مقدمه
در حال حاضر، در تمام کارخانه‌ها ، برای کروی نمودن گرافیت های از منیزیم، استفاده می گردد. در ضمن عناصر جزئی مانند سزیم و عناصر جزئی مانند سزیم و عناصر خاکی نادر موجود در آلیاژ فروسیلیس منیزیم برای خنثی کردن عناصر جزئی مضر و راندمان بهتر د رعمل جوانه زایی، اهمیت زیادی دارند.
روش افزودن منیزیم بطرق مختلف اعم از ساده و پیچیده می باشد. در انتخاب یکی از این روشها برای یک کارگاه معین باید فاکتورهای زیادی مورد نظر قرار گیرد و در بین آنها مهمترین فاکتورها با تعیین اولویتها مشخص گردد. فاکتورهای اصلی به قرار زیر می باشند.
1- روش انتخاب شده نباید با ایجاد نور و دود همراه باشد.
2- قیمت تمام شده چدن تولیدی باید حداقل باشد.
3-روش نباید اجتیاج به سرمایه گذاری زیاد درتجهیزات داشته باشد.
4- کیفیت چدن تولیدی باید مطلوب باشد.
5- روش باید توانایی ریختن قطعات با وزن های مختلف را دارا باشد.
برای تولید چدن نشکن مرغوب باید کنترل دقیق به عمل آید تا مقددار منیزیم باقیمانده کم یا زیاد نباشد. از آنجائیکه دمکا و ترکیب شیمیائی برای بازیابی منیزیم مؤثر می باشد، فرآیند و مواد مناسب کروی سازی مطلوب، بزرگترین عوامل بالقوه برای تغییرات باقیمانده می باشند. باید متذکر شد که مناسبترین فرایند موجب می گردد که منیزم باقیمانده در محدوده ای بسیار نزدیک به هم قرار داشته باشد. هنگامیکه محدوده ای مقدار منیزیم باقیمانده وسیع باشد، مشخص می گردد که بازیابی منیزیم بسیار ضعیف و عمل افزودن منیزیم نامناسب بوده است.
مشکلات افزودن منیزیم
افزودن منیزیم و آلیاژ آن در مذاب چدن مشکلاتی در پی دارد که تا کنون در تمام روشهای کروی نمودن کاملاً حل نشده است.
میزان پائین حلالیت Low Solubility
منیزیم بمقدار خیلی کم در مذاب چدن حل می شود. بنابراین آلیاژ منیزیم با آهن بصورت فرو منیزیم به هیچ وجه مورد استفاده قرار نمی گیرد.
نقطه جوش پائینLow Boiling Point
وارد کردن منیزیم خالص به چدن مذاب مشکل می باشد زیرا منیزیم دردرجه حرارت می جوشد که خیلی پایین تر از حرارت مذاب می باشد. بعلاوه فشار بخار زیاد منیزیم در دمای کروی نمودن، حلالیت منیزیم را بسیار دشوار می سازد.
وزن مخصوص Density
وزن مخصوص منیزیم که خیلی پایین تر از وزن مخصوص چدن است. چون منیزیم سبکتر روی سطح مذاب می آید که باعث جوشیدت و اکسید شدن منیزیم و نتیجتاً کاهش راندمان بازیابی منیزیم می گردد.
افزودن منیزیم در راهگاه
یکی از روشهای نسبتاً جدید افزودن منیزیم در راهگاه می باشد. طراحان فرآیند مذکور امتیازاتی نظیر افزایش کیفیت، بهبود مسائل اقتصادی و ومحیطی را مدعی شده اند. از میان آنها مهمترین پارامترهایی که قابل توجه هستند از بین رفتن مسائل میرائی، امکان ذوب ریزی اتوماتیک و از بین بردن دود و نور خیره کننده در عملیات کروی سازی می باشند.
بر عکس، بعضی مسائل مانند طراحی محافظ آلیاژ، لزوم محدود کردن ورود ناخالصی ها د رقطعات، انتخاب آلیاژ کروی کننده مناسب و بالأخره تطابق کنترل کیفیت با روشهای تولید بایستی دقیقاً بررسی گردد. کنترل دقیق میزان گوگرد در مذاب روی عمل کروی سازی اهمیت زیادی دارد. حداکثر میزان گوگرد در مذاب نباید بالاتر از باشد.
کلیات روش افزودن منیزیم در راهگاه
چندین سال است که مهندرسین و پژوهشگران زیادی،روشهای مختلفی را برای تأثیر جوانه زایی چدن بررسی می کنند. مشخص شده بود که حداکثر تأثیر عناصر کروی کننده در زمان کوتاهی بین شروع انجماد و افزودن جوانه زا می باشد. لذا وارد کردن جوانه زا را بطور مستقیم در داخل قالب و بادر اول راهگاه اصلی یا در مقابل جریان راهگاه فرعی قطعه مفید می رسید. پس از آزمایش، قابلیت انجام عملیات کروی سازی طبق همین تئوری اثبات گردید و لی برای انجام این هدف دو پارامتر اصلی بایستی مورد توجه قرار گیرد.
1- آلیاژ افزودنی بایستی سریعاً حل شود و از شروع تا پایان ذوب ریزی از ثبات عیار قابل توجهی برخوردار باشد.
2-باقیمانده آلیاژ که حل نشده بداخل قطعه راه نیابد.
برای برطرف کردن این نیازها(که سازگاری زیادی هم ندارند) راه حل های متعددی در رابطه با محل افزودن و شکل فیزیکی مناسب آلایژ پیشنهاد شده است. اگر آلیاژ بصورت یکپارچه باشد و دانه های آن فشرده و به اندازه ای بزرگ باشند که در پایان ذوب ریزی حل نشوند، نمی توانند به وسیله سیستم راهگاهی به داخل قالب کشیده شوند. این حالت منتاسب با نیاز آخر می باشد اما از اطمینان از حل شدن یکنواخت وئ ثابت در قسمتهای مختلف وجود ندارد.
برای حل شدن یکنواخت مواد مورد نیاز جهت کروی سازی راه حل مناسبی ارائه گردیده و آن عبارتست از قرار دادن دانه های آلیاژ در یک محفظه مناسب طوریکه در شرایط یکنواخت جریان مذاب، عملاً سرعت حل شدن مواد هنگام ذوب ریزی ثابت نگه داشته می شود. با ایجاد یک تنگه(Chock) در جهت سیستم، امکان دسترسی به این شرایط وجود دارد. شکل شماره 2-3 نمای شماتیک سیستم راهگاهی با محفظه نگهدارنده آلیاژ را نشان می دهد.
محفظه آلیاژ باید طوری طراحی شود که در مقاطع مختلف ثابت نگه داشته شود. بنابراین مساحت سطح مقابل جریان مذاب همیشه در هنگام ذوب‌ریزی ثابت می ماند. برای یک آلیاژ مخصوص سرعت حل شدن به اندازه محفظه و سایر پارامترهای قطعه بستگی خواهد داشت. در واقع عیار آلیاژ حل شده در مذاب و نسبت معکوس با سرعت جریان
مذاب دارد. با توجه به این مسئله فاکتور حلالیت که نسبت سرعت جریان مذاب به مساحت سطح مقطع محفظه محافظ آلیاژ می باشد، مشخص می شود.
فاکتور حلالیت=
سرعت جریان مذاب
مساحت سطح مقطع محفظه محافظ آلیاژ
فاکتور حلالیت نشان دهنده قابلیت کم یا زیاد یک سیستم برای حل کردن آلیاژ مورد استفاده می باشد.
شکل 1 نمای شماتیک سیستم راهگاهی با محفظه نگهدارنده آلیاژ
انتخاب آلیاژ
برای عملیات کروی سازی در داخل قالب، آلیاژ مورد نظر بایستی دارای خواص ویژه‌ای باشد. در حقیقت سرعت حل شدن آلیاژ در هنگام عبور جریان مذاب مهمترین عامل باشد. اگر سرعت حل شدن آلیاژ در اثر تماس با مذاب، در قالب خیلی پائین باشد، کروی سازی در قسمت اول قطعه کم و اگر حلالیت زیاد باشد کروی سازی در قسمت آخر قطعه کم خواهد بود. به این ترتیب چنین آلیاژی برای استفاده در قالب مناسب نمی باشد.
طراحی محفظه محافظ آلیاژ
قسمت اساسی یک محفظه خوب برای کروی سازی در داخل قالب، قسمت افقی آن، و مخصوصاً ثابت ماندن آن در ارتفاع مختلف می باشد. مطلب مهم این است که اجزای محفظه محافظ آلیاژ، برای برطرف کردن نیازهای زیر بطور مناسبی انتخاب شود:
1- محفظه باید اجازه جریان منظم مذاب روی آلیاژ را داده، و حل تدریجی آن را آسانتر کند.
2-طرح محفظه باید طوری باشد که انتقال آلیاژ توسط جریان مئذاب بدرون قالب در پائین ترین حد نگهداشته شود.
در صورت تساوی شرایط، هر قدر عمق محفظه بیشتر باشد حل شدن یکنواخت آلیاژ کمتر خواهد وبد. با ملاحظه کار انجام شده کاملاً مشهود است که بین سرعت جریان مذاب، اندازه آلیاژ و سطح مقطع محفظه رابطه ای وجود دارد. این رابطه، فاکتور حلالیت تعریف می شود.
کنترل فاکتور حلالیت
فاکتورهایی که سرعت حل شدن آلیاژ را کنترل می کنند عبارتند از:
1- دمای مذاب
2-سرعت ریختن
3- سطح مقطع محفظه واکنش
4- اندازه مواد کروی کننده
تجربه کاری نشان می دهدکه بین سرعت حل شدن، سرعت ریختن وسطح محفظه واکنش رابطه ای وجود دارد. بر اساس این رابطه سرعت حل شدن مواد کروی کننده را می توان به سهولت با تغییر سطح محفظه واکنش تغییر داد. این رابطه برای یک آلیاژ معین مطابق رابطه زیر می باشد.
فاکتور حل شدن=
برای کروی اسزی، فاکتور حل شدن به میزان بعنوان راهنمائی عمومی انتخاب گردیده است. در صورتی که این فاکتور بیش از این رقم باشد میزان حل شدن کم خواهد بود و بهد علت تقلیل عملیاا کروی سازی، وضعیت قطعه از نظر کروی بودن ضعیف خواهد بود.(مقدار منیزیم باقیمانده کم می شود). بر عکس، چنانچه فاکتور حل شدن کم باشد، سرعت حل شدن زیاد بوده و در نتیجه قبل از به اتمام رسیدن ریختن مذاب، تمام مواد آلیاژی حل می شوند.
ملاحظات فنی آلیاژهای کروی کننده
یکی از ایلاژهای کروی کننده که بیشترین استفاده را در تولید چدن نشکن دارد، فروسیلیس منیزیم می باشد. از انواع مختلف آلیاژهای فروسیلیس منیزیم موجود، فروسیلیس منیزیم با منیزیم بیشترین استفاده را دارد. معمولاً فروسلیس منیزیم با منیزیم آلیاژهیا استاندارد می باشند و لی اخیراً آلیاژهای فروسیلیس منیزیم بامیزان منیزیم بمنظور کاهش دود و نور حیره کننده تولید شده اند. اکثر آلیاژهای فروسیلیس منیزیم، عناصری مثل سریم، کلسیم، آلومینیوم و عناصر خاکی نارد را دارند. اصولاً عناصر فوق در خنثی کردن اثرات مضری بعضی از عناصر جزئی دارند و نیز بهبود بخشیدن به شکل گرافیت مؤثر هستند. به اضافه خواص فوق، این عناصر قدرت جوانه زائی را افزایش می دهند و از تشکیل گرافیت پوک، مخصوصاً در قطعات ضخیم و سنگین جلوگیری می نماید.
سیلیسیم Si
اصولاً استفاده از فروسیلیس منیزیم آسانترین روش برای افزودن میزان سیلیسیم در مذاب می باشد. اگر محدودیتی در میزان سیلیسیم باشد مقدار فروسیلیس منیزیم و مقدار برگشتی ها باید بدقت محاسبه شود.
آلومینیوم Al
آلومینیوم به میزان مختلف در تمام آلیاژهای فروسیلیس منیزیم موجوداست وممکن است تا آلومینیوم در چدن باقی بماند. وجود آلومینیوم عیوب سرباره، مک و سوسه را افزایش می دهدو میزان آلومینیوم د رآلیاژ فروسیلیس منیزیم باید کنترل شود.
کلسیم Ca
کلسیم در مام آلیاژهای فروسلیس منیزیم موجود است. کلسیم واکنش منیزیم را کاهش می دهد و به شکل کروی گرافیت بهبود می بخشد.
سریم Ce و عناصر خاکی نادر
عنماصر فوق د رخنثی کردن اثرات مضر بعضی از عناصر جزئی مؤثر هستند. این عناصر قدرت جوانه زایی را افزایش می دهند و از تشکیل گرافیت پوک جلوگیری می نماید.
نیکل منیزیم Ni-Mg
نیکل- منیزیم بدلیل بالا بودن وزن محصوصش بهترین آلیاژکروی کننده می باشد. استفاده از نیکل- منیزیم باعث دسترسی به مقدار منیزیم باقیمانده در رنج های خیلی نزدیک می شود. چون قیمت نیکل-منیزیم گران می باشد ا زاین آلیاژ فقط برای تولید چدذن نشکت با آلیاژ نیکل استفاده می شود. اصولاً آیلاژ نیکل- منیزیم با منیزیم و نیکل تولید می شود.
مسائل ناخالصی ها
برای نگه داشتن مقدار ناخالصی ها در محدوده جزئی در هنگام عملیات کروی سازی، مطالعه زیادی انجام گرفته است. در آلیاژهای حاوی ناخالصی های مستعد به کشیده شدن به وسیله جریان مذاب، روند تشکیل ناخاالصی ها در فرایند مذکور یک واقعیت بدون انکار است. همچنین موقعی که مقداری از دانه های آلیاژ احتمالاً به وسیله جریان مذاب یشدت جابجا شده و با جریان مذاب داخل قطعه وارد می شود، مواد حاصل ار .اکنش آلیاژ کروی کننده با مذاب، ممکن است بعنوان عامل ناخالصی اضافی مورد توجه قرار گیرد. در واقع اکسید منیزیم تشکیل شده در این فرایند به مقدار ناچیزی می باشد زیرا حل شدن آلیاژ بدون حضور هوا صو رت می گیرد. ذرات سولفید منیزیم در مقادیر متناسب با گوگرد موجود می تواند به داخل قطعه کشیده شود. اگر میزان گوگرد کمتر از باشد میتوان ناخالصی ها را در محدوده قابل قبولی نگه داشت.
روش افزودن منیزیم خالص برای تولید چدن نشکن
از ابتدای تولید چدن نشکن، تلاش زیادی برای استفاده از منیزیم خالص بعنوان عنصر آلیاژی بعمل آمده و تاکنون مشکل تولید با آن بصورت صنعتی کاملاً حل نشده است. مبنای این روش که نتیجه چندین سال آزمایش وبررسی است، عملیات کروی کردن در پاتیل کنورتوری است که دارای یک محفظه محافظ واکنش می باشد. شرکت جورج فیشر این روش را اختراع نموده و روش، معروف به کنورتور جورج فیشر می باشد.
شرح کنورتور
کنورتور عبارت از پایتلی است که نزد یک مرکز هندسی آن، یک محور برا یکج کردنش قرار دارد. مهمترین قسمت آن، محفظه محافظ واکنش است. محافظ استوانه ای، در انتهای پاتیل قرار دارد و دارای دیواره کنورتور است که کلوخه های منیزیم و افزودنیهای دیگر درصورت لزوم از این مجرا شارژ می شوند. بعد از پر کردن محفظه محافظ، مجرا بوسیله یک توپی بسته می شود. این توپی به وسیله فشار مکانیکی، مجرای ورودی محفظه محافظ واکنش را آب بندی می کند. دیواره محفظه محافظ واکنش دارای منافذ متعددی است که واکنش بین مئذاب و منیزیم از طریق این منافذ انجام می گیرد. بدین ترتیب شرط سادگی و ایمنی عملیات تکمیل می گردد. اندازه و محافظ بمقدار چدن مورد عملیات و گوگرد آن بستگی دارد.
شرح عملیات
1- کنورتور به وضعیت افقی، بطوریکه محفظه محافظ بالاتر از سطح مذاب معین شده قرار بگیرد، در می آید.
2- کنورتور از مذاب پر می گردد.
3- محفظه محافظ با منیزیم شارژ می شود.
4- کنورتور ده ثانیه به حالت عمودی برگردانده می شود. به محض تماس مذاب با منیزیم واکنش اتفاق می افتد. اندازه سوراخها و فشار فرو استاتیکی، سرعت واکنش را کنترل و آن را کاهش می دهد. عملیات درون کنورتور را می بندد. کار این درپوش جلوگیری از پاشیده شدن مئذاب و نور شدید حاصل از واکنش می باشد. برای جلوگیری از ایجاد فشار، درپوش دارای یک سوراخ می باشد.
5- کنورتور تخلیه می گردد. یک سرباره گیر مخصوص سربازه را در قسمت پشت نگه می دارد. سپس کنورتور به حالت وارونه درآورده می شود که این کار برای برداشتن سرباره انجام می گیرد. شکلهای شماره 4-2 و 5-2 و 6-2 مراحل مختلف عملیات را بطور شماتیک نشان می دهد.
بررسی تکنولوژی
چون وزن مخصوص منیزیم() خیلی پایینتر از وزن مخصوص چدن(7.2g/cm3) است لذا وارد کردن منیزیم خالص به چدن مذاب مشکل می باشد. بعلاوه منیزیم در می جوشد و در درجه حرارت ذوب چدن، 12 اتمسفر فشار ایجاد می کند. واکنش می تواند به دو قسمت تقسی شود: