معرفة
تحليل وتدابير الحل لعيوب ثقب الغاز في مصبوبات الحديد المطاوع
يُعد الغطاء الخلفي مكونًا أساسيًا في تصنيع أنظمة المحركات الهيدروليكية وأنظمة المضخات الهيدروليكية للحفارات، ويشكل الابتكار والتطور الكبير في عملية صبّه تحديًا كبيرًا. فبدون أغطية خلفية عالية الجودة، سيواجه تصنيع أنظمة هيدروليكية عالية الجودة صعوبات كبيرة. يتطلب الغطاء الخلفي المصنوع من الحديد المطاوع متطلبات عالية من حيث دقة الأبعاد، ونظافة التجويف الداخلي، وتماسك المادة. لذلك، عندما أنتجت الشركة هذا النوع من المنتجات لأول مرة، كانت صعوبة البحث والتطوير في العملية كبيرة نسبيًا. مؤخرًا، أنتجنا غطاءً خلفيًا (كما هو موضح في الشكل 1)، بوزن 77 كجم، وأقصى محيط للصب هو 342 مم.×303 مم×يبلغ سمكها 137.5 مم، ومادتها من الحديد المطاوع. سُمك جدارها كبير نسبيًا، ويبلغ أقصى سُمك له 137.5 مم. يتكون الهيكل الرئيسي من قناتي زيت عالي الضغط وقناة شفط زيت واحدة. حجم قلب قناة شفط الزيت كبير نسبيًا، بقطر 87 مم، وطول 130 مم، وارتفاع 137.5 مم، كما هو موضح في الشكل 2.
-----------------------------
يظهر نظام البوابات المُصمم مبدئيًا في الشكل 3: أربع قطع في صندوق واحد، صب أفقي، صب متوسط، ويدخل الحديد المنصهر من مركز الصب. F عمودي: F أفقي: F داخلي = 1.4:1:2. هذا النظام عبارة عن نظام بوابات شبه مفتوح وشبه مغلق. نظرًا لعيب ثقوب الغاز الإبرية الكثيفة الذي حدث في عملية إنتاج هذا القالب الخام، تُجري هذه الدراسة مناقشة مُعمّقة لهذه المشكلة، ثم تقترح حلولًا مناسبة.
--------------------------------
1. تحليل العيوب
عيوب المسامية من العيوب الشائعة في المسبوكات. آلية تكوينها معقدة ومتنوعة، وتساهم عوامل عديدة في تكوينها، بما في ذلك عمليات متعددة في إنتاج المسبوكات. يمكن تصنيف عيوب المسامية الموجودة في الفراغات الخلفية لمصنعنا إلى نوعين: النوع الأول من عيوب المسامية متوزع أسفل قناة شفط الزيت، كما هو موضح في الشكل 4. في المسبوكات، يمكن اكتشاف العيب في حالة الفراغ؛ والنوع الآخر يقع على عمق يتراوح بين 1 و3 مم تحت سطح المسبوكات. في حالة الفراغ، لا يمكن اكتشاف العيب، ولكنه سيظهر بعد المعالجة، كما هو موضح في الشكل 5.
----------------------------
تم تحليل موقع العيب بالمجهر الإلكتروني، كما هو موضح في الشكل 6. يشير شكل البنية الدقيقة إلى توزيع الجسيمات الداخلية بالتساوي وأن السطح أملس. بناءً على ذلك، يُصنف العيب على أنه عيب مسامي.
-----------------------------
استند الحكم الأولي بشكل رئيسي إلى السُمك الكبير نسبيًا لقلب قناة امتصاص الزيت، والتدفق المضطرب للحديد المنصهر المتشكل أسفل قناة امتصاص الزيت بسبب نظام بوابة الحقن الأوسط، مما أدى إلى تكوّن المسامية. عُدِّل نظام البوابة باستبدال الحقن الأوسط بالحقن السفلي، إلا أن المشكلة لا تزال قائمة.
وفقًا للدراسات المنشورة، تشمل مصادر الغاز بشكل رئيسي بخار المغنيسيوم، والهيدروجين الناتج عن الفيروسيليكون، والغازات المُدخلة إلى الحديد المنصهر نتيجة تفاعلات السطح البيني. أثناء عملية التصلب، يمنع غشاء الأكسيد على سطح مصهور الحديد المرن تسرب الغازات، مما يُؤدي إلى تكوينها.
مسام الغاز عيب شائع نسبيًا في مصبوبات الحديد الزهر، وأكثر أنواعها شيوعًا في مصبوبات الحديد المطيل هي مسام الغاز تحت السطحية، والتي تتشكل لأسباب معقدة، وتتعلق أساسًا بالتفاعلات الكيميائية داخل الحديد المصهور أو بينه وبين نوى الرمل والقوالب. أولًا، يشير النوع الأول من مسام الغاز التفاعلية إلى مسام غازية على شكل قرص العسل، تتشكل نتيجة تفاعلات كيميائية بين المكونات الكيميائية داخل الحديد المصهور أو بين هذه المكونات والشوائب غير المعدنية، وما إلى ذلك، وتكون على شكل محاريث أو كرات وموزعة بالتساوي نسبيًا. نوع آخر من مسام الغاز هو مسام الغاز التفاعلية بين الحديد المصهور ونوى الرمل والقوالب. عادةً، يتراوح سمك غلاف الصب بين 1 و3 مم، وفي بعض الحالات، لا يظهر إلا على سطح طبقة من غشاء الأكسيد. بعد التشغيل الآلي أو التنظيف، يعود الغلاف إلى شكله الأصلي. تكون مسام الغاز هذه أحيانًا كروية أو على شكل محراث، بأقطار تتراوح عادةً من 0.1 إلى 0.3 ملم؛ وأحيانًا تكون مستطيلة، بأقطار تصل إلى 7 إلى 10 ملم؛ ومعظمها عمودي على سطح الصب.
2. أسباب تكوين مسامية الغاز التفاعلية
تشمل المكونات الرئيسية للغاز في مسامية الغازات التفاعلية الهيدروجين (H2)، وأول أكسيد الكربون (CO)، وثاني أكسيد الكربون (CO2). عملية تكوين هذه الظاهرة معقدة للغاية، وتشمل العوامل المساهمة فيها الجوانب التالية.
2.1 درجة حرارة صب الحديد المنصهر المنخفضة
إذا كانت درجة حرارة الصب منخفضة، يكون الحديد المصهور عرضة للتصلب قبل طرد الغازات المتكونة من التفاعل تمامًا. عندما تكون الغازات قد شكلت بالفعل مسامًا، يكون التفاعل غير مكتمل. علاوة على ذلك، يكون الحديد المصهور عند درجات الحرارة العالية قريبًا من الحالة السائلة وله لزوجة منخفضة نسبيًا، مما يتمتع بميزة في نقل الضغط. يكون الحديد المصهور عند درجات الحرارة المنخفضة في الأساس شبه سائل ذي لزوجة عالية، وقدرته على نقل الضغط ضعيفة. حتى مع ارتفاع الضغط، لا يزداد الضغط الفعلي في الحديد المصهور بشكل كبير. تجعل هذه الظاهرة من الصعب على الغازات اختراقها وتفريغها بفعالية، مما يؤثر على حركة وانتشار الفقاعات. أثناء عملية الصب الفعلية، ونظرًا لانخفاض درجة حرارة صب الحديد المصهور، يصعب تعويم الخبث الموجود في الحديد المصهور وإزالته. لذلك، يوجد المزيد من الخبث في القالب، ويتفاعل أكسيد الحديد المدعم فيه مع الكربون لتوليد غاز ثاني أكسيد الكربون.
2.2 نسبة رطوبة عالية ونفاذية منخفضة للقالب
إذا كانت نسبة الرطوبة في القالب عالية، فإن مصدر الحرارة أثناء عملية الصب يؤثر بشكل كبير على إنتاج الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك، إذا كانت نفاذية القالب منخفضة أثناء عملية الصب، يصعب خروج هذه الغازات، مما يؤدي بسهولة إلى تكوين مسامية غازية تفاعلية.
2.3 نسبة عالية من الغاز في الحديد المنصهر
إذا كان تركيز الغاز في الحديد المنصهر مرتفعًا (بما في ذلك الأكسجين والهيدروجين المذاب في الحديد المنصهر، وهو أحد مصادر H2 وCO وCO2 في مسامية الغاز التفاعلي)، وكان من الصعب إزالة هذه الغازات أثناء عملية التصلب، فقد يؤدي ذلك إلى تكوين المسام.
2.4 الأكسدة الشديدة للحديد المنصهر
عندما تكون درجة أكسدة الحديد المنصهر عالية، تتولد أكاسيد، مما يزيد من ذوبان الأكسجين. علاوة على ذلك، تتفاعل الأكاسيد مع الكربون لإنتاج غاز أول أكسيد الكربون ومواد أخرى.
2.5 نسبة عالية من عنصري S وMn في الحديد المنصهر
عندما يكون محتوى الكبريت والمنجنيز في الحديد المنصهر مرتفعًا، يتحد المنغنيز مع كبريتيد الحديد (FeS) لتكوين كبريتيد المنغنيز (MnS). يذوب سيليكات المنغنيز في خبث الأكسدة، مما يخفض درجة الانصهار إلى حالة سائلة، مما يُحفز أكسيد الحديد الحر في الخبث على التلامس الكامل مع الكربون والتفاعل، مُولِّدًا غاز ثاني أكسيد الكربون.
2.6 تأثير هيكل المنتج
بناءً على البيانات المتراكمة، فإن مصبوبات الحديد المطاوع التي يتراوح سمك جدارها بين 6 و25 مم تكون عرضة لمسامية الغازات تحت الجلد. لذلك، عند تصميم المنتج، يجب أن يكون سمك الجدار أقل من 6 مم أو أكبر من 25 مم.
3. تدابير لتجنب المسامية التفاعلية
3.1 زيادة درجة حرارة الصب
تُطيل درجة حرارة الصب العالية الحالة السائلة للحديد المنصهر، مما يُسهّل خروج الغازات والخبث لأعلى، ويُقلّل من احتمالية التفاعلات الكيميائية. لذلك، تُعدّ هذه الطريقة هي الأفضل للتخلص من المسامية التفاعلية. على سبيل المثال، عند الصب عند درجة حرارة تتراوح بين 1300 و1350 درجة مئوية، ℃، لوحظت مسامية تشبه الإبرة في المسبوكات، ولكن عندما ارتفعت درجة الحرارة فوق 1350 ℃، اختفت المسامية.
3.2 تعزيز النفاذية والتحكم في محتوى الرطوبة في القالب
بالنسبة للصبّات المعرضة للمسامية التفاعلية، يجب خفض نسبة الرطوبة في رمل اللب إلى أقل من 5%. كما يُنصح بتحسين نفاذية القالب للوصول إلى معدل نفاذية لا يقل عن 80%.
3.3 تقليل محتوى الغاز في الحديد المنصهر قبل الصب
بالنسبة للأدوات التي تلامس الحديد المنصهر، مثل المغارف ومكاشط الخبث، يلزم التسخين المسبق والخبز جيدًا. قبل الصب، تأكد من إزالة الخبث تمامًا. يجب أن يكون الحديد المنصهر عند درجة حرارة عالية عند خروجه من الفرن، ويُترك لفترة من الوقت للسماح بخروج الغازات.
3.4 منع أكسدة الحديد المنصهر
أثناء عمليتي الصهر والتلقيح، يجب مراقبة محتوى العناصر المؤكسدة القوية في شحنة الفرن والمواد المختلفة بدقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن إضافة مواد تكميلية، مثل مسحوق الفحم أو الزيت الثقيل، إلى قلب القالب ورمله بكميات مناسبة لتعزيز جو الاختزال داخل القالب وتقليل أو منع حدوث المسامية التفاعلية. وهذا مهم بشكل خاص للمسبوكات الحرجة وتلك المعرضة للمسامية تحت السطحية.
3.5 اختيار عوامل التكوير
عوامل كروية سبائك النيكل والمغنيسيوم أكثر فعالية في تقليل العيوب مقارنةً بعوامل السيليكون والمغنيسيوم. علاوة على ذلك، فإن ارتفاع درجة حرارة المعالجة المسبقة وقصر مدة بقاء الحديد المنصهر بعد المعالجة يمكن أن يقللا أيضًا من المسامية تحت السطحية.
3.6 تصميم هيكل المنتج
عند تصميم هيكل المنتج، يجب أن يبقى سمك الجدار أقل من 6 مم أو أكبر من 25 مم لتقليل احتمالية المسامية.
4 الخاتمة
بعد تطبيق الاستراتيجيات المذكورة أعلاه، تخلصت شركتنا تمامًا من مشكلة المسامية التفاعلية في مصبوبات الحديد المطاوع. ونظرًا لعدم اليقين الكبير في عملية تكوين المسام ومصدرها، في حال وجود مشاكل في المسام أثناء الإنتاج الفعلي، ينبغي إجراء دراسة شاملة لمصدر الغاز، وآلية توليده، وشكله الفيزيائي، وما إلى ذلك، للقضاء على حدوثها بشكل جذري.
