√دنیـــــــای متـــــــــــالورژی فقـــــــط از ایـــــــنجا
به "با سابقه ترين و محبوب ترين وبلاگ متالورژي در ايران" خوش آمديد

تاريخ : یکشنبه ٢٩ مهر ۱۳۸٦
الگوی پراش

در روش EBSD ستونی از الکترونها در SEM به سمت بک نمونهً کریستالی که تحت زاویه خاصی قرار گرفته، هدایت می شود. در اثر برخورد الکترونها با اتمها در شبکهً کریستالی واکنشهای مختلفی رخ می دهد و برخی از الکترونها از نمونه خارج می شوند. اگر یک صفحه فسفری فلوئوروسنت در نزدیکی نمونه قرار دهیم، الگویی روی صفحه تشکیل می شود که علت تشکیل آن اختلاف در میزان شدت الکترونهای خارج شده از نمونه بواسطه تغییر جهت آنها است.

به این الگو، الگوی پراش گویند که ظاهری جالب دارد.

تقارن و ظاهر الگوی پراش مرتبط با ساختار کریستالی نقطه مورد بررسی است که اشعه به آن برخورد کرده است.

اگر کریستال بچرخد(به عبارت دبگر جهت گبری آن تغییر کند) مشاهده می شود که الگوی پراش جابجا می شود.

با تغییر دادن ماده مورد تحقیق الگوی پراش تغییر می کند. بنابراین الگوی پراش را میتوان برای تعیین جهت گیری کریستال و نوع ماده به کار برد.

نمایی از چگونگی چرخاندن قطعه و صفحه فسفری در محفظه میکروسکوپ

الگوی پراش الکترونهای برگشتی حاصل از فلز نیکل


شکل بالایی تصویر SEM مربوط به ریزساختار یک فولاد زنگ نزن است. الگوی پراش و جهت گیری کریستالی مربوط به نقطه آبی رنگ مشخص شده در تصویر بالا در زیر آن نشان داده شده است.الگوی پراش با قرار دادن یک پرتو ثابت در نقطه مزبور به دست آمده است.

آنالیز ریزساختاری با استفاده از روش EBSD

ریزساختار به علت اینکه نشان دهنده بسایری از خواص فیزیکی مواد می باشد، از اهمیت بالایی برخوردار می باشد.

برای نمونه، اندازه دانه بر استحکام کششی تاثیر داشته و خواص مرزدانه ها مشخص کننده چگونگی رخ دادن پدیده شکست در مواد هستند.

تصاویر حاصل از هر دو میکروسکوپ نوری و روبشی برای ارزیابی مواد به کار می روند. پولیش کردن و اج نمودن مواد محل دانه ها ومرزدانه ها را مشخص می نماید. از طرفی این روشها قادر به آشکار سازی تمامی دانه ها نیستند.

اینجاست که لزوم استفاده از روش EBSD احساس می شود. با این روش می توان جهت گیری کریستال استفاده نمود و این روش باید قادر باشد بدون هیچ گونه ابهامی موقعیت تمامی دانه ها و مرزدانه ها را نشان دهد.

از این روش برای تهیه نقشه های جهت گیری کریستالی، با استفاده از اسکن کردن نمونه توسط پرتو الکترونی و اندازه گیری جهت گیری الگوی پراش در هر نقطه ، استفاده می شود. در این نقشه نقاط با جهت گیری کریستالی یکسان با رنگ یکسان نشان داده می شوند. در نقشه ها یک دانه منطقه ای از نمونه است که جهت گیری کریستال در یک تلرانس زاویه جهت گیری خاص یکسان است.. می توان با پردازش این نقشه ها به طور دقیق محل تمامی دانه ها و مرزدانه ها را نشان داد.

روشEBSD به واسطه ایجاد پلی بین ریزساختار و بلورشناسی روش منحصر به فردی است. این روش مکمل روشهای معمول آنالیز بوده که با فراهم سازی اطلاعات قطعی وصریح درباره جهت گیری کریستالی داخل نمونه این روشها را کامل می کند.


تصویر SEM از ریزساختار یک نمونه فولادی

ریزساختار آشکار شده از سطح یک نمونه بوسیله اچ کردن شیمیایی

این شکل نشان دهنده نقشه جهت گیری کریستالی از نمونه مشابه بوده که در آن جهت گیری های یکسان همرنگ هستند.


تصویر دانه ها در نمونه مشابه. رنگهای متفاوت نشانگر دانه های مختلف هستند.

موقعیت مرزدانه ها . رنگهای متفاوت نشانگر جهت گیری های مختلف مرزدانه ها هستند.


ارسال توسط محسن حیدری

مروری بر اهمیت و خواص چدنهای با گرافبت های فشرده

نویسنده: فاطمه رضانژاد  و  سمیه کاویان

دانشجویان دانشگاه شهبد رجایی

"معرفي اوليه" :

 چدن با گرافيت فشرده و یا ""Compacted Graphite Cast Iron محدوده اي از چدنها هستند كه از نظر خواص فيزيكي و مكانيكي بين چدنهاي خاكستري و داكتيل قرار دارند و به دليل دارا بودن تركيبي از استحكام، هدايت حرارتي بالا و قابليت ريخته گري مناسب مورد توجه ريخته گران قرار گرفته است. كارآيي CGI در اكثر موارد كاربردي مورد تاييد قرار گرفته است، اما توليد انبوه اين نوع چدن به علت تغييرات وسيع ريز ساختار و به خاطر به كار بردن تيتانيم براي تثبيت ساختار گرافيت فشرده، محدود شده بود.[1]

" منظور از چدن با گرافيت فشرده اين است كه چدن عاري از گرافيت ورقه اي و داراي 20% گرافيت كروي و 80% گرافيت فشرده باشد".[2]

در حقيقت پيدايش چدنهاي با گرافيت فشرده شايد به طور اتفاقي در جهت ايجاد گرافيتهاي كروي حاصل شده باشد.

در واقع  هنگام توليد چدنهاي نشكن در مواردي كه مقدار منيزيم كم بوده اين ساختار گرافيت پديد آمده و محققين با اين ساختار گرافيت مواجه شدند و كم كم به فكر بازرسي بيشتر اين ساختار و يافتن خواص آن افتادند.

توليد صنعتي اين چدنها براي مصارف صنعتي در سال 1965 و توسط R.D.Schelleng پتنت شد.

ولي قابل توجه اينكه امروزه طراحان موتور با افزايش ميزان فشار اشتعال در داخل موتور موفق به بهبود كاركرد موتور، كاهش ميزان مصرف سوخت و آلاينده ها شده اند. به همين خاطر در ساخت موتورها بايستي از مواد با استحكام بالا استفاده شود كه چدن خاكستري جوابگوي اين مسيله نيست.

چدن داكتيل نيز به خاطر هدايت حرارتي پايين آن مورد توجه قرار نگرفته است. چدن با گرافيت فشرده تنها نوع چدن است كه هم خاصيت استحكام و هم هدايت حرارتي بالا را دارا مي باشد. امروزه شركت اتومبيل سازي  Ford پيشتاز در امر توليد موتور از جنس CGI است.

بدنه و سر سيلندر موتور مستلزم ايجاد ساختار تقريبا يكنواخت گرافيت و عدم استفاده از تيتانيم به علت تضعيف خاصيت ماشينكاري آن است.

 بعضي از نمونه هايي كاربردي CGI  عبارتند از : "مانيفلد خروجي دود، سر سيلندر، بدنه موتور، اجزاي سيستم ترمز و قطعات مقاوم به خستگي حرارتي".[1]

ريز ساختار " : "CGI

 گرافيتها در چدن CGI به صورت كرمي شكل (Worm-Shape ) ديده مي شوند اين ذرات مانند گرافيتهاي ورقه اي در جهات تصادفي آرايش يافته اند با اين تفاوت كه نسبت به آن كوتاهتر و ضخيم تر و گوشه هاي آن گرد مي باشد.( در شکل 1 و 2 نمونه ای از این ساختار دیده می شود.)

 

شکل1: شکل گرافیت های فشرده با  10 % کرویت در متالوگرافی

 

شکل 2: تصویر سه بعدی از مورفولوژی گرافیت[2]

 با  اين كه ذرات كرمي شكل (worm shape) به حالت دو بعدي به صورت مجزا ديده مي شوند ولي در حالت سه بعدي با گرافيت هاي كناري خود در فاز زمينه مرتبط هستند.

مورفولوژي پيچيده مرجاني شكل اين نوع گرافيتها همراه با گوشه هاي گرد سطح نا صاف، منجر به چسبندگي قوي ذرات با فاز زمينه مي گردد كه به خاطر همين مسئله از شروع و اشاعه ترك جلوگيري مي كند و موجب بهبود خواص مكانيكي مي گردد.

 در شکل 3 می توانید چگونگی مورفولوژی گرافیت را در سه نوع چدن خاکستری،  گرافیت فشرده و نشکن مورد بررسی قرار دهید.
 

الف- ورقه ای

 

    پ- كروي

 ب- فشرده

شکل 3: عكس هاي SEM از گرافيتهاي کروی، فشرده و خاکستری[1]

 

حضور گرافيت هاي كروي در ريز ساختارهاي چدنهاي CGI اجتناب ناپذير مي باشد. با افزايش ميزان گرافيت كروي، استحكام و سختي افزايش ولي قابليت ريخته گري، ماشينكاري و هدايت حرارتي كاهش مي يابد. فاز زمينه اين نوع چدنها بر حسب نوع مصارف آن و خواص مورد نظر قطعه مي تواند كاملا پرليتي، فريتي و يا مخلوطي از هر دو باشد.

يكي از مهمترين مسايل در ارتباط با اين چدن تعيين ميزان فشردگي و درصد كروي شدن است. مي توان از فرمولهاي معتبر نيز براي تعيين ميزان درصد گرافيت كروي در مقطع خاصي از قطعه استفاده كرد، در معادله زير مي توان با استفاده از مساحت گرافيتهاي كروي به كل مساحت گرافيتها ، درصد كرويت را تعيين كرد.

 

 

تركيب شيميايي:

 مشخصات و خواص چدن با گرافيت فشرده در دامنه وسيعي از كربن معادل هيپويوتكتيك يعني 7/3% و تا هايپر يوتكتيك يعني 7/4%، با ميزان كربن 4-1/3%  و ميزان سيليسيم 3-7/1% تعريف شده است .

 با مقدار سيليسيم ثابت، انتخاب كربن معادل پايينتر احتمال تبريدي شدن را افزايش مي دهد و باعث شمارش ندول كمتري مي گردد. با مقدار كربن معادل ثابت، مقدار سيليسيم بالاتر، تعداد گرافيتهاي كروي را افزايش مي دهد. مقدار كربن و سيليسيم بهينه را مي توان از روي شكل زير انتخاب نمود:

                        شکل 4: تعیین میزان سیلیسیم و کربن بهینه برای تولید CGI

 

كربن معادل بهينه بايستي بر مبناي ضخامت قطعه انتخاب شود، براي اين ضخامت معين، كربن معادل بالاتر ايجاد گرافيت شناور و كربن معادل پايين تر تمايل به تبريدي شدن را افزايش مي دهد.

براي ضخامت هاي 10-40 mm، تركيبات يوتكتيك (CE=4.3) توصيه مي شود تا خواص مطلوبي در قطعه به دست آيد . مقدار منگنز مي تواند 0.1-0.6% باشد. فسفر بايد پايين تر از 0.06% باشد چون ميزان بالاتر از آن باعث كاهش چقرمگي مي شود.

 هر چند چدن CGI با درصد گوگرد بالا حدود (0.07-0.12%) توليد شده است، اما احتمالا كاهش گوگرد به 0.01-0.025% اقتصادي تر مي باشد. چنانچه مقدار گوگرد زياد باشد مصرف آلياژ افزايش مي يابد. در ضمن وضعيت تركيب شيميايي نيز دگرگون مي گردد زيرا عناصر مخصوص عمليات بايد با گوگرد باقيمانده متوازن گردد. مقدار گوگرد باقيمانده پس از عمليات حدود 0.01-0.02% خواهد بود. به منظور حصول اطمينان از تشكيل گرافيتهاي فشرده (كرمي شكل) لازم است همانند فرآيند توليد چدن نشكن از عناصري براي عمليات چدن سازي استفاده گردد. اين عناصر عبارتند از"منيزيم، عناصر نادر خاكي ( سريم، لانتانيم و غيره) ، كلسيم، تيتانيم و الومينيوم".

 

 ذوب:

مواد مورد نياز براي توليد چدن CGI در اصل همانند موادي مي باشند كه براي توليد چدن SG به كار مي روند. براي ذوب كردن چدن CG از كوره هاي القايي ، كوپل، قوس الكتريكي استفاه مي شود. نيازمنديهاي مربوط به مواد، گرم نمودن زياد و گوگرد زدايي قبل از آماده نمودن نهايي ذوب، مشابه چدن نشكن است. تهیه مذاب براي ساختن قطعات چدني با گرافيت فشرده به كمك فرو سيليس منيزيم انجام مي گيرد.

حضور عناصر خاكي نادر در كنار آليا‍ژ فروسيليس منيزيم باعث افزايش فشردگي گرافيت و در نتيجه باعث ايجاد خواص مكانيكي بهتر مي شود.

روش هاي مختلفي براي توليد چدن گرافيت فشرده در صنايع ريخته گري ابداع شده است. متداولترين روش عمليات مذاب پايه با عناصر كروي كننده مانند     "Ce ,Mg" و ضد كروي كننده مانند" " Sn ,Ti ,Al مي باشد. استفاده از عناصر آلومينيوم و تيتانيم و قلع موجب تشكيل كاربيد و پرليت در قطعات صنعتي مي شوند كه بايستي براي ماشينكاري بهتر داراي زمينه فريتي باشند.

 

"عمليات ذوب":

 مهمترين روشهاي توليد چدن CG مي تواند به قرار زير طبقه بندي گردند:

1-   عمليات ذوب با آلياژهاي منيزيم

2-   عمليات ذوب با آلياژهاي فشرده كننده و همچنين آلياژهاي مانع فشرده شدن گرافيتها

3-   عمليات ذوب با آلياژهايي كه پايه آنها فلزات نادر خاكي يا آلياژهاي نادر خاكي –منيزيم مي باشد.

4-  عمليات بر روي چدن اصلي حاوي مقادير نسبتا بالايي از عناصر گوگرد و آلومينيوم همراه با الياژهاي حاوي عناصر فشرده كننده گرافيت.

هنگاميكه منيزيم باقيمانده 0.013-0.022%  كنترل و ثابت گردد در اين صورت چدن CG حاصل مي شود. كنترل مقدار منيزيم  در حد فوق هنگام عمليات در پاتيل مشكل مي شود زيرا چنانچه مقدار منيزيم باقيمانده از مقدار فوق افزونتر شود چدن نشكن حاصل گرديده و در صورتي كه اين مقدار كاهش يابد چدن به دست آمده چدن خاكستري خواهد بود.

"مواد قالبگيري":

 همانند جدن نشكن از كليه موادي كه براي توليد SG به كار گرفته مي شود در اين زمينه نيز مي توان استفاده كرد. اين مواد عبارتند از ماسه مخلوط با بنتونيت، ماسه با سيمان و ماسه با رزين .

مواد مذاب چدنهاي گرافيت فشرده حساسيت بيشتري نسبت به جذب گوگرد از قالب نسبت به مواد مذاب چدن نشكن دارد. بر خلاف چدن نشكن چدن CG نبايد بيش از اندازه عمليات گردد. هنگام استفاده از ماسه رزيني بازيابي شده ، با اسيد پاراتولو سولفونيك (PTS) به عنوان كاتاليست سخت كننده بايد دقت زيادي معطوف گردد  چون باعث افزايش ميزان گوگرد جذب شده به مذاب مي گردد.[1]

 

"خواص مكانيكي و فيزيكي":

 *سياليت چدن بستگي زيادي به ميزان كربن، سيليسيم و دما دارد. افزون بر آن مورفولوژي انجماد در اين زمينه نقش دارد . چدن با گرافيت ورقه اي داراي بهترين سياليت مي باشد و چدن نشكن از اين ديدگاه بدترين وضع را دارد . همانطور كه انتظار مي رفت چدن CG بين اين دو وضعيت واقع شده است.

 *نظر به اين كه چدنهاي CG شكل با CE يكسان نسبت به چدنهاي خاكستري داراي استحكام بيشتري مي باشند. در مورد  مشخصات انقباضي اين چدن بايد گفت كه  توليد قطعات CGI سالم و عاري از كشيدگي هاي ريز داخل و خارجي نسبت به چدنهاي نشكن آسانتر بوده و كمي از چدنهاي خاكستري مشكلتر مي باشد. به علت پايين بودن مقدار انقباض كه چدن CG امكان عدم استفاده از تغذيه مقدور مي باشد. به اين ترتيب هزينه ساخت با اصلاح مدل هنگام تبديل مواد از خاكستري به CG كاهش خواهد يافت و مي توان با همان سيستم راهگاهي بكار رفته در چدن خاكستري، چدن كرمي شكل را (گرافيت فشرده) توليد كرد. در واقع نسبت به چدن نشكن انقباض حاصل از انجماد (Shrinkage) كمتري داشته و تغذيه هاي محدودتري نياز دارد كه در نتيجه راندمان ريختگي ان بالاتر خواهد بود.

*چدن CG در مقايسه با چدن خاكستري داراي انعطاف پذيري و استحكام بالاتري مي باشد. استحكام كششي و تنش تسليم اين چدن، كمي پايين تر از چدن نشكن بوده و بسيار بيشتر از چدن با گرافيت ورقه اي مي باشد.

                      چدن كروي < مدول الاستيسيته چدن CG < چدن ورقه اي

*استحكام چدنهاي با گرافيت فشرده با افزايش ضخامت كاهش مي يابد.

*چون هدايت حرارتي گرافيت در چدنها بيشتر از زمينه فلزي مي باشد، پس شكل، مقدار، اندازه و پراكندگي گرافيت هاي موجود در چدن نقش تعيين كننده در كنترل هدايت حرارتي دارد. در چدنهاي نشكن كه گرافيت كروي و منفصل دارند، هدايت حرارتي كمتر است.

*هدايت حرارتي با زمينه فريتي بيشتر از هدايت حرارتي با زمينه پرليتي است.

*هدايت حرارت خوب و استحكام كششي بالاي اين چدن ، كاربردش را در درجه حرارتهاي بالا مناسب مي سازد كه بايد در برابر رشد و پوسته شدن مقاومت از خود نشان دهد.

*براي ساخت قالب هاي چدني و قالب شمش ريزي در صنعت فولاد، سر سيلندرهاي موتورهاي ديزلي و نيز محافظ احتراق توربين بسيار مناسب هستند.

افزايش مقدار سيليسيم تا  2.6% موجب بهبود استحكام و سختي در چدن به صورت ريخته و آنيل شده مي گردد كه علت آن افزايش مقدار فريت مي باشد. سيليسيم به صورت محلول جامد در فاز فريت رسوب كرده و موجب افزايش استحكام آن مي شود.

*چدن با گرافيت فشرده با ساختار زمينه فريتي و پرليتي داراي حالت الاستيك خطي است و حد ارتجاعي ان از چدن نشكن كمتر است.[3]

جدول 1: خواص مکانیکی و فیزیکی CGI با 10% گرافیت کروی را نشان میدهد:[2]

100% پرلیت

70% پرلیت

درجه حرارت (سانتیگراد)

خواص

450

430

410

420

415

375

25

100

300

استحکام کششی نهایی(Mpa )

370

335

320

315

295

284

25

100

300

0.2% استحکام تسلیم( Mpa )

145

140

130

145

140

130

25

100

300

مدول الاستیک(Gpa )

1.0

1.0

1.0

1.5

1.5

1.0

25

100

300

ازدیاد طول نسبی( %)

210

195

175

195

185

165

25

100

300

حد خستگی بدون ناچ (Mpa)

0.44

0.44

0.43

0.46

0.45

0.44

25

100

300

نسبت خستگی

36

36

35

37

37

36

25

100

300

هدایت حرارتی یا رسانائی گرمائی (w/mc )

11.0

11.5

12.0

11.0

11.5

12.0

25

100

300

ضریب انبساط حرارتی (µm/mc )

0.26

0.26

0.27

0.26

0.26

0.27

25

100

300

ضریب پواسون

430

370

400

300

25

400

0.2 درصد استحکام تسلیم (Mpa )

7.1-7.0

7.1-7.0

25

دانسیته (g/cc)

255-207

225-190

25

سختی برینل (BHN)

 

 

شکل5: استحکام کششی نهایی و 0.2% استحکام تسلیم چدنهای CGI با 85-100% پرلیت به عنوان تابعی از دما و ندولاریته.[3]

 

 

شکل6: تاثیر میزان پرلیت بر استحکام نهایی و استحکام تسلیم 0.2% چدنهای CGI با 0-10% ندولاریته.[3]

  

"کاربرد های  عملی در صنعت":

 تولید و کاربردهای عملی CGI در ابتدای سال 1960 آغاز گردید. مثال بارز این موارد منیفلد های اگزوز، اجزا ترمز، محفظه های پمپ و فلایویل ها می باشند.

با توجه به گزارش AFS Metal Casting Forecast حدود 66000 تن از محصولات CGI در طول سال 2001در آمریکا تولید شده است. به طور نمونه دو نوع بلوک سیلندر از جنس CGI در همان زمان تولید گردید:

"بلوک سیلندر Audi33Lit V8TDI وپوسته موتوردیزلی BMW3 LitV8D"

از کابردهای چدن CGI ، تولید با حجم بالای قطعات پیچیده ای مانند بلوک سیلندرها و سر سیلندرها می توان نام برد که دارای مشخصات ریز ساختاری محدودی بوده و همچنین مجاز به استفاده از تیتانیم به منظور افزایش میزان قابلیت ماشینکاری نیز نمی باشند.

به طوریکه حجم بالایی از تولید بلوک سیلندر CGI در طی سال 2003 جهت مصارف کمپانی های فورد و آئودی صورت پذیرفته است.

مشخصات مربوط به ریز ساختار بسته به شرایط کاری و نیازهای مربوط به تولید انتخاب می گرددند به طور مثال تولید منیفلدهای اگزوز از جنس CGI به میزان حدود 50% کروی شدن گرافیت را به همراه خواهد داشت به طور کلی می توان گفت که کروی شدن گرافیت ها در تولید مناسب و بدون عیوب قطعات ریختگی و همچنین عدم آسیب در هنگام ماشینکاری بسیار موثر می باشد به طور مثال، شرکت دایملر کرایسلر با افزایش میزان کروی شدن گرافیتها تا 50% عیوب ترک را در قطعات  bed plate  کاهش داده است.

 در این مورد میزان کروی شدن گرافیتها بالاتر از حد مجاز می باشد چرا که ماشینکاری این قطعه تنها به فرز کاری  و ایجاد سوراخهای کوچک توسط دریل محدود می گردد و قطعه تحت بارگذاری حرارتی قرار نمی گیرد.

هم اکنون تولید منیفلدهای CGI در شرکت tupy"" با افزودن 0.1-15 % تیتانیم امکانپذیر شده است، افزودن تیتانیم اثر مخربی در رشد گرافیتها داشته و برای تولید چدنهای با گرافیت فشرده بایستی که مقدار زیادی منیزیم به مذاب اضافه شود، حضور بیشتر منیزیم این اطمینان را می دهد که تیتانیم مانع از رشد گرافیتهای کروی نشده و سبب ایجاد گرافیتهای ورقه ای شکل نمی شود.

 زمانی که از فرآیند افزودن تیتانیم برای تولید مانیفولد استفاده می شود، تشکیل نهایی آخالهای کربو نیترید سخت باعث تشکیل یک پوشش ساینده روی سطح شده و اجازه ماشینکاری زیادی را همانند بلوکهای سیلندر و سر سیلندر نمی دهد تاثیر تیتانیم و قابلیت قطعات CGI زمانی آشکار می شود که بدانیم برای افزودن هر 0.1% تیتانیم اضافه شده بیش از هزار آخال کربو نیترید تیتانیم در هر میلیمتر مربعی از سطحی که ماشینکاری می شود وجود خواهد داشت.

حتی با افزایش مقادیر کم تیتانیم به طور شگرفی عمر ابزار در طول عملیات برش ممتد کاهش می یابد بنابر این این امر بدان معنا است که حضور تیتانیم در فرایند تولید  CGI نمی تواند برای تولید بلوکهای سیلندر و سر سیلندر مورد استفاده قرار گیرد.[2]

"نکته مهم":

چدن با گرافیت فشرده می تواند با مقادیر متغیر پرلیت به تناسب کاربرد مورد نظر تولید شود، منیفلدها نیاز به بیش از 95% فریت به منظور جلوگیری از افزایش دمای بالا را دارند در مقایسه بلوکهای سیلندر و سر سیلندر به طور معمول با میزان پرلیت بالا به منظور افزایش استحکام و سختی تولید می شوند.

چدن های با گرافیت فشرده ممکن است با 98-60% پرلیت به منظور فراهم آوردن میزان سختی مشابه BHN (190-225 ) مانند چدنهای خاکستری متداول مورد توجه واقع شوند، به هر حال ساختارهای تمام پرلیت (100% پرلیت) برای قطعات کمی کاربرد داشته و منجر به ایجاد خواص مکانیکی بالاتری در قطعات می گردند.

 

"در مقایسه با خاکستری مزایای "CGI :

*کاهش ضخامت دیواره با توجه به بارگدازی مشابه، از نقطه نظر طراحی مشخص شده است که پتانسیل کاهش ضخامت مقاطع دیواره های محفظه های سیلندر در CGI بیشتر از خاکستری است،

* افزایش میزان بارگذاری با توجه به طراحی موجود،

* کاهش میزان فاکتورهای ایمنی با توجه به میزان کمتر تغییرات در خواص قطعات،

* کاهش میزان ترک ترد در جابجایی مونتاژ و سایر موارد با توجه به میزان انعطافپذیری بالاتر،

* کاهش میزان ترک ترد در جابجایی و مونتاژ و سایر موارد با توجه به میزان انعطاف پذیری،

* کاهش میزان ترک گرم در حین تخلیه قطعات،

* استحکام بالاتر و نبودن نیاز به فرایند آلیاژسازی.

"در مقایسه با نشکن مزایای CGI ":

*قابلیت ریخته گری بهتر قطعات با ترکیب پیچیده تر،

* بهبود در میزان استحکام ،

* قابلیت تا 20% کاهش میزان تجمع تنش با توجه به میزان هدایت حرارتی بالاتر و نزول پایین تر، بهبود در مقادیر گرمای مبادله شده.[3]

 منابع:

1- AFS Transaction 2000 " What's the CGI?"

2- تولید قطعات چدنی با گرافیت فشرده در صنایع خودروسازی (ماهنامه صنعت ریخته گری شماره 10 آبان 83 )

3- "Mechanical and physical properties for engine design" Dr. Steve Dawson (Based on a paper presented at: Werkstoff und Automobilantrieb) Materials in power train VDI ( verein deutscher Ingenieure) Dresden Germany 28-29 october 1999)



ارسال توسط محسن حیدری
تاريخ : سه‌شنبه ٢٤ مهر ۱۳۸٦
ترمزهای هواپیماهای جت

عنوان: ترمزهای هواپیماهای جت

اطلاعات نويسنده مقاله:

مجله صنایع هوایی به نقل از : تالار گفتگو گروه خودرو دانشگاه صنعتی اصفهان وب سایت : http://automotive.iut.ac.ir

 

چکيده مقاله:
پیشرفتهای بوجود آمده در تکنولوژی مواد، روشهای طراحی و آزمون‌های بعد از ساخت موجب گردیده که در کیفیت و کارائی ترمزهای هواپیماهای جت امروزی بطور چشمگیری بهبود حاصل شود و بدون اینکه فضای بیشتری را اشغال کند دارای اوزون کمتری نسبت به ترمزهای قدیمی باشد.

پیشرفتهای بوجود آمده در تکنولوژی مواد، روشهای طراحی و آزمون‌های بعد از ساخت موجب گردیده که در کیفیت و کارائی ترمزهای هواپیماهای جت امروزی بطور چشمگیری بهبود حاصل شود و بدون اینکه فضای بیشتری را اشغال کند دارای اوزون کمتری نسبت به ترمزهای قدیمی باشد. بکارگیری مواد مرکب و فلزاتی که نسبت استحکام به وزن آنها بالاست و نیز استفاده از تحلیل‌های پیچیده کامپیوتری از جمله عوامل کلیدی این پیشرفتها بحساب می‌آید. بهبود کیفی در کارائی ترمزها در آینده با استفاده از مواد پیشرفته عایق‌دار یا دافع گرما، سازه‌های کامپوزیتی، سیستم‌های کامل کننده متناوب و سیستم کنترل گرمائی پیشرفته صورت خواهد گرفت. سیستم‌های ترمز هواپیمای امروزی از انواع اولیه که در آن برای بحرکت آوردن هواپیما بر روی باند از چرخهای اتومبیل و برای کند کردن سرعت آن از پایه‌های کمک‌دار دم هواپیما استفاده می‌شد، بمراتب پیشی گرفته است. چرخها و ترمزهای جدید به هم وابسته‌اند و در ساخت آنها از روش‌های پیشرفته مهندسی استفاده شده و نمونه‌های چندگانه‌‌ای از پیشرفت تکنولوژی مواد را به نمایش درآورده است.
اجزای اصلی بکار رفته در سیستم ترمز یک هواپیمای پیشرفته امروزی بعنوان نمونه بقرار زیر است: (1) ترمزی که در آن سیستم هیدرولیکی با فشار زیاد استفاده شده، قطعات آن از مواد مرکب کربنی، تیتانیوم، فولاد با استحکام زیاد و آلومینیوم ساخته شده تا بتواند گرمای بسیار زیاد را جذب و سپس دفع کند. (2) استفاده از یک سیستم کنترل ترمز یکپارچه و کامپیوتری با بهره‌گیری از سنسورهای پیشرفته و تکنولوژی کنترل ارتباط سیستماتیک و عملکردهای خودآزما. (3) استفاده از چرخهائی که دارای شکل پیچیده‌ای بوده و از آلومینیوم با استحکام زیاد ساخته شده و دارای سپر حرارتی ایمنی بعد از خرابی باشد. همچون سایر اجزای اصلی هواپیما، طراحی سیستم ترمز نیز با محدودیت‌ها و نیازهای ضد و نقیضی همراه است. وزن کم، کارائی بالا، تعمیرات اندک، قابلیت اطمینان زیاد، دوام زیاد و هزینه کم ویژگیهایی است که سیستم ترمز باید تواماً بهمراه داشته باشد. در ادامه این بحث بر طرحهای اصولی بکار رفته در ترمز هواپیمای امروزی مروری کوتاه نموده و بطور خلاصه به پیش‌بینی پیشرفتهای آینده نیز خواهیم پرداخت. چرخ هواپیما و سیستم ترمز آن بصورت یکپارچه طراحی می‌شود، آنچنانکه منطبق با ویژگیهای یک هواپیمای مشخص و مورد نظر باشد. کارآئی چرخ و ترمز آن با استفاده از طراحی کامپیوتری، مدلسازی پیچیده و روش‌های شبیه‌سازی تحلیلی، در مرحله طراحی به حد مطلوب می‌رسد. چرخ هواپیما از نوع دو تکه ساخته می‌شود تا سوار کردن «تایر» آسان باشد. و نیز دارای اندکی انحراف است تا فضای ترمز بیشتری را فراهم آورد. برای حفاظت چرخها در برابر گرمای حاصل از ترمز از پوشش‌های عایق استفاده می‌گردد. از طرف دیگر مکانیزمهای ایمنی از قبیل فیوزهای حرارتی و سوپاپهای اطمینان در آن بکار می‌رود.
سیستم ترمزها از دیسک ‌های ثابت و متحرک (چرخشی) چند لایه‌ای و اصطکاکی تشکیل یافته است . این دیسکهای اصطکاکی که قسمت اعظم گرما را بخود جذب می‌کند، بوسیله اجراء سازه‌ای چندی از قبیل پیستونهای عمل کننده فشاری، پوسته تنظیم، قسمت انتقال گشتاور (که گشتاور را به ارابه فرود یا چرخ هواپیما منتقل می‌سازد) و یک صفحه ترمز ثابت (که بعنوان یک نگهدارنده سازه‌ای در جذب گرما عمل می‌کند) محصول گردیده است. ترمز با فشار هیدرولیکی عمل می‌کند و انرژی جنبشی هواپیما را به گشتاور کندشونده‌ای بدل می‌سازد. سیستم کنترل ترمز ، خود سطوح فشار ترمز را تعدیل می‌کند تا کارآئی آنرا در متوقف ساختن هواپیما به حد دلخواه برساند. ضمناً یک سیستم «ضدسرخوردگی» در آن بکار رفته تا فاصله (یا زمان) متوقف ساختن هواپیما را به حداقل برساند، هدایت سمتی را برای آن تأمین نمایند و از ترکیدن لاستیک‌ها جلوگیری بعمل آورد. علاوه بر آن یک مکانیزم ترمز خودکار که فرامین مربوط به علمکرد کار پیش ترمز و میزان کاهش سرعت را آماده می‌سازد، می‌تواند بخشی از سیستم کنترل ترمز هواپیما باشد. سنسورهای مربوط به سرعت چرخها، دستگاه پردازش علائم یا دستگاه مقایسه‌گر (کامپیوتری) و سوپاپهای تنظیم، جملگی از اجزای عمده سیستم کنترل ترمز هواپیما بشمار می‌رود. تکامل چرخ هواپیما از انواع چرخهای پره‌دار اتومبیل آغاز شده، چرخهای ریخته‌گری آلومینیومی و منیزیمی را پشت سر گذاشته، و عموماً‌ از انواع چرخهای آلومینیومی دو تکه ساخته شده به روش آهنگری (فورج) استفاده می‌شود. چشمگیرترین پیشرفت در طراحی چرخهای هواپیما، کاهش وزن و حجم و افزایش کارایی آن است
عمده‌ترین اهداف در طراحی چرخ‌های هواپیما بشرح زیر خلاصه می‌شود: (1)افزایش عمر چرخشی یکی ازآزمایشهائی که برای ارزیابی کیفی چرخهای هواپیما انجام می‌شود، بررسی میزان عمر چرخشی آن می‌باشد.(این مقدار اکنون از 25000 مایل در مورد هواپیماهای حمل و نقل ارتشی مانند هواپیمای C-17 تا 50000 مایل برای هواپیماهای جت مسافربری امروزی متغیر می‌باشد). (2) تداوم ایمنی بعد از خرابی چرخهای هواپیماهای امروزی طوری طراحی شده تا در مقابل خرابی‌های حاصل از خستگی مقاومت داشته و عیوب مرگبار و انفجارآمیز را در پی نداشته باشد (که البته شامل طراحی چرخهائی می‌شود که بعد از بوجود آمدن حداکثر خرابی در آن، در لبه حمل چرخها یا در محل قرار گرفتن طوقه داخلی لاستیک در روی رینگ خللی وارد نگردد). (3) افزایش ایمنی در برابر پوسیدگی و فساد با بکارگیری سیستمهای محافظت در برابر خوردگی و پائین آمدن میزان تنش در سطوح حساس چرخ و انجام عملیات تشخیص خوردگی و زنگ‌زدائی بطور مکرر، از میزان نقیصه‌هائی که در چرخ هواپیما بوجود می آید و منشاء آن خوردگی و زنگ‌زدگی می‌باشد کاسته و به حداقل رسانده می‌شود. (4) بکارگیری سیستمهای محافظ گرما بهبود در تونائی‌های ترمز هواپیما بویژه ترمزهای کربنی، با افزایش گرماپذیری آن (در هنگام گرفتن ترمز) حاصل گردیده است. ایجاد حفاظت گرمائی در چرخ، ایجاد محدودیت در مسیر جریان حرارت، خنک کردن چرخ، نصب مهره‌های ذوب شونده برای خنک کردن محیط یاد شده لاستیک، از جمله ترفندهای کلیدی در طراحی چرخهای پیشرفته امروزی است که برای جلوگیری از وقوع فاجعه در نظر گرفته شده است. علاوه بر اهداف فوق، نوع لاستیک بکار رفته در چرخ نیز در طراحی آن مؤثر است. لاستیک‌های رادیال و شعاعی ممکن است «بار»ها را به شکل متفاوتی بر چرخ اعمال نماید. بنابراین هنگام طراحی، میزان این «بار» ها بخصوص اگر تعویض‌پذیری آن مد نظر باشد باید بوسیله طراح مراعات شود. با توجه به این واقعیت، طراحی چرخهایی که بتواند چنین توقعات مشکل و فزاینده‌ای را برآورده سازد و از طرفی در میزان وزن و حجم آن نیز افزایش چندانی حاصل نگردد، در واقع مقدار زیادی مدیون بکارگیری و توسعه روش‌های نوین و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری می‌باشد. تکنیکهای تحلیلی که در طراحی چرخها بخدمت گرفته می‌شود شامل تجزیه محدود سطوح تنش و مدل‌سازی حرارتی سیستمهای چرخ و ترمز می‌باشد. با استفاده از روش کامپیوتری، چرخ هواپیما از موادی ساخته می‌شود که بتواند «بار»های وارد را تحمل کند، عمر آن زیاد و ویژگیهای حرارتی و وزن آن اندک باشد. با استفاده از این روش‌های کامپیوتری، طراحی، ساخت و ارزیابی مدل‌های جدید چرخ در زمان کوتاهی صورت می‌پذیرد. خلاصه اینکه بکارگیری و توسعه روشهای مدل‌سازی کامپیوتری و تحلیلی درتعیین قسمتهای حساس و عیوب احتمالی و سطوح حرارتی چرخهای هواپیما، صنایع تولید کننده را قادر ساخته تاآنرا با حداقل وزن، عمر زیاد، نیاز تعمیراتی اندک و ایمنی بیشتر تولید نمایند. می‌توانیم انتظار داشته باشیم روند بهبود در کیفیت چرخها با تکامل مواد اصلی سازنده آن همچنان با تداوم همراه باشد. یکی از عوامل عمده که در توسعه و ساخت چرخهای هواپیماهای فعلی و آتی نقش کلیدی دارد، توجه به مواد تشکیل دهنده سازه چرخ می‌باشد. ویژگیهای عمده مواد فوق بقرار زیر است: -مقاومت در برابر خستگی و استحکام استاتیکی. -مقاومت در برابر حرارت زیاد. -مقاومت در برابر خوردگی. -قیمت ارزان گرچه سالهای بسیاری است که صنایع ازآلیاژهای آلومینیوم فورج شده «2014-T6» یا «T-61» بعنوان فلز استاندارد برای ساختن چرخها استفاده می‌کنند، لیکن همچنان به بررسیهای خود برای جایگزین نمودن مواد جدید ادامه می‌دهند تا در کیفیت چرخها بهبود بیشتری حاصل شود. با بکارگیری آلیاژهای آلومینیومی پیشرفته، معیارهای جدیدی از لحاظ استحکام و دوام بیشتر درمقابل حرارت زیاد، مقاومت در برابر خستگی و حرارت زیاد ومقاومت در برابر خوردگی و ترک‌خوردگی، بوجود در می‌آید. انجام این بهینه‌سازی‌ها بطور چشمگیری کیفیت تعمیرپذیری و قابلیت اطمینان چرخها را افزایش خواهد داد. علاوه بر آن، چرخهای ساخته شده از الیاف کامپوزیتی و مواد مرکب از قبیل مواد مرکب کربنی یا گرافیتی و فایبرگلاس، سبکی وزن و میزان خرابی مجاز بیشتری را موجب می‌شود. در شاخه ترمز چرخهای هواپیماهای امروزی بود که متخصصان تکنولوژی مواد به یکی از ضروری‌ترین تحقیقات مورد نیاز در رشته خود پی بردند. ترمز، خود یک موتور گرمائی است که وظیفه آن جذب و مستهلک نمودن انرژی جنبشی است. چرخ هواپیما وسیله‌ای مطمئن برای حرکت هواپیما در روی زمین می‌باشد اما وسیله‌ای اضافی است که از بار مفید هواپیما در پرواز می‌کاهد، به همین دلیل است که از طراحان خواسته می‌شود تا آنجا که امکان دارد آنرا کوچک و سبک بسازند. از روشهای تحلیلی و شبیه‌سازهای کامپیوتری برای ساخت چرخهای پردوام و سبک استفاده می‌شود. علاوه بر آن، تداوم این نوآوری‌ها در طراحی موجب شده در میزان تعمیرپذیری و کارآئی قسمتهای متحرک چرخها بهبود حاصل شود. با این همه، بیشترین پیشرفتها حول مسئله اصطکاک و مواد متشکله قطعات بوده است. این بهبودها نه تنها موجب افزایش حجم چرخها و ترمز نشده بلکه تونائی و کارآئی آنرا همگام با نیازهای فزاینده صنایع هوائی افزایش داده است. بهبودهای عمده‌ای که در ساخت ترمز هواپیماهای امروزی حاصل شده بقرار زیر است: عمر طولانی: تعداد دفعات نشستن هواپیما بعد از هر مرحله تعمیر اساسی از 100 تا 300 بار فرود برای هواپیماهای نظامی و جتهای مسافربری اولیه به 900 تا 2000 بار فرود در هواپیماهای امروزی افزایش یافته است. وزن سبک:بکارگیری مواد با استحکام زیاد و چگالی کم، موجب کاهش وزن ترمزها تا 50% در مقایسه با ترمزهای فولادی مشابه شده است. _ایمنی و قابلیت اطمینان_: روش‌های نوین آزمایشگاهی از قبیل شبیه‌سازی طیف‌های ترمز از مراحل فرود کامل هواپیما، بمقدار زیادی موجب ارتقاء کیفی در کارآئی و قابلیت اطمینان سیستمهای ترمز گردیده است. امروزه عواملی همچون شرایط گرمائی و دینامیکی، درخلال عمر کاری ترمز بطور روزمره مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. هر یک از برنامه‌های جدید ساخت و ارزشیابی کیفی آزمایشگاهی آن، نیاز به یک یا دو سال وقت دارد، حال آنکه برای ترمزهای نسل پیشین انجام آن فقط یک یا دو ماه طول می‌کشید. این بهبودها با بکارگیری تکنولوژی پیشرفته مواد صورت گرفته است. محورهای پیچشی که از جنس تیتانیوم ریختگی و هم فشار می‌باشد نسبت به فولاد فورج شده سبک‌تر بوده و از نظر مسائل حرارتی بهتر می‌باشد. کیفیت خوب آلیاژ، موجب سبکی وزن قسمت پوسته پیستون یکپارچه یا مکانیزم تنظیم کننده یا طبق‌های (ترمز چرخ) تنظیم سرخود، از جمله تصمیمات طراحی است که کارائی ترمز را افزایش می‌دهد. با این همه، مهمترین عامل در بهبود کیفی ترمز هواپیما، پیشرفت در زمینه مواد اصطکاکی بکار رفته در آن و اتلاف حرارتی ترمز می‌باشد. ترمز فولادی استاندارد که در آن صفحات اصطکاکی سرامیکی بکار رفته (این ماده اولین بار بعنوان سطوح اصطکاکی در دهه 1940 در ترمزها مورد استفاده قرار گرفته است.) موجب بهبود عمر سایشی و کارائی عمومی ترمزها شده است. اما توسعه بکارگیری مواد مرکب کربنی از چشمگیرترین پیشرفتها در تکنولوژی ساخت ترمز هواپیما از لحاظ حرارتی آن بحساب می‌آید. مواد مرکب کربنی دارای ویژگیهای بی‌نظیری است که به طراح اجازه می‌دهد با استفاده ازآن، همه وظایف سطوح اصطکاکی دیسک ترمز و جذب کننده‌ها و وظیفه اعضای سازه‌ای آنرا در یک قطعه واحد متمرکز سازد. وقتی دو قطعه از جنس مواد مرکب کربنی بر روی یکدیگر سایش داشته باشند می‌توانند نقش یک ماده پراصطکاک را ایفا نمایند. ذخیره حرارتی مواد مرکب زیاد است، علاوه بر آن قابلیت هدایت گرمائی آن موجب انتشار سریع حرارت می‌شود. مواد مرکب کربنی از استحکام زیادی برخوردارند و می‌توان از آن برای ساخت قطعات مقاوم در برابر «بار» زیاد استفاده نمود. این مواد دارای ویژگی خاصی هستند و آن اینکه استحکام آن‌ها بر اثر افزایش حرارت نقصان می‌باشد. این ویژگی وقتی با انبساط حرارتی اندک در هم می‌آمیزد خاصیت جذب حرارت آنرا بالا می‌برد بطوریکه تنها سازه‌های مجاور موجب محدودیت آن در این خصوص خواهد بود. برای اینکه ترمز بتواند در درجه حرارت بالاتر کارائی داشته باشد باید در واحد وزن سازه آن ازمواد بیشتری که واحد وزن سازه آن از مواد بشتری که در برابر حرارت مقاوم است استفاده نمائیم. اصطلاح «مواد مرکب کربنی» برای انواع گسترده‌ای از مواد استفاده می‌شود؛ همانند لنت (ترمز) ساخته شده از سرمت (مخلوطی از فلز و سرامیک) و مواد آلی. ساخت لنت ترمز از مواد مرکب کربنی خود مستلزم دانش و علم کافی دراین خصوص است. اجزاء تشکیل دهنده مواد و روش‌های ساخت را می‌توان تغیر داد تا قطعاتی با کارائی متفاوت ساخته شود. در واقع طراحان نشان داده‌اند که قطعات ترمز از جنس مواد مرکب کربنی را می‌توانند چنان دستخوش تغییر نمایند که به کلیه اهداف مورد نظر خود در ساخت ترمز هواپیما دست یابند. استفاده از الیاف گوناگون روشهای متراکم‌سازی ، الیاف منقطع در دو یا سه اندازه مختلف، و روش قالب‌گیری پارچه‌ای تنها معدودی از بی‌شمار آمیزه‌هائی است که می‌توانند برای تولید دیسک ترمز کربنی مورد استفاده قرار دهند. اگر سائیدگی دیسک ترمز (از نوع کربنی) از اندازه مجاز خارج شود می‌توان آنرا برای استفاده مجدد نوسازی نمود. ترمزهای کربنی برای اولین بار سال 1972 ، بعنوان یک وسیله استاندارد در هواپیمای F-15 مورد استفاده قرار گرفت و بسرعت بعنوان یکی از انواع اصلی ترمز بر روی دیگر هواپیماهای نظامی مورد استفاده قرار گرفت. اولین هواپیمای مسافربری که در آن از این نوع ترمز استفاده شده هواپیمای کنکورد بود ولی گرانی قیمت آن موجب گردید استفاده تجاری آن به کندی صورت پذیرد. امروزه در تمام برنامه‌های هواپیماهای نظامی و مسافربری استفاده از ترمزهای کربنی گنجانده شده است. همچون سایر سیستمهای هواپیما، تکنولوژی سیستم ترمز آن نیز با نوآوری و پویائی همراه بوده و هدف آن بهبود در کارائی و قیمت تمام شده می‌باشد تلاشهای جاری در زمینه‌های گوناگون توسعه، ساخت و کاربرد آن بقرار زیر است: -استفاده از مواد مرکب پیشرفته و مقاوم در برابر حرارت به منظور افزایش تراکم‌پذیری و عمر ترمز و ارتقاء مقاومت آن در برابر سایش (چنین بهبودهائی می‌تواند منتج به کاهش تعداد دیسک‌های اصطکاکی در یک ترمز گردد). -استفاده از مواد مرکب قالب‌گیری شده و سازه‌های کامپوزیتی از نوع رشته پیچی در بسیاری از قطعات عمده هواپیما از قبیل چرخها، پوسته‌های پیستون و قسمت انتقال گشتاور با هدف کاهش وزن و آسیب‌پذیری آن. -بکارگیری سیستمهای هیدرولیکی با فشار زیاد و استفاده از روغن هیدرولیک مرغوبتر که موجب عملکرد بهتر ترمزها شده ، اشتعال‌پذیری و وزن آنرا کاهش می‌دهد. -استفاده از سیستمهای جداگانه عمل کننده‌های الکترومکانیکی و الکتروهیدرواستاتیکی که با نیروی الکتریکی کنترل می‌گردد، کارائی ترمزها را بهبود بخشیده و موجب کاهش وزن سیستمهای ترمز هواپیما می‌گردد. -بکارگیری روشهای پیشرفته کنترل گرما، از قبیل سیستمهای خنک‌کننده فعال و غیرفعال. -استفاده از تکنولوژی پیشرفته کنترل ترمز از قبیل دستگاه‌های کنترل الکترونیکی چند منظوره و سیستم انتقال سیگنال از طریق سیم (کابل) نوری (سیستم‌های کنترل ارابه فرود یکپارچه برای هواپیماها در حال ساخت می‌باشد که در آن مکانیزم ترمز خودکار، عمل هدایت فرمان و مکانیزم ضدسرخوردن، تماماً در کنترل کننده واحدی ادغام شده است.

 



ارسال توسط محسن حیدری
تاريخ : سه‌شنبه ٢٤ مهر ۱۳۸٦

عنوان: چدن ها و مبانی سیستم های راهگاهی

اطلاعات نويسنده مقاله:

امير حسين ماجد - حميدرضا وحدت پور


 

چکيده مقاله:
در میان انواع فلزات و آلیاژ های ریختگی چدن ها بیشترین مقدار مصرف را دارا بوده و اندوخته های علمی و تجربی درباره آن ها نیز بسیارند . برای آنان که در ارتباط مستقیم و یا غیر مستقیم با ساخت قطعات چدنی هستند این احساس وجود دارد که چدن ریزی در مقایسه با دیگر فلزات ریخته گری روش ساده ای است . کیفیت هر محصول تولیدی ریشه در نیاز و فرهنگ آن جامعه دارد . کشوری که متکی به سیستم حمل ونقل دستی است می تواند قطعات ریختگی با کیفیت نازل را پذیرا باشد . در ارتباط با تکنولوژی تولید قطعات چدنی چنانچه مرحله طراحی سیستم های راهگاهی و تغذیه گذاری مهمترین جزء این مراحل نباشد از اصولی ترین قسمت های آن خواهد بود . امروزه این مرحله به عنوان ابزار بسیار مفیدی جهت کنترل معایب در قطعات بویژه عیوب انقباضی و بهره دهی قطعات ریختگی به شمار می رود. طراحی راهگاها و تغذیه بدون توجه به متغیرهای بسیاری که در مرغوبیت قطعات ریختگی موثر است انجام گیرد که متغیرهایی نظیر کیفیت متالوژیکی مذاب و نوع مخلوط سازنده قالب و روش ریخته گری در ارائه طرح سیستم راهگاهی و تغذیه مؤثر است لذا طرح باید این عوامل را شناساوی کرده و بر اساس شناخت کافی آن ها نوع سیستم لازم را انتخاب کند . لذا موفقیت هنگامی بدست می آید که طراح و یا گروه طراحی در ارتباط نزدیک با بخش تولید قرار گرفته و نوعی سیستم راهگاهی و تغذیه را انتخاب کند که حتی المقدور بتواند معایب و نارسائی های مرحله تولید را جبران کند

مبانی سیستم های راهگاهی

یک از عوامل لازم در تهیه قطعات ریخته گری سالم آگاهی از چگونگی رفتار مذاب از هنگام ورود به داخل قالب تا مرحله خاتمه انجماد آن است .  

با نگرشی به قطعات ریختگی بجای مانده از زمان های بسیار دور می توان دریافت که ریخته گران گذشته تا چه حد به اهمیت راهگاه گذاری صحیح قطعات توجه داشته اند .

مطالعه سیستم های راهگاهی ( Gating systems ) بدون آشنایی به رفتار انقباضی مذاب و مسئله تغذیه گذاری ( Risering ) قطعات امکان پذیر نیست . به همین دلیل لازم است در طراحی سیستم های راهگاهی چگونگی انقباض مذاب ( Liquid shirinkage ) قبل از شروع انجماد و در مرحله انجماد ( Solidification shrinkage ) نیز مد نظر قرار می گیرد .

و ظایف یک سیستم راهگاهی مناسب به شرح ذیل است :

1- انتقال مذاب از بوته به محفظه قالب با سهولت انجام پذیرد .

2- حرکت مذاب در مجاری و راهگاها با حداقل حرکت اغتشاشی انجام گیرد .

3- مذاب به گونه ای وارد قالب گردد که سردترین قسمت بار به دورترین قسمت محفظه قالب رفته و گرم ترین آن در راه گاها باقی بماند این حالت موجب می شود تا از ایجاد حفره های انقباضی مذاب در قطعه ریخته گری جلوگیری گردد .

4- راهگاها آنقدر بزرگ در نظر گرفته شوند که مذاب بتواند اولاً محفظه قالب را کاملا پر کرده و ثانیا به تغذیه قطعات ریختگی کمک کند .

معایبی که در اثر عدم دقت در طراحی سیستم های راهگاهی امکان وجود دارند عبارتند از :

1- وارد شدن ماسه شلاکه ( Slag ) و ناخالصی ها ( Impurities ) به همراه مذاب به محفظه قالب خصوصا تجمع در بالا قالب .

2- خشن شدن سطح قطعه ریختگی

3- جذب گاز در مذاب و ایجاد مک و حفره در قطعه ریختگی

4- اکسید شدن بیش از حد مذاب

5- ایجاد حفره های انقباضی در قطعه ریختگی

6- نفوذ مذاب در ماهیچه ها

قبل از پرداختن به چگونگی طراحی یک سیستم راهگاهی باید اجزاء مختلف آن را شناخت که در شکل اجزاء یک سیستم راهگاهی نشان داده شده اند .

اصل بقاء انرژی : قانون برنولی ( Bernoulli,s equation )

در یک سیستم بسته جمع جبری انرژی همواره مقدار ثابتی می باشد . درون این سیستم بسته امکان تبدیل صورت های مختلف انرژی به یکدیگر وجود دارد در حالی که جمع جبری انرژی های موجود در سیستم ثابت می ماند .

هر مایع در حال جریان درون یک سیستم بسته دارای سه نوع انرژی می باشد :

الف ) انرژی پتانسیل :

      عبارت است از انرژی واحد وزنی از مایع که در ارتفاع h از صفحه مبنا قرار گرفته است .

Ep = h

ب ) انرژی فشاری

            انرژی حاصل از فشاری است که بر واحد وزن مایع اعمال می گردد .

Epr = p/γ

که در آن گاما وزن مخصوص و ح فشار می باشد .

ج ) انرژی تحرکی

           توسط عزم حرکتی واحد وزن مایع متحرکی که با سرعت v در حال جریان است بیان می گردد .

Ek = v2/2g

جریان آرام و اغتشاشی مایع ( Laminar and turbulent flow )

جریان هر مایعی درون یک کانال می تواند به دو صورت آرام یا اغتشاشی انجام گیرد . حرکت مایع بصورت آرام هنگامی است که سرعت جریان آن در یک کانال از دیواره کانال تا مرکز آن به تدریج افزایش یابد .

از نظر تئوری بر اساس این تعریف سرعت جریان مذاب در دیواره راهگاهها را می توان صفر در نظر گرفت و در مرکز سطح مقطع سرعت در حداکثر مقدار خود می باشد .

سرعت پرشدن قالب از مذاب و طراحی تنگه ( Choke )

به کمک بعضی از قوانین فیزیکی ذکر شده می توان سرعت پر شدن قالب از مذاب را محاسبه کرد . برای انجام این منظور لازم است سطح مقطع آن قسمتی از راهگاهها را که کمترین حجم مذاب در واحد زمان را می تواند از خود عبور دهد بدست آوریم . این سطح مقطع اصطلاحا تنگه نامیده شده و با Ac  نشان داده می شود .

در اکثر موارد تنگه در نزدیکی سطح جدایش قالب تعبیه می گردد . شکل زیر یک سیستم راهگاهی را نشان می دهد که تنگه در محل تماس راهگاه اصلی ( R ) و راهگاه فرعی ( G ) احداث گردیده است .

H ارتفاع مذاب از سطح بالای حوضچه تا خط جدایش و S راهگاه بارریز و L ارتفاع تا بالای محفظه قالب و X ارتفاع مذاب پرشده در بالای قالب از سطح جدایش می باشد که متغیر است .

شیب دادن راهگاه بارریز( The tapering of the sprue )

راهگاه بارریز یک کانال عمودی است که مذاب را از حوضچه به داخل راهگاه اصلی هدایت می کند . در شروع ریختن مذاب سرعت جریان آزاد مذاب در راهگاه بارریز به همراه افزایش فاصله آن از سطح حوضچه افزایش می یابد .

  

به هر حال در صورتی که راهگاه بارریز به جای مخروط ناقص به صورت استوانه ای باشد ایجاد فضای خالی در طول راهگاه بارریز تنها در مراحل اولیه ریختن مذاب به داخل قالب می باشد . علت این امر آن است که به علت وجود تنگه در سیستم راهگاهی مذاب ریخته شده در قالب بلافاصله باعث پر کردن کامل راهگاه بارریز می گردد به همین دلیل در سیستم راهگاهی صحیح طراحی شده برای چدن ریزی در موارد بسیار ی از راهگاه های بارریز بدون شیب استفاده می گردد .

فشار و سرعت در راهگاه های فرعی

بطور کلی دو نوع سیستم راهگاهی از نظر فشار روی مذاب و سرعت جریان مذاب وجود دارد که عبارتند از : سیستم فشاری و غیر فشاری

ویژگی سیستم فشاری آن است که سرعت سیلان مذاب در راهگاه فرعی و بر مبنای کل ارتفاع فرواستاتیکی مذاب در قالب تعیین می شود در حالی که سیستم غیر فشاری عامل تعیین کننده این سرعت ارتفاع مذاب در راهگاههای فرعی می باشد که کاملا از مذاب پر نباشد و از طرف دیگر سیستم راهگاهی را هنگامی فشاری گویند که کنترل میزان مذاب ورودی به محفظه قالب توسط سطح مقطع بین راهگاه اصلی و همه راهگاههای فرعی انجام گیرد در این سیستم مجموع سطوح مقاطع راهگاه های فرعی کمتر از سطح مقطع راهگاه بارریز می باشد .

در سیستم غیر فشاری کنترل میزان مذاب ورودی به محفظه قالب توسط سطح مقطع تحتانی راهگاه بارریز و قسمتی از راهگاه اصلی که در مجاورت راهگاه بارریز قرار دارد انجام می گیرد . در این سیستم مجموع سطوح مقاطع راهگاههای فرعی از سطح مقطع راهگاه بارریز بیشتر بوده و در نتیجه فشار مذاب در راهگاه بارریز گرفته می شود .

محاسبات سیستم راهگاهی

طراحی و محاسبات سیستم راهگاهی بدون آشنائی به مبانی فیزیک و متالوژی چنانچه غیرممکن نباشد حداقل بیسار مشکل است .

در روش قالب گیری ماشینی مواردی دیده می شود که برای پرهیز از مخارج زیاد تهیه تعدادی مدل مشابه قطعات با اشکال مختلف را روی یک صفحه مدل قرار می دهند این عمل توصیه نمی گردد زیرا تنوع قطعات ریختگی در یک قالب طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه گذاری قطعات را با مشکلات زیادی روبرو می سازد .

بهترین طرح ساده ترین طرح است لذا بهتر است تا حد امکان از قطعات مشابه در یک قالب استفاده گردد.

علاوه بر مطالب فوق توجه به نکات زیر در طراحی موفقیت آمیز راهگاه و تغذیه قطعات ریخته گری چدنی لازم است :

1- از حداکثر فضای قالب به منظور استفاده از حداکثر بهره دهی قطعات استفاده کنیم ضمن آنکه جالی خالی مناسب برای راهگاهها و تغذیه ها باقی بگذاریم .

2- به مرغوبیت مذاب و کیفیت قالب توجه داشته باشیم .

3- سطح جدایش قطعه ریختگی را به گونه ای انتخاب کنیم که نیاز به ماهیچه گذاری را به حداقل رساند .

4- تمام قطعات یا اکثر آن ها در درجه بالائی قرار گیرند تا پرشدن آن ها از مذاب به آرامی انجام شود .

5- به منظور استفاده از حداکثر بهره دهی تغذیه ها بهتر است از یک تغذیه برای دو یا چند قطعه ریختگی استفاده گردد .

وظیفه اصلی یک سیستم راهگاهی آن است که مذابی تمیز و عاری از شلاکه و ناخالصی ها را به محفظه قالب منتقل کند به این منظور سه نکته زیر باید رعایت شوند :

1-       ایجاد ارتباط مذاب موجود در محفظه قالب با فضای خارج

2-       گرفتن شلاکه و ناخالصی ها

3-       ایجاد شرائطی که گاز ها و هوای موجود در قالب را بتوان به فضای خارج منتقل کرد

سیستم فشاری ( Pressurized gating system )

در این سیستم مجموع سطوح مقاطع راهگاههای فرعی کمتر از سطح مقطع راهگاه بارریز است زیرا در چنین حالتی همواره فشاری در پشت مذاب در حال جریان موجود خواهد بود . در این سیستم راهگاهها بلافاصله از مذاب پر شده و فشار پشت فلز موجب می شود که مذاب در راهگاهها پس زده نشود و در هنگام استفاده از چند راهگاه فرعی با سطوح مقاطع یکسان مقدار جریان مذاب در تمام آن ها برابر است ولی در سیستم غیر فشاری تمایل خروج مذاب از دورترین راهگاه فرعی نسبت به راهگاه بارریز بیشتر می باشد .

در هر حال از آنجائی که سرعت جریان مذاب در سیستم های فشاری زیادتر است لذا بروز بعضی معایب در قطعات ریختگی متحمل خواهد بود برای مثال در گوشه هایی که دارای قوس تندی هستند حرکت مذاب اغتشاشی بوده و بنابراین جذب گاز در مذاب و درنتیجه ظهور اکسید ها و ناخالصی ها و شسته شدن دیواره های قالب می توانند رخ دهند .

سیستم غیر فشاری ( Non – pressurized gating system )

در این سیستم مجموع سطوح مقاطع راهگاه های فرعی از سطح مقطع راهگاه بارریز بیشتر بوده و در نتیجه فشار مذاب در راهگاه بارریز گرفته شده و مذاب به آرامی وارد محفظه قالب می گردد که در این سیستم از آن جایی که مذاب در این سیستم به آرامی وارد محفظه قالب می شود لذا جهش فلز به داخل محفظه قالب و حرکت اغتشاشی در آن وجود ندارد و با توجه به این واقعیت که در پشت مذاب فشار چندانی وجود ندارد لذا باید سعی کرد تا سیستم راهگاهی همواره از مذاب پر نگهداشته شود و امکان واردکردن یکنواخت مذاب به محفظه قالب از طریق راهگاههای فرعی مشکل است .

حوضچه بارریزی ( Pouring cup or basin )

گشاد کردن قسمت بالای راهگاه بارریز یا ایجاد حوضچه عمل ریختن مذاب را تسهیل می کند . عدم استفاده از حوضچه امکان ورود شلاکه به داخل راهگاه بارریز را زیاد می کند و هرچقدر حوضچه بزرگتر در نظر گرفته شود این امکان تقلیل می یابد . آن قسمتی از حوضچه که در امتداد لوچه پاتیل قرار دارد باید به اندازه کافی طویل در نظر گرفته شود . حوضچه هایی که کف آن ها پایین تر از سطح بالایی راهگاه بارریز قرار دارد وظیفه گرفتن فشار مذاب ورودی را نیز بر عهده داشته و موجب می شوند تا مذاب به آرامی وارد راهگاه بارریز گردد بدترین شکل برای حوضچه حالت قیفی و بهترین شکل برای آن نوع نشان داده شده در شکل می باشد .

در ریختن قطعات بزرگ استفاده از تله در حوضچه ها برای جلوگیری از ورود شلاکه به راهگاه متداول است از آنجائی که این روش جریان مذاب به داخل راهگاه بارریز را به صورت اغتشاشی در می آورد لذا غیرمفید تشخیص داده شده است .

قرار دادن مانعی روی قسمت بالای راهگاه بارریز به منظور پر کردن اولیه حوضچه از مذاب هم به دلیل مشابه مضر است . قطر یا عرض حوضچه باید حداقل دو برابر قطر جریان مذابی که از پاتیل به داخل آن ریخته می شود در نظر گرفته شود . عمق حوضچه نیز باید به صورتی باشد که در هنگام ریختن مذاب به داخل آن هیچگونه پاشیدگی مذاب صورت نگیرد . در شکل زیر ابعاد یک نوع حوضچه مناسب که بیشتر در ریخته گری انواع چدن با گرافیت کروی مورد مصرف دارد نشان داده شده است .

راهگاه بارریز ( Sprue )

استفاده از چند راهگاه بارریز در یک قالب به هیچ وجه توصیه نمی شود مگر آنکه قطعه ریختگی بسیار بزرگ بوده و ریختن آن نیاز به استفاده از چند پاتیل داشته باشد .

ارتفاع راهگاه بارریز بیشتر با توجه به ارتفاع درجه های موجود در کارگاه تعیین می شود . سطح مقطع این راهگاه در سیستم فشاری تقریبا 3 برابر مجموع سطوح مقاطع راهگاههای فرعی در نظر گرفته می شود و در سیستم غیر فشاری مجموع سطوح مقاطع راهگاههای فرعی تقریبا باید با سطح مقطع قسمت تحتانی راهگاه بارریز یکسان در نظر گرفته شود .

راهگاه بارریز معمولا بصورت استوانه ای در نظر گرفته می شود که سطح مخصوص آن اندکی کمتر از سطح مخصوص راهگاه با مقطع گوشه دار می باشد و جز این امتیاز دیگری ندارد .

بدلیل مشکلات عملی در تهیه قالب های ماشینی با سرعت بالا در سیستم های فشاری از راهگاه بارریز بدون شیب و یا با شیب جزئی استفاده می شود و در سیستم غیر فشاری همواره لازم است از راهگاه بارریزی استفاده شود که قسمت تحتانی آن کمترین سطح مقطع ممکن را در مقایسه با قسمت های دیگر آن داشته باشد در صورتی که در این سیستم از راهگاه بارریز بدون شیب استفاده شود باید در محل اتصال راهگاه بارریز و راهگاه اصلی از تنگه استفاده کرد .

راهگاه اصلی ( Runner )

بهترین طرح برای راهگاه اصلی ساده ترین آن هاست به همین دلیل چنانچه فضای درجه قالب گیری اجازه دهد بهترین نوع راهگاه اصلی نوع مستقیم است . ایجاد هرگونه قوسی در این راهگاه به ایجاد حرکت اغتشاشی مذاب کمک می کند چنانچه به کار بردن این قوس در راهگاه اصلی اجتناب ناپذیر باشد بایستی این قوس را با حداکثر زاویه ممکن ایجاد کرد در راهگاه اصلی انحنادار نباید راهگاه فرعی را نزدیک قسمت قوس راهگاه اصلی تعبیه کرد . چنانچه از یک راهگاه اصلی گرد استفاده شود باید از به کار بردن راهگاه فرعی در وسط قوس پرهیز کرد . اصولا در حالتی که برای قطعه ای استوانه ای شکل از راهگاه اصلی گرد استفاده شود توصیه می گردد که سیستم راهگاهی غیرفشاری بکار برده شود .

اتصال راهگاه بارریز به راهگاه اصلی

اولین قاعده برای طراحی اتصال فوق آن است که سطح مقطع در قسمت اتصال نبایستی از سطح مقطع قسمت تحتانی راهگاه بارریز کمتر باشد . قسمت انتهائی راهگاه بارریز باید با قسمت تحتانی راهگاه اصلی در یک امتداد قرار گیرند .  

در انتهای راهگاه بارریز چاهکی به نام پای راهگاه تعبیه می شود که مذاب پس از پر کردن به راهگاه اصلی وارد می گردد . سطح مقطع افقی پای راهگاه می تواند حدودا دو برابر سطح مقطع افقی قسمت انتهایی راهگاه بارریز در نظر گرفته شود و عمق آن می تواند تقریبا برابر ارتفاع راهگاه اصلی باشد .

راهگاههای فرعی

راهگاههای فرعی به ویژه در سیستم های فشاری مهمترین جزء سیستم راهگاهی به شمار می روند . تعبیه ضخامت محاسبه شده راهگاه فرعی در مرحله قالب گیری به دقت زیادی نیاز دارد این مشکل در مواردی می تواند باعث افزایش ضایعات قطعات ریختگی شود حداقل ضخامت مجاز راهگاه فرعی به درجه حرارت ریختن مذاب بستگی دارد .

هنگامی که گوشه های راهگاه فرعی جامد شد همزمان با آن نصف ضخامت این راهگاه جامد می شود . محاسبه نشان می دهد که چنانچه راهگاه فرعی در قالب با یک شیب 45 درجه تعبیه گردد گوشه های آن حتی سریعتر جامد می شود .

در یک سیستم راهگاهی تعداد راهگاههای فرعی به طرح قطعه بستگی دارد . در سیستم فشاری عرض راهگاههای فرعی را نباید بیش از حد بزرگ در نظر گرفت زیرا در مرحله اولیه ریختن مذاب در قالب و قبل از آن که راهگاه اصلی از مذاب پر شود امکان ورود فلز و احتمالا شلاکه به داخل راهگاههای فرعی وجود خواهد داشت .

اصول طراحی سیستم فشاری

در ریخته گری چدنها و در بیشتر موارد استفاده از سیستم فشاری بر سیستم غیر فشاری ترجیح داده می شود . یکی از انتقادات به این نوع سیستم راهگاهی وارد شدن سریع مذاب از راهگاههای فرعی به محفظه قالب است که خود می تواند باعث شسته شدن ماسه قالب شود . سرعت جریان مذاب در راهگاه فرعی بسته به ارتفاع مذاب در راهگاه بارریز است .

یکی از مهمترین پارامترها در طراحی سیستم راهگاهی انتخاب زمان مناسب برای پرکردن محفظه قالب می باشد . اندازه مناسب برای تنگه تابعی از مدت زمان ریختن مذاب می باشد برای آنکه مذاب به سهولت و بدون تأخیر محفظه قالب را پر کند ایجاد منافذ هوا به منظور جلوگیری از ازدیاد فشار در محفظه قالب در اثر تراکم هوا و گاز های موجود در محفظه قالب ضروری می باشد.

درجه حرارت ریختن مذاب و ظرفیت پاتیل ها

انتخاب درجه حرارت ریختن مذاب بستگی به نوع سیستم راهگاهی و تغذیه گذاری قطعات دارد . برای ریخته گری قطعات چدنی با جداره های ضخیم با استقاده از تغذیه ریختن مذاب در درجه حرارتی بالایی انجام می شود .

انتخاب اندازه پاتیل بایستی به گونه ای انجام گیرد که افت درجه حرارت مذاب در آن حداقل مقدار ممکن بوده و خالی و پر کردن آن نیز با مشکلی مواجه نباشد و شکل لوچه پاتیل بسیار مهم بوده و به شکل U کشیده ترجیح داده می شود ضمن آن که سطح مقطع کانال بارریزی آن دو برابر سطح مقطع راهگاه بارریز در نظر گرفته می شود .

اصول طراحی سیستم غیر فشاری

نسبت بین سطوح مقاطع قسمت فوقانی راهگاه بارریز و تنگه باید در همان حدی در نظر گرفته شود که در سیستم راهگاهی فشاری معمول است در این سیستم وردو شلاکه به محفظه قالب می تواند در سه مرحله زمانی مختلف انجام گیرد : مرحله اول شبیه حالت فشاری است با این تفاوت که این زمان کوتاه تر بوده و احتمالا شلاکه نمی تواند به راهگاههای فرعی راه یابد و مرحله دوم با سیستم فشاری شباهت دارد و همین طور مرحله سوم .

در این جا ترجیح داده می شود که راهگاه اصلی به صورت مستقیم باشد و در این سیستم مجموع سطوح مقاطع راهگاههای فرعی باید بیشتر از سطح مقطع تنگه در نظر گرفته شود .

کوچکترین سطح مقطع در سیستم غیر فشاری در محل اتصال راهگاه بارریز به راهگاه اصلی واقع است . مجموع سطوح مقاطع راهگاههای فرعی معمولا دو تا چهار برابر سطح مقطع تنگه در نظر گرفته می شود . سرعت خطی جریان مذاب در راهگاه فرعی یک سیستم غیر فشاری کمتر از مقدار مشابه در سیستم فشاری است .

سیستم راهگاهی با سطح جدایش عمودی

تهیه قالب های ماسه ای با سطح جدایش عمودی به طور گسترده ای در ریخته گری رواج پیدا کرد . روش قالب گیری پوسته ای و روش های قالب گیری ماشینی بدون درجه با سرعت قالب گیری بالا که به سریع ریختن مذاب در قالب منتهی می شود از اهمیت زیادی برخوردار است . تکنولوژی راهگاهی در این روش قالب گیری هنوز در مراحل تکاملی خود قرار دارد در شکل زیر چند نوع متداول از سیستم راهگاهی با سطح جدایش عمودی نشان داده شده است .

روش راهگاه گذاری در ریخته گری چدن با گرافیت کروی برای اضافه کردن منیزیم به مذاب در راهگاه

در این روش آلیاز محتوی منیزیم را در محفظه ای درون سیستم راهگاهی قرار داده و مذاب عاری از منیزیم را درون قالب می ریزند . امروزه این روش در تهیه چدن با گرافیت کروی در سطح گستردهای در صنایع ریخته گری رواج یافته و دارای جاذبه های خاصی می باشد .

غالبا استفاده از سیستم راهگاهی با کنترل جریان مذاب در راهگاه فرعی اصلی توصیه می شود . یکی از مسائل مهم در اضافه کردن منیزیم به مذاب در سیستم راهگاهی امکان ورود شلاکه های منیزیمی به محفظه قالب می باشد به همین دلیل سیستم راهگاهی بایستی به گونه ای طرح گردد که شلاکه در راهگاهها باقی مانده و امکان ورود به محفظه قالب را نیابد .

معایب مربوط به سیستم راهگاهی و روشهای رفع آن ها

یکی از معایب سطحی بسیار آشنا در چدن های خاکستری و انواع چدن با گرافیت کروی حفره های گازی در سطوح فوقانی قطعات ریختگی می باشند در شکل زیر نمونه ای از آن آمده است .

ورود شلاکه به محفظه قالب و بجای ماندن آن در قطعه ریختگی از دیگر معایب معمول در قطعات چدنی است . اکسیدها منبع اصلی شلاکه را تشکیل می دهند ورود شلاکه به محفظه قالب همواره امکان پذیر است مگر آنکه سیستم راهگاهی به درستی طراحی گردد . برخی اکسید ها توسط کربن موجود در آهن مذاب احیاء می شوند . زمان باقی ماندن حبابهای گاز در سطح مشترک قالب و مذاب بستگی به اندازه حبابها و نوع چدن دارد .

انرژی لازم برای نفوذ حباب گازی از سطح مشترک فوق به جداره قالب به مقدار زیادی بستگی به انرژی سطح مشترک مذاب و قالب دارد از این لحاظ چدن با گرافیت کروی بدتر از چدن خاکستری بوده و احتمال بروز معایب گازی سطحی در آن تقریبا 50 درصد بیش از چدن خاکستری می باشد . سه مثال از عیوب فوق در شکل زیر نشان داده شده است .

برای جلوگیری از عیوب فوق طراحی سیستم راهگاهی ضرورت دارد و چنین جریان مذاب در راهگاهها و محفظه قالب باید به آرامی صورت گیرد . ورود شلاکه به محفظه قالب علل گوناگونی دارد نگرفتن شلاکه به طرز صحیح در پاتیل موجب ورود آن به محفظه قالب و حضور آن در قطعه ریختگی می گردد .

نوع چدن و سیستم راهگاهی

از نظر اصولی تفاوتی بین طراحی سیستم راهگاهی برای چدن های خاکستری و انواع چدن با گرافیت کروی وجود ندارد به هر حال به عنوان یک راهنمای کلی می توان چنین اظهار داشت که راهگاه گذاری چدن خاکستری از انواع چدن با گرافیت کروی ساده تر است .

یک اختلاف اساسی در راهگاه گذاری این دو نوع چدن آن است که چدن های خاکستری به راهگاه اصلی با حجم کمتری نیاز دارند و هم چنین گرفتن شلاکه و ناخالصی ها در ریخته گری چدن ها ی خاکستری ساده تر از انواع چدن با گرافیت کروی انجام می شود . مذاب چدن با گرافیت کروی دارای شلاکه بیشتری از مذاب چدن خاکستری است علاوه بر این ها مقدار سیلیسیوم در چدن خاکستری کمتر از چدن با گرافیت کروی است .



ارسال توسط محسن حیدری
تاريخ : جمعه ٦ مهر ۱۳۸٦

 

از زمانی که انسان غارنشینی را به قصد یافتن مکان زیست بهتر، پشت سرگذاشت، با مصالح ساختمانی سر و کار پیدا کرده بود. بدیهی است که این مواد از نوع موجود در طبیعت بود، مانند پوست برای بنا کردن خیمه و یا گل و سنگ برای تهیه مسکن دائمی‌. بعدها بشر آموخت که از قطعات چوب و تخته و میخ و پیچ برای استحکام بنا استفاده کند و موادی مانند آهک ، ساروج و سیمان را برای اتصال محکم‌تر قطعات سنگ و یا چوب به یکدیگر بکار بگیرد، ولی خاک رس مهمترین ماده اولیه تهیه بسیاری از مصالح ساختمانی است. خاک رس به صورت ناخالص در تهیه کوزه ، گلدان هاى گلی ، ظروف سفالی ، اشیا و لوله‌هاى سفالی ، سرامیک ، سیمان و به صورت خالص ، در تهیه ظروف چینی و ... مصرف می‌شود.

تعریف

·         از نظر واژه: سرامیک به کلیه جامدات غیر آلی و غیر فلزی گفته می‌شود.

·    از نظر ساختار شیمیایی: کلیه موادی که از مخلوط خاک رس با ماسه و فلدسپار در دمای بالا بدست می‌آیند و توسط توده شیشه مانندی انسجام یافته و بسیار سخت و غیر قابل حل در حلال‌ها و تقریبا گداز ناپذیر می‌‌باشند، سرامیک نامیده می‌شوند.

 

 

نقش اجزای سه‌گانه در سرامیک

·         خاک رس: موجب نرمی ‌و انعطاف و تشکیل ذرات بلوری سرامیک می‌شود.

·         ماسه: قابلیت چین خوردن ، پس از خشک و گرم شدن و تشکیل ذرات بلوری سرامیک را کاهش می‌دهد.

·         فلدسپار: در کاهش دادن دمای پخت و تشکیل توده شیشه‌اى و چسباننده ذرات بلوری سرامیک موثر است.

خواص سرامیک‌ها

خواص سرامیک‌ها بسته به نوع و درجه خلوص هر یک از اجزای اصلی ، مواد افزودنی ، لعاب ، زمان حرارت دادن ، مواد اکسنده و کاهنده‌هاى موجود در محیط ، تغییر می‌کند. در قرن حاضر صنعت سرامیک سازی توسعه و تنوع شگرفی یافته و اهمیت و کاربردهای آن نیز وسعت پیدا کرده است.

سرامیک‌های ویژه

·         مقره‌های برق:

که عایقهای خوبی برای گرما و برق هستند و در آنها از Al2O3 ، Zr2O3 استفاده می‌شود.

·         سرامیک‌های مغناطیسی:

در در این نوع سرامیک از اکسیدهای آهن استفاده می‌شود. مهمترین کاربردآنها درتهیه عنصرهای حافظه در کامپیوتر است.

·         سرامیک‌های شیشه‌اى:

وقتی شیشه معمولی پس از تهیه در دمای بالایی قرار گیرد، تعداد قابل توجهی از ذرات بلور در آن تشکیل می‌شود و خاصیت شکنندگی آن کم می‌گردد و بر خلاف شیشه‌های معمولی دیگر ، ایجاد یا پیدایش شکاف کوچک در آنها ساری نمی‌باشد،‌ یعنی این شکافها خود به خود پیشرفت نمی‌کنند. از این نوع سرامیک‌ها برای تهیه ظروف آشپزخانه یا ظروفی که برای حرارت دادن لازم باشند، استفاده می‌شود که آن را اصطلاحا پیروسرام می‌نامند.

لعابها و انواع آنها

لعابها طیف وسیعی از ترکیبات آلی و معدنی را دربرمی‌گیرند. لعاب مربوط به سرامیک معمولا مخلوط شیشه مانندی متشکل از کوارتز ، فلدسپار و اکسید سرب (PbO) است. این اجزا را پس از آسیاب شدن و نرم کردن به صورت خمیری رقیق درمی‌‌آورند. آنگاه وسیله سرامیکی مورد نظر را در این خمیر غوطه‌ور کرده و پس از سرد و خشک شدن ، آن را در کوره تا دمای معین حرارت می‌دهند. پس از لعاب دادن روی چینی ، روی آن مطالب مورد نظر را می‌نویسند و یا طرح مورد نظر را نقاشی می‌کنند و دوباره روی آن را لعاب داده و یک بار دیگر حرارت می‌دهند. در این صورت وسیله مورد نظر پرارزش‌تر و نوشته و طرح روی آن بادوام‌تر می‌شود.

لعابها در انواع زیر وجود دارند:

·    لعاب بی‌رنگ: این نوع لعاب که برای پوشش سطح چینی‌های بدلی ظریف بکار می‌رود، بی رنگ و شفاف است و از مخلوط کلسیم و سیلیس و خاک چینی سفید تهیه می‌شود.

·    لعاب رنگی: برای رنگ آبی از اکسید مس (Cu2O) ، برای رنگ زرد از اکسید آهن (FeO) و برای رنگ سبز از اکسید کروم (Cr2O3) ، برای رنگ زرد از کرومات سرب و برای رنگ ارغوانی از ارغوانی کاسیوس استفاده می‌شود.

·    لعاب کدر: این نوع لعاب که برای پوشش چپنی‌های بدلی معمولی بکار می‌رود و از مخاـوط SnO2 , PbO , SiO2 , Pb3O4 ، نمک و کربنات سدیم تهیه می‌‌شود که آن را پس از ذوب کردن ، سرد کردن و پودر کردن ، در آب به صورت حمام شیر در می‌آورند و شئی لعاب دادنی را در آن غوطه‌ور می‌کنند.

ظروف لعابی

ظروف لعابی درواقع ، نوعی ظروف آهنی هستند که سطح آنها را به منظور جلوگیری از زنگ زدن ، از لعاب می‌پوشانند. البته این نوع ظروف را نباید زیاد گرم یا سرد و یا پرتاب کرد و یا اینکه تحت ضربه قرارداد، زیرا لعاب سطح آنها ترک برداشته و می‌ریزد.

 

 

انواع چینی

چینی‌ها در واقع از انواع سرامیک محسوب می‌‌شوند و به دو دسته چینی‌های اصل یا سخت و چینی‌های بدلی تقسیم می‌شوند.

·         چینی‌های اصل:

o   چینی ظرف: که می‌توان آن را نوعی شیشه کدر دانست، مانند ظرف چینی معروف به سور. از ویژگیهای این نوع چینی آن است که لعاب رنگی را به خود می‌‌گیرد.

o   چینی سیلیسی: این نوع چینی که به چینی لیموژ معروف است، درکشورهای فرانسه ، ژاپن و چین تهیه می‌‌شود. مواد اولیه آن خاک چینی سفید ، شن سفید و فلدسپار است.

o   چینی آلومینیوم‌دار: این نوع چینی به نام چینی ساکس و بایو در فرانسه تهیه می‌‌شود و دارای Al2O3 , SiO2 , CaO است.

·    چینی‌های بدلی: خمیر این نوع چینی‌ها ترکیبی حد واسط از خمیر سفال و خمیر چینی‌های ظریف است. در نتیجه سختی آنها از چینی‌های اصل کمتر است. از این رو ، حتما باید آنها را با لعاب بپوشانند. این نوع چینی‌ها خود به دو دسته تقسیم می‌شوند:

o        بدل چینی‌های معمولی که خمیر آنها رنگی است و از این رو ، با لعاب کدر پوشانیده می‌شود.

o   بدل چینی ظریف که خمیر آنها مانند خمیر چینی بی‌رنگ است اما بر خلاف چینی در مقابل نور شفاف نیست. معمولا سطح این نوع چینی‌ها را از لعاب بی‌رنگ ورنی مانند و شفاف می‌پوشانند تا ظاهری مانند چینی اصل پیدا کنند.

اطلاعات اولیه

سرامیکها معمولا به استثنای فلزات و آلیاژهای فلزی و مواد آلی ، شامل تمام مواد مهندسی می‌شوند که از نظر شیمیایی جزو مواد معدنی هستند و بعد از قرار گرفتن در دمای بسیار بالا ، شکل اولیه خود را حفظ کرده و مقاوم‌تر می‌شوند. ظروف سفالی ، چینی و چینی‌های بهداشتی و غیره ، جزو این گروه می‌باشند.

مواد اولیه سرامیکها

سرامیکها ، از سه ماده اولیه خاک رس ، فلدسپارها و ماسه تهیه می‌شود. خاک رس ،‌ همان سیلیکاتهای آلومینیوم هیدراته است که به صورت کانی‌های مختلفی یافت می‌شوند.

طبقه‌بندی کانی‌های رس

کانی‌های سیلیکاتی دو لایه‌ای

·    کائولینیت : بررسی پراش اشعه ایکس ، وجود دو لایه را در کائولینیت نشان می‌دهد. لایه اول شامل واحدهای 2-Si2O5 چهار وجهی است و لایه دوم از واحدهای هشت وجهی 2-Al2(OH)4 تشکیل شده است. از اتصال دو لایه ، یک لایه واحد بوجود می‌آید که تکرار آن ، لایه کائولینیت را می‌سازد.

·         هالوی‌سیت : کانی دیگر ، هالوی‌سیت است که در مقایسه با کائولینیت کاربرد کمتری دارد.

کانیهای سیلیکاتی سه لایه‌ای

·    مونت موری لونیت : مونت موری لونیت دارای سه لایه ، دو لایه به صورت چهاروجهی‌های سیلیکاتی و لایه وسط به صورت گروه‌های هیدروکسی آلومینات است. به علت توانایی گیر انداختن سیستمهای مولکولی مختلف ، اغلب به عنوان کاتالیست مصرف دارند.

·    ایلیت : ساختمان ایلیت ، تقریبا شبیه مونت موری لونیت می‌باشد و چون همیشه همراه با مخلوط کانیهای دیگر است فرمول دقیقی نمی‌توان برای آن در نظر گرفت.

ترکیبات ثانوی خاک رس و تاثیر آن بر سرامیکها

ترکیبات ثانوی ، شامل ترکیبات آهن ، ماسه ، کربناتهای کلسیم و منیزیم ، میکا و مواد آلی است که مقادیر آنها در انواع خاک رس متغیر می‌باشد. ترکیبات آهن موجود در خاک رس مثل پیریتها و هیدروکسیدهای آهن و . . . باعث پایین آمدن نقطه ذوب و تغییر رنگ سرامیک قبل از پخت به زرد متمایل به قهوه‌ای و بعد از پخت به صورتی متمایل به قرمز تیره می‌شوند. ماسه ،‌ باعث کم شدن حالت پلاستیته و کاهش قدرت چسبندگی می‌شود.

کربناتهای کلسیم و منیزیم به عنوان ناخالصی باعث آسیب دیدگی محصول شده و بعد از پخت ، باعث افزایش خلل و فرج و کاهش قدرت مکانیکی و خواص نسوزی محصول می‌شوند. نمکهای سولفات و کربنات و کلریدهای فلزات قلیایی خاک رس و وانادیوم ، قابل حل در خاکهای رس هستند و موجب پخش مواد در توده خاک رس می‌شوند. ترکیبات وانادیوم لکه‌های زرد متمایل به سبز ، روی محصول ایجاد می‌کنند. ترکیبات آلی موجود در خاک رس ، باعث ایجاد رنگ خاکستری می‌شوند.

 

انواع سیلیکا

دی‌اکسید سیلیکون ، معمولا به سه صورت سنگ ، گرانول و پودر وجود دارد. دی‌اکسید سیلیکون در حالت سنگ به صورت کوارتز یافت می‌شود که در این حالت خیلی کمیاب است. به علت خالص بودن بهترین نوع سیلیکا برای مصرف در سرامیک‌ها است. نوع گرانول در صنعت سرامیک سازی خیلی رایج می‌باشد. این نوع سیلیکا را معمولا قبل از مصرف ، دانه‌بندی کرده ، می‌شویند. نوع پودر سیلیکا معمولا خالص نبوده و در ساخت سرامیک چندان مصرف ندارد.

نقش فلدسپارها در سرامیک‌سازی

فلدسپارها خاصیت سیال‌کنندگی دارند و امروزه نیز ازاین ترکیبات درصنعت سرامیک استفاده می‌کنند. نقش این ترکیبات در سرامیک سازی ، ایجاد فاز شیشه‌ای در توده اولیه است.

انواع فلدسپارها در سرامیک

1.     فلدسپار پتاسیم KO , Al2O3 , 6SiO2

2.     فلدسپار سدیم Na2O , Al2O3 , 6SiO2

3.     فلدسپار کلسیم CaO , Al2O3 , 6SiO2

از بین اینها فلدسپار پتاسیم از همه مهمتر است، ولی در عمل موادی که به عنوان سیال کننده بکار می‌روند، مخلوطی از فلدسپارهای مختلف هستند.

 

 



ارسال توسط محسن حیدری
آخرين مطالب
کارت اعتباری ویزا

کتاب کسب درآمد از اینترنت در ۷ روز

آدرس مجازی خارجی برای گوگل ادسنس