بخشی از مقاله
بررسی پارامترهای موثر بر خواص قالبهای سرامیکی ساخته شده به روش Shaw
چکیده
ریخته گری دقیق برای دست یابی به صافی سطح بالا، دقت ابعادی زیاد و کـاهش ماشـین کـاری قطعـات تولیدی مورد استفاده قرار می گیرد. این فرآیند ریخته گری به روشهای مختلف تقسیم بندی می شود که در این بین، تولید قالب های سرامیکی به روش Shaw به دلیل امکان ریخته گری قطعات بزرگ و حجـیم بااستفاده از این قالب ها از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد.
در این تحقیق برای بررسی چگونگی تولید قالب های سرامیکی به روش Shaw ماسـه شـاموت بـا ریـزی ۰۷۱، چسب سیلیکات اتیل به همراه مواد افزودنی دیگر در درصـدهای مختلـف اسـتفاده شـد. آزمایـشات اندازه گیری عبور گاز، استحکام خشک و استحکام پس از پخت، در دمـای اتـاق انجـام شـده، نتـایج آن مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت. علاوه بـر ایـن، تـاثیر درصـد MgO بـر خـودگیری دوغـاب تولیـدی از چسب سیلیکات اتیل و شکل و اندازه ترکهای ایجاد شده در نمونه ها نیز بررسی شدند.
نتایج نشان داد که استحکام متوسط به دسـت آمـده از نمونـه هـا N/cm2۰۳ و عبـور گـاز نـسبی 110×10-8 m3/pa.s بوده و حفره ها و ترکهای سطحی به همراه ترکهای داخلی تشکیل شـده در حـین خـروج الکـل، وظیفه عبورگاز در قالب را به عهده دارند.
واﮊه های کلیدی: قالب سرامیکی، روش Shaw، چسب سیلیکات سدیم، استحکام فشاری، نفوذپذیری.
مقدمه
قطعات تولید شده از طریق ریخته گری پس ازتولید معمولا نیاز به انجام فرآیند ماشین کاری دارند تـا بـه دقت ابعادی یا کیفیت سطحی مناسب برسند. از آنجائیکه فرآیندهای ماشـین کـاری، هزینـه بـر بـوده و از طرفی ماشینکاری برخی از آلیاﮊها بسیار مشکل است، همیشه ریخته گران به دنبال روشهایی بـوده اندکـه میزان ماشین کاری را به حداقل ممکن برساند. ریخته گری دقیـق در قالـب هـای سـرامیکی از جملـه ایـن روشها می باشدکه در آن با توجه به نوع فرآیند قالب گیری، ماشین کاری بـه حـداقل رسـیده و کیفیـت سطحی عالی ایجاد میگردد. یکی از روشـهای سـاخت قالبهـای سـرامیکی روش 1 Shaw مـی باشـد کـه امکان ریخته گری قطعات بزرگ و حجیم با دقت و کیفیت بالا را فراهم می سازد]۱.[ قالبهـای سـرامیکی تولید شده ممکن است به صورت یکپارچه یا کامپوزیتی تهیه شوند]۲.[
برای تولید این قالب ها یک دوغاب سرامیکی در داخل درجـه دور یـک مـدل دائمـی ریختـه مـی شـود.
فرمولاسیون دوغاب به گونه ای است که قالب در حین خودگیری برای مدت کوتاهی حالـت ﮊلـه ای بـه خود میگیرد. پس از خودگیری اولیه و در مدت زمانی که قالب حالت ﮊله ای بـه خـود مـی گیـرد، مـدل بیرون آورده شده و عملیات خشک کردن به سرعت با قرار دادن قالب در جلوی مشعل انجام می گیرد.
در این حین الکل موجود در ساختار نیز شروع به سوختن می نماید و به فرآیند خشک شـدن کمـک مـی رساند. در حین خروج الکل از ساختار حفره های سطحی و ترکهای پیوسته داخلـی حاصـل مـی آیـد کـه باعث بهبود عبور گاز و افزایش پایداری حرارتی قالب مـی شـوند. مقـدار ایـن ترکهـا و انـدازه آنهـا تـابع سرعت خروج الکل و آب از داخل قالب و میزان آب اضافی موجـود در تهیـه دوغـاب مـی باشـد]۱و۲.[
نهایتا قالب های سرامیکی به منظور خروج کامـل آب، الکـل و سـیلیکات هـای کلوئیـدی بـاقی مانـده در ساختار پخته می شوند.
نظر به تاثیر پارامترهای مختلف بر کیفیـت قالـب Shaw، در ایـن تحقیـق سـعی شـده تـا تـاثیر پارامترهـای مختلف نظیر درصد چسب، درصد رطوبت، درصد MgO بر نفوذپذیری و استحکام قالبهای ساخته شده به روش Shaw بررسی شود.
مواد و روش تحقیق
ماسه مصرفی برای تولید قالب های سرامیکی، از جنس ماسه شاموت با ریزی ۰۷۱ انتخاب شد. ایـن ماسـه از جنس سیلیکات های آلومینیم بوده و دارای نقطه ذوب بالا و تغییـرات حجمـی نـاچیز در حـین گـرم و سرد شدن است]۳.[ چسب مورد استفاده، چسب سیلیکات اتیل %۰۴ سیلیکات با نام تجاریSILBOND
به صورت هیدرولیز نشده بود که قبل از استفاده در یک مرحله به طور جزئی وسپس در حـین مـصرف بـه طور کامل هیدرولیز شده و خودگیری می نماید. در عملیات تولید دوغاب و در فرآینـد هیـدرولیز از آب لوله کشی شهری و اتیل الکل 96º استفاده شد. جهت تغییر PH از اکـسید منیـزیم ( MgO) بـه عنـوان یـک اکسید قلیایی با ریزی دانه ۰۵۱ استفاده گردید. در تعدادی از آزمایشات به منظور افزایش عبورگـاز قالـب های سرامیکی تولیدی، خاک اره بسیار ریز ونرم مورد استفاده قرار گرفت.
پس از مخلوط کردن مواد لازم، دوغاب تهیه شده در قالب های استوانه ای شکل استاندارد با قطر و ارتفاع ۲ اینچ mm)۰۵) ریخته می شد. با ایجاد حالت ﮊله ای در نمونه ها، نمونه ها خارج گشته در جلوی مشعل قرار میگرفتند تا الکل موجود سوخته و به خشک شدن قالب کمک برساند. در این مقاله نمونه های حاصل در این مرحله تحت عنوان نمونه خام نام گذاری می شوند. پس از اتمام سوختن الکل نمونه ها در داخل کوره به مدت زمان حدود نیم ساعت قرار گرفته خشک می گردید. در این مقاله نمونه های خشک شده در کوره، نمونه های پخت شده نامیده می شود.
پس از تهیه نمونه ها، آزمایشات تعیین میزان عبور گاز و اندازه گیری استحکام فشاری به روش استاندارد بر روی نمونه ها انجام گرفت. همچنین سطوح خارجی و مقاطعی از نمونه ها، جهت بررسی ترکها و تخلخلهای سطحی و داخلی توسط استریومیکروسکوﭖ مورد بررسی قرار گرفت.
یافته ها و بحث
شرایط و ویژگی های دوغاب مورد استفاده برای تولید قالبهای سـرامیکی از اهمیـت ویـژه ای برخـوردار می باشد. سیالیت دوغاب به درصد رطوبت، سرعت خودگیری چسب ومش ماسه مـصرفی وابـسته اسـت.
طی آزمایشات اولیه رطوبت مورد نیاز برای رسیدن به سیالیت مناسب برای ماسه شاموت مـصرفی در ایـن پروﮊه ۰۲ الی ۵۲ درصد تعیین شد یعنی با اضافه شـدن حـدود ۰۲ الـی ۵۲ درصـد چـسب، آب و احتمـالا الکل به ماسه مورد نظر می توان به دوغابی با شرایط مورد نظر رسید.
تــاثیر اضــافه کــردن : MgO بــرای کنتــرل زمــان خــودگیری چــسب و مخلــوط دوغــاب از MgO اســتفاده
می شود. وابستگی زمان خـودگیری بـه درصـد MgO از اهمیـت ویـژه ای بـر خـوردار مـی باشـد. بـه ایـن منظورتستی برای بررسی وابستگی زمان خودگیری دوغاب به درصد MgO بـرای مخلـوطی از دوغـاب بـا
%۲۱ چسب صورت گرفت که نتایج آن مطابق نمودار شکل۱ می باشد. مشاهده مـی شـود کـه بـا افـزایش درصد MgO از ۱ درصد تا ۵۱ درصد زمان خود گیری ابتدا به سرعت و سپس به آرامی کاهش می یابـد.
علت این مساله بـه طبیعـت خـاص چـسب و همچنـین میـزان تاثیرگـذاری MgO بـر PH دوغـاب مربوطـه می باشد. در حقیقت چسب درPH های مختلف رفتارخودگیری متفاوتی از خود نشان می دهد. بنابرشکل ۱، درصد MgO مناسب برای نمونه های تهیه شده دراین آزمایشات، %۳ تشخیص داده شد به علـت اینکـه در این درصد، سرعت خودگیری برای تهیه نمونه های مورد نظر مناسب به نظرمی رسید.
تاثیر درصد چسب: نتایج حاصل از تست استحکام نمونه ها و وابستگی آن به درصد چسب مطابق شکل ۲
می باشد. قالب های سرامیکی تهیه شده دارای استحکام مناسبی می باشـند. اسـتحکام در بـازهN/cm2 (۵۴-
۰۳) در نوسان است و وابستگی مشخصی بین استحکام و درصد چسب ملاحظه نمـی شـود. البتـه بیـشترین استحکام در مقادیر میانی یعنی در نمونه های حاوی ۹ الی ۲۱ درصد چسب بدست آمده است. دلیـل ایـن امر می تواند آن باشدکه در درصدهای پایین به دلیل حضور مقدار کم چسب و در درصدهای بالا به دلیل عدم حضور آب کافی برای هیدرولیز کامل چسب، استحکام کمتری به دست مـی آیـد. اسـتحکام نمونـه هایی که به مدت ۲ ساعت در دمای ºC۰۰۶ تحت فرآیند پخت قرار گرفته، تفاوت چندانی با نمونه های خام ندارند. این مسئله به دلیل آن می باشد که طـی فرآینـد پخـت، واکنـشی در قالـب رخ نمـی دهـد کـه موجبات افزایش استحکام قالب را فراهم آورد و آنچه روی می دهـد در واقـع خـروج آب و الکـل بـاقی مانده در ساختار می باشد که تاثیر چندانی بر استحکام نخواهد گذاشت. نظـم خاصـی هـم بـین اسـتحکام نمونه های خام و پخته شده مشاهده نمیگردد. دلیل این امر ترکهای غیر قابل اجتنابی می باشدکه در نمونـه ها طی فرآیندخشک کردن ایجاد می شود و از یک نمونه تا نمونه دیگر ممکن است کاملا متفاوت باشد.
شکل ۳ تصاویری از دانه بندی مواد دیر گداز در نمونه های ساخته شده به روش فـوق و نمونـه ای کـه بـا استفاده از ماسه سیلیسی با ریزی ۰۷ و چسب سیلیکات سدیم ساخته شده است را نشان می دهد. همانطور که در شکل دیده می شود، قالب های سرامیکی تهیه شده توسـط چـسب سـیلیکات اتیـل بـه روش Shaw
بسیار متراکم و به هم پیوسته می باشند به گونه ای که انتظار عبورگازکمی از فضای خالی بین ذرات ماسه
وجود دارد. نمونه ساخته شده از روش Shaw دارای عبور گاز 110×10-8 m3/pa.s می باشد در حـالی کـه نمونــه ســاخته شــده بــا ماســه سیلیــسی و چــسب ســیلیکات ســدیم دارای عبــور گــاز 350×10-8 m3/pa.s
می باشد. در واقع آنچه در قالب های Shaw وظیفه عبورگاز را بر عهده دارد ترک های ریزی اسـت کـه طی خروج الکل در قالب ایجاد می شود. بنابر ایـن عبورگـاز نمونـه هـای تهیـه شـده بـسیار پـایین اسـت.
حداکثر عبور گازگرفته شده از نمونه ها 110×10- 8 m3/pa.s می باشد و تغییرات اندکی در عبورگاز نمونـه ها، با توجه به افزایش درصد چسب حاصل می آید.
جدول ۱ تاثیر میزان درصد چسب بر قابلیت عبور گاز در دو حالت خام و پخت شده را نشان می دهد. دیده می شود که قابلیت عبور گاز در حالت اول با زیاد شدن درصد چسب، ابتدا زیاد و سپس کاهش می یابد. در حالت دوم قابلیت عبور گاز از حالت اول بیشتر بوده و پس از افزایش اولیه به مقدار ثابتی می رسد. به نظر می رسد در حالت دوم به علت تکمیل واکنش های خروج گاز، عبور گاز اندکی بهبود یافته است. نمونه های با درصد چسب پایین به دلیل کمبود چسب و به دنبال آن الکل تولیدی ناچیز دارای عبورگاز پایینی می باشند. نمونه های حاوی ۵۱ درصد چسب به بالا نیز عبور گاز پایینی از خود نشان می دهند. دلیل این مسئله عدم حضور آب کافی برای هیدرولیز کامل وتولید الکل کافی برای ایجاد ترکهای داخلی و بهبود عبور گاز می باشد. به دلیل ویژگی های بهتری که در نمونه های حاوی %۲۱ چسب حاصل می آید تصمیم برآن شدکه بقیه بررسی ها بر روی این درصد چسب انجام گیرد.
تاثیر آب اضافی: پیش بینی می شد درصورتی که آب افزوده شده برای تهیه دوغاب، بیش از اندازه لازم برای هیدرولیز باشد، آب اضافی در داخل قالب باقی مانده و خروج این آب از نمونه ها در هنگام خشک کردن، باعث ایجاد تخلخل بیشتر و احتمالاﹰ افزایش عبور گـازگردد. بـه ایـن منظـور بـا ثابـت نگـه داشـتن درصد الکل(۲۱ درصد) درصد آب در نمونه ها افزایش داده شد. بدیهی است با این کار درصد دیرگـداز مصرفی کاهش می یابد. در این حالت ۲۱ درصد آب به مخلوط اضافه شد (در مقایـسه بـا ۰۱ درصـد آب در حالت های قبلی). نتایج آزمایش مشخص نمود که افزودن آب اضافی برای تهیه دوغاب نه تنها تاثیری بر عبور گاز نمونه های تهیه شده نداشت، بلکه باعث ایجاد مشکلاتی در ادامه فرآیند تولیـد قالـب شـد بـه نحوی که در خشک شدن قالب تولیدی در جلوی مشعل، ترکهـای بـزرگ و غیـر قابـل اجتنـابی بـر روی سطح نمونه ها ایجاد گردید( شکل ۴ ). این ترکهـا موجبـات کـاهش اسـتحکام و صـافی سـطح را فـراهم آورده، اصلا اجازه تولید نمونه ای برای بررسی عبور گاز را فراهم نیاورد.
