بخشی از مقاله
چدن ها و فولادها از روی درصد کربن مشخص می شوند. بیشتر از 1/2 درصد کربن چدن نام دارد و کمتر از 1/2 درصد کربن فولاد نام دارد.
هر چه درصد کربن در چدنها بیشتر باشد پایدار کردن آن نیز بیشتر می شود. انواع چدن هایی که استفاده می شود عبارتند از : خاکستری ، نشکن ، مالی بل و سفید . ویژگیهای چدن نسبت به فولاد را می توان به این شکل بیان کرد: نقطه ذوب پایین نسبت به فولاد، خواص مکانیکی مختلف ، سیالیت خوب به دلیل وجود گرافیت آزاد در چدن ها و عدم نیاز به تغذیه درمواردی که انقباض به دلیل انبساط گرافیت چدن کم است. چدن ها دارای اجزا یوتکتیک کمتر و گرافیت کمترو نتیجتا
مقاومت بالا به دلیل اینکه در چدنهای هیپو یو تکتیک گرافیت ها درشتر به وجود می آید که چدن را نرم و ضعیف می کند. همان طور که می دانید آلیاژ های آهنی را می توان در یک سیستم آلیاژی دو تایی برای فولاد ها و نیز با اضافه شدن سیلیسیم بیشتر یک سیستم سه تایی برای چدن ها تعریف کرد.
(( مواد قالب و افزودنی ها ))
مواد قالبگیری را می توان به دو گروه زیر تقسیم بندی کرد :
1- مواد قالبگیری موقت یا مصرفی
2- مواد قالبگیری دائمی
ما در این گزارش به بررسی مواد قالبگیری موقت می پردازیم .
موارد مورد بحث در باره این مواد می توانند از نظر ترکیب شیمیایی
خواص فیزیکی و خواص فیزیکی – مکانیکی این مواد باشد.
ماسه
یکی از مهمترین مواد مورد مصرف در قالبگیری موقت قطعات ماسه است. ما می توانیم با استفاده از ماسه قالبهایی با ظرفیت کمتر از یک کیلو تا چند تن را با نوجه به روش قالبگیری تولید کنیم. نصبت ماسه با فلز متفاوت است مانند: 10به 1 می تواند با توجه به قطعه و ر.ش قالبگیری مورد استفاده قرار گیرد . در نقاط مختاف دنیا محل هایی وجود دارد که ماس
ه با انواع مختلف در آنجا تجمع پیدا کرده است که این محلها را معادن طبیعی ماسه گفته می شود که در نقاط مختلف ماسه با اشکال و اندازه های مختلف یافت می شود.ماسه می تواند به اشکالی مانند گرد، گوشه دار و مخلوطی از هر دو یافت شود.
اندازه یا مش ماسه نیز می تواند متفاوت باشد در ریخته گری آهنی اگر مش ماسه باید کم باشد به دلیل اینکه هرچه مش پایین تر باشد استحکام قالب نیز بالا می رود.
اشکال ماسه نیز اثرات متفاوتی بر روی قالب دارد. اگر ماسه گرد باشد استحکام کم می شود و نفوز گاز افزایش می یابد اما اگر ماسه گوشه دار وتیز باشد استحکام قالب بالا می رود اما نفوذ گاز کم می شود و موجب ایجاد مک در قطعه می شود.
ماسه های ریخته گری عمدتأ از اکسید سیلیسیم و میکاوفلداسپار تشکیل شده اند. ماسه با کیفیت بالا برای ماهیچه ها و قالب های با دقت بالا قرار دارند و در جایی که خواص بی نظیر اینگونه مواد مورد نیاز است
به کار می روند. ماسه های ویژه عبارتند از :
)ZrSiO21- زیرکن (
)FeCr2O42- کرومیت (
)Mg – Fe) 2SiO23- اولین
)FeAl5Si2O12.OH4- استائورولیت (
سیلیس بعد از اکسیژن فراوانترین عنصر در طبیعت است. سیلیس به دو صورت ) که سیلیس می نامند و تبلور بنیان اولیه سیلیکاتها SiO2 اکسید (
) در تشکیل کانیها شرکت دارد.SiO4
خواص فیزیکی ماسه Green strenath
1-استحکام تر
پس از افزودن رطوبت به ماسه ماسه تر حاصل می شود.این مقدار رطوبتی که ما می افزاییم باید به طور دقیق افزئده شود تا به تواند انتظاراتی که از ماسه می رود را برابرده کند . ماسه تر باید علاوه بر دارا بودن استحکام کافی باید از شکل پذیری مناسبی برخوردارد باشد تا مابعد از خارج کردن مدل از درون قالب از خود استحکام بالا نشان دهد
همان طور که گفته شد رطوبت و مقدار چسبندگی باید به طور دقیق کنترل شودچون اگر رطوبت از یک درصد مشخص ( 6%) افزایش یابد می تواند باعث کاهش خواص مکانیکی ماسه شود. استحکام تر یک قالب به عوامل مختلفی چون میزان رطوبت ، مقدار چسب،شکل و
اندازه و عدد ریزی ماسه بستگی دارد. در نمودار زیر تا ثیر رطوبت را بر استحکام مکانیکی مشاهده کرد.
استحکام استحکام استحکام فشاری
استحکام کششی
استحکام برشی
در صد رطوبت
7 % 6% 5%
2- )استحکام خشک)Dry strength
ما هنگامی به اهمیت استحکام خشک ماسه پی می بریم که مذاب درون قالب ریخته شده و ماسه به دلیل تماس با مذاب تمام رطوبت خود را از دست می دهد و اگر نتواند استحکام خود را به اندازه کافی برای مقاومت در برای مقاومت در برابر فرسایش و نیز استحکام کافی در برابر فشار متا استاتیکی مذاب را داشته باشد باعث می شود که قالب اندازه و ابعاد خود را از دست دهد و ما قطعه خود را با اندازه های دقیق نمی توانیم ریخته گری کنیم و باعث کاهش راندمان ریخته گری می شود.
اما مامی توانیم با کنترل وافزایش رطوبت استحکام خشک ماسه را به اندازه کافی اغزایش بدهیم تا با مشکلا ت گفته شده برخورد نکنیم.
استحکام
در صد رطوبت 7 % 6% 5%
3-( نفوذ پذیری )permeability
ما در قالبگیری با مشکلاتی با معایبی به نام مک های گازی یا حفره روبرو می شویم که این معایب می توانند از بخار شدن رطوبت ماسه و یا تولید گاز کردن مواد دیگر قالب بوجود بیاید . هنگامی که این بخارات و گازها تولید می شود نیاز به راهی برای خروج دارند و اگر نفوذ ماسه کم باشد این گازها در قالب حبس شده و تولید عیب های گفته شده می کند .
ما می توانیم با اظافه کردن مقدار مشخصی از رطوبت ( 7%) نفوذ پذیری ماسه را افزایش بدهیم اما باید این مقدار به طور دقیق کنترل شود و گرنه با کاهش رطوبت نفوذ پذیری کاهش می یابدو اگر این مقدار بیشتر از مقدار مورد نظر باشدباعث می شود چسبندگی ماسه افزایش یابد و راه خروج گازها بسته شود و مشکلاتی در تولید قطعات پیش آید.
4- )قابلیت شکل پذیری )flow ability
ماسه مورد استفاده ما در قالبگیری با ید قابلیت شکل پذیری کافی و متناسب با فرایند ریخته گری داشته باشد. ما می توانیم این مقدار را با افزایش کمی رطوبت به ماسه و افزایش چسبندگی این خصوصیت را در ماسه ایجاد کرد تا محفظه قالب مورد نظر را با دقت ابعادی بالا درست کردماسه تحت تا ثیر نیروی وارد به هنگام قالبگیری ، راحت تر شکل موردنظر را قبول کند. هر قدر حرکت ذرات ماسه بر روی یکدیگر به واسطه عواملی مثل فشار یا لرزش آسانتر صورت می گیرد.
از خواص فیزیکی دیگر ماسه می توان به چند مورد زیر نیز اشاره کرد:
)Thermal stability5- پایداری حرارتی (
)Refractoriness6- دیرگدازی (
7- تولید با سطح نهایی خوب
8- قابلیت فروریختن و متلاشی شدن( بعد از مذاب ریزی)
9- قابلیت استفاده مجدد
اجزاء مخلوط ماسه قالبگیری
از موادی که در مخلوط با ماسه در قالبگیری استفاده می شودکه به نام افزودنی ها معروف هستند می توانیم به انواع چسب ها اشاره کرد که باعث چسبندگی و اتصال ذرات ماسه می شود. مواد دیگری نیز برای تکمیل کار و گاهی کسب خواص ویژه مانند صافی سطح، استحکام و ......
به مخلوط اضافه می شود.
)type of binder انواع چسب ها (
)organic چسب ها را می توان از نظر ماهیت به دو دسته چسبهای آلی(
)تقسیم بندی کرد.in organicو چسب های غیر آلی (
اگر چسب مورد استفاده در قالبگیری خصوصیات زیر را دارا باشد می توان گفت این یک چسب مناسب است.
1- در هر دو حالت ماسه ( تر و خشک ) باید استحکام کافی داشته باشد.
2- باید بتواند با بالا بردن شکل پذیری ماسه تمامی قسمت های مدل را به خود بگیرد.
3- چسب مورد استفاده در قالبگیری نباید کمترین چسبندگی به سطوح مدل
و جعبه ماهیچه را داشته باشد.
4- حداقل تولید گاز به هنگام تماس با مذاب
5- دیرگدازی ماسه را پایین نیاورد تا با ماسه سوزی مواجه نشویم
6- از نظر تولید گازهای آلوده و مضر درپایین ترین در صد باشد.
7- اقتصادی بودن
چسب های آلی را می توان به سه گروه اصلی تقسیم کرد:
)Resin 1- صمغ ها(
)،غلات،نشاستهCerteal2- حبوبات (
)Oli3- روغن (
چسبهای غیر آلی به قرار زیر هستند:
الف) خاک رس:
خاک رس یکی از متداول ترین و مهمترین چسب مورد استفاده در قالبگیری است،خاک رس اساسا سیلیکات آلومینیم است.
ما در طبیعت عموما سه نوع از این خاک را می یابیم که عبارتند از:
)Al2O3.4SiO2.H2O1-مونت موری لونیت (
)Al2O3.2SiO3.H2O2- کائولینیت (
3- ایلیت
ب) سیمان:
سیمان نیز از جمله چسبهایی است که ما به دلیل سختی بالا و استحکام زیادی که بعد از مخلوط کردن با ماسه بدست می آید در قالبگیری قطعات مختلف مورد استفاده قرار می دهیم. سیمان پرتلند به میزان 12-8 درصد به همراه 6-4 درصد آب برای تهیه یک مخلوط ماسه قالبگیری به کار می رود. ما برای اینکه سیمان به خوبی خود گیر و سفت شود باید مخلوط را 72 ساعت نگه داشت تا بعد مورد استفاده قرار گیرد.
ج) سیلیکات:
سیلیکاتها نیز در فرایند قالبگیری مورد استفاده قرار می گیرد که به طور کلی به دو دسته سیلیکات سدیم و ترکیبات اتیل از که از مهمترین انواع اینگونه چسبها هستند.
د) گچ
ما در فرایند قالبگیری برای بدست آمدن برخی از خواص ویژه موردنظر خود از موادی استفاده می کنیم که افزودنی ها گفته می شوند که عبارتند از:
- حبوبات ، غلات :
این دو مواد بیشتر برای بالا بردن استحکام تر و خشک و بالا بردن قابلیت
فروپاشی مورد استفاده قرار می گیرد.
در مواردی هم جلوگیری از عیوب انبساطی و ایجاد ترکهای گرم مورد استفاده قرار می گیرد.
- خاک اره:
به منظور ایجاد حالت پلاستیکی مواد قالب و قابلیت نفوذ گاز و همچنین قابلیت از هم پاشیدگی و موارد دیگر مورد استفاده قرار می گیرد.
- ملاس – دکسترین:
ملاس برای بالا بردن سختی لبه قالب و افزایش استحکام خشک ماسه مورد استفاده قرار می گیرد. دکسترین نیز برای کنترل انبساط و افزایش سختی سطح قالب به کار می رود.
- نفت سیاه ،قیر و مازوت:
این مواد یرای بهبود سطح تمام شده قطعات آهنی و خواص چسبندگی ذرات ماسه در فراین قالبگیری استفاده می شود.
- گرافیت :
به منظور اصلاح قابلیت قالبگیری ماسه و بهبود سطح تمام شده قطعات به کار گرفت.
- پودر سیلیس:
پودر سیلیس به دلیل بالا بردن چگالی توده ماسه باعث فشردگی بیشتر و مقاومت بیشتری در بابر نفوذ فلزات مذاب دارد.
- اکسید آهن :
اکسید آهن باجذب گازهای موجود در قالب از ایجاد عیوبی مانند مک و حفره جلوگیری می کند و استحکام گرم قالب را نیز افزایش می دهد.
مواد دیگر نیز مثل روغن سوخت، پرلیت ، سیکول، رسوب فورفورال،پودر سردا،اسید بوریک و ........مورد استفاده قرار می گیرد.
(( کوره ها و ذوب فلزات))
در مورد ذوب چدن ها می توان گفت که بیشترین و رایج ترین کوره مورد استفاده در ذوب این فلز از کوره کوپل نام برد.
کوره های متفاوتی در تولید مذاب وجود دارد که میتوان به کوره های دوار،کوره های زمینی و کوره های الکتریکی اشاره کرد.ب و فوق ذوب،سرعت ذوب،ظرفیت ذوب ،هزینه ذوب و ..... است.
شارژ کوره هامی تواند از شمش های چدنها ویا قراضه ها( راه گاهها، تغذیهو قطعات برگشتی و.......) باشد.
اگر ما می خواهیم یک قطعه مناسب تولید کنیم باید علاوه بر دقت و کنترل مواد قالبگیری مورد استفاده که در بخش پیش توضییح داده شد به مذابی که برای ریخته گری مورد استفاده قرار می گیرد به طور جدی توجه کرد تا بتوانیم از ورود مواد آلوده کننده مذاب جلوگیری کرد و یک
مذاب تمیز وارد محفظه قالب کرد و با یک راندمان بالای ریخته گری قطعات سالم و بی عیب تولید کرد.
ما در اینجا به منابع آلوده کننده مذاب و راه حلهای رفع یا جلوگیری از ورود این منابع توضییح می دهیم.
منابع آودگی مذاب
یکی از مباحث در متالورژی واکنش پذیری مذاب با مجموعه عوامل محیطی و عوامل دیگر است.
منابع را می توان به عبارت زیر بیان کرد:
هوای محیط
مذاب به راهتی می تواند با مجموعه واکنشهای مختلف شیمیایی و فیزیکی با گازهای موجود در هوا ( هیدروژن،اکسیژن،ازت و بخار آب ) موجب تلف شدن عناصر مفید در آلیاژ و تشکیل مواد مضر و ناخاسته کند که راندمان ریخته گری را به شدت کاهش می دهد.
سوخت و محصولات احتراق
سوخت یکی از عوامل مهم در ذوب است که می تواند با کنترل آن و درست مصرف کردن و ایجاد یک احتراق مورد نظر ما برای ذوب فلزات از به وجود آمدن آلودگی های مختلف جلوگیری کرد.
مواد نسوز
مواد نسوز می تواند با ایجاد واکنش مکانیکی وارد مذاب شود و ایجاد آلودگی در مذاب کنند. نسوزهای مورد استفاده در پاتیل ها و بوته های مورد مصرف در ذوب فلزات اگر دارای دیرگدازی بالا و بی اثر بودن نسبت به مذاب نباشند باعث دخول مکانیکی می شوند.
وسایل و ابزار ذوب
این مورد از آلودگی نسبت به موارد دیگر کمتر باعث آلودگی می شود.
می توان با تمیز نگه داشتن وسایل و ابزار مورد استفاده که به دلایلی مثل هم زدن یا افزودن موادی به مذا ب در تماس مستقیم با مذاب قرار می گیرند از ورود مواد اکسیدی و مواد دیگر به مذاب جلوگیری کرد.
مواد شارژ یا بار
شارژ مورد استفاده در ریخته گری همان طوری که گفتیم یا به شکل شمش است یا قراض
ه ها باشد. شمش های مورد مصرف با درجه خلوص متفاوت وجود دارد که باید یا دقت کنترل شود و از و از درصد ناخاصیهای موجود در چدن باید اطلاع پیدا کرد و تا حد ممکن یک شمش خالص و تمیز در ذوب استفاده کرد.قراضه ها نسبت به شمش ها بیشتر موجب آلودگی مذاب می شوند چو در صد خلوص یا مواد درون قراضه ها مشخص نیست و امکان دارد حاوی عناصر مضر برای مذاب باشد و یا چون قبلا مورد استفاده قرار گرفته حاوی رطوبت یا چربی های مختلف باشد که برای مذاب کاملا مضر است.
پیشگرم کردن شارژ چدنها و تاثیر آن بر کیفیت مذاب:
اصولا یکی از روشهای آسان کاهش زمان ذوب و افزایش نرخ تولید، پیشگرم کردن شارژ است، اما تحقیقات نشان داده است که افزایش زیاد دمای پیشگرم شارژ، مشکلاتی را به وجود میآورد نتایج تحقیقات انجام گرفته در زمینه پیشگرم کردن زیاد شارژ در کوره القایی به شرح ذیل است:
● مقدار سرباره افزایش قابل توجهی مییابد.
● با افزایش زیاد درجه حرارت پیشگرم شارژ، افزایش چندانی در سرعت ذوب مشاهده نمیگردد.
● گرمای نهان ذوب سرباره حدود 8/1 برابر چدن مذاب است و اتلاف انرژی حرارتی افزایش خواهد یافت.
● نرخ اکسیداسیون مواد شارژ تا دمای ċ650 نسبتا ناچیز است اما در محدوده دمای ċ815-648 نرخ اکسیداسیون به صورت تصاعدی افزایش مییابد.
●با افزایش مقدار اکسید آهن (FeO)، حجم و سیالیت سرباره افزایش مییابد. اکسید آهن از نظر شیمیایی خورنده ترین جزء سرباره است، نقطه ذوب پایینی داشته و باعث تشکیل ذرات بسیار ریزی میشود که به آهستگی بر روی سطح مذاب غوطه ور میگردند.
● سرباره اضافی مصرف انرژی کوره را افزایش میدهد در حالت تئوری، چدن برای رسیدن به دمای بارریزی فقط به 450 الی500 کبلو وات ساعت بر تن، انرژی نیاز دارد، در حالی که سرباره 700 الی 800 کیلووات ساعت بر تن، انرژی را مصرف خواهد کرد.
● بررسیهای صورت گرفته نشان میدهند که با وجود اختلاف در سیکل حرارتی و زمانی برای هر کارگاه، درجه حرارت مناسب پیشگرم شارژ، 510-482 درجه سانتیگراد میباشد.
مواد قالب
مواد قالب می تواند به صورت مکانیکی و یا انجامک واکنش های شیمیایی موجب ایجاد ترکیبهای ناخواسته مضر در مذاب شود.
بعد از بیان منابع آلودگی حال به توضیح در باره روش ها و راه های کنترل و یا حذف آلودگی های مذاب می پردازیم.
کمک ذوبها را می توام به ترتیب زیر نام برد:
)Fluxs1- فلاکسها (
)Degassers 2- گازدانه ها (
)Grainrefiners3 – ریزکننده ها (
)Nuocleants4- جوانه زا ها (
)Modiffiers5- بهسازها (
آخالها یکی از آلودگی های مذاب محسوب می شود که به طور ناخواسته در مذاب ایجاد می شود و اثرات بسیار مضری برای مذاب دارد. ای تا ثیرات را می توان به چند دسته تقسیم کرد.
1- سیالیت ریخته گری : سیالیت مذاب به شدت تحت تاثیر وجود آخال قرار می گیرد و به دلیل وجود ذرات جامد و یا نیمه جامد سیالیت و گران روی کاهش پیدا می کند.
2- تغییر نوع انجماد : قطعه ریخته گری شده به دلیل وجود آخال جامد در هنگام انجماد باعث تسریع انجماد که آخال به عنوان هسته های اولیه عمل می کند و شرایط انجماد را به صورت خمیری ایجاد می کند و ما نمی توانیم به راهتی یک قطعه سالم و بدون مک های انقباضی را تولید کنیم.
3- مک و تخلخل : آخالها عموما به دلیل ایجاد خلاء موضعی در فصل مشترک خود با مذاب ، همواره شرایط تشکیل حبابهای گازی و مکها را تسریع و دامنه تخاخل در آلیاژ را افزایش می دهند.
4- خواص مکانیکی :آخالها باعث کاهش استحکام مکانیکی ، حد الاستیکی ،ازدیاد طول نسبی و حد خستگی می شود که به طور کامل عملا استفاده قطعه را از ما می گیرد. از جمله معایب دیگر را می توان به کاهش شکل پذیری و افزایش عیوب سطحی و همچنیین کاهش تراش پذیری و هدایت حرارتی اشاره کرد.
فلاکسها:
فلاکسها را می توان بر اساس کارایی که در عملیات ذوب دارد به دو صورت تعریف کرد .
الف ) فلاکسهای تمیز کننده : این فلاکسها نقش مهمی در ایجاد یک مذاب تمیز و بدون آخال و آلودگی های دیگر کرد . این فلاکسها با کاهش آغشتگی آخالها به مذاب و کاهش وزن مخصوص آخالها باعث می شود که آخالها به راهتی از مذاب جدا شوند و به سطح مذاب به عنوان سرباره و یا در ته بوته بنشینند و در وقت مذاب ریزی مذاب تمیز به داخل قالب برود.
این فلاکسها همچنیین می توانند با افزایش نقطه گداز آخالها باعث شود که در حین ذوب فلز به صورت جامد بماند و با مذاب مخلوط نشود و به راحتی از مذاب جدا شود .
ب) فلاکسهای پوششی: این فلاکسها مهمترین کاری که در مذاب انجام می دهد به این ترتیب است که با کاهش آغشتگی آخال با مذاب در ایجاد سرباره مناسب می کند این سرباره با ید کمترین آغشتگی را با مذاب داشته باشد تا بتوانیم به راهتی از مذاب جدایش کنیم واز ورود به داخل مذاب جلوگیری کنیم. از انواع فلاکسهای پوششی مورد استفاده در آلیاژهای مختلف می توان به چند فلاکس زیر اشاره کرد:
آلیاژ های آهنی >>>پودر ذغال،سنگ آهک،سیلیکات کلسیم
آلیاژهای مس>>>براکس،کاربیدکلسیم،برایدمنیزیم،شیشه
.....
یکی دیگر از عوامل مهم متالورژیکی موثر در تولید یک قطعه سالم توجه به سیالیت مذاب
ریخته گری است . سیالیت عبارتست از توانایی و قابلیت پر کردن تمام قسمتهای قالب ، تحت سرعت بارریزی معین توسط فلز مذاب.
از عواملی که بر روی سیالیت تأثیر دارند عبارتند از :
الف) درجه حرارت : درجه حرارت مذاب مهمترین عامل درپر شدن قالب است . مشخصا هر چه درجه حرارتفوق ذوب بالا باشد باعث افزایش سیالیت می گردد.
اگر درجه حرارت فوق ذوب پایین باشد باعث کاهش سیالیت و همچنین باعث می شود که زمان برای واکنش های ترکیبی و ایجاد انواع اکسید ها،آخالها و .... می شود.
ب)ترکیب شیمیایی: در آلیاژهای با دامنه انجماد کم ،سیالیت نسبتا زیادتر و تا هنگامی که پوسته جامد در منطقه گلویی ورودی تشکیل نشود،ادامه داشته و سپس سریعا متوقف می شود.در آلیاژها یی با دامنه انجماد طولانی به دلیل ایجاد اولین هسته های جامد سیالیت به طور فاحشی کاهش می یابد .
از دیگر عوامل نیز می توان به چند نکته زیر نیز اشاره کرد .
تنش سطحی – مواد قالب – اثرات سطحی قالب-فشار هوا
گازها
از دیگر فرایندهای که بر روی مذاب برای از بین بردن آلودگی انجام می شود گاز زدایی است.
گازها می توانند در فلزات به شکل جامد یا مذاب و به صورت بین نشین و عموما از طریق نفوذی وارد فلز می شوند و عموما مکها در نتیجه محبوس شدن گاز در حین عملیات
ریخته گری و انجماد به وجود می آید.
از عوامل تولید گاز در مذاب می توان به اتمسفر محیط،سوخت و محصولات احتراق،بخار آب ، مواد نسوز،موادشارژ و کواد قالب اشاره کرد.
از جمله مشکلاتی که مربوط به انحلال گاز در مذاب می شوند عبارتست از در جریان انجماد و سرد شدن : حد حلالیت جامد نسبت به مایع بسیار کم و گازهای خارج شده از حلالیت مجددا به صورت مولکولی تشکیل شوند، در این حال حبابهای گازی حاصل در جریان انجماد،به دلیل وجود هسته های جامد ،نوع رشد شاخه ای ، افزایش گرانروی و انجماد سطحی، فرصت خرو
ج نیافته به صورت مک و یا حفره ریز و درشت گازی در قطعه ریختگی باقی می ماند.
سرعت انحلال گاز به عواملی همچون درجه حرارت و فشار محیط بستگی دارد به این ترتیب که با افزایش درجه حرارت و فشار محیط انحلال گاز نیز افزایش می یابد.
از جمله عواملی که موثر در تشکیل مک است عبارتند از:
مقدار گاز – تلاطم و آشفتگی – آخال ها و هسته های جامد
روش های شناخته شده ای که برای گاز زدایی به کار می رود چند نوع است که قبلا مطالعه کرده ایید و تنها در اینجا نام برده می شود.
الف ) گاززدایی با استفاده از کاهش فشار خارجی ( قانون سیورت )
ب ) گاز زدایی با استفاده از افزایش فشار داخلی
از دیگر عملیات مذاب ،عملیات جوانه زائی است.
تصفیه چدن مذاب توسط الیاف نسوز سیلیسی:
تصفیه مذاب چدن، روشی موثر برای بهبود کیفیت قطعات ریختگی است. برای تصفیه چدن مذاب معمولا از فیلترهای سرامیکی و یا فیلترهای فومی استفاده میگردد. اخیرا فیلتر جدیدی بنام الیاف نسوز سیلیسی وارد عرصه صنعت ریخته گری شده است. الیاف این فیلتر از فیبرهای عملیات حرارتی سیلیسی تشکیل شده اند که دماهای بارریزی بالاتر از 2900 درجه فازنهایت را به راحتی تحمل میکنند. این فیلتر را میتوان به سادگی به هر اندازه و شکلی در آورد و معمولا در خط جدایش قالب قرار میگیرد. برای نگهداری فیلتر در موضع خود از پیچ و مهره های خاصی استفاده میگردد. با تماس چدن مذاب به فیلتر، رزین اتصال دهنده فیبرها، تجزیه شده و یک نوع زغال کربنی به وجود میاید. این زغال، باعث اکسید شدن آهن میشود و اکسید آهن (وستیت FeO) به وجود میآورد که حاصل واکنش آن با فیبرهای سیلیسی، تشکیل لایه ای از فابلیت برروی فیبرها است. دمای چدن مذاب باعث نرم و چسبناک شدم پوشش فایالیتی شده و در نتیجه هرناخالصی موجود در مذاب را بخود جذب خواهد کرد. در مذاب چدنهای نشکن، محصولات واکنشهای کروی کردن گرافیت، توسط فایالیت جمع آوری میگردد. در اثر به وجود آمدن محلولهای جامد با نقطه ذوب پایین، جداکردن ناخالصیهایی مانند اکسید منیزیم، سولفیدها، سیلیکاتها و سایر ذرات تشکیل شده در عملیات کروی کردن، آسان تر میگردد. در کاربرد فیلترهای سرامیکی، با سرد شدن مذاب و نیاز به مجراهای درشت برای عبور راحت تر مذاب (که منجر به عبور ذرات ریز میشود) مواجه هستیم و فیلترهای فومی معمولا باعث به وجود آمدن یک جریان متلاطم میشوند. در فیلترهای الیافی این مسائل کمتر رخ میدهند. برای بهبود اثر فیلترسازی و کاهش مجاری عبور دهنده ذرات ناخالصی، بایستی سطح موثر فیلتر را نسبت به جریان مذاب افزایش داد. در چدنهای خاکستری و مالیبل سطح موثر، سه الی پنج برابر سطح تنگه در سیستم راهگاهی و در مورد چدن نشکن، شش الی هشت برابر میباشد. برای بالا بردن سطح موثر در سیستمهای راهگاهی، میتوان یک فیلتر الیافی را به صورت دو مرحله ای طراحی کرد و بکار برد. در فیلتر دوم معمولا به سطح موثر بالاتری نیاز نداریم زیرا بیشتر مواد، ناخالصیها و آخالها در فیلتر اول از مذاب جدا میشوند. عملیات فیلتر کردن دو مرحله ای را میتوان توسط دو نوع فیلتر با مش بندی متفاوت و مجراهای گوناگون بکار برد و انواع مختلف ناخالص
ی و ذرات ناخواسته را از مذاب جدا کرد. با ساختن سبدها یا کاسه هایی ازاین فیلترها میتوان مقادیر معتنابهی از مذاب خروجی کوره های نگهدارنده و پاتیلها را تصفیه کرد. با پوشش دادن سطح الیاف با مواد جوانه زا، میتوان عملیات دوگانه فیلتر کردن و جوانه زائی را به راحتی انجام داد. حتی میتوان برای عملیات جوانه زائی انتخابی، مواد جوانه زا یا سایر آمیژان ها را در مکانهای گوناگون سیستم راهگاهی قرار داد. فیلتری با مساحت چهار اینچ مربع میتواند وزن بیست گرم
جوانه زا را تحمل کند. معمولا این فیلتر را به صورت افقی در خط جدایش قرار میگیرد. در قالبهای عمودی
و یا در قالبهایی که در آنها موقعیت خط جدایش محدوده است، میتوان توسط مقداری ماسه ماهیچه آن را ثابت کرد. یک استفاده دیگر از این فیلتر، تعبیه کردن مکانی برای فیلتر در نزدیکی قطعه برای سهولت جدا شدن سیستم راهگاهی از قطعه است. فیلترهای الیافی نه ترک بر میدارند و نه به مانند فیلترهای سرامیکی به راحتی در حین حمل و نقل می شکنند. توان بالای آنها برای جذب آخالهای و سایر مزایای آنها راه حل مناسبی برای بهبود کیفیت قطعات ریختگی در یک کارگاه ریخته گری به شمار میاید.
جوانه زا ها
جوانه زا ها به دو صورت خو دی و غیر خودی و جود دارد.یک جوانه زای خوب و مناسب باید ویژگی هایی مثل دیرگدازی و
قابلیت آغشتگی به مذاب ،ساختار کریستالی نزدیک به فلز
زبری سطح جوانه و .....را داشته باشد.
به چند نکته نیز باید در عملیات جوانه زائی دقت کرد:
1- زمان جوانه زائی باید در آخرین مرحله حذف ۀودگی باشد تا در هنگام گاز زدایی یا آخال زدایی جوانه زا ها حذف نشود.
2- درجه حرارت و زمان میراییباید به طوری کنترل شود تا جوانه زا ها در درجه حرارت وزمان زیاد در مذاب قرار نگیرد تا راندمان جوانه زنی پایین نیاید.
3- اندازه جوانه زا ها باید نه زیاد بزرگ باشد کهخواص قطعه را کاهش دهد و نه آنقدر ریز باشد که رادمان جوانه زاوئی پایین بیاید.
4- پخش یکنواخت 5-مقدار جوانه زا
سیستمهای راهگاهی
وظایف یک سیستم راهگاهی:
1- تنظیم سرعت و جهت جریان مذاب به گونهای که پرشدن کامل قالب قبل از انجماد تضمین گردد.
2-ایجاد جریان آرام و یکنواخت
3-ایجاد شیب دمایی مناسب از قطعه به تغذیه
4- جلوگیری از ورود آخال،اکسید سرباره،ذراتو مواد قالب
5-اقتصادی بودنقدار مصرف را دارا بوده و اندوخته های علمی و تجربی درباره آن ها نیز بسیارند . برای آنان که در ارتباط مستقیم و یا غیر مستقیم با ساخت قطعات چدنی هستند این احساس وجود دارد که چدن ریزی در مقایسه با دیگر فلزات ریخته گری روش ساده ای است . کیفیت هر محصول تولیدی ریشه در نیاز و فرهنگ آن جامعه دارد . کشوری که متکی به سیستم حمل ونقل دستی است می تواند قطعات ریختگی با کیفیت نازل را پذیرا باشد . در ارتباط با تکنولوژی تولید
قطعات چدنی چنانچه مرحله طراحی سیستم های راهگاهی و تغذیه گذاری مهمترین جزء این مراحل نباشد از اصولی ترین قسمت های آن خواهد بود . امروزه این مرحله به عنوان ابزار بسیار مفیدی جهت کنترل معایب در قطعات بویژه عیوب انقباضی و بهره دهی قطعات ریخت
در مرغوبیت قطعات ریختگی موثر است انجام گیرد که متغیرهایی نظیر کیفیت متالوژیکی مذاب و نوع مخلوط سازنده قالب و روش ریخته گری در ارائه طرح سیستم راهگاهی و تغذیه مؤثر است
لذا طرح باید این عوامل را شناساوی کرده و بر اساس شناخت کافی آن ها نوع سیستم لازم را انتخاب کند . لذا موفقیت هنگامی بدست می آید که طراح و یا گروه طراحی در ارتباط نزدیک با بخش تولید قرار گرفته و نوعی سیستم راهگاهی و تغذیه را انتخاب کند که حتی المقدور بتواند معایب و نارسائی های مرحله تولید را جبران کند
یک از عوامل لازم در تهیه قطعات ریخته گری سالم آگاهی از چگونگی رفتار مذاب از هنگام ورود به داخل قالب تا مرحله خاتمه انجماد آن است.
با نگرشی به قطعات ریختگی بجای مانده از زمان های بسیار دور می توان دریافت که ریخته گران گذشته تا چه حد به اهمیت راهگاه گذاری صحیح قطعات توجه داشته اند.
مطالعه سیستم های راهگاهی ( Gating systems ) بدون آشنایی به رفتار انقباضی مذاب و مسئله تغذیه گذاری Risering ) قطعات امکان پذیر نیست . به همین دلیل لازم است در طراحی سیستم های راهگاهی چگونگی انقباض مذاب ( Liquid shirinkage ) قبل از شروع انجماد و در مرحله انجماد ( Solidification shrinkage ) نیز مد نظر قرار می گیرد
و ظایف یک سیستم راهگاهی مناسب به شرح ذیل است:
1- انتقال مذاب از بوته به محفظه قالب با سهولت انجام پذیرد.
2- حرکت مذاب در مجاری و راهگاها با حداقل حرکت اغتشاشی انجام گیرد.
3- مذاب به گونه ای وارد قالب گردد که سردترین قسمت بار به دورترین قسمت محفظه قالب رفته و گرم ترین آن در راه گاها باقی بماند این حالت موجب می شود تا از ایجاد حفره های انقباضی مذاب در قطعه ریخته گری جلوگیری گردد.
4- راهگاها آنقدر بزرگ در نظر گرفته شوند که مذاب بتواند اولاً محفظه قالب را کاملا پر کرده و ثانیا به تغذیه قطعات ریختگی کمک کند.
معایبی که در اثر عدم دقت در طراحی سیستم های راهگاهی امکان وجود دارند عبارتند از:
1- وارد شدن ماسه شلاکه ( Slag ) و ناخالصی ها Impurities ) به همراه مذاب به محفظه قالب خصوصا تجمع در بالا قالب.
2- خشن شدن سطح قطعه ریختگی
3- جذب گاز در مذاب و ایجاد مک و حفره در قطعه ریختگی
4- اکسید شدن بیش از حد مذاب
5- ایجاد حفره های انقباضی در قطعه ریختگی
6- نفوذ مذاب در ماهیچه ها
وظیفه اصلی یک سیستم راهگاهی آن است که مذابی تمیز و عاری از شلاکه و ناخالصی ها را به محفظه قالب منتقل کند به این منظور سه نکته زیر باید رعایت شوند:
1- ایجاد ارتباط مذاب موجود در محفظه قالب با فضای خارج
2- گرفتن شلاکه و ناخالصی ها
3- ایجاد شرائطی که گاز ها و هوای موجود در قالب را بتوان به فضای خارج منتقل کرد
حوضچه بارریزی ( Pouring cup or basin )
گشاد کردن قسمت بالای راهگاه بارریز یا ایجاد حوضچه عمل ریختن مذاب را تسهیل می کند . عدم استفاده از حوضچه امکان ورود شلاکه به داخل راهگاه بارریز را زیاد می کند و هرچقدر حوضچه بزرگتر در نظر گرفته شود این امکان تقلیل می یابد . آن قسمتی از حوضچه که در امتداد لوچه پاتیل قرار دارد باید به اندازه کافی طویل در نظر گرفته شود . حوضچه هایی که کف آن ها
پایین تر از سطح بالایی راهگاه بارریز قرار دارد وظیفه گرفتن فشار مذاب ورودی را نیز بر عهده داشته و موجب می شوند تا مذاب به آرامی وارد راهگاه بارریز گردد بدترین شکل برای حوضچه حالت قیفی و بهترین شکل برای آن نوع نشان داده شده در شکل می باشد .
در ریختن قطعات بزرگ استفاده از تله در حوضچه ها برای جلوگیری از ورود شلاکه به راهگاه متداول است از آنجائی که این روش جریان مذاب به داخل راهگاه بارریز را به صورت اغتشاشی در می آورد لذا غیرمفید تشخیص داده شده است
قرار دادن مانعی روی قسمت بالای راهگاه بارریز به منظور پر کردن اولیه حوضچه از مذاب هم به دلیل مشابه مضر است . قطر یا عرض حوضچه باید حداقل دو برابر قطر جریان مذابی که از پاتیل به داخل آن ریخته می شود در نظر گرفته شود . عمق حوضچه نیز باید به صورتی
باشد که در هنگام ریختن مذاب به داخل آن هیچگونه پاشیدگی مذاب صورت نگیرد . در شکل زیر ابعاد یک نوع حوضچه مناسب که بیشتر در ریخته گری انواع چدن با گرافیت کروی مورد مصرف دارد نشان داده شده است.
راهگاه بارریز ( Sprue )
استفاده از چند راهگاه بارریز در یک قالب به هیچ وجه توصیه نمی شود مگر آنکه قطعه ریختگی بسیار بزرگ بوده و ریختن آن نیاز به استفاده از چند پاتیل داشته باشد .
ارتفاع راهگاه بارریز بیشتر با توجه به ارتفاع درجه های موجود در کارگاه تعیین می شود . سطح مقطع این راهگاه در سیستم فشاری تقریبا 3 برابر مجموع سطوح مقاطع راهگاههای فرعی در نظر گرفته می شود و در سیستم غیر فشاری مجموع سطوح مقاطع راهگاههای فرعی تقریبا باید با سطح مقطع قسمت تحتانی راهگاه بارریز یکسان در نظر گرفته شود.
راهگاه بارریز معمولا بصورت استوانه ای در نظر گرفته می شود که سطح مخصوص آن اندکی کمتر از سطح مخصوص راهگاه با مقطع گوشه دار می باشد و جز این امتیاز دیگری ندارد.
بدلیل مشکلات عملی در تهیه قالب های ماشینی با سرعت بالا در سیستم های فشاری از راهگاه بارریز بدون شیب و یا با شیب جزئی استفاده می شود و در سیستم غیر فشاری همواره لازم است از راهگاه بارریزی استفاده شود که قسمت تحتانی آن کمترین سطح مقطع ممکن را در مقایسه با قسمت های دیگر آن داشته باشد در صورتی که در این سیستم از راهگاه بارریز بدون شیب استفاده شود باید در محل اتصال راهگاه بارریز و راهگاه اصلی از تنگه استفاده کرد.
راهگاه اصلی ( Runner )
بهترین طرح برای راهگاه اصلی ساده ترین آن هاست به همین دلیل چنانچه فضای درجه قالب گیری اجازه دهد بهترین نوع راهگاه اصلی نوع مستقیم است . ایجاد هرگونه قوسی در این راهگاه به ایجاد حرکت اغتشاشی مذاب کمک می کند چنانچه به کار بردن این قوس در راهگاه اصلی اجتناب ناپذیر باشد بایستی این قوس را با حداکثر زاویه ممکن ایجاد کرد در راهگاه اصلی انحنادار نباید راهگاه فرعی را نزدیک قسمت قوس راهگاه اصلی تعبیه کرد . چنانچه از یک راهگاه اصلی گرد استفاده شود باید از به کار بردن راهگاه فرعی در وسط قوس پرهیز کرد . اصولا در حالتی که برای قطعه ای استوانه ای شکل از راهگاه اصلی گرد استفاده شود توصیه می گردد که سیستم راهگاهی غیرفشاری بکار برده شود.
درجه حرارت ریختن مذاب و ظرفیت پاتیل ها
انتخاب درجه حرارت ریختن مذاب بستگی به نوع سیستم راهگاهی و تغذیه گذاری قطعات دارد . برای ریخته گری قطعات چدنی با جداره های ضخیم با استقاده از تغذیه ریختن مذاب در درجه حرارتی بالایی انجام می شود.
انتخاب اندازه پاتیل بایستی به گونه ای انجام گیرد که افت درجه حرارت مذاب در آن حداقل مقدار ممکن بوده و خالی و پر کردن آن نیز با مشکلی مواجه نباشد و شکل لوچه پاتیل بسیار مهم بوده و به شکل U کشیده ترجیح داده می شود ضمن آن که سطح مقطع کانال بارریزی آن دو برابر سطح مقطع راهگاه بارریز در نظر گرفته می شود.
روش راهگاه گذاری در ریخته گری چدن با گرافیت کروی برای اضافه ک
ردن منیزیم به مذاب در راهگاه
در این روش آلیاز محتوی منیزیم را در محفظه ای درون سیستم راهگاهی قرار داده و مذاب عاری از منیزیم را درون قالب می ریزند . امروزه این روش در تهیه چدن با گرافیت کروی در سطح گستردهای در صنایع ریخته گری رواج یافته و دارای جاذبه های خاصی می باشد.
غالبا استفاده از سیستم راهگاهی با کنترل جریان مذاب در راهگاه فرعی اصلی توصیه می شود . یکی از مسائل مهم در اضافه کردن منیزیم به مذاب در سیستم راهگاهی امکان ورود شلاکه های منیزیمی به محفظه قالب می باشد به همین دلیل سیستم راهگاهی بایستی به گونه ای طرح گردد که شلاکه در راهگاهها باقی مانده و امکان ورود به محفظه قالب را نیابد.
معایب مربوط به سیستم راهگاهی و روشهای رفع آن ها
یکی از معایب سطحی بسیار آشنا در چدن های خاکستری و انواع چدن با گرافیت کروی حفره های گازی در سطوح فوقانی قطعات ریختگی می باشند در شکل زیر نمونه ای از آن آمده است.
ورود شلاکه به محفظه قالب و بجای ماندن آن در قطعه ریختگی از دیگر معایب معمول در قطعات چدنی است . اکسیدها منبع اصلی شلاکه را تشکیل می دهند ورود شلاکه به محفظه قالب همواره امکان پذیر است مگر آنکه سیستم راهگاهی به درستی طراحی گردد . برخی اکسید ها توسط کربن موجود در آهن مذاب احیاء می شوند . زمان باقی ماندن حبابهای گاز در سطح مشترک قالب و مذاب بستگی به اندازه حبابها و نوع چدن دارد.
انرژی لازم برای نفوذ حباب گازی از سطح مشترک فوق به جداره قالب به مقدار زیادی بستگی به انرژی سطح مشترک مذاب و قالب دارد از این لحاظ چدن با گرافیت کروی بدتر از چدن خاکستری بوده و احتمال بروز معایب گازی سطحی در آن تقریبا 50 درصد بیش از چدن خاکستری می باشد . سه مثال از عیوب فوق در شکل زیر نشان داده شده است.
برای جلوگیری از عیوب فوق طراحی سیستم راهگاهی ضرورت دارد و چنین جریان مذاب در راهگاهها و محفظه قالب باید به آرامی صورت گیرد . ورود شلاکه به محفظه قالب علل گوناگونی دارد نگرفتن شلاکه به طرز صحیح در پاتیل موجب ورود آن به محفظه قالب و حضور آن در قطعه ریختگی می گردد.
نوع چدن و سیستم راهگاهی
از نظر اصولی تفاوتی بین طراحی سیستم راهگاهی برای چدن های خاکستری و انواع چدن با گرافیت کروی وجود ندارد به هر حال به عنوان یک راهنمای کلی می توان چنین اظهار داشت که راهگاه گذاری چدن خاکستری از انواع چدن با گرافیت کروی ساده تر است.
یک اختلاف اساسی در راهگاه گذاری این دو نوع چدن آن است که چدن های خاکستری به راهگاه اصلی با حجم کمتری نیاز دارند و هم چنین گرفتن شلاکه و ناخالصی ها در ریخته گری چدن ها ی خاکستری ساده تر از انواع چدن با گرافیت کروی انجام می شود . مذاب چدن با گرافیت کروی دارای شلاکه بیشتری از مذاب چدن خاکستری است علاوه بر این ها مقدار سیلیسیوم در چدن خاکستری کمتر از چدن با گرافیت کروی است.
