مقاله بررسی صنعت ريخته گري (خاك)

دسته بندي : فنی و مهندسی » صنایع
مقاله بررسي صنعت ريخته گري (خاك) در 22 صفحه ورد قابل ويرايش

مقاله 1:
انواع مختلفي از خاك در جهان وجود دارند كه بسياري از آنها در صنعت ريخته گري آزمايش شده اند اما سه نوع اصلي كه در اين صنعت بكار مي روند شامل كائولن (خاك نسوزط)، مونت موريلونيت (بنتونيت) و ايليت مي باشند. مونت موريلونيت مهم ترين كاني بنتونيت بود9 كه از يك ساختار سه لايه صفحه اي تشكيل شده است. 2 لايه از تتراهدلا سيليسييم – اكسيژن و يك لايه دي اكتاهدرال يا تري اكتاهدرال هيدوكسيل آلومينيم (گيبسيت). لايه مياني‌ آلومينيوم از اكتاهدرالي با يك اتم آهن كه توسط شش واحد هيدلوكسيل محاصره شده تشكيل گرديده است. به شكلهاي 1 و 2 مراجعه كنيد.
خاك هاي سديمي، كلسيمي . و بنتونيت هاي فعال شده دراين خانواده قرار گرفته و به ميزان فراواني در صنعت ريختهگري استفاده مي شوند. كائولن از دو لايه ساختاري تشكيل شده است يك لايه اكتاهيدال آلومينيم و يك لايه تتراهيدال الومينيم و يك لايه تتراهدرال سيليسيم. لايه سيليسيم از يك اتم سيليسيم و 4 اتم اكسيژت تشكيل شده است.
خاك نسوز، خاك چيني، كائولينيت و خاك رس دراين خانواده قرار مي گيرد. در صنايع مدرن بريخته گري بندرت از اين خاكها استفاده مي‌شود.


ايليت خاكي با نسوزندگي ضعيف است. اين خاك غالبا در ماسه هاي طبيعي ديده شده اما در ماسه هاي مصنوعي هيچگاه افزوده نمي‌شود.
مونت موريلونيت داراي يك صفحه مياني هيدروكسيل آلومينيوم است كه بين دو لايه اكسيد سيليسيم آلومينيم است كه بين دو لايه اكسيد سيليسيم قرار گرفته است. بخشي از آلومينيم توسط منيزيم جانشين شده كه يك حالت عدم تعادلي يوني را به وجود مي آورد. تعادل يوني را مي توان با افزودن سديم، كلسيم يا منيزيم بدتس آورد كه اين عمل تبادل يوني ناميده مي‌شود.

در صنايع جديد ريخته گري ، برخي خاكهاي مورد استفاده از نوع تبادل يوني (فعال شده) هستند. دو نوع مونت موريلونيت مهم كه در آن صنعت ريخته گري بكار مي‌روند عبارتند از :

الف) بنتونيت سديم كه با خاصيت تورم زياد شناخته مي‌شود.

ب) بنتونيت كلسيمي كه تورم پذيري كلسيمي هستند كه با نمكهاي سديم نظير كربنات سديم فرآوري شده تاند تا خواص خاك بهبود يابد.اين فعال سازي بودن آنكه باعث كاهش استحكام خشك گردد، موجب بهبود پايداري خواص شده و عيوب ناشي از انبساط را كاهش مي دهد.

عمل فعال سازي مي‌تواند به صورت «تر» يا «خشك» انجام شود اما نتايج بررسيها نشان مي دهند كه فعال سازي «تر» خواص بهتري را بدست مي دهد.

بنتونيت هاي سديمي، كلسيمي و خاك هاي تبادل بودن كره، هر يك خواص منسبي دارند. انتخاب نوع خاك به خواص مورد نياز و مسائل اقتصادي ازتباط دارد. در صنعت ريخته گري فولاد، براي ريخته گري چدن و فلزات غير آهني درماسه‌تر معمولاً از بنتونيت كلسيمي يا بنتونيت فعال شده يا مخلوطي از ينتونيت سديمي/كلسيمي استفاده مي‌شود. هر كارخانه ريته گري بايد نيازمنديهاي خود را شندهته و بر آن اساس نوع خاك مناسب را انتخاب كند. ازيك خاك يا مخلوطي از خاك ها مي توان در اغلب موارد براي دست يابي به خواص مورد نظر استفاده كرد. در فرآيندهاي قالب گيري ماشيني با فشار بالا، اين انتخاب اهميت بيشتري داشته و معمولاً براي بهبود عملكرد، افزودني ديگرنيز به ماسه اضافه مي شوند.

مقاله 2: چسب هاي زرين نوع فوران ابتدا در سال 1958 به عنوان سيستم =سب فوران بدون پخت اسيد كاتاليز شده معرفي شدند. دو سال بعد صنعت اتومايتو اين رزين ‌ها را اصلاح كرد تا به كاتاليزورهاي نمكي اسيد عمل كنند تا در ماهيچه هاي Hotbox استفاده شود سپس در اوايل دهه 80 (زرين هاي فوران به عنوان بزرگترين سيستم فروش بدون پخت تبديل شدند.

چسب هاي فوران بدون پخت (سردگير ) در تهيه قالبهاي ماسه اي در ريخته گري قطعات چدني و فولادي كاربرد زيادي پيدا كرده اند. در اين پژوهش متغيرها موثر در سخت شدن چسب شامل: درصد كاتاليست، رطوبت ماسه، اثر دماي محيط و فاصله زماني بين سنجش استحام و زمان قالبگيري مورد بررسي قرار گرفته است. نهايتا شرايط بهينه قالب گيري چسب فوران با كاتاليست اسيدتولوئن سولفونيك به دست آمد. در اين شرايط استحكام فشاري ماسه برابر 400، عبود گاز آن AFS 130، وز مان عمر مفيد اين ماسه برابر 20 دقيقه تعيين گرديد.

چسب هاي فوارن بدون پخت (سردگير) ر تهيه قالب هاي ماسه ايدر ريخته‌گري قطعات چدني فولادي كاربرد زيادي پيدا كرده اند. سيستم چسبهاي فوراني بدون پخت (No- boke) دراواخر سال 1950 به صنعت ريخته گري معرفي شد و از سال 1960 تاكنون به طور گسترده اي در صنايع ريخته گري كشورهاي جهان استفاده مي‌شود. پايه چسبهاي فوراني. الكل فورقوريل با فرمول شيميايي C4H3OCH2OH است كه از فورفورال تهيه مي‌شود. فورفورال نيز خود از ت0حول بقاياي محصولات غذاييي همچون غلات، پوست جو ، تفاله نيشكر و غيره بدست مي آيد. درجه چسب فوران با استفادهاز مقدار آب و نيتروژن و ميزان فورفوريل الكل پايين براي ريخته گري و ماهيچه سازي چدن و آلياژهاي كم و يا بع عبارتي با فورفوريل الكل زياد براي ريخته گري و ماهيچه سازي قطعات فولادي بكار برده مي شوند. يكي از انواع خاص چسبهايفوراني سردگير چسبهاي بدون نيتروژن است. وجود نيتروژن باعث افزايش طول مدت نگهداري چسب مي‌شود. وجود نيتروژن باعث افزايش طول مدت نگهداري چسب مي‌شود ولي از طرفي وجود آن در بسياري از موارد با تشكيل گاز، باعث ايجاد عيوب ريخته گري مي‌شود كه اغلب از نوع تخلخل و حفره اي بوده و خطرناك مي باشند. نيتروژن همچنين ممكن است تخلخل هاي زير سطحي ايجاد كند. براي بكار بدن اين چسب در قالب گيري، ابتدا ماسه را با يك كاتاليست يا سخت كننده مخلوط مي كنند و سپس چسب فوران را را آن مخلوط مي نمايند. انواع كاتاليستهاي معمول اين چسب به ترتيب افزايش واكنش دهندگي عبارتند از: اسيد فسفريك و يا مخلوطي از اسيد فسفريك و اسيد سولفوريك، آريل سولفونيكها مثل اسيد تولئون سفلونيك(TSA) با فرمول شيمياي CH3So3H و اسيد بنزن سولفونيك (‌BSA) با فرمول SO­3 H اسيد فسفريك ضعيف تين اسيد بين اسيدهي مذكوراست.

معمولاً مقداراسيد فسفريك لازم جهت افزودن به مخلوط حدود 40 الي 60 درصد وزني چسب فوران مي باشد. بعد از اسيد فسفريك امروزه بيشتر از اسيدها آروماتيك TSA و پس از آن BSA كه قوي تر است استفاده مي‌شود. معمولاً وقتي كه ماسه مصرف شده (غير تازه) باشد يا حالت قليايي داشته باشد استفاده از BAS مطلوب تر است. افزودن اين دواسيددرحدود 20 الي 25 درصد چسب به مخلطو كاسه كافي است. به طول كلي مكانيزم سخت شده چسب در چسبهاي سرد فوراني كه با اسيد سخت مي شوند به صورت پلبيمريزاسيوناست. در واقع با وجود يك اسيد قوي، زنجييزه هاي الكل فورفرويل به صورت فيلمي ذرات ماسه را مي پوشاند و باعث چسبيدن اين ذرات ب9ه هم مي شوند. واكنش پليمريزاسيون اين چسب از نوع تراكمي است و محصول جنبي داشته و به صورت زير مي باشد.

اين واكن گرمازا است وحرارات ناشي ازآن باعث تسريع پليمريزاسيون به صولت لايه لايه تا بخشهايمركزي مي‌شود. آب توليد شده از واكنش پليمريزاسيون براي تكميل گيرش رزين بايد بخير شود. به همين دليل گيرش رزين از سطح خارجي قالب به سمت داخل اتفاق مي افتد. سرعت واكنش تحت تاثير عواملي چون دماي ماسه و نوع ماسه، نوع مخلوط كنو سرعت مخلوط كردن ، تركيب چسب وننع و مقدار عنصر فعال كننده مصرفي قرار دارد. افزايش دماي محيط تا C 0 30 موجب افزايش سرعت‌گيرش و رسيدن به استحكام بالا مي‌شود. افزايش رطوبت نيز در دماي ثابت باعث كم شدن سرعت گيرش مي‌شود. دماي ماسه تأثير بسزايي را روي فرآيند پليمريزتاسيون دارد. درمحدوده دمايي C 0 16 تا C 0 38 استحكامهاي مناسب تري بدست مي آيد. در ضمن هر چه روطوبت نسبي هوا بالاتر رود به دليل كاهش سرعت تبخير حاضر در كاتاليست و آب توليد شده از وانش تراكمي‌، استحكام كاهش مي‌يابد.

مكانيزم اتصال خاك رس

اتصال تر (Green bond)

مكانيزم اتصال خاك رس (Clay bond) از طريق تشريح وضعيت يك ذره خاك رس هيدراته شده (A hydrated clay particle) كه به آن مي سل (ءهزثممث) گفته مي شود، باين مي‌شود.نيروي بين مي سل (intermicellet force) شبكه اي درفصل مشترك كوارتز – خاك رس و خاك رس – خاك رس كه بواسطه جذب ترجيحي كاتيونها و آنونيونها برروي سطح است.

اصولا اتصال خاك رس با دانه هاي ماسهزماني امكان پذير است كه ذات خاك رس هيدارته شده باشد. در خضور مولكول هاي آب كه طبق واكنش زير تمايل دارند تا هيدروليز شوند،

H 2 O

ذرات خاك رس ترجيحا يون هاي هيدروكسيل (OH-) را جذب مي كنند. در سطح بلورخاك رس (Clay crystal) پيوندهاي ظرفيتي غير كامل ايجاد مي‌شود و ذره خاك رس -‌ آب يك ذره باردار با يك بارمنفي خواهد شد.

كائولينيت در سطح خودداري پيوندهاي ظرفيتي منفصل است كه اين امر باعث افزايش نقاط فعال بروي بلور مي‌شود. وقتي آب به يك خاك رس از نوع كائولينيت اضافه مي‌شود ، يونهاي OH- جذب مي شوند اما توسط مركز خاك رس دفع مي شوند تا جايي كه موقعيت و شرايط تعادل فراهم شود. كاتيونها موقعيتي را بخود مي گيرند كه. اين موقعيت بگونه اي است كه نيروي الكتروايستايي (Electrostatic force) تمايل دارد تا صفر شود و يك مي سل خاك رس ايجاد شود. مقدار نيروهاي دافعه بواسطه نوع كاتيونهايي چون Na+ و H+ و Ca2+ تعيين مي‌شود و تاثير تلفيقي نيروهاي جاذبه و دافعه اين تمايل را دارد كه ذره خاك رس از نظر بار الكتريكي خنثي شود. در يك ماده قالبگيري، ذرات خاك رس و ذرات كوارتز در زمينه و محيطي از‌آب انتشار يافته و گسترده شده اند، آب باعث تشكيل مي سل هاي خاك رس مي‌شود كه خنثي شده هستند و انرژي جنبشي آنها باعث مي‌شود كه بسمت يكديگر حركت كنند. در اين شرايط، يك نيروي جاذبه مابين يونها غير همنام پديد مي آيد ويك نيروي دافعه خاك كاتيونها و هسته خاك رس ظاهر مي‌شود. وقتي فاصله بين مي سل هاي خاك رس افزايش مي يابد و در نتيجه يك نيروي بين مي سل شبكه اي بوجود مي آيد.

كشش دو مي سل بسمت يكديگر باعث جهت دار شدن و آرايش يونهاي غير همنام بطرف هم مي‌شود و در نتيجه يك خاك رس دو قطبي شده تشيكل مي‌شود و حداكثر نيروي جاذبه دريك فاصله بهينه (Optimum) برابر با x وجود دارد. احتمال دارد تعداد بسياري از اينگونه دوقطبي ها در يك محيطي آب – خاك رس بوجود آيد و نظم و آرايش مناسبي بخود بگيرند و يك شبكه بهم پيوسته (A Network binding) از ذرات خاك رس هيدارته تشكيل مي‌شود.

برحسب نوع ماسه مقدار بار الكتريكي موجود بر سطح ذره متفاوت است و باي تشكيل يك دو قطبي كامل مقدار هيداته شدن خاصي مورد نياز است. بهمين دليل است كه با افزايش مقدار هيدراته شدن خاص مورد نياز است. بهمين دليل است كه با افزايش مقدار آب (تايك اندازه خاص) استحكام مخلوط ماسه پيوند يافته با خاك رس افزايش مي يابد. وقتي مقدار آب از آن حد خاص كه حدبهينه است فراتر رود. آب اضافي بداخل بطوريكه فاصله آنها بيش از اندازه x مي‌شود و نيروي مي سل شبكه‌اي كاهش مي يابد.

فصل مشترك كوراتز – خاك رس

سطح كوارتز نيز پيوندهاي ظرفيتي منفصل و منقطع دارد و درنتيجه مي سل هاي كوارتز هيدارته شده تشكيل مي‌شود. دو قطبي هاي خاك رس اطراف دانه هاي كوارتز را احصاطه مي كند و برروي سطح ماسه اتصال مي يابند. البته نيروي موجود در فصل مشترك كوارتز – خاك رس ضعيف تر از پيوند بين مي سل بين دوقطبي هاي خاك رس است.

اتصال خشك (Dry bond)

در يك ماسه خشك، استحكام با افزايش مقدار‌آب زياد مي‌شود و اين ازدياد تا يك حد خاص ادامه مي يابد اما در مورد ماسه هاي ريخته گري كه مقدار آب آنها در محدوده متعارف و معمول است تا شكل پذيري مناسب وجود داشته باشد، فاصله بين دوقطبي هاي خاك رس همواره بيشتر از مقدار بحراني (x) است زيرا‌ آب اضافي مابين فضاي بين مي سل ها قرار مي گيرد. در هر حال اگر مجموعه تلفيقي خاك رس – آب – كوارتز باندازه كافي حرارت ببيند تا آب تبخير شود، دو قطبي ها مجددا بسمت يكديگر كشيده مي شوند و كاهش حجم نيز پديد مي آيد، هر قدر مدت زمان حرارت دادن مخلوط قالبگيري طولاني تر باشد انقباض (Shrinkage) افزايش مي يابد و اين امر تا آن زمان كه فاصله ما بين دوقطبي ها به حد بحراني (x) برسد ادامه مي يابد. از اين پس ادامه حرارت دادن مخلوط قالبگيري اثر كمي بر مقدار استحكام خشك دارد زيرا فاصله رطوبت به حد بحراني رسيده است.