بررسي اثر دانسيته فوم و ضخامت پوشان بر الگوي جريان و برخي پارامترها در ريختهگري فومي

محمد خدائي*1 و ناصر ورهرام2
عضو هيأت علمي دانشگاه آزاد اسلامي واحد شهر مجلسي
استاديار، دانشگاه صنعتي شريف
*khodai1358@yahoo.com

( تاريخ دريافت: 25/08/1388، تاريخ پذيرش: 10/12/1388)

چكيده
در ريختهگري به روش مدلهاي فومي فدا شونده، مدل و سيستم راهگاهي از فوم قابل تبخير ( عموماً پلياستايرن) تهيه شده و پس از پوششدهي داخل ماسه بدون چسب قرار ميگيرد. با ورود مذاب به قالب، مدل تجزيه حرارتي و از قالب خارج شده و مذاب جاي آن را ميگيرد. در ريختهگري فولادها به اين روش به علت دماي بالاي مذاب، مدل فومي عمدتاً به محصولات گازي تجزيه شده و به صورت گاز از قالب خارج ميشود. اعمال فشار برگشتي توسط محصولات گازي تجزيه فوم روي سطح آزاد مذاب باعث تغييراتي در جريان مذاب داخل قالب ميشود. اما در ريختهگري آلومينيوم به علت حرارت كمتر مذاب، فوم دچار تجزيه كمتر ميشود و عمدتاً به فرم مايع از قالب خارج ميشود. در اين پژوهش از تكنيك فتوگرافي (قالبي با يك وجه شيشهاي) براي بررسي نحوه جريان مذاب و طول فاصلهگازي در ريختهگري فولاد و آلومينيوم به روش مدلهاي فومي فدا شونده استفاده شده است. نتايج فشارسنجي طول فاصلهگازي نشان ميدهد كه با افزايش ضخامت پوشان، دانسيته فوم و ارتفاع لوله راهگاه فشار برگشتي بر سطح آزاد مذاب فولاد افزايش مييابد. مقايسه نتايج فتوگرافي آلومينيوم و فولاد نشان ميدهد كه در ريختهگري فولاد، شدت واكنشها در طول فاصلهگازي و حجم محصولات گازي نسبت به ريختهگري آلومينيوم بسيار بيشتر ميباشد.

واژههاي كليدي:
ريخته گري فومي، روش فتوگرافي، طول فاصلهگازي، فشار برگشتي بر مذاب.

1- مقدمه
در ريختهگري با مدلهاي فومي فدا شونده يا مدل تبخيري ابتدا مدل و سيستم راهگاهي از جنس فوم (پلياستايرن، پليمتيل متاكرايليت، پلياكيلن كربنات) ساخته ميشود. سپس آنها را توسط دوغاب نسوز پوشش داده و پس از خشك شدن آن را داخل درجه قرار داده و درجه با ماسه بدون چسب و توسط ارتعاش پر ميشود. با ورود ذوب به محفظه قالب، فوم تجزيه و از قالب خارج ميشود [1، 2 و 3]. در ريختهگري فلزات با نقطه ذوب كم نرخ تجزيه فوم و در ريختهگري فلزات با نقطه ذوب بالا نرخ خروج محصولات تجزيه از قالب عوامل كنترلكننده نحوه جريان مذاب و نرخ پر شدن قالب ميباشند. همچنين ميزان تجزيه فوم شديداً وابسته به دماي مذاب است به گونهاي كه در ريختهگري آلومينيوم 90-70 درصد محصولات تجزيه فوم به صورت مايع و در دماي ريختهگري چدن محصولات تجزيه عمدتاً به صورت گاز هستند [4 و 5]. با گرم شدن فوم پلياستايرن وقتي دما بالاتر از 120 درجه سانتيگراد ميرسد پلياستايرن شروع به ديپليمريزه1 شدن ميكند. در دماي حدود 160 درجه سانتيگراد فوم به ذوب تا حدي ديپليمره شده تبديل ميشود. با افزايش دما تا 400 درجه سانتيگراد نرخ تبخير فوم افزايش يافته تا حدي كه محصولات گازي در اين دما تشكيل ميشوند. تا دماي 830 درجه سانتيگراد اين گازها عمدتاً از منومر استايرن تشكيل شدهاند ولي با افزايش دما به بالاتر از اين عدد، منومر به هيدروژن و هيدروكربنها تجزيه ميشود [6]. به گونهاي كه در دماي ريختهگري فولاد پلياستايرن عمدتاً به صورت محصولات گازي (هيدروكربن و هيدروژن) از قالب خارج ميشود. نرخ خروج گاز به عواملي مانند نفوذپذيري پوشان و ماسه و نسبت سطح به حجم قطعه بستگي دارد. چنانچه نرخ خروج گاز از قالب كمتر از نرخ توليد گاز در قالب باشد، فشار گاز در قالب (فشار برگشتي بر سطح آزاد مذاب) افزايش يافته و باعث ايجاد تغييراتي در الگوي جريان مذاب ميشود [7، 8، 9 و 10].
در دماي ريختهگري فولاد به علت تشعشع حرارتي شديد، فاصله گازي قابل توجهي بين مذاب و فوم جامد ايجاد ميشود. اين فاصله در ريختهگري آلومينيوم توسط يانگ2 و همكاران حدود 3-1 ميليمتر اندازهگيري شده است [11]. همچنين در تحقيقات ايشان، فشار برگشتي در ريختهگري آلومينيوم به روش مدل فومي 500-200 پاسكال و در ريختهگري چدن 26000-11000 پاسكال اندازهگيري شده است. در منابع اشارهاي به طول فاصلهگازي در ريختهگري فولاد و فشار برگشتي آن نشده است.
و با توجه به دماي بالاي مذاب فولاد و كوتاه بودن زمان پر شدن قالب، دقت بالايي براي بررسي آنها لازم ميباشد.
در اين تحقيق از تكنيك فتوگرافي براي بررسي نحوه جريان مذاب فولاد و طول فاصلهگازي استفاده شده است. پاپ و باتلر3 اولين استفادهكنندگان اين روش در ريختهگري آلومينيوم به روش مدل فومي هستند [12]. البته محققين ديگري مانند پيتر4 و همكاران و لي5 نيز از اين تكنيك براي بررسي جريان مذابهاي آلومينيوم و روي و چدن در ريختهگري فومي استفاده كردهاند
.[13]

2- روش تحقيق
هر چند كه بررسي نحوه پر شدن قالب به روش اشعه ايكس6 دقيقترين روش ميباشد و در روش فتوگرافي، حضور شيشه در يك وجه قالب باعث از بين رفتن نفوذپذيري يك وجه قالب ميشود اما اجراي روش فتوگرافي سادهتر و ارزانتر بوده و در اين روش جزئيات بيشتري از طول فاصلهگازي را ميتوان مستقيماً مشاهده نمود. در روش اشعه ايكس فقط مذاب قابل مشاهده بوده و فاصلهگازي و واكنشهاي داخل آن به وضوح قابل بررسي نيستند. در اين تحقيق به منظور بررسي اثر دانسيته فوم و ضخامت پوشان بر جريان مذاب فولاد و آلومينيوم و طول فاصلهگازي ابتدا مدل فومي با دانسيتههاي 3 Kg/m20 و 10 و با ابعاد نشان داده شده در شكل (1) و به ضخامت 2 سانتيمتر توسط سيم داغ بريده شد. سپس يك وجه مدلهاي مورد استفاده در ريختهگري فولاد توسط رنگ فسفري حساس به نور و به منظور افزايش وضوح طول فاصلهگازي و كاهش اثر تابش شديد فولاد پوشش داده شد و روي آن با چسب كاغذي پوشش داده شد (اين كار براي مدلهاي مورد استفاده در ريختهگري آلومينيوم انجام نشده است).
سپس با فروبري همه مدلها در دوغاب گرافيتي پايه آبي Styromol 210 n (محصول شركت Foseco) با بومه 50
(اندازهگيري شده با هيدرومتر)، برخي مدلها يك لايه و برخي ديگر دو لايه پوششدهي شدهاند. سپس در مدلهاي مورد استفاده در ريختهگري فولاد چسب كاغذي از ضلع رنگ شده

شكل (1): ابعاد و طرح مدل فومي (mm).

حذف شد. اين وجه مدل ابتدا روي ورق ميكاي شفاف و سپس شيشه نسوز قرار گرفته است. ميكا باعث كاهش شوك حرارتي به شيشه ميشود. سپس درجه توسط ماسه سيليسي خشك و بدون چسب با عددريزي AFS 50 پر شده و براي فشردهسازي ماسه از يك لرزاننده با فركانس 50 هرتز و شتاب g 3/2 استفاده شد. حوضچه بارريزي به صورت پيشساخته روي راهگاه فومي و ماسه خشك قرار گرفته است و پر شدن قالب حين ذوبريزي توسط دوربين فيلمبرداري ضبط و سپس فيلمها توسط نرمافزار ACDSee Power Pack 6.03 به فريمهايي با طول زماني 06/0 ثانيه تقسيمبندي شد. براي ذوبريزي از فولاد آلياژي Mo40 با دماي بارريزي 1640 درجه سانتيگراد و آلومينيوم A356 با دماي بارريزي 720 درجه سانتيگراد استفاده شده است كه تركيب شيميايي اين دو آلياژ در جدول (1) آورده شده است.
همچنين براي اندازه گيري فشار برگشتي در ريختهگري فولاد، يك لوله فولادي به طول 30 سانتيمتر و قطر داخلي 7 ميليمتر را ابتدا تا طول 12 سانتيمتر برش طولي داده و مطابق شكل (2) به مدل فومي اتصال داده شد (لوله برش خورده به مدل فومي مماس شده است) و سپس مدل پوشان دهي گرديد. انتهاي لوله توسط شيلنگ نسوز سيليكوني ب ه فشارسنج ديجيتالي متصل شد.
شرايط قالبگيري به استثناي شيشه مانند قسمت قبلي ميباشد. همچنين براي اندازهگيري فشار از فولاد آلياژي Mo40 با دماي بارريزي 1640 درجه سانتيگراد براي ريختهگري استفاده شد.

3- نتايج و مباحث
شكل (3) مراحل پر شدن قالبي با فوم دانسيته 3Kg/m 20 (منظور از H دانسيته بالا و L دانسيته كم است) و يك لايه پوشان (1H) توسط مذاب آلومينيوم را نشان ميدهد.
در شكل (3) مشاهده ميشود كه پلياستايرن مايع بين مذاب و شيشه حبس شده و ميجوشد و حجم گاز توليدي بسيار كم ميباشد. طول فاصلهگازي كمتر از 3 ميليمتر مشاهده مي شود و سرعت حركت مذاب در طول راهگاه عمودي Cm/S 30 اندازهگيري شده است.
شكل (4) مراحل پر شدن قالبهاي متفاوت را توسط مذاب فولاد نشان ميدهد.
در شكل (4) مشاهده ميشود كه حجم گاز زيادي از تجزيه فوم در اين دما ايجاد ميشود. در قالبهايي كه فوم دانسيته بالا داخل آنها قرار دارد (H) و يا دو لايه پوشان دارند (2H) گاز بيشتري توليد ميشود و يا گازها با نرخ كمتري از قالب خارج ميشوند.
اين امر باعث افزايش زمان پر شدن قالب ميشود. قالبي با فوم دانسيته بالا و دو لايه پوشان (2H) تا زمان حدود 6 ثانيه پس از شروع ريختهگري پر نشده است. البته اين قالب تا پايان زمان بارريزي كاملاً پر نشده و علت آن انجماد مذاب در راهگاه قبل از خروج كامل گازها از قالب ميباشد. زيرا حجم محصولات تجزيه فوم به حدي زياد است كه زمان پر شدن قالب و ثابت ماندن مذاب در سيستم راهگاهي طولاني شده و در نتيجه مذاب در راهگاه منجمد ميگردد. نقطه اضافي در قالبهاي مربوط به ريختهگري فولاد در قالبي با فوم كم دانسيته و يك لايه پوشان (1L) به علت اينكه حجم گاز توليدي در قالب كم و نفوذپذيري قالب زياد ميباشد، نرخ پر شدن قالب از سايرين بيشتر ميباشد.
سرعت پيشروي مذاب فولاد در راهگاه عمودي به طور ميانگين حدود Cm/s 40 ميباشد. اين سرعت براي ساير قالبهاي

جدول (1): آناليز و نقطه ذوب آلياژهاي مورد استفاده.
A356 Al Si % Mg % Cu % Ti % Fe % Zn % Mn % Solidus temp Liquidus temp
As remainder 6/50-7/50 0/25 -0/45 <= 0/20 <= 0/20 <= 0/20 <= 0/10 <= 0/10 557 C 613 C
1/7225 Or Mo40 Fe C Cr Mo Mn Si P S Solidus temp Liquidus temp
As remainder 0/38 -0/45 0/9 -1/2 0/15 -0/3 0/2 -0/6 < 0/4 < 0/035 < 0/035 — —

شكل (2): نحوه اتصال لوله فولادي به مدل فومي براي اندازهگيري فشار در ريختهگري فولاد.

شكل (3): مراحل پر شدن قالبي با فوم دانسيته بالا و يك لايه پوشان توسط آلومينيوم مذاب.

شكل (4): مراحل پر شدن قالبهاي مختلف توسط فولاد مذاب.

ريختهگري فولاد مشابه قالب 1L است و تأثير دانسيته فوم و ضخامت پوشان در مراحل نهايي پر شده قالب آشكار ميگردد.
از طرفي با افزايش دانسيته فوم و يا كاهش نفوذپذير ي پوشان، نرخ پر شدن قالب با فولاد مذاب كاهش يافته است. بنابراين ميتوان گفت كه در ريختهگري فلزات آهني به روش مدلها فومي فدا شونده، نرخ خروج محصولات تجزيه فوم از قالب عامل كنترلكننده پر شدن قالب است. تصاوير مربوط به پر شدن قالب توسط فولاد مذاب نشان ميدهند كه سطح آزاد مذاب داراي جوشش خاصي است. از طرفي ميدانيم كه افزايش فشار بر سطح آزاد مذاب باعث حركت آرامتر و سطح آزاد ملايمتر ميشود. اما اين جوشش در قالبهاي با فشار برگشتي بيشتر، افزايش يافته است. علت اين پديده را چنين ميتوان توجيه كرد كه با گرم شدن فوم، سطح بالايي آن (سطحي از فوم كه در تماس با مذاب نيست) ذوب شده و قطرات فوم مايع بر سطح آزاد مذاب فولاد ميچكد و اين باعث جوشش سطح آزاد مذاب ميشود. با توجه به نتايج شكل (4) ميتوان گفت كه در قالبهايي با شرايط متفاوت، تجمع محصولات تجزيه فوم در قالب، عمده تأثيرات در مراحل انتهايي پر شدن قالب آشكار ميگردد. زيرا تجمع تدريجي محصولات مقابل جبهه پيشرونده مذاب باعث افزايش ميزان فشار محصولات تجزيه در مراحل نهايي ميگردد. در شكل (5) طول فاصلهگازي در قالبهاي مختلف فولادريزي مشاهده ميشود.

994410-5606335

شكل (4): مراحل پر شدن قالبهاي مختلف توسط فولاد مذاب (ادامه).
در شكل (4) و (5) منظور از ST 1L قالبي با فوم كم دانسيته و يك لايه پوشان و ريختهگري شده با مذاب فولاد (ST) ميباشد. مشاهده ميشود كه با افزايش دانسيته فوم و يا افزايش تعداد لايه پوشان (كه به منزله كاهش نفوذپذيري آن است) طول فاصله گازي افزايش يافته است. به گونهاي كه اين طول در قالبي با فوم دانسيته بالا و دو لايه پوشان به 6 سانتيمتر هم رسيده است.
از طرفي نتايج فشارسنجي نشان ميدهد كه حداكثر فشار برگشتي در ريختهگري فولاد در قالبهاي 1H ،2L ،1L و 2H به ترتيب 3500 پاسكال، 5500 پاسكال، 7000 پاسكال و 8000 پاسكال ميباشد. مشاهده ميشود كه با افزايش ضخامت پوشان، نرخ خروج گاز از قالب كاهش يافته و فشار برگشتي بر سطح آزاد مذاب افزايش يافته است. البته فشار برگشتي در قالب 2H، ولي با ارتفاع لوله راهگاه 31 سانتيمتر، حدود 17000 پاسكال اندازهگيري شده است و اين نشان ميدهد كه ارتفاع لوله راهگاه اثر قابل توجهي بر فشار برگشتي دارد.

4- نتيجهگيري
حجم گاز توليدي ناشي از تجزيه فوم در ريختهگري فولاد به طور قابل توجهي بيش از ريختهگري آلومينيوم ميباشد و در ريختهگري آلومينيوم اكثر محصولات تجزيه به صورت مايع هستند.
در ريختهگري فولاد به روش مدل فومي، با افزايش دانسيته فوم و يا افزايش تعداد دفعات پوشاندهي، طول فاصلهگازي افزايش مييابد. همچنين فشار برگشتي به شدت تحت تأثير ارتفاع متالواستاتيك مذاب ميباشد.
در ريختهگري آلومينيوم به روش مدل فوم طول فاصلهگازي كمتر از 3 ميليمتر و در حالي كه در ريختهگري فولاد تا حدود 6 سانتيمتر هم ميرسد.

تشكر و قدرداني
بدينوسيله نويسندگان مقاله از همكاري شركت فولادريزان قدرداني مينمايند.

شكل (5): طول فاصلهگازي در ريختهگري فولاد در قالبهاي مختلف.
مراجع
H. F. Shroyer, “Cavity Less Casting”, U. S. Patent No.
2830343, 1958.

M. C. Flemings, “Foam Vaporization Casting”, Silver Anniversary Paper, AFS Transactions, Vol. 95, pp. 665672, 1987.

T. R. Smith, “Use of Clean, Unbounded Sand in Foam Casting”, U. S. Patent No. 3157924, 1964.

S. Shivkumar, “Casting Characteristic of Aluminum Alloys in the EPS Process”, AFS Transactions, Vol. 152, pp. 513-515, 1993.

S. Shivkumar and B. Gallios, “Physico-Chemical Aspects of the Full Mold Casting of Aluminum Alloys, Part I: The Degradation of Polystyrene”, AFS Transactions, Vol. 95, pp. 791-800, 1987.

S. Shivkumar, “Modeling of Temperature Losses in Liquid Metal During Casting Formation in Expendable Pattern Casting Process”, Materials Science and Technology, Vol.
10, pp. 986-992, 1994.

X. Lio, C. W. Ramsay and D. R. Askeland, “Study on Mold Filling Control Mechanisms in the EPC Process”, AFS Transactions, Vol. 148, pp. 903-914, 1994.

P. Davami and SMH. Mirbagheri, “Simulation of Mould Filling in Lost Foam Casting. Journal of Cast Metals Research, Vol. 16, pp. 1-12, 2003.

SHM. Mirbagheri, P. Davami and N. Varahram, “3D Computer Simulation of Melt Flow in LFC Process”, Int J Numer Meth Eng, Vol. 58, pp. 723, 2003.

M. Khodai and N. Parvin, “Pressure Measurement and some Observation in Lost Foam Casting”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 206, Issues 1-3, pp.
1-6, 2008.

J. Yang, T. Huang and J. Fu, “Study of Gas Pressure in EPC Molds”, AFS Transactions, Vol. 128, pp. 21-26, 1998.

R. D. Butler and R. J. Pope, “Some Factors Involved in Full Mold Casting with Unbounded Sand Moulds”, The
British Foundryman, pp. 178-190, 1964.
W. L. Sun, H. E. Littleton and C. E. Bates, “Real-Time X-Ray Investigations on Lost Foam Mold Filling”, AFS Transactions, Vol. 02-11, pp. 03-083, 2003.

7- پينوشت
1- Depolymerization
2-3- Pope & Butler Yang
4-5- Pieter et al (1967) Lee (1973)
6- Real Time X-Ray



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید