فرآیند شاو جهت ریخته گری دقیق فلزات

تخلخل

ریخته‌گری‌های فلزی سعی می‌کنند قطعات بی عیبی تولید کنند، با این حال، تنها تعداد کمی از قطعات ریخته شده کاملاً عاری از نقص هستند. ریخته‌گری‌های مدرن دارای تجهیزات بازرسی پیچیده ای هستند که می توانند حتی تفاوت های کوچک در اندازه و عیوب گوناگون را تشخیص دهند. عیوب عمدتاً به دلیل خطای انسانی ناشی از شرایط محیطی یا به دلیل وجود حفره های گازی در قطعات ریخته گری رخ می دهد. در این میان، تخلخل[1] ممکن است دائمی ترین و رایج ترین مشکل ریخته گران باشد. با فرآیندهایی چون آهنگری، ماشین‌کاری و جوش‌کاری می توان تخلخل را در شمش ها و قطعات ساده حذف کرد. تخلخل در قطعات ریخته گری باعث نگرانی های مشتری در مورد قابلیت اطمینان و کیفیت می‌شود. کنترل تخلخل به درک منابع و علل آن بستگی دارد. اگر بتوان تخلخل در قطعات ریخته گری را کنترل یا حذف کرد، می توان به بهبودهای قابل توجهی در کیفیت محصول، عملکرد اجزا و قابلیت اطمینان طراحی دست یافت.

با این حال نمی توان گازها را به طور کامل حذف کرد، زیرا گازهای مختلف از طرق گوناگون در هنگام ریخته گری بوجود می آیند. تنها می توان شرایط مطلوب بهینه را برای کاهش تخلخل به دست آورد. اما مسلماً باید برای تحلیل علل تخلخل و همچنین باید برای کاهش تخلخل در قطعات ریخته گری تلاش کرد تا بتوان عیوب را کاهش داد. کاهش عیوب، کاهش هزینه ها و افزایش سود شرکت را به دنبال دارد. بنابراین، در طولانی مدت، این تجزیه و تحلیل ممکن است در بهبود کیفیت واحد ریخته گری مفید باشد.

منابع تخلخل

عیوب مربوط به تخلخل یکی از دلایل اصلی ضایعات در صنعت ریخته گری است. تخلخل از نظر اندازه از حفره های ریز میلیمتری تا حفره های بزرگ سانتیمتری متغیر است. تخلخل ریز می تواند باعث نشتی از پوسته های اسفنجی حاوی سیال شود یا ممکن است خواص مکانیکی مانند عمر خستگی را کاهش دهد. در حالی که حفره های درشت می تواند باعث ناهماهنگی ساختاری و شکست سریعتر قطعات شود. نقص های مرتبط با تخلخل به دلیل تأثیر متقابل چندین پدیده ای است که در طول انجماد رخ می دهد. با سرد شدن مذاب، حلالیت گاز در مذاب کاهش می یابد. اگر به حد حلالیت رسیده باشد، گاز در مذاب محبوس می شود. گازها در جامد بسیار کمتر از مایع حل می شوند و از این رو گاز در طول انجماد از حالت جامد به مایع دفع می شود که باعث افزایش حباب های گازی سطح می شود. با کاهش فشار ناشی از جریان فلز ناحیه خمیری[2] به منظور تغذیه انقباض ناشی از انجماد، حلالیت نیز کم می شود. یعنی حتی در غیاب گازهای محلول، منافذ می توانند تنها به دلیل انقباض نیز ایجاد شوند. اگر تخلخل در اوایل انجماد ایجاد شود، می‌تواند به صورت حباب‌های کروی شکل باشد. اگر منافذ دیرتر در انجماد ظاهر شود، توسط شبکه دندریتی موجود، محدود شده و شکل نامنظمی به خود می گیرد. بنابراین منابع تخلخل را می توان به شرح زیر بیان نمود:

• هوای محبوس شده در حین پر شدن
• انقباض خط مرکزی که در طول انجماد نهایی رخ می دهد
• سوراخ های دمنده از ماهیچه های گاز زدایی نشده
• واکنش ها در دیواره قالب
• گازهای حل نشده حاصل از ذوب
• آخال یا سرباره حاوی گاز

عیوب تخلخل گازی در ریخته گری فولادهای زنگ نزن داپلکس

عیوب تخلخل گازی در ریخته گری داپلکس باعث افزایش ضایعات ریخته گری و افزایش هزینه های جوش کاری های تعمیری می گردد. عوامل مختلفی از قبیل اکسید زدایی[3]، وجود نیتروژن و انقباض حین انجماد بر سطح تخلخل تاثیر دارد. می توان نشان داد که در شرایط خاص، برهم کنش گازها، آخال ها و انقباض، قطعه ریخته شده مستعد تشکیل تخلخل خواهد بود. این مقاله تلاش می شود چارچوبی برای درک و کنترل تخلخل در ریخته گری فولاد زنگ نزن داپلکس بیان شود.

در سال های اخیر، به دلیل خواص ضد خوردگی و مشخصات مکانیکی فولادهای ضد زنگ داپلکس[4]، این نوع فولاد مورد توجه قرار گرفته است. تولید این فولاد ها در دهه 1920 میلادی آغاز شد. داپلکس را به دو گروه اصلی معمولی و سوپر آلیاژ تقسیم بندی می کنند. رده سوپر داپلکس یک ریز ساختار بهینه با عدد معادل مقاومت به خوردگی حفره دار شدن PREN[5] بالای 40 است. هر دو رده حاوی 50 درصد آستنیت و 50 درصد فریت است، اما در عمل فریت می تواند بین 40 تا 60 درصد باشد. در ترکیبات سوپر داپلکس درصد کروم، نیکل و مولیبدن بیشتر از داپلکس معمولی است. فولاد زنگ نزن داپلکس در صنایع شیمیایی، ساحلی، دریایی، تولید کاغذ و سایر کاربرد ها مورد استفاده قرار می گیرد.

یکی از مشکلات اصلی در تولید فولادهای زنگ نزن داپلکس وجود تخلخل گازی ایجاد شده حین انجماد می باشد. وجود این حفره ها باعث افزایش هزینه های تمام شده واحد ریخته گری به علت افزایش ضایعات و نیاز به جوش کاری تعمیری می گردد. تخلخل گازی معمولا در حضور هیدروژن، نیتروژن و اکسیژن حل نشده ایجاد می شود. این گازها تمایل دارند به صورت مونوکسید کربن رسوب کنند. هیدروژن و اکسیژن به عنوان ناخالصی در ذوب شناخته می شوند که تا حد امکان باید مقدار آنها را پایین نگه داشت. در فولادهای زنگ نزن داپلکس، عنصر مجاز جهت افزودن به ذوب برای بهبود خوردگی و خواص مکانیکی، نیتروژن می باشد.

اثر انجماد و حلالیت نیتروژن

تشکیل تخلخل گاز ناشی از نیتروژن در مرحله انجماد به دلیل حلالیت کم آن در فاز فریت صورت می گیرد. در طول انجماد، نیتروژن به شدت در مذاب باقی مانده زیاد است. اکثر فولادهای زنگ نزن داپلکس در حالت کاملا فریتی جامد می شوند و آستنیت در مراحل بعدی پس از دمای سالیدوس تشکیل می شود. آستنیتی شدن مذاب باقیمانده به دلیل حلالیت بیشتر نیتروژن در آستنیت در مقایسه با فریت است که مزیت بیشتری نسبت به انجماد کاملاً فریتی دارد. بنابراین، تغییر حالت انجماد از فریتی خالص به آستنیتی فریتی، حساسیت به تشکیل تخلخل را کاهش می دهد. نتایج بررسی انجماد چند نمونه آزمایش از فولاد داپلکس به این صورت است که حالت فریتی انجماد داپلکس با تغییر ترکیبات آن اجتناب ناپذیر است.

نمونه تجربی

به منظور مشاهده اینکه کدام پارامترهای ریخته گری و مواد تأثیر قابل توجهی بر تشکیل تخلخل گاز دارند، 17 نمونه ریخته گری آزمایشی ساخته شد. طول نمونه بیشتر از طول بحرانی تغذیه است و بنابراین تمایل به انقباض در میله وجود دارد. این ماده از فولاد ضد زنگ داپلکس نوع سوپر آلیاژ می باشد. قطعات ریخته گری با افزودن درصد های وزنی 0.01، 0.03 یا 0.10 آلومینیوم به پاتیل ذوب، اکسیدزدایی شدند. دو دمای مختلف ریخته گری، 1530 درجه سانتیگراد یا 1570 درجه سانتیگراد، استفاده شد. بررسی قطعات ریخته‌گری شامل بازرسی چشمی، بررسی توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و نوری، آنالیز ذوب و همچنین آنالیز سرباره‌ ها و ذرات با EDX بود.

در بررسی قطعات ریخته گری انواع عیوب زیر مشاهده شد: تخلخل با اندازه کوچک در ترکیب با ذرات آلومینیوم در قطعات ریخته گری که با 0.1 درصد Al اکسید زدایی شده اند، مقداری تخلخل اندازه بزرگ در ترکیب با مقیاس بزرگ. سرباره ها در داخل همه ریخته گری ها و سطح بالایی ناهموار در نتیجه گیر افتادن لایه های سرباره سطحی در مذاب در قطعات ریخته گری که با 0.01٪ یا 0.03٪ آلومینیوم اکسید شدند.

موارد زیر شامل پرشمارترین نوع عیوب می باشد: منافذ در ترکیب با یک یا چند ذره آلومینا. منافذ از 3 میکرومتر تا حفره های بزرگ متغیر است. کوچکترین منافذ تا 10 میکرومتر اغلب در ترکیب با یک ذره آلومینا یافت می‌شود (شکل 3)، در حالی که منافذ 10 تا 100 میکرومتر معمولاً با چندین ذره ترکیب می‌شوند. هسته زایی(جوانه زنی) ناهمگن یک حفره گازی روی سطح ذره اکسید در مذاب بسیار ساده تر از هسته زایی همگن در مذاب است، و فرض می شود که منافذ مشاهده شده روی ذرات آلومینا هسته دار شوند. پس از اکسیدزدایی با 0.1 درصد آلومینیوم، تعداد بی‌شماری ذرات آلومینا با اندازه بین 1 تا 3 میکرومتر در نمونه های ریخته شده یافت شد. بیشتر ذرات به صورت گروهی یا خوشه ای با ابعاد میلی متری بودند. کاهش افزودن آلومینیوم به 0.03 درصد باعث کاهش چشمگیر مقدار ذرات و همچنین افزایش جزئی در اندازه ذرات شد. در نمونه هایی که 0.01 درصد آلومینیوم اضافه شده، میزان ذرات کمترین مقدار بود و بیش از نیمی از ذرات اکسید کروم بود. علی رغم تمام ریخته‌گری‌هایی که حاوی ذرات کافی برای هسته‌زایی ناهمگن منافذ هستند، تخلخل مرتبط با آلومینا فقط در ریخته‌گری‌های اکسید زدایی شده با آلومینیوم 0.1 درصد به وفور یافت شد. فرض بر این است که یکی از دلایل عدم تخلخل در فولادهای کمتر اکسید شده، محتوای اکسیژن آزاد بالاتر و در نتیجه ترشوندگی بهتر بین اکسیدهای آلومینیوم و مذاب است.

از متداول ترین گازهایی که باعث ایجاد تخلخل در ریخته گری می شوند، گاز مونوکسید کربن است که به راحتی در فولاد زنگ نزن داپلکس به دلیل مقدار کم کربن آن و همچنین به دلیل کاهش فعالیت اکسیژن به دلیل مقدار بالای عناصر آلیاژی مانند کروم، تشکیل نمی شود. افزایش محتوای کربن به 0.06 درصد در یکی از ریخته‌گری‌ها تأثیری بر میزان تخلخل مشاهده شده نداشت. محتوای هیدروژن در مذاب در چهار مورد از نمونه های آزمایشی اندازه‌گیری شد. در پاتیل بین 4 تا 6 پی پی ام و در قالب بین 5 تا 9 پی پی ام بود. با توجه به موارد مشابه و عمل ذوب، مقدار هیدروژن در بقیه قطعات ریخته گری نیز در یک سطح مشابه فرض می شود. نمونه های آزمایشی در سه سطح نیتروژن ساخته شدند: 0.20 - 0.22٪، 0.14 - 0.15٪ و 0.06 - 0.10٪. تفاوت در مقدار نیتروژن فولاد را می توان در تخلخل مشاهده کرد. کاهش مقدار نیتروژن از 0.20٪ به 0.15٪ تنها کمی تخلخل را کاهش داد، اما تفاوت واضح تری در مقدار تخلخل مشاهده می شود زیرا مقدار آن به زیر 0.10٪ کاهش می یابد.

از نظر ظاهری شکل منافذ معمولی گاز کروی با شکل منافذ انقباضی متفاوت بود. این منافذ اغلب در مرزهای دانه قرار داشتند تا در داخل دانه ها. بنابراین منطقی است که فرض کنیم هم وجود گازها و هم انقباض در تشکیل منافذ نقش دارند. علاوه بر این، ترکیب مذاب باقی مانده در طول انجماد به دلیل تقسیم بین فاز جامد و مایع و به دلیل انتشار تغییر می کند. بنابراین حلالیت نیتروژن نیز ممکن است به میزان غیر قابل اغماض تغییر کند. در این شرایط پیچیده، مدل‌سازی ریاضی می‌تواند روشی مفید برای مطالعه تشکیل تخلخل باشد.

واکنش فلز با قالب

یکی از عوامل ایجاد یا محبوس شدن گاز درون قالب واکنش فلز مذاب با قالب است. برای کاهش میزان واکنش قالب و مذاب موارد زیر پیشنهاد می شود:

1- جلوگیری از اکسیداسیون مجدد: از قرار گرفتن مذاب در معرض اکسیژن اتمسفر جلوگیری شود.

2- برای پر کردن کامل پوسته ها از حداقل سوپرهیت مورد نیاز استفاده شود:

آ. سوپر گرما باعث افزایش اکسیداسیون مجدد می شود.
ب سوپر گرما کم زمان واکنش با پوسته را محدود می کند.

3- از زیرکن به عنوان لایه اولیه استفاده شود.

4- در صورت امکان شیارهای عمیق را در طراحی به حداقل برسد.

خلاصه و نتیجه گیری

در ریخته‌گری‌های فولادی ضد زنگ داپلکس، مقدار زیاد نیتروژن همراه با گازهای ناخالص می‌تواند تخلخل گاز ایجاد کند. بر اساس نظریه های قبلی و نتایج آزمایش‌ تجربی، مدلی با در نظر گرفتن فشارهای موضعی گاز در مذاب، انقباض به شکل فشار فلز و همچنین هسته‌زایی ناهمگن منافذ ایجاد شد. نتایج شبیه سازی ریخته گری نمونه آزمایشی نشان می دهد که تمایل به تشکیل تخلخل را می توان شبیه سازی کرد. با این حال، مدل هنوز محدود است.

منابع:

1- R. Arola, "Gas Porosity Defects in Duplex Stainless Steel Castings",Materials Science Forum Vols. 318-320 (1999) pp 297-302.

2- Carlson, K.D., "Modeling of Porosity Formation and Feeding Flow in Steel Casting" in Proceedings of the 56th SFSA Technical and Operating Conference, Paper No. 4.4, Steel Founders' Society of America, Chicago, IL, 2002.

3- S. Jayet-Gendrot, "Behavior of duplex stainless steel casting defects undermechanical loadings", Nuclear Engineering and Design 197 (2000) 141–153.

4- R. Monroe, "Porosity in Castings", AFS Transactions 2005 © American Foundry Society, Paper 05-245(04).pdf, Page 1 of 28.

5- Jeet Desai, "Reducing Porosity for Alloy Steel Casting", International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol. 2 Issue 11, November - 2013.

[1] Porosity

[2] mushy zone

[3] Deoxidation

[4] Duplex

[5] Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) = %Cr + 3.3 %Mo+16 %N