لماذا تظهر فقاعات الهواء أثناء صب المعادن؟

تعد المسامية من أكثر العيوب شيوعًا في صناعة الصب، حيث يتخلل المسبوك ثقوب هوائية عند القطع أو تظهر عليه حفر صغيرة على السطح. وبالإضافة إلى تأثيرها على المظهر، يمكن أن تؤدي المسامية الشديدة إلى كسر قطعة تبدو سليمة تمامًا بشكل مفاجئ أثناء الاستخدام.

هل هي مشكلة في المصنع أم مشكلة في التصميم؟ هل لا يزال المنتج صالحًا للاستخدام؟ كيف يمكن تجنب ذلك؟ سيتم الإجابة على هذه الأسئلة، التي يطرحها المشترون ومهندس مراقبة الجودة، في الفقرات التالية.

1. هل تعد المسامية ظاهرة شائعة في صب المعادن؟

وكما ذكرنا سابقًا، تُعد المسامية أكثر العيوب شيوعًا في صناعة الصب. ولا تتمكن جميع عمليات الصب تقريبًا من منع حدوثها تمامًا. ولا يمكن الحفاظ عليها ضمن نطاق مقبول إلا من خلال التصميم والتشغيل الجيدين للعملية.

يتفق جميع مهندسي الصب على أنه حتى أكثر عمليات الصب بالقالب دقةً لا يمكنها إنتاج قطع خالية تمامًا من المسامية. وتعد مشكلة المسامية في الصب بالرمل أكثر شيوعًا لأن قالب الرمل يحتوي على رطوبة ومواد رابطة عضوية، والتي تنتج غازات عند ملامستها للمعادن في درجات حرارة عالية.

وقد وضعت الصناعة إطارًا موحدًا لتصنيف المسامية وكيفية الكشف عنها وطرق معالجتها. ويمكن وصف المشكلات بدقة، كما يمكن تقييم مدى معقولية التفسير الذي تقدمه الشركة المصنعة بعد فهم أساسيات المسامية.

2. لماذا تظهر فقاعات الهواء أثناء صب المعادن؟

يمكن تصنيف المسامية في الصب إلى نوعين: المسامية الغازية والمسامية الناتجة عن الانكماش.

أسباب هاتين الحالتين مختلفة تمامًا. تختلف أعراضهما، كما تختلف الحلول تمامًا أيضًا.

سبب المسامية الغازية:

يشبه المعدن المنصهر مشروبًا غازيًا مضغوطًا، حيث تتميز السوائل ذات درجات الحرارة المرتفعة بقدرة عالية على إذابة الغازات. تنخفض قابلية الغاز للذوبان بشكل حاد بعد التبريد والتصلب، ويشكل الغاز الذي لا يستطيع الخروج فقاعات هواء داخل المعدن. أكثر الغازات شيوعًا هو الهيدروجين. وتكون المشكلة أكثر خطورة في صب سبائك الألومنيوم لأن قابلية ذوبان غاز الهيدروجين في الألومنيوم في الحالة السائلة تبلغ عشرات المرات مقارنةً بالحالة الصلبة.

يأتي الغاز من عدة مصادر:

● تتحلل الرطوبة والدهون الموجودة في المواد الخام عند درجات الحرارة المرتفعة لتنتج غازات.

● تتبخر الرطوبة الموجودة في القالب الرملي لتتحول إلى بخار عند ملامستها للمعدن المنصهر.

● تؤدي الاضطرابات في المعدن المنصهر إلى احتباس الهواء داخل تجويف القالب أثناء عملية الصب.

● غاز محبوس بسبب سوء التهوية في تجويف القالب.

سبب مسامية الانكماش:

تتقلص المعادن عند التصلب من الحالة السائلة. تتقلص سبائك الألومنيوم بنسبة تبلغ حوالي 61٪، في حين تبلغ نسبة تقلص الفولاذ 3-41٪. إذا تم تصميمها بنظام تغذية غير كافٍ (مثل تصميم القناة الصاعدة)، فإن الجزء الأخير الذي يتصلب أثناء تصلب المعدن، والذي عادةً ما يكون حيث يكون الجدار أكثر سمكًا أو حيث يحدث التبريد أخيرًا، سيخلق ثقبًا بسبب نقص المواد.

عادةً ما يكون شكل الانكماش غير منتظم أو شبيهًا بالشجرة أو عبارة عن تجاويف غير منتظمة. وهو ما يميز مظهره عن مسامية الغاز.

وهناك حالة خاصة أخرى تُعرف باسم «المسامية التفاعلية». حيث يتفاعل المعدن المنصهر مع مواد القالب أو الطلاءات أو مع الأكسجين والنيتروجين الموجودين في الجو، مما يؤدي إلى تكوين غازات إضافية. فعلى سبيل المثال، يتفاعل الفولاذ المنصهر مع المواد العضوية الموجودة في قالب الرمل لتكوين أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون.

3. كيف يمكننا تحديد السبب استنادًا إلى خصائص الثغور؟

يمكن لمهندس صب ذي خبرة تحديد السبب بناءً على خصائص المسام، والتصرف وفقًا لذلك.

ثغور ناعمة دائرية: نفاذية الغازات

عادةً ما يكون الجدار الداخلي للمسام الغازية أملسًا وشبه دائري أو بيضاوي الشكل، وهو ما يشبه الفقاعات في الماء. وذلك لأن الغاز يشكل فقاعات كروية في المعدن السائل. قد تكون المشكلة مرتبطة برطوبة قالب الرمل أو تهوية القالب إذا كانت المسام الدائرية مركزة على سطح القطعة المصبوبة أو بالقرب منه، بينما عادةً ما يكون السبب هو المحتوى المفرط من الغاز في المواد الخام أو عدم كفاية معالجة إزالة الغازات إذا كانت المسام موزعة عبر المقطع.

ثغور غير منتظمة الشكل: مسامية الانكماش

يتميز الجدار الداخلي للمسامية الناتجة عن الانكماش بكونه خشنًا وغير منتظم الشكل، ويبدو شبيهًا بالشجرة أو خشنًا. وعادةً ما يقع في مركز المقطع العرضي للمسبوك، أو في المكان الذي يتغير فيه سمك الجدار بشكل حاد، وهو آخر منطقة تتصلب.

الفقاعات: مسامية قريبة من السطح

يحدث الانتفاخ على سطح القالب — الذي يصبح فارغًا من الداخل بعد تشققه — نتيجة لتراكم الغاز بالقرب من السطح. ومن الشائع أن يكون السبب في ذلك هو عدم كفاية نفاذية الرمل أو وجود رطوبة في الطبقة الخارجية في عملية الصب بالرمل.

الثقوب الدقيقة: مسامية غاز الهيدروجين

غالبًا ما تظهر ثقوب صغيرة متراصة في مصبوبات سبائك الألومنيوم، ويرجع ذلك إلى ارتفاع نسبة الهيدروجين في الألومنيوم المنصهر. ويشير ذلك إلى عدم كفاية عملية إزالة الغازات أو وجود رطوبة في المواد الخام.

فتحات النفخ: غاز تفاعل القالب الرملي

وهي فتحة أكبر بكثير من الثقوب الدقيقة، وتقع عادةً في الجزء العلوي من القطعة المصبوبة بسبب تصاعد الفقاعات. وينجم ذلك عن ارتفاع نسبة الرطوبة أو عدم كفاية نفاذية قوالب الرمل في عملية الصب بالرمل. إذا كانت هناك بقعة مؤكسدة في الجدار الداخلي للفتحة، فقد يكون ذلك نتيجة تفاعل بين المعدن المنصهر وقالب الرمل.

4. هل يمكن لهذه الخطوات التحضيرية أن تمنع حدوث مسامية أثناء الصب؟

يُعد منع حدوث المسامية أحد القضايا الأساسية في إدارة عملية الصب. وفيما يلي قائمة بالتدابير الوقائية، مرتبة حسب مراحل الإنتاج.

مرحلة تحضير المواد الخام:

يتمثل خط الدفاع الأول في مراقبة نسبة الرطوبة ونظافة المواد الخام. يجب تسخين جميع المواد المعدنية وتجفيفها مسبقًا قبل إدخالها إلى الفرن، وذلك لإزالة الرطوبة والشحوم السطحية. من السهل أن تحتوي قطع الخردة المعاد صهرها على شوائب، ولذلك يجب ألا تتجاوز نسبتها 30-40% من إجمالي المدخلات.

يجب تخزين سبائك الألومنيوم المستخدمة كمواد خام في صناعة سبائك الألومنيوم في بيئة جافة لمنع امتصاص الرطوبة.

الصهر وإزالة الغازات:

يجب التحكم بدقة في درجة حرارة الانصهار، حيث تزداد قابلية الغاز للذوبان مع ارتفاع درجة الحرارة، في حين تتأثر السيولة والتعبئة إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًّا. ويجب إجراء عملية إزالة الغازات في صب سبائك الألومنيوم. تتمثل إحدى الطرق الأكثر شيوعًا في السماح لفقاعات الغاز الخامل بالصعود في المعدن السائل والهروب مع الهيدروجين المذاب عن طريق إدخال النيتروجين أو الأرجون. ستُستخدم وحدة إزالة الغاز الدوارة للتحقق من محتوى الغاز وضمان الامتثال للمعايير بعد إزالة الغاز.

قالب الرمل وإعداد القالب:

يجب التحكم بدقة في نسبة الرطوبة في قالب الرمل، بحيث تتراوح بين 2 و41٪. ويجب تجفيف قوالب الرمل جيدًا قبل صب المعدن، خاصة في الأجواء الرطبة أو بعد العمل المتواصل. ويعد تصميم نظام التهوية في القالب أمرًا مهمًا، حيث سيبقى الغاز محبوسًا داخل المعدن ما لم يتوفر مسار له للخروج. يجب أيضًا التحكم في محتوى الرطوبة في طلاء القالب (عامل الفصل)، والتأكد من جفافه قبل الاستخدام.

تصميم نظام البوابات:

تؤثر سرعة الصب بشكل مباشر على المسامية وعلى الطريقة نفسها. فإذا كانت سرعة الصب مفرطة، سيؤدي ذلك إلى حدوث اضطراب في المعدن المنصهر، بينما قد يحدث تصلب مبكر إذا كانت السرعة بطيئة جدًّا. وينبغي تصميم نظام القنوات المثالي بحيث يوفر تدفقًا طبقيًّا، يملأ القالب من الأسفل إلى الأعلى بثبات ويتيح الوقت اللازم لخروج الغازات.

تصميم نظام التغذية:

يعد التصميم السليم للقناة والكتلة المبردة عاملاً أساسياً في منع حدوث المسامية. والقناة هي المساحة الإضافية المخصصة لتخزين المعدن، والتي توفر معدنًا إضافيًا أثناء انكماش المصبوب أثناء التصلب. المبرد هو كتلة معدنية يمكنها تسريع التبريد في موقع محدد، مما يؤدي إلى التصلب الاتجاهي بحيث يتركز الانكماش في القناة بدلاً من مكون الصب.

المعالجة اللاحقة:

يُعد التشريب بالفراغ الطريقة العلاجية القياسية للمسبوكات التي تتطلب معايير إحكام محددة. يتم غمر قطعة العمل في راتينج خاص، يملأ جميع المسام الصغيرة، في ظروف التفريغ. يتم سد المسام بعد المعالجة، وتصبح الأجزاء قادرة على تحمل ضغط التشغيل العادي. ويستخدم على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب إحكام الإغلاق، مثل أجزاء محركات السيارات والمكونات الهيدروليكية.

5. هل يمكن استخدام قطعة معدنية مصبوبة بها مسام؟

لا تعني كل حالات المسامية بالضرورة أنه يجب التخلص من القطعة، ولكن إمكانية استخدام قطعة الصب المعدنية التي تحتوي على مسامية تعتمد على الغرض من الاستخدام ودرجة شدة المسامية.

● إمكانية الاستخدام: إذا كانت المسامات الدقيقة الموجودة على سطح الأجزاء الخارجية لا تؤثر على المتانة والوظيفة، فيمكن استخدامها بعد الصقل والملء. وتكون التفاوتات المسموح بها في المسامية للأجزاء غير الحاملة وغير الهيكلية (مثل الغلاف) أعلى منها في الأجزاء الوظيفية. هناك مخطط تصنيف مسامية موحد، مثل ASTM E505، والذي يسمح للمشترين والبائعين بالاتفاق مسبقًا على مستوى مسامية مقبول لتجنب الخلافات.

● الحالات التي تستوجب التخلص من المنتج: تؤدي المسامية في الأجزاء التي تحتفظ بالضغط (مثل أغلفة المضخات، وأجسام الصمامات، والأسطوانات الهيدروليكية) إلى تكوين قناة تسرب، مما قد يؤدي إلى عطل كامل إذا كانت المسامات متصلة ببعضها البعض وتسربت السوائل والغازات من تلك القناة. في الأجزاء الهيكلية مثل أجزاء الطيران ومكونات السلامة في السيارات، تصبح المسامية نقطة إجهاد وتتشقق بشكل مفضل تحت تأثير الإجهاد. يمكن أن تحبس المسامية أيضًا المواد الكيميائية في عملية الطلاء الكهربائي، مما يؤدي إلى ظهور فقاعات وتقشر الطبقة المطلية كهربائيًا بسبب التمدد الحراري.

يمكن النظر في استخدام التشريب بالفراغ للأجزاء التي تتمتع بدقة أبعاد جيدة بشكل عام، ولكنها تعاني من عيوب بسبب المسامية. يمكن أن تفي الأجزاء بمتطلبات الإحكام بعد التشريب بالفراغ بتكلفة أقل مقارنة بإعادة تصنيعها من البداية. ويُعامل هذا الإجراء على أنه معالجة لاحقة قياسية لعمليات الصب بالقالب تحت الضغط في صناعة السيارات، وليس كإجراء تصحيحي بعد اكتشاف المشكلة.

6. فيما يلي 5 مصانع موصى بها تنتج مسبوكات معدنية عالية الجودة

مصنع CFS (الصين)	إنها مصنع صب دقيق متخصص في الصب بالقالب الرملي باستخدام محلول السيليكا والزجاج المائي. ويقدم المصنع تقريرًا شاملاً لاختبار الصلابة وتقريرًا لفحص الأشعة السينية يمكن من خلاله تتبع مسامية كل دفعة، وهو ما يناسب المشترين الذين يحتاجون إلى دقة متوسطة إلى عالية مع مراقبة معتمدة لمستوى المسامية.
شركة داوانغ للمعادن (الصين)	تتألف من ثلاثة مواقع مصانع بمساحة 120,000 متر مربع، وهي مناسبة للمشترين الذين يحتاجون إلى إمدادات مستقرة بكميات كبيرة. وتصدر منتجاتها إلى الأسواق الأوروبية والأمريكية الشمالية والآسيوية، وتتمتع بخبرة واسعة في الالتزام بمعايير الجودة الدولية.
جودة الصب صناعي (الصين)	وهي تقدم خدمات الصب الدقيق، والصب بالرمل، والصب بالقالب، وهي واحدة من المصانع القليلة التي يمكنها تلبية متطلبات متنوعة. ويمكن اختيار طريقة التصنيع الأنسب وفقًا لمتطلبات التفاوت المسموح به في المسامية.
صن رايز ميتال (الصين)	وهي متخصصة في صب الألمنيوم بالقالب، وتتمتع بمعدات شاملة للتشريب بالفراغ، مما يجعلها مناسبة لقطع غيار السيارات والأجزاء الإلكترونية التي تتطلب عزلًا محكمًا. ويمكن التحكم في درجة المسامية من خلال نظام احترافي لمراقبة العمليات الإحصائية (SPC)، والذي يوفر تقارير بيانات عن درجة المسامية لكل دفعة.
ميتالتيك إنترناشونال (الولايات المتحدة الأمريكية)	وهي تركز على صب الطرد المركزي للسبائك عالية التركيب والمعادن المقاومة للحرارة، والصب بالقالب الدقيق، والصب بالرمل. كما أنها حاصلة على شهادة AS9100 وتسجيل ITAR، مما يجعلها مناسبة للمشترين في قطاعات الدفاع والفضاء والطب التي تفرض متطلبات تنظيمية صارمة فيما يتعلق بالمسامية.