کروی سازی به روش in mold  

در تمام كارخانه‌ها ، براي كروي نمودن گرافيتهاي چدن نشكن از منيزيم، استفاده مي گردد. در ضمن عناصر جزئي مانند سزيم و عناصر جزئي مانند سزيم و عناصر خاكي نادر موجود در آلياژ فروسيليس منيزيم  براي خنثي كردن عناصر جزئي مضر و راندمان بهتر د رعمل جوانه زايي، اهميت زيادي دارند. روش افزودن منيزيم بطرق مختلف اعم از ساده و پيچيده مي باشد.

در انتخاب يكي از اين روشها براي يك كارگاه معين بايد فاكتورهاي زيادي مورد نظر قرار گيرد و در بين آنها مهمترين فاكتورها با تعيين اولويتها مشخص گردد. فاكتورهاي اصلي به قرار زير مي باشند. ۱- روش انتخاب شده نبايد با ايجاد نور و دود همراه باشد.

۲- قيمت تمام شده چدن توليدي بايد حداقل باشد. ۳-روش نبايد اجتياج به سرمايه گذاري زياد درتجهيزات داشته باشد. ۴- كيفيت چدن توليدي بايد مطلوب باشد. ۵- روش بايد توانايي ريختن قطعات با وزن هاي مختلف را دارا باشد.

براي توليد چدن نشكن مرغوب بايد كنترل دقيق به عمل آيد تا مقددار منيزيم باقيمانده كم يا زياد نباشد. از آنجائيكه دمكا و تركيب شيميائي براي بازيابي منيزيم مؤثر مي باشد، فرآيند و مواد مناسب كروي سازي مطلوب، بزرگترين عوامل بالقوه براي تغييرات باقيمانده مي باشند. بايد متذكر شد كه مناسبترين فرايند موجب مي گردد كه منيزم باقيمانده در محدوده اي بسيار نزديك به هم قرار داشته باشد. هنگاميكه محدوده اي مقدار منيزيم باقيمانده وسيع باشد،

مشخص مي گردد كه بازيابي منيزيم بسيار ضعيف و عمل افزودن منيزيم نامناسب بوده است. مشكلات افزودن منيزيم افزودن منيزيم و آلياژ آن در مذاب چدن مشكلاتي در پي دارد كه تا كنون در تمام روشهاي كروي نمودن كاملاً حل نشده است.

 

ميزان پائين حلاليت Low Solubility منيزيم بمقدار خيلي كم در مذاب چدن حل مي شود. بنابراين آلياژ منيزيم با آهن بصورت فرو منيزيم   به هيچ وجه مورد استفاده قرار نمي گيرد. نقطه جوش پائينLow Boiling Point وارد كردن منيزيم خالص به چدن مذاب مشكل مي باشد زيرا منيزيم دردرجه حرارت   مي جوشد كه خيلي پايين تر از حرارت مذاب مي باشد. بعلاوه فشار بخار زياد منيزيم در دماي كروي نمودن،

حلاليت منيزيم را بسيار دشوار مي سازد. وزن مخصوص Density وزن مخصوص منيزيم   كه خيلي پايين تر از وزن مخصوص چدن است. چون منيزيم سبكتر روي سطح مذاب مي آيد كه باعث جوشيدت و اكسيد شدن منيزيم و نتيجتاً كاهش راندمان بازيابي منيزيم مي گردد. افزودن منيزيم در راهگاه يكي از روشهاي نسبتاً جديد افزودن منيزيم در راهگاه مي باشد. طراحان فرآيند مذكور امتيازاتي نظير افزايش كيفيت،

بهبود مسائل اقتصادي و ومحيطي را مدعي شده اند. از ميان آنها مهمترين پارامترهايي كه قابل توجه هستند از بين رفتن مسائل ميرائي، امكان ذوب ريزي اتوماتيك و از بين بردن دود و نور خيره كننده در عمليات كروي سازي مي باشند. بر عكس، بعضي مسائل مانند طراحي محافظ آلياژ، لزوم محدود كردن ورود ناخالصي ها د رقطعات، انتخاب آلياژ كروي كننده مناسب و بالأخره تطابق كنترل كيفيت با روشهاي توليد بايستي دقيقاً بررسي گردد.

 

كنترل دقيق ميزان گوگرد در مذاب روي عمل كروي سازي اهميت زيادي دارد. حداكثر ميزان گوگرد در مذاب نبايد بالاتر از   باشد. كليات روش افزودن منيزيم در راهگاه چندين سال است كه مهندرسين و پژوهشگران زيادي،روشهاي مختلفي را براي تأثير جوانه زايي چدن بررسي مي كنند. مشخص شده بود كه حداكثر تأثير عناصر كروي كننده در زمان كوتاهي بين شروع انجماد و افزودن جوانه زا مي باشد.

لذا وارد كردن جوانه زا را بطور مستقيم در داخل قالب و بادر اول راهگاه اصلي يا در مقابل جريان راهگاه فرعي قطعه مفيد مي رسيد. پس از آزمايش، قابليت انجام عمليات كروي سازي طبق همين تئوري اثبات گرديد و لي براي انجام اين هدف دو پارامتر اصلي بايستي مورد توجه قرار گيرد. ۱- آلياژ افزودني بايستي سريعاً حل شود و از شروع تا پايان ذوب ريزي از ثبات عيار قابل توجهي برخوردار باشد. ۲-باقيمانده آلياژ كه حل نشده بداخل قطعه راه نيابد. براي برطرف كردن اين نيازها(كه سازگاري زيادي هم ندارند)

راه حل هاي متعددي در رابطه با محل افزودن و شكل فيزيكي مناسب آلايژ پيشنهاد شده است. اگر آلياژ بصورت يكپارچه باشد و دانه هاي آن فشرده و به اندازه اي بزرگ باشند كه در پايان ذوب ريزي حل نشوند، نمي توانند به وسيله سيستم راهگاهي به داخل قالب كشيده شوند. اين حالت منتاسب با نياز آخر مي باشد

اما از اطمينان از حل شدن يكنواخت وئ ثابت در قسمتهاي مختلف وجود ندارد. براي حل شدن يكنواخت مواد مورد نياز جهت كروي سازي راه حل مناسبي ارائه گرديده و آن عبارتست از قرار دادن دانه هاي آلياژ در يك محفظه مناسب طوريكه در شرايط يكنواخت جريان مذاب،

عملاً سرعت حل شدن مواد هنگام ذوب ريزي ثابت نگه داشته مي شود. با ايجاد يك تنگه(Chock) در جهت سيستم، امكان دسترسي به اين شرايط وجود دارد. شكل شماره ۲-۳ نماي شماتيك سيستم راهگاهي با محفظه نگهدارنده آلياژ را نشان مي دهد. محفظه آلياژ بايد طوري طراحي شود كه در مقاطع مختلف ثابت نگه داشته شود. بنابراين مساحت سطح مقابل جريان مذاب هميشه در هنگام ذوب‌ريزي ثابت مي ماند. براي يك آلياژ مخصوص سرعت حل شدن به اندازه‌ محفظه و ساير پارامترهاي قطعه بستگي خواهد داشت. در واقع عيار آلياژ حل شده در مذاب و نسبت معكوس با سرعت جريان  مذاب دارد. با توجه به اين مسئله فاكتور حلاليت كه نسبت

سرعت جريان مذاب به مساحت سطح مقطع محفظه محافظ آلياژ مي باشد، مشخص مي شود.  فاكتور حلاليت=  سرعت جريان مذاب مساحت سطح مقطع محفظه محافظ آلياژ فاكتور حلاليت نشان دهنده قابليت كم يا زياد يك سيستم براي حل كردن آلياژ مورد استفاده مي باشد.   شكل ۱ نماي شماتيك سيستم راهگاهي با محفظه نگهدارنده آلياژ  انتخاب آلياژ براي عمليات كروي سازي در داخل قالب، آلياژ مورد نظر بايستي داراي خواص ويژه‌اي باشد. در حقيقت سرعت حل شدن آلياژ در هنگام عبور جريان مذاب مهمترين عامل باشد.

اگر سرعت حل شدن آلياژ در اثر تماس با مذاب، در قالب خيلي پائين باشد، كروي سازي در قسمت اول قطعه كم و اگر حلاليت زياد باشد كروي سازي در قسمت آخر قطعه كم خواهد بود. به اين ترتيب چنين آلياژي براي استفاده در قالب مناسب نمي باشد. طراحي محفظه محافظ آلياژ قسمت اساسي يك محفظه خوب براي كروي سازي در داخل قالب، قسمت افقي آن، و مخصوصاً ثابت ماندن آن در ارتفاع مختلف مي باشد.

مطلب مهم اين است كه اجزاي محفظه محافظ آلياژ، براي برطرف كردن نيازهاي زير بطور مناسبي انتخاب شود: ۱- محفظه بايد اجازه جريان منظم مذاب روي آلياژ را داده، و حل تدريجي آن را آسانتر كند. ۲-طرح محفظه بايد طوري باشد كه انتقال آلياژ توسط جريان مئذاب بدرون قالب در پائين ترين حد نگهداشته شود.

در صورت تساوي شرايط، هر قدر عمق محفظه بيشتر باشد حل شدن يكنواخت آلياژ كمتر خواهد وبد. با ملاحظه كار انجام شده كاملاً مشهود است كه بين سرعت جريان مذاب، اندازه آلياژ و سطح مقطع محفظه رابطه اي وجود دارد. اين رابطه، فاكتور حلاليت تعريف مي شود

. كنترل فاكتور حلاليت فاكتورهايي كه سرعت حل شدن آلياژ را كنترل مي كنند عبارتند از: ۱- دماي مذاب  ۲-سرعت ريختن   ۳- سطح مقطع محفظه واكنش  ۴- اندازه مواد كروي كننده  تجربه كاري نشان مي دهدكه بين سرعت حل شدن، سرعت ريختن وسطح محفظه واكنش رابطه اي وجود دارد. بر اساس اين رابطه سرعت حل شدن مواد كروي كننده را مي توان به سهولت با تغيير سطح محفظه واكنش تغيير داد۰

. اين رابطه براي يك آلياژ معين مطابق رابطه زير مي باشد. فاكتور حل شدن= براي كروي اسزي، فاكتور حل شدن به ميزان   بعنوان راهنمائي عمومي انتخاب گرديده است. در صورتي كه اين فاكتور بيش از اين رقم باشد ميزان حل شدن كم خواهد بود و بهد علت تقليل عملياا كروي سازي، وضعيت قطعه از نظر كروي بودن ضعيف خواهد بود.(مقدار منيزيم باقيمانده كم مي شود). بر عكس، چنانچه فاكتور حل شدن كم باشد،

سرعت حل شدن زياد بوده و در نتيجه قبل از به اتمام رسيدن ريختن مذاب، تمام مواد آلياژي حل مي شوند. ملاحظات فني آلياژهاي كروي كننده يكي از ايلاژهاي كروي كننده كه بيشترين استفاده را در توليد چدن نشكن دارد، فروسيليس منيزيم مي باشد. از انواع مختلف آلياژهاي فروسيليس منيزيم موجود، فروسيليس منيزيم با   منيزيم بيشترين استفاده را دارد. معمولاً فروسليس منيزيم با   منيزيم آلياژهيا استاندارد مي باشند

و لي اخيراً آلياژهاي فروسيليس منيزيم باميزان   منيزيم بمنظور كاهش دود و نور حيره كننده توليد شده اند. اكثر آلياژهاي فروسيليس منيزيم، عناصري مثل سريم، كلسيم، آلومينيوم و عناصر خاكي نارد را دارند. اصولاً عناصر فوق در خنثي كردن اثرات مضري بعضي از عناصر جزئي دارند و نيز بهبود بخشيدن به شكل گرافيت مؤثر هستند. به اضافه خواص فوق، اين عناصر قدرت جوانه زائي را افزايش مي دهند و از تشكيل گرافيت پوك، مخصوصاً در قطعات ضخيم و سنگين جلوگيري مي نمايد

. سيليسيم Si اصولاً استفاده از فروسيليس منيزيم آسانترين روش براي افزودن ميزان سيليسيم در مذاب مي باشد. اگر محدوديتي در ميزان سيليسيم باشد مقدار فروسيليس منيزيم و مقدار برگشتي ها بايد بدقت محاسبه شود. آلومينيوم Al آلومينيوم به ميزان مختلف در تمام آلياژهاي فروسيليس منيزيم موجوداست وممكن است تا   آلومينيوم در چدن باقي بماند. وجود آلومينيوم عيوب سرباره، مك و سوسه را افزايش مي دهدو

ميزان آلومينيوم د رآلياژ فروسيليس منيزيم بايد كنترل شود. كلسيمCa  كلسيم در مام آلياژهاي فروسليس منيزيم موجود است. كلسيم واكنش منيزيم را كاهش مي دهد و به شكل كروي گرافيت بهبود مي بخشد. سريم Ce و عناصر خاكي نادر عنماصر فوق د رخنثي كردن اثرات مضر بعضي از عناصر جزئي مؤثر هستند. اين عناصر قدرت جوانه زايي را افزايش مي دهند و از تشكيل گرافيت پوك جلوگيري مي نمايد. نيكل منيزيم Ni-Mg نيكل- منيزيم بدليل بالا بودن وزن محصوصش بهترين آلياژكروي كننده مي باشد.

استفاده از نيكل- منيزيم باعث دسترسي به مقدار منيزيم باقيمانده در رنج هاي خيلي نزديك مي شود. چون قيمت نيكل-منيزيم گران مي باشد ا زاين آلياژ فقط براي توليد چدذن نشكت با آلياژ نيكل استفاده مي شود. اصولاً آيلاژ نيكل- منيزيم با   منيزيم و   نيكل توليد مي شود. مسائل ناخالصي ها براي نگه داشتن مقدار ناخالصي ها در محدوده جزئي در هنگام عمليات كروي سازي، مطالعه زيادي انجام گرفته است

. در آلياژهاي حاوي ناخالصي هاي مستعد به كشيده شدن به وسيله جريان مذاب، روند تشكيل ناخاالصي ها در فرايند مذكور يك واقعيت بدون انكار است. همچنين موقعي كه مقداري از دانه هاي آلياژ احتمالاً به وسيله جريان مذاب يشدت جابجا شده و با جريان مذاب داخل قطعه وارد مي شود، مواد حاصل ار .اكنش آلياژ كروي كننده با مذاب، ممكن است بعنوان عامل ناخالصي اضافي مورد توجه قرار گيرد. در واقع اكسيد منيزيم تشكيل شده

در اين فرايند به مقدار ناچيزي مي باشد زيرا حل شدن آلياژ بدون حضور هوا صو رت مي گيرد. ذرات سولفيد منيزيم در مقادير متناسب با گوگرد موجود مي تواند به داخل قطعه كشيده شود. اگر ميزان گوگرد كمتر از   باشد ميتوان ناخالصي ها را در محدوده قابل قبولي نگه داشت. روش افزودن منيزيم خالص براي توليد چدن نشكن از ابتداي توليد چدن نشكن، تلاش زيادي براي استفاده از منيزيم خالص بعنوان عنصر آلياژي بعمل آمده و تاكنون مشكل توليد با آن بصورت صنعتي كاملاً حل نشده است.

مبناي اين روش كه نتيجه چندين سال آزمايش وبررسي است، عمليات كروي كردن در پاتيل كنورتوري است كه داراي يك محفظه محافظ واكنش مي باشد. شركت جورج فيشر اين روش را اختراع نموده و روش، معروف به كنورتور جورج فيشر مي باشد. شرح كنورتور كنورتور عبارت از پايتلي است كه نزد يك مركز هندسي آن، يك محور برا يكج كردنش قرار دارد.

مهمترين قسمت آن، محفظه محافظ واكنش است. محافظ استوانه اي، در انتهاي پاتيل قرار دارد و داراي ديواره كنورتور است كه كلوخه هاي منيزيم و افزودنيهاي ديگر درصورت لزوم از اين مجرا شارژ مي شوند. بعد از پر كردن محفظه محافظ، مجرا بوسيله يك توپي بسته مي شود. اين توپي به وسيله فشار مكانيكي، مجراي ورودي محفظه محافظ واكنش را آب بندي مي كند

. ديواره محفظه محافظ واكنش داراي منافذ متعددي است كه واكنش بين مئذاب و منيزيم از طريق اين منافذ انجام مي گيرد. بدين ترتيب شرط سادگي و ايمني عمليات تكميل مي گردد. اندازه و محافظ بمقدار چدن مورد عمليات و گوگرد آن بستگي دارد.

شرح عمليات ۱- كنورتور به وضعيت افقي، بطوريكه محفظه محافظ بالاتر از سطح مذاب معين شده قرار بگيرد، در مي آيد. ۲- كنورتور از مذاب پر مي گردد. ۳- محفظه محافظ با منيزيم شارژ مي شود. ۴- كنورتور ده ثانيه به حالت عمودي برگردانده مي شود. به محض تماس مذاب با منيزيم واكنش اتفاق مي افتد.

اندازه سوراخها و فشار فرو استاتيكي، سرعت واكنش را كنترل و آن را كاهش مي دهد. عمليات درون كنورتور را مي بندد. كار اين درپوش جلوگيري از پاشيده شدن مئذاب و نور شديد حاصل از واكنش مي باشد. براي جلوگيري از ايجاد فشار، درپوش داراي يك سوراخ مي باشد.  ۵- كنورتور تخليه مي گردد. يك سرباره گير مخصوص سربازه را در قسمت پشت نگه مي دارد. سپس كنورتور به حالت وارونه درآورده مي شود كه اين كار براي برداشتن سرباره انجام مي گيرد.

شكلهاي شماره ۴-۲ و ۵-۲ و ۶-۲ مراحل مختلف عمليات را بطور شماتيك نشان مي دهد. بررسي تكنولوژي  چون وزن مخصوص منيزيم( ) خيلي پايينتر از وزن مخصوص چدن(۷٫۲g/cm3) است لذا وارد كردن منيزيم خالص به چدن مذاب مشكل مي باشد. بعلاوه منيزيم در  مي جوشد و در درجه حرارت ذوب چدن، ۱۲ اتمسفر فشار ايجاد مي كند. واكنش مي تواند به دو قسمت تقسي شود: ۱- ذوب و تبخير منيزيم.

۲- واكنش متالورژيكي كه بوسيله حبابهاي بخار منيزيم و چدن بوجود مي آيد. همانطوريكه قبلاً گفته شد ديواره بين محفظه محافظ واكنش و دستگاه داراي حفره هايي در دو سطحاست. زمان شروع عمليات در كنورتور، مقدار كمياز چدن وارد محفظه محافظ مي‌گردد. بدين ترتيب مقداري از منيزيم به حد كافي ا زمحفظه محافظ مي شود كه سبب ادامه واكنش مي گردد. به اين ترتيب، سيستم خودش را نتظيم مي كند. پارامترهاي حائز اهميت، به ترتيب و اندازه حفره ها، فشار فرواستاتيكي و درجه حرارت مذاب چدن مي‌باشند.    

شكل ۲ نمايش شماتيك مراحل مختلف عمليات كروي سازي به روش گكنورتور  به ترتيب از راست : ريختن، كروي كردن، پر كردن  بررسي متالورژيكي گوگرد زدايي، افزودن منيزيم و افزودن كربن سه عملي است كه در طي فرايند كنورتور صورت مي گيرد و مجموعه اين سه واكنش در فرايند كنورتور، آنرا براي عمليات با مذاب حاصل از كوره كوپل با گوگرد اوليه زياد مناسب مي سازد.

يكي از ويژگيهاي اين فرايند(كنورتور)  قدرت گوگرد زدايي از مذابي است كه تا   گوگرد دارد. گودگرد زدایی رابطه مشخص بین مقدار منیزیم افزوده شده، گودگرد اولیه ومنیزیم باقیمانده وجود دارد.اگر مقدار گوگرد اولیه در مذاب زیاد باشد، منیزیم بیشتری برای افزودن لازم است.مقدار منیزیم لازم برای گوگرد زدایی ودسترسی به میزان منیزیم باقیمانده مورد نظر طبق فرمول زیر محاسبه می شود