جوانه زا ، Modifiers، nucleant

جوانه زا ، Modifiers، nucleant

انجماد عامل ایجاد بسیاری از ویژگی های ساختمانی است که کنترل کننده خواص محصول نهایی هستند. بسیاری از نواقص ریخته گری از قبیل انقباض و تخلخل گازی از فرایند انجماد حاصل می شوند، که با دقت در فرایند و اشراف به نواقص حاصله تا حدود زیادی می توان از شدت این نواقص بکاهیم. هر فرایند انجماد شامل دو مرحله می باشد که عبارتند از : جوانه زنی و رشد.
 

جوانه زنی
 هنگامی که یک ذره جامد و پایدار در مایع مذاب تشکیل شود به این عمل جوانه زنی (هسته سازی) می گوییم. هنگام تبدیل به فاز جامد انرژی داخلی ماده کاهش می یابد ، زیرا در دماهای پایین تر، فاز جامد پایدارتر از فاز مایع است. در همین هنگام سطوح مشترکی بین نطفه های جامد و مایع مذاب اطراف تشکیل می شود که این عمل نیازمند انرژی است. به همین علت جوانه زنی در دمایی که قدری کمتر از نقطه ذوب تعادلی فلز است، شروع می شود. به اختلاف بین دمای نقطه ذوب و دمای شروع جوانه زنی، فوق تبرید می گویند.
 دربیشترکارگاه های بزرگ ریخته گری قبل ازریختن مذاب به درون قالب مقداری ناخالصی به آن اضافه می کنند ( به این عمل تلقیح یا پالایش دانه نیز می گویند). دلیل این کار این است که در این حالت انجماد بدون ایجاد یک فصل مشترک کامل گرد هسته صورت می گیرد.معمولا جداره های داخلی قالب و ذرات جامدی که به عنوان ناخالصی وارد مذاب شده اند، این سطوح را تشکیل می دهند. از آنجا که هر جوانه به بلور یا دانه ای در قطعه ریختگی منجر می شود و از طرفی ساختار ریز دانه دارای خواص مکانیکی و استحکام بهتری است، لذا هر عاملی که موجب هسته گذاری شود موجب بالا رفتن کیفیت محصول نهایی می شود. در نتیجه ذرات جامد ناخالصی مکانهای زیاد مناسبی برای جوانه زنی در سرتاسر قطعه به وجود می آورند و در نتیجه محصول ریزدانه و یکنواخت به دست می آید.

 رشد
 رشد وقتی صورت می گیرد که گرمای نهان ذوب به طور پیوسته از فاز مایع خارج شود.جهت، آهنگ و نوع رشد با با نحوه خارج کردن حرارت از فاز مایع ارتباط دارد. برای جبران نقیصه انقباض ، ماده مذابی که در طرف مایع وجود دارد، به طور پیوسته به طرف قالب جریان می یابد. هرچه آهنگ سرد کردن سریع تر باشد، ماده حاصله ریزدانه تر و در نتیجه دارای خواص مکانیکی بهتری خواهد بود.

اگر بنا باشد مذاب فلزی روی سطح یک عامل خارجی(جوانه زنی غیر همگن)، خواه دیواره های ظرف باشد و یا ناخالصی های غیر قابل انحلال منجمد گردد لازم است که سطح این عامل توسط مایع خیس شود. لازمه بعدی تشکیل این جوانه این است که مایع بتواند به سهولت روی عامل خارجی منجمد شود.

به این دلیل زاویه تماس بین سطح عامل خارجی و فلز جامد دارای مفهوم تئوریکی مهمی در تشکیل جوانه می باشد. هنگامی که زاویه q کوچک است، فصل مشترک بین عامل خارجی و جامد دارای انرژی سطحی کمتری بوده و تحت این شرایط اتمهای فلز مایع به سهولت تشکیل نطفه فلز جامد را روی سطح عامل خارجی می دهند .

زیرا سیستم تمایل به از بین بردن فصل مشترک مایع و عامل خارجی را که دارای انرژی زیاد می باشد دارد. اگر q، برابر 180 درجه باشد، فلز مایع به سهولت روی سطح عامل خارجی منجمد نمی شود چون در این حالت انرژی فصل مشترک بین عامل خارجی و جامد زیاد است. درنتیجه درجه اثر هر جسمی به عنوان کاتالیزور جوانه زنی تابعی از زاویه تماس می باشد که توسط عواملی از قبیل ساختمان شبکه کریستالی عامل خارجی و فلز جامد و ماهیت شیمیایی سطح عامل خارجی تعیین می گردد.

وقتی که زاویه کوچک است جوانه زنی با مقدار کمی فوق تبرید اتفاق می افتد زیرا رشد نطفه نیز در جهت از بین بردن فصل مشترک مایع و عامل خارجی یعنی در جهت تقلیل انرژی می باشد و اگر زاویه تماس بزرگ باشد مقدار فوق تبرید بیشتری برای شروع جوانه زنی لازم است. اغلب فلزات تجارتی دارای تعداد کافی ناخالصی های غیر قابل انحلال مختلف بوده که باعث شروع جوانه زنی با فوق تبرید به مقدار 1 تا 10 درجه می گردد، اگر برای مقاصد معین تعداد هسته های موجود کافی نباشد ممکن است از تلقیح عوامل جوانه زنی به مذاب استفاده کرد.

در اینجا لازم است اشاره گردد که در کاربرد مواد جوانه زا و یا کاربرد عواملی که باعث ریز شدن دانه می گردند باید دقت کافی مبذول داشت و تمام جوانب را در نظر گرفت. عامل جوانه زا ماده ای است که عمدا" به مذاب جهت ایفای نقش کاتالیزور جوانه زنی اضافه می شود.

ماده اضافه شده ممکن است ترکیبی غیر محلول در مذاب باشد که ایجاد زاویه تماس کوچکی را با مذاب بنماید و یا ممکن است ماده ای باشد که با مذاب واکنش داده و سپس تولید کاتالیزور جوانه زنی را بنماید. ماهیت واقعی یک عامل جوانه زای خوب برای فلز بخصوصی به ندرت کاملا شناخته شده است و در عمل مواد جوانه زا به طریق ازمایش و خطا تعیین می گردند.

در علت به کار بردن مواد جوانه زا باید گفت که میزان جوانه زنی، ساختمان نهایی و خواص فلز منجمد شده را تعیین می نماید. هر دانه کریستالی از رشد یک جوانه بوجود می اید و تعداد جوانه قابل حصول در مذاب اندازه دانه های نهایی را در ساختمان قطعه منجمد شده تعیین می نماید و اندازه دانه ها خود تاثیر بسزایی روی خواص قطعه بر جای می گذارد. برای بسیاری از مقاصد بخصوص انجا که استحکام بیشتر مورد نظر است ساختمان با دانه های ریز توصیه می گردد واین بدان معنی است که تعداد زیادی هسته باید در مذاب بوجود اورد و سرعت سرد کردن را نیز باید کنترل کرد تا هسته ها فرصت عمل کردن پیدا کنند. سرعت سرد کردن در جوانه زنی نقش مهمی دارد زیرا احتمال دارد که تمام هسته ها کاملا در یک زمان عمل نکنند و این شاید بعلت ان است که تمام مایع در یک درجه حرارت نبوده و تمام هسته ها در یک مقدار فوق تبرید عمل نمی کنند. اولین کریستالهایی که به صورت جوانه در امده اند رشد نموده تا به کریستالهایی که در حال رشدند برخورد نمایند. اگر زمان بین مراحل جوانه زنی طولانی باشد، کریستالها بزرگ شده و بعضی از کاتالیزورهای جوانه زنی را که ممکن بود تولید دانه جدید بکنند جذب می نمایند.

اگر سرعت سرد کردن سریع باشد تعداد زیادی از هسته ها این فرصت را پیدا خواهند کرد که به صورت مراکز جوانه قبل از انکه بوسیله دانه هایی که در حال رشد هستند جذب شوند عمل نمایند. افزایش عوامل جوانه زای شناخته شده تا میزان معین این امکان را می دهد که انجماد را کنترل کرده و ساختمان نهایی ان را به دست شانس نسپاریم. سرعت سرد کردن کنترل شده و افزایش عوامل جوانه زا روشهای متعارفی برای ایجاد قطعات ریختگی با دانه بندی مورد نظر می باشند.

 

با ورود برخی فلزات و فرو الیاژها به صورت حساب شده در بیس فرو سیلیس  با ترکیباتی نظیر زیر کونیوم ، استرنسیوم و باریوم در دانه بندی های مختلف به مذاب چدن و فولاد ، گرافیت بصورت ورقه ای درساختار فلز در خواهد آمد . که این مسئه با کنترل سرعت در ایجاد نفطه یوتکتیک صورت میپذیرد . در گذشته بدون اطلاع از این مورد فروسیلیس با دانه بندی ریز برای رسیدن به این هدف استفاده     می گردید . توضیح اینکه استرنسیوم برای چدن خاکستری و فولاد و زیرکونیوم مناسب برای چدن داکتیل است ذیلا مشخصات برخی از این مواد جوانه زا قابل ارائه دراین شرکت به شرح زیر اعلام میگردد .