کاربرد ضایعات پودری فولاد و چدن

چدن از ذوب آلیاژهای آهن-کربن که دارای بیش از 2 درصد کربن هستند تولید می شود. پس از ذوب، فلز در قالب ریخته می شود. تفاوت اصلی تولید بین آهن کار شده و چدن در این است که چدن با چکش و ابزار ساخته نمی شود. تفاوت هایی نیز در ترکیب وجود دارد. چدن حاوی 2 تا 4 درصد کربن و 1 تا 3 درصد سیلیکون است که عملکرد ریخته گری فلز مذاب را بهبود می بخشد. مقادیر کمی منگنز و برخی ناخالصی ها مانند گوگرد و فسفر نیز ممکن است وجود داشته باشد. تفاوت بین آهن کارشده و چدن را می توان در جزئیات ساختار شیمیایی و خواص فیزیکی یافت.

تفاوت فولاد و چدن: اگرچه فولاد و چدن هر دو حاوی کربن هستند و به نظر می رسد مشابه باشند، اما تفاوت های قابل توجهی بین این دو فلز وجود دارد. فولاد دارای کمتر از 2 درصد کربن است که محصول نهایی را قادر می سازد تا در یک ساختار ریز کریستالی منسجم شود. میزان کربن بالاتر چدن به این معناست که به عنوان یک آلیاژ ناهمگن جامد می شود و بنابراین دارای بیش از یک ساختار میکرو کریستالی در مواد است.

این ترکیب کربن بالا و وجود سیلیکون است که به چدن قابلیت ریخته گری عالی می دهد. انواع مختلف چدن با استفاده از تکنیک های مختلف عملیات حرارتی و فرآوری، از جمله چدن خاکستری، چدن سفید، چدن چکش خوار، چدن شکل پذیر و چدن گرافیتی فشرده تولید می شود.

بهبود سطحی محصولات چدنی با توجه به کاربرد بسیار متفاوت است که حتی میتوان ار پوشش های کاربیدی نیز استفاده کرد. برای ساخت پل، لوله‌ها، درپوش چاه‌های خیابان، ماشین آلات و بسیاری چیزهای دیگر تا زمان جایگزین شدن فولاد استفاده می‌شد. شکل توسعه یافته اش به عنوان خرپای سقف، شاغول کردن، خطوط گازی و هم چنین پنجره‌های دکوراتیو استفاده می‌شده‌است. چند روش کاربردی رایج عبارتند از:

•     آبکاری

•     غوطه ور گرم

•     پاشش حرارتی

•     پوشش تبدیلی

•       پوشش آلی مایع

•     پوشش آلی پودر خشک

یک منبع مواد اولیه برای صنعت متالورژی کشور ضایعات ریز به دست آمده ازصنایع فولادسازی، مهره های فلزی در سرباره، فلز منفجر شده از مبدل، اسپارک تولید شده، قطره های تولید شده در جوشکاری، ریختگری، ماشین کاری، مواد زائد در تمیز کردن شمش ها با چرخ های آسیاب، تراشه های تولید شده در برش فلز توسط اره ها، مرتب سازی مقاطع نورد شده و غیره است. در مل میزان کل ضایعات ریز در صنعت آهن و فولاد بیش از 1 میلیون تن در سال است.

ضایعات ریز فولاد لبه دار و چدن را می توان تحت عنوان خاک چدن یا سوفاله (سفاله، سوفاره) به عنوان ماده اولیه در ساخت پودر آهن ارزان قیمت مناسب برای صنعت سرمت استفاده کرد. بررسی ریزساختاری این ضایعات ریز، ترکیب شیمیایی و همچنین تجزیه شیمیایی آن نشان داده است که برای اهداف مورد نظر مناسب است. همچنین با انتخاب یک روش مناسب برای پردازش این ضایعات به پودر آهن که می تواند به عنوان ماده اولیه در صنعت سرمت استفاده شود. نتایج  نشان داده است که از ضایعات ریز فولاد لبه دار به روش کاهش ابعاد با استفاده از نورد و همچنین از ضایعات ریز چدن با استفاده از هیدرومکانیک می توان پودر آهن را بدست آورد.

در بین همه دسته های ماشینکاری، اگر حجم و مقدار تولید شده را در نظر بگیریم، فولاد و چدن از مهمترین آنها هستند. این واقعیت، ضرورت و علاقه را برای یافتن راهی اقتصادی برای بازیافت آنها با روشهای جایگزین دیگر، که شامل ذوب مجدد در کوره نمی شود، نشان می دهد، زیرا این فرایند بازده پایینی را ایجاد می کند و مشکل مربوط به آلودگی محیط، ناشی از سوختن روان کننده روغن را ایجاد می کند.

افزایش هزینه های مواد اولیه مورد استفاده در فرآیند متالورژی پودر و همچنین افزایش هزینه های انرژی در چند سال گذشته محققان را بر آن داشته است تا روشهای جدیدی را توسعه دهند که امکان استفاده مجدد از سوفاله را فراهم می کند تا از مواد اولیه کم هزینه درتولید پودر استفاده شود. اطلاعات دقیقی مربوط به مقدار سوفله وجود ندارد. با این حال، تخمین زده می شود که 500000 تن در سال سوفاله چدن خاکستری فقط در ژاپن تولید می شود، که 10 درصد از آن از بلوک سیلندرهای موتور تولید می‌شود.

از چدن خاکستری به عنوان ماده اولیه کم هزینه برای افزایش بهره وری اقتصادی در فرایند فورج استفاده می‌شود. کار تحقیقاتی براون نشان میدهد که استحکام کششی با استفاده از فشار بسته به میزان تراکم، پخت و فورج در ادامه عملیات حرارتی، بین 200 تا 600 مگاپاسکال متغیر بوده است.

چدن خاکستری یک ماده سنگ زنی ساده است که مربوط به این واقعیت است که گرافیت لایه ای به عنوان منبع شکست عمل می کند و ترک خوردگی در ذرات کوچک را آسان می کند و از آن راحت تر سوفاله تولید می‌شود. گرانولومتری ذرات تابعی از زمان سنگ زنی و همچنین کارایی نوع سنگ زنی است. به طور کلی، این ماده از کربن کل بین 3 تا 4 درصد تشکیل شده است، که در آن 70-80 درصد کربن مربوط به به شکل گرافیت و کربن باقی مانده به شکل ترکیبی وجود دارد.

از بین بردن گرافیت ریز تا حد امکان و جداسازی آن از ذرات آهن مورد توجه زیادی است و از روش هایی  هیدروسیکلون، جدا کننده مغناطیسی یا فرآیندهای شناور میتوان برای این جداسازی استفاده کرد. در مورد حذف کربن نیز از  فرآیندهای ترمو شیمیایی (900-950 درجه سانتی گراد) یا استفاده از اتمسفر خودکاهنده توسط افزودن استوکیومتری اکسید آهن (950-1050 درجه سانتی گراد) استفاده شده است. مشاهده شد که محتوای نهایی کربن را می توان تا 1.4 درصد کاهش داد در صورتی که ورقه های گرافیتی درشت باشند مقدار کربن آنها به محدوده 1.6 تا 2.8 درصد کاهش میابد.

در رابطه با محصولات متخلخل، این پارامتر در ارتباط با فشار فشرده سازی و دمای پخت مورد مطالعه قرار گرفته است. با هدف رسیدن به تنوع ابعادی کمتر از 1٪، دمای پخت باید به 1150 درجه سانتی گراد محدود شود، استفاده از مس و رقیق سازی با پودر آهن برای حفظ انحراف ابعادی تحت کنترل مفید است. ناکاگاوا شرایط پردازش و برخی خواص پودر چدن خاکستری بدست آمده از تراشه ها را در حالت اولیه مطالعه کرده و پس از کربن زدایی، به ترتیب A و B را برای گرافیت لایه ای بزرگ و کوچک نشان می دهد. نمونه های آزمایشی در 400 و 800 مگاپاسکال متراکم شده و با استفاده از اتمسفر آمونیاک تجزیه شده (A) 1125-1175 ◦C/1 h و در (B) 1100-1150 ◦C/0.5 h ساعت فشرده شدند.

پودرهای تراشه های کربن زدایی شده در مقایسه با پودرهای که کربن زدایی نشده اند مقاومت بالاتری را ارائه می دهند، این مقاومت برای پودرهای نوع A بسیار بیشتر است، که احتمالاً مربوط به میزان کربن کمتر موجود در این ماده است. ریزساختار محصولات متخلخل حاوی پودر بدون کربن ویژگی مهمی را نشان می دهد که گرافیت از حالت لایه ای به حالت کروی تغییر شکل می دهد، که باعث افزایش مقاومت مکانیکی می شود.

ایده رقیق سازی مخلوط سفاله یا خاک چدنی از ضرورت کاهش مقدار کربن موجود در تراشه ها ناشی شد و به دلیل مشکلات رسیدن به مقدار کربن برابر یا کمتر تا 2 درصد، باعث افزایش ویژگی سازگاری می شود. افزودن پودر آهن به طور کلی باعث افزایش مقاومت ناشی از همگن بودن ریزساختار و کاهش سختی با افزایش مقدار فریت میشود و همچنین برای دستیابی به دقت ابعادی بالا از مس نیز می توان استفاده کرد.

در کارهای دیگر که توسط Zapata و همکاران انجام شده است، آنها از مخلوط پودر/سوفاله در نسبت های 70/30، 50/50 و 30/70 استفاده کردند. نمونه های ساخته شده از این مخلوط ها در 700 مگاپاسکال متراکم شده و در دمای 1150 درجه سانتیگراد پخت می شوند. نتایج در مورد چگالی و سختی متخلخل آلیاژهای آماده شده با استفاده از مقادیر مختلف پودر آهن و پودر ذوب شده از سوفاله چدن، با 40 و 60 ساعت آسیاب، نشان داد که رقیق شدن 50/50 امیدوار کننده و کاربردی تر است و تفاوتهای کوچکی که در گرانولومتری، مربوط به مدت زمان 40 و 60 ساعت آسیاب کردن وجود دارد، تأثیر قابل توجهی ندارد.

منابع:

1. da Costa CE, Zapata WC, Parucker ML. Characterization of casting iron powder from recycled swarf. Journal of materials processing technology. 2003 Dec 20;143:138-43.

2.Fedorov, D., Bondarenko, B., Pokotilo, E., Svyatenko, A., Sivakumar, A. and Karanjai, M., 2002. POWDER METALLURGY INDUSTRY, ECONOMICS, AND ORGANIZATION OF PRODUCTION: STUDY OF THE PREPARATION OF REDUCED LOW-CARBON IRON POWDER FROM HEMATITEUSING THE “FROZEN FURNACE” EXPERIMENT. Powder Metallurgy & Metal Ceramics, 41(3-4), pp.212-218.

3.https://www.reliance-foundry.com/blog/cast-iron