عيب في الصب

عيوب الصب هي خلل غير مرغوب فيه في عملية صب المعادن . يمكن التغاضي عن بعض العيوب، بينما يمكن إصلاح البعض الآخر، أما الباقي فيجب إزالته. تُصنف هذه العيوب إلى خمس فئات رئيسية: المسامية الغازية ، وعيوب الانكماش ، وعيوب مادة القالب ، وعيوب معدن الصب ، والعيوب المعدنية . ^{[ 1 ]}

مصطلحي "العيب" و "يشير مصطلح " انقطاع " إلى أمرين محددين ومنفصلين في المسبوكات. تُعرَّف العيوب بأنها حالات في المسبوكة يجب تصحيحها أو إزالتها، وإلا يجب رفض المسبوكة. أما الانقطاعات، والمعروفة أيضًا باسم "الشوائب"، فتُعرَّف بأنها "انقطاعات في الاستمرارية الفيزيائية للمسبوكة". لذلك، إذا كانت المسبوكة أقل من مثالية، ولكنها لا تزال صالحة للاستخدام وضمن الحدود المسموح بها، فيجب اعتبار الشوائب "انقطاعات". ^{[ 2 ]}

توجد أنواع عديدة من العيوب التي تنتج عن أسباب مختلفة. وقد تكون بعض حلول عيوب معينة سبباً لظهور نوع آخر من العيوب. ^{[ 3 ]}

قد تحدث العيوب التالية في عمليات الصب الرملي . وتحدث معظم هذه العيوب أيضاً في عمليات الصب الأخرى.

قد تحدث عيوب الانكماش عندما لا يتوفر معدن التغذية القياسي لتعويض الانكماش أثناء تصلب المعدن السميك . وتظهر هذه العيوب بشكل متعرج أو خطي. وعادةً ما تحدث في الجزء العلوي أو السفلي من المسبوكة. ^{[ 4 ]} يمكن تقسيم عيوب الانكماش إلى نوعين: عيوب الانكماش المفتوحة وعيوب الانكماش المغلقة . عيوب الانكماش المفتوحة معرضة للهواء الجوي ، وبالتالي، عند تشكل تجويف الانكماش، يعوض الهواء الانكماش. وهناك نوعان من عيوب الهواء المفتوحة: الأنابيب والأسطح المجوفة . تتشكل الأنابيب على سطح المسبوكة وتتوغل داخلها، بينما الأسطح المجوفة عبارة عن تجاويف ضحلة تتشكل عبر سطح المسبوكة. ^{[ 5 ]}

عيوب الانكماش المغلقة، والمعروفة أيضًا باسم مسامية الانكماش ، هي عيوب تتشكل داخل المسبوكات. تتكون تجمعات معزولة من السائل داخل المعدن المتصلب، وتُسمى هذه التجمعات بالبقع الساخنة . عادةً ما يتشكل عيب الانكماش في قمة هذه البقع الساخنة. تتطلب هذه العيوب نقطة تكوّن ، لذا يمكن للشوائب والغازات المذابة أن تُحدث عيوب انكماش مغلقة. تُصنف هذه العيوب إلى مسامية كبيرة ومسامية صغيرة (أو انكماش دقيق )، حيث يمكن رؤية المسامية الكبيرة بالعين المجردة، بينما لا يمكن رؤية المسامية الصغيرة. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

المسامية الغازية هي تكوّن فقاعات داخل المسبوكة بعد تبريدها. يحدث هذا لأن معظم المواد السائلة قادرة على استيعاب كمية كبيرة من الغاز المذاب، بينما لا تستطيع المادة الصلبة ذلك، لذا يتكوّن الغاز على شكل فقاعات داخل المادة أثناء تبريدها. ^{[ 7 ]} قد تظهر المسامية الغازية على سطح المسبوكة على شكل مسامية، أو قد تكون المسام محصورة داخل المعدن، [ ^{8 ] مما} يقلل من قوة تلك المنطقة. يُعدّ النيتروجين والأكسجين والهيدروجين أكثر الغازات شيوعًا في حالات المسامية الغازية. ^{[ 6 ]} في مسبوكات الألومنيوم، يُعدّ الهيدروجين الغاز الوحيد الذي يذوب بكمية كبيرة، مما قد يؤدي إلى مسامية غاز الهيدروجين . ^{[ 9 ]} بالنسبة للمسبوكات التي يبلغ وزنها بضعة كيلوغرامات، يتراوح حجم المسام عادةً بين 0.01 و0.5 ملم (0.0004 إلى 0.02 بوصة) . أما في المسبوكات الأكبر حجمًا، فقد يصل قطرها إلى مليمتر واحد (0.04 بوصة) . ^{[ 8 ]}   

لمنع المسامية الغازية، يمكن صهر المادة في فراغ، أو في بيئة من غازات منخفضة الذوبان، مثل الأرجون ^{[ 10 ]} أو ثاني أكسيد الكربون ^{[ 11 ]} ، أو تحت تأثير صهر يمنع ملامستها للهواء. ولتقليل ذوبان الغاز، يمكن الحفاظ على درجات حرارة التسخين الفائق منخفضة. قد يؤدي الاضطراب الناتج عن صب المعدن السائل في القالب إلى دخول الغازات، لذا غالبًا ما تُصمم القوالب بشكل انسيابي لتقليل هذا الاضطراب. تشمل الطرق الأخرى إزالة الغازات بالتفريغ ، أو ضخ الغاز ، أو الترسيب. يتضمن الترسيب تفاعل الغاز مع عنصر آخر لتكوين مركب يشكل خبثًا يطفو على السطح. على سبيل المثال، يمكن إزالة الأكسجين من النحاس بإضافة الفوسفور ؛ ويمكن إضافة الألومنيوم أو السيليكون إلى الفولاذ لإزالة الأكسجين. ^{[ 7 ]} مصدر ثالث يتمثل في تفاعلات المعدن المنصهر مع الشحوم أو غيرها من المخلفات في القالب.

ينتج الهيدروجين عن تفاعل المعدن مع الرطوبة أو الرطوبة المتبقية في القالب. ويمكن القضاء على هذا المصدر لتكوين الهيدروجين عن طريق تجفيف القالب. ^{[ 12 ]}

قد يصعب أحيانًا التمييز بين المسامية الغازية والانكماش الدقيق، لأن تجاويف الانكماش الدقيق قد تحتوي على غازات أيضًا. عمومًا، تتشكل المسامية الدقيقة إذا لم يتم صبّ المسبوكة بشكل صحيح أو إذا تم صبّ مادة ذات نطاق تصلب واسع. إذا لم يكن أي من هذين السببين صحيحًا، فمن المرجح أن تكون المسامية ناتجة عن تكوّن الغاز. ^{[ 13 ]}

تُسمى فقاعات الغاز الصغيرة بالمسامات، بينما تُسمى الفقاعات الأكبر حجمًا بالثقوب ^{[ 14 ]} أو الفقاعات . قد تنجم هذه العيوب عن الهواء المحتبس في المعدن المنصهر، أو البخار أو الدخان المتصاعد من رمل الصب ، أو غازات أخرى من المعدن المنصهر أو القالب. (قد يُشار أيضًا إلى ثقوب الفراغ الناتجة عن انكماش المعدن (انظر أعلاه) بشكل عام باسم "الثقوب"). يمكن لممارسات المسابك السليمة، بما في ذلك تحضير المعدن المنصهر وتصميم القالب، أن تقلل من حدوث هذه العيوب. ولأنها غالبًا ما تكون محاطة بطبقة من المعدن السليم، فقد يصعب اكتشاف الثقوب، مما يستدعي استخدام التحليل التوافقي، أو فوق الصوتي ، أو المغناطيسي ، أو الأشعة السينية (مثل التصوير المقطعي الصناعي ).

تشمل عيوب صب المعادن عدم اكتمال الصب ، والالتحام البارد ، والشوائب . يحدث عدم اكتمال الصب عندما لا يملأ المعدن السائل تجويف القالب بالكامل، تاركًا جزءًا غير مملوء. أما الالتحام البارد فيحدث عندما لا تندمج جبهتان من المعدن السائل بشكل صحيح في تجويف القالب، تاركًا نقطة ضعف. وينتج كلا الأمرين إما عن نقص سيولة المعدن المنصهر أو عن ضيق المقاطع العرضية. ويمكن زيادة السيولة بتغيير التركيب الكيميائي للمعدن أو بزيادة درجة حرارة الصب. ومن الأسباب المحتملة الأخرى الضغط العكسي الناتج عن تجاويف القوالب غير جيدة التهوية. ^{[ 15 ]}

يرتبط كل من عدم انتظام الصب والإغلاق البارد ارتباطًا وثيقًا، وكلاهما ينطوي على تجمد المادة قبل أن تملأ تجويف القالب بالكامل. تُعدّ هذه الأنواع من العيوب خطيرة لأن المنطقة المحيطة بالعيوب تكون أضعف بكثير من المطلوب. ^{[ 16 ]} تُعدّ قابلية الصب ولزوجة المادة من العوامل المهمة في هذه المشكلات. تؤثر السيولة على الحد الأدنى لسمك المقطع الذي يمكن صبه، والحد الأقصى لطول المقاطع الرقيقة، ودقة التفاصيل التي يمكن صبها، ودقة ملء أطراف القالب. توجد طرق مختلفة لقياس سيولة المادة، على الرغم من أنها تتضمن عادةً استخدام شكل قالب قياسي وقياس المسافة التي تتدفق فيها المادة. تتأثر السيولة بتركيب المادة، ودرجة حرارة التجمد أو نطاقها، والتوتر السطحي لأغشية الأكسيد، والأهم من ذلك، درجة حرارة الصب. كلما ارتفعت درجة حرارة الصب، زادت السيولة؛ ومع ذلك، يمكن أن تكون درجات الحرارة المفرطة ضارة، مما يؤدي إلى تفاعل بين المادة والقالب؛ في عمليات الصب التي تستخدم مادة قالب مسامية، قد تخترق المادة مادة القالب. ^{[ 17 ]}

تُسمى النقطة التي لا يمكن للمادة أن تتدفق عندها نقطة التماسك . يصعب التنبؤ بهذه النقطة في تصميم القوالب لأنها تعتمد على نسبة المادة الصلبة، وبنية الجزيئات المتصلبة، ومعدل إجهاد القص الموضعي للسائل. عادةً ما تتراوح هذه القيمة بين 0.4 و 0.8. ^{[ 18 ]}

الشوائب هي تلوث معدني ، سواء كانت خبثًا صلبًا أو سائلًا. وهي عادةً شوائب موجودة في المعدن المصبوب ( أكاسيد في الغالب، ونيتريدات أو كربيدات أو كبريتيدات في حالات أقل شيوعًا )، أو مواد متآكلة من بطانات الأفران أو المغارف، أو ملوثات من القالب. وفي حالة سبائك الألومنيوم تحديدًا، من المهم التحكم في تركيز الشوائب بقياسها في الألومنيوم السائل واتخاذ الإجراءات اللازمة للحفاظ عليها ضمن المستوى المطلوب.

توجد عدة طرق لتقليل تركيز الشوائب. لتقليل تكوّن الأكاسيد، يمكن صهر المعدن باستخدام مادة صهر ، أو في فراغ ، أو في جو خامل . يمكن إضافة مكونات أخرى إلى الخليط لجعل الخبث يطفو إلى السطح حيث يمكن إزالته قبل صب المعدن في القالب. إذا لم يكن ذلك عمليًا، فيمكن استخدام مغرفة خاصة تصب المعدن من الأسفل. خيار آخر هو تركيب مرشحات خزفية في نظام الصب. أو يمكن تشكيل بوابات دوامية تعمل على تدوير المعدن السائل أثناء صبه، مما يدفع الشوائب الأخف وزنًا إلى المركز ويمنعها من دخول المسبوكة. ^{[ 19 ] [ 20 ]} إذا انطوى بعض الخبث أو الرواسب في المعدن المنصهر، فإنه يُصبح عيبًا ناتجًا عن الانحشار .

يوجد نوعان من العيوب في هذه الفئة: الدموع الساخنة والبقع الساخنة . الدموع الساخنة، والمعروفة أيضاً باسمالتشقق الساخن ، ^{[ 21 ]} هو عيب في المسبوكات يحدث أثناء تبريدها. ويعود ذلك إلى ضعف المعدن عند سخونته، حيث يمكن أن تتسبب الإجهادات المتبقية في المادة في فشل المسبوكة أثناء تبريدها. ويمنع التصميم السليم للقالب حدوث هذا النوع من العيوب. ^{[ 3 ]}

تُعرف البقع الساخنة بأنها أجزاء من المسبوكات التي بردت ببطء مقارنةً بالمادة المحيطة بها نتيجةً لزيادة حجمها. ويؤدي ذلك إلى انكماش غير طبيعي في هذه المنطقة، مما قد يُسبب المسامية والتشققات. ويمكن تجنب هذا النوع من العيوب باتباع ممارسات التبريد الصحيحة أو بتغيير التركيب الكيميائي للمعدن. ^{[ 3 ]} ومن الطرق الإضافية لتقليل التشققات الساخنة عدم تسخين مادة المسبوكات بشكل مفرط ورفع درجة حرارة القالب. ^{[ 22 ]}

في عملية صب القوالب، تُعدّ عيوب عدم اكتمال الصب والإغلاق البارد من أكثر العيوب شيوعًا . قد تنجم هذه العيوب عن برودة القوالب، أو انخفاض درجة حرارة المعدن، أو اتساخ المعدن، أو نقص التهوية، أو الإفراط في استخدام مواد التشحيم. تشمل العيوب المحتملة الأخرى المسامية الغازية، ومسامية الانكماش، والتشققات الساخنة، وعلامات التدفق. علامات التدفق هي علامات تترك على سطح المسبوكة نتيجةً لسوء التحكم في البوابات، أو الزوايا الحادة، أو الإفراط في استخدام مواد التشحيم. ^{[ 23 ]}

يُعدّ الشق الطولي على سطح المعدن نوعًا خاصًا من العيوب التي تحدث فقط في عمليات الصب المستمر . وينتج هذا العيب عن التبريد غير المتساوي، سواءً التبريد الأولي أو التبريد الثانوي ، ويشمل خصائص الفولاذ المنصهر، مثل التركيب الكيميائي غير المطابق للمواصفات، ونظافة المادة، وتجانسها .

تتضمن عملية صب الرمل العديد من العيوب التي قد تحدث نتيجة لفشل القالب. وعادةً ما يفشل القالب لأحد سببين: استخدام مادة خاطئة أو عدم دكه بشكل صحيح . ^{[ 24 ]}

النوع الأول هو تآكل القالب ، وهو تآكل القالب أثناء امتلائه بالمعدن السائل. عادةً ما يحدث هذا النوع من العيوب في مصبوبات الرمل فقط ، لأن معظم عمليات الصب الأخرى تستخدم قوالب أكثر متانة. تتميز المسبوكات الناتجة بوجود مناطق خشنة وزوائد من المعدن. يندمج رمل القالب مع معدن المسبوك، مما يقلل من ليونته ومقاومته للإجهاد وصلابته ضد الكسر . قد يكون سبب ذلك استخدام رمل ضعيف أو سرعة صب عالية جدًا. يمكن تقليل سرعة الصب عن طريق إعادة تصميم نظام الصب باستخدام قنوات أكبر أو بوابات متعددة. ^{[ 24 ] [ 25 ]} ومن مصادر العيوب الأخرى ذات الصلة، ظاهرة التساقط ، حيث يتساقط جزء من رمل القالب من الجزء العلوي إلى المسبوك وهو لا يزال سائلاً. يحدث هذا أيضًا عندما لا يتم دك القالب بشكل صحيح. ^{[ 26 ]}

النوع الثاني من العيوب هو تغلغل المعدن ، والذي يحدث عندما يتغلغل المعدن السائل في رمل القالب. وهذا يُسبب سطحًا خشنًا . وينتج هذا عن خشونة حبيبات الرمل، أو عدم غسل القالب جيدًا، أو ارتفاع درجة حرارة الصب. ^{[ 26 ]} وهناك شكل آخر لتغلغل المعدن في القالب يُعرف باسم التعرق، وينتج عن تشقق الرمل.

إذا كانت درجة حرارة الصب مرتفعة للغاية أو استُخدم رمل ذو درجة انصهار منخفضة ، فقد يلتصق الرمل بالمسبوكة. وعند حدوث ذلك، يصبح سطح المسبوكة الناتج هشًا وزجاجيًا. ^{[ 26 ]}

يحدث التسرب عندما يتسرب المعدن السائل من القالب بسبب خلل في القالب أو القارورة . ^{[ 26 ]}

القشور هيطبقة رقيقة من المعدن تبرز من سطح الصب. يسهل إزالتها وتكشف دائمًا عنيوجد انبعاج في الأسفل، وهو عبارة عن تجويف في سطح الصب.تُشبه عيوبذيل الفأر الانبعاجات، إلا أنها عبارة عن انخفاضات خطية رفيعة ولا ترتبط بقشور. وهناك عيب مشابه آخر هوتُعرف هذه العيوب باسم " التشققات " ، وهي عبارة عن انبعاجات تحدث في قمة مصبوبات الرمل. جميع هذه العيوب مرئية ولا تستدعي التخلص من قطعة العمل. ^{[ 27 ]} وتنتج هذه العيوب عن ارتفاع درجات حرارة الصب بشكل مفرط أو نقص فيالكربونية. ^{[ 26 ]}

يحدث التورم عندما ينهار جدار القالب عبر سطح كامل، وينتج عن دك القالب بشكل غير صحيح. ^{[ 26 ]}

يحدث الاحتراق عندما تتفاعل أكاسيد المعادن مع الشوائب الموجودة في رمال السيليكا. والنتيجة هي جزيئات رملية مغروسة في سطح المسبوكة النهائية. يمكن تجنب هذا العيب عن طريق خفض درجة حرارة المعدن السائل، واستخدام محلول غسيل القوالب، وإضافةموادإلى خليط الرمل. ^{[ 28 ]}

• مسامية غاز الهيدروجين
• الشوائب في سبائك الألومنيوم
• شوائب غير معدنية للشوائب في الفولاذ
• سد المسامية

• أفيديسيان، م.م.؛ بيكر، هيو؛ الجمعية الأمريكية للمعادن الدولية (1999). المغنيسيوم وسبائك المغنيسيوم (  الطبعة الثانية). الجمعية الأمريكية للمعادن الدولية. رقم ISBN 978-0-87170-657-7..
• كامبل، جون (2003). المسبوكات . باتروورث-هاينمان. ISBN 978-0-7506-4790-8..
• ديغارمو، إي. بول؛ بلاك، جيه تي؛ كوهسر، رونالد أ. (2003). المواد والعمليات في التصنيع (  الطبعة التاسعة). وايلي. ISBN 0-471-65653-4..
• راو، بوسيناسيتي ناجيسوارا (1999). تكنولوجيا التصنيع: الصب والتشكيل واللحام (  الطبعة الثانية). تاتا ماكجرو هيل. ISBN 978-0-07-463180-5..
• ستيفانيسكو، دورو مايكل (2008). علم وهندسة تصلب المسبوكات (  الطبعة الثانية). سبرينغر. ISBN 978-0-387-74609-8..
• يو، كوانغ-أوسكار (2002). نمذجة عمليات الصب والتصلب . مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-0-8247-8881-0..