دانلود مقاله عوامل موثر به حفرات گازی و انقباضی

بررسی عوامل موثر به حفرات گازی و انقباضی حفره‌های انقباضی و گازی یکی از مهمترین عیوب ریخته‌گری محسوب می‌شوند.

تا کنون تحقیقات زیادی توسط محققین گوناگون برای بررسی این حفره‌ها انجام شده است.

اکثر فلزات در هنگام انجماد دچار کاهش حجم می‌گردند.

این کاهش حجم باید بگونه‌ای جبران گردد.

به همین حفره‌های انقباضی به وجود می‌آیند.

به وجود آمدن حفره‌ های گازی به این صورت می‌باشد که گازهای محلول در مذاب در هنگام انجماد فلز از حالت اتمی به مولکولی تبدیل می شوند و حفره گازی به وجود می‌آید.

در این مقاله عوامل موثر به اندازه، شکل، مقدار و توزیع تخلخل مورد بررسی قرار گرفته است.

اندازه تخلخل می‌توان متأثر از چند عامل باشد: 1 ضخامت قطعه: هر چه ضخامت کمتر می‌شود، اندازه تخلخل کاهش می‌یابد.

2 تعداد جوانه: با افزایش تعداد جوانه، اندازه دانه کاهش می‌یابد و بالطبع با کاهش اندازه دانه، اندازه تخلخل کاهش می‌یابد.

3 عملیات بهسازی: عملیات بهسازی باعث تشکیل تخلخل‌های درشت و کروی شکل می‌شود.

از جمله عواملی که به شکل تخلخل تأثیر می‌گذارد عملیات بهسازی می‌باشد.

عملیات بهسازی سبب تبدیل ساختار سوزن شکل فازسیلیسم یوتکتیکی به حالت رشته ای شکل و ظریف می‌گردد.

شکل تخلخل‌های ریز و پراکنده در آلیاژهای بهسازی نشده تابع شکل و اندازه فضاهای بین دندریتی است.

در این حالت تخلخل‌ها عمدتاً حالت کشیده و نازک دارند.

از طرفی تخلخل در آلیاژهای بهسازی شده عمدتاً درشت‌تر و کروی‌تر بوده و مورفولوژی آن‌ها کمتر تابع شکل و اندازه و فضاهای بین دندریتی می‌باشد.

مقدار تخلخل به عوامل زیر بستگی دارد: 1 شرایط انجماد هیدروژن مذاب زیادتر باشد اثر استرانسیم برای بهسازی بر مقدار تخلخل بیشتر است.

2 عملیات فیلتر کردن: افزایش تمیزی مذاب سبب کاهش اثرات عملیات بهسازی بر افزایش تخلخل می‌گردد.

3 سرعت انجماد: با افزایش سرعت انجماد، مقدار تخلخل کاهش می‌یابد.

توزیع تخلخل به چند صورت می‌باشد: 1 پراکنده: که در مورد انجماد خمیری اتفاق می‌افتد.

2 متمرکز: این حالت در انجماد پوسته‌ای ایجاد می‌شود.

3 محیطی: در صورتی انجماد هم از اطراف و هم از مرکز اتفاق بیافتد، این حالت به وجود می‌آید.

1- چگونگی ایجاد مک های گازی: گازها در حالت مذاب نسبت به حالت جامد انحلال بیشتری در فلزات دارند.با کاهش درجه حرارت گازهای حل شده در مذاب(به صورت اتمی)به تدریج از حالت اتمی خارج می شوند وبه صورت مولکولی(حباب)در می آیند.در این صورت گازهای مولکولی آرام آرام از سطح مذاب خارج می شوند.سرعت خروج حباب های گازی ایجاد شده به عوامل مختلفی بستگی دارد که از آن جمله گرانروی مذاب اندازه حباب وشکل وعمق پاتیل را می توان نام برد.

بدیهی است با کاهش درجه حرارت گرانروی مذاب افزایش می یابد.در نتیجه سرعت خروج حباب های گازی به تدریج کاهش می یابد.با شروع انجماد مذاب دو مشکل مهم در خروج حباب های گازی ایجاد می شود: الف- اختلاف حلالیت در حالت مذاب وجامد:در بسیاری از فلزات وآلیاژها اختلاف حلالیت گازها در حالت جامدومذاب بسیار زیاد است.بدیهی است در هنگام انجمادگازهای زیادی از حالت اتمی (انحلال)به حالت مولکولی تبدیل می گردند به گونه ای که به ناگاه مقدار این تحول به چندین برابر افزایش می یابد.به عبارت ساده تر در یک فاصله زمانی کوتاه مقادیر زیادی از گازهای حل شده به حباب های گازی تبدیل می شوند.

ب- محبوس شدن حباب ها: اگر فرض شود که حباب های گازی ایجاد شده در هنگام انجماد(دامنه انجماد)بتوانند از مذاب خارج شوند در این صورت مشکلی به نام مک وتخلخل گازی در قطعات ریختگی وجود ندارد.اما در عمل به دلیل افزایش گرانروی مذاب ونیز وجود هسته های جامد به طور جدی حرکت حباب های گازی با مشکل مواجه می شوند وبه عبارت دیگر حباب های گازی در لابلای ذرات جامد محبوس می شوند.

عوامل موثر بر میزان مک های گازی: 1- مقدار اختلاف حلالیت گاز در حالت جامد ومذاب 2- نوع انجماد 3- سرعت سرد کردن مذاب 4- آخال ها(ناخالصیها) 5- عناصر آلیاژی 6-سیستم راهگاهی 7-شکل اندازه و وزن قطعه تشکیل مک های گازی بیشتر در دامنه انجماد های زیاد انجام می شود.

رابطه 1 رابطه فوق مشخص کننده آنست که برای تشکیل حبابی به شعاع r فشار داخلی حباب باید حداقل برابرPg باشد که حباب های بسیار کوچک فشار داخلی بسیار زیاد خواهد بود وبه دلیل عدم دستیابی به چنین فشار بالائی عملا حباب ها نمی توانند در اندازه های خیلی کوچک تشکیل شوند به هر صورت این اندازه نمی تواند از اندازه اتم فلز کوچک تر باشد.

چنانچه فشار لازم برای حذف تنش های سطحی در فصل مشترک گاز- فلز برابر Pst منظور شود در جریان انجماد به تدریج تنش سطحی افزایش یافته ودر نتیجه Pst بزرگتر وفشار داخلی برای تشکیل حبابی به شعاع rبیشتر خواهد بود.

با توجه به پدیده انقباض در دامنه انجماد وکاهش فشار نسبی در فصل مشترک مایع- جامد مجموع فشار داخلی سیستم کاهش یافته واز اینرو رابطه فشار به صورت زیر نوشته می شود: که در آن Psh فشار انقباضی کاهش موضعی فشار در فصل مشترک مایع- جامد است.

2- مکانیزم تشکیل حفره های گازی وانقباضی: 2-1- حفره های انقباضی[8]: اکثر فلزات در هنگام انجماد دچار کاهش حجم می گردند.به عنوان مثال آلومینیوم خالص دارای 14-7% 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.

2-2- حفره های گازی[8]: 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 تئوریکی تشکیل حباب های گازی به صورت زیر می باشد[6]: 1- هسته های جامد درداخل مذاب تشکیل می شود.

2- رشد شاخه ای بر روی هسته ها آغاز و ادامه می یابد.

3- مذاب محصور در داخل دانه های رشد یافته از عناصر محلولی وهمچنین مقدار گاز غنی شده وبعد از مدتی حباب های گازی تشکیل می شوند.

4- در مراحل پایانی انجماد و هنگامی که حجم مایع کاهش یافته وغلظت ملکولی گاز افزایش می یابد.شرایط برای تشکیل حباب هائی بین بازوهای دندریت فراهم می شود.

مکانیزم رسوب: بدون توجه به مسئله تغذیه کردن،تشکیل تخلخل به توزیع هیدروژن در طول انجماد آلومینیوم مربوط می شود.

به خوبی شناخته شده است که تشکیل حفره درآلیاژهایآلومینیوم به وسیله نفوذ هیدروژن از زمینه جامد شده به داخل حفره بوجود می آید ،که در حقیقت از طرفی شبیه به رسوب فاز ثانویه در زمینه محلول فوق اشباع می باشد.تقریبا یک تعداد کمی از مقاله ها به این مسئله با مکانیزم جوانه زنی ورشد پرداخته اند.

تعدادی از محققان با پدیده های ریاضی به این موضوع پرداخته اند.وانگ و سیگوارد این مسئله را با مدل های ترمودینامیکی حل کردند.

3- اندازه تخلخل: 3-1- اثر ضخامت قطعه بر اندازه تخلخل: اندازه حفرات با تغییر ضخامت تغییر می کند.هر چه ضخامت کمتر می شود اندازه حفرات کوچکتر می شود.دلیل آن این است که با افزایش سرعت سرد شدن که با کاهش ضخامت رابطه مستقیم دارد اندازه دندریت ها کوچک تر می شود.با کوچک شدن فضاهای بین دندریتی حباب ها در فضای کمتری رشد می کنند.در نتیجه اندازه آنها کوچکتر می شود.

سرعت رشد ودرشت شدن حباب های گازی عملا با سرعت انجماد رابطه معکوس دارد.با افزایش سرعت انجماد وایجاد دانه های ریز وهمگن موانعی برای درشت شدن حباب های گازی حاصل شده وفقط ریز مک هایی در بین بازو های شاخه های جامد ممکن است تشکیل می شوند.بطور کلی با افزایش سرعت انجماد امکان جوانه زنی و رشد مستقل حباب ها در بین دانه ها کاهش می یابد.]6[ 3-2- تعداد جوانه: یکی از عواملی که باعث ریز شدن دانه ها می شود تعداد جوانه بیشتر است.در حقیقت وقتی که تعداد جوانه در ذوب کم باشد دانه هائی که شروع به رشد می کنند در زمان دیرتری به یکدیگر برخورد می کنند.پس در این زمان حباب فرصت بیشتری پیدا می کند تا اندازه اش بزرگتر شود.یعنی اینکه آن مقدار هیدروژنی که به صورت اتمی در ذوب حل شده است فرصت بیشتری پیدا می کند تا به صورت مولکولی(حباب)در بیاید وهر چه زمان بیشتر باشد به اندازه حباب افزوده می شود.

شکل 1-اثر اندازه دانه بر مقدارتخلخل[6] 3-3- عملیات بهسازی: افزودن استرانسیم بمنظور اصلاح ساختار سیلیسیم یوتکتیکی از حالت درشت وسوزنی به حالت ظریف ورشته ای شکل،هم اکنون بعنوان یک فرایند مهم در ذوب آلیا‍‍ژ های آلومینیوم- سیلیسیم مورد استفاده قرار می گیرد.یکی از اثرات جانبی عملیات بهسازی با استرانسیم،افزایش تخلخل در قطعات ریختگی است.عملیات بهسازی با سدیم،استرانسیم وکلسیم سبب افزایش نسبتا شدید تعداد وابعاد تخلخل های ریز وپراکنده در قطعات ریخته گری می شوند.

همچنین بر اساس تحقیقات به عمل آمده اثرات عملیات بهسازی با سدیم وکلسیم به مراتب بیشتر از عملیات بهسازی با استرانسیم است.

البته از آنجائی که در اثر عملیات بهسازی اغلب تخلخل های انقباضی درشت توسط ریز مک های گازی جایگرین می گردند،یک جنبه مثبت این پدیده کاهش نیاز به تغذیه است.]5[ افزودن استرانسیم بمنظور اصلاح ساختار سیلیسیم یوتکتیکی از حالت درشت وسوزنی به حالت ظریف ورشته ای شکل،هم اکنون بعنوان یک فرایند مهم در ذوب آلیا‍‍ژهای آلومینیوم- سیلیسیم مورد استفاده قرار می گیرد.یکی از اثرات جانبی عملیات بهسازی با استرانسیم،افزایش تخلخل در قطعات ریختگی است.عملیات بهسازی با سدیم،استرانسیم وکلسیم سبب افزایش نسبتا شدید تعداد وابعاد تخلخل های ریز وپراکنده در قطعات ریخته گری می شوند.

البته از آنجائی که در اثر عملیات بهسازی اغلب تخلخل های انقباضی درشت توسط ریز مک های گازی جایگرین می گردند،یک جنبه مثبت این پدیده کاهش نیاز به تغذیه است.]5[ در ذوبی که عملیات بهسازی انجام شده است قبل از اینکه دندریت ها بوجود آیند حباب های بزرگی در ذوب وجود دارد.

در ابتدای امردندریت ها زده می شوند.بعد از این مرحله فاز یوتکتیک می خواهد رسوب کند.برای رسوب فاز یوتکتیک باید یک سطح زیرین برای رسوب وجود داشته باشد.به همین دلیل فصل مشترک حباب- مایع محل خوبی برای رسوب فاز یوتکتیک می باشد.پس فاز یوتکتیک به صورت شعاعی اطراف حباب رشد می کند.حباب در میان سلول یوتکتیک مخفی می شود وشکل واندازه اش به همان صورت اولیه باقی می ماند]2.[.می توان گفت که علت بزرگی حفرات در آلیاژهای آلومینیوم بهسازی شده وجود این حباب ها در قبل از بوجود آمدن دندریت ها می باشد.در آلیاژهای بهسازی شده اندازه حفرات کمتر تابع شکل واندازه فضا های بین دندریتی است.

4- شکل تخلخل: 4-1- تاثیر عملیات بهسازی بر شکل تخلخل : عملیات بهسازی سبب تبدیل ساختار سوزنی شکل فاز سیلیسیم یوتکتیکی به حالت رشته ای شکل وظریف می گردد.شکل تخلخل های ریز وپراکنده در آلیاژهای بهسازی نشده تابع شکل واندازه فضاهای بین دندریتی است.در این شرایط تخلخل ها عمدتا حالت کشیده ونازکی دارند.(شکل 2)از طرفی تخلخل در آلیاژهای بهسازی شده عمدتا درشت تر وکروی تر بوده(شکل 3)ومورفولوژی آنها کمتر تابع شکل واندازه فضاهای بین دندریتی است.علت این امر در قسمت اندازه تخلخل توضیح داده شد(4) در آلیاژهای بهسازی نشده بیشتر حباب ها در دامنه انجماد بوجود می آیند.با رشد دندریت ها سطح این حباب ها به سطح دندریت ها برخورد می کنند وشکل دندریت ها را به خود می گیرند.به این گونه مک ها مک های بین دندریتی می گویند که شکل بی قاعده دارند.پس در آلیاژهای بهسازی نشده مک های با شکل بی قاعده یا بین دندریتی وجود دارد ودر آلیاژهای بهسازی شده مک های بزرگ کروی شکل همراه با تعداد کمی مک های بین دندریتی وجود دارد.]2[ نوع دیگری از شکل تخلخل وجود دارد که به صورت سوزنی شکل می باشد.

بوجود آمدن این نوع تخلخل بستگی به سرعت انجماد دارد.اگر سرعت انجماد به حدی باشد که جبهه انجماد به حباب برخورد کرده و مجرائی به شکل حباب در یک امتداد بوجود آورد در نهایت یک فضای خالی به شکل یک سوزن خواهیم داشت.

5- توزیع حفرات: 5-1- پراکنده در همه جای قطعه(یکنواخت): این حالت در مواقعی بوجود می آید که انجماد خمیری باشد.وقتی که انجماد از همه جا شروع می شود دندریت ها در همه جا زده می شوند وحباب های گازی در بین دندریت ها احاطه می شوند ودر نهایت به صورت ریز مک های گازی در کل قطعه به صورت پراکنده باقی می مانند.

حالت دیگر این است که مذابی که در بین دندریت ها وجود دارد دارای انقباض می باشد.چون دندریت ها در همه جا بوجود آمده اند مانع تغذیه شده مذاب بین دندریتی می شوند.در نهایت ریز مک های انقباضی در سراسر قطعه باقی خواهد ماند.

یا می توان گفت که اگر انجماد به طوری باشد که تمام دانه ها به صورت هم محور با شد حفرات گازی وانقباضی به صورت پراکنده درهمه قطعه دیده بشوند.

5-2- متمرکز بودن در وسط قطعه(مرکزی): 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.

این نوع توزیع حفره در حالتی بوجود می آید که انجماد در ابتدا تا حدی به صورت ستونی پیش رفته باشد.سپس به علت وجود ناخالصی های موجود در ذوب باقی مانده یا کاهش شیب دمایی در مرکز قطعه دانه ها به صورت هم محور رشد می کنند.در ابتدا که دانه ها به صورت ستونی رشد می کنند در حین رشد حباب های گازی موجود درذوب را به طرف جلو می رانند.

همچنین انقباض موجود درذوب باقی مانده متمرکز می شود.در نهایت که دانه های هم محور در وسط قطعه ایجاد می شوند این حباب ها در بین دانه ها گیر می افتند.امکان دیگری که وجود دارد اینست که چون جبهه انجماد به سمت وسط قطعه است در نهایت مذابی که باقی می ماند دارای انقباض می باشد که باعث ایجاد حفرات انقباضی در مرکز قطعه می شود.

5-3- محیطی: این حالت دلیلش این می تواند باشد که ما از مبرد داخلی در مرکز قطعه استفاده کنیم.در این حالت انجماد از مرکز قطعه واز اطراف قطعه شروع بشود که در نهایت حلقه ای از مذاب را در محیط قطعه خواهیم داشت و حفرات گازی در این مذاب باقی مانده تجمع پیدا کرده اند.در نهایت حلقه ای از حفرات گازی وانقباضی در محیط قطعه خواهیم داشت.البته قابل ذکر است که استفاده از کلمه حلقه اینست که ما قطعه فرضی خود را یک استوانه در نظر گرفته ایم.

6- مقدار تخلخل: 6-1- بررسی اثر نوع قالب وشرایط انجماد[4]: درآزمایشات دکتر میر اسماعیلی تخلخل های نسبتا درشت در نمونه بدون تغذیه برای آلیاژ 319 مشاهده شده است،در حالیکه در نمونه تغذیه دار تخلخلها عمدتا به تغذیه منتقل شده اند وخود قطعه عاری از تخلخل است.بر خلاف قطعات منجمد شده توسط قالب تغذیه دار که عمیلات بهسازی سبب افزایش قابل توجه تخلخل شده است،این عملیات سبب کاهش جزئی تخلخل در قطعات منجمد شده توسط قالب بدون تغذیه گردیده است.در قطعات منجمد شده در قالب تغذیه دار،افزایش استرانسیم به مذاب سبب افزایش تخلخل شده است واین افزایش در صورت استفاده از مقادیر بیشتر استرانسیم شدیدتر است.از طرفی در قطعات منجمد شده توسط قالب بدون تغذیه،افزایش استرانسیم تاثیر قابل ملاحظه ای بر تخلخل نداشته است.در کل می توان اینگونه نتیجه گیری کرد که اگر برای انجام عملیات بهسازی با استرانسیم از یک سیستم تغذیه گذاری نا مناسب استفاده کنیم قطعه ما دارای تخلخل کمتری خواهد بود.

در یک نگاه کلی می توان نتیجه گیری کرد که بهسازی با استرانسیم در نمونه های ریخته شده در قالب تغذیه دار با افزایش تعداد وابعاد تخلخل ها سبب افزایش مقدار کلی تخلخل گردیده است.

عملیات بهسازی سبب افزایش تخلخل در نمونه های حاوی تخلخل های انقباضی نمی شود.در توضیح این پدیده می توان عنوان کرد که عملیات بهسازی چه درقطعات عاری از مکهای انقباضی وچه در قطعات حاوی مکهای انقباضی سبب افزایش تخلخل های گازی می گردد.تشکیل این تخلخل های گازی د رقطعات عاری از مک های انقباضی سبب افزایش تخلخل در قطعه می شوند،در حالیکه در قطعات حاوی مکهای انقباضی،تخلخل های گازی ایجاد شده در اثرعمیلات بهسازی جایگزین مکهای انقباضی موجود گردیده وبنابراین عملیات بهسازی تاثیر قابل توجهی بر مقدار کلی تخلخل نمی گذارد.در واقع در شرایطی که شرایط برای تشکیل مکهای انقباضی وهم گازی فراهم است،هیدروژن محلول در مذاب آلومینیوم می تواند در خلال انجماد بدون هیچ مشکلی در مک های انقباضی تشکیل شده رسوب کند وبدین سان تلفیقی از مک های گازی وانقباضی بوجود می آید.

6-2- اثر افزایش درجه حرارت بر میزان حلالیت هیدروژن[9]: با افزایش درجه حرارت جنب وجوش اتم ها زیاد می شود وفواصل بین اتم های آلومینیوم زیاد می شود.به همین دلیل هیدروژن به راحتی وارد آلومینیوم می شود.پس هر چه درجه حرارت افزایش یابد میزان هیدروژن موجود در آلومینیوم افزایش می یابد.

در شکل اثر افزایش درجه حرارت بر میزان حلالیت هیدروژن را می توان دید.

6-3- اثرات متقابل مقدار هیدروژن مذاب وعملیات بهسازی برمقدار تخلخل: تخلخل های حاصل ازعملیات بهسازی منشا گازی دارند.استرانسیم فقط در صورت وجود هیدروژن کافی قادر به افزایش قابل ملاحظه تخلخل است، پس اثر استرانسیم بر افزایش تخلخل در شرایطی که هیدروژن مذاب بیشتر باشد شدیدتر است.از اینرو می توان نتیجه گیری کرد که تخلخل های حاصل از عملیات بهسازی با استرانسیم منشا گازی دارند،بنابراین کاهش هیدروژن مذاب می تواند تا حد زیادی اثر عملیات بهسازی برتخلخل را خنثی کند.

افزایش ابعاد وتعداد تخلخل ها وهمچنین تغییر مورفولوژی آنها از حالت کشیده وترک مانند به حالت کروی شکل در اثر افزایش هیدرو‍ژن بوضوح قابل تشخیص است.(شکل5) 6-4- اثرات متقابل عملیات بهسازی با استرانسیم سرعت انجماد وعملیات فیلتر کردن[4]: بررسی های بعمل آمده بیانگر این است که عملیات آخال زدائی وافزایش تمیزی مذاب سبب کاهش اثرات عملیات بهسازی بر افزایش تخلخل می گردد.Iwahori وSerratos در آزمایشات خود نشان دادند که انجام عملیات فلاکس زنی پس از عملیات بهسازی با استرانسیم سبب کاهش قابل توجه تخلخل در آلیاژA356 گردیده است.شکل6اثرات متقابل عملیات بهسازی با استرانسیم فیلتر کردن مذاب وسرعت سرد شدن را بر مقدار تخلخل در آلیاژA356 نشان می دهد.

شکل 6 – اثرات متقابل عملیات بهسازی با استرانسیم وفیلتر کردن وسرعت سرد کردن بر مقدار تخلخل در آلیاژA356 همانطور که ملاحظه می گردد گرچه افزایش سرعت انجماد سبب کاهش تخلخل در تمام شرایط گردیده است ولی اثر سرعت انجماد در شرایط بهسازی شده با استرانسیم بر کاهش تخلخل بمراتب بیشتر است.

به بیان دیگر در شرایطی که در نمونه های نزدیک به تغذیه که دارای سرعت انجماد کمتری هستند عملیات بهسازی سبب افزایش نسبتا شدید تخلخل شده است اثر این عملیات در نمونه های مجاور مبرد که دارای سرعت انجماد زیادتری هستند قابل ملاحظه نمی باشد.همچنین نتایج بدست آمده بیانگر اثرات شدید استفاده از فیلتر در سیستم راهگاهی بر کاهش تخلخل در قطعات بهسازی شده با استرانسیم است.

در واقع حضور فیلتر در سیستم راهگاهی با کاهش فیلم های اکسیدی وبا تمیز کردن مذاب درون قالب سبب کاهش نسبتا شدید تخلخل در آلیاژ بهسازی شده با استرانسیم گردیده است.این نتایج از آن نظر حائز اهمیت است که در آلیاژهای بهسازی شده با استرانسیم نمی توان از عملیات فلاکس زنی بمنظور افزایش تمیزی مذاب استفاده کرد(عملیات فلاکس زنی سبب استرانسیم زدائی از مذاب می شود).

6-5- اثر اندازه تغذیه بر مقدار تخلخل[1]: در این آزمایش آلیاژ A206(Al-4.5%Cu-0.4%Mn-0.3%Mg-0.2%Ti)استفاده شده است.عرض،طول وضخامت قطعات به ترتیب 14،20و1سانتی مترمی باشد.سه قطعه با سه نوع قطر تغذیه متفاوت 3،4و6سانتی متری استفاده شدوارتفاع تغذیه ها 5/1برابر قطر تغذیه ها میباشد.قالب های ماسه ای CO2 با استفاده از ماسه سیلیسی وهفت درصد وزنی سیلیکات سدیم به عنوان سخت کننده،آماده شد ودرانتهای قالب یک مبرد مسی قرار داده شده است.قالب ها به مدت 8ساعت در دمای پخته شده وتا دمای محیط قبل از ریخته گری سرد می شوند.

فرایند ذوب در کوره الکتریکی مقاومتی انجام شده وشمشA206به طور مستقیم در یک بوته گرافیتی اضافه شد.در حین ذوب شدن،غلظت هیدروژن اولیه ذوب در حدود کنترل می شود.دمای ریختن در حدود کنترل می شود.ترموکوبل ها در قالب قرار داده می شوند تا حرارت موجود در 9مکان قطعه نشان داده شده در شکل بدست آید.برای اندازه گیری وزن مخصوص از روش ارشمیدس استفاده می شود.

شکل 7-شماتیک قطعه[1] توزیع تخلخل در درصد حجمی از انتهای مبرد تا انتهای تغذیه در قطعات،در شکل 8 نشان داده شده است.در این شکل،با افزایش اندازه تغذیه مقدار تخلخل کاهش پیدا کرده است.درهمه نمونه ها،حداقل تخلخل را در نزدیکی مبرد داریم،تا فاصله کمی از تغذیه به تدریج این مقدار تا یک ماکزیمم افزایش پیدا می کند.

6-6- تئوری Ham برای محاسبه مقدار تخلخل[1]: کسر رسوب هیدروژن (f)وزمان واکنش یا به عبارتی زمان انجماد(tf) به صورت زیر نشان داده شده است: معادله 1 که مقدار هیدروژن اولیه( )، مقدار هیدروژن نفوذ کرده در داخل حفره در یک محل معین ( )، هیدروژن قابل حل در آلومینیوم جامد( )، زمان آسایش(sec)وn یک مقدار ثابت است.

قیاسی از چگونگی نفوذ هیدروژن می باشد.

مقدار کسر تشکیل تخلخل در یک محل معین آلیاژ ریختگی آلومینیوم A356(VP(%))را می توان به صورت زیر تشریح کرد: معادله 2 که Pg فشار حباب گازی(atm)و یک مقدار ثابت می باشد.

Pg ترکیبی از فشار اتمسفر وفشار هیدرواستاتیکی تغذیه،کاهش فشار مذاب بین دندریتی و فشار تنش سطحی حباب گازی می باشد.k باید معادل با باشد( دانسیته مایع( ))،TEدمای یوتکتیک(کلوین) ،273حالت استاندارد دما می باشد.پس معادله(2) را می توان به صورت زیر نشان داد: معادله 3 که برابر با است.درمعادله (3)اگر فرض کنیم که به بینهایت میل کند یعنی که همه هیدروژن داخل حفره نفوذ کرده وکسر هیدروژن رسوب کرده در یک محل معین در قطعه ریختگی (f) برابر با یک خواهد بود.به این دلیل ،ماکزیمم تخلخلی است که می تواند در قطعه ریختگی تشکیل شود.راههای مشابه دیگری برای پیش بینی مقدار ماکزیمم تخلخل وجود دارد مانند معادلات ترمودینامیکی.

نتیجه زمان انجماد به صورت نمودار در شکل 9 نشان داده شده است.این منحنی ظاهرا تئوری هام را اثبات می کند.با افزایش زمان تا یک حدی شیب منحنی کاهش می یابد که ممکن است دلیل آن،کم شدن نفوذ هیدروژن محلول در داخل حباب باشد.

فشار حباب گازی می تواند به صورت روبه روباشد: که درآن تنش سطحی حباب گازی در نظر گرفته شده است.در عبارت قبلی تنش سطحی مذاب آلیاژ A206( )،C یک مقدار ثابت است( ).بر طبق این توصیف،فشار حباب گاز به ترتیب برای مبرد وتغذیه برای زمان های انجماد متفاوت،28/1و17/1محاسبه شده است.

7- محاسبه فاکتور شکل[3]: در مقاله]3[ محاسبه فاکتور شکل به صورت زیر می باشد: که در آن Aسطح حفره وPمحیط حفره می باشد.حفرات بزرگتر دارای فاکتور شکل کمتری می باشند.همچنین در نمونه های بهسازی شده با استرانسیم با افزایش ضخامت فاکتور شکل کاهش یافته است.

با توجه به مطالب بالا می توان اینگونه استنباط کرد که حفرات کروی در مقاطع نازک تر می باشند زیرا با کاهش ضخامت فاکتور شکل افزایش می یابد.بیشترین فاکتور شکل را دایره دارد که یک می باشد.

8- تاثیر سرعت سرد کردن بر مقدارواندازه وشکل تخلخل هادر آلیاژ356 [2] روش آزمایش: هشت ذوب آماده شد:دو ذوب بهسازی نشده ،یکی باSb ریز دانه شده ،دو ذوب با سدیم بهسازی شده وسه ذوب با استرانسیم بهسازی شد.

ذوب ها در کوره سوخت گازی با بوته گرافیتی 8 کیلوگرمی وهمچنین با استفاده ازآمیژان 356 به عنوان شارژ آماده شد.ریز دانه کردن هر ذوب با 1/0%تیتانیم به صورت آمیژانAl-Ti-B(5:1)انجام شد.در این عملیات ها ،سدیم به صورت فلزی(1/0%) ،استرانسیم به صورت آمیژان(Al-Sr10%) و25/0% آنتیموان به صورت فلزی اضافه شده اند.زمان انحلال برای آنتیموان واسترانسیم 20دقیقه می باشد.بعد از عملیات ذوب ،مقدار هیدروژن باید در حدود کنترل شود.همچنین از تجهیزات (Telegas)تکنیک گردشی گاز و((Alscan استفاده شد.نیاز هست که برای گاززدائی از نیتروژن باخلوص بالا استفاده شود.

هرذوب در دمای در پنج فنجان فلزی با دیواره نازک ریخته که نمونه های با وزن 200gr تولیدوبعدا بریده شدند..

درجه حرارت هائی که برای کوئنچ انتخاب شده اند٬با توجه به آنالیز های حرارتی آمیژان بدست آمده اند:درجه حرارت لیکوئیدوس ٬درجه حرارت یوتکتیک (بهسازی نشده وریز دانه شده با Sb) یا در محدوده 565-570 (بهسازی شده با Na,Sr) .

درجه حرارت نمونه هائی که در آب کوئنچ شده اند بر طبق رخدادهای انجماد آلیاژ به صورت زیر می باشد: : اواسط رشد دندریت- قسمت جامد 30% :انتهای رشد دندریت- قسمت جامد 50% شروع انجماد یوتکتیک- قسمت جامد 55% اواسط انجماد یوتکتیک-قسمت جامد 75% بعد از انجماد(هوا سرد شده) برای مشخص کردن دانسیته از روش ارشمیدس استفاده شده است..

نتایج وبحث: ترکیبات شیمیائی در جدول شماره2نشان داده شده است.

جدول-2: آنالیز ترکیب شیمیائی نتایج دانسیته: بیشترین دانسیته بدست آمده در هر سری برای نمونه های کوئنچ شده از بوده است که این مطابق با مقدار ریز تخلخل صفر می باشدکه با متالوگرافی اثبات می شود.این مقدار را به عنوان دانسیته مرجع استفاده می کنیم.درصد ریز تخلخل های محاسبه شده برای نمونه های دیگردر جدول3نشان داده شده است.

جدول3:مقدار ریزتخلخل(%)در نمونه های کوئنچ شده در حال انجماد برای عملیات های گوناگون جدول 3-1 جدول3-2 مقدار ریز تخلخل بدست آمده برای نمونه های در هوا سرد شده ٬تاثیر نهائی عملیات بهسازی در تشکیل ریز تخلخل ها را نشان می دهد.بیشترین مقدار مشاهده برای ذوب بهسازی شده با سدیم(Na) و بعد از آن برای ذوب بهسازی شده با استرانسیم(Sr) وبعد از آن برای ذوب بهسازی نشده می باشد.کمترین مقدار مک ها برای نمونه های ریز دانه شده با آنتیموان(Sb) بدست آمده است.این ترتیب برای نمونه میله ای ریخته شده در ماسه هم مشاهده می شود نتایج آنالیزهادر جدول3 نشان داده شده است که سرعت افزایش مقدار مک ها را بعد از شروع واکنش یوتکتیک برای همه ذوب ها نشان می دهد.

مقدار مک ایجاد شده در طول انجماد یوتکتیک در محدوده 0.7_0.6% می باشد.

شرایط انجام آزمایش با مقدار هیدروژن از این قرارمی باشد: برای ذوب های بهسازی نشده ،مقدار جوانه تخلخل در حین رشد دندریت خیلی کوچک می باشد،بنابراین تقریبا همه تخلخل ها به علت جوانه زنی مک ها ورشد در حین واکنش یوتکتیک بوجود می آیند.

در مورد ذوب های بهسازی شده،جوانه زنی تخلخل وشروع رشدپائین تر از است که در شروع واکنش یوتکتیک به مقداری درحدود 48/0% برای نمونه های بهسازی شده با سدیم(Na) می رسد.

در حین واکنش یوتکتیک ،سرعت رشد، مشابه سرعت رشد ذوب های بهسازی نشده می باشد.

برای ذوب های ریز دانه شده با آنتیموان(Sb) ،شروع جوانه زنی حباب ها بعد از واکنش یوتکتیک انجام می شود.همچنین در این مورد ،سرعت رشد حباب ها مشابه ذوب های بهسازی نشده میباشد.

رویداد انجماد نشان می دهد که تشکیل حفره در آلیاژ های آلومینیوم به این صورت می باشد: 1-برای شروع انجماد در :مقدار انقباض انجماد به وسیله توده مذاب تغذیه کننده وتغذیه بین دندریتی به آسانی جبران می شود(برای همه عملیات ها).

2- از تا شروع واکنش یوتکتیک: در آلیاژهای بهسازی نشده و ریز دانه شده با Sb تحرک مذاب بین دندریتی باندازه کافی از تشکیل مک جلوگیری می کند.در ذوب های بهسازی شده ،تحرک به شدت کاهش می یابدو مقدارانقباض بوسیله تشکیل حفره جبران می شود.

3- بطور کلی بعد از واکنش یوتکتیک:نفوذ پذیری بین دندریت ها وبین سلول ها به علت حجم زیاد جامد کاهش می یابد .بعد از آن ،مقدار انقباض انجماد به طور چشمگیری به وسیله تشکیل حفره در همه موارد جبران می شود.

بر اساس این ترتیب رخداد ها ،ما می توانیم بیشترین گرایش تشکیل ریزتخلخل ها را به ذوب های بهسازی شده نسبت دهیم به علت اینکه تحرک مایع بین دندریتی کاهش می یابد که بین دماهای و می باشد.در این محدوده یک فاز مایعی وجود دارد که در آن سیلسیم ،منیزیم ،آهن وعناصر بهساز متمرکز شده اندوهمچنین فاز جامد با شبکه دندریتی وجود دارد.عنصر بهساز می تواندخواص فاز مایع از قبیل ویسکوزیته یا نفوذ پذیری را تغییر بدهدو همچنین بر مورفولوژی دندریتها تاثیر بگذارد.

نتایج متالوگرافی: در نمونه های کوئنچ شده،مذاب باقی مانده قبل از کوئنچ با آب وجود دارد ،یک ریز ساختار خیلی ریز دانه شده ایجاد شده است که به راحتی نسبت به فازهای که قبلا جامد شده اند قابل تشخیص می باشد.

نمونه های کوئنچ شده از : ریز ساختار نمونه های کوئنچ شده از مشابه با همه عملیات ها می باشد.این ریز ساختار a-دندریت ها ومایع سریع سرد شده.این نمونه ها هیچ گونه تخلخلی را نشان نمی دهند.

نمونه های کوئنچ شده : نمونه های کوئنچ شده از همانند نمونه های کوئنچ شده از می باشند،بجزوجودa-دندریت های بزرگ(در حدود 50%) وعدم وجود a-دندریت های خیلی کوچک در داخل منطقه یوتکتیک.

در نمونه های ریز دانه شده با آنتیموان تخلخلی دیده نمی شود ولی در نمونه های بهسازی نشده تخلخل ها به صورت خیلی ریز وجود دارند.در نمونه های بهسازی شده با استرانسیم وسدیم تخلخل های بزرگ کروی دیده می شود.

حفراتی که در بین دندریت ها زده می شوند مورفولوژی آن ها تا ایجاد یک شکل نا منظم تغییر می کند(بین دندریتی) این موضوع برای حفرات در حال رشد ودر تماس با جامد می باشد(a-دندریت ها).

اما در قسمت مایع بیشتر می باشد(در حدود 50%) وبه همین دلیل تماس پیدا کردن حفره با دندریت ها به ندرت اتفاق می افتد.

همچنین بیشتر حفرات تشکیل شده قبل از واکنش یوتکتیک کروی می باشند.

نمونه های کوئنچ شده در شروع یوتکتیک و اواسط یوتکتیک: در نمونه های ریز دانه شده با آْنتیموان و بهسازی نشده که در شروع واکنش یوتکتیک کوئنچ شده اند،ساختار کاملا رشد پیدا کرده a-دندریت دیده می شود و همچنین مقدار زیادی هسته های یوتکتیک کوچک با فاز سیلیس لایه ای وجود دارد.

در نمونه های بهسازی نشده،مقدار زیادی ریز تخلخل کوچک در قسمت مایع وجود دارد.در نمونه های ریز دانه شده با آنتیموان ریز تخلخل وجود ندارد.نمونه های بهسازی شده با استرانسیم وسدیم وکوئنچ شده در شروع واکنش یوتکتیک( )ساختار دندریتی a ،مک های بزرگ و یک تعداد کمی هسته های یوتکتیک بزرگ را نشان می دهد.تعداد کم هسته های یوتکتیک حاصل واکنش عناصر بهساز می باشند.

فاز سیلیس به علت نیاز داشتن به یک لایه زیرین برای رسوب کردن، فصل مشترک حباب /مایع را انتخاب می کند.قابل توجه است که فاز سیلیس به صورت شعاعی در اطراف حباب رشد می کند که هم مرکز با هسته یوتکتیک می باشد.

.هسته های یوتکتیک جامد شده اطراف حباب های کروی ایجاد می شوند که این موضوع وجود حباب های کروی را در آلیاژ های بهسازی شده تثبیت می کند.

در ادامه انجماد ،مقدار انقباض و سگرگاسیون هیدروژن به جوانه زنی حباب های جدید کمک می کند ،در حالی که حباب های از قبل شکل یافته توسط یوتکتیک جامد احاطه شده اند.بیشتر این حباب های جدید باید شکل نا منظمی داشته باشندزیرا قسمت جامد در حال رشد می باشد.

در آلیاژ های بهسازی نشده (یا ریز دانه شده با آنتیموان) ،هسته های یوتکتیک شکل نا منظمی دارند.

همچنین حباب های جدید در حال رشد در تماس با جامد یک شکل نا منظمی پیدا دارند(بین دندریتی).بازو های هسته های یوتکتیکی به اندازه ای کوچک می باشند که حباب ها می توانند اطراف آنها رشد می کنند.ممکن است که حباب ها به صورت تخلخل های خوشه ای شکل درتصاویر متالوگرافی ظاهر شوند.

در آلیاژ های بهسازی شده با استرانسیم وسدیم، فصل مشترک هسته های یوتکتیک نا منظم می باشد.دراین مورد ،حفره های جدید که شکل نا منظم دارند ،به طور جزئی مورفولوژی بین دندریتی پیدا می کنند.به علاوه اینکه ،چون هسته های یوتکتیک بزرگ می باشند ،حباب های جدید به سختی می توانند اطراف آنها رشد کنند.همچنی در این مورد آنها شکل رشته ای ندارند.در نمونه های کوئنچ شده از اواسط واکنش یوتکتیک ،ساختار دندریت های a ،هسته های یوتکتیک دیده می شود.در نمونه های بهسازی نشده(ریز دانه شده با آنتیموان)حفرات نامنظم در حال رشد و خوشه ای شکل وجود دارد(احاطه شده توسط بازوهای هسته یوتکتیک).

نمونه های بهسازی شده دارای حفرات کروی احاطه شده توسط یوتکتیک می باشند و همچنین حفرات نا منظم در قسمت مایع در حال رشد می باشند.

نمونه های درهوا سرد شده: ریز ساختار نهائی نمونه ها ،تفاوت ها در اندازه و توزیع حفرات و فاز سیلیس یوتکتیک نشان می دهد.فاز سیلیس در نمونه های ریز دانه شده با آنتیموان و بهسازی نشده لایه ای می باشد ،در حالی که فاز سیلیس در آلیاژ بهسازی شده رشته ای و بسیار ریزمی باشد.حفرات درآلیاژ های بهسازی نشده و ریزدانه شده با آنتیموان ،نا منظم و با مورفولوژی بین دندریتی و خوشه ای می باشند.درآلیاژ های بهسازی شده دو نوع حفره وجود دارد:یکی کروی ودیگری نا منظم(به طور جزئی بین دندریتی).

مقدار حفره شکل یافته بعد از واکنش یوتکتیک برای هر ذوب و همه عملیات ها یکسان می باشد.درمورد مقدار حفره تشکیل شده قبل از واکنش یوتکتیک ، درآلیاژهای بهسازی شده و بهسازی نشده تفاوت هائی مشاهده می شود.

باید تاکید کرد که آلیاژ هائی که شامل مقدار هیدروژن بالاتر از باشند ،احتمالا در طول انجماد آنها، رخداد هائی روی می دهدکه متفاوت با مطالب قبلی خواهد بود.در آلیاژ های بهسازی نشده با مقدار هیدروژن بالاتر ،حفرات می توانند زودتر تشکیل شوند که در نتیجه تعداد زیادتری حفرات کروی ایجاد خواهد شد.

خلاصه مشخصات اصلی ریز ساختار تکامل یافته آلیاژ های بهسازی نشده ،ریز دانه شده با آنتیموان و بهسازی شده با استرانسیم وسدیم در طول انجماد ،در جدول 4 آمده است.بیشترین تفاوت های قابل توجه مربوط به تغییرات ریز ساختاری بهسازی شده است که تعداد هسته های یوتکتیک کاهش ،مورفولوژی یوتکتیک/ مایع و قطعا مورفولوژی فاز سیلیس تغییر یافته است.