چدنهای آلیاژی پرسیلیسم مقاوم به خوردگی
مقدمه
چدنهای آلیاژی به خانواده‌ای از چدنهای خاکستری، با گرافیک کروی و سفید گفته می‌شود که محتوی مقادیر بالائی از عناصر آلیاژی (3 تا 40%) هستند.
اگر چه این خانواده از چدنها دارای خواس فیزیکی و مکانیکی بسیار مهمی هستند. معهذا ریخته‌گری آنها به همان سهولت چدنهای غیر آلیاژری انجام می‌گیرد. تولید این نوع چدنها در صنایع چدن‌ریزی تخصص جداگانه‌ای راا به خود اختصاص داده و اکثر واحدهای ریخته‌گری این نوع چدنها تنها فعالیت خود را محدود به چند نوآوری از انواع آنها می‌نمایند.
تقسیم‌بندی این نوع چدنها بررسی مبنای خواص آنها نظیر استحکام در درجات حرارتی بالا، مقاومت در مقابل اکسیداسیون (اکسایش)، مقاومت در مقابل سرماخوردگی، مقاومت در شرایط سایند شدید، انبساط حرارتی بسیار کم نوآوری یا خاصیت غیر مغناطیسی بودن آنها قرار دارد. تولید استاتور (شکل 1-1) یکی از موارد مصرف این خانواده از چدنها را نشان می‌دهد.
پره‌های این توربین از چدن آلیاژی بدون انجام عملیات حرارتی ساخته شده است.
مطالب فوق توضیحات مختصری درباره انواعچدنهای آلیاژی و موارد کاربرد آنها بود، در این تحقیق و آزمایش هدف اصلی ما تولید و آزمایش چدنهای مقاوم به خوردگی از نوع پرسیلیسم می‌باشد.
همانطور که می‌دانید گسترش روزافزون صنایع شیمیایی – پتروشیمی ها و آزمایشگاه‌های مدرن شیمی و سنایع مربوطه که با محیط‌ها یا مواد خورنده سر و کار دارند، نیاز به این نوع چدنها، بعنی چدنهای مقاوم به خوردگی در محیطهای اسیدی بازی و ... بیشتر احساس می‌شود که لازم است به آنها اهمیت و توجه بیشتری شود.
به همین دلیل ابتدا ما در این قسمتت قصد بر این داریم که خوردگی چدنهای غیر آلیاژی در محیطهای مختلف و علت اینکه به چدنهای آلیاژی مقاوم به خوردگی احتیاج می‌شود را مورد بررسی قرار داده و سپس به انواع چدنهای آلیاژی مقاوم به خوردگی اشاهر مختصری کرده و بعداً در ادامه در مورد کلیات تولید آلیاژ مورد نظرمان در تحقیق و آزمایش (چدنهای پرسیلیسم)، مواد اولیه مورد نیاز برای تولید آن، تجهیزات ذوب و قالبگیری، نحوه آزمایش، مراحل عملیات و نتایج آن توضیحات مفصل‌تری داده خواهد شد.
خوردگی چدنهای خاکستری غیر آلیاژی
مقاومت خوردگی خاصیت ویژه‌ای برای یک ماده محسوب نمی‌شود. ارزیابی این مشخصه به وضعیت قرار گرفتن ماده در معرض خوردگی و به کیفیت لازم برای کاربرد بستگی دارد.
مقاومت خوردگی چدنها اصولاً به ترکیب شیمیایی و نحوه پخش عناصر داخل ساختار میکروسکوپی آن بستگی دارد. طبق تعریف همه چدنها غیر متقارن بوده و بدین ترتیب لااقل دو مورد از اجزا مختلف در ساختارشان دارند. تیپ‌های مختلف چدنها به وسیله شکل و نحوه پخش گرافیک در ساختار و تیپ زمینه میکروسکوپی از هم متمایز می‌شوند.
چگونه چدنها خورده می‌شوند؟
خوردگی چدنها با خوردگی فولادها تفاوت دارد زیرا چدنها شامل مقادیر محسوس کربن و سیلیم می‌باشند. مقدار زیادی از کربن به صورت گرافیت درمی‌آید که به طور کلی نامحلول بوده و در بیشتر محیطهای خورنده خنثی است. گرافیک موجود در چدن، در برابر حمله خوردگی بیشتر محیطهای خورنده بی‌اثر است، حمله خوردگی به طور اصلی روی زمینه ساختار فلز می‌باشد. اگر گرافیک روی سطح در جای خود بماند باعث تشکیل پوسته محافظ به زنگ سیاه یا خاکستری به نظر می‌رسد. این پوسته محافظ گرافیکی می‌تواند عاملی برای سرعت دادن یا کاهش سرعت خوردگی در فلز باشد.
در یک محیط خورند با PH کم، گرافیک در برابر آهن به شدت کانذیک است و شاید به طور الکترولیتی موجب تسریع حمله خوردگی روی فلز شود. اما اگر محصولات خوردگی در روی فلز نگاه داشته شوند، می‌توانند مانند یک سد مکانیکی موجب افزایش مقاومت الکتریکی شده و حمله ثانوی خوردگی را جلوگیری کنند.
تشکیل پوسته محافظ
موقعیت سطح آهن خام در معرض رطوبت و هوا قرار می‌گیرد، نوعی اکسید هیدراته به رنگ قهوه‌ای پرتقالی (لیمونیت) به سرعت روی آن تشکیل می‌شود، اما با ادامه ماندن در معرض شرایط خوردگی فوق، یک اکسید سیاه رنگ روی سطح شکل می‌گیرد. وجود سیلیسم در چدن موجب تشکیل یک پوسته سیلیکات متراکم و چسبنده روی اکسید آهن شده و پوسته محافظ می‌تواند اکسید اسیدن ثانوی را متوقف نماید. بدین ترتیب در بعضی از کاربردها چدن با سطح خام می‌تواند سالها مورد استفاده قرار گیرد. تشکیل اکسید روی آهن مزیت دیگری به همراه دارد. وقتی فولاد زنگ می‌زند، نسبت به فلز اولیه یک افزایش زیاد در مجموع حجم فلز و اکسید وجود خواهد داشت. این افزایش حجم که انبساط به همراه دارد می‌تواند نیروی کافی برای ایجاد ترک در بتنی که این فولاد در آن کار گذاشته شده است بشود. از اینکه این اتفاق در قطعات چدنی نمی‌افتد، در کاربردهای ساخت در پوشی رینگهای MANHOLE که به طور کامل در یک پریود طولانی زمان در بتن جاده کار گذاشته شده‌اند مورد استفاده قرار می‌گیرند. به دلیل وجود لاینفک سیلیم در چدن به طور کلی مقدار کم عناصر دیگر اثر مفید و برجسته‌ای ندارند.
وجود 6% - 4% درصد مس در خوردگی در معرض هوا می‌تواند مفید باشد. در بعضی کاربردها، مجموع معتدل کرم و نیکل ممکن است عمر سرویس‌دهی را افزایش دهند.
خوردگی در هوا
میزان خوردگی در هوا به رطوبت نسبی و حضور گازهای مختلف و ذرات جامد معلق در هوا بستگی دارد. رطوبت زیاد به طور کلی میزان خوردگی را افزایش می‌دهد.
دی‌اکسید گوگردد و کلریدهای موجود در هوای، مناطق مشرف به دریا موجب افزایش خوردگی می‌شوند.
میزان خوردگی چدن خاکستری در هوای مناطق صنعتی موجود باشد و کلریدهای موجود در هوای مناطق مشرف به دریا موجب افزایش خوردگی می‌شوند.
میزان خوردگی چدن خاکستری در هوای مناطق صنعتی بعید است که بیش از mm12% باشد. این امر به علت به وجود آمدن یک لایه اکسیده روی سطح چدن خاکستری است که حالت محافظ را دارد.
خوردگی در معرض گازهای سوخت
استفاده از چدن خاکستری در برابر گازهای سوخت از صدها سال پیش شروع شده است. خوردگی به وسیله گازهای داغ در سطوح گرم یک مسئله مهم در ماشین‌های دیگ بخار زغال سنگ سوز و سیستم حرارت مرکزی می‌باشد. این می‌تواند یک مسئله دید در بخشهای گرم کننده هوا و آب در جائیکه حرارت سطح فلز بین 0C 300-100 هست ایجاد کند. چدن خاکستری دارای کارایی خوبی در مقابل این نوع خوردگی می‌باشد.
خوردگی در آب
چدنهای خاکستری غیر آلیاژی اساساً برای لوله‌های آب استفاده می‌شوند. مقاومت خوردگی چدن بستگی به توانایی تشکیل پوسته محافظ دارد. در آبهای سخت به دلیل رسوب کربنات کلسیم روی چدن، پوسته محافظ تشکیل می‌شود که میزان خوردگی سطح آنرا به طور کلی کم می‌کند. در آبهای سبک پوسته محافظ نمی‌تواند به طور کامل تشکیل شود و مقداری خوردگی رخ خواهد داد. در آبهای صنعتی، میزان خوردگی اصولاً یک تابع از آلودگی‌ها و میزان PH می‌باشد. آبهای اسیدی خوردگی را افزایش می‌دهند، در حالیکه آبهای قلیایی میزان خوردگی کمتری دارند. حضور آب دریا مسائل ویژه‌ای برای چدن خاکستری ایجاد می‌کند. در آب دریا میزان خوردگی به سرعت تلاطم آب دریا بستگی دارد. با افزایش سرعت تلاطم آب دریا به دلیل افزایش مقدار اکسیژن موجود در تلاطم، میزان خوردگی افزایش می‌یابد.
کلریدهای موجود در آب دریا یک مهاجم خورنده طبیعی برای چدن خاکستری محسوب می‌شوند. افزودن عناصر آلیاژی نظیر کرم، نیکل و مولیبدن می‌تواند میزان خوردگی در آب دریا را کنترل کند.
خوردگی خاک
خوردگی در خاک یک پدیده پیچیده می‌باشد، خلل و فرج خاک، فاضلاب و اجزا حل شده در آب زمین که در تماس با لوله چدنی می‌باشند، اثثر محسوسی روی عمر چدنهایی که در زیر خاک هستند، دارند. نقطه حمله خوردگی ممکن است به طور خیلی محسوسی به وسیله برخورد نامنظم لوله با خاک اطراف تحریک شود. خوردگی مختلف از حدود mm 1 الی mm5% در سال در شرایط خوردگی سخت به وجود خواهند آمد.
خوردگی در اسیدها
چدنهای خاکستری غیر آلیاژی مقاومت کمی در برابر اسیدهای معدنی با غلظت‌های متوسط و کم دارند. به هر حال، کاربردهایی وجود دارد که چدن خاکستری درمعرض اسیدها قرار می‌گیرد مثل اسید سولفوریک داغ 65% دلیل این مقاومت ناشی از تشکیل لایه محافظ حل نشدنی سولفات آهن روی چدن خاکستری می‌باشد. اگر غلظت کمتر از 60% باشد سولفات آهن حل شده و خوردگی به سرعت ادامه می‌یابد. چدن خاکستری غیر آلیاژی مقاومت به خوردگی مفید را در مقابل اسید نیتریک 70-65% در درجه حرارت متوسط از خود نشان می‌دهد. چدن خاکستری غیر آلیاژی در اسید فسفریک خالص خورده می‌شود. در حالیکه ممکن است در برابر اسید فسفریک ناخالص به خوبی مقاومت کند.
خوردگی در قلیاها
قلیاها شامل هیدروکسید سدیم (Na oH)، هیدروکسید پتاسیم (KOH)، سیلیکات سدیم و ترکیب شیمیایی مشابه شامل سدیم، پتاسیم و یا لیتیمم می‌باشند.
به طور کلی چدنهای خاکستری غیر آلیاژی مقاومت خوبی نسبت به قلیاها از خود نشان می‌دهند. چدنهای خاکستری غیر آلیاژی توسط قلیاهای رقیق خوندگی ندارند. قلیاهای داغ با غلظت بیش از 30% در چدنهای غیر آلیاژی باعث خورندگی می‌شوند. اگر میزان خوردگی کمتر از mm25% در سال مورد نیاز باشد، درجه حرارت نباید بیش از 0c 80 برای غلظت بالای 70% باشذ. چدنهای خاکستری غیر آلیاژی به طور وسیعی برای حمل هیدروکسید آمونیم استفاده می‌شوند.
خوردگی در اسیدهای آلی و ترکیبات آن:
اسیدهای آلی به طور کلی مانند اسیدهای معدنی خورنده نیستند. در نتیجه چدنهای خاکستری غیر آلیاژی کاربرد وسیعی در حمل این مواد دارند. چدنهای خاکستری غیر آلیاژی می‌توانند برای حمل اسیدهای FATTY و استیک غلیظ استفاده شوند اما در محلول رقیق اسیدهای فوق خورده می‌شوند. چدنهای خاکستری غیر آلیاژی برای حمل الکل‌های متیل، اتیل، بوتیل، و آمیل مورد استفاده قرار می‌گیرند.
خوردگی در محلولهای نمک
نمکهای متعدد و محلولهای نمک می‌توانند به وسیله چدن خاکستری غیر آلیاژی حمل شوند بدون اینکه خوردگی قابل توجهی ایجاد کنند. نمکهایی که به شکل یک محلول قلیا هیدرولیز می‌شوند مانند سیانیدها، سیلیکاتها، کربناتها، و سولفیدها دارای خورندگی کمتری در مقایسه با نمکهایی که به شکل محلول اسید هیدرولیز می‌شوند، هستند. کلریدها و سولفاتهای فلزات قلیایی محلول طبیعی داده و نسبتاً میزان خوردگی آنها خیلی کم است. کلریدها و سولفاتهای اسید که اکسیده هستند در مقایسه خورندگی بیشتری دارند. نمکهای آمونیوم که به صورت محلول اسید هیدرولیز می‌شوند نسبت به آهن خورنده بوده اما میزام خورندگی ممکن است به وسیله حضور آمونیاک آزاد کاهش یابد.
اثر ساختار
اگر چه شکل گرافیک و مقدار کاربیدهای بزرگ موجود، در خواص مکانیکی تاثر بحرانی دارند، این ساختار روی مقاومت خوردگی اثر قوی ندارند. ساختار زمینه تاثیر محسوسی روی مقاومت به خوردگی دارد، اما در مقایسه با اثر ترکیب این تاثیر کمتر است. در چدنهای خاکستری، ساختار مزیتی به طور کلی دارای کمترین مقاومت و ورقه‌های گرافیک دارای بیشترین مقاومت به خوردگی می‌باشند. پرلیت و سمنتیت مقاومت به خوردگی متوسطی را نشان می‌دهند. حفره‌های انقباظی یا خلل و فرج می‌توانند موجب تنزل مقاومت خوردگی قطعات چدنی بشوند. وجود خلل و فرج اجازه می‌دهد مواد خورنده در بدنه‌ی قطعه ریختگی نفوذ کرده و باعث یک مسیر پیوسته برای مواد خورنده بشود.
انواع چدنهای مقاوم به خوردگی
مقاومت به خوردگی چدنهای آلیاژی به ترکیب شیمیایی و ریز ساختار آنها بستگی دارد. عوامل کنترل کننده، ترکیب شیمیایی و ساختار زمینه است. چدنهای پر آلیاژی که مقاومت به خوردگی زیادی در محیطهای خاص دارند سه گروه‌اند: این سه گروه عبارتند از :
1- چدنهای پرسیلیسم 2- چدنهای پرکرم 3- چدنهای پرنیکل که ما در اینجا فقط اشاره مختصری به چدنهای پرکرم و پرنیکل مقاوم به خوردگگی کرده و بحث و بررسی مفصل را در مورد چدنهای پرسیلیسم مقاوم به خوردگی (که هدف اصلی ما در این پروژه هستند) به بخش کلیاتی در مورد تولید آلیاژ مورد نظرمان موکول می‌کنیم.
چدنهای پرکرم
چدنهای پرکرم با مقدار کرم 35-20 درصد رد مقابل اکسید کننده مقاومت به خوردگی خوبی دارند، اما در برابر اسیدهای احیا کنندهه مقاوم نیستند. این چدنها به طور قابل اطمینانی برای استفاده در مقابل اسیدهای ضعیف تحت حالتهای اکسیداسیون، محلولهای نمک، محلولهای اسید آلی و برای قرار گرفتن در معرض اتمسفر عمومی به کار می‌روند. مقاومت در مفابل خوردگی، در چدنهای پرکرم نسبت به اسید نیتریک استثنایی است، این چدن در برابر تمام غلظت‌های بالای 95% اسید فوق در درجه حرارت محیط مقاوم است. میزان خوردگی آن در سال کمتر از mm 12% است و همین میزان برای تمام درجه حرارتهای تا نقطه جوش و برای غلظت‌های تا 70% نیز صادق است.
چدنهای پرکرم با مقدار کربن پایین‌تر (1%) بای دیگهای آنیلینگ سرب، روی و آلومنیوم، زنجیره‌های انتقال دهنده و دیگر قسمتهای تحت خوردگی در درجه حرارت بالا رضایت بخش هستند، چون مقاومت خورندگی، به مقدار کرم در محلول جامد فریت بستگی دارد، این عنصر باید به مقدار کافی باش تا بتواند هم جا کربن ترکیب شده و تشکیل کاربید کرم بدهد و هم مقدار اضافی آن در فریت باقی بماند.
چدنهای پرکرم با مقدار 35-30% کرم برای شرایط محیطهای شدید خورندگی اسیدها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این چدنها در برابر تمام غلظت‌های اسید فسفریک 60% در درجه حرارتهای تا نقطه جوش و غلظت‌های 85% تا 0c80 مقاوم هستند. این چدنها همچنین مقاومت خوبی در مقابل آب دریا و آبهای معدنی که دارای محلولهای اسیدی می‌باشند دارند. چدنهای پرکرم و کربن به طور مناسبی بالانس باشند به آسانی عملیات حرارتی می‌شوند.
چدنها پرنیکل
چدنها پرنیکل آستنیتی کاربرد وسیعی دارند و به عنوان چدنهای مقاوم نیکلی شناخته شده‌اند. چدنهای خاکستری آستنیتی با 14 تا Ni 30% نسبتاً در اسیدهای اکسید کننده متوسط، مثل اسید سولفوریک در دمای اتاق مقاوم‌اند. چدنهای پرنیکل در محیطهای قلیایی از چدنهای غیر آلیاژی مقاومترند. چدنهای مقاوم نیکلی به خصوص در محیطهای قلیایی با دمای زیاد مفیدند. چدنهای پرنیکل به علت داشتن زمینه آستنیتی ؟ترین چدن باگرافیک ورقه‌ای است. این چدنها دارای تراش‌پذیری عالی و خواص ریخته‌گری می‌باشند. اما استحکام کششی آنها به علت ورقه‌ای بودن گرافیک نسبتاً کم است.