بررسی عوامل موثر به حفرات گازی و انقباضی
حفره‌های انقباضی و گازی یکی از مهمترین عیوب ریخته‌گری محسوب می‌شوند. تا کنون تحقیقات زیادی توسط محققین گوناگون برای بررسی این حفره‌ها انجام شده است. اکثر فلزات در هنگام انجماد دچار کاهش حجم می‌گردند. این کاهش حجم باید بگونه‌ای جبران گردد. به همین حفره‌های انقباضی به وجود می‌آیند. به وجود آمدن حفره های گازی به این صورت می‌باشد که گازهای محلول در مذاب در هنگام انجماد فلز از حالت اتمی به مولکولی تبدیل می شوند و حفره گازی به وجود می‌آید.
در این مقاله عوامل موثر به اندازه، شکل، مقدار و توزیع تخلخل مورد بررسی قرار گرفته است. اندازه تخلخل می‌توان متأثر از چند عامل باشد:
1 ضخامت قطعه: هر چه ضخامت کمتر می‌شود، اندازه تخلخل کاهش می‌یابد.
2 تعداد جوانه: با افزایش تعداد جوانه، اندازه دانه کاهش می‌یابد و بالطبع با کاهش اندازه دانه، اندازه تخلخل کاهش می‌یابد.
3 عملیات بهسازی: عملیات بهسازی باعث تشکیل تخلخل‌های درشت و کروی شکل می‌شود.
از جمله عواملی که به شکل تخلخل تأثیر می‌گذارد عملیات بهسازی می‌باشد. عملیات بهسازی سبب تبدیل ساختار سوزن شکل فازسیلیسم یوتکتیکی به حالت رشته ای شکل و ظریف می‌گردد. شکل تخلخل‌های ریز و پراکنده در آلیاژهای بهسازی نشده تابع شکل و اندازه فضاهای بین دندریتی است. در این حالت تخلخل‌ها عمدتاً حالت کشیده و نازک دارند. از طرفی تخلخل در آلیاژهای بهسازی شده عمدتاً درشت‌تر و کروی‌تر بوده و مورفولوژی آنها کمتر تابع شکل و اندازه و فضاهای بین دندریتی می‌باشد.
مقدار تخلخل به عوامل زیر بستگی دارد:
1 شرایط انجماد هیدروژن مذاب زیادتر باشد اثر استرانسیم برای بهسازی بر مقدار تخلخل بیشتر است.
2 عملیات فیلتر کردن: افزایش تمیزی مذاب سبب کاهش اثرات عملیات بهسازی بر افزایش تخلخل می‌گردد.
3 سرعت انجماد: با افزایش سرعت انجماد، مقدار تخلخل کاهش می‌یابد.
توزیع تخلخل به چند صورت می‌باشد:
1 پراکنده: که در مورد انجماد خمیری اتفاق می‌افتد.
2 متمرکز: این حالت در انجماد پوسته‌ای ایجاد می‌شود.
3 محیطی: در صورتی انجماد هم از اطراف و هم از مرکز اتفاق بیافتد، این حالت به وجود می‌آید.
1- چگونگی ایجاد مک های گازی:
گازها در حالت مذاب نسبت به حالت جامد انحلال بیشتری در فلزات دارند.با کاهش درجه حرارت گازهای حل شده در مذاب(به صورت اتمی)به تدریج از حالت اتمی خارج می شوند وبه صورت مولکولی(حباب)در می آیند.در این صورت گازهای مولکولی آرام آرام از سطح مذاب خارج می شوند.سرعت خروج حباب های گازی ایجاد شده به عوامل مختلفی بستگی دارد که از آن جمله گرانروی مذاب اندازه حباب وشکل وعمق پاتیل را می توان نام برد.
بدیهی است با کاهش درجه حرارت گرانروی مذاب افزایش می یابد.در نتیجه سرعت خروج حباب های گازی به تدریج کاهش می یابد.با شروع انجماد مذاب دو مشکل مهم در خروج حباب های گازی ایجاد می شود:
الف- اختلاف حلالیت در حالت مذاب وجامد:در بسیاری از فلزات وآلیاژها اختلاف حلالیت گازها در حالت جامدومذاب بسیار زیاد است.بدیهی است در هنگام انجمادگازهای زیادی از حالت اتمی (انحلال)به حالت مولکولی تبدیل می گردند به گونه ای که به ناگاه مقدار این تحول به چندین برابر افزایش می یابد.به عبارت ساده تر در یک فاصله زمانی کوتاه مقادیر زیادی از گازهای حل شده به حباب های گازی تبدیل می شوند.
ب- محبوس شدن حباب ها: اگر فرض شود که حباب های گازی ایجاد شده در هنگام انجماد(دامنه انجماد)بتوانند از مذاب خارج شوند در این صورت مشکلی به نام مک وتخلخل گازی در قطعات ریختگی وجود ندارد.اما در عمل به دلیل افزایش گرانروی مذاب ونیز وجود هسته های جامد به طور جدی حرکت حباب های گازی با مشکل مواجه می شوند وبه عبارت دیگر حباب های گازی در لابلای ذرات جامد محبوس می شوند.
عوامل موثر بر میزان مک های گازی:
1- مقدار اختلاف حلالیت گاز در حالت جامد ومذاب
2- نوع انجماد
3- سرعت سرد کردن مذاب
4- آخال ها(ناخالصیها)
5- عناصر آلیاژی
6-سیستم راهگاهی
7-شکل اندازه و وزن قطعه
تشکیل مک های گازی بیشتر در دامنه انجماد های زیاد انجام می شود.
رابطه 1
رابطه فوق مشخص کننده آنست که برای تشکیل حبابی به شعاع r فشار داخلی حباب باید حداقل برابرPg باشد که حباب های بسیار کوچک فشار داخلی بسیار زیاد خواهد بود وبه دلیل عدم دستیابی به چنین فشار بالائی عملا حباب ها نمی توانند در اندازه های خیلی کوچک تشکیل شوند به هر صورت این اندازه نمی تواند از اندازه اتم فلز کوچک تر باشد.
چنانچه فشار لازم برای حذف تنش های سطحی در فصل مشترک گاز- فلز برابر Pst منظور شود در جریان انجماد به تدریج تنش سطحی افزایش یافته ودر نتیجه Pst بزرگتر وفشار داخلی برای تشکیل حبابی به شعاع rبیشتر خواهد بود.
با توجه به پدیده انقباض در دامنه انجماد وکاهش فشار نسبی در فصل مشترک مایع- جامد مجموع فشار داخلی سیستم کاهش یافته واز اینرو رابطه فشار به صورت زیر نوشته می شود:
که در آن Psh فشار انقباضی کاهش موضعی فشار در فصل مشترک مایع- جامد است.
2- مکانیزم تشکیل حفره های گازی وانقباضی:
2-1- حفره های انقباضی[8]:
اکثر فلزات در هنگام انجماد دچار کاهش حجم می گردند.به عنوان مثال آلومینیوم خالص دارای 14-7% انقباض ضمن انجماد است.این کاهش حجم باید بگونه ای جبران گردد.در صورتی که مذاب اضافی وجود نداشته باشد به ناچار در قطعه حفره ای بوجود خواهد آمد که به آن حفره انقباضی می گویند که خود بنابر عوامل گوناگون از جمله مدل انجماد به دو دسته متمرکز وپراکنده تقسیم می شوند.
حفره انقباضی متمرکز معمولا در آلیاژهای دامنه انجماد کوتاه مشاهده می شود.در این حالت از آنجائیکه جبهه انجماد همواره برقرار بوده وتفکیک اصولی بین مناطق جامدومایع امکانپذیر است کسری های ناشی از انقباض برای قسمت های جامد توسط مذاب مقابل فصل مشترک تامین می شود وانقباض در مناطق گرم متمرکز می گردد.
حفره های انقباضی پراکنده معمولا در آلیاژهای دارای دامنه انجماد بلند به چشم می خورد.در این آلیاژها حد فاصل هندسی مشخصی بین مایع وجامد وجود ندارد وکسری های ناشی از انقباض به طور پراکنده در سراسر قطعه پخش شده وفقط قسمتی از آن در مناطق ضخیم وانتهایی به صورت متمرکز باقی می ماند.
2-2- حفره های گازی[8]:
عموما گازها در فلزات مذاب نسبت به حالت جامد دارای حلالیت بیشتری هستند.بنابراین در حین انجماد گاز حل شده به صورت فوق اشباع در مذاب در آمده ودر صورت وجود جوانه مناسب برای ایجاد تخلخل در مذاب وجود نداشته باشد این گازبه صورت فوق اشباع در ساختار جامد باقی خواهد ماند.
حلالیت هیدروژن در مذاب آلیاژهای آلومینیوم cc/100gr69/. ودرجامد درحدود cc/100gr 03/0 می باشد.از طرفی سرعت نفوذ آن در مذاب آلومینیوم نیز بالاست.از این روتقریبا تنها گازی است که در بوجود آمدن حفره های گازی در آلومینیوم موثر است.
مدل تئوریکی تشکیل حباب های گازی به صورت زیر می باشد[6]:
1- هسته های جامد درداخل مذاب تشکیل می شود.
2- رشد شاخه ای بر روی هسته ها آغاز و ادامه می یابد.
3- مذاب محصور در داخل دانه های رشد یافته از عناصر محلولی وهمچنین مقدار گاز غنی شده وبعد از مدتی حباب های گازی تشکیل می شوند.
4- در مراحل پایانی انجماد و هنگامی که حجم مایع کاهش یافته وغلظت ملکولی گاز افزایش می یابد.شرایط برای تشکیل حباب هائی بین بازوهای دندریت فراهم می شود.
مکانیزم رسوب:
بدون توجه به مسئله تغذیه کردن،تشکیل تخلخل به توزیع هیدروژن در طول انجماد آلومینیوم مربوط می شود. به خوبی شناخته شده است که تشکیل حفره درآلیاژهایآلومینیوم به وسیله نفوذ هیدروژن از زمینه جامد شده به داخل حفره بوجود می آید ،که در حقیقت از طرفی شبیه به رسوب فاز ثانویه در زمینه محلول فوق اشباع می باشد.تقریبا یک تعداد کمی از مقاله ها به این مسئله با مکانیزم جوانه زنی ورشد پرداخته اند. تعدادی از محققان با پدیده های ریاضی به این موضوع پرداخته اند.وانگ و سیگوارد این مسئله را با مدل های ترمودینامیکی حل کردند.
3- اندازه تخلخل:
3-1- اثر ضخامت قطعه بر اندازه تخلخل:
اندازه حفرات با تغییر ضخامت تغییر می کند.هر چه ضخامت کمتر می شود اندازه حفرات کوچکتر می شود.دلیل آن این است که با افزایش سرعت سرد شدن که با کاهش ضخامت رابطه مستقیم دارد اندازه دندریت ها کوچک تر می شود.با کوچک شدن فضاهای بین دندریتی حباب ها در فضای کمتری رشد می کنند.در نتیجه اندازه آنها کوچکتر می شود.
سرعت رشد ودرشت شدن حباب های گازی عملا با سرعت انجماد رابطه معکوس دارد.با افزایش سرعت انجماد وایجاد دانه های ریز وهمگن موانعی برای درشت شدن حباب های گازی حاصل شده وفقط ریز مک هایی در بین بازو های شاخه های جامد ممکن است تشکیل می شوند.بطور کلی با افزایش سرعت انجماد امکان جوانه زنی و رشد مستقل حباب ها در بین دانه ها کاهش می یابد.]6[
3-2- تعداد جوانه:
یکی از عواملی که باعث ریز شدن دانه ها می شود تعداد جوانه بیشتر است.در حقیقت وقتی که تعداد جوانه در ذوب کم باشد دانه هائی که شروع به رشد می کنند در زمان دیرتری به یکدیگر برخورد می کنند.پس در این زمان حباب فرصت بیشتری پیدا می کند تا اندازه اش بزرگتر شود.یعنی اینکه آن مقدار هیدروژنی که به صورت اتمی در ذوب حل شده است فرصت بیشتری پیدا می کند تا به صورت مولکولی(حباب)در بیاید وهر چه زمان بیشتر باشد به اندازه حباب افزوده می شود.
شکل 1-اثر اندازه دانه بر مقدارتخلخل[6]
3-3- عملیات بهسازی:
افزودن استرانسیم بمنظور اصلاح ساختار سیلیسیم یوتکتیکی از حالت درشت وسوزنی به حالت ظریف ورشته ای شکل،هم اکنون بعنوان یک فرایند مهم در ذوب آلیاژ های آلومینیوم- سیلیسیم مورد استفاده قرار می گیرد.یکی از اثرات جانبی عملیات بهسازی با استرانسیم،افزایش تخلخل در قطعات ریختگی است.عملیات بهسازی با سدیم،استرانسیم وکلسیم سبب افزایش نسبتا شدید تعداد وابعاد تخلخل های ریز وپراکنده در قطعات ریخته گری می شوند. همچنین بر اساس تحقیقات به عمل آمده اثرات عملیات بهسازی با سدیم وکلسیم به مراتب بیشتر از عملیات بهسازی با استرانسیم است. البته از آنجائی که در اثر عملیات بهسازی اغلب تخلخل های انقباضی درشت توسط ریز مک های گازی جایگرین می گردند،یک جنبه مثبت این پدیده کاهش نیاز به تغذیه است.]5[