یک تحقیق کامل در مورد مک ها و حفره های گازی سوسه مک ها و حفره ها

نام محقق: وحید ناجی مصطفی رهبری

موضوع مقاله:مک ها و حفره های گازی، سوسه ،مک ها و حفره های انقباضی

برای اینکه این تحقیق رو با تمام عکس ها و دیاگرام ها(شاید 50تا هم بیشتر یاشه) ببینید و صفحه بندی شده داشته باشید فایل ورد رو دانلود کنید.

604kb

سرور1

سرور2

«فهرست مطالب»

مفدمه ................................................................................................ 5

بررسی عوامل موثر به حفرات گازی و انقباضی ......................................................... 6

1-چگونگی ایجاد مک های گازی گازی ................................................................. 9

2- مکانیزم تشکیل حفره های گازی وانقباضی ......................................................... 12

2-1- حفره های انقباضی ............................................................................ 12

2-2- حفره هایگازی ............................................................................... 13

مک سرباره ........................................................................................... 24

مک گوشه ............................................................................................ 26

ریز مک سطحی ....................................................................................... 28

ترک انقباضی ، انقباض پراکنده ......................................................................... 32

سوسه .............................................................................................. 35

سوسه پل ومغزی ................................................................................... 38

مکانیزم رسوب .................................................................................... 41

3- اندازه تخلخل .................................................................................... 42

3-1- اثر ضخامت قطعه بر اندازه تخلخل ............................................................. 42

3-2- تعداد جوانه .................................................................................. 43

3-3- عملیات بهسازی ............................................................................. 44

4- شکل تخلخل ..................................................................................... 46

4-1- تاثیر عملیات بهسازی بر شکل تخلخل ........................................................... 46

5- توزیع حفرات .................................................................................. 48

5-1- پراکنده در همه جای قطعه(یکنواخت) ........................................................ 48

5-2- متمرکز بودن در وسط قطعه(مرکزی) ........................................................ 49

5-3- محیطی .................................................................................... 50

6- مقدار تخلخل .................................................................................. 51

6-1- بررسی اثر نوع قالب وشرایط انجماد ........................................................ 51

6-2- اثر افزایش درجه حرارت بر میزان حلالیت هیدروژن ......................................... 53

6-3- اثرات متقابل مقدار هیدروژن مذاب وعملیات بهسازی برمقدار تخلخل ............................ 54

6-4- اثرات متقابل عملیات بهسازی با استرانسیم سرعت انجماد وعملیات فیلتر کردن ................... 55

6-5- اثر اندازه تغذیه بر مقدار تخلخل ..........................................................   57

6-6- تئوری Ham برای محاسبه مقدار تخلخل .................................................... 59

7- محاسبه فاکتور ............................................................................... 61

8- تاثیر سرعت سرد کردن بر مقدارواندازه وشکل تخلخل هادر آلیاژ356 ............................ 62

نتایج دانسیته ....................................................................................... 66

نتایج متالوگرافی ................................................................................... 70

منابع و مراجع .................................................................................... 79

*****

مقدمه:

با نام یاد خدا مقاله ی در حال حاضر دارای سه قسمت مک ها وحفره های گازی ،حفره های انقباضی و سوسه می باشد که به طور کامل توضیح داده شده است. در این مقاله از چند مقاله ی ارائه شده از وب سایت های مختلف و کتاب اطلس عیوب قطعات ریختگی با تألیف دکتر حجازی و دکتر دوامی استفاده شده است. مقصود از تألیف این مقاله نه فقط پژوهش کلاسی ،بلکه برای بالا بردن سطح علمی خود و به روز کردن اطلاعات تخصصی می باشد. امید است این مقاله مورد پسند شما قرار گیرد.      

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 دلیل حفره‌های انقباضی به وجود می‌آیند. به وجود آمدن حفره‌های 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.

اندازه تخلخل می‌توان متأثر از چند عامل باشد:

1ـ ضخامت قطعه: هر چه ضخامت کمتر می‌شود، اندازه تخلخل کاهش می‌یابد.

2ـ تعداد جوانه: با افزایش تعداد جوانه، اندازه دانه کاهش می‌یابد و بالطبع با کاهش اندازه دانه، اندازه تخلخل کاهش می‌یابد.

3ـ 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:

1ـ شرایط انجماد هیدروژن مذاب زیادتر باشد اثر استرانسیم برای بهسازی بر مقدار تخلخل بیشتر است.
2ـ عملیات فیلتر کردن: افزایش تمیزی مذاب سبب کاهش اثرات عملیات بهسازی بر افزایش تخلخل می‌گردد.
3ـ سرعت انجماد: با افزایش سرعت انجماد، مقدار تخلخل کاهش می‌یابد.

توزیع تخلخل به چند صورت می‌باشد:

1ـ پراکنده: که در مورد انجماد خمیری اتفاق می‌افتد.

2ـ متمرکز: این حالت در انجماد پوسته‌ای ایجاد می‌شود.

3ـ 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]:

مک گازی – حفره گازی:

حفره هایی با سطوح صاف وتقریباً کروی که اغلب با سطح قطعه تماسی ندارند(حفره های گازی)بزرگترین حفره های گازی اکثراً بصورت منفرد بوده و کوچکترین حفره ها(ریز حفره ها) بصورت گروهها با اندازه های متفاوت در قطع توزیع می شوند . درحالات خاص با افزایش میزان این عیب، قطعه کاملاً متخلخل می گردد . سطوح داخلی اینگونه حفره ها می تواند درخشان ، کم وبیش اکسیده بوده و در مورد قطعات چدنی قشری از گرافیت روی سطوح حفره ها را می گیرد . احتمال بوجود آمدن این عیوب در تمام نقاط قطعه ریختگی وجود دارد .

علل:
مک و حفره های گازی حاصل آزاد شدن گاز محلول مذاب در جریان انجماد است .این نوع گازها می تواند منشاء معایب دیگری نیز باشد

.
1- منشاء متالورژیکی:

- وجود گاز زیاد در حمام مذاب (از شارژ، روش ذوب ، آتمسفر و... )

-در مورد فولاد وچدن ها:اکسید کربن واکسیژن بصورت گازی ویا اکسیدی در مذاب وجود دارد

.
2- منشاء متالورژیکی – تکنولوژیکی (مک گازی ازمواد قالب وماهیچه):

- رطوبت بیش از حد در قالب یا ماهیچه

- مصرف چسبی که گاز زیادی را آزاد می سازد

- مصرف بیش از حد افزودنی هایی که محتوی هیدروکربن ها هستند

- رنگ هایی که گاز زیادی راتولید می نماید

3- ورود مکانیکی گاز به مذاب (حفره های گازی خارجی):

- عدم کفایت خروج گازها از محفظه قالب

- کم بودن قابلیت نفوذ گاز قالب وماهیچه

- ورود هوا به مذاب در راهگاه باریز یا راهباره

چاره جویی:

- افزایش قابلیت عبور گاز قالب وماهیچه

- پرهیز از طراحی سیستم راهگاهی نامناسب

- در مورد قالب های خشک ، خشک کردن کافی قالب ها

- در مورد قالب های ماسه ای تر، کنترل دقیق رطوبت ماسه

- کاهش مقدار چسب و افزودنی های مصرفی ویا تغییر نوع آن

- مصرف رنگهایی که در تماس با مذاب یک اتمسفر احیاء کننده رادرمحفظه قالب پدید آورند

تشخیص :
- حفره های بزرگ معمولاً منشاء خارجی دارند

- حفره های با منشاء عوامل خارجی اغلب دارای ابعاد متفاوتی هستند . این حفره ها می توانند بصورت تکی بوده ویا بصورت گروههای بی قاعده در قطعه تجمع یابند

- حفره های با منشاء خودی معمولاً کوچک وهم اندازه بوده ودرکل قطعه ویا درمناطق خاصی از قطعه توزیع می شوند

- درآلیاژهای آهنی حفره گازی هیدروژن ، دارای سطوح براق است ، سطحی مایل به آبی دارند ، در حالیکه حفره هایco حفره های گازی

ناشی از هوا سطحی خاکستری و کمی اکسیده دارند.

پایه ماشین ابزارازچدن خاکستری(قالب ماسه ای طبیعی خشک)

حفره های گازی ریز ونزدیک سطح قطعه(سوسه(

علت : وجود آلومینیم بالا در چدن بیشتر از(02/0درصد(

چدن ، رینگ پیستون به قطر120میلی متر، ماسه تر وجود حفره های گازی در منطقه ای مقابل راهباره(ریز مک ها)

علت : وجود آلومینیم بالا در چدن بیشتر از(02/0درصد)

چدن ، قالب ماسه ای تر

قسمتی ازبدنه سیلندر که بعد از ماشینکاری حفره ها پدیدار شده است

علت : نشستن رطوبت قالب روی ماهیچه یا ماسه قالب گرم بوده ، زیاد مرطوب بوده ،‌ عبور گاز قالب پا‍‍‍یین بوده

فولاد ، قالب ماسه ای خشک

علت : وجود حفره های گازی به علت عدم اکسیژن زدایی کافی مذاب فولاد

فولاد ناآرام

حفره های گازی که بعد ازماشینکاری قطعه رؤیت شده است

آلیاژ مس ، قالب ماسه ای تر آلیاژمس ، قالب ماسه ای خشک

استوانه برنزی به قطر60میلی متر افشانک برنزی10%قلع به قطر 180میلی متر

علت : حفره های گازی حاصل جذب گاز درمراحل ذوب

آلیاژ‌آلومینیم ، قالب ماسه ای تر

پولی نوار نقاله ، حفره های گازی در قطعه

آلیاژ آلومینیم ، قالب ماسه ای تر

علت : انحلال گاز هیدروژن ، سیستم راهگاهی غلط

آلیاژ آلومینیم ، تحت فشار کم

علت : تلاتم مذاب حاصل از سیستم تحت فشار

مک سرباره:

شکل ظاهری آن مانند مک گازی بوده اما با این تفاوت که همواره محتوی آخال سرباره ای بوده وعموماً در قسمت فوقانی قطعه بوجود می آید

علل :
- واکنش های اکسیدی داخل مذاب که حاصل آن پیدایش اکسید های مایع یا جامد بوده ونتیجه نهایی آزاد شدن گازها است (حفره گازی)

- واکنش بین فلز مذاب واکسید های آن با مواد نسوزکوره ، جداره پاتیل یا مواد سازنده قالب است
- در مورد چدن ها عدم رعایت نسبت مناسب mn/s

چاره جویی :
- وجود گاز زیاد در حمام مذاب (از شارژ، روش ذوب ، آتمسفر و... (

-در مورد فولاد وچدن ها:اکسید کربن واکسیژن بصورت گازی ویا اکسیدی در مذاب وجود دارد .

فولا د ریختگی ، ماسه تر

علت : مصرف ذوب کثیف که عملات سرباره گیری برروی آن انجام نشده

مک گوشه:

حفره هایی هستند در زوایای داخل قطعه ریختگی که به داخل قطعه امتداد یافته اند
گوشه های این حفره ها عموماً گرد بوده وازاین نظر از عیب انقباض گوشه متمایز میگردد

علل :
حرارت دیدن ماسه توأم با انبساط حرارتی آن ،تبخیر شدن رطوبت آن ،پیدایش گاز ها در محفظه قالب ، تقطیر گازها و... این عوامل منجر به پیدایش گازهایی می شوند که فشار آن برای نفوذ به مذاب موجود در محفظه قالب (در قسمت هایی که در آخرین لحظه جامد می گردد‌‌‌ )کافی می باشد . این محل ها ، کانون های گرم قطعه ، گوشه های داخلی و... می باشند . این عیب با انقباض حاصل ازانجماد تشدید شده ودر مورد چدن های خاکستری وبا گرافیت کروی ، گرافیت زایی کربن باعث تشدید این عیب می شود

تشخیص :
چنانچه عامل اصلی ایجاد عیب منشاء گازی دارد ، حفره ها و گوشه ها گرد بوده در حالیکه برای عیوب انقباضی سطوح داخلی حفره ها خشن است ، وجود ساختار دندریتی درون آنها مشخصه وجه تمایز آن با عیب مربوط به حفره های گازی است

چاره جویی :
- گوشه های موجود در قالب را بقدر کافی گرد کنیم

- مصرف موادی که در اثر گرم شدن ، گاز زیادی را بوجود می آورند به حداقل برسد

- قابلیت عبور گاز ماسه را افزایش داده ودر قالب منافذ هواکش کافی تعبیه کنیم

- در محل های از قطعه که مستعد ایجاد این عیب هستند از مبرد های داخلی استفاده نماییم

- فشار فلز مذاب در تغذیه را افزایش دهیم

فولاد ، ماسه تر

قطعه فولادی به ابعاد 250×250×50 میلی متر

علت : وجود گوشه ها تیز

ریز مک سطحی :

حفره های کوچکی هستند ، اغلب به اندازه سر سنجاق که کم وبیش بصورت گروهی در راستای سطح قطعه تجمع می یابند

این نوع حفره ها به دو شکل زیر وجود دارند :

- عموماً حفره های کروی هستند که بعد از ماشینکاری 1 تا2 میلی متر رویت می شوند (ریز مک سطحی )
- حفره های امتداد یافته ایکه (میله ای شکل ) در مقطع شکست یا بریدۀ قطعه دیده شده ودر نزدیکی سطح قرار دارند

علل :

- حضور هیدروژن و اکسیژن بالا در مذاب

- درجه حرارت بالای مذاب

- ناشی از مواد سازنده قالب و ماهیچه

- رطوبت بالای قالب و ماهیچه

- نسبت mn/si نامطلوب

چاره جویی :

- از رطوبت مخلوط سازنده قالب و ماهیچه بکاهیم

- از ایجاد راهباره طویل اجتناب شود

- ریختن مذاب در قالب سریع ، اما بدون حرکت اغتشاشی انجام گیرد

- درجه حرارت ریختن مذاب را کاهش دهیم

- از مصرف مواد یکه تمایل به واکنش شدید با اکسیژن دارند به ویژه آلومینیم و تیتانیم اجتناب کرد
- میزان هیدروژن مذاب را در حداقل مقدار ممکن نگه داریم

چدن چکش خوار ، ماسه تر

فولاد ، ماسه تر فولاد

بدنه پمپ فولادی

بعد از عملیات حرارتی سیاه تاب

چدن نشکن ، ماسه تر

چدن نشکن ، ماسه تر

ترک انقباضی ، انقباض پراکنده :

شکاف های باریک وکوتاه نظیر ترک های حرارتی و عموماً عمود برسطح قطعه ریختگی هستند. عمق این حفره ها می تواند تا 2 میلی متر باشد وسطح داخلی آنها به صورت دندریتی و چروک است

علل :
- چدن دارای کربن بسیار پایین است

- میزان ازت محتوی مذاب بسیار بالا است

- قالب به اندازه کافی استحکام ندارد

چاره جویی :

- کاهش ازت موجود در مذاب

- از مقدار قراضه فولاد در بار بکاهیم

- با مصرف آلومینیم یا تیتانیم ، ازت موجود در مذاب را به صورت نیتراید درآوریم
- قالب را خشک کنیم

چدن خاکستری ، ماسه خشک

میزان ازت موجود در مذاب 106ppm

سوسه :

حفره هایی که عموماً دارای سطوح داخلی صاف با اشکال متمایل به گرد می باشند ، در اغلب موارد این حفره ها بصورت حباب های مسطح با گوشه های گرد یا زاویه دار بوده که بصورت تکی ویا گروهی در سطح ویا نزدیکی سطح قطعه قرار دارند

گاه این حفره ها در سطح قطعه بوده ولی در اکثر موارد در نزدیکی سطح قرارداشته که بعد از شن زنی و یا ماشینکاری سطوح قطعات ، قابل دیدن هستند .

علل :
- کافی نبودن قابلیت عبور گاز ماهیچه و قالب

- باریزی بیش ازحد آهسته مذاب

- سرد بودن بیش از حد مذاب

- کافی نبودن ارتفاع راهگاه ویا تغذیه

چاره جویی:

- درجه حرارت مذاب و قالب را تنظیم کنیم

- در مصرف رنگ قالب افراط نکنیم

- ازعامل خلاء برای خروج گاز ها استفاده نماییم

- عوامل تنظیم درجه حرارت قسمت های مختلف قالب را فراهم آوریم

چدن ، ماسه تر

چدن ، ماسه تر

پوسته گیربکس چدنی

فولاد ، ماسه خشک

آلومینیم ، ریخته گری تحت فشار

سوسه پل و مغزی:

حفره های گازی با ابعاد مختلف در درون قطعه ریختگی ، بصورت تکی یا گروهی در مجاورت چپلت ها ، مبرد ها و یا دیگر مغزی های فلزی در محفظه قالب

علل :
- وجود رطوبت ویا اکسیده بودن سطح مغزی فلزی در محفظه قالب

- عدم پوشش کردن(توسط روی یا مس ) سطح اشیاء فلزی در محفظه قالب

- مصرف اشیاء فلزی کثیف وروغنی ویا آنکه رنگ مصرفی روی آن ها دارای قابلیت آزاد سازی گاز است
- خیس شدن اشیاء فلزی موجود در قالب در اثر تفاوت درجه حرارت آنها با درجه حرارت قالب و ماهیچه

چاره جویی :

- از اشیاء فلزی که سطح آنها گالوانیزه شده ویا با مس پوشش شده استفاده کنیم

- قبل از قرار دادن اشیاء فلزی در محفظه قالب ، آنها را به دقت تمیزکرده ، خشک و پیش گرم کنیم

- روی سطح مبرد ها شیار ایجاد کنیم

- اطمینان حاصل کنید که درجه حرارت قالب و ماهیچه ها از درجه حرارت اشیاء فلزی پایین تر باشد

چدن ، ماسه خشک

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 آلیا‍‍ژهای 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[

در ذوبی که عملیات بهسازی انجام شده است قبل از اینکه دندریت ها بوجود آیند حباب های بزرگی در ذوب وجود دارد. در ابتدای امردندریت ها زده می شوند.بعد از این مرحله فاز یوتکتیک می خواهد رسوب کند.برای رسوب فاز یوتکتیک باید یک سطح زیرین برای رسوب وجود داشته باشد.به همین دلیل فصل مشترک حباب- مایع محل خوبی برای رسوب فاز یوتکتیک می باشد.پس فاز یوتکتیک به صورت شعاعی اطراف حباب رشد می کند.حباب در میان سلول یوتکتیک مخفی می شود وشکل واندازه اش به همان صورت اولیه باقی می ماند]2.[.می توان گفت که علت بزرگی حفرات در آلیاژهای آلومینیوم بهسازی شده وجود این حباب ها در قبل از بوجود آمدن دندریت ها می باشد.در آلیاژهای بهسازی شده اندازه حفرات کمتر تابع شکل واندازه فضا های بین دندریتی است.

4- شکل تخلخل:

4-1- تاثیر عملیات بهسازی بر شکل تخلخل :

عملیات بهسازی سبب تبدیل ساختار سوزنی شکل فاز سیلیسیم یوتکتیکی به حالت رشته ای شکل وظریف می گردد.شکل تخلخل های ریز وپراکنده در آلیاژهای بهسازی نشده تابع شکل واندازه فضاهای بین دندریتی است.در این شرایط تخلخل ها عمدتا حالت کشیده ونازکی دارند.(شکل 2)از طرفی تخلخل در آلیاژهای بهسازی شده عمدتا درشت تر وکروی تر بوده(شکل 3)ومورفولوژی آنها کمتر تابع شکل واندازه فضاهای بین دندریتی است.علت این امر در قسمت اندازه تخلخل توضیح داده شد(4)

در آلیاژهای بهسازی نشده بیشتر حباب ها در دامنه انجماد بوجود می آیند.با رشد دندریت ها سطح این حباب ها به سطح دندریت ها برخورد می کنند وشکل دندریت ها را به خود می گیرند.به این گونه مک ها مک های بین دندریتی می گویند که شکل بی قاعده دارند.پس در آلیاژهای بهسازی نشده مک های با شکل بی قاعده یا بین دندریتی وجود دارد ودر آلیاژهای بهسازی شده مک های بزرگ کروی شکل همراه با تعداد کمی مک های بین دندریتی وجود دارد.]2[

نوع دیگری از شکل تخلخل وجود دارد که به صورت سوزنی شکل می باشد. بوجود آمدن این نوع تخلخل بستگی به سرعت انجماد دارد.اگر سرعت انجماد به حدی باشد که جبهه انجماد به حباب برخورد کرده و مجرائی به شکل حباب در یک امتداد بوجود آورد در نهایت یک فضای خالی به شکل یک سوزن خواهیم داشت.

5- توزیع حفرات:

5-1- پراکنده در همه جای قطعه(یکنواخت):

این حالت در مواقعی بوجود می آید که انجماد خمیری باشد.وقتی که انجماد از همه جا شروع می شود دندریت ها در همه جا زده می شوند وحباب های گازی در بین دندریت ها احاطه می شوند ودر نهایت به صورت ریز مک های گازی در کل قطعه به صورت پراکنده باقی می مانند.

حالت دیگر این است که مذابی که در بین دندریت ها وجود دارد دارای انقباض می باشد.چون دندریت ها در همه جا بوجود آمده اند مانع تغذیه شده مذاب بین دندریتی می شوند.در نهایت ریز مک های انقباضی در سراسر قطعه باقی خواهد ماند.

یا می توان گفت که اگر انجماد به طوری باشد که تمام دانه ها به صورت هم محور با شد حفرات گازی وانقباضی به صورت پراکنده درهمه قطعه دیده بشوند.

5-2- متمرکز بودن در وسط قطعه(مرکزی):

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.
این نوع توزیع حفره در حالتی بوجود می آید که انجماد در ابتدا تا حدی به صورت ستونی پیش رفته باشد.سپس به علت وجود ناخالصی های موجود در ذوب باقی مانده یا کاهش شیب دمایی در مرکز قطعه دانه ها به صورت هم محور رشد می کنند.در ابتدا که دانه ها به صورت ستونی رشد می کنند در حین رشد حباب های گازی موجود درذوب را به طرف جلو می رانند. همچنین انقباض موجود درذوب باقی مانده متمرکز می شود.در نهایت که دانه های هم محور در وسط قطعه ایجاد می شوند این حباب ها در بین دانه ها گیر می افتند.امکان دیگری که وجود دارد اینست که چون جبهه انجماد به سمت وسط قطعه است در نهایت مذابی که باقی می ماند دارای انقباض می باشد که باعث ایجاد حفرات انقباضی در مرکز قطعه می شود.

5-3- محیطی:

این حالت دلیلش این می تواند باشد که ما از مبرد داخلی در مرکز قطعه استفاده کنیم.در این حالت انجماد از مرکز قطعه واز اطراف قطعه شروع بشود که در نهایت حلقه ای از مذاب را در محیط قطعه خواهیم داشت و حفرات گازی در این مذاب باقی مانده تجمع پیدا کرده اند.در نهایت حلقه ای از حفرات گازی وانقباضی در محیط قطعه خواهیم داشت.البته قابل ذکر است که استفاده از کلمه حلقه اینست که ما قطعه فرضی خود را یک استوانه در نظر گرفته ایم.

6- مقدار تخلخل:

6-1- بررسی اثر نوع قالب وشرایط انجماد[4]:

درآزمایشات دکتر میر اسماعیلی تخلخل های نسبتا درشت در نمونه بدون تغذیه برای آلیاژ 319 مشاهده شده است،در حالیکه در نمونه تغذیه دار تخلخلها عمدتا به تغذیه منتقل شده اند وخود قطعه عاری از تخلخل است.بر خلاف قطعات منجمد شده توسط قالب تغذیه دار که عمیلات بهسازی سبب افزایش قابل توجه تخلخل شده است،این عملیات سبب کاهش جزئی تخلخل در قطعات منجمد شده توسط قالب بدون تغذیه گردیده است.در قطعات منجمد شده در قالب تغذیه دار،افزایش استرانسیم به مذاب سبب افزایش تخلخل شده است واین افزایش در صورت استفاده از مقادیر بیشتر استرانسیم شدیدتر است.از طرفی در قطعات منجمد شده توسط قالب بدون تغذیه،افزایش استرانسیم تاثیر قابل ملاحظه ای بر تخلخل نداشته است.در کل می توان اینگونه نتیجه گیری کرد که اگر برای انجام عملیات بهسازی با استرانسیم از یک سیستم تغذیه گذاری نا مناسب استفاده کنیم قطعه ما دارای تخلخل کمتری خواهد بود.

در یک نگاه کلی می توان نتیجه گیری کرد که بهسازی با استرانسیم در نمونه های ریخته شده در قالب تغذیه دار با افزایش تعداد وابعاد تخلخل ها سبب افزایش مقدار کلی تخلخل گردیده است.
عملیات بهسازی سبب افزایش تخلخل در نمونه های حاوی تخلخل های انقباضی نمی شود.در توضیح این پدیده می توان عنوان کرد که عملیات بهسازی چه درقطعات عاری از مکهای انقباضی وچه در قطعات حاوی مکهای انقباضی سبب افزایش تخلخل های گازی می گردد.تشکیل این تخلخل های گازی د رقطعات عاری از مک های انقباضی سبب افزایش تخلخل در قطعه می شوند،در حالیکه در قطعات حاوی مکهای انقباضی،تخلخل های گازی ایجاد شده در اثرعمیلات بهسازی جایگزین مکهای انقباضی موجود گردیده وبنابراین عملیات بهسازی تاثیر قابل توجهی بر مقدار کلی تخلخل نمی گذارد.در واقع در شرایطی که شرایط برای تشکیل مکهای انقباضی وهم گازی فراهم است،هیدروژن محلول در مذاب آلومینیوم می تواند در خلال انجماد بدون هیچ مشکلی در مک های انقباضی تشکیل شده رسوب کند وبدین سان تلفیقی از مک های گازی وانقباضی بوجود می آید.

6-2- اثر افزایش درجه حرارت بر میزان حلالیت هیدروژن[9]:

با افزایش درجه حرارت جنب وجوش اتم ها زیاد می شود وفواصل بین اتم های آلومینیوم زیاد می شود.به همین دلیل هیدروژن به راحتی وارد آلومینیوم می شود.پس هر چه درجه حرارت افزایش یابد میزان هیدروژن موجود در آلومینیوم افزایش می یابد.

در شکل اثر افزایش درجه حرارت بر میزان حلالیت هیدروژن را می توان دید.

6-3- اثرات متقابل مقدار هیدروژن مذاب وعملیات بهسازی برمقدار تخلخل:

تخلخل های حاصل ازعملیات بهسازی منشا گازی دارند.استرانسیم فقط در صورت وجود هیدروژن کافی قادر به افزایش قابل ملاحظه تخلخل است، پس اثر استرانسیم بر افزایش تخلخل در شرایطی که هیدروژن مذاب بیشتر باشد شدیدتر است.از اینرو می توان نتیجه گیری کرد که تخلخل های حاصل از عملیات بهسازی با استرانسیم منشا گازی دارند،بنابراین کاهش هیدروژن مذاب می تواند تا حد زیادی اثر عملیات بهسازی برتخلخل را خنثی کند. افزایش ابعاد وتعداد تخلخل ها وهمچنین تغییر مورفولوژی آنها از حالت کشیده وترک مانند به حالت کروی شکل در اثر افزایش هیدرو‍ژن بوضوح قابل تشخیص است.(شکل5)

6-4- اثرات متقابل عملیات بهسازی با استرانسیم سرعت انجماد وعملیات فیلتر کردن[4]:

بررسی های بعمل آمده بیانگر این است که عملیات آخال زدائی وافزایش تمیزی مذاب سبب کاهش اثرات عملیات بهسازی بر افزایش تخلخل می گردد.Iwahori وSerratos در آزمایشات خود نشان دادند که انجام عملیات فلاکس زنی پس از عملیات بهسازی با استرانسیم سبب کاهش قابل توجه تخلخل در آلیاژA356 گردیده است.شکل6اثرات متقابل عملیات بهسازی با استرانسیم فیلتر کردن مذاب وسرعت سرد شدن را بر مقدار تخلخل در آلیاژA356 نشان می دهد.

شکل 6 – اثرات متقابل عملیات بهسازی با استرانسیم وفیلتر کردن وسرعت سرد کردن بر مقدار تخلخل در آلیاژA356

همانطور که ملاحظه می گردد گرچه افزایش سرعت انجماد سبب کاهش تخلخل در تمام شرایط گردیده است ولی اثر سرعت انجماد در شرایط بهسازی شده با استرانسیم بر کاهش تخلخل بمراتب بیشتر است.
به بیان دیگر در شرایطی که در نمونه های نزدیک به تغذیه که دارای سرعت انجماد کمتری هستند عملیات بهسازی سبب افزایش نسبتا شدید تخلخل شده است اثر این عملیات در نمونه های مجاور مبرد که دارای سرعت انجماد زیادتری هستند قابل ملاحظه نمی باشد.همچنین نتایج بدست آمده بیانگر اثرات شدید استفاده از فیلتر در سیستم راهگاهی بر کاهش تخلخل در قطعات بهسازی شده با استرانسیم است.

در واقع حضور فیلتر در سیستم راهگاهی با کاهش فیلم های اکسیدی وبا تمیز کردن مذاب درون قالب سبب کاهش نسبتا شدید تخلخل در آلیاژ بهسازی شده با استرانسیم گردیده است.این نتایج از آن نظر حائز اهمیت است که در آلیاژهای بهسازی شده با استرانسیم نمی توان از عملیات فلاکس زنی بمنظور افزایش تمیزی مذاب استفاده کرد(عملیات فلاکس زنی سبب استرانسیم زدائی از مذاب می شود).

6-5- اثر اندازه تغذیه بر مقدار تخلخل[1]:

در این آزمایش آلیاژ A206(Al-4.5%Cu-0.4%Mn-0.3%Mg-0.2%Ti)استفاده شده است.عرض،طول وضخامت قطعات به ترتیب 14،20و1سانتی مترمی باشد.سه قطعه با سه نوع قطر تغذیه متفاوت 3،4و6سانتی متری استفاده شدوارتفاع تغذیه ها 5/1برابر قطر تغذیه ها میباشد.قالب های ماسه ای CO2 با استفاده از ماسه سیلیسی وهفت درصد وزنی سیلیکات سدیم به عنوان سخت کننده،آماده شد ودرانتهای قالب یک مبرد مسی قرار داده شده است.قالب ها به مدت 8ساعت در دمای پخته شده وتا دمای محیط قبل از ریخته گری سرد می شوند.

فرایند ذوب در کوره الکتریکی مقاومتی انجام شده وشمشA206به طور مستقیم در یک بوته گرافیتی اضافه شد.در حین ذوب شدن،غلظت هیدروژن اولیه ذوب در حدود کنترل می شود.دمای ریختن در حدود کنترل می شود.ترموکوبل ها در قالب قرار داده می شوند تا حرارت موجود در 9مکان قطعه نشان داده شده در شکل بدست آید.برای اندازه گیری وزن مخصوص از روش ارشمیدس استفاده می شود.

شکل 7-شماتیک قطعه[1]

توزیع تخلخل در درصد حجمی از انتهای مبرد تا انتهای تغذیه در قطعات،در شکل 8 نشان داده شده است.در این شکل،با افزایش اندازه تغذیه مقدار تخلخل کاهش پیدا کرده است.درهمه نمونه ها،حداقل تخلخل را در نزدیکی مبرد داریم،تا فاصله کمی از تغذیه به تدریج این مقدار تا یک ماکزیمم افزایش پیدا می کند.

6-6- تئوری Ham برای محاسبه مقدار تخلخل[1]:

کسر رسوب هیدروژن (f)وزمان واکنش یا به عبارتی زمان انجماد(tf) به صورت زیر نشان داده شده است:
معادله 1
که مقدار هیدروژن اولیه( )، مقدار هیدروژن نفوذ کرده در داخل حفره در یک محل معین ( )، هیدروژن قابل حل در آلومینیوم جامد( )، زمان آسایش(sec)وn یک مقدار ثابت است. قیاسی از چگونگی نفوذ هیدروژن می باشد. مقدار کسر تشکیل تخلخل در یک محل معین آلیاژ ریختگی آلومینیوم A356(VP(%))را می توان به صورت زیر تشریح کرد:

معادله 2

که Pg فشار حباب گازی(atm)و یک مقدار ثابت می باشد. Pg ترکیبی از فشار اتمسفر وفشار هیدرواستاتیکی تغذیه،کاهش فشار مذاب بین دندریتی و فشار تنش سطحی حباب گازی می باشد.k باید معادل با باشد( دانسیته مایع( ))،TEدمای یوتکتیک(کلوین) ،273حالت استاندارد دما می باشد.پس معادله(2) را می توان به صورت زیر نشان داد:

معادله 3

که برابر با است.درمعادله (3)اگر فرض کنیم که به بینهایت میل کند یعنی که همه هیدروژن داخل حفره نفوذ کرده وکسر هیدروژن رسوب کرده در یک محل معین در قطعه ریختگی (f) برابر با یک خواهد بود.به این دلیل ،ماکزیمم تخلخلی است که می تواند در قطعه ریختگی تشکیل شود.راههای مشابه دیگری برای پیش بینی مقدار ماکزیمم تخلخل وجود دارد مانند معادلات ترمودینامیکی.

نتیجه زمان انجماد به صورت نمودار در شکل 9 نشان داده شده است.این منحنی ظاهرا تئوری هام را اثبات می کند.با افزایش زمان تا یک حدی شیب منحنی کاهش می یابد که ممکن است دلیل آن،کم شدن نفوذ هیدروژن محلول در داخل حباب باشد. فشار حباب گازی می تواند به صورت روبه روباشد: که درآن تنش سطحی حباب گازی در نظر گرفته شده است.در عبارت قبلی تنش سطحی مذاب آلیاژ A206( )،C یک مقدار ثابت است( ).بر طبق این توصیف،فشار حباب گاز به ترتیب برای مبرد وتغذیه برای زمان های انجماد متفاوت،28/1و17/1محاسبه شده است.

7- محاسبه فاکتور شکل[3]: