أولاً: ما هو الاحتراق؟

يُعدّ الاحتراق السطحي أحد أكثر عيوب الصب شيوعًا. وينقسم عمومًا إلى احتراق سطحي ميكانيكي واحتراق سطحي كيميائي. عمليًا، غالبًا ما يكون الاحتراق السطحي نتيجة مشتركة للاحتراق الميكانيكي والكيميائي.

1. الاحتراق الميكانيكي، المعروف أيضًا باسم احتراق اختراق المعدن. يحدث هذا عندما يتغلغل المعدن المنصهر أو أكاسيد المعادن في الفراغات بين حبيبات الرمل في القالب بفعل الخاصية الشعرية أو اختراق الطور الغازي، مُشكِّلًا طبقة ملتصقة من المعدن وحبيبات الرمل المختلطة ميكانيكيًا على سطح المسبوكة. ويمكن ملاحظة بريق معدني عند إزالة طبقة الاحتراق. يتميز الاحتراق الميكانيكي بسطح إسفنجي ملتصق بقوة بالمسبوكة. ويظهر غالبًا في المناطق المعرضة لأحمال حرارية عالية وكثافة قالب منخفضة، مثل المناطق القريبة من البوابات والمصاعد، والأجزاء السميكة، والزوايا الداخلية، والأخاديد في المسبوكات.

2. الاحتراق الكيميائي. طبقة من مركبات منخفضة درجة الانصهار، تتشكل نتيجة تفاعل أكاسيد المعادن والرمل والطين، تلتصق بجزء من سطح المسبوكة أو بكامله. تتميز هذه الطبقة بصلابة عالية وتماسك قوي مع سطح المسبوكة، ولا يمكن إزالتها بالرش بالخردق أو الرمل، بل يجب صقلها باستخدام عجلات كاشطة. يحدث الاحتراق الكيميائي عادةً في الأجزاء السميكة والمناطق شديدة الحرارة في القوالب واللب.

3. الاحتراق الحراري. تلتصق طبقة رقيقة من رمل القالب الزجاجي المتلبد بسطح الصب، وتوجد عادةً في المناطق شديدة الحرارة من القالب. لا يتغلغل المعدن في طبقة الاحتراق، مما يسهل تنظيفها.

4. خشونة السطح. تغلغل طفيف للمعدن المنصهر في الفراغات بين حبيبات الرمل السطحية، مما يمثل المرحلة المبكرة من الاحتراق الميكانيكي. وتتميز هذه الحالة بسطح مصبوب خشن. يساوي عمق الطبقة الخشنة تقريبًا حجم حبيبات الرمل، بينما لا يندمج معدن سطح المصبوب مع حبيبات الرمل. وتحدث هذه الحالة عادةً على السطح العلوي لقوالب الرمل الأخضر والمناطق غير المطلية أو ذات الطلاء الرقيق جدًا في قوالب الرمل الجاف، وغالبًا ما يصاحبها شوائب رملية ونتوءات وبقع.

ثانيًا: كيفية التعرف على الاحتراق

يُعتمد الفحص البصري للمعاينة الميدانية. من السهل نسبيًا تمييز الاحتراق عن العيوب الأخرى، بينما يصعب التمييز بين أنواع الاحتراق المختلفة، لا سيما الاحتراق الكيميائي والاحتراق الميكانيكي. تتشابه هذه الأنواع في المظهر، وتشترك في معظم الأسباب الجذرية، وتُعدّ شروطًا أساسية متبادلة، وتُعزز بعضها بعضًا، كما يُظهر كلاهما بريقًا معدنيًا أثناء التنظيف. بشكل عام، لا يحتوي الاحتراق الحراري على معدن، وغالبًا ما يبدو زجاجيًا ورقيقًا، ويحدث في الغالب في قوالب الرمل المُرتبطة بالطين، ويمكن تنظيفه بسهولة. عادةً لا تحمل خشونة السطح حبيبات رمل أو تحمل احتراقًا موضعيًا طفيفًا فقط. يُعدّ الاحتراق الكيميائي شائعًا في رمل الطين أو رمل زجاج الماء، ويصعب إزالته للغاية، ويتطلب استخدام عجلة كاشطة. يمكن أن يحدث الاحتراق الميكانيكي في جميع أنواع قوالب الرمل، ويظهر بمظهر إسفنجي، ويمكن تنظيفه بالرش بالخردق أو الرمل الخشن، على الرغم من أن التجليخ قد يكون ضروريًا في بعض الأحيان. عادةً ما يكون الاحتراق في قوالب الرمل المُرتبطة بالراتنج احتراقًا ميكانيكيًا.

ثالثًا: آلية تكوين طبقة الاحتراق

1. حجم حبيبات رمل القوالب واللب خشن للغاية.

2. انخفاض أو عدم انتظام كثافة القوالب واللب.

3. جودة الطلاء الرديئة، أو سمك الطلاء غير المتساوي، أو تقشر الطلاء على القوالب واللب.

4. ارتفاع درجة حرارة الصب وارتفاع الصب بشكل مفرط، مما يؤدي إلى ضغط ديناميكي عالٍ للمعدن المنصهر.

5. ارتفاع غطاء حوض الصب، مما يؤدي إلى ضغط ثابت عالٍ للمعدن المنصهر.

6. يؤدي الإفراط في استخدام الطين أو المواد الرابطة أو الإضافات القابلة للانصهار في رمل القوالب واللب إلى انخفاض مقاومة الحرارة وضعف التوصيل الحراري.

7. نسبة عالية من الرمل المُعاد تدويره في رمل القوالب واللب. يحتوي الرمل المُعاد تدويره على كميات زائدة من الجزيئات الدقيقة والغبار والطين المحروق والرمل المطلي بالمعادن، مما يُخفض درجة حرارة تلبيد رمل القوالب.

8. تأخر التفتت بعد الصب، مما يؤدي إلى احتراق حراري في الحالة الصلبة، خاصة بالنسبة للمسبوكات ذات المقاطع السميكة ومسبوكات السبائك ذات درجة الانصهار العالية.

9. معدن منصهر ذو سيولة جيدة وتوتر سطحي منخفض. على سبيل المثال، وجود كميات زائدة من الفوسفور والرصاص في سبائك النحاس، أو وجود كميات زائدة من الفوسفور والسيليكون والمنغنيز في الفولاذ المصبوب.

10. القوالب واللب المصنوعة من رمل الراتنج بدون طلاء، أو ذات جودة طلاء رديئة أو بسماكة غير متساوية. أثناء الصب، تتبخر طبقات الراتنج بين حبيبات الرمل مكونةً قنوات شعرية. تحت التأثير المشترك للضغط الساكن وضغط البخار والتوتر السطحي، يتغلغل المعدن المنصهر أو بخار المعدن في القنوات الشعرية مكونًا طبقة احتراق ميكانيكية.

11. تتفاعل الأكاسيد والمركبات منخفضة الانصهار الموجودة في المعدن المنصهر مع رمل التشكيل لتكوين مواد منخفضة الانصهار مثل الفاياليت، مما يقلل التوتر السطحي ويحسن سيولة المعدن المنصهر. ومن خلال الخاصية الشعرية، تتغلغل هذه المركبات منخفضة الانصهار والمعدن المنصهر في فجوات الرمل، مما يؤدي إلى تآكل حبيبات الرمل باستمرار، وتوسيع الفجوات بين الحبيبات، وتحفيز الاحتراق الميكانيكي أو الكيميائي.

12. التصميم غير السليم لنظام البوابات والرافعات، مما يتسبب في ارتفاع درجة حرارة القوالب والمسبوكات بشكل موضعي.

13. تميل بعض سبائك الصب ذات المحتوى العالي من المنغنيز أو الكروم إلى تكوين أكاسيد قاعدية. تتفاعل هذه الأكاسيد مع رمال السيليكا الحمضية وتنتج احتراقًا كيميائيًا.

رابعاً: الوقاية الفعالة من الاحتراق

1. استخدم رمل قاعدة ناعم ذو مقاومة عالية للحرارة.

2. عند استخدام الرمل المُعاد تدويره، يجب إزالة الحبيبات فائقة النعومة، والطين المحروق، والرماد، وأكاسيد المعادن، وخردة المعادن، والرمل المطلي بالمعادن، والشوائب الضارة الأخرى لتحسين جودة الرمل المُعاد تدويره. أضف كمية مناسبة من الرمل الجديد بانتظام.

3. يعمل الماء كمؤكسد قوي. يجب التحكم بدقة في رطوبة رمل الطين الأخضر، وإضافة مواد كربونية مثل غبار الفحم والأسفلت والهيدروكربونات لتكوين بيئة مختزلة داخل القالب. قلل من استخدام المواد الكربونية في عملية التشكيل بالضغط العالي للحد من انبعاث الغازات.

4. اعتمد البنتونيت عالي الجودة وقلل محتوى الطين في رمل الطين.

5. حافظ على نسبة المادة الرابطة المناسبة في رمل القوالب، وتجنب الإفراط في استخدامها. حسّن جودة خلط الرمل لضمان تغطية حبيباته بطبقة متساوية من المادة الرابطة ذات نفاذية مناسبة، ومنع التكتلات في رمل القوالب.

6. زيادة كثافة وتجانس قوالب الرمل.

7. صمم نظام البوابات والأنابيب الصاعدة لتجنب ارتفاع درجة حرارة المسبوكات والقوالب بشكل موضعي. امنع البوابات من الاصطدام المباشر بجدران القالب.

8. ضع طبقة طلاء مضادة للاحتراق بسماكة موحدة. زد سماكة الطلاء بشكل مناسب في المناطق المعرضة للاحتراق. يجب ألا يحتوي الطلاء على أي مكونات مولدة للغازات أو مؤكسدة أو مواد تتفاعل مع المعدن المنصهر ورمل القوالب. تجنب استخدام الطلاءات أو رمل التغطية الذي يُشكّل طبقات زجاجية قابلة للتقشير تحترق عند سطح التماس بين المعدن والقالب نتيجة تفاعل كيميائي (مثل إضافة مسحوق الهيماتيت إلى رمل القوالب ورمل اللب في مصبوبات الحديد).

9. قم بتقليل درجة حرارة الصب وسرعة الصب وارتفاع الصب بشكل معتدل، وقم بخفض ارتفاع حافة الصب وحوض الصب لتقليل الضغط الديناميكي والضغط الساكن والصدمة الحرارية التي يمارسها المعدن المنصهر على القوالب.

10. تعزيز عمليات التكرير للسبائك عالية الانصهار مثل الفولاذ المصبوب. تنقية المعدن المنصهر، والحد من الأكسدة وامتصاص الغازات، والحد من العناصر المكونة لأطوار منخفضة الانصهار (الكبريت والفوسفور في الفولاذ المصبوب والحديد الزهر، والفوسفور والرصاص في البرونز)، والتحكم في العناصر التي تخفض التوتر السطحي وترفع ضغط بخار المعدن المنصهر (المنغنيز والسيليكون في الفولاذ المصبوب والحديد الزهر، والرصاص في البرونز). الحفاظ على جفاف شحنة الفرن أثناء الصهر، واستخدام المواد المساعدة على الصهر التي تسبب احتراقًا كيميائيًا (الحجر الجيري، مسحوق كربونات الصوديوم، الفلوريت، إلخ) بحذر، وتجنب درجات حرارة الصهر المفرطة لمنع الأكسدة الزائدة للمعدن المنصهر.

11. بالنسبة للمسبوكات الكبيرة ذات الجدران السميكة، قم بهزها في وقت مبكر إلى حد ما لتسريع التبريد ومنع الاحتراق في الحالة الصلبة.

12. استخدم قوالب وصناديق أساسية ذات سطح أملس.

13. استخدم أنواعاً خاصة من الرمال مثل رمال الكروميت، ورمال الزركون، والرمال الكروية الاصطناعية.

تنتج عيوب الاحتراق عن مزيج من عوامل الاختراق والتأثير الحراري والتفاعل الكيميائي بين المعدن المنصهر ومواد التشكيل. ولكل نوع من أنواع الاحتراق قواعد تكوين مميزة. ويمكن الحد من الاحتراق وتحسين جودة سطح المسبوكات النهائية من خلال التحكم الدقيق في جودة الرمل الخام، وتطبيق الطلاء، وكثافة القالب، ومعايير الصب.