هدف : بررسی اثر جوانه زا بر ساختار قطعات ریختگی
جوانه زنی :
تشکیل مراکز یا هسته های انجماد ، معمولاً ممکن است به دو طریق یکنواخت ( طبیعی ) و غیر یکنواخت ( غیرطبیعی) صورت گیرد .
منظور از جوانه زنی یکنواخت این است که اتمهای فلز مذاب هنگام فراهم شدن شرایط انجماد بطور مستقل و بدون دخالت مواد ( اتمهای ) خارجی ، مرکز انجماد را تشکیل دهند . در حالی که در جوانه زنی غیر یکنواخت تشکیل هسته ها ، به کمک عوامل خارجی از قبیل مواد جامد شناور در مذاب و نیز جداره های محفظه قالب صورت می گیرد .
جوانه زنی یکنواخت ( طبیعی ) :
تشکیل هسته های انجماد به این طریق نیازمند شرایط بسیار ویژه ای است که در عمل ایجاد چنین شرایطی تقریباً غیر ممکن است . به طور کلی یک هسته انجماد هنگامی که در مذاب تشکیل می شود ، مرز یا فصل مشترکی را با مذاب اطراف خود بوجود می آورد که اتمهای مستقر در آن به دلایل نزدیکی به خواص مایع در طرف مذاب ، از انرژی و تحرک بیشتری برخوردار هستند . با آزاد شدن گرمای نهان انجماد هنگام تشکیل هسته ، ناپایداری اتمهای سطحی ( فصل مشترک ) نیز افزایش می یابد ؛ به گونه ای که اگر اندازه هسته از حد معینی کوچکتر باشد ، اتمهای مستقر در فصل مشترک ، از هسته جدا و به مذاب ملحق می شوند؛ اما در صورتی که اندازه این هسته از حد مذکور بزرگتر باشد ، هسته تشکیل شده پایدار می ماند و شروع به رشد می کند .
در مطالعات مربوط به انجماد که تشکیل هسته های انجماد معمولاً کروی در نظر گرفته می شود ، این معیار پایداری یا ناپایداری هسته ها ، به صورت پارامتری موسوم به اندازه شعاع بحرانی مطرح می شود .
بدین معنا که کلیه هسته های تشکیل شده ، با شعاعی کمتر از این شعاع بحرانی بلافاصله بعد از تشکیل مجدداً ذوب می شوند ، در حالی که ، هسته هایی که شعاع آنها بیشتر از شعاع بحرانی باشد پایدار می مانند و می توانند رشد کنند .
تشکیل هسته های یکنواخت پایدار مستلزم قرار گرفتن مذاب در شرایطی است که در آن ، حالت جامد فلز بمراتب پایدارتر از حالت مذاب آن باشد و شعاع بحرانی تا حد امکان کاهش می یابد و چنین شرایطی تنها با قرار گرفتن مذاب فلز در درجه حرارتی پایین تر از نقطه انجماد تعادلی ( مادون انجماد ) آن حاصل می گردد .
در شرایط عملی می توان با افزایش سرعت سرد شدن ، مذاب فلزات و آلیاژها را در مادون انجماد قرار داد و بدین ترتیب با کاهش دادن میزان شعاع بحرانی ، تشکیل هسته های پایدار را تسریع نمود .
جوانه زنی غیر یکنواخت :
همانگونه که در بحث جوانه زنی یکنواخت یا طبیعی به آن اشاره گردید شکل اساسی در تشکیل هسته های پایدار ، با وجود انرژی سطحی ناشی از حضور اتمهای ناپایدار در فصل مشترک هسته ـ مذاب می باشد و ناپایداری اتمها باعث می شود تا اندازه شعاع بحرانی افزایش یابد و در نتیجه تشکیل هسته های پایدار دچار مشکل و تاخیر گردد .
در عمل شرایط انجماد فلزات و آلیاژها به گونه ای است که هیچگاه چنین مادون انجمادی حاصل نمی گردد . علت این امر ، دخالت عوامل خارجی ، همچون ذرات جامد شناور در مذاب و نیز سطوح قالب به هنگام انجماد می باشد اغلب فلزات صنعتی دارای ناخالصی هایی می باشند که در حالت مذاب ، به صورت نامحلول در ان وجود دارند . این مواد تحت شرایط معینی می توانند به عنوان مراکز انجماد عمل کننده به اینصورت که با پیوستن اتمهای مذاب به سطح این مواد ، فصل مشترک پایداری بوجود می آید که در نتیجه آن نقش مادون انجماد به طور قابل ملاحظه ای کاهش پیدا می کند . سطوح قالب نیز به همین صورت می توانند تشکیل هسته های پایدار را تسهیل نمایند . تشکیل هسته های غیر یکنوت بطور شماتیک در شکل زیر نشان داده شده :
این نوع جوانه زنی که با استفاده از عوامل خارجی صورت می یگرد ، به جوانه زنی غیر یکنواخت ( غیر طبیعی ) موسوم هستند . تشکیل هسته ها در شرایط جوانه زنی غیر یکنواخت در مادون انجماد بمراتب کمتری از جوانه زنی یکنواخت صورت می گیرد .
اصولاً عوامل خارجی هنگامی می توانند در شروع جوانه زنی موثر واقع شوند که اصطلاحاً به وسیله مذاب " تر ( خیس ) " گردند . این خاصیت قابلیت آغشتگی نامیده می شود . میزان قابلیت آغشتگی معمولاً با زاویه تماس میان فلز جامد و سطح عامل خارجی مشخص می گردد .
جوانه زنی غیر یکنواخت هسته جامد بر روی جداره قالب
هنگامیکه زاویه تماس تا کوچک باشد مذاب ، سطح بیشتری از عامل خارجی را خیس می کند و بنابراین اتمهای فلز مذاب به آسانی لایه ای از فلز جامد را بر روی سطح عامل خارجی تشکیل می دهند . در صورتیکه زاویه تماس تا 180 افزایش یابد به دلیل کاهش قابلیت آغشتگی مذاب ، فلز مذاب نمی تواند بر روی عامل خارجی منجمد گردد . بنابراین ، میزان تاثیر هر ماده خارجی در جوانه زنی ، تابع مقدار زاویه تماس ( ) است که تعیین آن به طور موثری به عواملی همچون ثابت شبکه مربوط به فلز و عامل خارجی ، مساحت فصل مشترک آنها و نیز ماهیت شیمیایی سطح عامل خارجی بستگی دارد .
مواد جوانه زا :
حضور مواد خارجی با زاویه تماس مناسب در مذاب فلزات، ضمن تسریع تشکیل جوانه ، به ریزدانگی ساختار قطعه ریختگی منجمد می شود و در نتیجه بسیاری از خواص فیزیکی ، مکانیکی و شیمیایی قطعه ریختگی را تغییر می دهد .
عملیات جوانه زائی :
از مثبت ریز شدن دانه ها ، در خواص مکانیکی ، انقباض ، ترک و.. کاملاً واضح می باشد . دستیابی به ریزدانگی ، با اضافه کردن برخی عناصر به مذاب ، امکان پذیر می گردد . به مجموعه عناصر و فرآیندهایی که منجر به ریزدانگی می شود عملیات جوانه زائی می گویند .
در شکل زیر ریزدانگی را در نتیجه جوانه زائی را می توان مشاهده نمود .
روشهای جوانه زایی :
الف) جوانه زایی به وسیله هسته های خودی :
ب) جوانه زایی به وسیله هسته های غیر خودی :
روشهای هسته های خودی بیشتر برای فلزات خالص کاربرد دارد . مواد جوانه زا از جنس خود فلز خالص می باشد ، در این صورت ناخالصی وارد مذاب نمیشود . بازدهی این روش به دلیل ذوب سریع جوانه زا حاکم است و جز در موارد خاصی بکار نمی رود .
روش هسته های غیر خودی عمومیت دارد و شامل کلیه آلیاژهای آهنی و غیر آهنی می شود . در این فرآیند متناسب با نوع آلیاژ جوانه زا که معمولاً ترکیبات مختلف است انتخاب می شود و مواد جوانه زا باید دارای شرایطی بدین شرح باشند :
1ـ دیر گدازی 2ـ قابلیت آغشتگی 3ـ مشخصات ساختار کریستالی آن به ساختار فلز مذاب نزدیک باشد .
در جدول زیر مشخصات اصلی مواد جوانه زا برای چند فلز غیر آهنی آورده شده :
نکاتی در مورد عملیات جوانه زایی :
1ـ زمان جوانه زایی : یکی از نکات مهم انتخاب زمان مناسب برای جوانه زایی است معمولاً جوانه زا ها را در آخرین مرحله به مذاب اضافه می کنند و حتی در برخی موارد در سیستم راهگاهی به مذاب اضافه می شود .
2ـ درجه حرارت و زمان میرایی : درجه حرارت و زمان یک عامل اساسی در بازدهی جوانه زایی محسوب می شود . در صورتیکه درجه حرارت بالا و یا زمان نگهداری مذاب پس از جوانه زایی طولانی باشد راندمان جوانه زایی به شدت کاهش می یابد زیرا تعداد زیادی از مواد جوانه زا در مذاب حل می شود.
3ـ اندازه جوانه ها : چنانچه اندازه ذرات جوانه زا خیلی بزرگ باشد باعث غیر یکنواختی در قطعات ریختگی می شود و در صورتیکه جوانه زاها خیلی کوچک باشند ممکن است در مذاب حل شوند .
4ـ پخش یکنواخت : اهمیت زیادی در بهبود کیفیت قطعات ریختگی دارد .
5ـ مقدار جوانه زا : این مقدار باید حدمعینی باشد اگر مقدار جوانه زا کم باشد ریزدانگی بدست نمی آید . و در صورتیکه تعداد جوانه زاها خیلی زیاد باشد به دلیل حذف اثرات یکدیگر امکان درشت دانگی وجود دارد .
6ـ سرعت سرد شدن : سرعت سرد شدن بایستی به گونه ای تنظیم گردد که به تمام جوانه ها فرصت و امکان رشد داده شود .
مزایا و معایب جوانه زایی :
مزیتها : 1ـ بهبود خواص مکانیکی 2ـ مکهای گازی و انقباضی کوچکتر می شود .3ـ یکنواختی خواص در جهات مختلف 4ـ قابلیت ماشینکاری بهبود
می یابد 5ـ قابلیت پذیرش عملیات حرارتی در مورد آن افزایش می یابد .
معایب : 1ـ کاهش سیالیت در ریخته گری 2ـ افزایش ناخالصی در مذاب و قطعه 3ـ تمایل به انجماد خمیری
رشد : پس از تشکیل هسته های یکنواخت پایدار و یا فعال شدن هسته های غیر یکنواخت ، با جذب شدن اتمهای موجود در مذاب اطراف این مراکز به آنها ، مرحله رشد آغاز می گردد .
روش کار : ابتدا 20 کیلوگرم از مواد برگشتی و قراضه و یا شمش تهیه می کنیم سپس آن را در داخل بوته شارژ می کنیم سپس بوته همراه آلومینیم جامد را در درون کوره زمینی قرار می دهیم . بعد ازانجام این مرحله نوبت به روشن کردن کوره می باشد که به طریق زیر عمل می کنیم :
ابتدا شیر گازوئیل را با می کنیم تا کف کوره از گازوئیل پوشیده شود سپس شیر گازوئیل را بسته و یک نخ پنبه برداشته و آنرا به گازوئیل آغشته می کنیم سپس ان را افروخته و در درون کوره می اندازیم محل انداختن نخ پنبه باید طوری باشد که وقتی فن را می زنیم باد حاصل باعث خاموش شدن آتش نشود بعد از انجام این کار کمی صبر می کنیم تا گازوئیل کف کوره شعله ور شود بعد از حصول اطمینان از اینکه گازوئیل کاملاً شعله ور شده شیر گازوئیل را باز کرده و فن کوره را می زنیم سپس بعد از چند دقیقه که کوره گرم شد آنرا تنظیم می کنیم تا پایان عمل ذوب ، ساعت بارگذاری ..ـ11 صبح است زمان لازم برای ذوب آلومینیم تقریباً 40 دقیقه است که در این فاصله زمانی دو قالب اسپیرال جهت سنجش سیالیت مذاب در ابتدا و انتهای بارریزی و در قالب استوانه جهت نمونه برداری یکی مذاب قبل از جوانه زنی و دومی بعد از جوانه زنی :
هنگامی که مذاب کاملاً ذوب شد به آن کمی فوق ذوب داده دمای فوق ذوب بهتر است که حدود 60 تا 80 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای ذوب آلومینیم باشد بعد از رسیدن به این فوق ذوب تجهیزات بارریزی را کاملاً آماده کرده و بوته حاوی مذاب آلومینیم را از کوره خارج می کنیم در این مرحله باید ابتدا عملیات کیفی صورت گیرد در این آزمایش عملیاتی کیفی شامل 1ـ گاززایی 2ـ جوانه زنی است که گاز زایی تحت عمل دگازنیک معروف است این عمل جهت خارج کردن گازهای محلول در نذاب آلومینیم است که مهمترین گاز محلول در آلومینیم هیدروژن است که در صورت دوم خروج این گاز از مذاب قطعات حاصله دارای مکها و خطرات ناشی از حبس شدن این گاز ها در مذاب است . ابتدا مواد دگازنیک را که بنام دگازور است به مذاب اضافه می کنیم و آنرا به وسیله میله ای به ته بوته فشار می دهیم تا عمل خروج گاز به درستی انجام شود و بعد از این کار مذاب را سریع برداشته و اسپیرال اول را می ریزیم و نمونه اول را نیز می ریزیم سپس مذاب را سریع به محل اول برگردانده و سپس ماده جوانه زا را که ترکیبات تیتانیم می باشد به مذاب اضافه می کنیم سپس نمونه دوم را ریخته و در آخر بارریزی هم اسپیرال دوم را می ریزیم .
پس از سرد شدن مذاب و انجماد آن قالب اسپیرال 1 را برداشته و سیالیت آن را اندازه گرفته و اسپیرال دو را نیز از قالب ماسه ای خارج کرده و سیالیت آن را اندازه گیری می کنیم و با مقایسه اندازه آن سیالیت مذاب را در کل زمان بارریزی و قبل و بعد از اضافه کردن جوانه را تعیین می کنیم .
در مرحله بعد نمونه های بارریزی شده ه شامل 1ـ نمونه جوانه زایی نشده 2ـ نمونه جوانه زایی شده می باشد را آماده مطالعه ماکروگرافی می کنیم برای این منظور نمونه استوانه ای را از وسط به وسیله اره لنگ به دو قسمت مساوی تقسیم می کنیم سپس سطح بریده شده را با سوهان و سنباده پرداخت می کنیم تا برای مرحله ایچ و مطالعه ماکروگرافی آماده شود سنباده و پرداخت تا زمانی انجام می شود که سطح فلز پرداخت شده عاری از هرگونه خط حاصل از سنباده و سوهان شود . بعد از آماده سازی نمونه آن را با استفاده از محلول مخصوص ایچ که از cc 15 اسید فلوئوریک وcc 45 اسید کلریدریک cc 15 و اسید نیتریک و مقدار cc 25 آب مقطر است .
محلول را به سطح قطعه می ریزیم و چند ثانیه صبر می کنیم سپس سطح نمونه را زیر آب می شویم محلول در مرز دانه های نمونه فرو رفته و با ناخالصی هایی که در مرز دانه وجود دارد واکنش داده و به همین دلیل وزو دانه های آن معلوم می شود با مقایسه نمونه اول و دوم به آشکارا می توانیم مشاهده تفاوت در اندازه و تعداد دانه های نمونه ها باهم باشیم در نمونه ای که قبل از اضافه کردن جوانه را ریخته شده دارای دانه های درشتر و کمتری نسبت به نمونه بعدی است .
نتیجه گیری بر آزمایش جوانه زایی :
طبق آزمایش انجام شده می توان نتیجه گرفت که افزودن مواد جوانه زا در مذاب آلومینیم باعث بوجود آمدن ساختار تبریدی با دانه بندی ( شکل 1) که منجر به تغییر خواص مکانیکی قطعه آلومینیمی از جمله افزایش سختی و استحکام در مقایسه با الومینیم جوانه زایی شده است .
تحلیل و بررسی :
با مقایسه تئوری و شرح و نتیجه آزمایش می توان چنین بیان کرد که جوانه زایی در این آزمایش از نوع ، جوانه زنی غیر یکنواخت ( دانه های غیر خودی ) می باشد و نکته مهم در مورد جوانه زنی و افزودن مواد جوانه زا دقت در زمان و میزان افزودن جوانه زا به مذاب می باشد که عدم رعایت موارد بالا باعث نامطلوب شدن عمل جوانه زایی می گردد و ضمناً تاثیر منفی مواد جوانه زا را بر سرعت سیالیت مذاب به منجر به کاهش سرعت آن می شود .
فهرست مطالب
جوانه زنی : 1
جوانه زنی یکنواخت ( طبیعی ) : 1
جوانه زنی غیر یکنواخت : 3
جوانه زنی غیر یکنواخت هسته جامد بر روی جداره قالب 4
مواد جوانه زا : 5
عملیات جوانه زائی : 5
روشهای جوانه زایی : 6
الف) جوانه زایی به وسیله هسته های خودی : 6
ب) جوانه زایی به وسیله هسته های غیر خودی : 6
نکاتی در مورد عملیات جوانه زایی : 7
مزایا و معایب جوانه زایی : 8
نتیجه گیری بر آزمایش جوانه زایی : 11
تحلیل و بررسی : 12
1
1