با ریخته گری به صورت کاربردی آشنا شویم – قسمت چهارم: ماسه فوران

در قسمت اول این مطلب توضیح داده شد که یکی از روش های ساخت قالب ماسه ای، استفاده از روش سرد یا بدون پخت (No-bake process) با حضور رزین فوران و یک کاتالیزور اسیدی در مخلوط ماسه است. به این نوع قالب، ماسه فوران گفته می شود. در برخی ریخته گری ها، به ماسه فوران ماسه ی چسب سرد هم می گویند. این روش از روش های بسیار متداول در صنعت ریخته گری ایران برای قالب گیری و ماهیچه گیری است. اساس کار به این صورت است که در مرحله ی آماده سازی مخلوط ماسه برای قالب گیری، مقدار مشخصی رزین فوران به همراه اسید به ماسه سیلیسی اضافه می شود. پس از گذشت مدت زمان کوتاهی، قالب سخت و آماده ی ذوب ریزی می شود.

در این نوشته از عصر مواد، در خصوص رزین فوران، مخلوط ماسه فوران و مزایا و معایب آن، مطالبی در قالب پرسش و پاسخ تقدیم علاقمندان می شود. همراه ما با ادامه مطلب باشید:

رزین فوران (Furan Resin) چیست؟

رزین فوران یک ترکیب آلی هیتروسیکلی آروماتیک و دارای یک حلقه با ۴ اتم کربن و یک اتم اکسیژن است که ۴ اتم هیدروژن به اتم های کربن آن متصل شده است. فوران با فرمول شیمیایی C₄H₄O مایعی بی رنگ، قابل اشتعال و بسیار فرار است که به راحتی در حلال های آلی مثل الکل، اتر و استون حل می شود.

در صنعت ریخته گری، رزین فوران در ترکیب فورفورالدهید (Furfuraldehyde) و بیشتر در ترکیب فورفوریل الکل (Furfuryl alcohol) استفاده می شود. فورفوریل الکل یک ترکیب آلی حاوی فوران به همراه گروه هیدروکسی متیل (-CH₂-OH) است. فورفوریل الکل مایعی بی رنگ است که به مرور زمان به رنگ کهربایی دیده می شود. این مایع با فرمول شیمیایی C₅H₆O₂ از هیدروژنه شدن فورفورال تولید می شود. فورفورال (Furfural) خود یک ترکیب آلی مایع شامل گروه های فوران و فورمیل با فرمول شیمیایی C₅H₄O₂ است. در فورفورال یک گروه فورمیل (-CHO) به موقعیت ۲ فوران متصل شده است. این مایع روغنی شکل بی رنگ معمولآً از هیدرولیز پسماند و مواد زائد کشاورزی مثل ذرت، جوی دوسر، نیشکر و غیره تولید می شود.

جزء اصلی چسب های فوران مورد استفاده در ریخته گری، فورفوریل الکل است. برای بهبود عملکرد چسب، برخی افزودنی ها مثل اوره، فرمالدهید و فنول نیز به فورفوریل الکل اضافه می شود. برخی از رزین های فوران دارای مقادیری آب (حداکثر تا ۳۰%) و نیتروژن (معمولاً صفر تا ۲ درصد و در حضور اوره حداکثر تا ۱۰%) هم است. بر همین اساس چسب های فوران را بر اساس ترکیبات مواد آن می توان به انواعی چون موارد زیر تقسیم نمود:

فورفوریل الکل
اوره – فرمالدهید – فورفوریل الکل
فنول – فرمالدهید – فورفوریل الکل
اوره – فنول – فرمالدهید – فورفوریل الکل
رزورسینول (Resorcinol) – فورفوریل الکل

دسته بندی های تجاری رزین های فوران معمولاً بر اساس مقدار نیتروژن، آب و فرمالدهید آزاد آن است. هر چه مقدار نیتروژن، آب و فرمالدهید آزاد کمتر و مقدار فورفوریل الکل بیشتر باشد، مرغوبیت و قیمت رزین بیشتر است. در ریخته گری فولاد از فوران های بدون نیتروژن استفاده می شود. برای قطعات بزرگ فولادی حداکثر مقدار نیتروژن فوران ۰٫۳ درصد و برای قطعات متوسط و کوچک باید حداکثر ۰٫۸ درصد باشد. برای چدن ریزی این عدد تا ۶٫۵ درصد و برای آلیاژهای غیرآهنی معمولاً تا ۸ درصد است. مقدار فرمالدهید آزاد در رزین های فوران به منظور رعایت الزامات زیست محیطی و بوی کمتر در قالب گیری، در حداقل مقدار در نظر گرفته می شود. در فوران های مرغوب این مقدار معمولاً کمتر از ۰٫۳ درصد است.

هر چه ویسکوزسته رزین فوران کمتر باشد، مخلوط کردن آن با ماسه راحت تر انجام می گیرد و مخلوط ماسه توانایی جاری شدن بهتری دارد، یعنی راحت تر می تواند قالب را پر کرده و اطراف مدل را در بر گیرد.

شرکت های سازنده ی رزین های فوران، فرمول شیمیایی و مشخصات فنی مخصوص به خود را دارند. این شرکت ها محصولات خود را با نام های تجاری به فروش می رسانند و کمترین اطلاعات از آن ها را منتشر می کنند.

مکانیسم سخت شدن ماسه فوران چیست؟ رزین فوران چگونه ماسه های سیلیسی را محکم به هم چسبانده و قالب را سخت می کند؟

مکانیسم پذیرفته شده برای توضیح به هم چسبیدن دانه های ماسه و سخت شدن قالب در ماسه فوران، پلیمریزاسیون تراکمی گرمازای فورفوریل الکل در حضور یک کاتالیزور اسیدی مناسب (یون H⁺) است که باعث کیورینگ (پخت یا عمل آوری) رزین می شود. این مکانیسم به صورت زیر نشان داده می شود:

در این واکنش، با پلیمریزاسیون بیشتر، زنجیره های بیشتری به هم متصل شده و پیوند بیشتری را به وجود می آورند. فرآورده ی جانبی این واکنش آب است که تشکیل آن باعث رقیق شدن اسید و کاهش سرعت کیورینگ قالب/ماهیچه می شود.

در مکانیسم سخت شدن ماسه فوران، به دلیل تشکیل ترکیبات کروموفوریک یا رنگ زا، رنگ ماسه ابتدا به سبز و در صورت ادامه کیورینگ، به سیاه تبدیل می شود. اگر مقدار اسید زیاد باشد این تغییر رنگ سریع تر اتفاق می افتد.

از چه نوع اسیدی به عنوان کاتالیزور در ماسه فوران استفاده می شود؟

در ماسه فوران، معمولاً از اسید سولفونیک (تولوئن سولفونیک اسید، زایلن سولفونیک اسید و یا بنزن سولفونیک اسید) به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. البته از اسید فسفریک ۷۵%، اسید فسفریک ۸۵% و اسید سولفونیک با اضافه کردن مقدار کمی اسید سولفوریک، اسید فسفریک و یا اسید لاکتیک به آن هم استفاده می شود. انتخاب نوع کاتالیزور اسیدی بر عملکرد رزین، سرعت کیورینگ، استحکام قالب، نرخ احیای ماسه و هزینه ی تمام شده قالب گیری/ماهیچه گیری موثر است.

رزین فوران و اسید به چه میزانی به ماسه ی سیلیسی اضافه می شود؟

رزین فوران در حدود ۰٫۹ تا ۲ درصد وزنی ماسه به آن اضافه می شود. اسید نیز به مقدار ۲۰ تا ۵۰ درصد وزنی رزین بسته به عواملی چون نوع و دمای ماسه و سرعت کیورینگ قالب به ماسه اضافه می شود. ترتیب اضافه کردن چسب و اسید از اهمیت زیادی برخوردار است. برای این منظور پس از اضافه کردن ماسه و مواد افزودنی، ابتدا اسید و سپس چسب اضافه می شود. اگر این ترتیب رعایت نشود و اسید پس از چسب اضافه شود باعث خشک شدن سریع مخلوط و غیر یکنواخت شدن ماسه ی قالب/ماهیچه می شود.

مخلوط شدن و آماده سازی ماسه فوران در میکسرهای مداوم یا تکباری (غیر مداوم) انجام می گیرد. در نوع تکباری، مقدار مشخصی ماسه و سپس اسید داخل میکسر ریخته می شود و عمل اختلاط انجام می گیرد. پس از اختلاط کامل ماسه و اسید، چسب به آن اضافه می شود و دوباره عمل مخلوط شدن انجام می گیرد. در میکسر مداوم، دستگاه به طور مداوم کار می کند. ابتدا ماسه وارد حلزونی میکسر می شود، سپس شیر اسید باز شده و با اضافه شدن اسید عمل اختلاط انجام می گیرد. در ادامه شیر چسب باز شده و دوباره مخلوط شدن انجام می گیرد.

واکنش کیورینگ و سخت شدن ماسه بلافاصله پس از مخلوط شدن شروع می شود، لذا محدودیت زمانی برای قالب گیری/ماهیچه گیری وجود دارد. در ماسه های بدون پخت، مدت زمانی را که فرصت هست تا قبل از خودگیری کامل ماسه و چسب، ماهیچه از قالب ماهیچه یا مدل از قالب بتواند خارج شود، Strip time می گویند. این مدت زمان در خصوص ماسه فوران حدود ۳ الی ۴۵ دقیقه است. Strip time به عوامل زیادی از جمله دمای ماسه، نوع و مقدار اسید، رطوبت ماسه، مقدار آب رزین، کیفیت اختلاط ماسه، اسید و چسب و غیره بستگی دارد. در ماسه فوران معمولاً تا سه ساعت پس از Strip time، قالب به حدود ۹۰-۷۰ درصد استحکام نهایی خود دست می رسد.

دمای ماسه از پارامترهای مهم در فرایند قالب گیری ماسه فوران است. دمای بهینه ماسه برای منظور ۲۷ درجه سانتیگراد است. با ۱۰ درجه افزایش دمای ماسه، سرعت کیورینگ ۲ برابر و با ۱۰ درجه کاهش دما ماسه، سرعت کیورینگ نصف می شود. به دلیل قابل کنترل نبودن دما در فصول مختلف و هزینه های زیاد آن، در فصول مختلف سال یا در دماهای کم و زیاد ماسه، از اسیدهای ضعیف، متوسط و قوی برای کنترل سرعت کیورینگ استفاده می شود.

آیا برای ذوب ریزی، سطح ماهیچه و قالب ماسه فوران پوشش داده می شود؟ از چه پوشانی برای ماسه فوران استفاده می شود؟

به منظور ذوب ریزی، ماهیچه و سطوحی از قالب ماسه فوران که در تماس با مذاب قرار می گیرد با پوشان های مناسب پوشش داده می شود. این پوشان ها به منظور جلوگیری از ماسه سوزی و ماسه شویی در سطح قطعه، جلوگیری از نفوذ مذاب به ماسه یا واکنش بین فلز مذاب/قالب و بهبود کیفیت سطحی قطعه استفاده می شود. در صنعت ریخته گری ایران بیشتر از پوشان های پایه الکلی و پایه آبی استفاده می شود. البته پوشان های پایه حلال کلرینه نیز در پوشش دهی قالب ماسه ای استفاده می شود. در پوشان های پایه الکلی و آبی بیشتر از عایق نسوز گرافیتی یا زیرکونی استفاده می شود. در کنار گرافیت و زیرکون از نسوز هایی چون منیزیت (مگنزیت)، سیلیکات آلومینیوم و آلومینا نیز استفاده می شود.

ماسه فوران چه مزیت و برتری نسبت به سایر روش های قالب گیری دارد؟ معایب ماسه فوران چیست؟

اساس توسعه ی قالب های بدون پخت بر دقت ابعادی بالای قطعات ریخته گری شده در این قالب ها و عدم نیاز به حرارت برای سخت شدن قالب و در نتیجه کاهش هزینه های تولیدی قطعه بود. در میان روش های بدون پخت نیز، روش فوران و اسید، مشکلات زیست محیطی کمتری دارد.

از جمله مزایای ماسه فوران می توان به موارد زیر اشاره نمود:

استحکام نهایی بالای قالب و ماهیچه
استحکام گرم بالای قالب و ماهیچه
قابلیت خرد شوندگی و از هم پاشیدگی عالی قالب پس از ریخته گری
امکان احیا و بازیابی کل ماسه ی مصرفی
زمان کیورینگ سریع و سرعت سخت شدن بالای قالب
سرعت زیاد تولید
دقت ابعادی بالای قطعه ی تولیدی
مقاومت بیشتر به عیوب سطحی مثل ماسه ریزی، نفوذ ذوب و فرسایش قالب
ضایعات کم
قابل استفاده برای انواع آلیاژها
انقباض پلیمریزاسیون قابل پیش بینی
روان بودن مخلوط ماسه و چسب و پر کردن مناسب اطراف مدل
نسبت به برخی ماسه های رزینی دیگر، دود و بوی کمتری در هنگام ریخته گری دارد
چسبندگی کم ماسه به قطعه

در کنار این مزایا، ماسه فوران دارای عیوب و محدودیت های زیر هم است:

رزین فوران قیمت بالایی دارد، بنابراین هزینه تولید قالب و ماهیچه بالا است.
تجهیزات احیای ماسه گران بوده و در همه کارخانجات و کارگاه ها قابل اجرا نیست، لذا در آن ها ماسه ای احیا نمی شود.
در ماسه فوران، عیوب ناشی از سولفور منجر به سطح نهایی ضعیف در برخی فولادها و تبدیل کره های گرافیت نزدیک به سطح در چدن داکتیل به گرافیت ورقه ای می شود.
نیتروژن موجود در رزین های فوران اوره دار باعث تولید گاز و عیوب ریخته می شود.
در صورت احیا و بازیابی ماسه فوران، مقدار سولفور ماسه های احیا شده بیشتر از قبل هم شده و عیوب بیشتری تولید می شود.
حساس بودن دمای ماسه در این فرایند و محدودیت های این مسئله در تابستان و زمستان
افزایش احتمال عیب ترک گرم در قطعات