تحقیق مقاله خاک های صنعت ریخته گری

مقاله 1:

انواع مختلفی از خاک در جهان وجود دارند که بسیاری از آنها  در صنعت ریخته گری آزمایش شده اند اما سه نوع اصلی که در این صنعت بکار می روند شامل کائولن (خاک نسوزط)، مونت موریلونیت (بنتونیت) و ایلیت می باشند. مونت موریلونیت مهم ترین کانی بنتونیت بود9 که از یک ساختار سه لایه صفحه ای تشکیل شده است. 2 لایه از تتراهدلا سیلیسییم – اکسیژن و یک لایه دی اکتاهدرال یا تری اکتاهدرال هیدوکسیل آلومینیم (گیبسیت). لایه میانی‌ آلومینیوم از اکتاهدرالی با یک اتم آهن که توسط شش واحد  هیدلوکسیل محاصره شده تشکیل گردیده است. به شکلهای 1 و 2 مراجعه کنید.

خاک های سدیمی، کلسیمی . و بنتونیت های فعال شده دراین خانواده قرار گرفته و به میزان فراوانی در صنعت ریختهگری استفاده می شوند. کائولن از دو لایه ساختاری تشکیل  شده است یک لایه اکتاهیدال آلومینیم و یک لایه تتراهیدال الومینیم و یک لایه تتراهدرال سیلیسیم. لایه سیلیسیم از یک اتم سیلیسیم و 4 اتم اکسیژت تشکیل شده است.

خاک نسوز، خاک چینی، کائولینیت  و خاک رس دراین خانواده قرار می گیرد. در صنایع مدرن بریخته گری بندرت از این خاکها استفاده می‌شود.

ایلیت خاکی با نسوزندگی ضعیف است. این خاک غالبا در ماسه های طبیعی دیده شده اما در ماسه های مصنوعی هیچگاه افزوده نمی‌شود.

مونت موریلونیت دارای یک صفحه میانی هیدروکسیل آلومینیوم است که بین دو لایه اکسید سیلیسیم آلومینیم است که بین دو لایه اکسید سیلیسیم قرار گرفته است. بخشی از آلومینیم  توسط منیزیم جانشین شده که یک حالت عدم تعادلی یونی را به وجود می آورد.  تعادل یونی را می توان با افزودن سدیم، کلسیم یا منیزیم بدتس آورد که این عمل تبادل یونی نامیده می‌شود.

در صنایع جدید ریخته گری ، برخی خاکهای مورد استفاده از نوع تبادل یونی (فعال شده)  هستند. دو نوع مونت موریلونیت مهم که در آن صنعت ریخته گری بکار می‌روند عبارتند از :

الف) بنتونیت سدیم که با خاصیت تورم زیاد شناخته می‌شود.

ب) بنتونیت کلسیمی که تورم پذیری کلسیمی هستند که با نمکهای سدیم نظیر کربنات سدیم فرآوری شده تاند تا خواص خاک بهبود یابد.این فعال سازی بودن آنکه باعث کاهش استحکام خشک گردد، موجب بهبود پایداری خواص شده و عیوب ناشی از انبساط را کاهش می دهد.

عمل فعال سازی می‌تواند به صورت «تر» یا «خشک» انجام شود  اما نتایج بررسیها نشان می دهند که فعال سازی «تر» خواص بهتری را بدست می دهد.

بنتونیت های سدیمی، کلسیمی و خاک های تبادل بودن کره، هر یک خواص منسبی دارند. انتخاب نوع خاک به خواص مورد نیاز و مسائل اقتصادی ازتباط دارد. در صنعت ریخته گری فولاد، برای ریخته گری  چدن و فلزات غیر آهنی درماسه‌تر معمولاً از بنتونیت کلسیمی یا بنتونیت فعال شده یا مخلوطی از ینتونیت سدیمی/کلسیمی استفاده می‌شود. هر کارخانه ریته گری باید نیازمندیهای خود را شندهته و بر آن اساس نوع خاک مناسب را انتخاب کند. ازیک خاک یا مخلوطی از خاک ها  می توان در اغلب موارد برای دست یابی به خواص مورد نظر استفاده کرد. در فرآیندهای قالب گیری ماشینی با فشار بالا، این انتخاب اهمیت بیشتری داشته و معمولاً برای بهبود عملکرد، افزودنی دیگرنیز به ماسه اضافه می شوند.

مقاله 2: چسب های زرین نوع فوران ابتدا در سال 1958 به عنوان سیستم =سب فوران بدون پخت اسید کاتالیز شده معرفی شدند. دو سال بعد صنعت اتومایتو این رزین ‌ها را اصلاح کرد تا به کاتالیزورهای نمکی اسید عمل کنند تا در ماهیچه های Hotbox استفاده شود سپس در اوایل دهه 80 (زرین های فوران به عنوان بزرگترین سیستم  فروش بدون پخت تبدیل شدند.

چسب های فوران بدون پخت (سردگیر ) در تهیه قالبهای ماسه ای در ریخته گری قطعات چدنی و فولادی کاربرد زیادی پیدا کرده اند. در این پژوهش متغیرها موثر در سخت شدن چسب شامل:  درصد کاتالیست، رطوبت ماسه، اثر دمای محیط و فاصله زمانی بین سنجش استحام و زمان قالبگیری مورد بررسی قرار گرفته است. نهایتا شرایط بهینه قالب گیری چسب فوران با کاتالیست اسیدتولوئن سولفونیک به دست آمد. در این شرایط استحکام فشاری ماسه برابر  400، عبود گاز آن AFS 130، وز مان عمر مفید این ماسه برابر 20 دقیقه تعیین گردید.

چسب های فوارن بدون پخت (سردگیر) ر تهیه قالب های ماسه ایدر ریخته‌گری قطعات چدنی فولادی کاربرد زیادی پیدا کرده اند. سیستم چسبهای فورانی بدون پخت (No- boke) دراواخر سال 1950 به صنعت ریخته گری معرفی شد  و از سال 1960 تاکنون به طور گسترده ای در صنایع ریخته گری کشورهای جهان استفاده می‌شود. پایه چسبهای فورانی. الکل فورقوریل با فرمول شیمیایی C4H3OCH2OH است که از فورفورال تهیه می‌شود. فورفورال نیز خود از ت0حول بقایای محصولات غذاییی همچون غلات،  پوست جو ، تفاله نیشکر و غیره بدست می آید. درجه چسب فوران با استفادهاز مقدار آب و نیتروژن و میزان فورفوریل الکل پایین برای ریخته گری و ماهیچه سازی چدن و آلیاژهای کم و یا بع عبارتی با فورفوریل الکل زیاد برای ریخته گری و ماهیچه سازی قطعات فولادی بکار برده می شوند. یکی از انواع خاص چسبهایفورانی سردگیر چسبهای بدون نیتروژن است. وجود نیتروژن باعث افزایش طول مدت نگهداری چسب می‌شود. وجود نیتروژن باعث افزایش طول مدت نگهداری چسب می‌شود ولی از طرفی وجود آن در بسیاری از موارد با تشکیل گاز، باعث ایجاد عیوب ریخته گری می‌شود که اغلب از نوع تخلخل و حفره ای بوده و خطرناک می باشند. نیتروژن همچنین ممکن است تخلخل های زیر سطحی ایجاد کند. برای بکار بدن این چسب در قالب گیری، ابتدا ماسه را با یک کاتالیست یا سخت کننده مخلوط می کنند و سپس چسب فوران را را آن مخلوط می نمایند. انواع کاتالیستهای معمول این چسب به ترتیب افزایش واکنش دهندگی عبارتند از: اسید فسفریک و یا مخلوطی از اسید فسفریک و اسید سولفوریک، آریل سولفونیکها مثل اسید تولئون سفلونیک(TSA) با فرمول شیمیای CH3So3H و اسید بنزن سولفونیک (‌BSA) با فرمول SO­3 H  اسید فسفریک ضعیف تین اسید بین اسیدهی مذکوراست.

معمولاً مقداراسید فسفریک  لازم جهت افزودن به مخلوط حدود 40 الی 60 درصد وزنی چسب فوران می باشد. بعد از اسید فسفریک امروزه بیشتر از اسیدها آروماتیک TSA و پس از آن BSA  که قوی تر است  استفاده می‌شود. معمولاً وقتی که ماسه مصرف شده (غیر تازه) باشد یا حالت قلیایی داشته باشد استفاده از BAS  مطلوب تر است. افزودن این دواسیددرحدود 20 الی 25 درصد چسب به مخلطو کاسه کافی است. به طول کلی مکانیزم سخت شده چسب در چسبهای سرد فورانی که با اسید سخت می شوند به صورت پلبیمریزاسیوناست. در واقع با وجود یک اسید قوی، زنجییزه های الکل فورفرویل به صورت فیلمی ذرات ماسه را می پوشاند و باعث چسبیدن این ذرات ب9ه هم می شوند. واکنش پلیمریزاسیون این چسب از نوع تراکمی است و محصول جنبی داشته و به صورت زیر می باشد.

این واکن گرمازا است وحرارات  ناشی ازآن  باعث تسریع پلیمریزاسیون به صولت لایه لایه تا بخشهایمرکزی می‌شود. آب تولید شده از واکنش پلیمریزاسیون برای تکمیل گیرش رزین باید بخیر شود. به همین دلیل گیرش رزین از سطح خارجی قالب به سمت داخل اتفاق می افتد. سرعت واکنش تحت تاثیر عواملی چون دمای  ماسه و نوع ماسه، نوع مخلوط کنو سرعت مخلوط کردن ، ترکیب چسب وننع و مقدار عنصر فعال کننده مصرفی قرار دارد. افزایش دمای محیط تا C 0  30  موجب افزایش سرعت‌گیرش و رسیدن به استحکام بالا می‌شود. افزایش رطوبت نیز در دمای ثابت باعث کم شدن سرعت گیرش می‌شود. دمای ماسه تأثیر بسزایی را روی فرآیند پلیمریزتاسیون دارد. درمحدوده دمایی C 0 16 تا C 0 38 استحکامهای مناسب تری بدست می آید. در ضمن هر چه روطوبت نسبی هوا بالاتر رود به دلیل کاهش سرعت تبخیر حاضر در کاتالیست و آب تولید شده از وانش تراکمی‌، استحکام کاهش می‌یابد.

یکی از مزایای فرآیند قالب گیری با این چسب نیاز به تجهیزات و ماشین آلات پیچیته است. از مزایای دیگر این چسب استحکام بالا، سادگی  مخلوط ماسه‌، دستیابی به دقت ابعادی بالا  و کاهش هزینه های مربوط به ماشین کاری، کنترین میزان واکنش درفل مشترک ماسه و فلز و عدم نیاز به مهارت قالب گیری و ماهیچه سازی می باشد. همچنین از معایب آن نیز می تان با پایین بودنسرعت تولید، قیمت بالای چسب، بدبو بودن میحط کاری آن واحتمال ابتلا به امراض پوستی و صنعتی و نیاز به استفاده از ماسه  با کیفیت بالا اشاره کرد.

مداول ترین نوع ریخته گری نوع قالب ماسه ای است که دو نوع مخلوط پایه‌ای برای آن وجود دارد.

ماسهتر (green Sand)  و مساه سردگیر (no – bake sand) از (Synthctic resins) استفاده می کنند.

عمیلایت بدون پخت : قالب ها یا ماهیچه هایی که به وسیله رزیل هایی که ماسه ها را درهوا به هم می چسبانند تهیه شده اند گفته می‌شود. این پروسته (airset ) موسوم است چون قالب ها برای سخت شدن در شرایط محیط قرار داده می شوند.

شادی معمولاً پس از عملیات زینتر، دانه بندی می‌شود و برای قالبگیری با ماسه خشک بمنظور ریبختهگری قطعات ریختگی فولادی به کار می رود.

انواع چسب ها (Types of binder)

تقسیم بندی چسب ها از دو دیدگاه صورت می گیرد؛ یکی از نققطه نشر ماهیت و طبیعت جسب ها و دیگری از نظر نحوه انجماد و چگونگی  خودگیری و سفت شدن (Setting) چسب ها، از نقطه نظر ماهیت، چسبها به دو گروه چسب های آلی ‍(Organec)  و غیر آلی (Inorganic) و یا به دو دسته قابل  حل در آب ( Warer – Soluble) یا آبدار (Hydrous) و غی قابل حل در آب (Warer – Insolube) یا غیر آبدار (Anhydrous) تقسیم بندی می شوند.

ازنقطه نظر نحوه اینجماد و چگونگی سفت شدن و خودگیری، چسب ها به سه گروه برگشت ناپذیر (Irreversible) ، میانه (UNTermediarte) و برگشت پذیر (Reversible) تقسیم می شوند.

چسب های آبدار رو جسب های غیر آبدار نباید با همدیگر مخلوط شوند زیرا هر زمان که این عمل صورت پذیرد، استحکام مخلوط ماسه در حالت تر  و در حالت خشک کاهش می یابد و بخصوص اگر چسب آبدار، خاک رس باشد کاهش استحکام شدیدتر است.

یک چسب مناسب  باید ذرات ماسه را بیکیدگر اتصال دهد و استحکام قابل و ماسه ماهیچه را درحالت تر و خشک افزایش  دهد و شرایط زیر را فراهم سازد؛

درخلال تهیه مخلوط هی قالبگیری با ماهیجه بطور یکنواخت برروی سطوح ماسه

پایه گسترده شود.

درهر دو حالت تر و خشک، استحکام  کافی مخلوط را فراهم  سازد.

شکل پذیری مناسب در مخلوط ایجاد نماید بطوریکه مخلوط قادر باشد همه بخش های قالب را پر کند.

 کمترین جسبندگی را به سطح مدل و جعبه ماهیچه داشته باشد  تا انجام فرآیند فالبگیری و ماهیچه سازی امکان پذیر باشد.

 امکان خشک کردن قابل  و ماهیچه  رافراهم سازد و در خلال مونتاژ  قالب و نگهداری ماهیجه رطوبت جذب نکند.

 در خلال مرحله خشک کردن و بنگام ریخته گری فلزبداخل قالب، حداقل گزا را تولید و‌ آزاد سازد.

 به دیرگذاری ماسه لطمه نزندو سوختن زود رس ماسه را پدید نیاورد.

 امکام آسان خارج سازی ماهیچه را فراهم سازد.

 برای افرادی که عملیات تهیه مخلوط، قالب و ماهیجه را انجام می دهند مضر نباشد و گازهای سمی تولید نکند.

ارزان و قابل دسترس باشد.

چسب های غیر آلی (Inorganic binders)

مهمترین چب های غیر آلی مصرف درمخلوط های قالبگیری عبارتند از ؛  خک رس (Clay) ، سیمان (Ciment)، سیلیکات ها (Silicates) و گچ (Plaster)

خاک رس (Clay)

متداولترین چسب های مورد استفاده درمخلوط هی قلبگیری خاک رس (Clay) است. خاک رس اساسا سیلیما آلومینیوم (Aluminum) است اما از آنجا که این ماده محصول تجزیه شده از انواع سنگ های آذرین است، انواع مختلف آن از نظر ترکیب شیمیایی  طیف وسیعی را در برمی گیرند. خاک رس ها سه خصوصیت عمده دارند؛‌

الف – خاک رس ها می تونند پس از مخلوط شدن با ماسه و آب مافی، شکل  پذیری (‍Plasticity ) و چسبندگی در مخلوط ایجاد نمایند.

ب – خاک رس ها می توانند خشک شوند و سپس با اضافه کردن آب، مجددا  خاصیت شکل پذیری را کسب نمایند.. درجه حرارت خشک کردن نیز چندان بالا نیست.

ج – اگر خاک رس به دمای خیلی بالا برده شود، کلسینه می‌شود و از بین می رود و در آن صورت با افزودن آب نمی توان آنرا مجددا شکل پذیر ساخت. دمای کلسینه شدن (Calcining) برای انواع مختلف خاک رس متفاوت است.

خاک رس عموما سه نوع هستند، این سه نوع عمومی عبارتند از ؛

الف – مومنت موری لونیت

ب – ایلیت

مونت موری لونیت

مونت موری لونیت (Montmorillonite) یا بنتونیت (Bentonite) در دو نوع بنتنیت سدیم (Sodium bentonite) و بنتونیت کلسیم وجود دارد. بنتونیت سدیم اندکی خاصیت قلیایی دارد و به بنتونیت غربی (western bentonite) معروف است. ینتونیت کلسیم به مقدار جزئی  خاصیت اسیدی دارد و به بنتونیت جنوبی (Southern benomite)  مشهوراست.بنتونیت کلسیمی قالبهایی با استحکام تر بالاتر و استحکام خشک و استحکام گرم پائین تر فراهم می سازد. ترکیب شیمیایی نمونه و خواص این دو بنتونت در جدول شماره 1 آمده است.

بنتونیت غربی (Western bentonite)

در بنتونیت غربی برخی از اتم های آلومینیم جاری خود را به اتمهای سدیم واگذار کرده اند. این مسئله باعث افزایش فعالیت  بنتونیت و بالارفتن توانایی آن برای جذب آب می‌گردد. بنتونیت غربی قالب هایی با استحکام خشک بالا فراهم می کند و برای قالب های مورد استفاده در ریخته گری آلیاژهای آهنی مزایای ویژه ای  در بردارد.

بنتونیت غربی قابلیت شکل پذیری (Plaslicity) زیادی ایجاد می کند و نگامی که بخوبی با‌ آب و ماسه درهم آمیخته شود. به مخلوط روانی و شکل گیری مناسب می‌بخشد.  ماسه قالبگیلی که بکمک بنتونیت غربی قطبی  شده اتصال پیدا کرده است دراطراف مدل بطور یکنواخت فشرده می‌شود و قالبی با استحکام عالی فراهم‌ می سازد.

بنتونیت غربی قادر است بواسطه جذب آب متورم شود و حجم آن سیزده برابر حجم اولیه گردد و بهمین دلیل این چسب می‌تواند پس از کوبش و تهیه قالب یک عامل بسیار عالی ما بین دانه های ماسه  باشد و نقش اساسی درکاهش عیوب انبساطی ماسه داشته باشد.

بنتونیت غربی قابلیت دوام زیادی دارد واین خاصیت امکان استفاده مجدد آنرا در یک ماسه سیستم به دفعات زیاد فراهم می سازد.

بهنگام کاربرد بنتونیت غربی،  کنترل نسبت خاک رس به آب اهمیت دارد. اگر نسبت مذکور صحیح  نباشد خواص مخلوط و از جمله قابلیت  شکل پذیری مخلوط و نیز امکان خارج سازی قطعه از قالب پس از ریخته گری، کاهش پیدا می کند. البته اینگونه خواص با افزودن مواد دیگر قابل کنترل و بهبود است ولی بهتر‌آن است که مقصود با انتخاب نسبت مناسب حاصل شود.

بنتونیت جنوبی

دربنتونیت جنوبی برخی از اتمهای آلومینیم جای خود را به اتمهای کلسیم واگذار کرده‌اند. این امر نیز قابلیت و ظرفیت تعویض یونی خاک رس را افزایش می دهد. بنتونیت جنوبی خاک رسی است که بر اثر تماس با آب تورم کمتری پیدا می کند  در نتیجه افزایش حجم آن اندک است.

بنتونیت جنوبی پس از زمان مخلوط کردن کمتر، استحکام فشاری تر بیشتر فراهم می‌کند.

استحکام فشاری خشک (Dry Compressive striength) بنتونیت جنوبی 30 تا 40 درصد کنمتر است و استحکام فشاری گرم (Hot Compressive stremgth)  مخلوط تهیه شده با بنتونیت جنهوبی نیز پاوینتر است و بهمین دلیل خارج سازی قطعه آسان تر است.