مقدمه
ریخته گری یکی از قدیمی ترین و اساسی ترین فرآیندهای تشکیل فلز در تولید صنعتی است, به دلیل توانایی تولید پیچیده شناخته شده است, بادوام, و اجزای مقرون به صرفه در مقیاس.
این فرایند شامل ذوب آلیاژهای چدن و ریختن فلز مذاب در قالب ها است, جایی که آن را به شکل های مهندسی متناسب با نیازهای خاص مکانیکی و ساختاری تبدیل می کند.
امروز, ریخته گری چدن یک ماده مهم در سراسر خودرو است, ساخت و ساز, کشاورزی, و بخش های انرژی - به دلیل قابلیت استفاده برتر آن ارزش دارد, مقاومت در برابر سایش عالی, و ثبات حرارتی بالا.
1. ریخته گری چدن چیست؟?
چدن بازیگران از خصوصیات منحصر به فرد چدن - نقطه ذوب کم (1،200-1،370 درجه سانتیگراد), سیالیت بالا هنگام مذاب, و قابلیت پر کردن قالب خوب - برای تولید قطعاتی با هندسه های پیچیده, از لوله های دیواری نازک گرفته تا قاب های ماشین آلات سنگین.
برخلاف جعل (که فلز جامد را شکل می دهد) یا ماشینکاری (که مواد را حذف می کند), ریخته گری با فلز مایع شروع می شود, امکان ویژگی های پیچیده داخلی (به عنوان مثال, حفره های توخالی, زیرپوش) دستیابی به روشهای دیگر غیر عملی یا پرهزینه خواهد بود.
در هسته آن, این روند به محتوای کربن چدن متکی است: کربن به عنوان گرافیت یا کاربید وجود دارد, دیکته خواص آلیاژ.
این انعطاف پذیری - ساخت ریزساختار از طریق ترکیب و خنک کننده - باعث می شود ریخته گری چدن سازگار با برنامه های متنوع باشد, از بلوک های موتور لرزش و لرزش گرفته تا ابزارهای صنعتی مقاوم در برابر سایش.
2. انواع چدن که در ریخته گری استفاده می شود
چدن یک ماده واحد نیست, بلکه خانواده ای از آلیاژهای کربن آهن با خواص مختلف است, ساختارهای ریز ساختار, و خصوصیات عملکرد.
انتخاب نوع چدن به شدت به برنامه مورد نظر بستگی دارد, الزامات مکانیکی, و محیط کار. در زیر انواع اصلی چدن مورد استفاده در فرآیندهای ریخته گری وجود دارد:
خاکستری خاکستری
چدن خاکستری پرکاربردترین نوع چدن است, حسابداری بیش از 70% تولید جهانی چدن.
نام خود را از رنگ خاکستری سطح شکستگی آن می گیرد, که ناشی از پوسته های گرافیتی در یک ماتریس فریت یا مروارید است.
این پوسته ها به عنوان کنسانتره استرس عمل می کنند, که استحکام کششی پایین اما باعث افزایش هدایت حرارتی و میرایی لرزش می شود.
سهولت ریخته گری, کم هزینه, و ماشینکاری عالی آن را به یک ماده اصلی در مهندسی عمومی تبدیل می کند.
- ویژگی قابل توجه: ساختار گرافیت Flake به خصوصیات میرایی عالی آن کمک می کند, ایده آل برای برنامه هایی که در آن کاهش لرزش بسیار مهم است.
آهن (چدن چدن)
آهن در 1948 به عنوان یک پیشرفت نسبت به آهن خاکستری سنتی.
از طریق افزودن کنترل شده منیزیم یا سریم, گرافیت در ریزساختار گره های کروی را به جای پوسته شدن تشکیل می دهد.
این به طور قابل توجهی خصوصیات مکانیکی مانند انعطاف پذیری را افزایش می دهد, سختی, و قدرت خستگی. آهن انعطاف پذیر در بسیاری از کاربردهای ساختاری و فشار جایگزین مقرون به صرفه برای فولاد ارائه می دهد.
- ویژگی قابل توجه: قابلیت چدن آهن خاکستری را با خواص مکانیکی نزدیک به فولاد-به ویژه در بار زیاد مفید می کند, چرخه ای, یا محیط های پویا.
چدن سفید
چدن سفید برای سفید نامگذاری شده است, سطح شکستگی کریستالی ناشی از عدم وجود گرافیت و وجود کاربیدهای آهن (سیمانیت).
این کاربیدها سختی و مقاومت در برابر سایش آلیاژ را به وجود می آورند اما ماشین را بسیار شکننده و دشوار می کنند.
آهن سفید به عنوان ریخته شده اغلب در کاربردهای مهم و مهم استفاده می شود, یا به عنوان پیشرو آهن قابل انعطاف از طریق عملیات حرارتی.
- ویژگی قابل توجه: سختی و مقاومت بالای آن در پوشیدن آن را برای آسترها ایده آل می کند, سقوط, و سطوح در معرض تماس ساینده مداوم.
چدن قابل انعطاف
آهن قابل انعطاف توسط چدن سفید با گرما برای دوره های طولانی در دمای بین 850 تا 1000 درجه سانتیگراد در فرآیندی به نام آنیل تولید می شود.
این فرآیند کاربیدهای آهن را به کربن خلق و خوی تجزیه می کند (خوشه های گرافیتی), به طور قابل توجهی افزایش انعطاف پذیری و مقاومت در برابر ضربه.
در حالی که در بسیاری از برنامه ها تا حد زیادی توسط آهن انعطاف پذیر جایگزین شده است, در جایی که کوچک باشد مهم است, قطعات پیچیده به چقرمگی و دقت بعدی نیاز دارند.
- ویژگی قابل توجه: تعادل خوبی از قدرت و انعطاف پذیری ارائه می دهد, به خصوص در ریخته گری های دیواری نازک برای سخت افزار, خودرو, و سیستم های لوله.
آهن گرافیتی فشرده (CGI)
آهن گرافیتی فشرده, یا CGI, یک تکامل مدرن در متالورژی چدن است, دارای ذرات گرافیتی به شکل کوتاه, کرم های ضخیم.
این ساختار شکاف بین آهن خاکستری و آهن انعطاف پذیر را در هر دو عملکرد مکانیکی و حرارتی ایجاد می کند.
CGI استحکام بالاتری نسبت به آهن خاکستری و هدایت حرارتی بهتر از آهن انعطاف پذیر دارد. هر چند, در هنگام ریخته گری نیاز به کنترل فرآیند سخت تر و تکنیک های تخصصی تلقیح دارد.
- ویژگی قابل توجه: تعادل قدرت, هدایت حرارتی, و سفتی, ساخت آن به عنوان ماده مورد نظر برای بلوک های موتور با کارایی بالا و اجزای توربوشارژر.
3. ترکیب شیمیایی و متالورژی چدن
ویژگی های عملکرد منحصر به فرد ریخته گری های چدن از ترکیب شیمیایی آنها و ریزساختارهای ناشی از آن ناشی می شود.
| عنصر / جنبه | محتوای معمولی (%) | نقش / اثر در چدن |
| کربن (جف) | 2.0 - 4.0 | عنصر اصلی; گرافیت یا کاربیدها را بر قدرت تأثیر می گذارد, سختی, و قابلیت ماشینکاری |
| سیلیکون (وت) | 1.0 - 3.0 | شکل گیری گرافیت را ترویج می کند, سیالیت و ریخته گری را بهبود می بخشد, فریت را تثبیت می کند |
| منگنز (منگنه) | 0.1 - 1.2 | به عنوان deoxidizer عمل می کند, گوگرد را کنترل می کند, قدرت و تشکیل مروارید را بهبود می بخشد |
| گوگرد (حرف) | < 0.1 | ناحانی; باعث شستشو و تنگی گرم می شود, کنترل شده توسط اضافات MN |
| فسفر (پ) | < 1.0 | سیالیت را بهبود می بخشد اما چقرم و انعطاف پذیری را کاهش می دهد |
| کروم (کلوچه) | 0.5 - 2.5 | سختی را افزایش می دهد, مقاومت در برابر سایش و خوردگی در آهنین آلیاژ |
| مولیبدن (مس) | 0.2 - 1.0 | قدرت درجه حرارت بالا و مقاومت خزش را افزایش می دهد |
| نیکل (در) | 0.5 - 2.5 | سختی را بهبود می بخشد, مقاومت در برابر ضربه, مقاومت در برابر خوردگی, و آستنیت را تثبیت می کند |
| مس (مس) | 0.2 - 1.0 | قدرت را افزایش می دهد و ریزساختار مروارید را ترویج می کند |
| منیزیم (مگس) | 0.02 - 0.06 | ضروری برای گره (دوک) تشکیل گرافیت |
| سریم / زمین های نادر | مقادیر ردیابی | گره های گرافیتی را اصلاح می کند و تعداد گره ها را در آهنین انعطاف پذیر بهبود می بخشد |
| تیتانیوم (از) / ودیوم (حرفهای) | ردیابی به 0.5 | پالایش دانه و تشکیل کاربید برای مقاومت در برابر سایش |
4. فرآیندهای ریخته گری چدن
ریخته گری یک روش تولید همه کاره است که در آن چدن مذاب در قالب ریخته می شود تا اشکال پیچیده ای ایجاد کند که تولید آن با روش های دیگر دشوار یا پر هزینه باشد.
انتخاب فرآیند ریخته گری به عواملی مانند اندازه مؤلفه بستگی دارد, پیچیدگی, پایان سطح, الزامات مکانیکی, و حجم تولید.
در زیر مروری بر فرآیندهای ریخته گری مشترک برای چدن استفاده می شود:
ریخته گری
ریخته گری شن قدیمی ترین و متنوع ترین روش ریخته گری است, به دلیل توانایی آن در تولید قطعاتی از اجزای کوچک گرفته تا قطعات بزرگ ماشین آلات سنگین مورد استفاده قرار می گیرد.
از قالب های مبتنی بر شن و ماسه استفاده می کند, که به راحتی می توان در اطراف الگوهای شکل گرفت, اجازه تغییرات سریع و سازگاری.
این انعطاف پذیری باعث می شود ریخته گری شن و ماسه برای نمونه سازی ایده آل باشد, دارای حجم کم, و تولید در مقیاس بزرگ.
مزایا:
- هزینه ابزار اولیه و قالب کم
- می تواند ریخته گری های بسیار بزرگ را در خود جای دهد
- انعطاف پذیر برای هندسه های پیچیده و تغییرات طراحی
- مناسب برای انواع مختلف نمرات چدن
برنامه:
- بلوک های موتور و سرهای سیلندر
- محفظه پمپ و بدنهای دریچه
- قطعات تجهیزات کشاورزی و ساختمانی
- اتصالات لوله و روکش منهول
ریخته گری قالب
ریخته گری قالب فرآیند ریخته گری ماسه را با استفاده از مخلوط ماسه ای پوشیده از رزین تقویت می کند تا نازک شود, پوسته های سفت و سخت در اطراف یک الگوی گرم. این منجر به دقت در ابعاد بالاتر و اتمام سطح ظریف تر می شود.
این ماده به ویژه برای اجزای متوسط و متوسط مناسب است که نیاز به تحمل بهتر و کیفیت سطح نسبت به ریخته گری شن و ماسه سنتی دارند.
مزایا:
- سطح برتر در مقایسه با ریخته گری ماسه
- دقت و ثبات بعدی بهتر
- کاهش نیازهای ماشینکاری
- چرخه تولید سریعتر برای ریخته گری های متوسط
برنامه:
- اجزای خودرو مانند براکت و خانه
- اجسام دریچه صنعتی و قطعات پمپ
- قطعات ماشین آلات با دقت کوچک و متوسط
ریخته گری
ریخته گری نیروی گریز از مرکز تولید شده توسط یک قالب چرخان را برای توزیع چدن مذاب به طور مساوی اعمال می کند.
این منجر به متراکم می شود, ریخته گری بدون نقص با خصوصیات مکانیکی برتر, مخصوصاً در لایه های بیرونی.
این فرایند برای تولید قطعات استوانه ای متقارن بهینه شده است و در صورت مهم بودن قدرت و قابلیت اطمینان مورد علاقه است.
مزایا:
- باکیفیت, ریزساختار متراکم با حداقل اجزاء
- خصوصیات مکانیکی عالی, از جمله مقاومت در برابر خستگی
- تولید کارآمد قطعات استوانه ای و لوله ای
- کاهش نقص مانند انقباض و تخلخل گاز
برنامه:
- لوله ها و لوله های آب, گاز, و صنایع نفتی
- آستین و بوش
- سیلندرهای هیدرولیک و اجزای پمپ
- لوله های صنعتی با فشار بالا
ریخته گری سرمایه گذاری
سرمایه گذاری سرمایه گذاری, یا ریخته گری موم گمشده, به دلیل تولید قطعات بسیار پیچیده و دقیق با اتمام سطح عالی مشهور است.
این امکان را برای حداقل پردازش پس از آن فراهم می کند و برای هندسه های پیچیده و اجزای دیواره نازک مناسب است.
اگرچه از نظر اندازه گران تر و محدودتر است, این جزئیات بی نظیر و کنترل بعدی را ارائه می دهد.
مزایا:
- پایان سطح استثنایی و دقت بعدی
- امکان ریختن اشکال پیچیده و دیواره ای نازک
- حداقل ماشینکاری و اتمام لازم است
- مناسب برای حجم تولید کوچک و متوسط
برنامه:
- اجزای هوافضا که نیاز به تحمل محکم دارند
- قطعات توربوشارژر اتومبیل
- پمپ دقیق و اجزای دریچه
- قطعات کوچک ماشین آلات صنعتی
خلاصه مقایسه ای
| روش ریخته گری | پایان سطح | دقت | برنامه های معمولی | مزایا | محدودیت ها |
| ریخته گری | معتاد (100-250 میکرومتر) | معتاد (0.5 ±) | بزرگ, اشکال پیچیده | هزینه ابزار کم, انعطاف پذیر | سطح خشن, دقت متوسط |
| ریخته گری قالب | خوب (50-100 میکرومتر) | عالی (0.2 ±) | قطعات دقیق متوسط تا کوچک | پایان بهتر, کنترل ابعادی | هزینه قالب بالاتر |
| ریخته گری | متوسط تا خوب | عالی | استوانه ای, قطعات متقارن | ریزساختار متراکم, قطعات قوی | محدود به اشکال توخالی |
| ریخته گری سرمایه گذاری | عالی (<50 μM) | خیلی بلند | کوچک, اجزای پیچیده | دقیق, اشکال پیچیده | گران, اندازه محدود |
5. خصوصیات مکانیکی و فیزیکی
ریخته گری های چدن برای طیف متنوعی از خصوصیات مکانیکی و فیزیکی آنها ارزش دارد, که بسته به نوع خاص چدن به طور قابل توجهی متفاوت است, ساختار, و روش های پردازش مورد استفاده.
خصوصیات مکانیکی ریخته گری چدن
| دارایی | خاکستری خاکستری | دوک (گره دار) اتو کردن | چدن سفید | چدن قابل انعطاف | آهن گرافیتی فشرده (CGI) |
| استحکام کششی (MPA) | 170 - 370 | 400 - 700 | 350 - 600 | 300 - 550 | 350 - 550 |
| قدرت عملکرد (MPA) | 100 - 250 | 250 - 550 | - | 200 - 400 | 300 - 450 |
| کشیدگی (%) | 0.5 - 2 | 3 - 18 | <1 | 3 - 10 | 1.5 - 6 |
| سختی (HB) | 150 - 250 | 180 - 280 | 400 - 600 | 200 - 300 | 200 - 300 |
| قدرت ضربه (j) | کم | عالی | خیلی کم | معتاد | معتاد |
| مدول خاصیت خاصیت ارتجاعی (معدل) | 100 - 170 | 160 - 190 | 180 - 210 | 160 - 180 | 170 - 190 |
خصوصیات فیزیکی ریخته گری آهن
| دارایی | دامنه معمولی / ارزش | یادداشت ها |
| تراکم (g/cm³) | 6.9 - 7.3 | با درجه چدن کمی متفاوت است |
| هدایت حرارتی (w/m · k) | 35 - 55 | اتلاف گرمای خوب, در بلوک های موتور و وسایل آشپزی مفید است |
| ضریب انبساط حرارتی (× 10 ⁻⁶ /درجه سانتیگراد) | 10 - 12 | بر ثبات بعدی در طول تغییرات دما تأثیر می گذارد |
| ظرفیت میرایی | عالی (مخصوصاً آهن خاکستری) | جذب لرزش عالی |
| مقاومت در برابر خوردگی | معتاد | با آلیاژ یا روکش ها قابل افزایش است |
| نقطه ذوب (درجه سانتیگراد) | 1150 پوند - 1300 | بستگی به ترکیب و فرم گرافیت دارد |
6. برنامه های ریخته گری چدن
- صنعت خودرو:
بلوک موتور, سرهای سیلندر, طبل ترمز, محل تجهیزات دنده, قطعات تعلیق - ساخت و ساز و زیرساخت:
لوله, اتصالات, ستون, براکت های ساختاری, روکش منهول - ماشین آلات کشاورزی:
قاب, محوطه, شخم زدن, ابزارهای خاکورزی - تجهیزات صنعتی:
پمپ, کمپرسو, جعبه دنده, بدنهای - وسایل آشپزی و وسایل خانگی:
مهارت, اجاق گاز, بازیگران تزئینی - شهرداری و آبشارهای:
اتصالات آبشار, هیدروس, پمپ, روکش منهول
7. مزایای ریخته گری آهن
ریخته گری چدن مزایای بی شماری را ارائه می دهد که قرنهاست که آن را به عنوان اصلی در ساخت فلز تبدیل کرده است.
این مزایا ناشی از ریزساختار منحصر به فرد آن است, تطبیق پذیری, و مقرون به صرفه.
ماشینکاری عالی
- خاکستری خاکستری, با ساختار پوسته گرافیتی آن, قابلیت ماشین سازی استثنایی را فراهم می کند, کاهش سایش ابزار و زمان ماشینکاری.
- تولید پیچیده را قادر می سازد, اجزای دقیق با هزینه های پایین تر تولید.
مقاومت در برابر سایش زیاد
- چدن سفید و سایر نمرات با ریزساختارهای سخت مقاومت در برابر سایش برتر.
- ایده آل برای برنامه های در معرض پوشیدن مکانیکی سخت مانند آسیاب های سنگ زنی, قطعات سنگ شکن, و ابزارهای کشاورزی.
میرایی ارتعاش برتر
- پوسته های گرافیتی در چدن خاکستری ارتعاشات و سر و صدا, افزایش عملکرد و طول عمر ماشین آلات مانند بلوک های موتور و تختخواب ماشین.
مقرون به صرفه برای تولید با حجم بزرگ
- ریخته گری ماسه ای و سایر روشهای ریخته گری باعث تولید اقتصادی اشکال پیچیده بدون ماشینکاری گسترده می شود.
- مواد اولیه و هزینه انرژی در مقایسه با سایر فلزات نسبتاً کم است.
هدایت حرارتی خوب و احتباس گرما
- چدن گرما را به طور کارآمد از بین می برد, مناسب برای اجزای موتور و وسایل آشپزی که به توزیع حرارت یکنواخت نیاز دارند.
قابلیت بازیافت و مزایای زیست محیطی
- قراضه چدن بدون از دست دادن کیفیت بسیار قابل بازیافت است.
- فرآیندهای ذوب و ریخته گری با انرژی به تولید پایدار کمک می کند.
تطبیق پذیری در خصوصیات مکانیکی
- انواع مختلف چدن (خاکستری, دوک, نرم, CGI) سفارشی سازی قدرت را اجازه دهید, انعطاف پذیری, سختی, و سختی متناسب با برنامه های متنوع.
8. چالش ها و محدودیت های ریخته گری آهن
شجاعت
بیشتر آهنین بازیگران, مخصوصاً آهنین بازیگران خاکستری و سفید, مقاومت کششی کم و انعطاف پذیری محدود دارند.
این شکنندگی باعث می شود که آنها در معرض ترک خوردگی تحت تأثیر یا بارهای ناگهانی قرار بگیرند, محدود کردن استفاده آنها در برنامه های پویا یا شوک لود.
آهنین بازیگران داکتیل و قابل انعطاف ، چقرمگی بهبود یافته اما با هزینه های بالاتر را ارائه می دهد.
کنترل کوچک و تخلخل
چدن در حین جامد شدن ، انقباض حجمی را تجربه می کند, که در صورت عدم مدیریت صحیح می تواند باعث تخلخل داخلی و نقص سطح شود.
طراحی دقیق قالب, دروازه, و افزایش برای به حداقل رساندن این نقص های ریخته گری ضروری است.
وزن و چگالی
با چگالی در اطراف 7.2 g/cm³, قطعات چدن نسبتاً سنگین است.
این می تواند یک نقطه ضعف در برنامه هایی باشد که کاهش وزن بسیار مهم است, مانند راندمان سوخت خودرو و اجزای هوافضا.
شوک حرارتی و ترک خوردگی
تغییرات سریع دما می تواند باعث ایجاد شوک حرارتی در اجزای چدن شود, منجر به ترک خوردگی یا پیچ و تاب شدن.
این خصوصاً نگرانی در وسایل آشپزی و قطعات موتور در معرض نوسان دما است.
مقاومت در برابر خوردگی محدود
در حالی که چدن در بسیاری از محیط ها مقاوم در برابر خوردگی است, در برابر زنگ زدگی در شرایط مرطوب یا اسیدی آسیب پذیر است مگر اینکه توسط پوشش ها یا عناصر آلیاژ محافظت شود.
9. پایان
ریخته گری چدن یک گلدان تولید مدرن است, آمیختن خرد باستان با متالورژی پیشرفته برای تولید مقرون به صرفه, اجزای بادوام.
از بلوک موتور آهن خاکستری ارتعاشات میرایی گرفته تا میل لنگ آهن انعطاف پذیر در برابر گشتاور, تطبیق پذیری آن شامل صنایع است.
در حالی که توسط مواد سبک وزن مانند آلومینیوم و فولاد با استحکام به چالش کشیده می شود, خصوصیات منحصر به فرد چدن - مقاومت در برابر لباس, قابلیت تغییر, و قابلیت بازیافت - اهمیت آن را حفظ کنید.
پیشرفت در آلیاژها (به عنوان مثال, CGI) و فرآیندها (به عنوان مثال, 3قالب های شن و ماسه چاپ شده D) قابلیت های خود را گسترش می دهند, اثبات اینکه این فناوری بنیادی همچنان در حال تحول است.
به عنوان پایداری و تولید کارآیی درایو, ریخته گری چدنی ضروری خواهد ماند, پل زدن سنت و نوآوری.
متداول
چدن مغناطیسی است?
بله. تمام انواع چدن به دلیل ماتریس غنی از آهن فرومغناطیسی هستند, برخلاف فولاد ضد زنگ آستنیتی.
آهن انعطاف پذیر با آهن خاکستری چگونه متفاوت است?
آهن انعطاف پذیر حاوی منیزیم است, که گرافیت را کروی می کند, با کشش 2-18 ٪ (در مقابل. آهن خاکستری <1%). این باعث می شود که انعطاف پذیر و مقاوم در برابر ضربه باشد, مناسب برای قطعات استرس بالا.
آیا چدن می تواند جوش داده شود?
آهن انعطاف پذیر را می توان با پیش گرم شدن جوش داد (200-300 درجه سانتیگراد) و پرکننده های مبتنی بر نیکل, اما آهن خاکستری به دلیل شکنندگی دشوار است. جوش اغلب باعث ترک خوردگی می شود, بنابراین پیوستن مکانیکی ارجح است.
چرا از آهن خاکستری برای بلوک های موتور استفاده می شود?
گرافیت پوسته آن ارتعاشات را از بین می برد (کاهش نویز), هدایت حرارتی بالا (گرمای موتور را مدیریت می کند), و قابلیت بازیگری عالی (کاپشن های پیچیده آب و معابر روغن را تشکیل می دهد).
مزیت اصلی آهن گرافیت فشرده چیست؟ (CGI)?
CGI هدایت حرارتی آهن خاکستری را با استحکام آهن انعطاف پذیر متعادل می کند, ایده آل برای سرهای سیلندر موتور دیزل (به عنوان مثال, در کامیون های سنگین) که باید در برابر درجه حرارت و فشار زیاد مقاومت کنند.
