یک قطعه ریختگی ممکن است دارای عیوب مختلفی باشد ولی در این میان عیوبی مانند تخلخل و مک های ریز و درشت از جمله عیوب مهم به شمار رفته و وجود این عیوب باعث افت شدید خواص مکانیکی قطعه می.گردند از اینرو توجه به مسئله گازها که منشاء این عیوب ،می باشند بخصوص در مورد قطعات فولادی از اهمیت ویژه ای برخوردار است در میان گازها هیدروژن و ازت و اکسیژن بعلت ،فراوانی حائز اهمیت بیشتری بوده و تحقیقات جامعی پیرامون اثرات ترکیبی و خالص این گازها در زمینه فولادسازی انجام گرفته است محققان گازها را به چهار دسته تقسیم نموده اند:

۱- گازهای تک اتمی (گازهای نادر)

۲- گازهای دو اتمی ساده O2, N 2 , H2

۳- گازهای دو اتمی ترکیبی مانند CO

۴- گازهای سه اتمی مانند SO2 و CO2 و بخار آب

نکته مهم این است که تا زمانی که گاز در فولاد حل نشود نمی تواند تأثیر واقعی خود را روی قطعه بگذارد بنابراین گازهای دسته اول که در فولاد حل نمی شوند در بیرون راندن گازهای دیگر مؤثرند.

دسته دوم گازهای دو اتمی ساده هستند که در فولاد مذاب و جامد قابلیت حل شدن دارند در مورد این گازها با توجه به روابط موجود بین فشار و درجه حرارت می توان به اصل مهمی دست یافت و آن این است که مقدار گازی که درمذاب حل می شود متناسب با جذر فشار جزئی آن می باشد، بنابراین اگر فشار جزئی گازی، چهار برابر گردد حلالیت آن در درون مذاب دو برابر می گردد.

با توجه به اینکه حلالیت گاز با جذر فشار جزئی نسبت عکس دارد، به سادگی مشخص می گردد که با اعمال فشار بسیار کمی گازهای ازت و هیدروژن بطور کامل از فولاد بیرون رانده می شوند.

اتم های موجود در اطراف منطقه ذوب ممکن است گازهای سه اتمی را بوجود آورند که این گازهای سه اتمی نیز قابلیت حل شدن در مذاب را دارند.

برای مثال گوگرد از گازهای کوره و هیدروژن از بخار آب اطراف محیط کوره و همچنین شارژ کوره جذب می شوند در هنگام انجماد قابلیت حلالیت گاز در فولاد کاهش یافته و بنابراین مقداری از گازهای موجود در آن خارج می شوند.

هیدروژن بیش از هر گاز دیگری در این زمان خارج می شود ولی خروج گازهایی مانند منواکسید کربن CO و یا ازت بستگی به تراکم نسبی ،هیدروژن کربن اکسیژن و ازتی دارد که در مراحل ذوب ریخته گری و انجماد از فولاد تولید می شوند.

گازها به سه صورت در فولاد جامد یافت می شوند.:

۱- ترکیب شیمیائی بصورت اکسید یا نیترید

۲- حل شده بطریق فیزیکی

۳- مولکولی که در این حالت گازها در حفراتی با اندازه های گوناگون وجود خواهند داشت.

هیدروژن:

هیدروژن به میزان بسیار زیادی در فولاد مذاب جذب میشود و این مقدار جذب شده بیش از قابلیت انحلال هیدروژن در فولاد جامد می باشد .

در زمان انجماد هیدروژن جذب شده اضافی از فولاد خارج شده و نواقصی را در قطعه ریخته شده فولادی بوجود می آورد.

منبع اصلی هیدروژن در فولادسازی بخار آب می باشد و حمام مذاب کوره بیشترین هیدروژن را از واکنش با بخار آب اضافه شده به مواد سرباره ساز، رطوبت موجود در مواد دیرگداز و مواد اضافه شده به پاتیل مانند آلیاژهای آهن جذب می کند.

میزان تمایل هیدروژن برای جدا شدن از بخار آب بستگی به واکنش اکسیژن در حمام مذاب کوره دارد و رابطه آن بصورت زیر می باشد.

H2O(g) = 2H(PPm) + O(%)

در واقع میزان هیدروژن بستگی به پروسه فولادسازی داشته و هیدروژنی که در فولادهای اسیدی وجود دارد کمتر از فولادهای بازی می باشد.

کنترل گاز هیدروژن:

۱- جوشش کربن:

عامل اصلی در هیدروژن زدائی جوشش کربن است و چنانچه در هنگام ذوب کردن در کوره میزان جوشش مذاب زیاد باشد هیدروژن بسیار زیادی که در اثر ذوب قراضه های زنگ زده و روغنی وارد کوره شده ،است بیرون رانده می شود. همچنین خشک کردن پاتیل،ها راهگاه و قالب ها از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد.

در نهایت میتوان گفت که وجود کربن تا ۰٫۵ به همراه اکسیژن زداهای قوی باعث میشود که مقدار هیدروژن بیشتری جهت تشکیل حفره های گازی در فولاد حل گردد.

۲- مواد آستر :

از مواد آستر کوره می توان به عنوان یک منبع هیدروژن گیر استفاده نمود. دولومیت که در حقیقت همان کربنات مضاعف کلسیم و منیزیم ،می باشد پس از سوختن قابلیت جذب رطوبت را خواهد داشت بنابراین آن را با یک الکترود شکسته در کوره ای که جديداً آسترکشی شده است می سوزانند.

این مطلب در مورد کوره های قوسی می باشد مقدار هیدروژن در انواع فولاد با اضافه کردن ،سیلیسیم منگنز و یا آلومینیم جهت اکسیژن زدائی مذاب ،فولاد اکسید آهن (FCO) از محیط گرفته شده و جای آنرا اکسیدهایی که فعالیت کمتری دارند می گیرند.

در این حالت تشکیل منواکسید کربن متوقف شده و واکنش زیر انجام می گیرد.

Fe + H2O FCO + 2H ↑

در زمان جوشیدن مذاب اگر مقدار FcO زیاد باشد واکنش فوق در جهت عکس برگشت داده می شود و به همین دلیل میزان هیدروژن کمتری تولید می گردد.

فولاد کربنی کمترین مقدار هیدروژن را دارد و مقدار هیدروژن موجود در فولادهای کم ،آلیاژ کمی بیشتر می باشد فولادهایی که ۱۳% کرم دارند، نسبت به فولادهای کم ،آلیاژ هیدروژن بیشتری داشته و فولادهای زنگ نزن آستنیتی (۱۸Cr – Ni) بیشترین مقدار هیدروژن را دارا می باشند.

اثر هیدروژن بر تخلخل قطعات ریخته شده فولادی:

همانطور که قبلاً گفته شد در فولاد مذاب مقدار هیدروژن بسیار زیاد بوده که این گاز درحین انجماد با پائین آمدن قابلیت حلالیت فولاد از قطعه خارج می گردد که نتیجه آن بوجود آمدن تخلخل در قطعه می باشد.

آزمایشات نشان داده است که مقدار هیدروژن قطعات ثابت نبوده و بستگی به میزان کربن و عملیات اکسیژن زدائی دارد.

ازت:

آهن در دمای ۱۶۰۰ و فشار یک اتمسفر میتواند حدود %۰٫۰۴% ازت را در خود حل نماید با کاهش درجه حرارت، قابلیت حل شدن ازت نیز کم شده و این مسئله بخصوص در درجه حرارت انجماد بسیار چشمگیر می باشد.

نکته مهم تأثیر قابل توجه عناصر آلیاژی بر قابلیت حل شدن ازت می باشد. بطوریکه عناصری که میل ترکیبی شدید با ازت دارند و نیترید قابل حل شدن در فولاد بوجود می آورند در واقع قابلیت حل شدن ازت را شدیداً افزایش می دهند.

باوجود اینکه آلیاژهای ،آهن قراضه و مواد اضافه شونده ویژه ای که دارای ازت زیادی می باشند می توانند موجب افزایش ازت در فولاد گردند ولی منبع اصلی ورود ازت در فولاد هوا می باشد.

بنابراین مدت زمان ذوب و نگهداری در این دما بسیار مهم است زیرا در تمام طول این ،مدت مذاب با هوا در تماس است و امکان جذب ازت بیشتر میشود مقدار ازت را نیز میتوان با همان روش هایی که برای محدود نگه داشتن هیدروژن بیان شد کنترل نمود.

تاثیر ازت بر فولاد:

چون ازت گاز ،است، بنابراین در بوجود آمدن خلل و فرج میتواند مؤثر باشد ولی بعلت اینکه مقدار آن معمولاً بسیار کمتر از حدی است که بتواند در محلول جامد حل شود بنابراین نمی توان آنرا به تنهایی عامل بوجود آمدن خلل و فرج دانست با این حال در فولادهای پرآلیاژ ممکن است همراه با هیدروژن عامل بوجود آمدن خلل و فرج باشد بخصوص اگر فولاد دارای کرم زیاد باشد و فروکروم مورد استفاده حاوی ازت زیاد باشد همچنین در فولادهای کربنی حاوی ۰٫۱% کربن اگر مقدار ازت به ۰٫۰۱۳ برسد امکان بوجود آمدن خلل و فرج زیاد می شود.

از اثرات مضر ازت در فولادسازی میتوان به عیب ترک میان دانه ای اشارهای نمود، در واقع علت بوجود آمدن این ،عیب تشکیل نیترید آلومینیم می باشد که در فاصله بین دانه ها رسوب می کند این حالت زمانی پیش می آید که یا آلومینیم زیادی به ذوب اضافه شده باشد یا میزان ازت زیاد باشد و یا هر دوی آن ها زیاد باشند.

بنابراین اگر میزان آلومینیمی که به مذاب اضافه می شود را کم کرده و زیرکونیم ۲r به ذوب اضافه کنیم خطر بوجود آمدن ترک میان دانه ای را کاهش داده ایم زیرا زیرکونیم نیترید کم خطرتری بوجود می آورد که در داخل دانه ها رسوب کرده و در فواصل بین دانه ای جای نمی گیرد.

اکسیژن:

نقش اکسیژن در کیفیت قطعات ریخته شده فولادی موجب گردیده که این عنصر در صنعت فولادسازی مورد توجه زیادی قرار گیرد به عنوان مثال اکسیژن و کربن در زمان ذوب فولاد با یکدیگر واکنش انجام می دهند و این برای فولادسازان مفید است.

اما اگر همین واکنش در زمان انجماد فولاد انجام پذیرد اثر بدی خواهد داشت. این قاعده در مورد فولادهای نیمه آرام صدق نمی کند منابع اکسیژن موجود در مذاب متفاوتند اکسیژن ،خالص اکسیژن موجود در هوا ،گازهای اکسیژن دار داخل هوای کوره ،اکسیدها اکسیژن موجود در فروآلیاژها مواد سرباره ساز قراضه و سنگ معدن آهن همگی می توانند منبع اکسیژن در مذاب باشند.

قابلیت انحلال اکسیژن در آهن خیلی بیشتر از قابلیت حلالیت آن در فولادی است که اکسیژن آن گرفته نشده است در این نوع ،فولاد مقدار کربن، کنترل کننده قابلیت حلالیت اکسیژن می باشد.

فولادهایی که حاوی کربن کمتری می باشند اکسیژن بسیار زیادی دارند و برعکس این قضیه نیز صادق است.

معمولا جوشش شدید کربن جهت کاهش گازهای ازت و هیدروژن صورت می گیرد ولی اضافه کردن اکسیژن در درجه حرارت مناسب نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است زیرا اگر درجه حرارت مذاب خیلی کم باشد آهن در مذاب اکسیده شده و وارد آن می گردد و در نتیجه فولاد بیش از حد معمول اکسید می شود و اگر این شکل برطرف نگردد اکسیژن اضافی در حین ریختن مذاب در قالب با اکسیژن زداهای نهایی واکنش داده و در نهایت واکنش کربن با اکسید آهن ادامه پیدا می کند که در نتیجه گاز منواکسید کربن CO بوجود آمده در قطعه ریخته شده باعث ایجاد خلل و فرج خواهد شد.

کنترل گازاکسیژن :

یکی از مؤثرترین راه های پیشگیری از اکسید شدن بیش از حد مذاب این است که اکسیژن را به میزانی که برای کاهش و درحد معمول نگه داشتن کربن لازم است اضافه نمائیم .

برای جوشش ،کربن لازم است مقدار کربن موجود در کوره از میزان کربن مورد نظر در آلیاژ بیشتر باشد برای مثال اگر قرار باشد میزان کربن در فولاد ۰٫۲%،باشد مقدار آنرا در کوره به حدود ۰٫۵ می رسانیم به این ترتیب بدون اینکه کاهش زیاد در میزان کربن داشته باشیم عمل جوشش نیز بطور مداوم ادامه خواهد داشت در این مواقع بجای افزودن کربن به کوره به میزان فرومنگنز کوره می افزائیم تا میزان کربن افزایش یابد در مورد استفاده از روش دمیدن اکسیژن اکسیژن توسط لوله ای که از بالا وارد مذاب شده است دمیده می شود لازم است زمانی که میزان کربن به حدود ۰٫۵% بالاتر از حد آلیاژی رسید دمش اکسیژن قطع شود.

به این ترتیب جوشش طبیعی و نهائی اثر کرده و نسبت کربن به اکسیژن در مجاورت حرارت به تعادل می رسد.

برای انجام اینکار می توان با استفاده از روش نمونه برداری از ذوب کربن اولیه را تعیین کرده و زمان بندی دمش اکسیژن را نیز از جداول اکسیژن کربن درجه حرارت تعیین نمود.

در صورتی که جوشش شدید و کربن نیز به حد مورد نظر رسیده باشد ،افزودن فرومنگنز از شدت عمل خواهد کاست .

توجه به درجه حرارت مذاب از اهمیت ویژه ای برخوردار است زیرا اگر حرارت مذاب کم باشد ذوب اکسید می شود در این شرایط حتی اگر کربن و اکسید آهن هم زیاد باشند مؤثر نیستند و جوشش کربن آغاز نخواهد شد.

ولی اگر درجه حرارت مذاب زیاد باشد و کربن و اکسید آهن هم زیاد باشند جوشش بسیار شدیدی رخ میدهد که منجر به بیرون ریختن سرباره و فلز مذاب از کوره خواهد شد.

جوشش کنترل شده کربن از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا اولاً شرایط تعادل در مذاب را برقرار ساخته و بنابراین فولاد تمیزی بدست خواهد آمد و ثانیاً گازهای هیدروژن و ازت توسط گاز منواکسیدکربن از کوره خارج می شوند.

تاثیرات اکسیژن:

عناصر کربن و هیدروژن با اکسیژن فولاد مذاب واکنش های زیر را انجام می دهند که چنانچه این واکنش ها در قالب انجام ،پذیرند قطعه ریخته شده دارای خلل و فرج خواهد بود.

. ۲۲ C + 1/2 O2 + CO 1 2H + 1/2 O2 → H2O ↑

کنترل مقدارگاز :

با وجود تمامی تمهیداتی که جهت کنترل گازها و بیرون راندن آن ها از مذاب انجام می پذیرد هنوز هم اطمینان صد درصد برای حذف کامل گازها وجود ندارد.

برای مثال با پیش گرم کردن بار و مواد نسوز کوره جهت رطوبت زدایی و روغن زدایی می توان تا حد زیادی از ورود گازها جلوگیری به عمل آورد ولی این پیشگیری ها هزینه زیادی را در برخواهد داشت که جهت کاهش آن لازم است در مراحل بعدی کار صرفه جویی های لازم بعمل آید.

میدانیم بوجود آمدن گاز منواکسید کربن عامل اصلی جوشش کربن است و باعث بیرون راندن گازهای ازت و هیدروژن از مذاب میگردد ولی استفاده از برگشتی های ذوب امکان ورود ازت به مذاب را زیاد کرده و تولید اشکال می نماید.

همچنین اگر مقدار هیدروژن در مذاب به ۴-۵PPm برسد می توان از سلامت قطعه ای که ریخته می شود اطمینان حاصل کرد ولی مشکلی که اینجا بوجود می آید این است که وقتی میزان هیدروژن در مذاب کاهش یابد تمایل به جذب آن از رطوبت هوا توسط مذاب افزایش می یابد.

با-ریخته-گری-به-صورت-کاربردی-آشنا-شویم

آشنایی-کاربردی-با-انواع-کوره-های-ریخته