الحديد الزهرهي مجموعة من سبائك الحديد والكربون التي تحتوي على نسبة كربون أكبر من 2٪.فائدتها مستمدة من درجة حرارة انصهارها المنخفضة نسبيا.تؤثر مكونات السبائك على لونها عند الكسر: يحتوي الحديد الزهر الأبيض على شوائب كربيد التي تسمح للشقوق بالمرور مباشرة من خلالها، ويحتوي حديد الزهر الرمادي على رقائق الجرافيت التي تصرف الشقوق العابرة وتؤدي إلى ظهور عدد لا يحصى من الشقوق الجديدة مع تكسر المادة، والحديد الزهر المرن له شكل كروي. "العقيدات" الجرافيتية التي تمنع الكراك من التقدم بشكل أكبر.

يعد الكربون (C) الذي يتراوح من 1.8 إلى 4٪ بالوزن، والسيليكون (Si) 1-3٪ بالوزن، عناصر صناعة السبائك الرئيسية للحديد الزهر.تُعرف سبائك الحديد ذات المحتوى المنخفض من الكربون بالفولاذ.

يميل الحديد الزهر إلى أن يكون هشًا، باستثناء حديد الزهر القابل للطرق.بفضل نقطة انصهارها المنخفضة نسبيًا، والسيولة الجيدة، وقابلية الصب، وقابلية التصنيع الممتازة، ومقاومة التشوه ومقاومة التآكل، أصبحت الحديد الزهر مادة هندسية ذات نطاق واسع من التطبيقات وتستخدم في الأنابيب والآلات وأجزاء صناعة السيارات، مثل الأسطوانة الرؤوس وكتل الأسطوانات وحالات علبة التروس.إنه مقاوم للتلف الناتج عن الأكسدة.

يعود تاريخ أقدم المصنوعات اليدوية المصنوعة من الحديد الزهر إلى القرن الخامس قبل الميلاد، وقد اكتشفها علماء الآثار في ما يعرف الآن بجيانغسو في الصين.تم استخدام الحديد الزهر في الصين القديمة في الحرب والزراعة والهندسة المعمارية.خلال القرن الخامس عشر، أصبح الحديد الزهر مستخدمًا في صناعة المدافع في بورغوندي، فرنسا، وفي إنجلترا خلال حركة الإصلاح الديني.تطلبت كميات الحديد الزهر المستخدمة في صناعة المدفع إنتاجًا واسع النطاق. تم بناء أول جسر من الحديد الزهر خلال سبعينيات القرن الثامن عشر على يد أبراهام داربي الثالث، ويُعرف باسم الجسر الحديدي في شروبشاير، إنجلترا.كما تم استخدام الحديد الزهر في تشييد المباني.

عناصر صناعة السبائك

يتم تغيير خصائص الحديد الزهر بإضافة عناصر صناعة السبائك المختلفة، أو السبائك.بجانب الكربون، يعد السيليكون أهم السبائك لأنه يجبر الكربون على الخروج من المحلول.تسمح نسبة منخفضة من السيليكون للكربون بالبقاء في المحلول مكونًا كربيد الحديد وإنتاج الحديد الزهر الأبيض.نسبة عالية من السيليكون تجبر الكربون على الخروج من المحلول الذي يشكل الجرافيت وإنتاج الحديد الزهر الرمادي.عوامل صناعة السبائك الأخرى، المنغنيز، الكروم، الموليبدينوم، التيتانيوم والفاناديوم تقاوم السيليكون، وتعزز الاحتفاظ بالكربون، وتكوين تلك الكربيدات.يزيد النيكل والنحاس من القوة والقدرة على التصنيع، لكن لا يغيران كمية الجرافيت المتكون.وينتج عن الكربون الموجود في صورة الجرافيت حديد أكثر ليونة، ويقلل من الانكماش، ويقلل القوة، ويقلل الكثافة.يشكل الكبريت، وهو مادة ملوثة إلى حد كبير عند وجوده، كبريتيد الحديد، مما يمنع تكوين الجرافيت ويزيد من صلابته.مشكلة الكبريت هي أنه يجعل الحديد الزهر المنصهر لزجًا، مما يسبب العيوب.ولمواجهة آثار الكبريت، يضاف المنجنيز لأن الاثنين يتشكلان في كبريتيد المنجنيز بدلا من كبريتيد الحديد.كبريتيد المنغنيز أخف من المنصهر، لذلك يميل إلى الطفو خارج المنصهر إلى الخبث.كمية المنغنيز اللازمة لتحييد الكبريت هي 1.7 × محتوى الكبريت + 0.3٪.وإذا أضيفت أكثر من هذه الكمية من المنجنيز، يتكون كربيد المنجنيز، مما يزيد من الصلابة والبرودة، باستثناء الحديد الرمادي، حيث يزيد ما يصل إلى 1% من المنجنيز من القوة والكثافة.

يعد النيكل أحد أكثر عناصر صناعة السبائك شيوعًا لأنه يعمل على تحسين بنية البرليت والجرافيت، ويحسن المتانة، ويسوي اختلافات الصلابة بين سماكة القسم.تتم إضافة الكروم بكميات صغيرة لتقليل الجرافيت الحر، وإنتاج البرودة، ولأنه مثبت قوي للكربيد؛غالبًا ما يتم إضافة النيكل بالتزامن.يمكن إضافة كمية صغيرة من القصدير كبديل لـ 0.5% كروم.يضاف النحاس في المغرفة أو في الفرن بنسبة 0.5-2.5% لتقليل البرودة وتنقية الجرافيت وزيادة السيولة.تتم إضافة الموليبدينوم بنسبة 0.3-1% لزيادة البرودة وتحسين بنية الجرافيت والبرليت؛غالبًا ما يتم إضافته مع النيكل والنحاس والكروم لتشكيل مكاوي عالية القوة.يضاف التيتانيوم كمزيل للغازات ومزيل للأكسدة، ولكنه يزيد أيضًا من السيولة.يضاف 0.15-0.5% من الفاناديوم إلى حديد الزهر لتثبيت السمنتيت وزيادة الصلابة وزيادة مقاومة التآكل والحرارة.يساعد الزركونيوم بنسبة 0.1-0.3% على تكوين الجرافيت وإزالة الأكسدة وزيادة السيولة.

في مصهور الحديد القابل للطرق، يضاف البزموت بمقياس 0.002-0.01%، لزيادة كمية السيليكون التي يمكن إضافتها.في الحديد الأبيض، يضاف البورون للمساعدة في إنتاج الحديد القابل للطرق.كما أنه يقلل من تأثير الخشونة للبزموت.

الحديد الزهر الرمادي

يتميز الحديد الزهر الرمادي ببنيته المجهرية الجرافيتية، والتي تتسبب في ظهور كسور المادة باللون الرمادي.إنه الحديد الزهر الأكثر استخدامًا والمواد المصبوبة الأكثر استخدامًا على أساس الوزن.تحتوي معظم أنواع حديد الزهر على تركيبة كيميائية تتكون من 2.5-4.0% كربون، و1-3% سيليكون، والباقي حديد.يتمتع الحديد الزهر الرمادي بقوة شد ومقاومة للصدمات أقل من الفولاذ، ولكن قوة ضغطه قابلة للمقارنة بالفولاذ منخفض الكربون ومتوسطه.يتم التحكم في هذه الخواص الميكانيكية من خلال حجم وشكل رقائق الجرافيت الموجودة في البنية المجهرية ويمكن وصفها وفقًا للإرشادات المقدمة من ASTM.

الحديد الزهر الأبيض

يعرض الحديد الزهر الأبيض أسطحًا بيضاء مكسورة بسبب وجود راسب من كربيد الحديد يسمى السمنتيت.مع محتوى أقل من السيليكون (عامل الجرافيت) ومعدل تبريد أسرع، يترسب الكربون الموجود في حديد الزهر الأبيض من المصهور على شكل سمنتيت طور شبه مستقر، Fe₃ج، بدلاً من الجرافيت.يتشكل السمنتيت الذي يترسب من الذوبان على شكل جزيئات كبيرة نسبيًا.عندما يترسب كربيد الحديد، فإنه يسحب الكربون من المصهور الأصلي، ويحرك الخليط نحو خليط أقرب إلى سهل الانصهار، والطور المتبقي هو الأوستينيت من الحديد والكربون السفلي (والذي قد يتحول عند التبريد إلى مارتنسيت).هذه الكربيدات سهلة الانصهار كبيرة جدًا بحيث لا توفر فائدة ما يسمى بالتصلب بالترسيب (كما هو الحال في بعض أنواع الفولاذ، حيث قد تمنع رواسب السمنتيت الأصغر بكثير [التشوه اللدن] عن طريق إعاقة حركة الانخلاعات عبر مصفوفة الفريت الحديدية النقية).بدلاً من ذلك، فهي تزيد من الصلابة الكلية للحديد الزهر ببساطة بفضل صلابتها العالية جدًا وجزء حجمها الكبير، بحيث يمكن تقريب الصلابة الكلية من خلال قاعدة المخاليط.وعلى أية حال، فهي توفر الصلابة على حساب الصلابة.وبما أن الكربيد يشكل جزءًا كبيرًا من المادة، فمن الممكن تصنيف الحديد الزهر الأبيض على أنه سيرميت.الحديد الأبيض هش للغاية بحيث لا يمكن استخدامه في العديد من المكونات الهيكلية، ولكن مع صلابة جيدة ومقاومة للتآكل وتكلفة منخفضة نسبيًا، فإنه يجد استخدامًا في تطبيقات مثل أسطح التآكل (المكره والحلزون) لمضخات الملاط وبطانات القشرة وقضبان الرفع في الكرة المطاحن ومطاحن الطحن الذاتية، والكرات والحلقات في ساحقات الفحم، وأسنان دلو الحفر الخلفي (على الرغم من أن الفولاذ المارتنسيتي متوسط ​​الكربون المصبوب أكثر شيوعًا في هذا التطبيق).

من الصعب تبريد المسبوكات السميكة بسرعة كافية لتصلب المصهور مثل الحديد الزهر الأبيض طوال الطريق.ومع ذلك، يمكن استخدام التبريد السريع لتصلب قشرة من الحديد الزهر الأبيض، وبعد ذلك يبرد الباقي بشكل أبطأ لتشكيل نواة من الحديد الزهر الرمادي.الصب الناتج يسمى أصب مبرد، يتمتع بفوائد السطح الصلب مع تصميم داخلي أكثر صرامة إلى حد ما.

تسمح سبائك الحديد الأبيض عالية الكروم بصب المسبوكات الضخمة (على سبيل المثال، دافعة سعة 10 طن) في الرمل، حيث يقلل الكروم من معدل التبريد المطلوب لإنتاج الكربيدات من خلال سماكة أكبر للمادة.ينتج الكروم أيضًا كربيدات ذات مقاومة رائعة للتآكل.تعزو هذه السبائك عالية الكروم صلابتها الفائقة إلى وجود كربيدات الكروم.الشكل الرئيسي لهذه الكربيدات هو M سهل الانصهار أو الأولي₇C₃الكربيدات، حيث يمثل الحرف "M" الحديد أو الكروم ويمكن أن يختلف اعتمادًا على تركيبة السبيكة.تتشكل الكربيدات سهلة الانصهار كحزم من قضبان سداسية مجوفة وتنمو بشكل عمودي على المستوى القاعدي السداسي.تتراوح صلابة هذه الكربيدات بين 1500-1800HV.

الحديد الزهر القابل للطرق

يبدأ الحديد القابل للطرق كصب الحديد الأبيض الذي يتم بعد ذلك معالجته بالحرارة لمدة يوم أو يومين عند حوالي 950 درجة مئوية (1740 درجة فهرنهايت) ثم يتم تبريده على مدار يوم أو يومين.ونتيجة لذلك، يتحول الكربون الموجود في كربيد الحديد إلى الجرافيت والفريت بالإضافة إلى الكربون (الأوستينيت).تسمح العملية البطيئة للتوتر السطحي بتشكيل الجرافيت إلى جزيئات كروية بدلاً من الرقائق.نظرًا لانخفاض نسبة العرض إلى الارتفاع، تكون الأجسام الشبه الكروية قصيرة نسبيًا وبعيدة عن بعضها البعض، ولها مقطع عرضي أقل مقابل صدع منتشر أو فونون.لديهم أيضًا حدود حادة، على عكس الرقائق، مما يخفف من مشاكل تركيز الضغط الموجودة في الحديد الزهر الرمادي.بشكل عام، خصائص الحديد الزهر القابل للطرق تشبه إلى حد كبير خصائص الفولاذ الطري.هناك حد لحجم الجزء الذي يمكن صبه في الحديد القابل للطرق، لأنه مصنوع من الحديد الزهر الأبيض.

يلقي الحديد الدكتايل