این مقاله در مجله پردازش شماره ۱۰۶ و ۱۰۷، خرداد و تیر ۱۳۹۶، در صفحه ۱۰۸ تا ۱۱۲ به چاپ رسیده است.

جهت دریافت فایل پی دی اف این مقاله، لطفا اینجا را کلیک فرمایید.

مترجم: امیر حسین یوسف بیگی-کارشناس مهندسی فروش گروه پاترون

• مقدمه:

هنگامی که فرآیند آلیاژ سازی مذاب در کوره تکمیل می شود، مذاب در پاتیل تخلیه شده و پس از آن برای ریخته گری راهی ماشین ریخته گری مداوم (CCM) می شود. مذاب به داخل تاندیش ریخته شده و پس از آن وارد تیوب مسی برای تولید شمش می شود. شکل گیری پوسته ای نازک و سخت در شکل ۱ قابل مشاهده است.

عملکرد اصلی تیوب مسی، ایجاد یک پوسته مقاوم و با ثبات است که بوسیله سیستم خنک کاری موجود در قالب ایجاد می شود و سپس در ناحیه خنک کاری ثانویه به تثبیت کامل می رسد تا در مقابل فشار مذاب متمرکز در تیوب مسی مقاومت کافی داشته باشد. اگر این سیستم به درستی کار نکند و فاز جامد به درستی شکل نگیرد مذاب هسته به بیرون نفوذ کرده و خرابی های بسیاری را برای ماشین ریخته گری مداوم بوجود می آورد.

تیوب مسی، ساختمانی شبیه قوطی دو سر باز از جنس مس با خلوص بالا و پوششی جهت حفاظت داخلی (اغلب از جنس کروم) دارد که توسط سیستم خنک کاری موجود در قالب احاطه شده است. تیوب مسی میتواند در شکل ها و اندازه های مختلف (بیلت، بلوم، اسلب، اسلب نازک، لوله تو پر و …) و متناسب با نیاز ریخته گری مورد استفاده قرار گیرد. همانطور که در شکل ۱(b) مشاهده می کنید، معمولا پودر قالب ریخته گری (CastingPat) یا روغن به عنوان یک روانکار به سطح مذاب موجود درون تیوپ مسی اضافه می شود تا موجب تسهیل عبور شمش از درون آن شود. با اضافه کردن پودر به سطح مذاب، این پودر با نرخ معینی ذوب شده و یک سرباره­ی شیشه ای مذاب تشکیل میدهد، این سرباره همانند یک فیلم نازک بین تیوب مسی و پوسته فولادی منجمد شده قرار گرفته و به عنوان یک روانساز بین این دو عمل میکند، همچنین پودر مذکور عایق حرارتی بوده و موجب جذب ناخالصیهای ذوب نیز میگردد.

سطح داخلی تیوب مسی که در تماس مستقیم با مذاب است، اغلب با پوششی از کروم یا نیکل برای داشتن سطح سخت تر و جلوگیری از کنده شدن مس در هنگام ریخته گری و جلوگیری از توسعه ترک های سطحی در محصول نهایی ریخته گری محافظت می شود.

نگهداری تیوب مسی با قابلیت اطمینان بالا، بدون ترک و تولرانس ابعادی مناسب برای ایمنی و بهره وری بسیار مهم است. گرادیان حرارتی شدیدی در سرتاسر تیوب مسی ایجاد می شود که باعث اعوجاج های هندسی قالب می شود و علاوه بر این، ساعت های طولانی کار در دماهای بالا باعث ایجاد خزش در تیوب مسی می شود. این خزش با پدیده خستگی حرارتی همراه است که توسط درجه حرارت قالب و چرخه خنک کاری تیوب مسی در طی سکوئنس های ناپایدار اولیه و نهایی ذوب ریزی ایجاد می شود. بسیاری تلاش کرده اند تا این رفتار مکانیکی را به منظور درک بهتر نقش دینامیک ماشین در فرآیند آسیب دیدن تیوب مسی و پیش بینی آسیب های پنهان شبیه سازی کنند.

علاوه بر این، پدیده اصطکاک به طور بالقوه بین تیوب مسی و مذاب رخ می دهد. اصطکاک بین مذاب منجمد و قالب اساسا در سرتیوب مسی ایجاد می شود. این آسیب ها در نهایت می تواند باعث بروز عواقب فاجعه بار شود. در حال حاضر، هر دو پوشش فلزی و سرامیکی در دسترس هستند که اجازه می دهد طول عمر تیوب مسی افزایش یابد، اما به دلیل هزینه و مبادله حرارتی آن به طور گسترده استفاده نمی شود (برعکس، پوشش تیوب از نیکل یا کروم به صورت گسترده استفاده می شود). به دلیل تردی و مقاومت در برابر سایش، کروم بیشترین استفاده در تیوب سازی را دارد. هدف از این تحقیق، تجزیه و تحلیل صدمات بوجود آمده برای پوشش تیوب مسی با تجزیه و تحلیل یک تیوب مسی با سطح مقطع مربع و ساخته شده از مس خالص و سخت کاری شده می باشد. تیوب مسی را با سطح مقطع ۱۵۰ میلیمتر در ۱۵۰ میلیمتر و ارتفاع ۱۰۰۰ میلیمتر در نظر می گیریم. این تیوب مسی در یک ماشین ریخته گری مداوم برای تولید شمش استفاده شده است و تنها یک نمونه از تیوب مسی های مختلفی است از شمار زیادی از تیوب مسی هایی که تحت تاثیر این پدیده قرار گرفته اند.

• روش تجربی:

همانطور که در شکل ۲ تیوب مشاهده می کنید تیوب مسی در سطح دچار آسیب جدی بخصوص در ناحیه قوسی شکل شده است. پس از بررسی کامل چشمی از تیوب مسی، نمونه های مختلفی برای انجام تست بوسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از سطح آسیب دیده برش داده شد. SEM به یک پروب اسپکتروسکوپی پراکنده انرژی (EDS) مجهز می باشد که برای انجام تجزیه و تحلیل شیمیایی موضعی مورد استفاده قرار می گیرد. تجزیه و تحلیل متالوگرافی برای مشخص ساختن ریز ساختارهای تیوب مسی توسط میکروسکوپ نوری و SEM انجام می شود. تمامی نمونه ها پولیش و پرداخت می شوند. برای سایش و مس بری میکرونی (Micro-etching)، تیوب مسی را به مدت ۱۰ ثانیه در محلول اسید کلریدریک ( ۵۰ml اسید کلریدریک+۵گرم کلرید آهن+۱۰۰ ml آب) قرار داده، تست میکرو سختی ویکرز با بار ۳۰۰ گرم در زمان ۱۵ ثانیه انجام شد.

• بررسی و نتایج:

در تیوب مسی مورد بررسی تقریبا بیشترین صدمات در ۱۳۰ میلیمتر از بالای تیوب قابل مشاهده می باشد. این صدمات حتی از سمت بیرون تیوب مسی نیز دیده می شود، جایی که تیوب مسی به دلیل قرار گرفتن در معرض دمای بالا رنگ معمولی خود را از دست داده است. با بررسی چشمی می توان فهمید دمای تیوب مسی به ۳۵۰ درجه سانتیگراد رسیده است. علاوه بر این، بخش داخلی تیوب مسی (پوشش کروم) دارای سطح غیر همگن بود.

برای بررسی عمیق در امتداد عرض دیواره، نمونه ها از تیوب مسی برش داده شدند. از سطح سیاه نمونه ای برش داده شد و همانطور که بوسیله فلش قرمز در شکل ۳ نشان داده شده است، بسیاری از ترک ها در این منطقه دیده می شوند این ترک ها در امتداد محور قالب قرار گرفته اند.

شکل۳- قالب های آسیب دیده، در قسمت خارجی، رنگ مشخصی و متفاوت از  رنگ اصلی شامل تیوب مسی کلی (a) و سطح آسیب دیده داخلی تیوب مسی با حذف پوشش کروم و ترک (b)

به نظر می رسد منطقه سیاه لایه ای از اکسید آهن است که در دمای بالا به دست آمده است. در مقطع نمونه، یک ناحیه ۲۰ میلیمتری فرسایش یافته در تمام سطح قابل تشخیص است. شیار عمیق تر از صفحه کروم بود و این نشان داد که نه تنها به علت سایش کروم بلکه به علت فرسایش مس بعلت نفوذ ذوب از طریق ترک است.

تعدادی از نمونه ها به منظور بدست آوردن مشخصات ناحیه آسیب دیده جلا داده شدند. در شکل ۴ عکس چند جزئی میکروسکوپ نوری قابل مشاهده است. در این مشاهدات، ضخامت پوشش کروم و عمق شیار اندازه گیری شد. پوشش کروم حدوداً ۱۰۰ میلی متر ضخامت داشت و شیار ۰٫۹۶ میلیمتر بود. در این مقطع بسیاری از ترک ها شناسایی شدند بدین صورت که منشاء ترک ها بر روی سطح آسیب دیده به صورت موضعی قرار داشت و سپس ترک ها در ضخامت و عمق پخش می شوند.

تجزیه و تحلیل SEM بر روی سطح آسیب دیده برای تشخیص ترکیب شیمیایی آن انجام شد. با بزرگنمایی وضعیت ناحیه آسیب دیده (شکل ۵a) پوشش کروم معمولی بود اما برخی ترک ها قابل تشخیص بودند. این ترک ها گواهی بر فرآیند معمولی رسوب کروم بودند بر اثر تنش گرمائی ایجاد شده در شرایط کاری ریخته گری فولاد بودند. به طور خاص، سختی و در نتیجه آن مقاومت در برابر فرسایش کاهش یافت. این فرسایش می تواند به طور بالقوه باعث تخریب کامل پوشش شود.

در شکل (۵b-5d) ناحیه آسیب دیده در حالتی که پوشش کروم کاملا از بین رفته و وضعیت سطح زبر و ناهموار است نشان می دهد.

تجزیه و تحلیل EDS در نواحب شکل ۵ در جدول ۱ گزارش داده شده است.

بر اساس تجزیه و تحلیل ترکیب شیمیایی جدول ۱، پوشش کروم در بخش فوقانی قالب (ناحیه آسیب دیده) دست نخورده باقی مانده است، زیرا دارای کروم در حدود ۱۰۰٪ است. در نواحی  آسیب دیده بسیاری از عناصر موجود در مذاب، به عنوان مثال سیلیکون، منگنز و گوگرد و… مشاهده شد. علاوه بر این، EDS مقدار قابل توجهی روی در این نواحی را نشان داد. روی با قراضه وارد مذاب می شود اما در نهایت و در طی عملیات ذوب و آلیاژ سازی تبخیر می شود. با این حال، هنگامی که روی در مذاب در حال ریخته گری حل می شود، به تیوب مسی آسیب وارد می شود، این عناصر تمایل به تشکیل یک آلیاژ برنجی (نوع c) در تیوب مسی دارند. این آلیاژ برنجی باعث کاهش سختی تیوب مسی و همچنین هدایت الکتریکی فیزیکی (هدایت حرارتی و الکتریکی) و خواص شیمیایی (مقاومت خوردگی مذاب) می شود.

تجزیه و تحلیل SEM یک لایه برنجی را در سطح تیوب مسی (شکل ۶ و جدول ۲) نشان داده است. بسیاری از ترک ها شناسایی شدند، اما دو مورد از آنها بیشتر مشخص شد.

اولی به طول ۲٫۲ میلیمتر (۷a) بود و نواحی اطراف آن به صورت کریستالیزه به نظر می رسید(۷b).

علاوه بر روی، علاوه بر روی، بسیاری از دیگر ناخالصی های باقی مانده (به عنوان مثال Fe، S و pb) به دلیل نفوذ مذاب در ترک شناسایی شد و در جدول ۲ نشان داده شده است. ترک نشان داده شده در شکل ۸ ایجاد پوشش برنجی را بر روی سطح کروم آسیب دیده نشان می دهد که در نتیجه انتشار روی در محل مس شکل گرفته است. دگرگونی در مرکز سطح مقطع (شکل ۹) برای شناسایی ترکیب شیمیایی پوشش در مناطق بدون آسیب (a) و آسیب دیده (b) ارائه شده است.

برخی از جدایش پوشش کروم نیز در ترک خوردگی ثانویه ظاهر میشود. احتمالا این به دلیل تغییر در خط رابط می باشد که باعث کاهش چسبندگی کروم شده است. در شکل ۱۰ میکروساختار تیوب مسی پس از استفاده از پولیش مناسب در نواحی بدون آسیب و آسیب دیده مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

در شکل (۱۰a) میکروساختار یک نمونه را دور از منطقه آسیب دیده نشان می دهد که اندازه متوسط دانه بندی تقریبا ۱۰۰ میلی متر است. بسیاری از مشاهدات دیگر بر روی نمونه ای که از منطقه آسیب دیده به دست آمده در شکل (۱۰b) نشان داده شده است. دانه ها بهتر از ناحیه آسیب دیده بودند و ترک ها در امتداد مرزهای دانه (ترک بین دانه ای) پخش شده بودند.

به دلیل ریز بودن دانه بندی در نزدیکی ترک ها فرآیند تبلور مجدد ریزساختاری قابل مشاهده می باشد. علاوه بر این در برخی از نواحی، در اثر تماس ذوب با  مسوب شده است.

مطابق استانداردE112-96 (2004)) ) و فرضیه تبلور مجدد در مورد اندازه دانه بندی ها، تعداد دانه ها در نواحی بدون آسیب تقریبا در حدود ۵/۲ و در مناطق آسیب دیده ۷/۱ است. در ناحیه نزدیک آسیب دیدگی ها پایین ترین سطح سختی درحدود (۸۰-۹۰ HB) را به دلیل پدیده ی تبلور مجدد استاتیکی و رشد دانه ها نشان می دهد. در صورتیکه در قسمت بیرونی تیوب مسی، مقدار سختی برابر (۱۱۵-۱۳۰ HV) می باشد و بین این دو منطقه، منطقه آسیب دیده را می توان به عنوان منطقه مشخص شده با سختی متوسط (۱۰۰-۱۱۵ HV) مشاهده کرد که نشان می دهد پدیده تبلور مجدد صورت گرفته است. ماده سخت شده انرژی را به شکل عیوب شبکه ای ذخیره کرده و نیروی محرکه برای تبلور مجدد به صورت انرژی ذخیره شده می شود. گرما در دماهای بالا و در فاز مذاب، انرژی حرارتی مورد نیاز خود را برای تبدیل مواد به وضعیت با انرژی پایین را از طریق فرآیند انتشار فراهم می کند. آسیب های شبکه داخلی در هنگام گرم شدن شدید،  سختی کاهش می دهد.

• نتیجه گیری:

تجزیه و تحلیل صدمات در تیوب مسی ماشین ریخته گری منجر به درک بهتر مکانیزم آسیب ها شد. در ابتدا به علت فرآیند رسوب، پوشش کروم به طور طبیعی ترک می خورد و این ترکها به علت تنش های گرمایی ناشی از شرایط کاری تیوب مسی قابلیت انتشار دارد. علاوه بر این، دمای کاری بالا در تیوب مسی منجر به افزایش فرسایش کروم می شود. با ترک هایی که در سرتاسر ضخامت سطح نفوذ کرده است مذاب در تماس با مس باقی خواهد ماند و روی با مذاب پراکنده شده در سطح مس تشکیل یک آلیاژ برنج با مقدار بالای روی می دهد. هر دو پدیده تردی برنج و پدیده تبلور مجدد، دلیل نرم شدن مس و دلیل انتشار ترک است. آسیب مشاهده شده بسیار خطرناک است، زیرا می تواند ماشین ریخته گری مداوم را از بین ببرد. به همین دلیل باید از بالا رفتن میزان روی در مذاب جلوگیری کرد. با توجه به اینکه نمی توان از ترک خوردگی طبیعی کروم، تنش های حرارتی و فرسایش پوشش کروم اجتناب کرد.

جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص تیوب مسی گروه پاترون، لطفا به این صفحه مراجعه فرمایید.