أنواع الحديد الزهر ، التصنيف ، التركيب ، الخصائص ، الوسم والتطبيق

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 10:18

اليوم تقريبًا لا توجد منطقة من حياة الإنسان لا يتم فيها استخدام الحديد الزهر. هذه المادة معروفة للبشرية لفترة طويلة وقد أثبتت نفسها بشكل ممتاز من وجهة نظر عملية. الحديد الزهر هو أساس مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأجزاء والتجمعات والآليات ، وفي بعض الحالات حتى منتج مكتفٍ ذاتيًا قادرًا على أداء الوظائف الموكلة إليه. لذلك ، في هذه المقالة سوف نولي اهتماما كبيرا لهذا المركب المحتوي على الحديد. سنكتشف أيضًا أنواع الحديد الزهر ، وخصائصها الفيزيائية والكيميائية.

التعريف

الحديد الزهر هو سبيكة فريدة من نوعها من الحديد والكربون ، حيث يكون الحديد أكثر من 90٪ ، و C لا يزيد عن 6.67٪ ، ولكن ليس أقل من 2.14٪. أيضا ، يمكن العثور على الكربون في الحديد الزهر على شكل سمنتيت أو جرافيت.

يعطي الكربون السبيكة صلابة عالية بدرجة كافية ، ومع ذلك ، في نفس الوقت ، فإنه يقلل من قابليتها للتطويع والليونة. نتيجة لذلك ، يعتبر الحديد الزهر مادة هشة. أيضًا ، يتم إضافة إضافات خاصة إلى درجات معينة من الحديد الزهر ، والتي يمكن أن تعطي المركب خصائص معينة. يمكن أن يكون دور عناصر صناعة السبائك: النيكل والكروم والفاناديوم والألمنيوم. مؤشر كثافة الحديد الزهر 7200 كيلوجرام لكل متر مكعب. مما يمكن استنتاج أنوزن الحديد الزهر هو مؤشر لا يمكن أن يسمى صغير

الخلفية التاريخية

صهر الحديد معروف منذ فترة طويلة للإنسان. يعود أول ذكر للسبيكة إلى القرن السادس قبل الميلاد.

في العصور القديمة ، أنتجت الصين الحديد الزهر بنقطة انصهار منخفضة إلى حد ما. بدأ إنتاج الحديد الزهر في أوروبا في القرن الرابع عشر تقريبًا ، عندما تم استخدام أفران الصهر لأول مرة. في ذلك الوقت ، تم استخدام هذا المصبوب الحديدي لإنتاج الأسلحة والقذائف وأجزاء البناء.

في روسيا ، بدأ إنتاج الحديد الزهر بنشاط في القرن السادس عشر ثم توسع بسرعة. في زمن بيتر الأول ، كانت الإمبراطورية الروسية قادرة على تجاوز جميع دول العالم من حيث إنتاج الحديد ، ولكن بعد مائة عام بدأت تفقد قوتها مرة أخرى في سوق المعادن الحديدية.

تم استخدام الحديد الزهر لإنشاء مجموعة متنوعة من الأعمال الفنية منذ العصور الوسطى. على وجه الخصوص ، في القرن العاشر ، ألقى أسياد الصين شخصية فريدة حقًا لأسد تجاوز وزنه 100 طن. بدءًا من القرن الخامس عشر في ألمانيا ، وبعد ذلك في البلدان الأخرى ، انتشر صب الحديد الزهر. صنعت منه الأسوار ، والمشابك ، ومنحوتات الحدائق ، وأثاث الحدائق ، وشواهد القبور.

في السنوات الأخيرة من القرن الثامن عشر ، كان صب الحديد أكثر مشاركة في الهندسة المعمارية لروسيا. وكان القرن التاسع عشر يُطلق عليه عمومًا "عصر الحديد الزهر" ، حيث كانت السبائك تستخدم بنشاط كبير في الهندسة المعمارية.

الميزات

هناك أنواع مختلفةومع ذلك ، يبلغ متوسط درجة انصهار هذا المركب المعدني حوالي 1200 درجة مئوية. هذا الرقم هو 250-300 درجة أقل من المطلوب لصناعة الصلب. يرتبط هذا الاختلاف بمحتوى عالٍ من الكربون ، مما يؤدي إلى روابطه الأقل قربًا مع ذرات الحديد على المستوى الجزيئي.

في وقت الصهر والتبلور اللاحق ، لم يكن للكربون الموجود في الحديد الزهر وقت لاختراق الشبكة الجزيئية للحديد ، وبالتالي تبين في النهاية أن الحديد الزهر هش للغاية. في هذا الصدد ، لا يتم استخدامه في حالة وجود أحمال ديناميكية ثابتة. لكن في الوقت نفسه ، فهو ممتاز لتلك الأجزاء التي زادت متطلبات القوة.

تكنولوجيا الإنتاج

على الإطلاق يتم إنتاج جميع أنواع الحديد الزهر في فرن صهر. في الواقع ، تعتبر عملية الصهر نفسها نشاطًا شاقًا يتطلب استثمارات مادية جادة. يتطلب طن واحد من الحديد الخام حوالي 550 كيلوجرامًا من فحم الكوك وحوالي طن من الماء. يعتمد حجم الخام المحمّل في الفرن على محتوى الحديد. في أغلب الأحيان ، يتم استخدام خام ، حيث لا يقل الحديد عن 70 ٪. التركيز المنخفض للعنصر غير مرغوب فيه ، لأنه سيكون من غير الاقتصادي استخدامه.

إنتاج المرحلة الأولى

صهر الحديد على النحو التالي. بادئ ذي بدء ، يتم سكب الخام في الفرن ، وكذلك درجات فحم الكوك ، والتي تعمل على الضغط والحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة داخل عمود الفرن. بالإضافة إلى ذلك ، تشارك هذه المنتجات أثناء عملية الاحتراق بنشاط في التفاعلات الكيميائية الجارية فيدور عوامل تقليل الحديد.

في نفس الوقت ، يتم تحميل التدفق في الفرن ، والذي يعمل كمحفز. يساعد الصخور على الذوبان بشكل أسرع مما يعزز إطلاق الحديد.

من المهم ملاحظة أن الخام يخضع لمعالجة مسبقة خاصة قبل تحميله في الفرن. يتم سحقها في كسارة (تذوب الجزيئات الصغيرة بشكل أسرع). ثم يتم غسلها لإزالة الجسيمات الخالية من المعادن. بعد ذلك ، يتم حرق المادة الخام ، ونتيجة لذلك يتم إزالة الكبريت والعناصر الأجنبية الأخرى منه.

المرحلة الثانية من الإنتاج

يتم توفير الغاز الطبيعي للفرن محمل وجاهز للتشغيل من خلال مواقد خاصة. يسخن فحم الكوك المواد الخام. في هذه الحالة ، يتم إطلاق الكربون الذي يتحد مع الأكسجين ويشكل أكسيدًا. يشارك هذا الأكسيد لاحقًا في استعادة الحديد من الركاز. لاحظ أنه مع زيادة كمية الغاز في الفرن ينخفض معدل التفاعل الكيميائي ، وعندما يتم الوصول إلى نسبة معينة يتوقف تمامًا.

يخترق الكربون الزائد الذوبان وينضم إلى الحديد ، ويشكل في النهاية الحديد الزهر. كل تلك العناصر التي لم تذوب موجودة على السطح وتتم إزالتها في النهاية. هذه النفايات تسمى الخبث. يمكن استخدامه أيضًا لإنتاج مواد أخرى. تسمى أنواع الحديد الزهر التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة بالمسبك والحديد الزهر.

تمايز

التصنيف الحديث للحديد الزهر ينص على تقسيم هذه السبائك إلى الأنواع التالية:

• أبيض.
• النصف.
• رمادي مع تقشر الجرافيت.
• الجرافيت العقدي عالي القوة.
• مطيل.

دعونا نلقي نظرة على كل واحد على حدة.

الحديد الزهر الأبيض

هذا الحديد الزهر هو الحديد الذي يتم فيه ربط كل الكربون تقريبًا كيميائيًا. في الهندسة الميكانيكية ، لا تُستخدم هذه السبيكة كثيرًا ، لأنها صلبة ، لكنها هشة للغاية. أيضًا ، لا يمكن تشكيلها باستخدام أدوات القطع المختلفة ، وبالتالي فهي تستخدم في صب الأجزاء التي لا تتطلب أي معالجة. على الرغم من أن هذا النوع من الحديد الزهر يسمح بالطحن باستخدام عجلات جلخ. يمكن أن يكون الحديد الزهر الأبيض عاديًا وسبائكًا. في الوقت نفسه ، يسبب اللحام صعوبات ، لأنه مصحوب بتكوين تشققات مختلفة أثناء التبريد أو التسخين ، وأيضًا بسبب عدم تجانس الهيكل الذي يتشكل عند نقطة اللحام.

يتم الحصول على الحديد المصبوب الأبيض المقاوم للتآكل عن طريق التبلور الأولي لسبائك سائلة أثناء التبريد السريع. يتم استخدامها بشكل شائع في تطبيقات الاحتكاك الجاف (مثل وسادات الفرامل) أو لإنتاج أجزاء ذات مقاومة عالية للتآكل والحرارة (لفات مطحنة الدرفلة).

بالمناسبة ، حصل الحديد الزهر الأبيض على اسمه نظرًا لحقيقة أن مظهر كسره هو سطح بلوري فاتح ومشرق. هيكل هذا الحديد الزهر هو مزيج من ليدبوريت ، بيرلايت وسمنتيت ثانوي. إذا كان هذا الحديد الزهر مخلوطًا ، يتحول البرليت إلىالتروستيت أو الأوستينيت أو مارتينسيت.

نصف الحديد الزهر

تصنيف الحديد الزهر سيكون غير مكتمل دون ذكر هذا التنوع من السبائك المعدنية.

يتميز هذا الحديد الزهر بمزيج من مواد سهلة الانصهار الكربيد والجرافيت في هيكله. بشكل عام ، يحتوي الهيكل الكامل على الشكل التالي: الجرافيت ، البرليت ، ليدبوريت. إذا تعرض الحديد الزهر للمعالجة الحرارية أو صناعة السبائك ، فسيؤدي ذلك إلى تكوين الأوستينيت أو المارتينسيت أو التروستيت الحاد.

هذا النوع من الحديد الزهر هش للغاية ، لذا فإن استخدامه محدود للغاية. حصلت السبيكة نفسها على اسمها لأن كسرها عبارة عن مزيج من المناطق المظلمة والفاتحة من الهيكل البلوري.

المواد الهندسية الأكثر شيوعًا

يحتوي الحديد الزهر الرمادي GOST 1412-85 على حوالي 3.5٪ كربون ، من 1.9 إلى 2.5٪ سيليكون ، ما يصل إلى 0.8٪ منجنيز ، حتى 0.3٪ فوسفور وأقل من 0 ، 12٪ كبريت.

الجرافيت في مثل هذا الحديد الزهر له شكل رقائقي. لا يحتاج الى تعديل خاص.

ألواح الجرافيت لها تأثير إضعاف قوي وبالتالي يتميز الحديد الزهر الرمادي بقوة تأثير منخفضة للغاية وغياب شبه كامل للاستطالة (أقل من 0.5٪).

يتم تشكيل الحديد الزهر الرمادي بشكل جيد. يمكن أن يكون هيكل السبيكة على النحو التالي:

• الجرافيت الفريت.
• الفريت-بيرليت-الجرافيت.
• الجرافيت البيرلايت.

يعمل الحديد الزهر الرمادي بشكل أفضل في الضغط منه في التوتر. هو أيضايتم اللحام بشكل جيد ، ولكن هذا يتطلب التسخين المسبق ، ويجب استخدام قضبان الحديد الزهر الخاصة التي تحتوي على نسبة عالية من السيليكون والكربون كمواد حشو. بدون التسخين المسبق ، سيكون اللحام صعبًا لأن الحديد الزهر سوف يبيض في منطقة اللحام.

يستخدم الحديد الزهر الرمادي لإنتاج الأجزاء التي تعمل بدون تحميل صدمة (بكرات ، أغطية ، أسرة).

يتم تعيين هذا الحديد الزهر وفقًا للمبدأ التالي: SCH 25-52. يشير حرفان إلى أن هذا الحديد الزهر الرمادي ، والرقم 25 هو مؤشر على قوة الشد (في MPa أو kgf / mm2) ، الرقم 52 هو قوة الشد في الوقت الحالي من الانحناء.

حديد الدكتايل

يختلف الحديد الزهر العقدي اختلافًا جوهريًا عن "إخوانه" الآخرين من حيث أنه يحتوي على الجرافيت العقدي. يتم الحصول عليها عن طريق إدخال معدلات خاصة (Mg ، Ce) في السبيكة السائلة. يمكن أن يختلف عدد شوائب الجرافيت وأبعادها الخطية.

ما هو الجيد في الجرافيت الكروي؟ حقيقة أن مثل هذا الشكل يضعف القاعدة المعدنية إلى الحد الأدنى ، والتي بدورها يمكن أن تكون من البرليت أو الحديد أو البرليت - الحديد.

بسبب استخدام المعالجة الحرارية أو صناعة السبائك ، يمكن أن تكون قاعدة الحديد الزهر حلقية - تروستيت ، مارتينسيت ، أوستنيتي.

تختلف درجات حديد الدكتايل ، لكن بشكل عام ، يكون تعيينها على النحو التالي: VCh 40-5. من السهل تخمين أن HF من الحديد الزهر عالي القوة ، والرقم 40 هو مؤشرقوة الشد (kgf / mm2) ، الرقم 5 متعلق بالاستطالة ، معبراً عنها كنسبة مئوية.

حديد الدكتايل

هيكل حديد الدكتايل هو وجود الجرافيت فيه في شكل قشاري أو كروي. في الوقت نفسه ، يمكن أن يكون للجرافيت غير المستقر نعومة واكتناز مختلفين ، والذي بدوره له تأثير مباشر على الخواص الميكانيكية للحديد الزهر.

غالبًا ما يتم إنتاج حديد الدكتايل الصناعي بقاعدة من الحديد ، مما يوفر ليونة أكبر.

مظهر الكسر من حديد الدكتايل ذو مظهر أسود مخملي. كلما زادت كمية البيرلايت في الهيكل ، أصبح الكسر أخف.

بشكل عام ، يتم الحصول على حديد الدكتايل من مصبوبات الحديد الأبيض بسبب الثبات الطويل في الأفران المسخنة إلى درجة حرارة 800-950 درجة مئوية.

اليوم ، هناك طريقتان لصنع حديد الدكتايل: أوروبية وأمريكية.

الطريقة الأمريكية هي ترطيب السبيكة في الرمل عند درجة حرارة 800-850 درجة. في هذه العملية ، يقع الجرافيت بين حبيبات أنقى أنواع الحديد. نتيجة لذلك ، يصبح الحديد الزهر لزجًا.

في الطريقة الأوروبية ، المسبوكات تضعف في خام الحديد. تبلغ درجة الحرارة في نفس الوقت حوالي 850-950 درجة مئوية. يمر الكربون إلى خام الحديد ، مما يؤدي إلى نزع الكربنة عن الطبقة السطحية للمسبوكات وتصبح ناعمة. يصبح الحديد الزهر مرنًا ، بينما يظل القلب هشًا.

تعليم الحديد القابل للطرق: KCh 40-6 ، حيث KCh ، بالطبع ، حديد قابل للطرق ؛ 40 - مؤشر قوة الشد ؛6 - استطالة٪.

مؤشرات أخرى

بالنسبة لتقسيم مكاوي الصب حسب القوة ، يتم تطبيق التصنيف التالي هنا:

• القوة النموذجية: v حتى 20 كجم / مم2.
• زيادة القوة: v=20-38 كجم / مم2.
• عالية القوة: σv=40 كجم / مم2وما فوق.

حسب الليونة ، تنقسم مكاوي الصب إلى:

• غير مرن - أقل من 1٪ استطالة
• بلاستيك منخفض - من 1٪ إلى 5٪.
• بلاستيك - من 5٪ إلى 10٪
• زيادة اللدونة - أكثر من 10٪.

في الختام ، أود أيضًا أن أشير إلى أن خصائص أي حديد زهر تتأثر بشكل كبير حتى بشكل وطبيعة الصب.