آزمایشگاه ماسه و مواد قالب گیری رشته متالورژی

با شروع ریخته‌گری فلزات از صدها سال پیش، کیفیت مواد دیرگداز به کار رفته در ساخت قالب‌ها و ماهیچه‌ها، روز به روز اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. در ابتدای کار به کیفیت ماسه توجه چندانی نمی‌شد ولی با توسعه تکنولوژی قالب‌های ماسه‌ای و بوجود آمدن چسب‌های جدیدتر، آگاهی از خواص شیمیایی و فیزیکی ماسه‌های ریخته‌گری اهمیت بیشتری پیدا کردند. اکنون حداقل شرایط لازم برای ماسه‌ها مناسب ریخته‌گری به صورت زیر در نظر گرفته می‌شود:
1- دارا بودن پایداری حرارتی و ابعادی در درجه حرارت‌های بالا
2- شکل و ابعاد مناسب ذرات ماسه‌
3- عدم واکنش با فلز مذاب
4- تر شوندگی کم با مذاب
5- عدم وجود مواد فراری که بر اثر حرارت دیدن تولید گاز می‌کنند
6- در دسترس بودندر مقایر زیاد و قیمت‌های معقول
7- تمیزی و پایداری PH
8- سازگاری با چسب‌های شیمیائی جدید، همراه با توسعه این مواد.
اگر چه بسیاری از کانی‌های صنعتی موجود بعضی از خواص فوق را دارا هستند اما فقط تعداد معدودی از آنها تمام خواص فوق را دارا می‌باشند.در ادامه بحث به بررسی اجمالی در مورد انواع ماسه های مورد استفاده در ریخته گری پرداخته می­شود.
1.1. ماسه‌های سیلیسی
سیلیس اصطلاح رایج به کار رفته برای SiO2 از کانی کوارتز می‌باشد. سیلیس در موارد متعددی در صنعت از جمله در ماسه‌های ریخته‌گری، مواد سایا در ماسه پاشی (Sand blast abrasives)، بتونه‌ها (fillers)، شیشه‌ها، مواد شیمیائی و مواد دیرگداز به کار برده می‌شود. بطور کلی سیلیس دارای خواص زیر است:
1- فراوانی وارزان بودن
2- سهولت استخراج
3- سختی و مقاومت در برابر سایش
4- قابلیت دسترسی در ابعاد دانه متنوع
5- مقاومت در برابر خورندگی مذاب و سرباره‌های اسیدی.
ماسه‌های سیلیسی به علت ارزانی مصرف زیادی دارند ولی نمی‌توان آنها را در تمامی کاربردهای ریخته‌گری به کاربرد. این مساله به سبب موارد زیر است:
1- از نظر حرارتی پایدار نیستند و در اثر تحولات فازی منبسط و بر اثر سردشدن منقبض می‌شوند.
2- توسط مذاب بعضی از انواع فلزات و آلیاژها، تر می‌شوند.
3- PH و مقادیر اسید لازم در مورد سیلیس از معدنی به معدن دیگر، فرق می‌کند.
4- چگالی آنها کم است و ایجاد تبرید نمی‌کنند.
5- تا حدودی برای سلامتی مضر بوده و استفاده از آنها روز به روز محدودیت قانونی بیشتری پیدا می‌کنند.
مهمترین ضعف ماسه های سیلیسی ناپایداری حرارتی آنها است. دردمای 573 درجه سانتی‌گراد (1064 درجه فارنهایت) سیلیس به کوارتز بالایی(High-quartz) تبدیل می‌شود. این تبدیل که توأم با انبساط ماسه است، یک واکنش گرماگیر بوده و حرارت را جذب می‌کند.  از آنجائی‌که کوارتز بالایی ناپایدار است، در حین سرد شدن در 573 درجه سانتی‌گراد تحت تأثیر عکس واکنش قرار گرفته و دوباره به شکل کوارتز پایینی (Low-quartz) تبدیل می‌شود. بر اثر این تغییر مجدداً ماسه منقبض می­شود. اگر کوارتز به دمای بیش از 870 درجه سانتی‌گراد (1598 درجه فارنهایت) برسد، در صورتی‌که ذرات سیلیس سرد گردد، در سرد کردن مجدد شیشۀ سیلیسی (Silica –glass) بوجود می‌آید. ناخالصی‌های مایعی اغلب در کوارتز دیده می‌شوند این ناخالصی‌ها ممکن است آب، CO2 یا هر دوی آنها باشند.
1.2.ماسه الیویني
سنگ‌های معدنی الیوین و چگونگی پیدایش آنها از نظر زمین‌شناسی مشابه با کرومیت می‌باشند. انبساط حرارتی الیوین به مراتب کمتر از سیلیس ولی بیش از سایر ماسه‌های با کیفیت ویژه است. الیوین به‌عنوان یک ماسه با کیفیت ویژه مطرح است. شکل دانه‌های آن معمولاً گوشه‌دار است و به‌خاطر بالا بودن مقدار PH آن و زیاد بودن مقدار اسید لازم، استفاده از آن برای بعضی از روش‌های خاص چسبهای رزینی، مناسب نمی‌باشد. ناخالصی‌های ماسه مقاومت آن را در مقابل خورندگی سرباره‌ها کم می‌کنند. پایداری این نوع ماسه تحت شوک حرارتی از ماسه‌های زیرکونی و کرومیتی کمتر است. خواص فیزیکی بر حسب ترکیب شیمیائی از معدنی تا معدن دیگر تفاوت می‌کند. الیوین به‌سادگی تغییر حالت می‌دهد. در حقیقت فرم تغییر یافتۀ آن بیشتر از فرم تازه آن یافت می‌شود. متداول‌ترین فرم تغییر یافتۀ آن، سیلیکات‌های آبدار منیزیم (سرپنتین) است.
1.2.1.خواص ماسه‌های الیوینی
الیوین در بین ماسه‌های با کیفیت ویژه از همه ارزانتر است ولی به‌مراتب گرانتر از ماسۀ سیلیسی است. ساختمان بلوری الیوین از سایر ماسه‌های با کیفیت ویژه، پیچیده‌تر می‌باشد. ناخالصی‌هائی از قبیل مانیتیت، آلومیناتهای Zn, Fe, Mg و Mn، آپاتیت (فسفات مضاعف کلیسم و فلوئور) ، مایعات و گازهائی معمولاً در آن وجود دارد. که در تماس با حرارت فلزات این ناخالصی‌ها تجزیه شده و مقدار زیادی انیدرید کربنیک و بخار آب تولید می‌کنند که باعث بروز حفره و مک در قطعات ریختگی می‌شود. لذا اغلب کلسینه کردن و شستشو و دانه‌بندی ماسه قبل از مصرف الزامی به نظر می‌رسد.
- خواص فیزیکی
وزن مخصوص الیوین بین 7/32 تا 7/33 گرم بر سانتی‌متر مکعب است که در مقایسه با سیلیس با وزن مخصوص 65/2 الیوین حدوداً 25 درصد سنگین‌تر است و این یکی از معیاب الیوین به حساب می‌آید زیرا برای قالب‌های ماسه‌ای با حجم مساوی، الیوین وزن بیشتری را دارا می‌باشد. البته سنگینی مواد قالب‌گیری نیز مزایائی دارد. از جمله به کوبش ضربه‌ای (Jolt-ramming) در قالب‌گیری ماشینی، به خاطر افزایش وزن ماسه کمک می‌شود و قالب‌های بزرگ در این حالت به میله و قانجاق گذاری کمتری احتیاج دارند. در حقیقت کاملاً منطقی به‌نظر می‌رسد که به هنگام بکار بردن الیوین در انتخاب ابعاد درجه تجدیدنظر نمائیم، زیرا هنگام قالب‌گیری حجم کمتری از ماسه مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حالت کلی به‌خاطر بالابودن چگالی در قالب‌گیری دستی الیوین تا حدی محدودیت ایجاد می‌کند.
- خواص شیمیایی
الیوین جزء مواد دیرگداز با طبیعت بازی است و این امر باعث می‌شود که چسبدار شدن در سیستم‌هائی که دارای کاتالیزور اسیدی هستند بطور اقتصادی انجام نگیرد. با وجود آنکه در بعضی مواقع از این نوع ماسه برای ساختن قالب‌های پوسته‌ای با چسب‌های رزین استفاده می‌کنند ولی راندمان چسبدار شدن آن به خاطر زیاد بودن سطح ماده و طبیعت بازی آن، نسبتاً پایین می‌باشد. این نوع ماسه توسط چسب‌های غیرآلی نظیر بنتونیت، سیلیکات سدیم و فسفاتها به‌سادگی چسبدار می‌شود ولی در عین حال بسیاری از خاک رس‌های متداول در ریخته‌گری با الیوین وارد واکنش شده و باعث سیال کردن آن می‌شوند. مواد آلومینایی نیز همانند مواد سیلیسی با الیوین وارد واکنش می‌شوند. طبیعت و شدت این واکنش‌ها بستگی به درجه حرارت عمل دارد. ماسۀ الیوینی بطور وسیعی در تولید قطعات ریختگی از جنس فولادهای آستنیتی منگنزدار بکار می‌رود. زیرا سرباره‌های اکسید منگنز که بر روی ماسۀ سیلیسی اثر تخریبی دارند، با آن وارد واکنش نمی‌شوند.
- خواص در درجه حرارت‌های بالا
مشخصات قابل قبول برای ماسه‌های الیوین بدین‌صورت در نظر گرفته می‌شود که حداقل فرستریت باید 80% باشد. در هر حال چنین الیوینی دارای نقطۀ ذوبی حدود 1800 درجه سانتی‌گراد است که بدیهی است برای کارهای ریخته‌گری مناسب می‌باشد.
الف- ویژگی‌های انبساطی
 الیوین نسبت به سیلیس انبساط حرارتی کمتری دارد. واضح است که هر چه میزان انبساط حرارتی کمتر باشد احتمال بروز عیوب انبساطی نظیر ماسه‌ریزی ورگه دار شدن کمتر خواهد بود.
ب- هدایت حرارتی
تمایل به ماسه‌ریزی یا ماسه‌سوزی در قطعات ریختگی، حداقل تا حدی، به سرعت تشکیل پوسته در سطح مشترک فلز ـ مذاب بستگی دارد. طبق گزارشات ارائه شده هدایت حرارتی الیوین بینا بین کاربید سیلیسیم و سیلیس است. هدایت حرارتی زیاد جزء خواص لازمۀ یک قالب به حساب می‌آید، به‌خصوص در حالتی که کنترل سرعت انجماد مورد نظر باشد.
پ -تقلیل وزن حرارتی (Loss on ignition)
ماسه الیوینی که حاوی سرپنتین است دارای تقلیل وزن حرارتی زیاد بوده و در اثر احتراق از خود کاهش وزن نشان می‌دهد. این امر به خاطر خروج آب تبلور سیلیکات منیزیم آبدار (سرپنتین) در درجه حرارت‌های بالا می‌باشد. همانطوری که قبلا اشاره شد سرپنتین در اثر آلتراسیون و مرور زمان در الیوین بوجود می‌آید و هر چه مقدار گذشت زمان بیشتر باشد، مقدار آن بیشتر و الیوین نامرغوب‌تر خواهد بود. این کانی نامطلوب در معرض حرارت، بخار آب متصاعد کرده و باعث ایجاد حفره و مک در قطعات ریختگی می‌گردد در ضمن مقدار زیادی آن دیرگدازی را کاهش داده و پایداری ماسه را کم می‌کند.
در ماسه‌های الیوینی مقدار تقلیل وزن حرارتی (L.O.I) نباید از 35/1% تجاوز نماید
1.3. ماسه کرومیتي
عنصر کرم (Cr) با عناصر آهن (Fe)، منیزیم (Mg)، کلسیم (Ca)، سرب (Pb)، مس (Cu)، فسفر (P) و گوگرد (S) ترکیب شده و کانی‌های مختلفی را بوجود می‌آورد. از بین این کانی‌ها فقط از کرومیت (FeCr2O4) به‌عنوان کانی معدنی جهت استخراج کرم، ترکیبات کرم‌دار، مواد شیمیائی و ماسه‌های ریخته‌گری استفاده می‌شود.
حدود 60% کرومیت تولیدی جهان در متالورژی مصرف می‌شود و 20% آن به‌عنوان مواد دیرگداز، 12% آن به‌عنوان مواد شیمیائی و بالاخره 8% آن به‌عنوان ماسه ریخته‌گری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ماسۀ کرومیتی از اوائل سال 1960 میلادی (حدود 1340 هجری شمسی) جای خود را در صنایع ریخته‌گری دنیا باز کرد. در این زمان به علت محدودیت ذخایر زیرکون و به‌دنبال افزایش قیمت آن، ریخته‌گران از کرومیت به‌عنوان جانشین زیرکون استفاده کردند. هم اکنون این ماده به‌عنوان ماسه با کیفیت ویژه جای خود را کاملاً باز کرده است و این امر به‌خاطر خواص ذکر شده آن می‌باشد.
خواص مهم ماسه‌های کرومیتی عبارتند از:
1- پایداری حرارتی خوب.
2- خواص تبریدی خوب.
3- توسط مذاب فلزات به‌سادگی تر نمی‌شود.
4- با دانه‌بندی صحیح مقاومت خوبی در مقابل نفوذ مذاب از خود نشان می‌دهد.
5- دیرگداز خیلی خوب است.
6- از نظر شیمیائی وارد واکنش نمی‌شود.
بعضی از معایب ذکر شده برای ماسه‌های کرومیتی عبارتند از:
1- انبساط آن تقریباً دو برابر ماسه زیرکونی است.
2- دانه‌های آن به اندازه زیرکن کروی نیستند.
3- حضور ناخالصی‌های آبدار در بعضی موارد، استفاده از کرومیت را در سیستم‌های با چسب رزینی دچار اشکال می‌کند.
4- تا حدی قلیائی بودن آن، باعث افزایش مقدار اسید لازم نسبت به زیرکون می‌شود.
5- وجود ناخالصی‌های آبدار ممکن است باعث بوجود آمدن مک‌های سوزنی (Pinholes) و جوشیدن بار (Blowing) شود.
کرومیت معمولاً سیاه رنگ و دارای سطح شفاف است ولی گاهی نیز انواع کدر آن دیده شده است.
جهت تعیین تقلیل وزن حرارتی (L.O.I) لازم است که کرومیت در یک اتمسفر غیراکسیدی از قبیل محیط گاز ازت بدون اکسیژن یا گاز آرگون بدون اکسیژن حرارت داده شود. کانی خالص کرومیت هیچگونه آب یا سایر مواد فرار مربوط به آن را ندارد ولی در بعضی انواع تجارتی آن به خاطر وجود ناخالصی‌ها و محصولات حاصله ممکن است مقدار مواد فرار به 2/2% نیز برسد، در بعضی موارد نیز وجود ناخالصی‌های سیلیکاتی آبدار نظیر سرپنتین باعث بالا رفتن مقدار مواد فرار و ایجاد حفره و مک در قطعۀ ریختگی و جوشیدن بار می‌شود. این موضوع در تحقیقاتی با اضافه کردن مصنوعی سرپنتین به اثبات رسیده.
 1.3.1.  خواص ماسه‌های کرومیتی
- خواص فیزیکی
ماسه کرومیتی دارای وزن مخصوص بالا و در حدود 45/4 تا 65/4  است. سختی آن برابر 5/5 موس (Mohs) و چگالی حجمی آن (نسبت وزن توده به حجم کل آن) 7/2 تا 9/2  است. به‌خاطر بالا بودن چگالی حجمی و تخلخل کم، جذب رطوبت آن خیلی کم و حداکثر 3 تا 4 درصد است که در ریخته‌گری این موضوع حائز اهمیت می‌باشد. زیرا جذب رطوبت زیاد باعث معیوب شدن قطعات ریختگی و بروز حفره و مک در آنها می‌گردد. دانه‌های کرومیت در طبیعت به‌شکل گوشه دار یا مدور می‌باشند.
- خواص در درجه حرارتهای بالا
الف- دیرگدازی و درجه حرارت زینتر
 براي کرومیت خالص در حدود 2200 درجه سانتی‌گراد است. ترکیبات فرعی و ناخالص‌های موجود در کرومیت باعث تقلیل این درجه حرارت می‌شوند. ماسه‌های کرومیتی با خلوص مورد قبول برای صنایع ریخته‌گری دارای دیرگدازی تا حدود 1900 درجه سانتی‌گراد می‌باشند. نقطۀ زینتر (ذوب سطحی ذرات ماسه که در اثر آن دانه‌های ماسه بهم می‌چسبند) ماسه‌های کرومیتی بین 1350 تا 1550 درجه سانتی‌گراد است.
                                            
ب- هدایت و ظرفیت حرارتی
براي کرومیت و سیلیکات زیرکونیم ، با افت درجه حرارت ، هدایت حرارتی افزایش می‌یابد در صورتی‌که در مورد شاموت و کوارتز بر عکس است. همچنین به علت کم بودن هدایت حرارتی سیلیس و شاموت و در نتیجه عدم قابلیت خوب انتقال حرارت به طرف سطح خارجی قالب، خطر تجمع حرارتی در مواقع افزایش بحرانی درجه حرارت، وجود دارد.
پ- انبساط حرارتی
 انبساط حرارتی ماسه کرومیتی بیشتر از ماسۀ زیرکونی ولی بطور قابل ملاحظه‌ای کمتر از ماسه کوارتزی است.
روش استاندارد کردن ماسه‌های کرومیتی مشابه روش‌های متداول و استاندارد شده برای ماسه‌های سیلیسی است و استاندارد کشورهای گوناگون نیز مشابه یکدیگر هستند و فقط تفاوت‌هایاندکی ملاحظه می‌شود.

ادامه در لینک دانلود کل مطلب32 صفحه