تغذیه گذاری قطعات ریختگی

مقدمه ای بر تغذیه گذاری قطعات ریختگی
بیشتر فلزات و آلیاژها در هنگام انجماد منقبض می شوند, این تغییر حجم نتیجه انقباض مایع به جامد است . تغییرات حجمی ضمن انجماد برای فلزات, حدود ۳ تا ۶ درصد و برای اکسیدهای دیرگداز ( ) مقدار بیشتری از این است . تغذیه گذاری عملی است به منظور جبران تغییرات حجمی فلز در حالت مایع و ضمن انجماد و هدف از تغذیه گذاری تولید قطعات ریهتگی عاری از معایب انقباضی است . این منظور با تعبیه محفظه ای اضافی از مذاب بنام تغذیه ( ) که در قالب پیش بینی می شود تأمین می گردد .

در شکل (۱-۱) بطور ساده رفتار یک تغذیه استوانه ای که بر روی یک قطعه مکعبی قرار گرفته نشان داده شده است . تغذیه و قطعه کاملاً درون قالب ماسه ای قرار گرفته اند .

شکل (۱-۱) نحوه انجماد قطعه ای مکعبی از فلز خالص ( ) : مراحل اولیه انجماد ( ) : در جریان انجماد ( ) : خاتمه انجماد
انجماد مذاب بطور همزمان در قطعه و تغذیه آغاز می شود, جریان مذاب نیز از طرف تغذیه به طرف قطعه ریختگی برقرار خواهد شد . دلیل این امر آن است که تغذیه در سطح بالاتری از قطعه ریختگی قرار دارد .
بطور کلی, یک تغذیه مناسب آن است که حفره های انقباضی را از قطعات ریختگی به داخل خود انتقال دهد, یعنی این گونه معایب نباید از تغذیه به قطعه ریختگی امتداد یابند .

شکل (۲-۱) منحنی تغییرات حجم با درجه حرارت ذوب در سه حالت مذاب, خمیری و جامد .
روشهای تغذیه گذاری قطعات چدنی
همان طوری که قبلاً اشاره شد تبدیل حالت مایع به جامد در بیشتر فلزات همراه با کاهش حجم فلز بوده که اصطلاحاً این کاهش حجم را انقباض فلز می نامند .
از هنگام ریختن مذاب به داخل محفظه قالب تا رسیدن درجه حرارت آن به درجه حرارت کارگاه, به طور کلی سه نوع انقباض در قطعات ریختگی بوجود می آید :
۱- انقباض مذاب ( )

از هنگام ریختن مذاب به داخل قالب آغازشده و تا شروع مرحله انجماد ادامه می یابد .
۲- انقباض ضمن انجماد ( )
این نوع انقباض بلافاصله پس از شروع انجماد مذاب در قالب آغاز شده و تا جامد شدن کامل مذاب بطول می انجامد .
۳- انقباض قطعه در حالت جامد ( )
انقباض اخیر پس از انجماد کامل قطعه آغاز شده و تا رسیدن به درجه حرارت کارگاه ادامه می یابد . این نوع انقباض در حقیقت با کوچک شدن همه جانبه قطعه ریختگی همراه است طبیعی است که مدلساز می تواند انقباض جامد قطعه ریختگی را با بزرگتر در نظر گرفتن مدل جبران کند .

انقباض در چدن ها :
کنترل مراحل مختلف ریخته گری فلزات نظیر انتخاب درجه حرارت مناسب ریختن, توجه به عوامل مربوط به کنترل ترکیب شیمیائی و کیفیت متالوژیکی مذاب و مرغوبیت قطعات ریختگی از اهم مسائلی هستند که در تعیین قیمت محصول تولیدی نقش اساسی دارند . برای تهیه قطعات ریختگی با درصد بهره دهی بالا لازم است به مسائل مربوط به انقباض فلز (در مراحل مختلف سرد شدن مذاب در قالب) بهمراه کیفیت متالوژیکی مذاب توجه کافی مبذول شود. رفتار مربوط به

انقباض حاصل از انجماد چدن ها تا حدودی با فلزات و آلیاژهای دیگر تفاوت دارد . اختلاف اساسی در این زمینه به حضورکربن آزاد (گرافیت) در چدن های خاکستری و چدن با گرافیت کروی مربوط است, زیرا در این گونه آلیاژها انجماد با یک مرحله انبساط قطعات ریختگی همراه است .
فلز بیسموت و آب نیز نظیر چدن ها در هنگام سردشدن دارای مرحله انبساط هستند .
هنگامی که آب را از درجه حرارت اطاق بتدریج سرد کنیم تا ۴ درجه سانتی گراد به تدریج حج

م آن کاش می یابد . از این درجه حرارت تا یخ زدن آب (صفر درجه سانتی گراد ) سرد شدن آب با انبساط همراه است . وقوع مرحله انبساط در چدن ها به این دلیل است که در هنگام تبدیل حالت مذاب به جامد, کربن به صورت آزاد تشکیل می یابد . از آنجائی که کربن آزاد در حالت جامد حجم بیشتری را در مقایسه با حالت مایع خود اشغال می کند لذا تشکیل آن همواره با انبساط قطعه ریختگی همراه است .

انبساط قطعه که نتیجه تشکیل کربن آزاد در چدن است موجب ایجاد فشار روی مذاب (در حال جامد شدن) می شود .
این فشار می تواند مذاب را به طرف حفره های انقباضی رانده وموجب پر کردن آنها شود . لازم به یادآوری است که تمایل به ایجاد حفره های انقباضی در چدن خاکستری کمتر از چدن با گرافیت کروی است .
در زیر انواع تغییر حجم هائی که در چدن های خاکستری و انواع چدن با گرافیت کروی (از هنگام ریختن مذاب در قالب تا رسیدن به درجه حرارت محیط) بوقوع می پیوندد اشاره شده است:
۱- انقباض مایع : چدن مذاب را می توان در درجات حرارتی مختلفی به داخل قالب ریخت . هرقدر درجه حرارت ریختن مذاب بیشتر باشد انقباض آن نیزبیشتر خواهد بود . میزان درصد انقباض مذاب به ازاء هر ۱۰۰ درجه سانتی گراد کاهش درجه حرارت (تا شروع مرحله انجماد) حدود ۲/۲ درصد (معمولا بین ۰۱۶/۰ تا ۰۲۴۵/۰ و مقدار متوسط ۰۲۲/۰ درصد کاهش حجم مذاب به ازاء هر درجه سانتی گراد ) می باشد . برای مثال در صورتی که درجه حرارت ریختن مذاب ۱۴۳۰ درجه سانتی گراد در نظر گرفته شود مقدار انقباض مذاب تا رسیدن به نقطه انجماد چدن با ترکیب معلوم حدود ۲/۴ درصد خواهد بود .

همه ریخته گران به خوبی با این نوع انقباض آشنا هستند . آنها در هنگام ریخته گری قطعات بسیار بزرگ به این موضوع برخورد کرده اند که چگونه لحظه ای پس از پر شدن قالب از مذاب, فلز را از راهگاه به طرف پائین یعنی به طرف محفظه قالب کشیده می شود و هم چنین به خوبی می دانند که برای حل این مشکل کافی است قدری مذاب اضافی, مجدداً به داخل راهگاه ریخته شود . تجربه به آنها می گوید که در ریخته گری قطعات بزرگ همیشه بهتر است پس از پر کردن قالب از مذاب قدری صبر کنند تا فلز از راهگاه به پائین کشیده شود و سپس برای جبران مذاب به پائین کشیده شده مجدداً راهگاه را از مذاب پر کنند (البته روش صحیح در نظر گرفتن تغذیه برای قطعه ریختگی است) .

۲- انقباض ضمن انجماد : مقدار درصد این انبساط برحسب ترکیب شیمیائی چدن متغیر بوده و معمولاً حدود ۳ درصد در نظر گرفته می شود .
۳- انبساط قطعه : همان طوری که قبلاً گفته شد, تشکیل کربن آزاد در چدن موجب انبساط قطعه ریختگی می شود . مقدار این انبساط می تواند تا حدود ۱۰ درصد حجم قطعه بوده باشد .
۴- انقباض ثانویه : این انقباض بدنبال انبساط چدن صورت گرفته و مقدار آن معمولاً بین ۷۵/۴ تا ۵/۵ درصد است .
۵- انقباض جامد : در اثر کاهش درجه حرارت قطعه در حالت جامد بوجود می آید . شکل (۳-۱) مراحل مختلف انقباض و انبساط نمونه ای از چدن محتوی کربن آزاد را نشان می دهد .

شکل (۳-۱) انقباض و انبساط چدن در جریان سرد کردن در محفظه قالب
نکته مهم آن است که تغییرات حجمی در مراحل سرد شدن چدن ها نمی تواند کاملاً شبیه آنچه که در شکل فوق نشان داده شده انجام بگیرد, بلکه این تغییرات به عوامل دیگری نظیر استحکام قالب, میزان کربن آزاد در چدن, درجه حرارت ریختن, ترکیب شیمیائی و کیفیت متالوژیکی مذاب و عوامل دیگری بستگی دارد . بهرحال هرقدر میزان انبساط, در مرحله آزاد شدن گرافیت, بیشتر باشد نیاز به تغذیه گذاری کمتر بوده و حتی در مواردی نیازی به تغذیه گذاری قطعات ریختگی نیست . همان طوری که از ظاهر منحنی درجه حرارت- تغییر حجم مخصوص چدن ها استنباط می شود

چنانچه مذاب از درجه حرارتی زیر ۱۳۲۰ درجه سانتی گراد ریخته شود هیچگونه انقباضی در قطعه ریختگی پدید نمی آید . حال آنکه چنین مطلبی الزامی نبوده و در شرائطی که بعداً به تفصیل خواهد آمد انقباض ثانویه علیرغم این که از نظر مقداری کمتر از انبساط چدن می باشد می تواند منشاء عیوب انقباضی در قطعات ریختگی چدنی باشد .
با توجه به آنچه که قبلاً گفته شد می توان روش های زیر را جهت تغذیه گذاری قطعات چدنی به کار برد .
) تغذیه گذاری معمولی ( )
) تغذیه گذاری فشاری ( )
) تغذیه گذاری فشاری به کمک سیستم راهگاهی ( )
) عدم استفاده از تغذیه ( )
) تغذیه گذاری تقلیل فشار ( )

تغذیه گذاری به روش تقلیل یا کنترل فشار
( )
روش تغذیه گذاری تقلیل فشار که در گذشته در بعضی از صنایع چدن ریزی متداول بوده است امروزه بیشترین مورد مصرف را در ریخته گری قطعات چدنی دارد . در واقع باید متذکر شد بسیاری از کسانی که از این روش استفاده می کنند, اصول علمی آن را نشناخته اند .
ریخته گری قطعات ضخیم چدنی (که حداکثر مدول آنها حدود ۲ سانتی متر باشد) با روش تغذیه گذاری فشاری در قالب های غیرمتعادل (نظیر قالب های ماسه ای تر, پوسته ای …) موجب تغییر شکل قالب شده و در نتیجه وجود مک های سوزنی در قطعات ریختگی را اجتناب ناپذی می سازد .
یک راه حل عملی برای حل مشکل فوق استفاده از قالب هائی با استحکام بالا می باشد

. متاسفانه در اکثر موارد استفاده از قالب های ماسه ای تر (که ضمناً دارای استحکام کافی نیستند) , بخصوص در روش قالب گیری ماشینی با سرعت تولید بالا, به دلیل اقتصادی بودن تولید آن ضرورت داشته و لذا امکان تغییر شکل قالب در مرحله آزاد شدن کربن و انبساط قطعه وجود دارد .
تغییرات حجمی درمرحله سردشدن و انجماد چدن های گرافیتی امکان استفاده از روش دیگری بجز روش تغذیه گذاری فشاری را میسر می سازد . در این روش, در آغاز مرحله انبساط چدن, اجازه داده می شود تا قطعه ریختگی مقداری از مذاب خود را بطرف تغذیه براند . بهرحال قبل از اینکه مرحله انبساط چدن خاتمه یابد چنین جریان معکوسی باید متوقف شده وفشار باقی مانده در قطعه صرف جبران انقباض ثانویه شود . مشخصه روش تغذیه گذاری تقلیل فشار باقی وجود تغذیه های تقریباً یا کاملاً سالم (بدون حفره انقباضی) پس از انجماد کامل قطعه است . از نظر تئوری, دریک تغذیه باید بین ۳ تا ۶ درصد حجمی حفره انقباضی رویت شود . بدیهی است در هنگامی که

تغذیه به قطعه ریختگی متصل باشد این مقدار افزایش خواهد یافت . همان طوری که قبلاً گفته شد در این روش بیشتر تغذیه ها پس از ریخته گری سالم بوده و احتمالاً می توانند محتوی ۲ درصد انقباض حجمی (بصورت حفره) باشند . طبیعتاً در اینجا این سئوال مطرح می شود که آیا بکار بردن این تغذیه ها بی فایده بوده است؟ پاسخ این سئوال منفی است, زیرا در صورت عدم استفاده از این گونه تغذیه ها قطعات ریختگی متخلخل خواهند بود . مجدداً این سئوال می تواند در ذهن شکل بگیرد که در جریان انجماد مذاب درون این تغذیه, چه اتفاقی به وقوع می پیوندد؟

به مجرد آن که قطعه و تغذیه از فلز پر شدند مذاب شروع به سردشدن و انقباض می کند . این انقباض بسهولت با مذاب موجود در تغذیه جبران می شود, از سوی دیگر مذاب موجود در تغذیه انقباض خود را نیز جبران می کند . انقباض حجمی مذاب در قطعه و تغذیه باعث پیدایش حفره انقباضی در تغذیه می شود به مجرد آن که مرحله انقباض مذاب بپایان رسید و مرحله انبساط آن آغاز شد, مذاب از طرف قطعه به طرف تغذیه جریان می یابد .(منوط بر آن که ارتباط قطعه و تغذیه از نظر جریان مذاب برقرار باشد) . در صورتی که این جریان برگشتی مذاب متوقف نشود فشار داخلی مذاب در قطعه ریختگی از بین رفته (به استثناء روش تغذیه گذاری متداول) و در نتیجه بروز معایب انقباض ثانویه در قطعه ریختگی اجتناب ناپذیر خواهد بود .
برای درک بهتر مکانیزم فوق شکل (۴-۱) درنظرگرفته می شود .

شکل (۴-۱) نمودار فشار- تغییر شکل برای یک قالب ماسه ای تر
درصورتی که فشار داخلی مذاب از بیشتر باشد تغییر شکل و باد کردن قالب اتفاق افتاده و در صورتی که فشار زیر باشد معایب انقباض ثانویه در قطعه ریختگی بصورت مک های ریز میکروسکوپی یا حفره های درشت تر (در مناطق تمرکز حرارتی در قطعه ریختگی) بوجود می آیند . از آنچه که در فوق گفته شد می توان چنین دریافت که این امکان وجود دارد تا بتوان نوعی از سیستم تغذیه

گذاری را طراحی کرد که اولاً با اجازه جریان مذاب از طرف قطعه بطرف تغذیه فشار داخلی مذاب را به زیر تقلیل داده (تا تغییر شکل زیادی در قالب بوجود نیاید) و ثانیاً با قطع جریان مذاب از طرف قطعه بطرف تغذیه فشار کافی در داخل مذاب (بالای ) برای جبران انقباض ثانویه باقی بماند . بهرحال این نکته را باید بیاد داشت که چنین روشی در گذشته تنها از طریق تکرار و تجربه امکان پذیر بوده در حالی که امروزه مفاهیم علمی آن بیشتر شناخته شده است .

در شکل (۵-۱) سه مرحله اساسی انقباضی و انبساطی مذاب و قطعه در جریان سردشدن در یک قالب نشان داده شده است .
از آن جائی که تغذیه از نوع بسته است, لذا از انبساط مذاب تنها برای پر کردن تغذیه و جبران حفره انقباضی آن کفایت کرده و مابقی فشار حاصل از انبساط چدن, صرف جبران حفره های انقباضی ثانویه شده است .
برای تفهیم مکانیزم سیستم کنترل فشار, شکل (۵-۱) بر شکل (۶-۱) منطبق شده است .

 

شکل (۵-۱) اصول تغذیه گذاری کنترل فشار ) حالتی است که راهگاههای فرعی جامد شده اند . ) حداکثر انقباض به انجام رسیده در قطعه که حاصل انبساط ) تغذیه مجدداً توسط مذاب موجود آن است پر شده است .

شکل (۶-۱) تاثیر الگوی تغییرات حجمی در مکانیزم کنترل فشار
) مذاب موجود در تغذیه از درجه حرارت تا انتهای مرحله انقباض مذاب به طرف قطعه ریختگی جریان دارد .
) در انتهای این مرحله جریان معکوس مذاب (از قطعه به تغذیه) آغاز می شود . این انتقال مذاب تا هنگامی که تغذیه کاملآً از مذاب پر شود ادامه می یابد . چون تغذیه از نوع بسته است لذا ادامه جریان مذاب از قطعه بطرف تغذیه (با پرشدن تغذیه) متوقف می شود .
) انبساط بیشتر مذاب باعث افزایش فشار قطعه تغذیه شده اما به بالاتر از حدی که موجب تغییر شکل قالب شود, نمی رسد . انقباض ثانویه موجب تقلیل این فشار اضافی (بیشتر از فشار آمتسفر) می شود . چنانچه طراحی تغذیه بدرستی انجام گرفته باشد بیشتر فشار موجود در

سیستم, حتی پس از انقباض ثانویه, همواره بالاتر از فشار آتمسفری بوده و لذا سبب می شود تا ریخته گر به قطعاتی عاری از معایب انقباضی دست یابد . قبل از پرداختن به جزئیات دقیق روش فوق لازم است به تاثیر درجه حرارت ریختن و زمان ریختن (در حقیقت متغیرهای اضافی دیگر) در تغییرات حجمی حفره انقباضی در تغذیه اشاره کنیم . این نکته را باید به خاطر داشت که حضور انبساط اضافی به مقدار ضریب اطمینان کافی برای سلامت قطعات ریختگی نخواهد بود (شکل ۶-۱). چنانچه فشار داخلی (انبساط) , قابل پذیرش باشد آنگاه هدف, دستیابی به تغییرات قابل قبول خواهد بود .

بهرحال این یک واقعیت است که در شرایط عمل تغذیه گذاری در این سیستم نیازی به پرکردن کامل تغذیه (از طریق جریان معکوس مذاب) نبوده بلکه دسیابی به قطعات سالم به گونه ای که تغذیه نیز کلاً از مذاب پر نشود مورد نظر است .
در این جا این سئوال منطقی را می توان مجدداً مطرح کرد که فشار حاصله در چنین سیستمی که تنها قسمتی از حفره انقباضی تغذیه از مذاب پر شده و قطعه نیز عاری از حفره های انقباضی باشد بایستی چه مقداری بوده باشد . اگر چه شکل (۶-۱) برمبنای فرض پرشدن کامل حفره انقباضی موجود در تغذیه رسم شده اما همان طوری که قبلاً ذکر شد در عمل نیازی به پرکردن کامل حفره انقباضی موجود در تغذیه نبوده و طرح این سیستم برمبنای اندازه حفره انقباضی در تغذیه قرار ندارد . چنانچه محل تماس تغذیه به قطعه ریختگی قبل از جریان معکوس مذاب از قطعه بطرف تغذیه جامد گردد یا قسمتی از آن جامد شود, این قسمت از سیستم راهگاهی نقش تعیین کننده ای در کنترل فشار داخلی مذاب بازی خواهد کرد .

 

پس از محل اتصال تغذیه به قطعه ریختگی را باید به گونه ای انتخاب کرد که اولاً فشار حاصل از انبساط مذاب باعث تغییر شکل قالب نشده و از طرف دیگر این فشار موجب جریان حفره های انقباضی اولیه و ثانویه در قطعه ریختگی شود (یعنی قبل از آن که انبساط مذاب بمقدار زیادی تقلیل یابد باید محل اتصال تغذیه به قطعه ریختگی جامد گردد) .

علاوه بر درجه حرارت ریختن مذاب, طرح صحیح سیستم تغذیه گذاری تقلیل فشار به مقدار بسیار زیادی به کیفیت متالوژیکی مذاب بستگی دارد . برای بررسی بیشتر چنین مسئله ای لازم است تغییرات حجمی و درجه حرارت ریختن مذاب بطور مستقل و در ارتباط با زمان بصورت نموداری نشان داده شود . شکل (۷-۱)
زمان صفر نشان دهنده خاتمه ریختن مذاب به داخل قالب است . نمودار برای حالت تعادلی رسم شده است, از آنجائی که این شرائط در ریخته گری قطعات (بعلت بالا بودن سرعت نسبی سرد شدن مذاب در قالب) وجود ندارد لذا نمودارهای و بر شرائط عملی منطبق هستند . حالت برای مذابی با کیفیت متالوژیکی خوب و حالت برای مذابی با کیفیت متالوژیکی ضعیف می باشد . برای حالت فشار انبساطی مجاز بعد از حاصل شده در حالی که برای حالت این زمان خواهد بود . در

حالی که از آن نظر ایده آل است که فلز کاملاً بصورت مذاب بوده اما درزمان تقریباً ۳۵ درصد مذاب بصورت جامد درآمده است . حد مجاز سیلان مذاب برای جبران حفره های انقباضی بر مبنای ۷۵% جامد یا بیشتر نیز بصورت فرضی در نمودار شکل (۷-۱) نشان داده شده است .
به بیان ساده مبنای طراحی سیستم تغذیه گذاری تقلیل فشار براساس زمان لازم برای رسیدن به ردیف مجاز فشار انبساطی قرار دارد, زمانی که طی آن مذاب بتواند در سیستم تغذیه (تغذیه و گردن تغذیه) جریان یابد . یعنی

که در آن
زمان محدود برای سیلان مذاب از تغذیه , دقیقه
زمان رسیدن به فشار انبساطی مذاب (بدون تغییر شکل قالب)
در جزء ضخیم ( ) قطعه ریختگی, دقیقه .
است . برای سهولت بیشتر

شکل (۷-۱) دیاگرام اصلاح شده سرد شدن .

با استفاده از رابطه (چورنیف) :

یا

همان طوری که خواننده توجه دارد درجه حرارت ریختن مذاب جایگزین درجه حرارت لیکدوس مذاب شده , لذا برای بررسی و تحلیل دقیق تر باید افت حرارتی در جریان ریختن مذاب بداخل قالب نیز در محاسبات منظور شد . البته بکاربردن درجه حرارت ریختن مذاب, که اندازه گیری آن در کارگاه های ریخته گری بسهولت انجام می گیرد, بجای درجه حرارت لیکدوس مذاب خطای جزئی در محاسبات پیش می آورد .
مدول سیستم تغذیه که با حد سیلان مذاب متقارن است (در حضور ۷۵%) , سانتی متر
مدول جزء ضخیم قطعه ریختگی, سانتی متر
فاز جامد مشترک ( ) هنگامی
که فشار مذاب (بدون تغییر شکل قالب ) در جزء ضخیم قطعه ریختگی می رسد , ۱۰۰%
چنانچه

از آنجائی که دردرجات حرارتی ریختن بین ۱۳۰۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد مستقل از درجه حرارت ریختن چدن مذاب است (در بین این درجات حرارتی اختلاف مقدار تنها کمی بیشتر از ۱% خواهد بود) لذا با انتخاب ثابت رابطه فوق را می توان ساده تر کرد :

یا
این رابطه ساده نشان می دهد که مقدار آن تنها به کیفیت متالوژیکی مذاب چدن بستگی دارد .