تعرف على الجرافيت في الحديد الزهر

كنوع من المواد الهندسية ذات التاريخ الطويل والتطبيق الواسع، يعتمد أداء الحديد الزهر إلى حد كبير على شكل الجرافيت الموجود بداخله. الجرافيت مثل السيف ذي الحدين في الحديد الزهر. فهو لا يمنح الحديد الزهر خصائص فريدة من نوعها فحسب، بل له أيضًا تأثير معقد على خصائصه.

ما هو الجرافيت في الحديد الزهر؟

الجرافيت هو متآصل الكربون الموجود كمرحلة مستقلة في الحديد الزهر. الحديد الزهر عبارة عن سبيكة حديد-كربون بمحتوى كربون أكبر من 2.11% (بشكل عام 2.5-4.0%). وأثناء عملية التصلب، يترسب عنصر الكربون على شكل جرافيت. يلعب شكل وحجم وتوزيع الجرافيت في الحديد الزهر دورًا حاسمًا في أداء الحديد الزهر.

نظرة عامة على الجرافيت في الحديد الزهر

الخصائص الأساسية للجرافيت

يتميز الجرافيت بتركيب بلوري طبقي نموذجي مع وجود قوى فان دير فال الضعيفة التي تربط الطبقات ببعضها البعض. وتمنح هذه البنية الجرافيت العديد من الخصائص الفريدة. قوامه ناعم، وصلابة موس هي 1-2 فقط، وهناك إحساس بالنعومة. يتمتع الجرافيت بتوصيلية كهربائية وحرارية جيدة، وتوصيليته الكهربائية أقل من المواد المعدنية العامة. ولكنه موصل ممتاز في المواد غير المعدنية. بالإضافة إلى ذلك، فإن الخصائص الكيميائية للجرافيت مستقرة. وليس من السهل أن يتفاعل كيميائيًا مع المواد الأخرى في درجة حرارة الغرفة، ويتمتع بمقاومة جيدة للتآكل.

أهمية الجرافيت في الحديد الزهر

يلعب الجرافيت دورًا رئيسيًا في الحديد الزهر. من وجهة نظر الخواص الميكانيكية، فإن وجود الجرافيت يشبه تكوين عدد كبير من "مصادر التصدع" الصغيرة في المصفوفة المعدنية. وهذا يقلل من قوة وصلابة الحديد الزهر. ومع ذلك، يمنح الجرافيت أيضًا الحديد الزهر بعض الخصائص الخاصة. على سبيل المثال، تأثير التزييت للجرافيت يجعل الحديد الزهر يتمتع بمقاومة جيدة للاحتكاك والتآكل. وهو ذو أهمية كبيرة في تصنيع أجزاء مثل المحامل العادية وموجهات الأدوات الآلية. تساعد الموصلية الحرارية للجرافيت الحديد الزهر على تبديد الحرارة بالتساوي أثناء عملية التسخين وتحسين استقراره الحراري. علاوة على ذلك، يمكن لوجود الجرافيت أيضًا أن يجعل الحديد الزهر يحصل على خصائص صب جيدة. مثل تقليل التوتر السطحي للحديد السائل، وتحسين سيولته. وهذا يساعد على الصب من الأجزاء المعقدة الشكل.

أنواع مختلفة من الجرافيت في الحديد الزهر

حديد الزهر الجرافيت الكروي (حديد الزهر الجرافيت العقدي)

يشير حديد الزهر العقدي الجرافيت وحديد الزهر الجرافيت الكروي إلى نفس المادة. ولا يوجد فرق جوهري بين الاثنين، فقط في اسم الفرق.

آلية تكوين الجرافيت الكروي

تُعد إضافة عامل العقيدات (مثل المغنيسيوم والأتربة النادرة وغيرها) وعامل التلقيح إلى الحديد السائل هو المفتاح. يقلل العامل الملقح من التوتر السطحي للكربون في الحديد السائل ويجعل الجرافيت ينمو بشكل كروي. ويزيد عامل التلقيح من عدد نواة الجرافيت ويُنقّي كرات الجرافيت ويجعلها متجانسة. وتصلب سائل الحديد إلى جرافيت كروي عند درجة حرارة مناسبة.

خواص الحديد الزهر الكروي

خصائص ميكانيكية ممتازة، قوة الشد أكثر من 400MPa-1000MPa، أبعد بكثير من الحديد الزهر الرمادي. استطالة حوالي 2%-20%، صلابة، ليونة جيدة، يمكن أن تتحمل الصدمات والتشوه، يمكن أن تحل محل الفولاذ المصبوب جزئيًا. مقاومة تآكل ممتازة، لديها قوة إجهاد عالية، ومتانة جيدة.

البنية المجهرية لحديد الزهر الكروي

يتألف من جرافيت كروي موزع بالتساوي في مصفوفة معدنية (الفريت أو البرليت أو الهيكل المختلط). صلابة ومرونة مصفوفة الفريت جيدة. تتميز مصفوفة البرليت بقوة وصلابة عالية. يمكن أن تؤدي كرات الجرافيت الصغيرة والموزعة بالتساوي إلى تحسين الخصائص الكلية للمادة.

حديد الصاج مقابل حديد الزهر

بالمقارنة مع الحديد الزهر الرمادي، تم تحسين الخواص الميكانيكية بشكل كبير. يقطع الجرافيت المتقشر من الحديد الزهر الرمادي المصفوفة بشكل خطير، مما يؤدي إلى انخفاض القوة والمتانة. يحتوي الجرافيت الكروي للحديد الزهر العقدي على القليل من الانشقاق في المصفوفة. على الرغم من أن حديد الزهر العقدي يحتاج إلى تحكم أكثر دقة في معالجة الكروية والتلقيح، إلا أنه يتمتع بسيولة وملء جيدين. ويمكنه تلبية إنتاج المسبوكات المعقدة. في التطبيق، يمكنك استخدام الحديد الزهر العادي لمتطلبات القوة والصلابة ليست عالية، مثل سرير أداة الماكينة. يستخدم الحديد Sg لتصنيع المكونات الرئيسية في السيارات والآلات والفضاء وغيرها من المجالات.

حديد زهر رمادي

البنية المجهرية للحديد الزهر الرمادي

يتألف من قشور الجرافيت والمصفوفة المعدنية (الفريت أو البرليت أو البنية المختلطة)، ويضعف الجرافيت المتقشر من استمرارية المصفوفة، مما يؤدي إلى ضعف الخواص الميكانيكية.

رقائق الجرافيت في الحديد الزهر الرمادي

الشكل غير منتظم، في شكل رقاقة أو شريط. يؤثر حجمها وكميتها وتوزيعها على الأداء. تقلل رقائق الجرافيت الكبيرة من القوة والمتانة، ويمكن أن يؤدي التوزيع الدقيق والموحد إلى تحسين الأداء. قشرة الجرافيت يعطي الحديد الزهر الرمادي امتصاصًا جيدًا للصدمات. إنه مناسب لتصنيع سرير أداة الماكينة وكتلة أسطوانة المحرك والأجزاء الأخرى التي تحتاج إلى امتصاص الصدمات.

حجم رقائق الجرافيت في الحديد الزهر

يقاس الطول والسماكة، ويتراوح الطول من عشرات إلى مئات الميكرونات والسماكة من عدة إلى عشرات الميكرونات. يتأثر الحجم بعملية الصب والتركيب الكيميائي. يجعل المكافئ الكربوني العالي وسرعة التبريد البطيئة صفيحة الجرافيت أكبر، ويمكن تنقيح إضافة عناصر السبائك (مثل السيليكون والمنجنيز).

حديد الزهر الجرافيت المضغوط

آلية تكوين الجرافيت الشبيه بالديدان

من الضروري التحكم الصارم في تركيبة الحديد السائل وعملية المعالجة. إضافة كمية مناسبة من الفيرميكيوليتر (المغنيسيوم والعناصر الأرضية النادرة والعناصر الأخرى المعقدة) وتحضيره بالتلقيح. يعمل الفيرميكوليتر على جعل الجرافيت ينمو في شكل فيرميكي بنهاية ملساء. العمل بين المعالج العقدي وعدم المعالجة، وتشكيل الجرافيت الفيرميكي في ظل ظروف التصلب المناسبة.

خواص حديد الزهر الجرافيت المضغوط

الأداء بين حديد الدكتايل والحديد الرمادي. قوة الشد 300MPa-500MPa، أعلى من حديد الزهر الرمادي. الصلابة والليونة أفضل من حديد الزهر الرمادي ولكن أسوأ قليلاً من حديد الزهر العقدي. موصلية حرارية جيدة، قريبة من حديد الزهر الرماديومقاومة التآكل ومقاومة الإجهاد الحراري، يمكن أن تعمل تحت درجة حرارة عالية، وحمل متناوب.

البنية المجهرية لحديد الزهر الجرافيت المضغوط

يتكون من الجرافيت الشبيه بالديدان الموزعة بالتساوي في مصفوفة معدنية (الفريت أو البرليت أو البنية المختلطة). يؤثر حجم الجرافيت المضغوط وكميته وتوزيعه على خصائص المادة ويتحكم بشكل معقول في توافر حديد الزهر الجرافيت المضغوط الناعم.

تحليل البنية المجهرية للحديد الزهر

الطرق التحليلية

هناك طرق مختلفة لدراسة البنية المجهرية للحديد الزهر. وعادةً ما يتم استخدام المجهر المعدني. بعد تلميع عينات الحديد الزهر وتآكلها، يمكنك ملاحظة مورفولوجيا الجرافيت وحجمه وتوزيعه وخصائص بنية المصفوفة المعدنية. يتميز الفحص المجهري الإلكتروني بالمسح الضوئي (SEM) بدقة أعلى ويمكنه رؤية الهياكل الدقيقة مثل الواجهة بين الجرافيت والمصفوفة. يمكن للتحليل المجهري بالمسبار الإلكتروني (EPMA) التحليل المجهري بالمسبار الإلكتروني (EPMA) التحليل الكمي لعناصر الحديد الزهر وتحديد التركيب الكيميائي للمراحل المختلفة. ويمكنك استخدام حيود الأشعة السينية (XRD) لتحليل التركيب البلوري لكل مرحلة.

العلاقة بين البنية المجهرية والخصائص

تحدد البنية المجهرية للحديد الزهر بشكل مباشر أداءه. يؤثر شكل الجرافيت وحجمه وتوزيعه بشكل كبير على الخواص الميكانيكية. الجرافيت الكروي له أقل تأثير على انقسام المصفوفة، وتكون القوة والمتانة أعلى. يقلل الجرافيت المتقشر من الحديد الزهر الرمادي من القوة والمتانة، ولكنه يمتاز بامتصاص جيد للصدمات. أما الجرافيت المضغوط فيجعل من حديد الزهر الفيرميكي شيئًا بين ذلك. كما أن هيكل المصفوفة المعدنية مهم جدًا أيضًا، كما أن صلابة الحديد الزهر المصفوف الفريتية جيدة. وقوة وصلابة مصفوفة الفريت عالية. من خلال ضبط الصب العملية والتركيب الكيميائي للتحكم في البنية المجهرية، يمكن الحصول على مواد الحديد الزهر لتلبية متطلبات الأداء المختلفة.

الخاتمة

الجرافيت في الحديد الزهر له أشكال مختلفة، وتعطي الأشكال المختلفة خواص مختلفة للحديد الزهر. من خلال دراسة البنية المجهرية للحديد الزهر بطرق تحليلية مختلفة، يمكننا توضيح العلاقة بين البنية المجهرية والخصائص. في المستقبل، ومع تطور علوم وتكنولوجيا المواد، سيكون البحث عن الجرافيت في الحديد الزهر أكثر تعمقًا في المستقبل. ومن المتوقع تطوير مواد الحديد الزهر بأداء أفضل وتطبيق أوسع نطاقًا.