أهم أسباب ظهور التقرحات (Blistering) في الصب بالقالب الموضحة

باختصار

تُعد التقرحات في الصب بالضغط عيبًا سطحيًا يتميز بظهور فقاعات منتفخة ناتجة عن تمدد الغاز المحبوس أسفل سطح المعدن مباشرةً. السبب الرئيسي هو احتجاز الغاز أو الهواء الناتج عن تدفق معدني مضطرب وعدم كفاية تهوية القالب. وتشمل العوامل الحرجة الأخرى ارتفاع درجة حرارة المعدن المنصهر أو القالب بشكل مفرط، وتطبيق غير صحيح لمزلقات القوالب، أو وجود ملوثات أو عيوب فيزيائية داخل سبيكة الألومنيوم نفسها.

دور احتجاز الغاز والهواء في تكوّن التقرحات

السبب الأساسي لظهور التقرحات (البثور) في الصب بالقالب هو احتجاز الغاز داخل تجويف القالب أثناء حقن المعدن. وتشكل البثور في الأساس نوعًا محددًا من المسامية الناتجة عن الغاز، حيث يكون الغاز المحبوس موجودًا مباشرة تحت سطح القطعة المصوبة. وعندما يتصلب المعدن المنصهر، يكون هذا الغاز المحبوس تحت ضغط هائل. وعند طرد القطعة من القالب، يُزال الدعم الخارجي، ويمكن للغاز المتوسع أن يدفع الطبقة السطحية الرخوة بعد التصلب نحو الخارج، مشكّلًا بثورة واضحة.

يمكن أن ينشأ هذا الغاز من عدة مصادر. وأكثرها شيوعًا هو الهواء الموجود أصلاً في تجويف القالب ونظام القناة قبل الحقن. إذا تم حقن المعدن المنصهر بسرعة كبيرة جدًا أو إذا لم يكن مسار التدفق مُحسّنًا، يحدث اضطراب. ويؤدي هذا التدفق الاضطرابي الفوضوي إلى طي تيارات المعدن على بعضها، مما يؤدي إلى احتجاز كميات من الهواء التي لا يمكنها الخروج قبل أن يتصلب المعدن. كما ورد في تحليل تقني بواسطة CEX Casting غالبًا ما يكون التصميم غير الكافي للبوابة والقناة السالكة سببًا شائعًا، حيث يفشل في توفير تدفق سلس وطبقات من المعدن إلى القالب.

ومن العوامل الحرجة الأخرى عدم كفاية التهوية. فالثغرات هي قنوات صغيرة مصممة للسماح للهواء الموجود في التجويف بالخروج أثناء امتلائه بالمعدن المنصهر. وإذا كانت هذه الثغرات مسدودة أو صغيرة جدًا أو موضوعة بشكل غير مناسب، فإن الهواء لا يجد مكانًا للهروب ويُحبس داخل الصب. والنتيجة تكون المسامية، وإذا كانت قريبة من السطح، تظهر الفقاعات. ويُعد تحسين نظام التهوية خطوة حاسمة لمنع هذا النوع من العيوب.

للحد من احتجاز الغاز والهواء، ينبغي تنفيذ عدة ممارسات أفضل، منها:

• تحسين تصميم البوابات والقنوات السالكة: استخدام برنامج محاكاة تدفق القالب لتصميم نظام يعزز ملء تجويف القالب بسلاسة وبطريقة غير مضطربة.
• ضمان كفاية التهوية: تصميم وصيانة ثغرات وبوابات فائضة نظيفة وفعالة تسمح بإخراج الهواء بالكامل.
• التحكم في سرعة الحقن: اضبط ملف التعشيق، وخاصة المرحلة الأولية بتعشيق بطيء، لدفع الهواء بلطف خارج التجويف قبل بدء التعبئة عالية السرعة.
• استخدم المساعدة بالفراغ: لمكونات حرجة، يمكن أن تزيل عملية الصب بالقالب المفرّغ هواءً من التجويف بشكل فعّال قبل الحقن، مما يقلل من خطر العيوب الناتجة عن احتجاز الغاز تقريبًا إلى الصفر.

معلمات العملية: كيف تسبب درجات الحرارة والمواد التشحيمية ظهور الفقاعات

إلى جانب الاحتجاز المادي للهواء، تلعب معلمات العملية التشغيلية دورًا كبيرًا في تهيئة الظروف التي تؤدي إلى تكوّن الفقاعات. يعد التحكم في درجة الحرارة وتطبيق المادة التشحيمية من أهم المجالات التي يجب إدارتها. يمكن أن تزيد درجات الحرارة المرتفعة جدًا، سواء في المعدن المنصهر أو القالب نفسه، من مشاكل الغاز. وفقًا لمحة عامة من صان رايز ميتال يمكن لدرجات الحرارة العالية أن تزيد من ضغط البخار داخل السبيكة المنصهرة وتتسبب في تحلل مواد تشحيم القوالب، ما يؤدي إلى إطلاق غاز يتم احتجازه.

مُزلِقات القالب، أو عوامل الإطلاق، ضرورية لمنع التصاق الصب بالقالب، لكن سوء استخدامها هو مصدر رئيسي للمسامية الغازية والتقرحات. عندما تُطبَّق كمية كبيرة من المزلِّق، أو تُطبَّق بشكل غير متساوٍ، يمكن أن تتجمّع السائل الزائد داخل القالب. وعند ملامسته للمعدن المنصهر الساخن، يتبخّر هذا المزلِّق الزائد فورًا، ما يُولِّد حجمًا كبيرًا من الغاز لا يكون لديه وقت للهروب عبر الفتحات. وكما ورد في تقرير صادر عن The Hill & Griffith Company ، فإن مزيتة المكبس غالبًا ما تكون العامل الأكبر الوحيد، خاصةً عند استخدام مزيتة إضافية لتعويض طرف مكبس مستهلك.

الرطوبة هي عامل مساهم آخر مهم. أي رطوبة متبقية في القالب، ناتجة عن خطوط ماء متسربة، أو رشاشات تنقط، أو حتى من عامل الإطلاق نفسه، ستتحول إلى بخار عند الحقن. ويسلك هذا البخار سلوك أي غاز محبوس آخر، حيث يخلق ضغطًا تحت سطح الصب قد يؤدي إلى ظهور تقرحات. لذلك، فإن الحفاظ على بيئة قالب جافة أمر بالغ الأهمية.

لمنع تشكل الفقاعات الناتجة عن معايير العملية، يجب على المشغلين الالتزام بالإجراءات التصحيحية التالية:

1. الحفاظ على التحكم الدقيق في درجة الحرارة: التأكد من بقاء السبيكة المنصهرة وقوالب الصب ضمن النطاقات المحددة لدرجة الحرارة لمنع ارتفاع الحرارة بشكل مفرط وتكوين غازات زائدة.
2. استخدام مادة تشحيم باعتدال وبدقة متساوية: استخدام أنظمة الرش الآلية لتطبيق طبقة رقيقة ومتسقة من عامل فك عالي الجودة ومنخفض البقايا.
3. توفير وقت كافٍ للتبخر: التأكد من وجود تأخير كافٍ بعد عملية الرش ليتبخر أي ماء أو مذيبات موجودة في المادة التشحيمية بشكل كامل قبل إغلاق القالب.
4. إجراء صيانة دورية: فحص خطوط الماء والزيت الهيدروليكي بانتظام وإصلاح أي تسرب، والتأكد من عدم تساقط قطرات من فوهات الرش.

العيوب المادية والفيزيائية باعتبارها الأسباب الجذرية

التصنيف النهائي للأسباب يتعلق بسلامة مادة الصب ووجود انقطاعات فيزيائية داخل تدفق المعدن. يمكن أن تنشأ الفقاعات عن وجود شوائب داخل السبيكة نفسها. على سبيل المثال، يمكن أن تتبخر عناصر ذات نقاط غليان منخفضة مثل الرصاص أو الكادميوم أثناء عملية الصب أو المعالجة الحرارية اللاحقة، مما يولد ضغطًا داخليًا من الغاز. وبالمثل، يمكن أن تمتص سبائك الألومنيوم الهيدروجين أثناء الانصهار، والذي سيحاول الخروج أثناء التصلب، ما يؤدي إلى مسامية وظهور فقاعات.

العيوب الفيزيائية الناتجة أثناء عملية الملء تكون أيضًا ضارة للغاية. نُشرت أبحاث في تحليل فشل الهندسة يشير إلى أن رقائق البرودة—التي هي قطع شبه متصلبة من المعدن تنفصل عن جدران الأسطوانة الحقنية—تُعد سببًا رئيسيًا لظهور فقاعات كبيرة، خاصة في المناطق القريبة من نظام البوابة. وتُحدث هذه الرقائق تقطعات في البنية المجهرية للصب. ويتوسع الغاز الموجود في هذه الفراغات أثناء المعالجة الحرارية، مكونًا فقاعات سطحية كبيرة. وتشمل العيوب المشابهة الأخرى قطرات البرودة، ورش البرودة، وأغشية الأكاسيد، وكلها تخلّ بالأتجانس المعدني وتعمل كمواقع بدء لتكوين الفقاعات.

يتطلب منع هذه العيوب المرتبطة بالمواد تحكماً دقيقاً في العملية بأكملها، بدءاً من التعامل مع المواد الخام وصولاً إلى الإنتاج النهائي. ومن الضروري الشراكة مع مورد يُظهر التزاماً قوياً بضبط الجودة. على سبيل المثال، كثيراً ما تعتمد شركات تصنيع أجزاء السيارات عالية الأداء على عمليات معتمدة مثل IATF16949 وضوابط جودة داخلية لضمان سلامة المادة من البداية حتى النهاية، وهي ممارسة حاسمة للوقاية من مثل هذه العيوب.

لفهم أفضل لهذه الأسباب المختلفة، يقدم الجدول التالي مقارنة بين الفقاعات الناتجة عن مسامية الغاز مقابل تلك الناتجة عن عيوب فيزيائية أو كيميائية:

تشمل الحلول تسخين المواد الخام وت dryingها بشكل كامل، واستخدام سبائك عالية النقاوة، وتطبيق معالجات إزالة الغازات بفعالية باستخدام النيتروجين أو الأرجون لإزالة الهيدروجين المذاب قبل الصب.

الأسئلة الشائعة حول فقاعات الصب بالقالب

1. ما هو السبب الرئيسي لظهور الفقاعات في صب القوالب؟

السبب الأساسي لظهور الفقاعات هو احتجاز الغاز، وغالبًا ما يكون هواءً من تجويف القالب، يُحبس نتيجة تدفق معدني منصهر مضطرب وعدم كفاية التهوية. ويتمدد هذا الغاز الموجود مباشرة تحت سطح القطعة المصوبة، فيدفع الطبقة الرقيقة اللينة من المعدن إلى الخارج مكونًا فقاعة.

2. هل يمكن أن يؤدي المعالجة الحرارية إلى ظهور فقاعات على جزء مسبوك بالقالب؟

نعم، تُعد المعالجة الحرارية سببًا شائعًا لظهور الفقاعات. فقد يبدو الجزء مثاليًا في حالته بعد الصب مباشرة، ولكن إذا كان هناك غاز محبوس أو عيب مادي تحت السطح، فإن درجات الحرارة العالية للمعالجة الحرارية تؤدي إلى تمدد الغاز بشكل كبير، مما يُظهر العيب على هيئة فقاعة سطحية.

3. كيف يتم التمييز بين الفقاعة والمسامية العامة؟

تُعد الفقاعات عيبًا على مستوى السطح أو بالقرب منه، وتظهر على شكل نتوءات مرتفعة على سطح القطعة المسبوكة. أما المسامية العامة من ناحية أخرى، فهي تشير إلى فراغات قد تكون موجودة في أي مكان داخل القطعة المسبوكة، بما في ذلك الأجزاء العميقة داخلها. وعلى الرغم من أن كلا العيبين ناتجان عن غاز محبوس، إلا أن الفقاعات هي تلك المسام القريبة بدرجة كافية من السطح بحيث تشوهه.