولاد یک فلز آلیاژی است که اجزای اصلی آن آهن و کربن مابین 0.02 تا 1.7 درصد وزن است. کربن ماده آلیاژی برای آهن است ، اما بسیاری عناصر آلیاژی دیگر نیز در فولاد استفاده می شود.کربن و سایر عناصر به عنوان عامل سخت کننده عمل می کنند و از گسستگی در اتم آهن جلوگیری می شود و به اصطلاح شبکه را بلوری میکند. متفاوت بودن مقدار عناصر آلیاژی و توزیع آنها در فولاد ، کیفیت هایی مانند سختی ، کشش ، انعطاف پذیری و مقاومت کششی فولاد و سایر خواص آن را کنترل می کند. به طور مثال فولاد با افزایش کربن می تواند سخت تر و قوی تر از آهن شود ، اما همچنین شکننده تر میشود. قبل از تولید فولاد با توجه به خواص مورد نیاز آلیاژ فولاد بر طبق استاندارد انتخاب میشود.

حداکثر محتوای کربن فولاد تقریباً 0.75٪ است و همچنین حداکثر حلالیت کربن در آهن 1.7 درصد وزن است که در 1130 درجه سانتیگراد اتفاق می افتد. غلظت های بالاتر کربن یا دمای پایین باعث تولید سیمانیت می شود که مقاومت ماده را کاهش می دهد.

خواص فولاد ریخته گری

فولادهای ریخته گری می توانند با طیف گسترده ای از خصوصیات تولید شوند. خصوصیات فیزیکی فولاد ریخته گری بسته به ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی به طور قابل توجهی تغییر می کند. آنها برای مطابقت با نیازهای عملکرد برنامه مورد نظر انتخاب شده اند.

سختی

توانایی یک ماده در مقاومت در برابر سایش. محتوای کربن حداکثر سختی قابل دستیابی در فولاد را تعیین می کند.

استحکام – قدرت

مقدار نیروی لازم برای تغییر شکل یک ماده. محتوای بالاتر کربن و سختی منجر به فولاد با مقاومت بالاتر می شود.

شکل پذیری

توانایی تغییر شکل یک فلز تحت تنش کششی. محتوای کربن پایین و سختی کمتر منجر به فولاد با شکل پذیری بالاتر می شود.

چقرمگی

توانایی تحمل فشار روانی. افزایش شکل پذیری معمولاً با چقرمگی بهتر همراه است. سختی را می توان با افزودن فلزات آلیاژی و عملیات حرارتی تنظیم کرد.

مقاومت در برابر سایش

مقاومت یک ماده در برابر اصطکاک و استفاده. فولاد ریخته شده مقاومت مشابهی در برابر سایش فولادهای فرفورژه با ترکیب مشابه از خود نشان می دهد. افزودن عناصر آلیاژی مانند مولیبدن و کروم می تواند مقاومت در برابر سایش را افزایش دهد.

مقاومت در برابر خوردگی

مقاومت ماده در برابر اکسیداسیون و زنگ زدگی. فولاد ریخته شده مقاومت در برابر خوردگی مشابهی با فولاد فرفورژه از خود نشان می دهد. فولادهای آلیاژی بالا با سطح بالایی از کروم و نیکل بسیار مقاوم در برابر اکسیداسیون هستند.

قابلیت ماشین کاری

سهولتی که در آن ریخته گری فولاد می تواند با حذف مواد از طریق ماشینکاری (برش ، سنگ زنی یا حفاری) تغییر شکل دهد. قابلیت ماشین کاری تحت تأثیر سختی ، مقاومت ، رسانایی گرمایی و انبساط حرارتی است.

قابلیت جوشکاری

توانایی یک جوشکاری فولاد بدون نقص. قابلیت جوشکاری در درجه اول به ترکیب شیمیایی ریخته گری فولاد و عملیات حرارتی بستگی دارد.

خواص دمای بالا

فولادهایی که در دمای بالاتر از محیط کار می کنند به دلیل اکسیداسیون ، آسیب هیدروژن ، پوسته پوسته شدن سولفیت و بی ثباتی کاربید ، در معرض خواص مکانیکی تخریب شده و از بین رفتن اولیه هستند.

خواص دمای پایین

مقاومت در برابر فولاد ریخته گری در دماهای پایین به شدت کاهش می یابد. درمان های حرارتی آلیاژی و تخصصی می توانند توانایی ریخته گری در مقاومت در برابر بارها و تنش ها را بهبود ببخشند.

ترکیب شیمیایی فولاد ریخته گری شده

ترکیب شیمیایی فولاد ریخته شده تأثیر قابل توجهی در عملکرد دارد و اغلب برای طبقه بندی فولاد یا تعیین مشخصات استاندارد استفاده می شود. فولادهای ریخته گری را می توان به دو دسته گسترده تقسیم کرد: فولاد ریخته گری کربن و فولاد آلیاژی.

ریخته گری فولاد کربنی

مانند فولادهای فرفورژه ، فولادهای ریخته گری کربن را می توان با توجه به محتوای کربن آنها طبقه بندی کرد. فولاد ریخته گری شده با کربن کم (0.2٪ کربن) نسبتاً نرم است و به راحتی قابل درمان با حرارت نیست. فولاد ریخته گری شده با کربن متوسط ​​(0.2-0.5٪ کربن) تا حدی سخت تر و قابل تقویت با عملیات حرارتی است. از فولاد ریخته گری شده با کربن بالا (0.5٪ کربن) در صورت تمایل به حداکثر سختی و مقاومت در برابر سایش استفاده می شود.

ریخته گری فولاد آلیاژی

فولاد ریخته گری آلیاژ به عنوان آلیاژ کم یا زیاد طبقه بندی می شود. فولاد ریخته گری کم آلیاژ  (≤ 8% محتوای آلیاژ) رفتاری مشابه فولاد کم کربن معمولی دارد ، اما با سختی پذیری بالاتر. فولاد ریخته گری با آلیاژ بالا (> 8٪ محتوای آلیاژ) برای تولید خاصیت خاصی مانند مقاومت در برابر خوردگی ، مقاومت در برابر حرارت یا مقاومت در برابر سایش طراحی شده است.

فولادهای پرآلیاژ مانند فولاد ضد زنگ (> 10.5٪ کروم) و فولاد هادفیلد منگنز  (11-15٪ منگنز) هستند. افزودن کروم ، که در معرض اکسیژن یک لایه فعال از اکسید کروم تشکیل می دهد ، مقاومت عالی در برابر خوردگی به فولاد ضد زنگ می دهد. محتوای منگنز در فولاد هادفیلد مقاومت بالایی در برابر سایش در هنگام کار سخت ایجاد می کند.

علاوه بر سطح سیلیسیم و منگنز ، فولادهای آلیاژی ریخته گری از آلومینیوم ، تیتانیوم و زیرکونیوم برای اکسید زدایی در طی فرآیند ریخته گری استفاده می کنند. آلومینیوم عمدتا به عنوان یک اکسید کننده زدایی برای اثر بخشی استفاده می شود.

عملیات حرارتی

پس از جامد شدن فولاد ریخته گری ، برداشته شدن از قالب و تمیز کردن ، خصوصیات فیزیکی فولاد ریخته گری با توجه به خواص درخواستی، عملیات حرارتی مناسب انجام می شود .

آنیل کردن

گرم کردن ریخته گری های فولادی در دمای خاص ، نگه داشتن برای مدت زمان مشخص و سپس به آرامی خنک شدن.

نرمال یا عادی سازی

مشابه آنیل است، اما ریخته گری های فولادی در هوای آزاد و گاهی اوقات با فن خنک می شوند. این به ریخته گری ها کمک می کند تا به مقاومت های بالاتری برسند.

کوئنچ

مشابه حالت عادی است ، اما خنک سازی با سرعت بسیار سریعتر و با استفاده از آب یا روغن به عنوان ماده خنک کننده استفاده می شود. و در برخی قطعات از هوای سرد صورت می گیرد.

تعدیل (یا کاهش استرس)

تکنیک مورد استفاده برای از بین بردن تنش های داخلی فولاد ها. این تنش ها می توانند از فرآیند ریخته گری یا در هنگام تقویت یا سخت شدن عملیات حرارتی مانند نرمال سازی یا خنک سازی ظاهر شوند. از بین بردن تنش شامل گرم کردن ریخته گری ها تا دمای مشخص و بسیار کمتر از دمای بازپخت ، نگه داشتن آن در آن دما برای مدت زمان مشخص و سپس خنک شدن آهسته است.

مشکلات احتمالی

ممکن است قطعات ریخته گری ها دارای برخی از نقص ها هستند.

سه نقص داخلی رایج که در ریخته گری فولاد در صورت سیستم ذوب ریزی اشتباه، دمای ناماسب در زمان ریخته گری، دقت پایین و.. ، رخ می دهد عبارتند از:

تخلخل

فضاهای خالی در ریخته گری فولاد که با دیوارهای داخلی صاف و براق مشخص می شوند. تخلخل به طور کلی نتیجه خارج نشدن گاز و یا تولید گاز در طی فرآیند ریخته گری است.

ناخالصی

تکه های مواد خارجی در ریخته گری. یک شمول می تواند فلزی ، بین فلزی یا غیر فلزی باشد. اجزا می توانند از داخل قالب (بقایا ، شن و ماسه یا مواد اصلی) بیرون بیایند ، یا در حین ریختن ریخته گری به داخل قالب وارد شوند.

جمع شدگی یا کشیدگی

جای خالی یا ناحیه با چگالی کم . این مشکل در طی فرآیند انجماد ، فلز خوراک کافی برای تأمین خود را ندارد. حفره های جمع شدگی با یک سطح داخلی بلورین خشن مشخص می شوند.

استنلس استیل چیست؟

استنلس استیل یک نوع فولاد ضد زنگ با مقاومت بالا است . یکی از عناصر کلیدی آن کروم است که مقدار آن از 10 تا 30 درصد می تواند متغیر باشد و همین امر باعث به وجود آمدن گریدهای مختلفی از استنلس استیل می شود . ترکیب کربن با کروم باعث ایجاد مقاومت استنلس استیل در برابر گرما می شود . برای افزایش  مقاومت در برابر خوردگی در محیط های خاص و همچنین جهت افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون درترکیب آن ها ازعناصری مانند نیکل ، مولیبدن ، تیتانیوم ، آلومینیوم ، مس ، گوگرد ، فسفر ، سلنیوم استفاده می شود که هر کدام ویژگی های خاصی را به استنلس استیل می بخشند . به صورت خلاصه ویژگی های استنلس استیل ، شکل پذیری عالی ، مقاوم در برابر پوسته شدن ، مقاوم در برابر اکسایش و خزش در دمای بالا ، چقرمگی زیاد در دمای اتاق و دمای پایین است . به همین دلیل در ساخت تجهیزات آشپزخانه های صنعتی، هتل ها ، رستوران ها ، بیمارستان ها و همچنین در مصارف پزشکی و صنعتی کاربرد زیادی دارند .

​

انواع استنلس استیل :

استنلس استیل 304 :

یکی از دلایل اصلی استفاده از استنلس استیل  304 ، با دوام و ضد زنگ بودن آن ها در شرایط محیطی مرطوب است . مقدار نیکل و کروم موجود در این سری 8% و 18% است. وجود این عناصر باعث خاصیت ضد زنگی استنلس استیل می شود . کربن موجود در آن نیز کمتر از 0/08 % است که باعث کاهش خاصیت آهنربایی در استنلس استیل می شود . استنلس استیل های سری 304  یکی از پر مصرف ترین نوع استیل می باشند .

موارد کاربردی استنلس استیل 304 :

مخازن تحت فشار و ظروف برای نگهداری انواع مایعات و جامدات

تجهیزات فراوری در صنایع شیمیایی و معدنی

تجهیزات دارویی و پزشکی

تجهیزات آشپزخانه صنعتی ( مناطق مرطوب )

تجهیزات صنایع غذایی و لبنی

استنلس استیل 316  :

مقدار کروم موجود در این گرید 18% و میزان نیکل 12% است . افزایش نیکل و هم چنین دارا بودن 3% عنصر مولیبدن در این سری نسبت به سری 304 باعث افزایش مقاومت در قبال خوردگی شیاری و حفره دار شدن می شود به همین دلیل برای محیط های اسیدی و نمکی گزینه ی بهتری خواهد بود . از اینرو برای استفاده در آزمایشگاه ها و صنایع پزشکی بسیار پرکاربرد است .

موارد کاربردی استنلس استیل 316 :

مخازن و ظروف برای نگهداری انواع مایعات و جامدات خورنده

تجهیزات صنعتی مواد شیمیایی ، مواد نفتی ، مواد معدنی

تجهیزات دارویی و پزشکی

 استنلس استیل 309 :

این گرید از استیل به فولادهای نسوز معروف هستند و از نظر مقاومت در برابر خوردگی بین  سری 316 و 304 است .  عناصر نیکل و کروم موجود در آن از سری 304 بالاتر است به همین دلیل نسبت به این سری در دماهای بالا مقاومتر است و به دلیل اینکه فاقد عنصر مولیبدن است نسبت به سری 316 از مقاومت کمتری برخوردار است .

موارد کاربردی استنلس استیل 309 :

صنایع پتروشیمی

صنایع عملیات حرارتی

صنعت سیمان

صنعت بازیافت

صنایع هوافضا

استنلس استیل 310 :

سری 310 استنلس استیل مانند گرید 309 یک نوع فولاد نسوز می باشد و برای کاربردهایی با درجه حرارت بالا مناسب است . مقدار کروم و نیکل نسبتا بالای این سری باعث افزایش مقاومت آن ها در دمای بالا و قابلیت جوش پذیری بالای آن ها شده است .

موارد کاربردی استنلس استیل 310 :

صنایع پتروشیمی

صنایع عملیات حرارتی

صنعت سیمان

استنلس استیل 430 :

استنلس استیل 430 در محیط با شرایط خوردندگی کم و میزان دمای متوسط دارای مقاومت است . این سری فاقد نیکل  و مولیبدن است ، به همین دلیل از سایر نوع های استنلس استیل ارزانتر است . برای ساخت تجهیزات آشپزخانه صنعتی ، قطعات ماشین لباسشویی ، ترمیم خودرو ، تولید سقف صنعتی و پوشش دیوارو ...  استفاده می شود .

جدول مشخصات فنی استنلس استیل ( فولادهای ضد زنگ و نسوز )

​

جدول خواص مکانیکی استنلس استیل ( فولادهای ضد زنگ و نسوز ) در حالت آنیل

​

 4دلیل اصلی برای استفاده از استنلس استیل :

طول عمر: استنلس استیل بسیار با دوام است هم چنین در برابر زنگ زدگی و لکه نیز مقاوم است و دارای زیبایی بصری برای مدت طولانی است .

بهداشت: این نوع استیل به دلیل اینکه متخلخل نیست فضایی برای تجمع و رشد باکتری و میکروب ها ندارد و از این نظر مورد تایید کارشناسان بهداشت مواد غذایی است .

بی تاثیر بر طعم غذا: تجهیزات پخت و پزی که از استنلس استیل ساخته می شوند بر اثر استفاده از ادویه جات مختلف ، واکنشی نشان نمی دهند و با مواد غذایی ترکیب نمی شوند از این جهت بر طعم غذا اصلا تاثیر نمی گذارند .

مقاوم در برابر گرما: استنلس استیل که یک فولاد ضد زنگ است بسیار در مقابل گرما مقاوم است و اصلا تراشه و کرک نمی شود . تحمل این استیل در برابر شکستن و خرد شدن نیز زیاد می باشد.

عصر آهن و تاریخچه تولید فولاد