در ریخته‌گری ماسه‌ای، حفره‌های انقباضی و تخلخل انقباضی شایع‌ترین عیوب داخلی در ریخته‌گری‌ها هستند. حفره‌های انقباضی معمولاً به صورت حفره‌های بزرگ نامنظم در نواحی ضخیم یا مناطق مرکز حرارتی ریخته‌گری ظاهر می‌شوند که با دیواره‌های ناهموار و کریستال‌های دندریتی مشخص می‌شوند. تخلخل انقباضی به صورت خوشه‌های منافذ ریز پراکنده ظاهر می‌شود که عمدتاً در امتداد محورهای ریخته‌گری یا در محل‌های اتصال ضخامت رخ می‌دهند. این عیوب به شدت خواص مکانیکی و هوابندی را به خطر می‌اندازند و به طور بالقوه منجر به ترک و خرابی زودرس می‌شوند. به عنوان فرآیندهای اصلی در گردش کار ریخته‌گری، طراحی قالب و عملیات ماهیچه‌سازی نقش تعیین‌کننده‌ای در جلوگیری از تخلخل انقباضی و حفره‌ها دارند. این مقاله به طور سیستماتیک اقدامات مؤثر برای کاهش میزان وقوع آنها را با تمرکز بر جنبه‌های حیاتی رویه‌های قالب‌سازی تشریح می‌کند.
۱. بهینه‌سازی طراحی سختی ریخته‌گری و فشار پر شدن
1. از ارتفاع جعبه بالایی اطمینان حاصل کنید و فشار استاتیک فلز را افزایش دهید
ارتفاع ناکافی جعبه بالایی، فشار انقباض فلز را در طول مرحله نهایی انجماد قطعات ریخته‌گری به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و منجر به کاهش ظرفیت خنک‌سازی و افزایش حساسیت به تخلخل انقباضی یا حفره‌های انقباضی در اتصالات حرارتی می‌شود. برای پمپ‌های فولادی ریخته‌گری با ساختار افقی شکاف‌دار (قالب پمپ شکاف‌دار فولادی شکاف‌دار)، باید به تعادل وزنی بین جعبه‌های بالایی و پایینی توجه ویژه‌ای شود: جعبه بالایی کوچک، فشار انقباضی ناکافی را تشدید می‌کند و باعث ایجاد حفره‌های انقباضی متمرکز در بالای فلنج پمپ می‌شود. وزن جعبه بالایی باید ≥1.5 برابر نیروی بالابر هیدرولیکی استاتیک فلز مذاب باشد و در صورت لزوم، وزن‌های اضافی اضافه شود. شیوه‌های تولید باید به شدت از به خطر انداختن ارتفاع جعبه بالایی برای صرفه‌جویی در ماسه یا کاهش هزینه‌های قالب جلوگیری کنند. برای سازه‌هایی که به جعبه‌های بالایی کم‌عمق نیاز دارند، راه‌حل‌های جبرانی باید شامل موارد زیر باشد:
برای طولانی‌تر کردن زمان انجماد مایع فلزی در رایزر، از غلاف عایق یا رایزر گرمایشی استفاده کنید.
از ظرف مخصوص ریختن برای بلند کردن یا اضافه کردن مداوم مایع فلزی با دمای بالا به رایزر استفاده کنید تا کانال پر شدن روان و فشار پر شدن حفظ شود.
۲. بهبود استحکام و فشردگی کلی قطعه ریخته‌گری
استحکام ناکافی قالب ممکن است منجر به انبساط حفره در حین پخت پیش از ریخته‌گری یا فشار استاتیک ناشی از جریان فلز مذاب شود که منجر به پر شدن مجدد ناکافی مایع می‌شود. بدنه‌های پمپ با محفظه شکاف‌دار به دلیل سطوح پیچیده راهگاه و هسته‌های متعدد، نیاز به تقویت ساختاری بیشتری دارند.
ناحیه ضخیم فلنج بدنه پمپ به صورت محلی با موادی با قابلیت ذخیره حرارت بالا مانند ماسه کرومیت ریخته‌گری می‌شود تا انجماد را تسریع کرده و تمایل به انقباض و شل شدن را کاهش دهد.
اسکلت آهنی سرد (مانند میله فولادی Φ20 میلی‌متر) در هسته کانال جریان تعبیه شده است تا سختی هسته را افزایش دهد و از شناور شدن آن جلوگیری کند و اتلاف گرما را تسریع کند تا از وقوع انقباض ریز در ضخامت دیواره کانال جریان جلوگیری شود.
پس از بستن جعبه، نیروی پیش‌سفت‌کننده (≥0.2MPa) را به پیچ سطح جداکننده اعمال کنید.
2، طراحی علمی سیستم آهن سرد و اسپرو
۱. تقویت انجماد متوالی و انقباض جهت‌دار
طراحی ویژه ریخته‌گری: بدنه پمپ با پوسته میانی باید دارای یک رایزر قابل مشاهده در بالای فلنج‌های ورودی/خروجی، با طراحی گردن مخروطی معکوس (در بالا بزرگتر و در پایین باریک‌تر) باشد تا کانال‌های جبران انقباض بدون مانع تضمین شوند. یک رایزر پنهان در پشت مجرای پروانه نصب شده است که از حفره داخلی هسته شنی برای تخلیه هوا و جلوگیری از انقباض محوری به دلیل اتلاف حرارت آهسته در این ناحیه استفاده می‌کند.
کاربرد نوآورانه آهن سرد: آهن‌های سرد منحنی شکل (تقریباً 0.8 برابر ضخامت دیواره) را در سطح مقطع متغیر حلزونی پمپ پیاده‌سازی کنید. فاصله بین آهن‌های سرد به 1.5 برابر ضخامت دیواره کاهش می‌یابد و امکان کنترل دقیق گرادیان‌های خنک‌کننده موضعی را فراهم می‌کند. فاصله بین آهن‌های سرد و ماسه قالب‌گیری ≤0.5 میلی‌متر باقی می‌ماند تا از نفوذ فلز مذاب که می‌تواند پل‌های حرارتی ایجاد کند و باعث ایجاد حفره‌های انقباضی شود، جلوگیری شود.
سیستم ریختن: برای جلوگیری از فرسایش بیش از حد حفره توسط فلز مذاب، باید سیستم ریختن باز تزریق از پایین ترجیح داده شود. موقعیت کانال ریختن داخلی باید برای خنک شدن کافی نقاط داغ مساعد باشد تا از تشکیل نواحی داغ ایزوله و تخلخل انقباضی جلوگیری شود.
۲. از اتصالات حرارتی اجتناب کنید و ساختار قطعات ریخته‌گری/قالب‌گیری شده را بهینه کنید
با در نظر گرفتن ملاحظات فرآوری و اصلاح، ساختار ریخته‌گری را بهینه کنید: سعی کنید از تغییرات شدید در اندازه مقطع (اختلاف بیش از حد ضخامت دیواره) جلوگیری کنید و اتصالات داغ ایزوله را کاهش دهید. طراحی انتقالی در اتصال ضخیم-نازک استفاده می‌شود.
طراحی مناسب گوشه: شعاع ناکافی (R) در گوشه‌های مقعر، راندمان خنک‌سازی ماسه‌ای را کاهش می‌دهد، انجماد را به تأخیر می‌اندازد و تخلخل انقباضی ناشی از هوا را افزایش می‌دهد. شعاع بیش از حد (R) ممکن است نواحی شوک حرارتی ضخیمی ایجاد کند که منجر به تخلخل انقباضی می‌شود. شعاع گوشه ایده‌آل باید تقریباً یک سوم ضخامت دیواره مجاور باشد.
نگهداری قالب/خانه: قالب/خانه فرسوده را مرتباً بررسی و تعمیر کنید تا مطمئن شوید که ضخامت دیواره ریخته‌گری مطابق با الزامات طراحی است و از نازک شدن موضعی که مانع کانال ریخته‌گری مجدد می‌شود، جلوگیری کنید.
سوم. کنترل دقیق عملکرد شن و فرآیند پوشش
۱. عملکرد ماسه قالب‌گیری، اساس کار است
• نفوذپذیری هوا: نفوذپذیری ضعیف هوا مانع تخلیه بخار آب و گاز در قالب می‌شود و فشار گاز ممکن است به داخل مایع فلزی جامد نشده نفوذ کند و تمایل به انقباض را تشدید کرده و عیوب ترکیبی انقباض گازی را ایجاد کند. تشخیص و تنظیم منظم مورد نیاز است.
• رطوبت و انتشار گاز: رطوبت ماسه را به شدت کنترل کنید و انتشار گاز را کاهش دهید. رطوبت بیش از حد نه تنها باعث کاهش مقاومت، افزایش انتشار گاز می‌شود، بلکه سرعت خنک شدن موضعی را نیز به تأخیر می‌اندازد و باعث انقباض و شل شدن می‌شود.
• استحکام و پایداری حرارتی: از استحکام تر/خشک کافی و پایداری حرارتی اطمینان حاصل کنید تا از تسلیم زودهنگام یا ترک خوردن دیواره قالب که محیط لازم برای خنک‌کاری تکمیلی را از بین می‌برد، جلوگیری شود.
۲. بهینه‌سازی فرآیند پوشش‌دهی
• یک پوشش خنک کننده سریع (مثلاً پوشش پودری زیرکونیا) را روی نواحی ضخیم یا گره های داغ اعمال کنید تا انجماد ناحیه را تسریع کنید.
• غلظت و ضخامت پوشش را به شدت کنترل کنید تا از یکنواختی آن اطمینان حاصل شود. پوشش بیش از حد ضخیم یا ناهموار، عایق را گرم می‌کند و بر شیب انجماد متوالی ایده‌آل تأثیر می‌گذارد.
چهارم. تمرکز بر جزئیات و کنترل فرآیند عملیات حفاری مغزه‌گیری
۱. شکل‌دهی دقیق و هسته‌سازی
• عملیات قالب‌گیری و برش را استاندارد کنید تا از برس زدن بیش از حد با آب در نواحی موضعی که منجر به تجمع رطوبت ماسه قالب‌گیری و خنک شدن ناهموار می‌شود، جلوگیری شود.
• اطمینان حاصل کنید که هسته ماسه‌ای کاملاً خشک است (به خصوص در سر هسته)، و کانال‌های تهویه (سیم مومی، سوزن تهویه) بدون مانع هستند تا از تداخل گاز هسته ماسه‌ای با فرآیند انجماد و انقباض فلز، که منجر به انقباض شل یا سوراخ‌های انقباض هوا می‌شود، جلوگیری شود.
• از قرارگیری و پایداری هسته ماسه‌ای اطمینان حاصل کنید، از ضخامت ناهموار دیواره ناشی از شناور شدن یا جابجایی هسته و ایجاد اتصالات داغ غیرمنتظره جلوگیری کنید.
۲. آماده‌سازی برای آب‌بندی جعبه و ریختن مواد
• جعبه به طور دقیق در موقعیت قرار گرفته است تا از تشکیل اتصالات داغ ناشی از ضخیم شدن موضعی به دلیل نوع اشتباه جلوگیری شود.
• فنجان ریختن و حلقه بالابر به طور پایدار قرار گرفته و به خوبی آب بندی شده اند.
• برای ریخته‌گری‌های بزرگ و پیچیده، قالب‌گیری با هسته ماسه‌ای رزینی برای بهبود دقت کلی و سفتی قطعه ریخته‌گری ترجیح داده می‌شود.
V. ویژگی‌های عملیاتی و هماهنگی با سایر فرآیندها
نقاط عملیاتی ویژه پمپ با دهانه متوسط
• موقعیت‌یابی ترکیبی هسته ماسه‌ای: از صفحه کارت موقعیت‌یابی چاپ سه‌بعدی برای مونتاژ گروه هسته کانال جریان استفاده می‌شود و فاصله بین سر هسته کمتر از 0.8 میلی‌متر است تا از رانش هسته که باعث ایجاد ضخامت ناهموار دیواره و انقباض و شل شدن حرارتی تصادفی می‌شود، جلوگیری شود.
• فشار بسته شدن جعبه را حفظ کنید: ضخامت نوار آب‌بندی را روی سطح جداکننده تا 80٪ ضخامت اصلی فشرده کنید و از فشار بسته شدن جعبه برای فشرده‌سازی آب‌بندی استفاده کنید تا از بلند شدن جعبه و ایجاد وقفه در پر شدن و تشکیل سوراخ‌های انقباضی جلوگیری شود.
• اشتراک‌گذاری اطلاعات در ذوب: با تطبیق دقیق ویژگی‌های فلز، فرآیند ذوب می‌تواند بازخورد بلادرنگ در مورد ترکیب فولاد مذاب (مثلاً محتوای کربن و سیلیسیم) را به انتهای قالب‌گیری ارائه دهد. از آنجایی که فولاد پرکربن تمایل بیشتری به انقباض نشان می‌دهد، طراحی قالب نیاز به جبران حجم رایزر بیشتر برای انقباض، همراه با چیلرهای اضافی برای تسریع انجماد در بخش‌های دیواره ضخیم و جلوگیری از تخلخل انقباضی دارد.
• هماهنگی ریزش شن: زمان عایق‌بندی بیش از ۵۰۰ درجه سانتیگراد بیش از ۶ ساعت (۲-۳ ساعت برای قطعات معمولی) است، خنک‌سازی آهسته برای آزاد شدن تنش و جلوگیری از ترک‌های مشتق شده در ناحیه انقباض.
اپیلوگ
روش کنترل انقباض و سوراخ‌های انقباضی در بدنه پمپ پمپ با دهانه متوسط نشان می‌دهد که ریخته‌گری‌های با ساختار پیچیده باید از طرح رایزر مرسوم (مانند رایزر پنهان پشت رانر) عبور کنند، کلید جلوگیری از انقباض در نواحی دیواره نازک، تقویت استحکام هسته (اسکلت آهن سرد داخلی) است و استراتژی خنک‌سازی متفاوت (آهن سرد منحنی + پوشش منطقه‌ای) می‌تواند بخش گرم را به طور دقیق کنترل کند.
کنترل حفره‌های انقباضی و تخلخل در ریخته‌گری ماسه‌ای اساساً به ایجاد یک محیط انجماد سه‌جانبه از طریق فرآیندهای قالب‌گیری متکی است: ساخت قالب‌های صلب، به‌کارگیری آهن‌های خنک‌کننده دقیق و حفظ فشار مداوم برای جبران انقباض. تنها با ادغام عمیق تکنیک‌های تشکیل هسته با ویژگی‌های ساختاری قطعات ریخته‌گری (مانند گردنه‌های مخروطی معکوس در فلنج‌های بدنه پمپ و آهن‌های خنک‌کننده منطبق با کانال جریان) می‌توان میزان نقص را به زیر 0.5٪ کاهش داد و در نتیجه الزامات ایمنی ذاتی برای ریخته‌گری‌های تحت فشار را برآورده کرد.