دانلود مقاله انواع مختلفی خاک مورد استفاده ریخته گری

بخشی از مقاله

مقاله 1:
انواع مختلفي از خاك در جهان وجود دارند كه بسياري از آنها در صنعت ريخته گري آزمايش شده اند اما سه نوع اصلي كه در اين صنعت بكار مي روند شامل كائولن (خاك نسوزط)، مونت موريلونيت (بنتونيت) و ايليت مي باشند. مونت موريلونيت مهم ترين كاني بنتونيت بود9 كه از يك ساختار سه لايه صفحه اي تشكيل شده است. 2 لايه از تتراهدلا سيليسييم – اكسيژن و يك لايه دي اكتاهدرال يا تري اكتاهدرال هيدوكسيل آلومينيم (گيبسيت). لايه مياني‌ آلومينيوم از اكتاهدرالي با يك اتم آهن كه توسط شش واحد هيدلوكسيل محاصره شده تشكيل گرديده است. به شكلهاي 1 و 2 مراجعه كنيد.

خاك هاي سديمي، كلسيمي . و بنتونيت هاي فعال شده دراين خانواده قرار گرفته و به ميزان فراواني در صنعت ريختهگري استفاده مي شوند. كائولن از دو لايه ساختاري تشكيل شده است يك لايه اكتاهيدال آلومينيم و يك لايه تتراهيدال الومينيم و يك لايه تتراهدرال سيليسيم. لايه سيليسيم از يك اتم سيليسيم و 4 اتم اكسيژت تشكيل شده است.
خاك نسوز، خاك چيني، كائولينيت و خاك رس دراين خانواده قرار مي گيرد. در صنايع مدرن بريخته گري بندرت از اين خاكها استفاده مي‌شود.

ايليت خاكي با نسوزندگي ضعيف است. اين خاك غالبا در ماسه هاي طبيعي ديده شده اما در ماسه هاي مصنوعي هيچگاه افزوده نمي‌شود.
مونت موريلونيت داراي يك صفحه مياني هيدروكسيل آلومينيوم است كه بين دو لايه اكسيد سيليسيم آلومينيم است كه بين دو لايه اكسيد سيليسيم قرار گرفته است. بخشي از آلومينيم توسط منيزيم جانشين شده كه يك حالت عدم تعادلي يوني را به وجود مي آورد. تعادل يوني را مي توان با افزودن سديم، كلسيم يا منيزيم بدتس آورد كه اين عمل تبادل يوني ناميده مي‌شود.
در صنايع جديد ريخته گري ، برخي خاكهاي مورد استفاده از نوع تبادل يوني (فعال شده) هستند. دو نوع مونت موريلونيت مهم كه در آن صنعت ريخته گري بكار مي‌روند عبارتند از :
الف) بنتونيت سديم كه با خاصيت تورم زياد شناخته مي‌شود.

ب) بنتونيت كلسيمي كه تورم پذيري كلسيمي هستند كه با نمكهاي سديم نظير كربنات سديم فرآوري شده تاند تا خواص خاك بهبود يابد.اين فعال سازي بودن آنكه باعث كاهش استحكام خشك گردد، موجب بهبود پايداري خواص شده و عيوب ناشي از انبساط را كاهش مي دهد.
عمل فعال سازي مي‌تواند به صورت «تر» يا «خشك» انجام شود اما نتايج بررسيها نشان مي دهند كه فعال سازي «تر» خواص بهتري را بدست مي دهد.
بنتونيت هاي سديمي، كلسيمي و خاك هاي تبادل بودن كره، هر يك خواص منسبي دارند. انتخاب نوع خاك به خواص مورد نياز و مسائل اقتصادي ازتباط دارد. در صنعت ريخته گري فولاد، براي ريخته گري چدن و فلزات غير آهني درماسه‌تر معمولاً از بنتونيت كلسيمي يا بنتونيت فعال شده يا مخلوطي از ينتونيت سديمي/كلسيمي استفاده مي‌شود. هر كارخانه ريته گري بايد نيازمنديهاي خود را شندهته و بر آن اساس نوع خاك مناسب را انتخاب كند. ازيك خاك يا مخلوطي از خاك ها مي توان در اغلب موارد براي دست يابي به خواص مورد نظر استفاده كرد. در فرآيندهاي قالب گيري ماشيني با فشار بالا، اين انتخاب اهميت بيشتري داشته و معمولاً براي بهبود عملكرد، افزودني ديگرنيز به ماسه اضافه مي شوند.

مقاله 2: چسب هاي زرين نوع فوران ابتدا در سال 1958 به عنوان سيستم =سب فوران بدون پخت اسيد كاتاليز شده معرفي شدند. دو سال بعد صنعت اتومايتو اين رزين ‌ها را اصلاح كرد تا به كاتاليزورهاي نمكي اسيد عمل كنند تا در ماهيچه هاي Hotbox استفاده شود سپس در اوايل دهه 80 (زرين هاي فوران به عنوان بزرگترين سيستم فروش بدون پخت تبديل شدند.
چسب هاي فوران بدون پخت (سردگير ) در تهيه قالبهاي ماسه اي در ريخته گري قطعات چدني و فولادي كاربرد زيادي پيدا كرده اند. در اين پژوهش متغيرها موثر در سخت شدن چسب شامل: درصد كاتاليست، رطوبت ماسه، اثر دماي محيط و فاصله زماني بين سنجش استحام و زمان قالبگيري مورد بررسي قرار گرفته است. نهايتا شرايط بهينه قالب گيري چسب فوران با كاتاليست اسيدتولوئن سولفونيك به دست آمد. در اين شرايط استحكام فشاري ماسه برابر 400، عبود گاز آن AFS 130، وز مان عمر مفيد اين ماسه برابر 20 دقيقه تعيين گرديد.

چسب هاي فوارن بدون پخت (سردگير) ر تهيه قالب هاي ماسه ايدر ريخته‌گري قطعات چدني فولادي كاربرد زيادي پيدا كرده اند. سيستم چسبهاي فوراني بدون پخت (No- boke) دراواخر سال 1950 به صنعت ريخته گري معرفي شد و از سال 1960 تاكنون به طور گسترده اي در صنايع ريخته گري كشورهاي جهان استفاده مي‌شود. پايه چسبهاي فوراني. الكل فورقوريل با فرمول شيميايي C4H3OCH2OH است كه از فورفورال تهيه مي‌شود. فورفورال نيز خود از ت0حول بقاياي محصولات غذاييي همچون غلات، پوست جو ، تفاله نيشكر و غيره بدست مي آيد. درجه چسب فوران با استفادهاز مقدار آب و نيتروژن و ميزان فورفوريل الكل پايين براي ريخته گري و ماهيچه سازي چدن و آلياژهاي كم و يا بع عبارتي با فورفوريل الكل زياد براي ريخته گري و ماهيچه سازي قطعات فولادي بكار برده مي شوند. يكي از انواع خاص چسبهايفوراني سردگير چسبهاي بدون نيتروژن است.

وجود نيتروژن باعث افزايش طول مدت نگهداري چسب مي‌شود. وجود نيتروژن باعث افزايش طول مدت نگهداري چسب مي‌شود ولي از طرفي وجود آن در بسياري از موارد با تشكيل گاز، باعث ايجاد عيوب ريخته گري مي‌شود كه اغلب از نوع تخلخل و حفره اي بوده و خطرناك مي باشند. نيتروژن همچنين ممكن است تخلخل هاي زير سطحي ايجاد كند. براي بكار بدن اين چسب در قالب گيري، ابتدا ماسه را با يك كاتاليست يا سخت كننده مخلوط مي كنند و سپس چسب فوران را را آن مخلوط مي نمايند. انواع كاتاليستهاي معمول اين چسب به ترتيب افزايش واكنش دهندگي عبارتند از: اسيد فسفريك و يا مخلوطي از اسيد فسفريك و اسيد سولفوريك، آريل سولفونيكها مثل اسيد تولئون سفلونيك(TSA) با فرمول شيمياي CH3So3H و اسيد بنزن سولفونيك (‌BSA) با فرمول SO¬3 H اسيد فسفريك ضعيف تين اسيد بين اسيدهي مذكوراست.

معمولاً مقداراسيد فسفريك لازم جهت افزودن به مخلوط حدود 40 الي 60 درصد وزني چسب فوران مي باشد. بعد از اسيد فسفريك امروزه بيشتر از اسيدها آروماتيك TSA و پس از آن BSA كه قوي تر است استفاده مي‌شود. معمولاً وقتي كه ماسه مصرف شده (غير تازه) باشد يا حالت قليايي داشته باشد استفاده از BAS مطلوب تر است. افزودن اين دواسيددرحدود 20 الي 25 درصد چسب به مخلطو كاسه كافي است. به طول كلي مكانيزم سخت شده چسب در چسبهاي سرد فوراني كه با اسيد سخت مي شوند به صورت پلبيمريزاسيوناست. در واقع با وجود يك اسيد قوي، زنجييزه هاي الكل فورفرويل به صورت فيلمي ذرات ماسه را مي پوشاند و باعث چسبيدن اين ذرات ب9ه هم مي شوند. واكنش پليمريزاسيون اين چسب از نوع تراكمي است و محصول جنبي داشته و به صورت زير مي باشد.

اين واكن گرمازا است وحرارات ناشي ازآن باعث تسريع پليمريزاسيون به صولت لايه لايه تا بخشهايمركزي مي‌شود. آب توليد شده از واكنش پليمريزاسيون براي تكميل گيرش رزين بايد بخير شود. به همين دليل گيرش رزين از سطح خارجي قالب به سمت داخل اتفاق مي افتد. سرعت واكنش تحت تاثير عواملي چون دماي ماسه و نوع ماسه، نوع مخلوط كنو سرعت مخلوط كردن ، تركيب چسب وننع و مقدار عنصر فعال كننده مصرفي قرار دارد. افزايش دماي محيط تا C 0 30 موجب افزايش سرعت‌گيرش و رسيدن به استحكام بالا مي‌شود. افزايش رطوبت نيز در دماي ثابت باعث كم شدن سرعت گيرش مي‌شود. دماي ماسه تأثير بسزايي را روي فرآيند پليمريزتاسيون دارد. درمحدوده دمايي C 0 16 تا C 0 38 استحكامهاي مناسب تري بدست مي آيد. در ضمن هر چه روطوبت نسبي هوا بالاتر رود به دليل كاهش سرعت تبخير حاضر در كاتاليست و آب توليد شده از وانش تراكمي‌، استحكام كاهش مي‌يابد.

يكي از مزاياي فآيند قالب گيري با اين چسب نياز به تجهيزات و ماشين آلات پيچيته است. از مزاياي ديگر اين چسب استحكام بالا، سادگي مخلوط ماسه‌، دستيابي به دقت ابعادي بالا و كاهش هزينه هاي مربوط به ماشين كاري، كنترين ميزان واكنش درفل مشترك ماسه و فلز و عدم نياز به مهارت قالب گيري و ماهيچه سازي مي باشد. همچنين از معايب آن نيز مي تان با پايين بودنسرعت توليد، قيمت بالاي چسب، بدبو بودن ميحط كاري آن واحتمال ابتلا به امراض پوستي و صنعتي و نياز به استفاده از ماسه با كيفيت بالا اشاره كرد.
مداول ترين نوع ريخته گري نوع قالب ماسه اي است كه دو نوع مخلوط پايه‌اي براي آن وجود دارد.
ماسهتر (green Sand) و مساه سردگير (no – bake sand) از (Synthctic resins) استفاده مي كنند.
عميلايت بدون پخت : قالب ها يا ماهيچه هايي كه به وسيله رزيل هايي كه ماسه ها را درهوا به هم مي چسبانند تهيه شده اند گفته مي‌شود. اين پروسته (airset ) موسوم است چون قالب ها براي سخت شدن در شرايط محيط قرار داده مي شوند.
شادي معمولاً پس از عمليات زينتر، دانه بندي مي‌شود و براي قالبگيري با ماسه خشك بمنظور ريبختهگري قطعات ريختگي فولادي به كار مي رود.

انواع چسب ها (Types of binder)
تقسيم بندي چسب ها از دو ديدگاه صورت مي گيرد؛ يكي از نققطه نشر ماهيت و طبيعت جسب ها و ديگري از نظر نحوه انجماد و چگونگي خودگيري و سفت شدن (Setting) چسب ها، از نقطه نظر ماهيت، چسبها به دو گروه چسب هاي آلي ‍(Organec) و غير آلي (Inorganic) و يا به دو دسته قابل حل در آب ( Warer – Soluble) يا آبدار (Hydrous) و غي قابل حل در آب (Warer – Insolube) يا غير آبدار (Anhydrous) تقسيم بندي مي شوند.
ازنقطه نظر نحوه اينجماد و چگونگي سفت شدن و خودگيري، چسب ها به سه گروه برگشت ناپذير (Irreversible) ، ميانه (UNTermediarte) و برگشت پذير (Reversible) تقسيم مي شوند.

چسب هاي آبدار رو جسب هاي غير آبدار نبايد با همديگر مخلوط شوند زيرا هر زمان كه اين عمل صورت پذيرد، استحكام مخلوط ماسه در حالت تر و در حالت خشك كاهش مي يابد و بخصوص اگر چسب آبدار، خاك رس باشد كاهش استحكام شديدتر است.
يك چسب مناسب بايد ذرات ماسه را بيكيدگر اتصال دهد و استحكام قابل و ماسه ماهيچه را درحالت تر و خشك افزايش دهد و شرايط زير را فراهم سازد؛
1- درخلال تهيه مخلوط هي قالبگيري با ماهيجه بطور يكنواخت برروي سطوح ماسه
پايه گسترده شود.
2- درهر دو حالت تر و خشك، استحكام كافي مخلوط را فراهم سازد.
3- شكل پذيري مناسب در مخلوط ايجاد نمايد بطوريكه مخلوط قادر باشد همه بخش هاي قالب را پر كند.
4- كمترين جسبندگي را به سطح مدل و جعبه ماهيچه داشته باشد تا انجام فرآيند فالبگيري و ماهيچه سازي امكان پذير باشد.
5- امكان خشك كردن قابل و ماهيچه رافراهم سازد و در خلال مونتاژ قالب و نگهداري ماهيجه رطوبت جذب نكند.

6- در خلال مرحله خشك كردن و بنگام ريخته گري فلزبداخل قالب، حداقل گزا را توليد و‌ آزاد سازد.

7- به ديرگذاري ماسه لطمه نزندو سوختن زود رس ماسه را پديد نياورد.

8- امكام آسان خارج سازي ماهيچه را فراهم سازد.

9- براي افرادي كه عمليات تهيه مخلوط، قالب و ماهيجه را انجام مي دهند مضر نباشد و گازهاي سمي توليد نكند.

10- ارزان و قابل دسترس باشد.

چسب هاي غير آلي (Inorganic binders)
مهمترين چب هاي غير آلي مصرف درمخلوط هاي قالبگيري عبارتند از ؛ خك رس (Clay) ، سيمان (Ciment)، سيليكات ها (Silicates) و گچ (Plaster)

خاك رس (Clay)
متداولترين چسب هاي مورد استفاده درمخلوط هي قلبگيري خاك رس (Clay) است. خاك رس اساسا سيليما آلومينيوم (Aluminum) است اما از آنجا كه اين ماده محصول تجزيه شده از انواع سنگ هاي آذرين است، انواع مختلف آن از نظر تركيب شيميايي طيف وسيعي را در برمي گيرند. خاك رس ها سه خصوصيت عمده دارند؛‌
الف – خاك رس ها مي تونند پس از مخلوط شدن با ماسه و آب مافي، شكل پذيري (‍Plasticity ) و چسبندگي در مخلوط ايجاد نمايند.
ب – خاك رس ها مي توانند خشك شوند و سپس با اضافه كردن آب، مجددا خاصيت شكل پذيري را كسب نمايند.. درجه حرارت خشك كردن نيز چندان بالا نيست.
ج – اگر خاك رس به دماي خيلي بالا برده شود، كلسينه مي‌شود و از بين مي رود و در آن صورت با افزودن آب نمي توان آنرا مجددا شكل پذير ساخت. دماي كلسينه شدن (Calcining) براي انواع مختلف خاك رس متفاوت است.
خاك رس عموما سه نوع هستند، اين سه نوع عمومي عبارتند از ؛
الف – مومنت موري لونيت
ب – ايليت
مونت موري لونيت
مونت موري لونيت (Montmorillonite) يا بنتونيت (Bentonite) در دو نوع بنتنيت سديم (Sodium bentonite) و بنتونيت كلسيم وجود دارد. بنتونيت سديم اندكي خاصيت قليايي دارد و به بنتونيت غربي (western bentonite) معروف است. ينتونيت كلسيم به مقدار جزئي خاصيت اسيدي دارد و به بنتونيت جنوبي (Southern benomite) مشهوراست.بنتونيت كلسيمي قالبهايي با استحكام تر بالاتر و استحكام خشك و استحكام گرم پائين تر فراهم مي سازد. تركيب شيميايي نمونه و خواص اين دو بنتونت در جدول شماره 1 آمده است.

بنتونيت غربي (Western bentonite)
در بنتونيت غربي برخي از اتم هاي آلومينيم جاري خود را به اتمهاي سديم واگذار كرده اند. اين مسئله باعث افزايش فعاليت بنتونيت و بالارفتن توانايي آن براي جذب آب مي‌گردد. بنتونيت غربي قالب هايي با استحكام خشك بالا فراهم مي كند و براي قالب هاي مورد استفاده در ريخته گري آلياژهاي آهني مزاياي ويژه اي در بردارد.
بنتونيت غربي قابليت شكل پذيري (Plaslicity) زيادي ايجاد مي كند و نگامي كه بخوبي با‌ آب و ماسه درهم آميخته شود. به مخلوط رواني و شكل گيري مناسب مي‌بخشد. ماسه قالبگيلي كه بكمك بنتونيت غربي قطبي شده اتصال پيدا كرده است دراطراف مدل بطور يكنواخت فشرده مي‌شود و قالبي با استحكام عالي فراهم‌ مي سازد.

بنتونيت غربي قادر است بواسطه جذب آب متورم شود و حجم آن سيزده برابر حجم اوليه گردد و بهمين دليل اين چسب مي‌تواند پس از كوبش و تهيه قالب يك عامل بسيار عالي ما بين دانه هاي ماسه باشد و نقش اساسي دركاهش عيوب انبساطي ماسه داشته باشد.
بنتونيت غربي قابليت دوام زيادي دارد واين خاصيت امكان استفاده مجدد آنرا در يك ماسه سيستم به دفعات زياد فراهم مي سازد.
بهنگام كاربرد بنتونيت غربي، كنترل نسبت خاك رس به آب اهميت دارد. اگر نسبت مذكور صحيح نباشد خواص مخلوط و از جمله قابليت شكل پذيري مخلوط و نيز امكان خارج سازي قطعه از قالب پس از ريخته گري، كاهش پيدا مي كند. البته اينگونه خواص با افزودن مواد ديگر قابل كنترل و بهبود است ولي بهتر‌آن است كه مقصود با انتخاب نسبت مناسب حاصل شود.
بنتونيت جنوبي
دربنتونيت جنوبي برخي از اتمهاي آلومينيم جاي خود را به اتمهاي كلسيم واگذار كرده‌اند. اين امر نيز قابليت و ظرفيت تعويض يوني خاك رس را افزايش مي دهد. بنتونيت جنوبي خاك رسي است كه بر اثر تماس با آب تورم كمتري پيدا مي كند در نتيجه افزايش حجم آن اندك است.
بنتونيت جنوبي پس از زمان مخلوط كردن كمتر، استحكام فشاري تر بيشتر فراهم مي‌كند.
استحكام فشاري خشك (Dry Compressive striength) بنتونيت جنوبي 30 تا 40 درصد كنمتر است و استحكام فشاري گرم (Hot Compressive stremgth) مخلوط تهيه شده با بنتونيت جنهوبي نيز پاوينتر است و بهمين دليل خارج سازي قطعه آسان تر است.

مخلوط ماسه اي كه با بنتونيت جنوبي تهيه شده است بسيار راحت تر از مخلوط ماسه‌اي كه با بنتونيت غربي تهيه شده است روان و جاري مي‌شود و قادر است تحت فشار كنتر تا فشردگي بسيار بالا كوبيده شود و بهمين سبب براي استفاده در قالب‌گيري مدل هاي پيچيده تر است.
جدول 10 –5:
تركيب شيميايي و خواص بنتونيت سديمي و بنتونيت كلسيمي مورد استفاده در مخلوط هاي ماسه قالبگيري.

تركيبات شيميايي
نوع بنتونيت سيليس اسيكد آلومينيم اكسيد آهن اكسيد كلسيم اكسيد منيزيم اكسيد پتاسيم اكسيد سديم تيتانيم پنتا اكسيد فسفر اتلاف بر اثرسوختن
سديم (غربي)
4/62 6/24 2/3 4/0 9/2 2/0 6/0 - - 1/6
كلسيمي (جنوبي) 4/55 4/55 7/2 9/0 5/1 4/1 - 5/0 3/0 -

حداقل دماي گداز (درجه سانتيگراد ) حداقل استحكام فشاري تر (پوندبراينچ مربع)

بنتونيت سديمي 1260 5

بنتونيت كلسيمي 1315 5/7 – 5/6

استفاده از زينتونيت جنوبي نيز به كنترل مناسب مخلوط خاك رس – آب دارد. بنتونيت جنوبي نسبت به بنتونيت غرزي نياز به آب كمتري دارد و قابليت دوام آن نيز كمتر است.
درعمل، متداول است كه مخلوطي از بنتونيت جنوبي و بنتونيت غربي همراه با هم به كاربرده شود تاخواص حاصل در حد بهينه (Optimum) باشد، همانگونه كه قبلا ذكر شد ساختار بلوري سيليس از چهاروجهي هايي تشكيل شده است كه هر گوشه آنرا يون اكسيژن اشغال كرده است، هريك از اين يون ها با دو يون +4 Si پيوند برقرار كرده اند، ساختار بلوري مونت موري لونيت بگونه اي است كه رئوس چهاروجهي ها برروي يك صفحه قرار مي گيرند. بطوري كه شش ضلعي هايي از يونهاي اكسيژن تشكيل شده است. اگر ساختمان بلوري در فضايي بزرگتر درنظر گرفته شود، صفحاتي موازي با هم بوجود آمدهاست كه فقط شامل اتم هاي اكسيژن است . در حقيقت رئوس چهاروجهي ها برروي اين صفحات موازي قرار دارد و يون‌هاي سيليسيم در فاصله اي مشخص و ما بين صفحات موازي مذكور واقع شده‌اند و هشت وجهي هاي تشكيل يافته از‌آلومينيم، اكسيژن و يونهاي OH مابين دولايه از چهاروجهي هاي مزبور قرار دارند.

از نقطه نظري تهيه مخلوط قالبگيري ، مهمترين خاصيت خاك رس تشكيل ساختمان لايه اي نازك و توانايي جذب يونهاي فلزي و آب است.لايه هاي خاك رس بسيار نازك (در حدود 15 تا 30 آنگسترون) است و بسهولت يونخهاي فلزي (Lna+ Ca++ ) را جذب مي كند و متعاقبا آب برروي اين يونها جذب مي‌شود. آب جذب شده يك ذره خاك رس رابه ديگري اتصال مي دهد و لايه هاي خاك رس از طريق آب بر روي سطوح ماسه اصلي گسترده مي‌شود و بكمك پيوندهاي قطبي (Polar) يا نيروهاي مولكولي اتصال لازم را فراهم مي سازند.
فرمول عمومي بنتونيت سديمي Nao.33(Al 1067 Mg0 0.33) Si4 O10 (oH)2 و فرمول عمومي بنتونيت كلسيمي Ca0.33 (Al1.67 Mg0.33¬) Si4 O 10 (OH)2 است.
كائوليت (Caolinite)
كائولينيت كه عموما خاك نسوز (Fire clay) ناميده مي‌شود فرمول عمومي Al2 (Si2O5) (OH)4 را دارد.
ساختار بلوري كائولينيت ازچهار وجهي هاي سيليسيم – اكسيژن و هشت وجهي هاي آلومينيم – اكسيژن – يونها OH تشكيل يافته است. اگر شكل فضايي در نظر گرفته شود كي لايه چهاروجهي بر روي يك لايه هشت وجهي قرار مي گيرد. تركيب چهاروجهي و يكي از صفات جانبي هشت وجهي با يكديگر فصل مشتركي را بوجود مي آورند و بدين ترتيب آرايش اتمها بصورت زير حاصل مي‌شود: