بررسي عوامل موثر به حفرات گازي و انقباضي
حفره‌هاي انقباضي و گازي يكي از مهمترين عيوب ريخته‌گري محسوب مي‌شوند. تا كنون تحقيقات زيادي توسط محققين گوناگون براي بررسي اين حفره‌ها انجام شده است. اكثر فلزات در هنگام انجماد دچار كاهش حجم مي‌گردند. اين كاهش حجم بايد بگونه‌اي جبران گردد.

به همين حفره‌هاي انقباضي به وجود مي‌آيند. به وجود آمدن حفره‌هاي گازي به اين صورت مي‌باشد كه گازهاي محلول در مذاب در هنگام انجماد فلز از حالت اتمي به مولكولي تبديل مي شوند و حفره گازي به وجود مي‌آيد.

در اين مقاله عوامل موثر به اندازه، شكل، مقدار و توزيع تخلخل مورد بررسي قرار گرفته است. اندازه تخلخل مي‌توان متأثر از چند عامل باشد:
۱ـ ضخامت قطعه: هر چه ضخامت كمتر مي‌شود، اندازه تخلخل كاهش مي‌يابد.

۲ـ تعداد جوانه: با افزايش تعداد جوانه، اندازه دانه كاهش مي‌يابد و بالطبع با كاهش اندازه دانه، اندازه تخلخل كاهش مي‌يابد.
۳ـ عمليات بهسازي: عمليات بهسازي باعث تشكيل تخلخل‌هاي درشت و كروي شكل مي‌شود.
از جمله عواملي كه به شكل تخلخل تأثير مي‌گذارد عمليات بهسازي مي‌باشد. عمليات بهسازي سبب تبديل ساختار سوزن شكل فازسيليسم يوتكتيكي به حالت رشته اي شكل و ظريف مي‌گردد.

شكل تخلخل‌هاي ريز و پراكنده در آلياژهاي بهسازي نشده تابع شكل و اندازه فضاهاي بين دندريتي است. در اين حالت تخلخل‌ها عمدتاً حالت كشيده و نازك دارند. از طرفي تخلخل در آلياژهاي بهسازي شده عمدتاً درشت‌تر و كروي‌تر بوده و مورفولوژي آن‌ها كمتر تابع شكل و اندازه و فضاهاي بين دندريتي مي‌باشد.

مقدار تخلخل به عوامل زير بستگي دارد:
۱ـ شرايط انجماد هيدروژن مذاب زيادتر باشد اثر استرانسيم براي بهسازي بر مقدار تخلخل بيشتر است.
۲ـ عمليات فيلتر كردن: افزايش تميزي مذاب سبب كاهش اثرات عمليات بهسازي بر افزايش تخلخل مي‌گردد.
۳ـ سرعت انجماد: با افزايش سرعت انجماد، مقدار تخلخل كاهش مي‌يابد.

توزيع تخلخل به چند صورت مي‌باشد:
۱ـ پراكنده: كه در مورد انجماد خميري اتفاق مي‌افتد.
۲ـ متمركز: اين حالت در انجماد پوسته‌اي ايجاد مي‌شود.
۳ـ محيطي: در صورتي انجماد هم از اطراف و هم از مركز اتفاق بيافتد، اين حالت به وجود مي‌آيد.

۱- چگونگي ايجاد مك هاي گازي:
گازها در حالت مذاب نسبت به حالت جامد انحلال بيشتري در فلزات دارند.با كاهش درجه حرارت گازهاي حل شده در مذاب(به صورت اتمي)به تدريج از حالت اتمي خارج مي شوند وبه صورت مولكولي(حباب)در مي آيند.

در اين صورت گازهاي مولكولي آرام آرام از سطح مذاب خارج مي شوند.سرعت خروج حباب هاي گازي ايجاد شده به عوامل مختلفي بستگي دارد كه از آن جمله گرانروي مذاب اندازه حباب وشكل وعمق پاتيل را مي توان نام برد.

بديهي است با كاهش درجه حرارت گرانروي مذاب افزايش مي يابد.در نتيجه سرعت خروج حباب هاي گازي به تدريج كاهش مي يابد.با شروع انجماد مذاب دو مشكل مهم در خروج حباب هاي گازي ايجاد مي شود:
الف- اختلاف حلاليت در حالت مذاب وجامد:در بسياري از فلزات وآلياژها اختلاف حلاليت گازها در حالت جامدومذاب بسيار زياد است.بديهي است در هنگام انجمادگازهاي زيادي از حالت اتمي (انحلال)به حالت مولكولي تبديل مي گردند به گونه اي كه به ناگاه مقدار اين تحول به چندين برابر افزايش مي يابد

.به عبارت ساده تر در يك فاصله زماني كوتاه مقادير زيادي از گازهاي حل شده به حباب هاي گازي تبديل مي شوند.
ب- محبوس شدن حباب ها: اگر فرض شود كه حباب هاي گازي ايجاد شده در هنگام انجماد(دامنه انجماد)بتوانند از مذاب خارج شوند در اين صورت مشكلي به نام مك وتخلخل گازي در قطعات ريختگي وجود ندارد

.اما در عمل به دليل افزايش گرانروي مذاب ونيز وجود هسته هاي جامد به طور جدي حركت حباب هاي گازي با مشكل مواجه مي شوند وبه عبارت ديگر حباب هاي گازي در لابلاي ذرات جامد محبوس مي شوند.

عوامل موثر بر ميزان مك هاي گازي:
۱- مقدار اختلاف حلاليت گاز در حالت جامد ومذاب
۲- نوع انجماد
۳- سرعت سرد كردن مذاب
۴- آخال ها(ناخالصيها)
۵- عناصر آلياژي
۶-سيستم راهگاهي
۷-شكل اندازه و وزن قطعه
تشكيل مك هاي گازي بيشتر در دامنه انجماد هاي زياد انجام مي شود.
رابطه ۱

رابطه فوق مشخص كننده آنست كه براي تشكيل حبابي به شعاع r فشار داخلي حباب بايد حداقل برابرPg باشد كه حباب هاي بسيار كوچك فشار داخلي بسيار زياد خواهد بود وبه دليل عدم دستيابي به چنين فشار بالائي عملا حباب ها نمي توانند در اندازه هاي خيلي كوچك تشكيل شوند به هر صورت اين اندازه نمي تواند از اندازه اتم فلز كوچك تر باشد.

چنانچه فشار لازم براي حذف تنش هاي سطحي در فصل مشترك گاز- فلز برابر Pst منظور شود در جريان انجماد به تدريج تنش سطحي افزايش يافته ودر نتيجه Pst بزرگتر وفشار داخلي براي تشكيل حبابي به شعاع rبيشتر خواهد بود.

با توجه به پديده انقباض در دامنه انجماد وكاهش فشار نسبي در فصل مشترك مايع- جامد مجموع فشار داخلي سيستم كاهش يافته واز اينرو رابطه فشار به صورت زير نوشته مي شود:

كه در آن Psh فشار انقباضي كاهش موضعي فشار در فصل مشترك مايع- جامد است.

۲- مکانیزم تشکیل حفره های گازی وانقباضی:
۲-۱- حفره های انقباضی[۸]:
اکثر فلزات در هنگام انجماد دچار کاهش حجم می گردند.به عنوان مثال آلومینیوم خالص دارای ۱۴-۷% 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.

۲-۲- حفره های گازی[۸]:
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 تئوريكي تشكيل حباب هاي گازي به صورت زير مي باشد[۶]:
۱- هسته هاي جامد درداخل مذاب تشكيل مي شود.
۲- رشد شاخه اي بر روي هسته ها آغاز و ادامه مي يابد.
۳- مذاب محصور در داخل دانه هاي رشد يافته از عناصر محلولي وهمچنين مقدار گاز غني شده وبعد از مدتي حباب هاي گازي تشكيل مي شوند.

۴- در مراحل پاياني انجماد و هنگامي كه حجم مايع كاهش يافته وغلظت ملكولي گاز افزايش مي يابد.شرايط براي تشكيل حباب هائي بين بازوهاي دندريت فراهم مي شود.

مکانیزم رسوب:
بدون توجه به مسئله تغذيه كردن،تشكيل تخلخل به توزيع هيدروژن در طول انجماد آلومينيوم مربوط مي شود. به خوبي شناخته شده است كه تشكيل حفره درآلياژهايآلومينيوم به وسيله نفوذ هيدروژن از زمينه جامد شده به داخل حفره بوجود مي آيد ،كه در حقيقت از طرفي شبيه به رسوب فاز ثانويه در زمينه محلول فوق اشباع مي باشد.

تقريبا يك تعداد كمي از مقاله ها به اين مسئله با مكانيزم جوانه زني ورشد پرداخته اند. تعدادي از محققان با پديده هاي رياضي به اين موضوع پرداخته اند.وانگ و سيگوارد اين مسئله را با مدل هاي ترموديناميكي حل كردند.

۳- اندازه تخلخل:
۳-۱- اثر ضخامت قطعه بر اندازه تخلخل:
اندازه حفرات با تغيير ضخامت تغيير مي كند.هر چه ضخامت كمتر مي شود اندازه حفرات كوچكتر مي شود.دليل آن اين است كه با افزايش سرعت سرد شدن كه با كاهش ضخامت رابطه مستقيم دارد اندازه دندريت ها كوچك تر مي شود.با كوچك شدن فضاهاي بين دندريتي حباب ها در فضاي كمتري رشد مي كنند.در نتيجه اندازه آنها كوچكتر مي شود.

سرعت رشد ودرشت شدن حباب هاي گازي عملا با سرعت انجماد رابطه معكوس دارد.با افزايش سرعت انجماد وايجاد دانه هاي ريز وهمگن موانعي براي درشت شدن حباب هاي گازي حاصل شده وفقط ريز مك هايي در بين بازو هاي شاخه هاي جامد ممكن است تشكيل مي شوند.بطور كلي با افزايش سرعت انجماد امكان جوانه زني و رشد مستقل حباب ها در بين دانه ها كاهش مي يابد.]۶[

۳-۲- تعداد جوانه:
يكي از عواملي كه باعث ريز شدن دانه ها مي شود تعداد جوانه بيشتر است.در حقيقت وقتي كه تعداد جوانه در ذوب كم باشد دانه هائي كه شروع به رشد مي كنند در زمان ديرتري به يكديگر برخورد مي كنند.پس در اين زمان حباب فرصت بيشتري پيدا مي كند تا اندازه اش بزرگتر شود.يعني اينكه آن مقدار هيدروژني كه به صورت اتمي در ذوب حل شده است فرصت بيشتري پيدا مي كند تا به صورت مولكولي(حباب)در بيايد وهر چه زمان بيشتر باشد به اندازه حباب افزوده مي شود.

شکل ۱-اثر اندازه دانه بر مقدارتخلخل[۶]

۳-۳- عمليات بهسازي:
افزودن استرانسيم بمنظور اصلاح ساختار سيليسيم يوتكتيكي از حالت درشت وسوزني به حالت ظريف ورشته اي شكل،هم اكنون بعنوان يك فرايند مهم در ذوب آليا‍‍ژهاي آلومينيوم- سيليسيم مورد استفاده قرار مي گيرد.يكي از اثرات جانبي عمليات بهسازي با استرانسيم،افزايش تخلخل در قطعات ريختگي است.

عمليات بهسازي با سديم،استرانسيم وكلسيم سبب افزايش نسبتا شديد تعداد وابعاد تخلخل هاي ريز وپراكنده در قطعات ريخته گري مي شوند. همچنين بر اساس تحقيقات به عمل آمده اثرات عمليات بهسازي با سديم وكلسيم به مراتب بيشتر از عمليات بهسازي با استرانسيم است. البته از آنجائي كه در اثر عمليات بهسازي اغلب تخلخل هاي انقباضي درشت توسط ريز مك هاي گازي جايگرين مي گردند،يك جنبه مثبت اين پديده كاهش نياز به تغذيه است.]۵[

در ذوبي كه عمليات بهسازي انجام شده است قبل از اينكه دندريت ها بوجود آيند حباب هاي بزرگي در ذوب وجود دارد. در ابتداي امردندريت ها زده مي شوند.بعد از اين مرحله فاز يوتكتيك مي خواهد رسوب كند.براي رسوب فاز يوتكتيك بايد يك سطح زيرين براي رسوب وجود داشته باشد.به همين دليل فصل مشترك حباب- مايع محل خوبي براي رسوب فاز يوتكتيك مي باشد

پس فاز يوتكتيك به صورت شعاعي اطراف حباب رشد مي كند.حباب در ميان سلول يوتكتيك مخفي مي شود وشكل واندازه اش به همان صورت اوليه باقي مي ماند]۲٫[.مي توان گفت كه علت بزرگي حفرات در آلياژهاي آلومينيوم بهسازي شده وجود اين حباب ها در قبل از بوجود آمدن دندريت ها مي باشد.در آلياژهاي بهسازي شده اندازه حفرات كمتر تابع شكل واندازه فضا هاي بين دندريتي است.

۴- شكل تخلخل:
۴-۱- تاثير عمليات بهسازي بر شكل تخلخل :
عمليات بهسازي سبب تبديل ساختار سوزني شكل فاز سيليسيم يوتكتيكي به حالت رشته اي شكل وظريف مي گردد.شكل تخلخل هاي ريز وپراكنده در آلياژهاي بهسازي نشده تابع شكل واندازه فضاهاي بين دندريتي است.

در اين شرايط تخلخل ها عمدتا حالت كشيده ونازكي دارند.(شكل ۲)از طرفي تخلخل در آلياژهاي بهسازي شده عمدتا درشت تر وكروي تر بوده(شكل ۳)ومورفولوژي آنها كمتر تابع شكل واندازه فضاهاي بين دندريتي است.علت اين امر در قسمت اندازه تخلخل توضيح داده شد(۴)

در آلياژهاي بهسازي نشده بيشتر حباب ها در دامنه انجماد بوجود مي آيند.با رشد دندريت ها سطح اين حباب ها به سطح دندريت ها برخورد مي كنند وشكل دندريت ها را به خود مي گيرند.به اين گونه مك ها مك هاي بين دندريتي مي گويند كه شكل بي قاعده دارند.پس در آلياژهاي بهسازي نشده مك هاي با شكل بي قاعده يا بين دندريتي وجود دارد ودر آلياژهاي بهسازي شده مك هاي بزرگ كروي شكل همراه با تعداد كمي مك هاي بين دندريتي وجود دارد.]۲[

نوع ديگري از شكل تخلخل وجود دارد كه به صورت سوزني شكل مي باشد. بوجود آمدن اين نوع تخلخل بستگي به سرعت انجماد دارد.اگر سرعت انجماد به حدي باشد كه جبهه انجماد به حباب برخورد كرده و مجرائي به شكل حباب در يك امتداد بوجود آورد در نهايت يك فضاي خالي به شكل يك سوزن خواهيم داشت.

۵- توزيع حفرات:
۵-۱- پراكنده در همه جاي قطعه(يكنواخت):
اين حالت در مواقعي بوجود مي آيد كه انجماد خميري باشد.وقتي كه انجماد از همه جا شروع مي شود دندريت ها در همه جا زده مي شوند وحباب هاي گازي در بين دندريت ها احاطه مي شوند ودر نهايت به صورت ريز مك هاي گازي در كل قطعه به صورت پراكنده باقي مي مانند.

حالت ديگر اين است كه مذابي كه در بين دندريت ها وجود دارد داراي انقباض مي باشد.چون دندريت ها در همه جا بوجود آمده اند مانع تغذيه شده مذاب بين دندريتي مي شوند.در نهايت ريز مك هاي انقباضي در سراسر قطعه باقي خواهد ماند.
يا مي توان گفت كه اگر انجماد به طوري باشد كه تمام دانه ها به صورت هم محور با شد حفرات گازي وانقباضي به صورت پراكنده درهمه قطعه ديده بشوند.

۵-۲- متمركز بودن در وسط قطعه(مركزي):
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.

اين نوع توزيع حفره در حالتي بوجود مي آيد كه انجماد در ابتدا تا حدي به صورت ستوني پيش رفته باشد.سپس به علت وجود ناخالصي هاي موجود در ذوب باقي مانده يا كاهش شيب دمايي در مركز قطعه دانه ها به صورت هم محور رشد مي كنند.در ابتدا كه دانه ها به صورت ستوني رشد مي كنند در حين رشد حباب هاي گازي موجود درذوب را به طرف جلو مي رانند. همچنين انقباض موجود درذوب باقي مانده متمركز مي شود.در نهايت كه دانه هاي هم محور در وسط قطعه ايجاد مي شوند اين حباب ها در بين دانه ها گير مي افتند.

امكان ديگري كه وجود دارد اينست كه چون جبهه انجماد به سمت وسط قطعه است در نهايت مذابي كه باقي مي ماند داراي انقباض مي باشد كه باعث ايجاد حفرات انقباضي در مركز قطعه مي شود.

۵-۳- محيطي:
اين حالت دليلش اين مي تواند باشد كه ما از مبرد داخلي در مركز قطعه استفاده كنيم.در اين حالت انجماد از مركز قطعه واز اطراف قطعه شروع بشود كه در نهايت حلقه اي از مذاب را در محيط قطعه خواهيم داشت و حفرات گازي در اين مذاب باقي مانده تجمع پيدا كرده اند.در نهايت حلقه اي از حفرات گازي وانقباضي در محيط قطعه خواهيم داشت.البته قابل ذكر است كه استفاده از كلمه حلقه اينست كه ما قطعه فرضي خود را يك استوانه در نظر گرفته ايم.

۶- مقدار تخلخل:
۶-۱- بررسي اثر نوع قالب وشرايط انجماد[۴]:
درآزمايشات دکتر مير اسماعيلي تخلخل هاي نسبتا درشت در نمونه بدون تغذيه براي آلياژ ۳۱۹ مشاهده شده است،در حاليكه در نمونه تغذيه دار تخلخلها عمدتا به تغذيه منتقل شده اند وخود قطعه عاري از تخلخل است.

بر خلاف قطعات منجمد شده توسط قالب تغذيه دار كه عميلات بهسازي سبب افزايش قابل توجه تخلخل شده است،اين عمليات سبب كاهش جزئي تخلخل در قطعات منجمد شده توسط قالب بدون تغذيه گرديده است.در قطعات منجمد شده در قالب تغذيه دار،افزايش استرانسيم به مذاب سبب افزايش تخلخل شده است

واين افزايش در صورت استفاده از مقادير بيشتر استرانسيم شديدتر است.از طرفي در قطعات منجمد شده توسط قالب بدون تغذيه،افزايش استرانسيم تاثير قابل ملاحظه اي بر تخلخل نداشته است.در كل مي توان اينگونه نتيجه گيري كرد كه اگر براي انجام عمليات بهسازي با استرانسيم از يك سيستم تغذيه گذاري نا مناسب استفاده كنيم قطعه ما داراي تخلخل كمتري خواهد بود.

در يك نگاه كلي مي توان نتيجه گيري كرد كه بهسازي با استرانسيم در نمونه هاي ريخته شده در قالب تغذيه دار با افزايش تعداد وابعاد تخلخل ها سبب افزايش مقدار كلي تخلخل گرديده است.
عمليات بهسازي سبب افزايش تخلخل در نمونه هاي حاوي تخلخل هاي انقباضي نمي شود.در توضيح اين پديده مي توان عنوان كرد كه عمليات بهسازي چه درقطعات عاري از مكهاي انقباضي وچه در قطعات حاوي مكهاي انقباضي سبب افزايش تخلخل هاي گازي مي گردد

تشكيل اين تخلخل هاي گازي د رقطعات عاري از مك هاي انقباضي سبب افزايش تخلخل در قطعه مي شوند،در حاليكه در قطعات حاوي مكهاي انقباضي،تخلخل هاي گازي ايجاد شده در اثرعميلات بهسازي جايگزين مكهاي انقباضي موجود گرديده وبنابراين عمليات بهسازي تاثير قابل توجهي بر مقدار كلي تخلخل نمي گذارد.

در واقع در شرايطي كه شرايط براي تشكيل مكهاي انقباضي وهم گازي فراهم است،هيدروژن محلول در مذاب آلومينيوم مي تواند در خلال انجماد بدون هيچ مشكلي در مك هاي انقباضي تشكيل شده رسوب كند وبدين سان تلفيقي از مك هاي گازي وانقباضي بوجود مي آيد.

۶-۲- اثر افزايش درجه حرارت بر ميزان حلاليت هيدروژن[۹]:
با افزايش درجه حرارت جنب وجوش اتم ها زياد مي شود وفواصل بين اتم هاي آلومينيوم زياد مي شود.به همين دليل هيدروژن به راحتي وارد آلومينيوم مي شود.پس هر چه درجه حرارت افزايش يابد ميزان هيدروژن موجود در آلومينيوم افزايش مي يابد.
در شكل اثر افزايش درجه حرارت بر ميزان حلاليت هيدروژن را مي توان ديد.

۶-۳- اثرات متقابل مقدار هيدروژن مذاب وعمليات بهسازي برمقدار تخلخل:
تخلخل هاي حاصل ازعمليات بهسازي منشا گازي دارند.استرانسيم فقط در صورت وجود هيدروژن كافي قادر به افزايش قابل ملاحظه تخلخل است، پس اثر استرانسيم بر افزايش تخلخل در شرايطي كه هيدروژن مذاب بيشتر باشد شديدتر است.

از اينرو مي توان نتيجه گيري كرد كه تخلخل هاي حاصل از عمليات بهسازي با استرانسيم منشا گازي دارند،بنابراين كاهش هيدروژن مذاب مي تواند تا حد زيادي اثر عمليات بهسازي برتخلخل را خنثي كند. افزايش ابعاد وتعداد تخلخل ها وهمچنين تغيير مورفولوژي آنها از حالت كشيده وترك مانند به حالت كروي شكل در اثر افزايش هيدرو‍ژن بوضوح قابل تشخيص است.(شكل۵)

۶-۴- اثرات متقابل عملیات بهسازی با استرانسیم سرعت انجماد وعملیات فیلتر کردن[۴]:
بررسي هاي بعمل آمده بيانگر اين است كه عمليات آخال زدائي وافزايش تميزي مذاب سبب كاهش اثرات عمليات بهسازي بر افزايش تخلخل مي گردد.Iwahori وSerratos در آزمايشات خود نشان دادند كه انجام عمليات فلاكس زني پس از عمليات بهسازي با استرانسيم سبب كاهش قابل توجه تخلخل در آلياژA356 گرديده است.

شكل۶اثرات متقابل عمليات بهسازي با استرانسيم فيلتر كردن مذاب وسرعت سرد شدن را بر مقدار تخلخل در آلياژA356 نشان مي دهد.

شکل ۶ – اثرات متقابل عملیات بهسازی با استرانسیم وفیلتر کردن وسرعت سرد کردن بر مقدار تخلخل در آلیاژA356
همانطور كه ملاحظه مي گردد گرچه افزايش سرعت انجماد سبب كاهش تخلخل در تمام شرايط گرديده است ولي اثر سرعت انجماد در شرايط بهسازي شده با استرانسيم بر كاهش تخلخل بمراتب بيشتر است.

به بيان ديگر در شرايطي كه در نمونه هاي نزديك به تغذيه كه داراي سرعت انجماد كمتري هستند عمليات بهسازي سبب افزايش نسبتا شديد تخلخل شده است اثر اين عمليات در نمونه هاي مجاور مبرد كه داراي سرعت انجماد زيادتري هستند قابل ملاحظه نمي باشد.همچنين نتايج بدست آمده بيانگر اثرات شديد استفاده از فيلتر در سيستم راهگاهي بر كاهش تخلخل در قطعات بهسازي شده با استرانسيم است.

در واقع حضور فيلتر در سيستم راهگاهي با كاهش فيلم هاي اكسيدي وبا تميز كردن مذاب درون قالب سبب كاهش نسبتا شديد تخلخل در آلياژ بهسازي شده با استرانسيم گرديده است.اين نتايج از آن نظر حائز اهميت است كه در آلياژهاي بهسازي شده با استرانسيم نمي توان از عمليات فلاكس زني بمنظور افزايش تميزي مذاب استفاده كرد(عمليات فلاكس زني سبب استرانسيم زدائي از مذاب مي شود).

۶-۵- اثر اندازه تغذیه بر مقدار تخلخل[۱]:
در اين آزمايش آلياژ A206(Al-4.5%Cu-0.4%Mn-0.3%Mg-0.2%Ti)استفاده شده است.عرض،طول وضخامت قطعات به ترتيب ۱۴،۲۰و۱سانتي مترمي باشد.سه قطعه با سه نوع قطر تغذيه متفاوت ۳،۴و۶سانتي متري استفاده شدوارتفاع تغذيه ها ۵/۱برابر قطر تغذيه ها ميباشد.قالب هاي ماسه اي CO2 با استفاده از ماسه سيليسي وهفت درصد وزني سيليكات سديم به عنوان سخت كننده،آماده شد ودرانتهاي قالب يك مبرد مسي قرار داده شده است.قالب ها به مدت ۸ساعت در دماي پخته شده وتا دماي محيط قبل از ريخته گري سرد مي شوند.

فرايند ذوب در كوره الكتريكي مقاومتي انجام شده وشمشA206به طور مستقيم در يك بوته گرافيتي اضافه شد.در حين ذوب شدن،غلظت هيدروژن اوليه ذوب در حدود كنترل مي شود.دماي ريختن در حدود كنترل مي شود.ترموكوبل ها در قالب قرار داده مي شوند تا حرارت موجود در ۹مكان قطعه نشان داده شده در شكل بدست آيد.براي اندازه گيري وزن مخصوص از روش ارشميدس استفاده مي شود.

شکل ۷-شماتیک قطعه[۱]
توزيع تخلخل در درصد حجمي از انتهاي مبرد تا انتهاي تغذيه در قطعات،در شكل ۸ نشان داده شده است.در اين شكل،با افزايش اندازه تغذيه مقدار تخلخل كاهش پيدا كرده است.درهمه نمونه ها،حداقل تخلخل را در نزديكي مبرد داريم،تا فاصله كمي از تغذيه به تدريج اين مقدار تا يك ماكزيمم افزايش پيدا مي كند.

۶-۶- تئوري Ham براي محاسبه مقدار تخلخل[۱]:
كسر رسوب هيدروژن (f)وزمان واكنش يا به عبارتي زمان انجماد(tf) به صورت زير نشان داده شده است:
معادله ۱
كه مقدار هيدروژن اوليه( )، مقدار هيدروژن نفوذ كرده در داخل حفره در يك محل معين ( )، هيدروژن قابل حل در آلومينيوم جامد( )، زمان آسايش(sec)وn يك مقدار ثابت است. قياسي از چگونگي نفوذ هيدروژن مي باشد. مقدار كسر تشكيل تخلخل در يك محل معين آلياژ ريختگي آلومينيوم A356(VP(%))را مي توان به صورت زير تشريح كرد:
معادله ۲

كه Pg فشار حباب گازي(atm)و يك مقدار ثابت مي باشد. Pg تركيبي از فشار اتمسفر وفشار هيدرواستاتيكي تغذيه،كاهش فشار مذاب بين دندريتي و فشار تنش سطحي حباب گازي مي باشد.k بايد معادل با باشد( دانسيته مايع( ))،TEدماي يوتكتيك(كلوين) ،۲۷۳حالت استاندارد دما مي باشد.پس معادله(۲) را مي توان به صورت زير نشان داد:
معادله ۳

كه برابر با است.درمعادله (۳)اگر فرض کنیم که به بینهایت میل کند یعنی كه همه هيدروژن داخل حفره نفوذ كرده وكسر هيدروژن رسوب كرده در يك محل معين در قطعه ريختگي (f) برابر با يك خواهد بود.به اين دليل ،ماكزيمم تخلخلي است كه مي تواند در قطعه ريختگي تشكيل شود.راههاي مشابه ديگري براي پيش بيني مقدار ماكزيمم تخلخل وجود دارد مانند معادلات ترموديناميكي.

نتيجه زمان انجماد به صورت نمودار در شكل ۹ نشان داده شده است.اين منحني ظاهرا تئوري هام را اثبات مي كند.با افزايش زمان تا يك حدي شيب منحني كاهش مي يابد كه ممكن است دليل آن،كم شدن نفوذ هيدروژن محلول در داخل حباب باشد. فشار حباب گازي مي تواند به صورت روبه روباشد: كه درآن تنش سطحي حباب گازي در نظر گرفته شده است.

در عبارت قبلي تنش سطحي مذاب آلياژ A206( )،C يك مقدار ثابت است( ).بر طبق اين توصيف،فشار حباب گاز به ترتيب براي مبرد وتغذيه براي زمان هاي انجماد متفاوت،۲۸/۱و۱۷/۱محاسبه شده است.

۷- محاسبه فاكتور شكل[۳]:
در مقاله]۳[ محاسبه فاكتور شكل به صورت زير مي باشد:

كه در آن Aسطح حفره وPمحيط حفره مي باشد.حفرات بزرگتر داراي فاكتور شكل كمتري مي باشند.همچنين در نمونه هاي بهسازي شده با استرانسيم با افزايش ضخامت فاكتور شكل كاهش يافته است.

با توجه به مطالب بالا مي توان اينگونه استنباط كرد كه حفرات كروي در مقاطع نازك تر مي باشند زيرا با كاهش ضخامت فاكتور شكل افزايش مي يابد.بيشترين فاكتور شكل را دايره دارد كه يك مي باشد.

۸- تاثير سرعت سرد كردن بر مقدارواندازه وشكل تخلخل هادر آلياژ۳۵۶ [۲]
روش آزمايش:
هشت ذوب آماده شد:دو ذوب بهسازي نشده ،يكي باSb ريز دانه شده ،دو ذوب با سديم بهسازي شده وسه ذوب با استرانسيم بهسازی شد.
ذوب ها در كوره سوخت گازي با بوته گرافيتي ۸ كيلوگرمي وهمچنين با استفاده ازآميژان ۳۵۶ به عنوان شارژ آماده شد.ريز دانه كردن هر ذوب با ۱/۰%تيتانيم به صورت آميژانAl-Ti-B(5:1)انجام شد.

در اين عمليات ها ،سديم به صورت فلزي(۱/۰%) ،استرانسيم به صورت آميژان(Al-Sr10%) و۲۵/۰% آنتيموان به صورت فلزي اضافه شده اند.زمان انحلال براي آنتيموان واسترانسيم ۲۰دقيقه مي باشد.بعد از عمليات ذوب ،مقدار هيدروژن بايد در حدود كنترل شود.همچنين از تجهيزات (Telegas)تكنيك گردشي گاز و((Alscan استفاده شد.نياز هست كه براي گاززدائي از نيتروژن باخلوص بالا استفاده شود.

هرذوب در دماي در پنج فنجان فلزي با ديواره نازك ريخته كه نمونه هاي با وزن ۲۰۰gr توليدوبعدا بريده شدند..
درجه حرارت هائي كه براي كوئنچ انتخاب شده اند٬با توجه به آناليز هاي حرارتي آميژان بدست آمده اند:درجه حرارت ليكوئيدوس ٬درجه حرارت يوتكتيك (بهسازي نشده وريز دانه شده با Sb) يا در محدوده ۵۶۵-۵۷۰ (بهسازی شده با Na,Sr) .

درجه حرارت نمونه هائي كه در آب كوئنچ شده اند بر طبق رخدادهاي انجماد آلياژ به صورت زير مي باشد:
: اواسط رشد دندريت- قسمت جامد ۳۰%
:انتهاي رشد دندريت- قسمت جامد ۵۰%
شروع انجماد يوتكتيك- قسمت جامد ۵۵%
اواسط انجماد يوتكتيك-قسمت جامد ۷۵%

بعد از انجماد(هوا سرد شده)
براي مشخص كردن دانسيته از روش ارشميدس استفاده شده است..
نتايج وبحث:
تركيبات شيميائي در جدول شماره۲نشان داده شده است.
جدول-۲: آناليز تركيب شيميائي

نتايج دانسيته:
بيشترين دانسيته بدست آمده در هر سري براي نمونه هاي كوئنچ شده از بوده است كه اين مطابق با مقدار ريز تخلخل صفر مي باشدكه با متالوگرافي اثبات مي شود.اين مقدار را به عنوان دانسيته مرجع استفاده مي كنيم.درصد ريز تخلخل هاي محاسبه شده براي نمونه هاي ديگردر جدول۳نشان داده شده است.