أنواع المسبوكات الحديدية

أنواع المسبوكات الحديدية

سيتناول هذا الفصل أنواع المسبوكات الحديدية المختلفة.

صب الحديد الرمادي

يتميز الحديد الزهر الرمادي بتركيبه المجهري الغرافيكي، مما يجعله عرضة للكسور ويعطي مظهرًا رماديًا. يُعد هذا النوع من الحديد الزهر الأكثر شيوعًا، كما أنه مادة صب شائعة الاستخدام بناءً على وزنه. تتميز معظم أنواع الحديد الزهر الرمادي بتحلل كيميائي بنسبة تتراوح بين 2.5% و4% من الكربون، و1% و3% من السيليكون، بينما يتكون الباقي من الحديد.

يتميز هذا النوع من الحديد الزهر بمقاومة شد ومقاومة أقل للصدمات مقارنةً بالفولاذ. كما أن مقاومته للضغط تُضاهي الفولاذ منخفض ومتوسط ​​الكربون.

يتم التحكم في كل هذه الخصائص الميكانيكية من خلال شكل رقائق الجرافيت وحجم رقائق الجرافيت الموجودة في البنية الدقيقة للحديد الزهر الرمادي.

صب الحديد الأبيض

يتميز هذا النوع من الحديد بأسطح متشققة بيضاء اللون نتيجة وجود راسب كربيد الحديد المعروف باسم السمنتيت. يترسب الكربون الموجود في الحديد الزهر الأبيض من المصهور على شكل سمنتيت في طوره المستقر، وليس جرافيت. ويتحقق ذلك باستخدام نسبة أقل من السيليكون كعامل جرافيتي، وبمعدل تبريد أسرع. بعد هذا الترسيب، يتشكل السمنتيت على شكل جزيئات كبيرة.

أثناء ترسيب كربيد الحديد، يسحب الراسب الكربون من المصهور الأصلي، مما يدفع الخليط نحو مصهور أقرب إلى اليوتكتيكي. أما المرحلة المتبقية، فتُحوّل الحديد إلى أوستينيت كربوني، والذي يتحول إلى مارتنسيت بعد تبريده.

هذه الكربيدات الأيوتكتيكية كبيرة الحجم جدًا بحيث لا توفر فائدة التصلب بالترسيب. في بعض أنواع الفولاذ، قد تحتوي على رواسب سمنتيتية أصغر بكثير، والتي قد تحمل تشوه البلاستيك عن طريق إعاقة حركة الخلع عبر مصفوفة فيريت الحديد النقي. تتميز هذه الرواسب بزيادة صلادة الحديد الزهر الكلية نظرًا لصلابتها ونسبة حجمها. وهذا يُتيح تقريب صلادة الحديد الكلية باستخدام قاعدة الخلط.

تُمنح هذه الصلابة على حساب المتانة في جميع الأحوال. يُمكن تصنيف الحديد الزهر الأبيض عمومًا كإسمنت، نظرًا لأن الكربيد يُشكل نسبةً أكبر من المادة. يُعد الحديد الأبيض هشًا جدًا بحيث لا يُستخدم في المكونات الهيكلية، ولكن بفضل صلابته الجيدة ومقاومته للتآكل وانخفاض تكلفته، يُمكن استخدامه كسطح تآكل لمضخات الملاط.

من الصعب تبريد المصبوبات السميكة بسرعة كافية لتصلب المصهور على شكل حديد زهر أبيض، ومع ذلك، يمكن استخدام التبريد السريع لتصلب كميات كبيرة من الحديد الزهر الأبيض، وبعد ذلك يبرد ما تبقى منه بسرعة أبطأ، مكونًا بذلك نواة من الحديد الزهر الرمادي. يُطلق على هذا المصبوب الناتج اسم المصبوب المبرد، ويتميز بسطح صلب وبطانة داخلية أكثر متانة.

تتميز سبائك الحديد الأبيض عالية الكروم بقدرتها على صبّ كميات كبيرة من مروحة تزن حوالي 10 أطنان في الرمل. ويرجع ذلك إلى أن الكروم يقلل من معدل التبريد اللازم لإنتاج الكربيدات بفضل سماكة المادة الأكبر. كما تُنتج عناصر الكروم كربيدات ذات مقاومة ممتازة للتآكل.

صب الحديد القابل للطرق

يبدأ الحديد الزهر القابل للطرق كصب حديد أبيض، ثم تتم معالجته حرارياً عند درجات حرارة تبلغ حوالي 950 درجة مئوية لمدة يومين أو يوم واحد، ثم يتم تبريده لنفس الفترة الزمنية.

يتحول الكربون الموجود في كربيد الحديد بعد ذلك إلى جرافيت وفريت بالإضافة إلى كربون نتيجةً لعملية التسخين والتبريد هذه. هذه عملية منخفضة التكلفة، لكنها تُمكّن التوتر السطحي من تحويل الجرافيت إلى جسيمات كروية بدلاً من رقائق.

الكرويات قصيرة نسبيًا ومتباعدة عن بعضها البعض نظرًا لانخفاض نسبة أبعادها. كما أنها تحتوي على مقطع عرضي أقل، وشقوق منتشرة، وفوتون. وعلى عكس الرقائق، تحتوي على حدود حادة تُسهم في تخفيف مشاكل تركيز الإجهاد الموجودة في الحديد الزهر الرمادي. إجمالًا، تُشبه خصائص الحديد الزهر القابل للطرق خصائص الفولاذ الطري.

صب الحديد المطاوع

يُشار إليه أحيانًا باسم الحديد الزهر العقدي، ويحتوي هذا الحديد الزهر على الجرافيت على شكل عقيدات صغيرة جدًا، حيث يتخذ الجرافيت شكل طبقات متحدة المركز، مما يُشكل هذه العقيدات. ونتيجةً لذلك، فإن خصائصالحديد الزهر المطيلهي عبارة عن فولاذ إسفنجي لا يوجد به أي تأثيرات تركيز إجهاد ناتجة عن رقائق الجرافيت.

تتراوح نسبة تركيز الكربون في هذه السبائك بين 3% و4%، بينما تتراوح نسبة تركيز السيليكون بين 1.8% و2.8%. عند إضافة كميات صغيرة (0.02% إلى 0.1% من المغنيسيوم، و0.02% إلى 0.04% فقط من السيريوم) إلى هذه السبائك، يُبطئ ذلك من معدل ترسب الجرافيت من خلال الالتصاق بحواف مسارات الجرافيت.

يمكن أن ينفصل الكربون كجسيمات كروية أثناء تصلب المادة، وذلك بفضل التحكم الدقيق في العناصر الأخرى والتوقيت المناسب أثناء العملية. الجسيمات الناتجة تشبه الحديد الزهر القابل للطرق، ولكن يمكن صب الأجزاء بأقسام أكبر.

عناصر السبائك

تتغير خصائص الحديد الزهر وتُضاف إلى عناصر السبائك المختلفة. ويتوافق عنصر السيليكون مع الكربون، إذ يمتلك القدرة على إخراج الكربون من المحلول. ولا تستطيع نسبة ضئيلة من السيليكون تحقيق ذلك بالكامل، إذ يسمح للكربون بالبقاء في المحلول، مما يُشكل كربيد الحديد، وينتج عنه أيضًا الحديد الزهر الأبيض.

يمكن لنسبة أو تركيز أكبر من السيليكون أن يُخرج الكربون من المحلول، ومن ثم يُشكل الجرافيت، ويُنتج أيضًا الحديد الزهر الرمادي. تشمل عوامل السبائك الأخرى غير المذكورة المنغنيز والكروم والتيتانيوم، ثم الفاناديوم. تعمل هذه العوامل على مقاومة السيليكون، كما أنها تُعزز احتباس الكربون، وبالتالي تكوين الكربيدات. يتمتع النيكل وعنصر النحاس بميزة، إذ يزيدان من المتانة وقابلية التشغيل، لكنهما لا يُغيران كمية الكربون المُتكونة.

يؤدي الكربون الموجود في الجرافيت إلى ليونة الحديد، مما يقلل من تأثير الانكماش، ويخفض المتانة، ويخفض الكثافة. يُعد الكبريت ملوثًا في الغالب عند احتوائه، ويُشكل كبريتيد الحديد الذي يمنع تكوين الجرافيت، ويزيد من صلابته.

من عيوب الكبريت أنه يجعل الحديد الزهر المنصهر لزجًا، مما يُسبب عيوبًا. ولمعالجة آثار الكبريت والقضاء عليها، يُضاف المنغنيز إلى المحلول. ويرجع ذلك إلى أنهما عند دمجهما يُشكلان كبريتيد المنغنيز بدلًا من كبريتيد الحديد. ويكون كبريتيد المنغنيز الناتج أخف من المصهور، ويميل إلى الخروج منه والدخول إلى الخبث.

الكمية التقريبية من المنغنيز اللازمة لإلغاء آثار الكبريت هي 1.7 وحدة من محتوى الكبريت، بالإضافة إلى 0.3% إضافية. تؤدي إضافة كمية أكبر من هذه الكمية من المنغنيز إلى تكوين كربيد المنغنيز، مما يزيد من صلابته وقدرته على التبريد، باستثناء الحديد الرمادي، حيث يمكن أن تزيد نسبة المنغنيز فيه حتى 1% من القوة والكثافة. يُعد النيكل من أكثر عناصر السبائك شيوعًا، إذ يميل إلى تحسين بنية البيرلايت والجرافيت، مما يُحسّن صلابته، ويُوازن فرق الصلابة بين سماكات المقاطع.

يُضاف الكروم بكميات صغيرة لتقليل الجرافيت الحرّ وتكوين البرودة. ويرجع ذلك إلى أن الكروم مُثبِّت قوي للكربيد، وفي بعض الحالات يُمكن استخدامه مع النيكل. كما يُمكن إضافة كمية صغيرة من القصدير كبديل للكروم. يُضاف النحاس في المغرفة أو الفرن بنسبة تتراوح بين 0.5% و2.5% لتقليل البرودة، وتنقية الجرافيت، وزيادة السيولة. كما يُمكن إضافة الموليبدينوم بنسبة تتراوح بين 0.3% و1% لزيادة البرودة، وتنقية الجرافيت، وتكوين البيرلايت.

يُضاف عادةً بالتوازي مع النيكل والنحاس والكروم لإنتاج حديد عالي القوة. يُضاف عنصر التيتانيوم ليعمل كمزيل للغازات ومزيل للأكسدة، ويزيد من السيولة. تُضاف نسب تتراوح بين 0.15% و0.5% من عنصر الفاناديوم إلى الحديد الزهر، مما يساعد على تثبيت السمنتيت، وزيادة صلابته ومقاومة التآكل وآثار الحرارة.

يساعد الزركونيوم في تكوين الجرافيت، ويُضاف إليه بنسب تتراوح بين 0.1% و0.3% تقريبًا. كما يُساعد هذا العنصر في إزالة الأكسدة وزيادة السيولة. في مصاهر الحديد القابل للطرق، لزيادة كمية السيليكون المُضافة، يُسكب البزموت بتركيز يتراوح بين 0.002% و0.01%. أما في الحديد الأبيض، فيُضاف عنصر البورون، مما يُساعد في إنتاج حديد قابل للطرق، ويُقلل من تأثير البزموت الخشن.