جوانه زا ، Modifiers، nucleant

انجماد عامل ایجاد بسیاری از ویژگی های ساختمانی است که کنترل کننده خواص محصول نهایی هستند. بسیاری از نواقص ریخته گری از قبیل انقباض و تخلخل گازی از فرایند انجماد حاصل می شوند، که با دقت در فرایند و اشراف به نواقص حاصله تا حدود زیادی می توان از شدت این نواقص بکاهیم. هر فرایند انجماد شامل دو مرحله می باشد که عبارتند از : جوانه زنی و رشد.
 

جوانه زنی
 هنگامی که یک ذره جامد و پایدار در مایع مذاب تشکیل شود به این عمل جوانه زنی (هسته سازی) می گوییم. هنگام تبدیل به فاز جامد انرژی داخلی ماده کاهش می یابد ، زیرا در دماهای پایین تر، فاز جامد پایدارتر از فاز مایع است. در همین هنگام سطوح مشترکی بین نطفه های جامد و مایع مذاب اطراف تشکیل می شود که این عمل نیازمند انرژی است. به همین علت جوانه زنی در دمایی که قدری کمتر از نقطه ذوب تعادلی فلز است، شروع می شود. به اختلاف بین دمای نقطه ذوب و دمای شروع جوانه زنی، فوق تبرید می گویند.
 دربیشترکارگاه های بزرگ ریخته گری قبل ازریختن مذاب به درون قالب مقداری ناخالصی به آن اضافه می کنند ( به این عمل تلقیح یا پالایش دانه نیز می گویند). دلیل این کار این است که در این حالت انجماد بدون ایجاد یک فصل مشترک کامل گرد هسته صورت می گیرد.معمولا جداره های داخلی قالب و ذرات جامدی که به عنوان ناخالصی وارد مذاب شده اند، این سطوح را تشکیل می دهند. از آنجا که هر جوانه به بلور یا دانه ای در قطعه ریختگی منجر می شود و از طرفی ساختار ریز دانه دارای خواص مکانیکی و استحکام بهتری است، لذا هر عاملی که موجب هسته گذاری شود موجب بالا رفتن کیفیت محصول نهایی می شود. در نتیجه ذرات جامد ناخالصی مکانهای زیاد مناسبی برای جوانه زنی در سرتاسر قطعه به وجود می آورند و در نتیجه محصول ریزدانه و یکنواخت به دست می آید.

 رشد
 رشد وقتی صورت می گیرد که گرمای نهان ذوب به طور پیوسته از فاز مایع خارج شود.جهت، آهنگ و نوع رشد با با نحوه خارج کردن حرارت از فاز مایع ارتباط دارد. برای جبران نقیصه انقباض ، ماده مذابی که در طرف مایع وجود دارد، به طور پیوسته به طرف قالب جریان می یابد. هرچه آهنگ سرد کردن سریع تر باشد، ماده حاصله ریزدانه تر و در نتیجه دارای خواص مکانیکی بهتری خواهد بود.

اگر بنا باشد مذاب فلزي روي سطح يک عامل خارجي(جوانه زني غير همگن)، خواه ديواره هاي ظرف باشد و يا ناخالصي هاي غير قابل انحلال منجمد گردد لازم است که سطح اين عامل توسط مايع خيس شود. لازمه بعدي تشکيل اين جوانه اين است که مايع بتواند به سهولت روي عامل خارجي منجمد شود.

به اين دليل زاويه تماس بين سطح عامل خارجي و فلز جامد داراي مفهوم تئوريکي مهمي در تشکيل جوانه مي باشد. هنگامي که زاويه q کوچک است، فصل مشترک بين عامل خارجي و جامد داراي انرژي سطحي کمتري بوده و تحت اين شرايط اتمهاي فلز مايع به سهولت تشکيل نطفه فلز جامد را روي سطح عامل خارجي مي دهند .

زيرا سيستم تمايل به از بين بردن فصل مشترک مايع و عامل خارجي را که داراي انرژي زياد مي باشد دارد. اگر q، برابر 180 درجه باشد، فلز مايع به سهولت روي سطح عامل خارجي منجمد نمي شود چون در اين حالت انرژي فصل مشترک بين عامل خارجي و جامد زياد است. درنتيجه درجه اثر هر جسمي به عنوان کاتاليزور جوانه زني تابعي از زاويه تماس مي باشد که توسط عواملي از قبيل ساختمان شبکه کريستالي عامل خارجي و فلز جامد و ماهيت شيميايي سطح عامل خارجي تعيين مي گردد.

وقتي که زاويه کوچک است جوانه زني با مقدار کمي فوق تبريد اتفاق مي افتد زيرا رشد نطفه نيز در جهت از بين بردن فصل مشترک مايع و عامل خارجي يعني در جهت تقليل انرژي مي باشد و اگر زاويه تماس بزرگ باشد مقدار فوق تبريد بيشتري براي شروع جوانه زني لازم است. اغلب فلزات تجارتي داراي تعداد کافي ناخالصي هاي غير قابل انحلال مختلف بوده که باعث شروع جوانه زني با فوق تبريد به مقدار 1 تا 10 درجه مي گردد، اگر براي مقاصد معين تعداد هسته هاي موجود کافي نباشد ممکن است از تلقيح عوامل جوانه زني به مذاب استفاده کرد.

در اينجا لازم است اشاره گردد که در کاربرد مواد جوانه زا و يا کاربرد عواملي که باعث ريز شدن دانه مي گردند بايد دقت کافي مبذول داشت و تمام جوانب را در نظر گرفت. عامل جوانه زا ماده اي است که عمدا" به مذاب جهت ايفاي نقش کاتاليزور جوانه زني اضافه مي شود.

ماده اضافه شده ممکن است ترکيبي غير محلول در مذاب باشد که ايجاد زاويه تماس کوچکي را با مذاب بنمايد و يا ممکن است ماده اي باشد که با مذاب واکنش داده و سپس توليد کاتاليزور جوانه زني را بنمايد. ماهيت واقعي يک عامل جوانه زاي خوب براي فلز بخصوصي به ندرت کاملا شناخته شده است و در عمل مواد جوانه زا به طريق ازمايش و خطا تعيين مي گردند.

در علت به کار بردن مواد جوانه زا بايد گفت که ميزان جوانه زني، ساختمان نهايي و خواص فلز منجمد شده را تعيين مي نمايد. هر دانه کريستالي از رشد يک جوانه بوجود مي ايد و تعداد جوانه قابل حصول در مذاب اندازه دانه هاي نهايي را در ساختمان قطعه منجمد شده تعيين مي نمايد و اندازه دانه ها خود تاثير بسزايي روي خواص قطعه بر جاي مي گذارد. براي بسياري از مقاصد بخصوص انجا که استحکام بيشتر مورد نظر است ساختمان با دانه هاي ريز توصيه مي گردد واين بدان معني است که تعداد زيادي هسته بايد در مذاب بوجود اورد و سرعت سرد کردن را نيز بايد کنترل کرد تا هسته ها فرصت عمل کردن پيدا کنند. سرعت سرد کردن در جوانه زني نقش مهمي دارد زيرا احتمال دارد که تمام هسته ها کاملا در يک زمان عمل نکنند و اين شايد بعلت ان است که تمام مايع در يک درجه حرارت نبوده و تمام هسته ها در يک مقدار فوق تبريد عمل نمي کنند. اولين کريستالهايي که به صورت جوانه در امده اند رشد نموده تا به کريستالهايي که در حال رشدند برخورد نمايند. اگر زمان بين مراحل جوانه زني طولاني باشد، کريستالها بزرگ شده و بعضي از کاتاليزورهاي جوانه زني را که ممکن بود توليد دانه جديد بکنند جذب مي نمايند.

اگر سرعت سرد کردن سريع باشد تعداد زيادي از هسته ها اين فرصت را پيدا خواهند کرد که به صورت مراکز جوانه قبل از انکه بوسيله دانه هايي که در حال رشد هستند جذب شوند عمل نمايند. افزايش عوامل جوانه زاي شناخته شده تا ميزان معين اين امکان را مي دهد که انجماد را کنترل کرده و ساختمان نهايي ان را به دست شانس نسپاريم. سرعت سرد کردن کنترل شده و افزايش عوامل جوانه زا روشهاي متعارفي براي ايجاد قطعات ريختگي با دانه بندي مورد نظر مي باشند.

 

با ورود برخی فلزات و فرو الیاژها به صورت حساب شده در بیس فرو سیلیس  با ترکیباتی نظیر زیر کونیوم ، استرنسیوم و باریوم در دانه بندی های مختلف به مذاب چدن و فولاد ، گرافیت بصورت ورقه ای درساختار فلز در خواهد آمد . که این مسئه با کنترل سرعت در ایجاد نفطه یوتکتیک صورت میپذیرد . در گذشته بدون اطلاع از این مورد فروسیلیس با دانه بندی ریز برای رسیدن به این هدف استفاده     می گردید . توضیح اینکه استرنسیوم برای چدن خاکستری و فولاد و زیرکونیوم مناسب برای چدن داکتیل است ذیلا مشخصات برخی از این مواد جوانه زا قابل ارائه دراین شرکت به شرح زیر اعلام میگردد .

ادامه نوشته