عيوب الصب بالقالب الزنك

الصب بالقالب بالضغط العالي يشبه طيران النحلة الطنانة؛ فكلاهما مستحيل نظريًا. ومع ذلك، فإن أكثر من 150 عامًا من التشغيل الفعال، مع زيادة الإنتاجية وجودة المكونات باستمرار، أثبتت أن عملية الصب بالصب بالضغط قوية في جوهرها وقادرة على الوصول إلى مستويات عالية من القدرة على المعالجة. حتى في أفضل الورش التي تدار على أفضل وجه، تحدث الخردة، وفيما يلي نناقش تشخيص وأسباب ومعالجة العيوب التي قد تنشأ في مصبوبات الزنك المصبوبة بالقالب وكل هذه المشاكل هي نفسها في مصبوبات الألومنيوم ومصبوبات المغنيسيوم المصبوبة بالقالب

هناك عدة طرق لتنظيم العيوب من أجل توفير معالجة متسقة للموضوع. وتتبع هذه المقالة نهجًا متدرجًا خطوة بخطوة، بدءًا من استلام سبيكة السبيكة وحتى إرسال المنتج النهائي وتقدم معلومات عن كل نوع من أنواع العيوب في النقطة التي يحدث فيها. ستتم مناقشة الطرق الأخرى لتحديد العيوب والأنظمة المختلفة لاكتشاف العيوب لاحقًا. يتم سرد مراحل العملية أدناه:

وبالإضافة إلى ذلك، ستتم إعادة تدوير العدائين والخردة في مراحل مختلفة، ويجب مراعاة التخزين والمناولة بين العمليات. لن تمر جميع المسبوكات بكل الإجراءات.

مواصفات سبيكة سبائك الزنك:

تم تطوير تركيبات سبائك الزنك المسبوكة بشكل منهجي على مدار 75 عامًا. تم ضبط نطاقات عناصر السبائك، وتم تحديد الحدود القصوى للملوثات الخطرة بعناية. لصنع مصبوبات موثوقة، يجب استخدام سبائك تفي بالمتطلبات المقبولة دوليًا. وعلاوة على ذلك، يجب الحفاظ على جودة السبيكة أثناء عمليات الصهر والصب لضمان استيفاء المكونات المصبوبة لمعايير تركيب الصب.

تهدف الاختلافات الطفيفة بين معايير السبيكة (الجدول 1) والسبائك (الجدول 2) لكل نوع من السبائك إلى مراعاة التباين الناجم عن عمليات المعالجة وإعادة التدوير المنتظمة. لا يمكن تبرير استخدام السبائك غير المطابقة للمواصفات، خاصةً تلك المحملة بشوائب شديدة السمية مثل الرصاص أو القصدير أو الكادميوم.

تنقسم السبائك إلى ثلاث عائلات: سبائك الألومنيوم 4% (الزماك 3 و5، وكذلك رقمي 2 و7)، وسبائك الألومنيوم الأعلى ZA (أرقام 8 و12 و27)، وسبائك النحاس (الزنك A cu 5 و10).

بالإضافة إلى ذلك، لم يتم قبول بعض السبائك الأخرى تجاريًا. تُصنع جميع مصبوبات سبائك الزنك تقريبًا من الزماك رقم 3 أو رقم 5، مع تحديد سبائك أخرى فقط عند الحاجة إلى صفات محددة.

تأثير التلوث

تتشابه تأثيرات العناصر الملوثة، مثل الرصاص على المسبوكات، في جميع السبائك. وتعكس الحدود القصوى للشوائب المحددة المشار إليها الشوائب المتفاوتة في شدة التأثير وكذلك السهولة التي يمكن بها تصنيع السبائك بمستويات منخفضة من العناصر النزرة.

الرصاص والقصدير والكادميوم

These elements, together with the comparable but less common indium and thallium, can cause catastrophic failure by intergranular corrosion.’Impurities segregate to grain boundaries, facilitating intergrain corrosion, particularly in warm, humid environments. Castings swell and break up, resulting in mounds of grey powder (figure l).

إذا تم الحفاظ على مستويات المغنيسيوم أعلى من الحد الأدنى، يكون التأثير ضئيلًا في المسبوكات التي تحتوي على الحد الأقصى المحدد من هذه الملوثات. تشمل الطرق الوقائية شراء السبيكة بشكل صحيح والتدبير المنزلي الجيد لتجنب التلوث من إعادة الصهر أو بيئة الورشة، مثل اللحام.

حديد

Iron is only slightly soluble in zinc, and excess iron combines with the aluminium in the alloy to generate the intermetallic complex iron aluminide (FeAl3). This compound is extremely hard, and if it enters the casting, it can create machining issues, excessive tool wear, and polishing issues, as particles will stand proud or rip out. Excessive amounts can limit the alloy’s fluidity, and hence its ability to fill dies. Finally, if concentrated in stressed places, the strength and ductility may decrease. There is evidence that the size of the particles, rather than the total amount present, determines machinability because iron comes from the melting pot. The key protection is to keep metal temperatures under control.

النيكل، والكروم، والمنجنيز، والسيليكون

المستويات الزائدة من هذه المكونات لها نفس التأثير على الصب مثل الحديد الزائد. وتجدر الإشارة إلى أن النيكل ليس ملوثًا في السبيكة رقم 7؛ بل إن الكمية القليلة المذكورة (أقل من حد الذوبان) هي إضافة مقصودة لتقليل التآكل بين الخلايا الحبيبية في هذه السبيكة الخالية من المغنيسيوم وذات السيولة العالية.

تأثير عناصر السبائك

ألومنيوم
وباستثناء سبائك الأكوزينك، فإن الألومنيوم هو أكثر عناصر السبائك شيوعًا. تعتمد كل من قوة السبائك وقابليتها للصب على أن يكون مستواها ضمن المواصفات. يمكن أن تتغير الخواص بسرعة خارج النطاقات المحدودة للغاية المذكورة، خاصةً في سبائك الزنك 2 و3 و5 و7.
يقلل الألومنيوم الزائد في سبائك 4%Al هذه من قوة الصدم بشكل كبير (الشكل 2)، وبالتالي لا ينبغي التقاط أي ألومنيوم أثناء المعالجة. إذا انخفض مستوى الألومنيوم عن الحد الأدنى المحدد، تكون التأثيرات أقل وضوحًا. تشمل الآثار المحتملة الميل نحو التمزق الساخن، مما يقلل من القوة، وانخفاض السيولة، وزيادة ميل السبيكة إلى التشبث بالقالب (اللحام).

يكون للاختلافات في محتوى الألومنيوم تأثير أقل وضوحًا على الخصائص في سبائك ZA ذات الألومنيوم الأعلى، مما يؤدي إلى نطاقات أوسع مسموح بها. ومع ذلك، كما هو الحال في سبائك 4%، تم تحسين التركيبات لتوفير مزيج مثالي من الخصائص، وسيؤدي تجاوز الحدود إلى تعديلات قد تكون ضارة.

المغنيسيوم

على الرغم من أن إضافة المغنيسيوم لها تأثير تقوية، إلا أن الغرض الأساسي منها هو منع التآكل بين الحبيبات في السبائك التي تحتوي على الرصاص والقصدير والمعادن الأخرى بمستويات تصل إلى الحد الأقصى المسموح به. المسبوكات التي تحتوي على مغنيسيوم أقل من الحد الأدنى المسموح به قد تتآكل أثناء الخدمة. قد يتسبب مستوى المغنيسيوم الذي يتجاوز النطاق المسموح به في حدوث تمزق ساخن، مما يؤدي إلى فقدان القوة أو صعوبات في الطلاء. يقلل المحتوى العالي من المغنيسيوم من سيولة السبيكة، مما قد يسبب مشاكل في الملء.

النحاس

تؤدي إضافة النحاس إلى سبيكة 4%Al الأساسية إلى زيادة القوة والصلابة على حساب الليونة وتتسبب في تغيير أبعاد السبائك بشكل أكبر أثناء التقادم. كما تنخفض قوة التأثير في السبائك النحاسية العالية مع التقادم. نتيجةً لذلك، فإن السبائك التي تقع خارج حدود النحاس المطبقة سيكون لها صفات متوسطة لتلك السبائك المحددة.
يؤثر مكون النحاس في سبائك ZA تأثيرًا كبيرًا على خواصها الميكانيكية. بشكل عام، يقلل النحاس المرتفع من ليونة النحاس، بينما يقلل النحاس المنخفض من قوة الشد.

إن الإضافة الرئيسية للسبائك في سبائك الأكوزينك هي النحاس، الذي يعطي صلابة وقوة في درجات الحرارة العالية أكثر من السبائك الأخرى المصنوعة من الزنك. تم تحسين مستويات النحاس والألومنيوم النسبية في سبائك الأكوزينك لتحقيق التوازن بين الخصائص وقابلية الصب. نظرًا لأن مستوى النحاس المرتفع يحدث في نظام طوري متميز، فقد يختلف تأثيره على تغير الأبعاد في التقادم عن ذلك الذي تم الإبلاغ عنه في سبائك 4%Al.
صهر المعادن ونقلها وحجزها

وباستثناء السبائك ZA-12 وZA-27 وAcuzinc10، التي تهاجم الحديد والصلب بمعدل مرتفع غير مقبول، يمكن صهر سبائك الزنك وتخزينها في حاويات معدنية. تتيح هذه الميزة إمكانية صبها عن طريق عملية الغرفة الساخنة، التي تستخدم نظام الحقن المغمور.

ومع ذلك، لا يمكن تحقيق هذه الميزة القيمة إلا من خلال التحكم الصارم في درجة الحرارة. وتحت درجة حرارة أقل من 450 درجة مئوية تقريبًا، تعمل سبيكة الزنك على إذابة الحديد بوتيرة بطيئة بما يكفي للسماح باستخدام الأجزاء المعدنية الملامسة للسبائك. ونظرًا لأن معدل التفاعل ينمو أضعافًا مضاعفة مع درجة الحرارة، فهو عرضة للتقلبات المتواضعة في درجات الحرارة.
يحدث التفاعل بين الألومنيوم في السبيكة والحديد في البوتقة وأجزاء الماكينة.

الألومنيوم + الحديد > الجسيمات بين الفلزية
3Al + Fe > FeAl3

تطفو ألومينايد الحديد البيني المعدني إلى السطح وتتفاعل مع طبقة الأكسيد لتوليد الخبث. إذا تم تقليب الخبث في المعدن، أو إذا انخفض مستوى الوعاء لدرجة أن المعدن تحت السطح يتم امتصاصه إلى داخل عنق المنحنى، فإن الصب سيحتوي على جسيمات صلبة، مما يؤدي إلى العيوب المشار إليها تحت الحديد في قسم التلوث.
تتسبب درجة الحرارة الزائدة أيضًا في فقدان المغنيسيوم لأنه عنصر متطاير يتم طهيه. انخفاض المغنيسيوم يعرض الصب لصعوبات تآكل كبيرة في الخدمة.

وتجدر الإشارة إلى أن درجة الحرارة الإجمالية للذوبان ليست العامل الوحيد الذي يجب مراعاته. إذا كانت هناك بقعة ساخنة في الفرن، مثل الموقد سيئ المعايرة، فإن درجة الحرارة المرتفعة ستؤدي إلى التقاط الحديد. وفي الظروف القاسية، يمكن أن تتآكل البوتقة مما يؤدي إلى نفاد الحديد.

موصى به معدن الصب درجات الحرارة هي:

زماك رقم 2,3,5,7،2,3,5,7	415-415 درجة مئوية
ZA8	420-445°C
ZA12	465-495°C
ZA27	550-580°C
أكوزينك 5	~ 480°C
أكوزينك 10	~ حوالي 5S0 درجة مئوية

عندما يتم صهر سبائك ZA، وخاصةً ZA-27، فإنها تميل إلى الانفصال بالجاذبية إلى طبقات غنية بالألومنيوم والزنك. سيؤدي التحريك العمودي إلى مزج الذوبان؛ يجب تجنب التحريك القوي، لأنه سيعزز الأكسدة. بمجرد المزج، يجب أن يظل الذوبان ثابتًا. من الأهمية بمكان عدم افتراض فصل أي طبقة خبث متكونة وتقليبها. لا ينبغي تخزين ZA-27 تحت درجة حرارة أقل من 540 درجة مئوية لأن أي حديد في المحلول يترسب كجسيمات بين معدنية ضخمة.

يجب أن تكون عملية صهر السبائك المطابقة للمواصفات والاحتفاظ بها خالية من المشاكل طالما يتم الحفاظ على التحكم الكافي في درجة الحرارة وعدم حدوث تلوث غير مقصود. عند إعادة صهر العدائين والخردة، يجب مراعاة جوانب مختلفة.
يجب فصل المرتجعات بصرامة، خاصةً في المتاجر التي تقوم أيضًا بصهر سبائك الألومنيوم. ينتج عن خلط بعض عوائد الألومنيوم مع سبائك الزنك 4% مصبوبات تحتوي على نسبة عالية من الألومنيوم، مما يجعلها هشة. ستحدث نفس المشكلة إذا تم دمج سبيكة ZA مع سبيكة عادية.

تنتج إعادة الصهر المباشر للمواد الملوثة السطحية الخفيفة ذات المقياس الخفيف من الخردل والوميض وغيرها من المواد الملوثة السطحية الخفيفة خبثًا زائدًا ولديها القدرة على التقاط الشوائب. من الأفضل معالجة هذه المواد بشكل منفصل بحيث يمكن تحديد تركيبة السبيكة المعاد صهرها. يجب معالجة الخبث بشكل منفصل لأسباب متطابقة. يميل التدفق إلى استخلاص المغنيسيوم، خاصةً عند تسخين المعدن. تتطلب المسبوكات المطلية بالكهرباء عناية خاصة. أثناء الانصهار، يبقى جلد الصفيحة الكهربائية على السطح ويمكن قشطه. لا ينبغي تفتيت الصفيحة وخلطها في الذوبان لأن النيكل، على وجه الخصوص، قد يخلق بقعًا صلبة.

أثناء عملية الصهر والصب، تفقد السبيكة كمية صغيرة من المغنيسيوم (عن طريق التطاير) والألومنيوم (عن طريق التفاعل مع الحديد وإزالته لاحقًا في صورة خبث). ستؤدي إعادة الصهر المستمر للمعدن نفسه في النهاية إلى مصبوبات غير مطابقة للمواصفات. أشارت الاختبارات التي أجريت على سبيكة No3 إلى أن الأمر يستغرق سبع دورات لتقليل المغنيسيوم إلى أقل من المستوى المحدد. ولتجنب هذا التدهور النهائي، يجب توفير سبيكة بكر بشكل مستمر في العملية.

عيوب الصب بالقالب الزنك

فيما يلي العيوب الشائعة المدرجة في صب الزنك بالقالب، بالنسبة لصب الألومنيوم بالقالب والمغنيسيوم بالقالب، ستكون هناك نفس المشكلات تقريبًا مثل صب الزنك,

داخلي العيوب في صب الزنك بالقالب

الانكماش المسامية

عندما تنتقل السبيكة من سائل إلى صلب، فإنها تنكمش بنسبة عدة في المائة من حجم الصب. يتشكل فراغ إذا لم يتوفر معدن سائل إضافي لتغذية الانكماش. هذا هو انكماش المسامية. وغالبًا ما يحدث في أجزاء ثقيلة معزولة في شكل ثقوب ضخمة غير منتظمة (الشكل S)، ولكن يمكن أن يكون أيضًا في شكل متشعب يشبه التشقق، خاصةً في السبائك ذات مدى التجميد الطويل مثل ZA-27 والأكوزينك.

Internal porosity may be disclosed if surfaces such as flanges or bores must be machined, resulting in rejection. Porosity can also lead to tool wear and drill drift during machining processes. The influence on strength will be determined by both the distribution and the quantity of porosity. It is important to recall that the “book” strength ratings stated for the alloys were achieved on specimens with typical porosity levels.

للحد من مسامية الانكماش، قم بزيادة ضغط المعدن وتأكد من أن البوابة سميكة بما يكفي لتكون نشطة أثناء التصلب. لا ينبغي أن يزحف المكبس إلى حد أن يصطدم بقاع عنق المنحنية مما قد يؤدي إلى نقص الضغط على المعدن. يجب أن يكون وقت التعبئة كافيًا للسماح بالتصلب الكامل؛ وإلا سيتم سحب المعدن من التجويف أثناء عودة المكبس. قد يقلل التبريد الموضعي من البقع الساخنة وبالتالي يمنع إنتاج بقع معزولة من المعدن السائل، والتي، عند تجميدها، تنتج مسامًا.

Interdendritic porosity can lead to leakage in pressure-tight components. The longer the alloy’s freezing range, the greater the likelihood of leaking. Casting at a low die temperature thickens the casting skin and reduces the possibility of leaking. However, this process may be hampered by the necessity for a high enough die temperature to provide a desirable surface look. Die face temperatures typically range from 170°C to 240°C.

مسامية الغاز

عندما يمتلئ القالب بسرعة، يمكن أن تنحصر كميات هائلة من الغاز. بعد التصلب بالضغط العالي، يشكل الغاز فقاعات شبه كروية، عادةً حول خط الوسط (الشكل 4). يمكن أن يتعايش الغاز مع مسامية الانكماش؛ وفي هذه الحالة، يميل الغاز إلى تقريب مسامية الانكماش

تسبب المسامية الغازية نفس العيوب التي تسببها مسامية الانكماش، ومع ذلك تقل احتمالية حدوث التسريب لأن الثقوب الغازية نادرًا ما تكون مترابطة. وعلاوة على ذلك، فإن مسامية الغاز هي السبب الرئيسي للتقرحات في المسبوكات. إذا كانت السبيكة ضعيفة، نتيجة تسخينها إلى درجات حرارة عالية، فإن ضغط الغاز الهائل في المسام يمكن أن يؤدي إلى تفجير الجلد المعدني المحيط بها. يمكن أن تؤدي زيادة وقت التبريد و/أو خفض درجة حرارة القالب إلى تقليل حدوث التقرحات بعد الطرد مباشرةً.

من الناحية المثالية، يجب تقليل كمية الغاز المحتجزة في التجويف إلى الحد الأدنى. ويتم تحقيق ذلك من خلال استخدام أكبر شوط ممكن في المرحلة الأولى وأطول وقت ممكن للتعبئة (مع مراعاة ضرورة أن تكون فترات التعبئة قصيرة لتحقيق مظهر سطحي مقبول). يجب زيادة فتحات التهوية إلى أقصى حد ووضعها بشكل صحيح. من المفيد تقليل رذاذ القالب إلى الحد الأدنى. وغالبًا ما تكون المسامية أقل مشكلة، وبالتأكيد تنتج عنها تقرحات أقل، عندما تكون على شكل العديد من المسام المجهرية بدلاً من المسام الكبيرة القليلة. يتم تشجيع المسام الصغيرة باستخدام سرعات معدنية عالية؛ يجب أن تكون سرعة البوابة 40 م/ثانية هي الهدف. سيقضي الصب بالقالب بالتفريغ على هذا النوع من المسامية.

عيوب المسامية الدقيقة في الصب بالقالب

بالإضافة إلى المسامية المرئية، ستكون هناك مسامية بحجم لا يمكن ملاحظتها إلا بالمجهر. هذه المسامية الدقيقة، إذا كانت غائبة عن جلد الصب (كما هو الحال في كثير من الأحيان)، ليس لها تأثير سلبي إلا إذا تم كشفها لاحقًا عن طريق عمليات التلميع قبل طلاء السطح.

دموع a𞸍 الشقوق

تحدث التمزقات الساخنة، كما يوحي الاسم، عند درجات حرارة قريبة من نطاق التصلب. وينجم التشقق عن فشل الصب تحت إجهاد مرتفع وتشوه منخفض الإجهاد، وغالبًا ما يتبع نمطًا غير متساوٍ (الشكل 5). وهذا يتناقض مع الشقوق الأكثر استقامة إلى حد كبير التي يمكن أن تحدث في درجات حرارة منخفضة في ظل ظروف الإجهاد العالي والإجهاد المنخفض. بالإضافة إلى ذلك، يختلف مظهر أوجه الكسر بين هذين النوعين من الصدوع.

يساهم شكل المكون بشكل كبير في التمزق الساخن. ويحدث ذلك عندما يقتصر انكماش التصلب على منطقة صغيرة، خاصةً إذا كانت تلك المنطقة أيضًا منطقة ساخنة. تكون سبائك ZA-27 وAcuzinc أكثر عرضة لهذا العيب من السبائك الأخرى، إلا إذا كان محتوى الألومنيوم فيها أقل من المواصفات أو كانت تحتوي على فائض من المغنيسيوم. باستثناء توزيع درجة حرارة القالب، لا تؤثر معلمات الصب على التمزق الساخن. يمكن أن يساعد تبريد المناطق الساخنة في القالب في حل المشكلة.

يحدث التشقق أثناء الطرد عندما تتولد قوى مفرطة نتيجة انسداد الصب في القالب. وغالبًا ما يكون هذا نتيجة لأخطاء في صناعة الأدوات التي تسببت في تقصير أو عدم كفاية السحب أو الوميض. قد يساعد تمديد فترة التبريد لجعل الصب أكثر صلابة وقدرة أفضل على امتصاص إجهادات الطرد على منع التشقق. ومع ذلك، حيثما تكون القوة ناتجة عن انكماش الصب بقوة على القالب، فإن أوقات التبريد الطويلة تكون غير فعالة، وقد يكون الطرد في وقت أقرب مفيدًا.

مشكلات التضمين

وهذه مشكلة أقل بكثير في سبائك الزنك مقارنةً بتلك التي تحتوي على مكوّنات غشاء أكسيد أقوى. وفي الواقع، غالبًا ما تكون سبائك الحديد البينية الناتجة عن عدم كفاية إدارة الذوبان هي الوحيدة التي تشكل مشاكل في الممارسة العملية. يجب ألا ينخفض مستوى المعدن في الوعاء إلى النقطة التي يدخل فيها المعدن تحت السطح إلى عنق المنحنية.

عيوب سطح الصب بالقالب

لفات ذهبية.

يتطور هذا العيب (المعروف أيضًا باسم علامات التدفق أو التدفق البارد) عندما لا تتم إعادة صهر تيارات المعدن التي تصلبت مسبقًا عند ملامستها للقالب إلى الجزء الأكبر من الصب عند وصول معدن إضافي. يظهر السطح على شكل أخدود غير متساوٍ مع تأثير قشور السمك التي تختلف في العمق اعتماداً على شدة اللفة (الشكل 6). ويعرض المقطع العرضي السمة المميزة لللفة الباردة، وهي مدى استمرار الكسر السطحي أفقياً وتوليد انقطاع تحت السطح (الشكل 7).

Cold laps degrade the appearance of castings and cause issues with future finishing procedures, particularly electroplating, resulting in coating failure. If severe, laps can impair the casting’s ductility. The cavity fill time and die temperature are the key casting parameters that influence the production of cold laps. Less important characteristics are flow pattern, flow distance, metal speed, die surface, and metal temperature. The thickness of the casting is crucial. Laps are more common in thin section castings.

تم تحديد الصلة بين مظهر السطح وسُمك الجدار ودرجة حرارة القالب ووقت التعبئة. يمكن استخدام متنبئ السطح (الشكل 8) لتحديد الحد الأقصى لوقت ملء التجويف والحد الأدنى لدرجة حرارة القالب التي ستؤدي إلى سطح قابل للطلاء بالكهرباء. إذا كان سيتم طلاء الجزء، فإن أوقات التعبئة الأطول ودرجات حرارة القالب المنخفضة مقبولة. يمكن أن يؤدي السطح المحكم على القالب إلى زيادة الحد الأقصى لزمن التعبئة بمقدار 50%.

في بعض الأحيان ستظهر الهفوات على الرغم من أن القالب ساخن ووقت ملء التجويف قصير. عند حدوث ذلك وعادة ما تكون مرتبطة بنمط التدفق الدوامي الذي يحتوي على غاز محتجز. الضغط الخلفي الذي يمارسه الغاز في فإن النهاية من تجويف ملء يبطئ فإن تطويق معدن البخار و ومن ثم تنتج فإن الشروط ضروري لـ محلي حضن التكوين. في هذا القضية, ذلك سوف أن تكون ضروري إلى تقليل فإن الهواء محاصرون في فإن يموت (انظر القسم الخاص بالمسامية) أو تعديل نمط الحشو من أجل منع تكوين مثل هذه الفجوات.