ریخته گری چدن نشکن

ریخته گری چدن نشکن

چدن نشکن یک نوع ویژه از این ماده است که به‌دلیل وجود ساختارهای گرافیت کروی یا گره‌دار، از مقاومت بالا در برابر ضربه و خستگی، افزایش استحکام و مقاومت در برابر سایش برخوردار است. این نوع چدن معمولا به‌عنوان چدن گرافیت کروی هم شناخته می‌شود.

در فرآیند ریخته گری چدن نشکن، کربن به حمام چدن مذاب اضافه می‌شود و میزان آن به حدی افزایش می‌یابد که بتواند به ساختار گرافیتی کروی تبدیل شود، متمایز از فولاد که تنها مقدار معینی از کربن را جذب می‌کند. اضافه شدن عناصری مانند سیلیکون، گوگرد، منگنز و اکسیژن نیز در ترکیب شیمیایی مواد به کربن کمک می‌کند تا به شکل گرافیت کروی تبدیل شود.

اما منیزیم به‌عنوان عنصر اصلی و مهمترین عامل در تولید گره‌های گرافیت کروی عمل می‌کند و به بهبود فرآیند ریخته‌گری می‌افزاید. کاهش مقدار گوگرد نیز در این فرآیند اهمیت زیادی دارد؛ زیرا می‌تواند از شکنندگی چدن و فولاد جلوگیری کند. ریخته گری چدن داکتیل با توجه به برخی مراحل و شرایط انجام می‌شود که در ادامه به بررسی هر یک به‌صورت جداگانه می‌پردازیم.

ریخته گری چدن نشکن چگونه انجام می شود؟

همان‌طور که در بالا اشاره شد، در چدن نشکن از عناصر مختلفی استفاده می‌شود که متخصصان متالورژی آن‌ها را برای بررسی تاثیرات نسبت‌های مختلف آن‌ها بر کیفیت محصول مورد مطالعه قرار می‌دهند. هر ریخته ‌گری ترکیبات متفاوتی دارد که ویژگی‌های منحصربه‌فردی را به محصول می‌بخشد.

به‌عنوان مثال، برای افزایش استحکام چدن نشکن، می‌توان به آن قلع یا مس اضافه کرد. اگر نیاز به افزایش مقاومت در برابر خوردگی باشد، می‌توان از مس، نیکل یا کروم استفاده کرد. آهن پایه مورد استفاده برای چدن نشکن معمولا دارای مقدار زیادی کربن است. شایان ذکر که در این روند باید حدود 0.04 درصد منیزیم به آهن مذاب اضافه شود.

این افزودنی منجر به واکنش شدیدی در دمای نسبتا پایین می‌شود؛ زیرا فشار بخار بالای منیزیم در دمای تصفیه باعث تحریک قوی آهن می‌شود و منیزیم به صورت بخار از بین می‌رود. در این فرآیند، اکسیدها و سولفیدها در آهن تشکیل می‌شوند که باعث تشکیل تفاله‌ها روی سطح فلز خواهد شد.

لازم به ذکر است که پیش از ریخته‌گری، تفاله‌ها باید به‌طور کامل پاک شوند. منیزیم باقی‌مانده در آهن مذاب به‌طور مداوم در سطح فلز اکسید می‌شود که بر روی ذرات کروی گرافیت تاثیرگذار است و باعث از بین رفتن منیزیم می‌شود.

مراحل ریخته گری چدن نشکن

ریخته ‌گری چدن یک فرآیند پیچیده است که مراحل متعددی را شامل خواهد شد و شناخت دقیق این مراحل می‌تواند به بهبود اجرای این کار کمک کند.

ساخت قالب

ابتدا، مرحله اول برای ریخته‌گری چدن، ساخت قالب اصلی است. این قالب‌ها معمولا از آلومینیوم ساخته می‌شوند زیرا آلومینیوم به‌دلیل سبکی و قابلیت براده‌برداری آسان، گزینه مناسبی برای این منظور است. طراحی قالب اصلی ریخته‌گری چدن توسط شرکت‌های تولیدکننده قطعات موردنظر به تعداد طراح قالب سفارش داده می‌شود و پس از آن، طرح با استفاده از دستگاه CNC به قالب نهایی تبدیل خواهد شد.

ساخت درجه

سپس، یک قالب دیگر به نام درجه ساخته می‌شود که در آن قالب اصلی قرار می‌گیرد. درجه‌ها به‌صورت چهار کلاف فلزی درمی‌آیند و بسته به مقدار ماسه و ارتفاع آن‌ها، درجه‌ها شکل می‌گیرند. این درجه‌ها می‌توانند از آلومینیوم و فولاد یا آهن و جوشکاری شده باشند. بعد از ساخت درجه‌ها، قالب اصلی در داخل درجه قرار می‌گیرد و فرآیند قالب‌گیری با استفاده از ماسه آغاز می‌شود.

قالب‌گیری

در مرحله قالب‌گیری با استفاده از ماسه ریخته‌گری، ماسه‌های CO2 به‌گونه‌ای در قالب گسترده می‌شوند که تمام قالب را پوشش دهند. سپس، ماسه‌های بادی ریخته‌گری می‌شوند تا ماسه‌های CO2 زیادی ضخیم نشوند و هزینه کمتری داشته باشد.

کوبیده شدن ماسه

ماسه پس از کوبیده شدن در مراحل ریخته گری چدن نشکن به‌صورت دستی، گاز CO2 تزریق می‌شود تا ماسه سفت و محکم شود. در روش تزریق گاز CO2، سوراخ‌هایی در داخل ماسه ایجاد می‌کنند و گاز به داخل این سوراخ‌ها تزریق می‌شود. این کار سفت شدن ماسه را به دنبال دارد.

ذوب مواد

پس از این مراحل، مواد مذاب در کوره ذوب شده و سپس به قالب‌های آماده شده انتقال می‌یابند. مواد مذاب توسط پاتیل‌های کوچک از پاتیل اصلی کوره به درجه‌ها منتقل می‌شوند.

جدا شدن درجه از قالب

سپس، قالب از درجه جدا می‌شود که می‌تواند به‌صورت دستی یا با استفاده از دستگاه ویبراتور صورت گیرد. در پایان، قطعه ریخته‌گری‌شده آماده جداشدن از قالب است که و با کمک دستگاه شات بلاست تمیز می‌شود و یکنواخت خواهد شد.

انواع روش های تولید چدن نشکن

انواع روش‌های تولید چدن نشکن عبارتند از:

پاتیل روباز (رو ریزی)

این روش به‌عنوان یکی ساده‌ترین روش‌های استفاده شده در تولید چدن نشکن مطرح است. در این روش، مقداری از آلیاژ کروی‌کننده در ته پاتیل ریخته می‌شود و سپس مذاب چدن با سرعت ممکن به آن افزوده خواهد شد. بازیابی در این روش حدودا ۲۰ تا ۲۵ درصد است، اما به عوامل زیادی حساس است. برای بهترین نتیجه، عمق پاتیل باید ۲.۵ الی ۳ برابر قطر آن باشد و فلز باید با سرعت داخل پاتیل ریخته شود. آلیاژهای چگال‌تر در این روش بازیابی بهتری دارند.

ساندویچی

روش ساندویچی یک روش مشتق شده از فرآیند روباز است که با تغییرات قابل توجه در انتهای پاتیل و استفاده از مواد پوششی بر روی آلیاژ کروی کننده ابداع شده است. در این روش، آلیاژ کروی کننده در فرورفتگی ته پاتیل ریخته می‌شود و با قراضه‌های فولادی پوشانده خواهد شد. پوشش فلزی باعث تاخیر در شروع واکنش آلیاژ می‌گردد و با کاهش دما، بازیابی منیزیم افزایش می‌یابد.

پاتیل درپوش‌دار

جدا از ریخته گری چدن نشکن، روش تولید پاتیل درپوش‌دار نیز در بین انواع روش‌های تولید چدن مدنظر قرار می‌گیرد. در روش پوشش‌دار، برای بهبود بازیابی منیزیم و کاهش دود و نور ناشی از عملیات، سطح پاتیل پوشانده می‌شود.

این کار با جلوگیری از ورود اکسیژن تازه به پاتیل، اتلاف منیزیم را به شکل MgO کاهش می‌دهد. بازیابی منیزیم در این روش به میزان ۶۰ تا ۶۵ درصد ممکن است. انواع مختلف پاتیل درپوش‌دار در شکل‌های ۲ تا ۶ نشان داده شده است.

فروبری یا غوطه‌وری

در روش دیگر تولید چدن نشکن، آلیاژ کروی کننده توسط یک ظرف نسوز به انتهای پاتیل درپوش‌دار برده می‌شود. این عملیات، با جلوگیری از شناوری مواد زیر سطح آهن، افزایش کلی در بازیابی منیزیم را به همراه دارد. استفاده از آلیاژ فروسیلیکومنیزیم ۵٪ در این روش، بازیابی را به بیش از ۵۰ درصد افزایش می‌دهد.

مزایای این روش شامل کاهش دود و بخارات، فلز تمیزتر و کاهش سرباره است، اما افت دمایی بالا به دلیل جرم ابزار فروبرنده از مشکلات اصلی آن است.

کنورتور جورج فیشر

در روش دیگر تولید چدن نشکن، از یک پاتیل (کنورتور) کج‌شونده و منیزیم خالص استفاده می‌شود. پاتیل با چدن مذاب پر خواهد شد و پس از آب‌بندی، به‌طوری چرخانده می‌شود که منیزیم به زیر چدن فرو می‌رود.

تزریق سیم حاوی آلیاژهای منیزیم

این روش از یک سیم یا وایر توخالی از جنس فولاد نرم استفاده می‌کند که با آلیاژهای منیزیم، کلسیم و فروسیلیس پر شده است. این سیم به‌وسیله یک تیوب راهنما به داخل پاتیل حاوی مذاب چدن هدایت می‌شود. مراحل این روش شامل:

• آماده سازی سیم: سیم فولادی توخالی با آلیاژهای منیزیم، کلسیم و فروسیلیس پر می‌شود.
• ذوب و تصفیه چدن: چدن در کوره ذوب شده و سپس تصفیه می شود تا ناخالصی ها و گازهای مزاحم از آن جدا شوند.
• تزریق سیم: سیم حاوی آلیاژ به داخل پاتیل حاوی مذاب چدن تزریق خواهد شد.
• واکنش و کروی سازی: با ورود سیم به داخل مذاب، غلاف فولادی حل شده و آلیاژهای منیزیم، کلسیم و فروسیلیس آزاد می‌شوند. منیزیم با کربن موجود در مذاب واکنش داده و گرافیت کروی را تشکیل می‌دهد.
• هم زدن: مذاب به‌طور کامل هم زده می‌شود تا توزیع آلیاژها به‌طور یکنواخت در آن صورت گیرد.
• ریخته گری: مذاب تصفیه و کروی شده در قالب ریخته خواهد شد.
• انجماد و خنک سازی: قطعه چدن نشکن در قالب انجماد و خنک‌سازی می‌شود.
• عملیات تکمیلی: پس از انجماد و خنک‌سازی، قطعه از قالب جدا شده و عملیات تکمیلی مانند برطرف‌کردن عیوب سطحی، عملیات حرارتی و ماشینکاری صورت می‌گیرد.

افزودن مواد کروی کننده در قالب

از دیگر روش‌هایی که در کنار ریخته گری چدن نشکن معرفی می‌شود، استفاده از آلیاژ MgFeSi در یک محفظه در سیستم راهگاهی است که مذاب به محض عبور از آن، با آلیاژ واکنش داده و عملیات کروی کردن را انجام می‌دهد.

بازیابی منیزیم در این روش نسبتا بالاست، معمولا بین ۷۰ تا ۸۰ درصد، با کمترین میرایی جوانه‌زنی که گاهی تا ۱۰۰ درصد هم می‌رسد. مقدار گوگرد در این روش بسیار کم است، حدودا ۰.۰۱ یا کمتر، تا از تشکیل آخال جلوگیری شود. زمان ریختن نیز باید دقیقا کنترل شود تا اطمینان حاصل شود که آلیاژ به‌طور کامل حل شده است.

توپی متخلخل

در این روش، پاتیل توپی متخلخل برای گوگردزدایی با استفاده از کاربید کلسیم به‌کار می‌رود. پس از اتمام عملیات گوگردزدایی، آلیاژ کروی‌کننده با تاخیر و در حالی‌که مذاب هنوز توسط توپی متخلخل در تلاطم قرار دارد (با هم‌زدن شدید توسط حباب‌های کوچک گاز خنثی)، اضافه می‌شود. بازیابی منیزیم در این روش می‌تواند به بیش از ۳۵ درصد برسد. اتلاف دما همراه با حباب‌های گازی از عیوب این فرآیند محسوب می‌شوند.

فن سقوط مستقیم

در این روش، آلیاژهای با چگالی بالاتر از چدن به‌طور مستقیم درون مذاب پاتیل افزوده می‌شوند. این آلیاژها ممکن است برای بازیابی گرافیت‌های کروی در چدن که به علت زمان نگهداری طولانی محو می‌شوند نیز استفاده کنند. بازیابی روش فن سقوط مستقیم بیش از ۷۰ درصد گزارش شده است. از مزایای این روش کاهش بخارات، کاهش کف روی ذوب و سهولت آن محسوب می‌شود.

عیب عمده آن نیز قیمت آلیاژ است. آلیاژهای رایج با چگالی بیش‌تر از آهن شامل Ni60%-Mg6.4% در موازنه با آهن (حداکثر دمای عملیات ۱۴۶۹ درجه سانتیگراد) و Ni95%-Mg6.4% (حداکثر دمای عملیات ۱۵۳۷ درجه سانتیگراد) هستند.

پاتیل فشاری و محفظه فشاری

پاتیل و محفظه فشاری در روش‌های ذیل است:

روش پاتیل فشاری

• در این روش، پاتیل به‌طور کامل درزگیری شده و سپس فشار گاز بر روی مواد کروی کننده (منیزیم) که داخل محفظه ای جداگانه قرار دارند، اعمال می شود.
• این فشار باعث می‌شود که مواد کروی کننده به داخل مذاب آهن تزریق شوند.
• مزیت این روش، راندمان بالای بازیابی منیزیم (حدود 70 تا 80 درصد) است.
• اما این روش به تجهیزات و تاسیسات پیچیده و پرهزینه ای نیاز دارد.

روش محفظه فشاری

• در این روش، پاتیل حاوی مذاب آهن داخل یک محفظه فشاری قرار داده می‌شود.
• سپس مواد کروی کننده (منیزیم) به داخل محفظه تزریق شده و فشار گاز اعمال خواهد شد.
• این روش نیز مانند روش پاتیل فشاری، راندمان بازیابی منیزیم بالایی دارد.
• اما به دلیل نیاز به محفظه فشاری بزرگ، این روش نیز پرهزینه است.

کاربرد چدن نشکن در صنایع

از آنجایی‌که ریخته گری چدن نشکن صنایع مختلفی را در بر می‌گیرد، بنابراین بهتر است نگاهی به کاربرد چدن نیز داشته باشیم. چدن نشکن به‌دلیل خواص مکانیکی و متالورژیکی منحصربه‌فرد خود، در صنایع مختلفی کاربرد دارد. برخی از کاربردهای چدن نشکن عبارتند از:

صنعت خودرو

• میل لنگ
• سرسیلندر
• بلوک موتور
• دیفرانسیل
• چرخ ها
• قطعات سیستم تعلیق

صنعت ماشین سازی

• بدنه ماشین آلات
• پایه ها و یاتاقان ها
• چرخ دنده ها
• پمپ ها و شیرآلات
• تجهیزات انتقال قدرت

صنعت کشاورزی

• تراکتورها
• کمباین ها
• ادوات کشاورزی
• تجهیزات آبیاری

صنعت ساخت و ساز

• لوله ها و اتصالات
• دریچه ها
• تیرچه ها و ستون ها
• قطعات پیش ساخته

صنایع دیگر

• معادن
• راه آهن
• صنایع دریایی
• تولید انرژی

سخن پایانی

ریخته‌ گری چدن نشکن، فرآیندی است که در آن چدن با استفاده از مواد کروی‌کننده تولید می‌شود. این فرآیند می‌تواند از روش‌های مختلفی از جمله پاتیل فشاری، محفظه فشاری یا تزریق سیم استفاده کند. هر یک از این روش‌ها مزایا و معایبی دارند و انتخاب آن بستگی به شرایط فنی، محیطی و اقتصادی دارد. ریخته ‌گری چدن نشکن یکی از مهم‌ترین فرآیندهای صنعتی است که توانایی تولید قطعات با خواص مکانیکی بالا را دارد.