דברו על תפקידו של כל אלמנט בברזל יצוק אפור

 

תפקידם של אלמנטים נפוצים בברזל יצוק אפור

1. פחמן וסיליקון: פחמן וסיליקון הם אלמנטים המקדמים מאוד גרפיטיזציה. ניתן להשתמש בשווי פחמן כדי להמחיש את השפעותיהם על המבנה המטאלוגרפי והתכונות המכניות של ברזל יצוק אפור. הגדלת שווי הפחמן גורמת לפתיתי הגרפיט להפוך לגסים יותר, לעלייה במספרם ולירידה בחוזק ובקשיות. להיפך, הפחתת שווה ערך הפחמן יכולה להפחית את מספר הגרפיטים, לעדן את הגרפיט ולהגדיל את מספר הדנדריטים האוסטניטים העיקריים, ובכך לשפר את התכונות המכניות של ברזל יצוק אפור. עם זאת, הפחתת שווה ערך הפחמן תוביל לירידה בביצועי היציקה.

2.מנגן: מנגן עצמו הוא אלמנט שמייצב קרבידים ומפריע לגרפיטיזציה. יש לו השפעה של ייצוב ועידון פרלייט בברזל יצוק אפור. בטווח של Mn=0.5% עד 1.0%, הגדלת כמות המנגן תורמת לשיפור החוזק והקשיחות.

3. זרחן: כאשר תכולת הזרחן בברזל יצוק עולה על 0.02%, עלולה להתרחש אאוקטיקה של זרחן בין-גרעיני. המסיסות של זרחן באוסטניט קטנה מאוד. כאשר ברזל יצוק מתמצק, זרחן בעצם נשאר בנוזל. כאשר ההתמצקות האוטקטית כמעט הושלמה, הרכב הפאזה הנוזלית הנותר בין הקבוצות האוטקטיות קרוב להרכב האוטקטי השלישוני (Fe-2%, C-7%, P). שלב נוזלי זה מתמצק בערך ב-955℃. כאשר ברזל יצוק מתמצק, מוליבדן, כרום, טונגסטן ונדיום מופרדים כולם בשלב הנוזל העשיר בזרחן, מה שמגדיל את כמות הזרחן האאוטקטית. כאשר תכולת הזרחן בברזל יצוק גבוהה, בנוסף להשפעות המזיקות של האוטקטיקה הזרחנית עצמה, היא גם תפחית את מרכיבי הסגסוג הכלולים במטריצת המתכת, ובכך תחליש את השפעת יסודות הסגסוג. הנוזל האוטקטי הזרחן עיסתי סביב הקבוצה האאוקטית שמתמצקת וגדלה, וקשה להתחדש בזמן התכווצות ההתמצקות, וליציקה יש נטייה גדולה יותר להתכווץ.

4. גופרית: זה מפחית את הנזילות של ברזל מותך ומגביר את הנטייה של יציקות להיסדק חם. זהו מרכיב מזיק ביציקות. לכן, אנשים רבים חושבים שככל שתכולת הגופרית נמוכה יותר, כך ייטב. למעשה, כאשר תכולת הגופרית היא ≤0.05%, סוג זה של ברזל יצוק אינו עובד עבור חומר החיסון הרגיל שאנו משתמשים בו. הסיבה היא שהחיסון מתפורר מהר מאוד, ולעתים קרובות מופיעים כתמים לבנים ביציקות.

5. נחושת: נחושת היא אלמנט הסגסוג הנפוץ ביותר המוסף בייצור של ברזל יצוק אפור. הסיבה העיקרית היא שלנחושת נקודת התכה נמוכה (1083℃), קלה להמסה ובעלת אפקט סגסוג טוב. יכולת הגרפיטיזציה של נחושת היא בערך 1/5 מזו של סיליקון, כך שהיא יכולה להפחית את הנטייה של ברזל יצוק לקבל יציקה לבנה. במקביל, נחושת יכולה גם להפחית את הטמפרטורה הקריטית של טרנספורמציה אוסטניט. לכן, נחושת יכולה לקדם את היווצרות הפרליט, להגדיל את תכולת הפרליט ולעדן את הפרליט ולחזק את הפרליט והפריט בו, ובכך להגביר את הקשיות והחוזק של ברזל יצוק. עם זאת, ככל שכמות הנחושת גבוהה יותר, כך ייטב. הכמות המתאימה של נחושת הנוספת היא 0.2% עד 0.4%. כאשר מוסיפים כמות גדולה של נחושת, הוספת פח וכרום בו זמנית מזיקה לביצועי החיתוך. זה יגרום לייצור כמות גדולה של מבנה סורביט במבנה המטריצה.

6. כרום: השפעת הסגסוגת של הכרום היא חזקה מאוד, בעיקר בגלל שתוספת של כרום מגבירה את הנטייה של ברזל מותך לקבל יציקה לבנה, והיציקה קלה לכווץ, מה שגורם לבזבוז. לכן, יש לשלוט בכמות הכרום. מצד אחד, יש לקוות שהברזל המותך מכיל כמות מסוימת של כרום לשיפור החוזק והקשיחות של היציקה; מצד שני, הכרום נשלט בקפדנות בגבול התחתון כדי למנוע מהיציקה להתכווץ ולגרום לעלייה בקצב הגרוטאות. הניסיון המסורתי גורס שכאשר תכולת הכרום של הברזל המותך המקורי עולה על 0.35%, תהיה לכך השפעה קטלנית על היציקה.

7. מוליבדן: מוליבדן הוא יסוד אופייני ליצירת תרכובות ויסוד מייצב פרליט חזק. זה יכול לעדן גרפיט. כאשר ωMo<0.8%, מוליבדן יכול לעדן פרליט ולחזק את הפריט בפרליט, ובכך לשפר ביעילות את החוזק והקשיות של ברזל יצוק.

יש לציין מספר בעיות בברזל יצוק אפור

1. הגדלת התחממות יתר או הארכת זמן ההחזקה יכולה לגרום לליבות ההטרוגניות הקיימות בהמסה להיעלם או להפחית את יעילותן, ולהפחית את מספר גרגרי האוסטניט.

2. טיטניום משפיע על זיקוק אוסטניט ראשוני בברזל יצוק אפור. כי טיטניום קרבידים, ניטרידים וקרבוניטרידים יכולים לשמש בסיס לגרעין אוסטניט. טיטניום יכול להגדיל את הליבה של אוסטניט ולעדן גרגירי אוסטניט. מצד שני, כאשר יש עודף Ti בברזל המותך, ה-S בברזל יגיב עם Ti במקום Mn ליצירת חלקיקי TiS. ליבת הגרפיט של TiS אינה יעילה כמו זו של MnS. לכן, היווצרות ליבת גרפיט אוטקטית מתעכבת, ובכך מגדילה את זמן המשקעים של האוסטניט הראשוני. ונדיום, כרום, אלומיניום וזירקוניום דומים לטיטניום בכך שקל ליצור קרבידים, ניטרידים וקרבוניטרידים, ויכולים להפוך לליבות אוסטניט.

3.יש הבדלים גדולים בהשפעות של חומרי חיסון שונים על מספר האשכולות האאוקטיים, המסודרים בסדר הבא: CaSi>ZrFeSi>75FeSi>BaSi>SrFeSi. ל-FeSi המכיל Sr או Ti יש השפעה חלשה יותר על מספר האשכולות האוקטיים. חומרי חיסון המכילים כדורי אדמה נדירים הם בעלי ההשפעה הטובה ביותר, וההשפעה משמעותית יותר כאשר מוסיפים אותם בשילוב עם Al ו-N. פרוסיליקון המכיל Al ו-Bi יכול להגדיל מאוד את מספר הצבירים האאוקטיים.

4. הגרגירים של גידול סימביוטי דו-פאזי של גרפיט-אוסטניט שנוצרו עם גרעיני גרפיט כמרכז נקראים אשכולות אוטקטיים. אגרגטים של גרפיט תת-מיקרוסקופיים, שאריות של חלקיקי גרפיט לא מומסים, ענפי פתיתי גרפיט ראשוניים, תרכובות בנקודת התכה גבוהה ותכלילי גזים הקיימים בברזל מותך ויכולים להיות הליבות של גרפיט אוטקטי הם גם הליבות של אשכולות אוטקטיים. מכיוון שהגרעין האאוקטי הוא נקודת ההתחלה של צמיחת הצביר האאוקטי, מספר הצבירים האאוקטיים משקף את מספר הליבות שיכולות לגדול לגרפיט בנוזל הברזל האאוקטי. גורמים המשפיעים על מספר האשכולות האוטקטיים כוללים הרכב כימי, מצב הליבה של הברזל המותך וקצב הקירור.
לכמות הפחמן והסיליקון בהרכב הכימי יש השפעה חשובה. ככל שמקביל הפחמן קרוב יותר להרכב האוטקטי, כך יש יותר צבירים אוקטיים. S הוא מרכיב חשוב נוסף המשפיע על הצבירים האוקטיים של ברזל יצוק אפור. תכולת גופרית נמוכה אינה תורמת להגדלת הצבירים האוקטיים, מכיוון שהגופרית בברזל המותך הוא חומר חשוב בליבת הגרפיט. בנוסף, גופרית יכולה להפחית את אנרגיית הממשק בין הליבה ההטרוגנית להמסה, כך שניתן להפעיל יותר ליבות. כאשר W (S) קטן מ-0.03%, מספר האשכולות האוקטיים מצטמצם באופן משמעותי, והשפעת החיסון מצטמצמת.
כאשר חלק המסה של Mn הוא בטווח של 2%, כמות ה-Mn גדלה, ומספר האשכולות האוקטיים גדל בהתאם. קל ליצור Nb תרכובות פחמן וחנקן בברזל המותך, שפועל כלבת גרפיט להגדלת הצבירים האאוקטיים. Ti ו-V מפחיתים את מספר הצבירים האוקטיים מכיוון ונדיום מפחית את ריכוז הפחמן; טיטניום לוכד בקלות S ב-MnS ו-MgS ליצירת טיטניום גופרתי, ויכולת הגרעין שלו אינה יעילה כמו MnS ו-MgS. N בברזל המותך מגדיל את מספר הצבירים האוטקטיים. כאשר תוכן N קטן מ-350 x10-6, זה לא ברור. לאחר חריגה מערך מסוים, הקירור העל גדל, ובכך מגדיל את מספר האשכולות האוקטיים. חמצן בברזל מותך יוצר בקלות תכלילי תחמוצת שונים בתור ליבות, כך שככל שהחמצן גדל, מספר האשכולות האוקטיים גדל. בנוסף להרכב הכימי, מצב הליבה של ההמסה האוטקטית הוא גורם משפיע חשוב. שמירה על טמפרטורה גבוהה והתחממות יתר לאורך זמן יגרמו להיעלמות או ירידה של הליבה המקורית, להפחתת מספר האשכולות האוטקטיים ולהגדלת הקוטר. טיפול חיסון יכול לשפר מאוד את מצב הליבה ולהגדיל את מספר האשכולות האוקטיים. לקצב הקירור יש השפעה ברורה מאוד על מספר האשכולות האוטקטיים. ככל שהקירור מהיר יותר, כך יש יותר אשכולות אוקטיים.

5. מספר האשכולות האוטקטיים משקף ישירות את עובי הגרגירים האוטקטיים. באופן כללי, גרגרים עדינים יכולים לשפר את הביצועים של מתכות. תחת הנחת היסוד של אותו הרכב כימי וסוג גרפיט, ככל שמספר הצבירים האאוקטיים גדל, חוזק המתיחה גדל, מכיוון שיריעות הגרפיט באשכולות האאוקטיים נעשים עדינים יותר ככל שמספר הצבירים האוקטיים גדל, מה שמגביר את החוזק. עם זאת, עם העלייה בתכולת הסיליקון, מספר הקבוצות האאוקטיות גדל באופן משמעותי, אך החוזק פוחת במקום; החוזק של ברזל יצוק גדל עם עליית טמפרטורת חום-העל (ל-1500 ℃), אך בשלב זה, מספר הקבוצות האוטקטיות יורד באופן משמעותי. הקשר בין חוק השינוי של מספר הקבוצות האוטקטיות הנגרמות מטיפול חיסון ארוך טווח לבין עליית החוזק אינו תמיד בעל אותה מגמה. החוזק המתקבל בטיפול חיסון ב-FeSi המכיל Si ו-Ba גבוה מזה המתקבל ב-CaSi, אך מספר הקבוצות האאוטקטיות של ברזל יצוק קטן בהרבה מזה של CaSi. עם הגידול במספר הקבוצות האוטקטיות, גוברת נטיית ההתכווצות של ברזל יצוק. על מנת למנוע היווצרות של הצטמקות בחלקים קטנים, יש לשלוט על מספר הקבוצות האוטקטיות מתחת ל-300~400/cm2.

6. הוספת יסודות סגסוגת (Cr, Mn, Mo, Mg, Ti, Ce, Sb) המקדמים קירור-על בחומרי חיסון גרפיטים יכולים לשפר את מידת הקירור-על של ברזל יצוק, לעדן את הגרגרים, להגדיל את כמות האוסטניט ולקדם היווצרות של פרלייט. ניתן לספוח את האלמנטים הפעילים פני השטח הנוספים (Te, Bi, 5b) על פני השטח של גרעיני גרפיט כדי להגביל את צמיחת הגרפיט ולהקטין את גודל הגרפיט, כדי להשיג את המטרה של שיפור תכונות מכניות מקיפות, שיפור האחידות והגברת הרגולציה הארגונית. עיקרון זה יושם בשיטות הייצור של ברזל יצוק עתיר פחמן (כגון חלקי בלמים).