מבוא לתהליך יציקת שסתומים

יציקת גוף השסתום היא חלק חשוב בתהליך ייצור השסתום, ואיכות יציקת השסתום קובעת את איכות השסתום. להלן מספר שיטות תהליך יציקה הנפוצות בתעשיית השסתום:

יציקת חול:

יציקות חול הנפוצות בתעשיית השסתומים ניתנות לחלוקה לחול ירוק, חול יבש, חול זכוכית מים וחול מתקשה עצמית של שרף פוראן לפי חומרי קשירה שונים.

(1) חול ירוק הוא תהליך יציקה המשתמש בבנטוניט כחומר מקשר.

המאפיינים שלו הם:תבנית החול המוגמרת אינה זקוקה לייבוש או הקשחה, לתבנית החול יש חוזק רטוב מסוים, וליבת החול ולמעטפת התבנית יש תפוקה טובה, מה שמקל על ניקוי וניעור היציקות. יעילות ייצור היציקה גבוהה, מחזור הייצור קצר, עלות החומר נמוכה, ונוח לארגן ייצור בפס הרכבה.

חסרונותיו הם:יציקות נוטות לפגמים כגון נקבוביות, תכלילים של חול והידבקות חול, ואיכות היציקות, במיוחד האיכות הפנימית, אינה אידיאלית.

טבלת פרופורציות וביצועים של חול ירוק ליציקות פלדה:

(2) חול יבש הוא תהליך יציקה המשתמש בחימר כמקשר. הוספת מעט בנטוניט יכולה לשפר את חוזקו הרטוב.

המאפיינים שלו הם:יש לייבש את תבנית החול, יש לה חדירות אוויר טובה, אינה נוטה לפגמים כמו שטיפת חול, הידבקות חול ונקבוביות, ואיכות היציקה הטבועה טובה.

חסרונותיו הם:זה דורש ציוד לייבוש חול ומחזור הייצור ארוך.

(3) חול זכוכית מים הוא תהליך מידול המשתמש בזכוכית מים כחומר מקשר. מאפייניו הם: לזכוכית מים יש את הפונקציה של התקשות אוטומטית כאשר היא נחשפת ל-CO2, ויכולים להיות בעלי יתרונות שונים של שיטת התקשות גז למידול וייצור ליבות, אך ישנם חסרונות כגון קיפול לקוי של מעטפת התבנית, קושי בניקוי חול של יציקות, ושיעור התחדשות ומחזור נמוך של חול ישן.

טבלת פרופורציות וביצועים של חול התקשות CO2 מזכוכית מים:

(4) יציקת חול להתקשות עצמית של שרף פוראן היא תהליך יציקה המשתמש בשרף פוראן כחומר מקשר. חול היציקה מתמצק עקב התגובה הכימית של הקשר תחת פעולת חומר הריפוי בטמפרטורת החדר. מאפיין זה הוא שאין צורך לייבוש תבנית החול, מה שמקצר את מחזור הייצור וחוסך באנרגיה. חול יציקת שרף קל לדחיסה ובעל תכונות התפרקות טובות. חול היציקה של יציקות קל לניקוי. ליציקות דיוק ממדי גבוה וגימור פני שטח טוב, מה שיכול לשפר מאוד את איכות היציקות. חסרונותיו הם: דרישות איכות גבוהות לחול גולמי, ריח חריף קל באתר הייצור ועלות גבוהה של שרף.

פרופורציה ותהליך ערבוב של תערובת חול ללא אפייה של שרף פוראן:

תהליך ערבוב חול מתקשה עצמית של שרף פוראן: עדיף להשתמש במערבל חול רציף כדי להכין חול מתקשה עצמית של שרף. חול גולמי, שרף, חומר ריפוי וכו' מוסיפים ברצף ומערבבים במהירות. ניתן לערבב ולהשתמש בכל עת.

סדר הוספת חומרי גלם שונים בעת ערבוב חול שרף הוא כדלקמן:

חול גולמי + חומר ריפוי (תמיסה מימית של חומצה p-טולואןסולפונית) – (120 ~ 180S) – שרף + סילאן – (60 ~ 90S) – ייצור חול

(5) תהליך ייצור טיפוסי ליציקת חול:

יציקה מדויקת:

בשנים האחרונות, יצרני שסתומים הקדישו תשומת לב רבה יותר ויותר לאיכות המראה ולדיוק הממדים של יציקות. מכיוון שמראה טוב הוא הדרישה הבסיסית של השוק, הוא גם מדד המיקום לשלב הראשון של עיבוד שבבי.

יציקת ההשקעה הנפוצה ביותר בתעשיית השסתומים היא יציקת השקעה, אשר מוצגת בקצרה כדלקמן:

(1) שתי שיטות תהליך של יציקת תמיסה:

①שימוש בחומר תבנית מבוסס שעווה בטמפרטורה נמוכה (חומצה סטארית + פרפין), הזרקת שעווה בלחץ נמוך, מעטפת זכוכית מים, הסרת שעווה במים חמים, תהליך התכה ויציקה אטמוספרי, משמש בעיקר ליציקות פלדת פחמן ופלדת סגסוגת נמוכה עם דרישות איכות כלליות, דיוק הממדים של היציקות יכול להגיע לתקן הלאומי CT7~9.

② באמצעות חומר יציקה מבוסס שרף בטמפרטורה בינונית, הזרקת שעווה בלחץ גבוה, מעטפת יציקה סיליקה סול, הסרת שעווה בקיטור, תהליך יציקה מהיר של התכה אטמוספרית או ואקום, דיוק הממדים של היציקות יכול להגיע ליציקות דיוק CT4-6.

(2) תהליך יציקה טיפוסי:

(3) מאפייני יציקת השקעה:

① ליציקה דיוק מימדי גבוה, משטח חלק ואיכות מראה טובה.

② ניתן ליצוק חלקים בעלי מבנים וצורות מורכבים שקשה לעבד בתהליכים אחרים.

③ חומרי יציקה אינם מוגבלים, חומרי סגסוגת שונים כגון: פלדת פחמן, נירוסטה, פלדת סגסוגת, סגסוגת אלומיניום, סגסוגת לטמפרטורה גבוהה ומתכות יקרות, במיוחד חומרי סגסוגת שקשה לזייף, לרתך ולחתוך.

④ גמישות ייצור טובה ויכולת הסתגלות חזקה. ניתן לייצר בכמויות גדולות, והוא מתאים גם לייצור יחידה בודדת או בקבוצות קטנות.

⑤ ליציקת השקעה יש גם מגבלות מסוימות, כגון: זרימת תהליך מסורבלת ומחזור ייצור ארוך. בשל טכניקות היציקה המוגבלות בהן ניתן להשתמש, כושר נשיאת הלחץ שלה אינו יכול להיות גבוה במיוחד כאשר משתמשים בה ליציקת יציקות שסתומים בעלות קליפה דקה הנושאות לחץ.

ניתוח פגמי יציקה

לכל יציקה יהיו פגמים פנימיים, קיומם של פגמים אלה יביא סכנות נסתרות גדולות לאיכות הפנימית של היציקה, וגם תיקוני ריתוך לביטול פגמים אלה בתהליך הייצור יביאו עומס רב על תהליך הייצור. בפרט, שסתומים הם יציקות בעלות קליפה דקה העומדות בלחץ ובטמפרטורה, והקומפקטיות של המבנים הפנימיים שלהם חשובה מאוד. לכן, הפגמים הפנימיים של היציקות הופכים לגורם מכריע המשפיע על איכות היציקות.

הפגמים הפנימיים של יציקות שסתומים כוללים בעיקר נקבוביות, תכלילים של סיגים, נקבוביות הצטמקות וסדקים.

(1) נקבוביות:נקבוביות נוצרות על ידי גז, פני השטח של הנקבוביות חלקים, והן נוצרות בתוך או ליד פני השטח של היציקה, וצורותיהן לרוב עגולות או מוארכות.

מקורות הגז העיקריים היוצרים נקבוביות הם:

① החנקן והמימן המומסים במתכת נמצאים במתכת במהלך התמצקות היציקה, ויוצרים דפנות פנימיות עגולות או אליפטיות סגורות עם ברק מתכתי.

② לחות או חומרים נדיפים בחומר היציקה יהפכו לגז עקב חימום, וייצרו נקבוביות בעלות דפנות פנימיות חומות כהות.

③ במהלך תהליך היציקה של המתכת, עקב הזרימה הלא יציבה, האוויר מעורב ויוצר נקבוביות.

שיטת מניעה של פגם בסטומטה:

① בהתכה, יש להשתמש בחומרי גלם של מתכת חלודה ככל האפשר או לא להשתמש בהם, ויש לאפות ולייבש כלים ומצקות.

② יש למזוג את הפלדה המותכת בטמפרטורה גבוהה ולמזוג אותה בטמפרטורה נמוכה, ויש להרדים את הפלדה המותכת כראוי כדי להקל על ציפת הגז.

③ תכנון התהליך של צינור היציקה צריך להגדיל את ראש הלחץ של הפלדה המותכת כדי למנוע לכידת גז, וליצור נתיב גז מלאכותי לפליטה סבירה.

④חומרי יציקה צריכים לשלוט בתכולת המים ובנפח הגז, להגדיל את חדירות האוויר, ויש לאפות ולייבש את תבנית החול וליבת החול ככל האפשר.

(2) חלל הצטמקות (רופף):זהו חלל (חלל) עגול או לא סדיר, קוהרנטי או לא קוהרנטי, המתרחש בתוך היציקה (במיוחד בנקודה החמה), בעל משטח פנימי מחוספס וצבע כהה יותר. גרגירי גביש גסים, בעיקר בצורת דנדריטים, הנאספים במקום אחד או יותר, נוטים לדליפה במהלך בדיקה הידראולית.

הסיבה להתכווצות חלל (רפיון):התכווצות נפחית מתרחשת כאשר המתכת מתמצקת ממצב נוזלי למצב מוצק. אם אין מספיק חידוש פלדה מותכת בשלב זה, יתרחש בהכרח חלל התכווצות. חלל ההתכווצות של יציקות פלדה נגרם בעיקרו מבקרה לא נכונה של תהליך ההתמצקות הרציפה. הסיבות עשויות לכלול הגדרות שגויות של צינור העלייה, טמפרטורת יציקה גבוהה מדי של הפלדה המותכת והתכווצות גדולה של המתכת.

שיטות למניעת שקעים בהתכווצות (רפיון):① יש לתכנן באופן מדעי את מערכת המזיגה של היציקות כדי להשיג התמצקות רציפה של הפלדה המותכת, ויש למלא את החלקים שמתמצקים ראשונים בפלדה מותכת. ② יש להגדיר בצורה נכונה וסבירה את צינור העלייה, הסבסוד, הברזל הקר הפנימי והחיצוני כדי להבטיח התמצקות רציפה. ③ בעת יציקת הפלדה המותכת, הזרקה עליונה מהצינור מועילה כדי להבטיח את טמפרטורת הפלדה המותכת וההזנה, ולהפחית את התרחשותם של חללי הצטמקות. ④ מבחינת מהירות היציקה, יציקה במהירות נמוכה תורמת יותר להתמצקות רציפה מאשר יציקה במהירות גבוהה. ⑸ טמפרטורת המזיגה לא צריכה להיות גבוהה מדי. הפלדה המותכת מוציאים מהתנור בטמפרטורה גבוהה ונמזגים לאחר הרגעה, דבר המועיל להפחתת חללי הצטמקות.

(3) תכלילים של חול (סיגים):תכלילי חול (סיגים), הידועים בכינויים שלפוחיות, הם חורים עגולים או לא סדירים המופיעים בתוך יציקות. החורים מעורבבים עם חול יציקה או סיגי פלדה, בגדלים לא סדירים ומצטברים בהם. במקום אחד או יותר, לרוב יותר בחלק העליון.

גורמים להצטברות חול (סיגים):הכלאת סיגים נגרמת על ידי סיגי פלדה נפרדים הנכנסים ליציקה יחד עם הפלדה המותכת במהלך תהליך ההתכה או היציקה. הכלאת חול נגרמת עקב חוסר אטימות מספקת של חלל התבנית במהלך היציקה. כאשר פלדה מותכת נשפכת לחלל התבנית, חול היציקה נשטף על ידי הפלדה המותכת וחודר לחלק הפנימי של היציקה. בנוסף, פעולה לא נכונה במהלך החיתוך וסגירת הקופסה, ותופעת נשירת חול הן גם הסיבות להכלאת חול.

שיטות למניעת הצטברות חול (סיגים):① בעת התכת הפלדה המותכת, יש לרוקן את הגזים והסיגים בצורה יסודית ככל האפשר. ② יש להימנע מהיפוך שקית המזיגה של הפלדה המותכת, אלא להשתמש בשקית תה או בשקית מזיגה תחתונה כדי למנוע מהסיגים שמעל הפלדה המותכת להיכנס לחלל היציקה יחד עם הפלדה המותכת. ③ בעת יציקת פלדה מותכת, יש לנקוט באמצעים כדי למנוע כניסת סיגים לחלל התבנית יחד עם הפלדה המותכת. ④על מנת להפחית את האפשרות של הכלאת חול, יש לוודא את אטימות תבנית החול בעת המידול, להיזהר לאבד חול בעת החיתוך, ולנקות את חלל התבנית בנשיפה לפני סגירת הקופסה.

(4) סדקים:רוב הסדקים ביציקות הם סדקים חמים, בעלי צורות לא סדירות, חודרים או לא חודרים, רציפים או לסירוגין, והמתכת בסדקים כהה או שיש לה חמצון על פני השטח.

סיבות לסדקים, כלומר מאמץ בטמפרטורה גבוהה ועיוות שכבת נוזל.

מאמץ בטמפרטורה גבוהה הוא המאמץ הנוצר כתוצאה מהצטמקות ועיוות של פלדה מותכת בטמפרטורות גבוהות. כאשר המאמץ עולה על גבול החוזק או העיוות הפלסטי של המתכת בטמפרטורה זו, ייווצרו סדקים. עיוות שכבה נוזלית הוא היווצרות של שכבה נוזלית בין גרגירי גביש במהלך תהליך ההתמצקות וההתגבשות של פלדה מותכת. עם התקדמות ההתמצקות וההתגבשות, שכבת הנוזלית מתעוותת. כאשר כמות העיוות ומהירות העיוות חורגות ממגבלה מסוימת, נוצרים סדקים. טווח הטמפרטורות של סדקים תרמיים הוא כ-1200~1450 ℃.

גורמים המשפיעים על סדקים:

① יסודות S ו-P בפלדה הם גורמים מזיקים לסדקים, והאוטקטיקה שלהם עם ברזל מפחיתה את החוזק והפלסטיות של פלדת יצוק בטמפרטורות גבוהות, וכתוצאה מכך נוצרים סדקים.

② הכלאה והפרדה של סיגים בפלדה מגבירות את ריכוז המאמץ, ובכך מגבירות את הנטייה לסדיקה בחום.

③ ככל שמקדם הצטמקות ליניארית של סוג הפלדה גדול יותר, כך גדלה הנטייה לסדיקה בחום.

④ ככל שמוליכות תרמית של סוג הפלדה גדולה יותר, כך מתח הפנים גדול יותר, כך התכונות המכניות בטמפרטורה גבוהה טובות יותר, והנטייה לסדיקה בחום קטנה יותר.

⑤ התכנון המבני של יציקות ירוד מבחינת יכולת ייצור, כגון פינות מעוגלות קטנות מדי, פער גדול בעובי דופן וריכוז מאמץ חמור, אשר יגרום לסדקים.

⑥הקומפקטיות של תבנית החול גבוהה מדי, והתפוקה הנמוכה של הליבה מעכבת את הצטמקות היציקה ומגבירה את הנטייה לסדקים.

⑦גורמים אחרים, כגון סידור לא נכון של הציר, קירור מהיר מדי של היציקה, לחץ מוגזם הנגרם מחיתוך הציר וטיפול בחום וכו', ישפיעו גם הם על יצירת סדקים.

בהתאם לגורמים ולגורמי ההשפעה של הסדקים הנ"ל, ניתן לנקוט באמצעים מתאימים כדי להפחית ולמנוע את התרחשותם של פגמי סדקים.

בהתבסס על ניתוח הגורמים לפגמי היציקה לעיל, גילוי הבעיות הקיימות ונקיטת צעדי שיפור מתאימים, נוכל למצוא פתרון לפגמי היציקה, אשר תורם לשיפור איכות היציקה.