کاهش آسیب های ناشی از جدایش

کاهش آسیب های ناشی از جدایش

درمحدوده ای که سرعت سرد شدن قطعات ریخته گری در ریخته گری قطعات چدنی ،  به طور موضعی تغییر کند (ناشی از تغییر سطح مقطع  یا تغییر سرعت سرد شدن در مبرد و تغذیه) ، انتظار می رود که در ساختار آن نیز تغییراتی روی دهد. در بسیاری از آلیاژ ها ، این دگرگونی ها بسیار کم و قابل چشم پوشی هستند. با این وجود ، در بعضی از سیستم های آلیاژی خواص ، مشکلات ناشی از جدایش به قدری شدید است که با  منجر به پارگی  و از هم گسیختگی قطعات می شود(در حالت آشکار) ، یا در صورت عدم تشخیص و رفع مشکل ، در حین بارگذاری در قطعه ظاهر شده و عملکرد آن را مختل می نماید. مقالات زیادی در زمینه انجماد به رشته تحریر درآمده است که به مشکلات ناشی از جدایش اشاره دارند. بنابراین توجه کافی به این مسئله و یافتن راهکارهای به منظور برطرف نمودن آن ،. ضروری به نظر می رسد. بدین منظور ، گونه های مختلف جدایش و انواع شکل های آن برای درک وسعت این مشکل، در این فصل مورد اشاره قرار می گیرند.

جدایش میکروسکوپی

بروز این نوع جدایش در انجماد عادی آلیاژهایی که دارای تمرکز رسوب عناصر محلول در فواصل بین دندریت ها هستند ( اگر ضریب توزیع کمتر از یک باشد که معمولا نیز چنین است )، اجتناب ناپذیر خواهد بود. این نوع جدایش بین دندریتی با عملیات حرارتی همگن سازی و از طریق سازوکار توزیع مجدد عناصر آلیاژی و نفوذ به درون مراکز دندریت ها – که از این عناصر تهی بوده و به نسبت خلوص بیشتری دارند- قابل اصلاح است. مسافت نفوذ قابل دسترس در طول عملیات حرارتی، در محدوده فضاهای بین دندریتی است. فرآیند همگن سازی معمولادر دمای نزدیک به دمای ذوب آلیاژها انجام می شود و برای دست یابی به توزیع مجدد و در عین حال منطقی عناصر محلول، این فرآیند باید در مدت زمان طولانی انجام پذیرد.

جدایش ماکروسکوپی

هنگامی که جریان ماکروسکوپی در طول انجماد قطعه رخ می دهد، ممکن است محتویات مناطق جدایش یافته میکروسکوپی، در فواصل دورتر- بسته به این که الگوی جریان همگرا و یا واگرا باشد- متفرق یا متمرکز شود که در نتیجه آن، جدایش ماکروسکوپی در قطعه رخ می دهد.

این سازمان دهی مجدد الگوی توزیع عناصر شیمیایی در قطعه، گاه به اندازه ای می شود که از مقدار فاصله قابل حذف توسط عملیات حرارتی، بزرگ تر است. مدت زمان عملیات حرارتی لازم برای حذف این مشکل، شاید به اندازه قدمت زمین ( در مقیاس تحولات زمین شناسی) باشد و بدین جهت انجام آن توصیه نمی شود.

وقوع جدایش ماکروسکوپی، موجب اختلال در تمام اهداف کاربردی و ویژگی های دایمی قطعات می شود. بعضی از گونه های این نوه جدایش، در ادامه توضیح داده خواهد شد.

در ریخته گری شمش های فولادی، جدایش ناخالصی ها در سر شمش معمولا با عنوان جدایش مثبت یا معمولی شناخته می شود. این نوع جدایش مثبت یا معمولی شناخته می شود. این نوع جدایش به حدی مضر است که برای حذف آن معمولاً باید بالای شیش قطع شده و دور انداخته شود. بدین ترتیب، بروز جدایش مثبت که باعث کاهش شدید بازده سالیانه تولید فولاد در شرکت تولید کننده قطعات فولادی شده و ضرر های اقتصادی زیادی را در پی دارد، مهم ترین نیرو محرکه توسعه فرآیند ریخته گری پیوسته در دهه 1960 میلادی شد. در حال حاضر ریخته گری پیوسته تقریباً در تمام جهان به عنوان مطرح ترین روش تولید شمش های فولادی مورد استفاده قرار می گیرد. جدایش معکوس، نوع دیگری از جدایش است که به خوبی شناخته شده و از آنجا که معمول ترین نوع جدایش است که به خوبی شناخته شده و ار آنجا که معمول ترین نوع جدایشی است که در شرایط انجماد دندریتی رخ می دهد، در این مورد، محلول جدایش یافته به طور ترجیحی در سطوح قالب (به ویژه اگر قالب سرد باشد) جدایش می یابد (شکل 8-1-الف). اثر مشابهی نیز در نقاط در تماس با سطوح نازک تر – که به عنوان مبرد عمل می کنند- رخ می دهد. این پدیده در شکل (8-1-ب) نشان داده شده است. در این شکل توزیع عناصر آلیاژی، به صورت جزیی به هم خورده است. در برخی آلیاژ ها همچون آلیاژ Al-4.5%Cu که به دلیل داشتن استحکام بالا در کاربردهای تحت تنش های بالا استفاده می شود، همین انحراف جزیی از معیار شیمیایی، به راحتی منجر به خروج خواص آلیاژ از محدوده مجاز می گردد. معمولاً انتظار می رود نواحی غنی شده از عناصر آلیاژی در یک قطعه ریختگی، خیلی سخت و حتی شکننده بوده و برعکس، مناطف تهی شده از عناصر محلول، استحکام ضعیفی داشته باشند. آن چه که نگرانی بزرگ تری ایجاد می کند، این است که تفاوت آشکار در خواص مکانیکی، در فاصله ای بسیار نزدیک به مناطق با مقطع متغیر- که محل تمرکز تنش هستند – واقع شود (شکل 8-1-ب)

به طور طبیعی، در یک میدان گرمایی پیچیده و در جایی که هندسه قطعه نیازمند توزیع همه جانبه مایع باقی مانده برای تغذیه حفرات انقباضی است، این تغییرات شیمیایی می تواند توزیع پیچیده ای داشته باشد که همیشه و به راحتی قابل پیش بینی نیست مگر اینکه احتمالاً به وسیله شبیه سازی های رایانه ای پیچیده ممکن گردد.

یکی از اواع شدید و کاملاً مشهود جدایش معکوس، با انباشته شدن مایع رسوبی در سطوح قطعه رخ می دهد. در واقع می توان گفت که مایع، در سطوح نفوذ کرده و به صورت تراوش، بر روی سطح قطعه جدایش می یابد. این نوع تراوش غالباً در آلیاژ های یوتکتیک با دمای ذوب پایین شایع است. یک نمونه معروف از این نوع جدایش،عرق قلع بر روی قطعات یا شمش های برنز است که به صورت دانه هایی از فاز یوتکتیک غنی از قلع در سطح آلباژ های پایه مس ظاهر می شود. نیرو محرکه این گونه تراوش ها، گاهی اوقات، انقباض ناشی از سرد شدن و گاهی نیز ناشی از افزایش فشار داخلی در اثر رسوب گاز های محلول در مذاب است. در آلیاژ های آلومینیم – سیلیسیم نیز تراوش ترکیب یوتکتیک به سطح مبردهای مورد استفاده، رایج است. وجود مبرد در این مورد، مهم ترین علت انجماد سریع مذاب است. با این حال در اثر سرد شدن، سطح قطعه منقبض و از مبرد دور می شود که این امر باعث گرم شدن و ذوب مجدد فلز شده و امکان جریان بافتن مایع جدایش یافته به درون فاصله هوایی ایجاد شده میان سطج قطعه و مبرد را فراهم می سازد در قطعات سنگین و شمش های فولادی، توزیع کربن به طور قابل توجهی در پایین تغذیه افزایش می یابد. از آنجا که تغذیه آخرین بخشی از قطعه است که انجماد می یابد، عناصر آلیاژی به مذاب درون آن پس زده می شودند و به همین علت، مذاب موجود در تغذیه سرشار از کربن و سایر عناصر مانند فسفر و گوگرد خواهد بود.

اما این مذاب که باید تا آخرین مراحل انجماد، به تغذیه قطعه بپردازد، در نهایت برای جبران انقباض همراه با انجماد به داخل قطعه مکیده می شود (شکل 8-2). تحقیقات زیادی در این خصوص انجام گرفته است و در حال حاضر، راهکار هایی منطقی و قابل درک برای کاهش این مشکل وجود دارد. نخستین بار، فلمینگ در سال 1971 میلادی با توجه به این واقعیت که بسته به هم گرایی یا واگرایی جریان تغذیه، جدایش می تواند به صورت مثبت یا منفی رخ دهد، به تشریح این مشکل پرداخت. یکی از ساده ترین راهکارها برای کاهش مشکل مذکور، افزایش حجم تغذیه است که باعث می شود طی مذاب رسانی در حین انجماد قطعه، غلظت مذاب موجود در تغذیه افزایش چندانی نداشته باشد. به نظر می رسد که در این مورد نیز، استفاده از شبیه سازی رایانه ای کمک شایانی به درک و تشریح مساله کرده و ابزار نهایی برای حل این مشکل باشد.

نوع دیگری از جدایش مثبت، در نتیجه جریان مذاب و نیروی گرانش به وجود می آید. نمونه شناخته شده ای از جدایش گرانشی به وجود می آید. نمونه شناخته شده ای از جدایش گرانشی مذاب، تمرکز یا انباشتگی کربن و سایر عناصر سبک نظیر گوگرد و فسفر در بالای قطعات بزرگ از جنس آلیاژ های ریختگی آهنی است. در مقابل، در فولاد های ابزار، تمرکز عناصر سنگین نظیر تنگستن و مولبیدن در پایین قطعه اتفاق می افتد. جدایش گرانشی در جامد، به صورت رسوب بلور های هم محور از فاز جامد درون مذاب و در پایین قطعه در حال انجماد، رخ می دهد و باعث می شود تا بخش های پایینی قطعه – که از نخستین بخش های فلز انجماد یافته تشکیل شده اند – دارای خلوص بالاتری نسبت به سایر بخش ها باشند. برخی دیگر از فرآیند های فلز انجماد یافته تشکلیل شده اند – دارای خلوص بالاتری نسبت به سایر بخش ها باشند. برخی دیگر از فرآیند های خالص سازی درطول انجماد، ممکن است به دلیل واگرا بودن جریان مایع رسوبی در سراسر منطقه مذکور رخ دهد. کل این اثر به عنوان جدایش منفی شناخته می شود.

در جدایش کانالی، تمرکز زیادی از محلول های جدایش یافته و ناخالصی ها وجود دارد که به عنوان یکی دیگر از ویژگی های قطعات حجیم یا قطعاتی با سرعت سرد شدن کم شناخته می شود. در شمش های فولادی، جدایش های نوع A و V بسیار رایج بوده که البته شدت بروز آن ها در شمش های ریخته شده به روش ریخته گری پیوسته بسیار کمتر است. در سوپر آلیاژ های پایه نیکل، این جدایش معمولا با عنوان عیب خال دار شدن شناخته می شود.

همان گونه که گفته شد، تغییرات ناشی از جدایش در ترکیب شیمایی قطعات ریختگی – چه به صورت گسترده و چه به صورت متمرکز در بعصی نقاط خاص ممکن است باعث انحراف موضعی آلیاژ ریختگی از خواص مورد انتظار گردد.

اگر این انحراف جدی باشد، وقع تردی موضعی در مناطق دارای تمرکز تنش، کارکرد قطعه را با تهدید مواجه می سازد. بنابراین قبا از عملیات ریخته گری، احتمال تشکیل چنین مناطقی در قطعه ریختگی باید به دقت مورد ارزیابی قرار گیرد و مقدار مجاز جدایش در یک محدوده قابل قبول، تعیین شود. در غیر این صورت، لازم است از روش های مختلفی که برای کاهش وقوع جدایش وجود دارد، استفاده گردد. هرچند سخن گفتن درباره راه حل های این مشکل از انجام ان خیلی راحت تر است، اما سرد کردن موضعی قطعه با استفاده از مبرد و پرک را می توان به عنوان یک راهکار عملی و ساده در حل مشکل جدایش، معرفی کرد.