مبردهای خارجی

مبردهای خارجی

در ریخته گری در ماسه قرار دادن یک بلوک فلزی در همسایگی مدل و سپس ریختن ماسه در اطراف آن به نحوی که این بلوک در قالب باقی بماند، روشی رایج برای خنک کردن موضعی قطعات ریختگی است. این عمل به طور مشابه با حذف موضعی پوشش قالب در ریخته گری گرانشی در قالب های فلزی و ریخته گری کم فشار برای بهبود نرخ خنک شدن موضعی نیز انجام می گیرد.

علاوه بر این، در همه قالب های فلزی می توان این تاثیر را با قرار دادن مغزه فلزی در داخل قالب (به ویژه اگر مغزه مانند آلیاژهای مس، هدایت حرارتی بالایی داشته باشد) یا با استفاده از سایر مواد خنک کننده مانند هوا، روغن و آب بهبود بخشید. این مبرد ها بخشی از قالب محسوب می شوند و روی سطح خارجی قطعه ریختگی عمل می کنند. این مبرد ها با عنوان مبردهای خارجی شناخته می شوند و باید آن ها را از مبرد های داخلی که در درون مذاب قرار گرفته و با قطعه یکپارچه می شوند، متمایز کرد.

به طور کلی قابلیت جذب حرارت قالب را با نفوذ حرارتی ارزیابی می کنند. نفوذ حرارتی به صورت ^1/2(kρc) تعریف می شود که در آن k هدایت حرارتی ρ چگالی و c گرمای ویژه قالب است. واحد نفوذی حرارتی ژول بر متر مربع بر کلوین بر مجذور ثانیه (Jm²K^-1s^1/2) بوده و باید دقت شود که این کمیت با نفوذ دمایی ² که به صورت k/ρc تعریف شده و واحد آن متر مربع بر ثانیه m²s^-1 است، اشتباه گرفته نشود. از داده های ارایه شده در جدول های زیر می توان قدرت تبریدی قالب های مختلف و مواد مبرد را مورد مقایسه قرار داد.

واضح است که مواد دیرگداز مختلف مورد استفاده در ساخت قالب (ماسه، مواد قالب گیری دقیق و مواد آستر قالب) همگی جاذب ضعیف گرما بوده و پایین ترین جایگاه را به خود اختصاص داده اند. مواد مبرد، قدرت تبریدی بیشتری از مواد دیرگداز سازنده قالب دارند. این مواد قدرت خنک کردن موضعی مذاب را در نهایت 5 برابر، یعنی در حد فولاد، گرافیت و مس افزایش می دهند.

مواد نفوذ حرارتی، نشان دهنده یک ماده بی نهایت ضخیم برای جذب حرارت است. به عبارت دیگر به صورت معقول می توان با ساخت یک قالب با دیواره های ضخیم از یک ماده، نفوذ حرارت آن را تخمین زد. هنگامی که از یک تکه نسبتا کوچک چدن یا گرافیت به عنوان مبرد خارجی در یک قالب ماسه ای توسط شرکت تولید کننده قطعات فولادی استفاده شود، به دلیل محدود بودن ظرفیت جذب حرارت توسط آن، مبرد نمی تواند قابلیت کامل خود را که به وسیله نفوذ حرارتی قابل اندازه گیری است، نشان دهد.

بنابراین، اگرچه ممکن است نرخ اولیه تبرید یک فلز در حدود مقادیر ارایه شده در جدول های بالا باشد، ولی قدرت تبریدی مبردی که ضخامت محدودی داشته باشد، به دلیل این که پس از مدت زمان مشخصی از حرارت اشباع شده و قابلیت جذب حرارت بیشتری را ندارد، محدود است. مقدار حرارتی که این مبرد جذب می کند، با عنوان ظرفیت حرارتی مبرد تعریف می شود. می توان با استفاده از حجم، چگالی و گرمای ویژه، مفهوم ظرفیت حرارتی حجمی را به صورت رابطه زیر نوشت:

Vρc = ظرفیت حرارت حجمی

در سیستم بین المللی (SI)، واحد ظرفیت حرارتی حجمی ژول بر کلوین (JK^-1) است. نتایج به دست آمده به وسیله رائو و پانچاناتان ¹( سال 1973 میلادی) در زمینه ریخته گری ورق های ضخیم 50 میلی متری از جنس AL-5Si-3Cu نشان می دهد که قطعه ریختگی به جنس مبرد ( فولاد، گرافیت یا مس) حساس نیست و تنها عاملی که اهمیت دارد، ظرفیت حرارتی حجمی مبرد است. آن ها نشان دادند که ظرفیت حرارتی یک مبرد فولادی به ضخامت 25 میلی متر، 900 ژول بر کلوین است. مبرد مسی به ضخامت 32 میلی متر و مبرد گرافیتی به ضخامت 36 میلی متر، ظرفیت های حرارتی مشابهی با مبرد فولادی ذکر شده دارند.

بر اساس این مقادیر می توان نتیجه گرفت که مس الزاما به عنوان بهترین ماده برای مبرد مطرح نیست. در شکل زیر ظرفیت حرارتی و نفوذ حرارتی نسبی مواد مختلف نشان داده شده است.در یک ضخامت مشخص مس هم از دیدگاه نفوذ گرمایی و هم از دیدگاه ظرفیت حرارتی، موثرترین ماده برای مبرد به شمار می رود.

شکل زیر نشان می دهد که مبرد ها تا فاصله قابل توجهی تاثیر گذار هستند. مبردهای بزرگ حتی تا مسافت 200 میلی متری بر روی زمان انجماد قطعه ریختگی تاثیر می گذارند ( چهار برابر ضخامت مقطع ریختگی). در نتیجه مبرد می تواند در یک قطعه ضخیم از آلیاژی با هدایت حرارتی بالا، انتقال حرارت بسیار خوبی در راستای طول قطعه داشته باشد. در آلیاژ هایی مانند فولاد که هدایت حرارتی کمتری دارند، تاثیر مبرد در این مسافت کمتر خواهد بود.