ريخته گري

یکی از مهمترین فرآیند های تولید،ریخته گری می باشد به طوری که مثلا در ایالات متحده آمریکا که یک کشور توسعه یافته صنعتی می باشد،ریخته گری از نظر حجم در مقام ششم صنایع اساسی قرار دارد. یک موتور ۸سیلندر اتومبیل ممکن است تا حدود ۱۳۰قطعه ریخته گری داشته باشد. قطعات ریخته گری (ریختگی) از نظر اندازه از حدود ۱میلیمتر با وزن کمتر از ۱گرم مانند دندانه یک زیپ لباس شروع و ممکن است تا حدود ۱۰متر با وزن چندین تن، مانند قطعات کشتی های بزرگ اقیانوس پیما برسد.

در فرآیند ریخته گری اگر قطعه حاصل از تولید به شکل نهایی باشد آن را قطعه ریختگی (Casting) و اگر به شکل واسطه باشد که بعدا به شکلها و مقاطع مختلف تبدیل شود آن را شمش (Ingot) می نامند.ریخته گری اساسا به فرآیندی گفته می شود که طی آن ماده مذاب ( معمولا یک فلز مذاب) در فضای خالی قالبی که قبلا تهیه شده ریخته می شود،تا پس از انجماد شکل نهایی قالب را به خود بگیرد. امتیاز مهم ریخته گری در امکان تهیه اشکال پیچیده، قطعات با سطوح منحنی نامنظم، قطعات خیلی بزرگ و قطعاتی که امکان ماشینکاری آنها دشوار است، می باشد.

امروزه تقریبا تمام فلزات را می توان ریخته گری کرد، اما این نکته همیشه باید مد نظر باشد که از هر فرآیند شکل دهی زمانی استفاده می کنیم که در مقایسه با روشهای دیگرمقرون به صرفه بوده و دسترسی به تجهیزات و لوازم آن آسان باشد.البته هر فرایند شکل دهی مواد از عواملی نظیرتعداد،اندازه،کاربرد قطعه و توجیه فنی و اقتصادی تاثیر پذیر خواهد بود.

فلزاتی که غالبا در ریخته گری مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:

آهن، فولاد، آلومینیم، برنج، برنز، منگنز و بعضی از آلیاژهای روی. در میان این فلزات آهن از نظر خواص مطلوب ریخته گری از قبیل سیالیت در حالت مذاب، انقباض نا چیز بعد از سرد شدن ، استحکام کافی و موارد کاربرد ، بیش از سایر فلزات به روش ریخته گری شکل داده می شود. در حالیکه فلزات دیگری از قبیل آلومینیوم به علت وزن کمتر و مشخصات مخصوص در بعضی از صنایع از قبیل صنعت خودرو سازی ، به تدریج جای آهن را می گیرد.

۱- طراحی قطعه مورد نظر و تهیه نقشه ریخته گری از آن.

۲- تهیه مدل مناسب قطعه از روی نقشه های ریخته گری.

۳- تهیه مذاب از فلز مورد نظربا آنالیز مطلوب.

۴- تهیه قالب مناسب یا فضای خالی که به شکل قطعه است.

۵- تهیه ماهیچه برای مناطق تو خالی قطعه ریختگی و نصب آن در داخل قالب.

۶- ریختن فلز مذاب به داخل قالب با دما و سرعت مناسب به طوریکه گازهای متصاعد شده بتوانند از داخل قالب خارج شوند و فضای قالب به طور کامل از فلز مذاب پر شود.

۷- کنترل سرد شدن فلز مذاب در داخل قالب به طوری که بر اثر انقباض، فضای خالی یا حفره در داخل قطعه ایجاد نشود.

۸- بعد از انجماد قطعه ریختگی به راحتی باید بتواند از درون قالب بیرون بیاید.

۹- قسمت های اضافی که به قطعه چسبیده اند باید به آسانی از قطعه جدا شوند.

تهیه قالب یکی از مهم ترین مراحل ریخته گری فلزات می باشد. توجیه پذیری اقتصادی، تعداد قطعه، اندازه قطعه، کیفیت سطح قطعه، پیچیدگی شکل قطعه از عوامل مهمی هستند که در قالب گیری یا تهیه قالب قطعات ریختگی باید مدنظر قرار بگیرند. امروزه مهمترین روشهای قالب گیری ( تهیه قالب) فلزات به شرح زیر می باشند:

۱- ریخته گری در قالب ماسه ای

۲- ریخته گری در قالب دائمی بدون فشار

۳- ریخته گری در قالب دائمی تحت فشار( دایکاست)

۴- ریخته گری گریز از مرکز که عمدتا در داخل قالب های فلزی صورت می گیرد. گرچه ممکن است در داخل قالب های ماسه ای نیز انجام شود.

۵- ریخته گری بامدل های ذوب شدنی( Lost Wax Casting وLost Foam Casting ) که ریخته گری دقیقی برای قطعات بسیار بزرگ تکی می باشد.

-7 ریخته گری در قالب گچی ( Plaster Molding) که معمولا برای قطعات دقیق و زینتی به کار می رود که از آلیاژهایی که نقطه ذوب پائینی ( کمتر از ۱۰۰۰درجه سانتیگراد ) دارند، ساخته می شوند.

مدل دقیق مشابه قطعه ریختگی می باشد که تغییراتی بر حسب نیاز بر روی آن انجام می شود. مدل های دائمی بر حسب تعداد قطعات ریختگی از چوب، پلاستیکهای فشرده یا آلومینیم ساخته می شوند.

در ساخت مدل پارامترهایی باید مد نظر قرار بگیرند که عبارتند از:

۱- اعمال ضریب انقباض فلز

۳- گوشت اضافی برای ماشین کاری

معمولا اکثر فلزات به هنگام انجماد انقباض حجمی از خود نشان می دهند و قطعه پس از انجماد به طور پیوسته تا رسیدن به دمای محیط منقبض می شود. این انقباض ممکن است تا ۶درصد نیز برسد. بنابراین در ساختن مدل حتما باید انقباض حجمی فلز منظور شود. نسبت کاستی به حجم قطعه موجود به بیش از ۲درصد یا ۲۵/۰اینچ در فوت می رسد. ضریب انقباض برای چند فلز معمول مهندسی به شرح زیر است:

معمولا این ضرایب بر روی خط کش های مخصوص اعمال می شوند که مدل ساز برای ساخت مدل از خط کش مخصوص استفاده می کند.اگر قرار باشد مدل فلزی از روی مدل چوبی ریخته گری شود ، در مدل چوبی علاوه بر ضرایب انقباض قطعه، ضرایب انقباض مدل فلزی نیز منظور می شود.

البته استفاده از خط کش های انقباض باید با دقت کافی انجام گیرد، زیرا انقباض حرارتی تنها عامل موثر بر تغییر ابعاد هنگام انجماد نیست.تبدیل های فازی (شامل واکنش های یوتکتویدی، مارتنزیتی و گرافیتی شدن) نیز می توانند موجب انقباض ها یا انبساط های قابل توجهی شوند.

در ریخته گری مدل های دائمی حتما باید مدل بتواند به راحتی از داخل قالب بیرون بیاید.بنابراین قالب معمولا دو تکه است.رعایت دقت محل جدایش یا سطح جفت شونده دو قسمت قالب بسیار مهم است. همچنین برای سطوحی از مدل که به موازات جهت خروج از قالب هستند، باید شیب مناسبی منظور نمود.

اگر سطوح مدل دقیقا به موازات جهت خروج از قالب باشد بر اثر اصطکاک سطوح مدل با دیواره های قالب در موقع درآوردن مدل از قالب سطوح و دیواره های قالب کنده می شود. این اشکال در گوشه ها و زاویه های تیز دیده خواهد شد.برای جلوگیری از این کار در این گونه صفحات شیبی منظور می شود که با شکل،اندازه و عمق مدل در ماسه متناسب می باشد.

در اکثر قطعات ریختگی ، قطعات بعد از فرآیند ریخته گری، برای رسیدن به صافی سطح مطلوب و اندازه واقعی به انواع مختلفی از عملیات ماشین کاری نیاز خواهند داشت.برای انجام این ماشین کاری ها ابعاد مدل یا قطعه ریخته گری را تا اندازه ای بزرگتر از قطعه واقعی درنظرگرفته می شود.این ابعاد اضافی راگوشت اضافی برای ماشین کاری می نامند.

ماسه ای که برای ساخت قالب های ریخته گری به کار می رود عمدتا اکسید سیلیسم(SiO2) است. برای فلزاتی که نقطه ذوب بالایی دارند، از قبیل فولادها، از اکسید زیرکونیم(ZrO2) استفاده می شود.قالبی که از ماسه ساخته می شود باید استحکام کافی برای ریخته گری سالم قطعه مورد نظر را داشته باشد.علاوه بر آن هر ماسه ریخته گری حتما باید دارای مشخصات زیر باشد:

۱- دیر گدازی یا قابلیت تحمل دمای فلز ریخته گری

۲- چسبندگی یا قابلیت نگهداشتن شکل مطلوب پس از قالب گیری

۳- نفوذ پذیری یا قابلیت عبور دادن گازها از خود

۴- قابلیت متلاشی شدن پس از انجماد فلز

برای تعیین مشخصات ماسه آزمایشهای استانداردی روی ماسه انجام می گیرد که عموما پارامترهای زیر را تعیین می کند:

۵- ناخالصی های ماسه ( میزان خاک رس و سایر اکسیدهای زود گداز(

۶- سختی، استحکام، نفوذ پذیری بعد از فشرده شدن ( تر و خشک(

۷- تاثیر مقادیر افزودنی ها روی خواص ماسه

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.

هنگامی که یک ذره جامدوپایداردرمایع 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 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.

دایکاست یا ریخته‌گری تحت فشار عبارت است از روش تولید قطعه از طریق تزریق فلز مذاب و تحت فشار به درون قالب. روش دایکاست از این نظر که در آن فلز مذاب به درون حفره‌ای به شکل قطعة ریخته شده و پس از سرد شدن قطعة مورد نظر به دست می‌آید، بسیار شبیه ریخته‌گری ریژه است. تنها اختلاف بین این دو روش نحوة پر کردن حفرة قالب است.

در قالب ریژه فلز مذاب تحت نیروی وزن خود سیلان پیدا می‌ کند و به درون قالب می‌ رود، حال آنکه در روش دایکاست فلز مذاب تحت فشار و سرعت بیشتری به درون قالب می‌رود. به همین دلیل در دایکاست قطعات با اشکال پیچیده‌ تری را می‌توان تولید کرد.

در قالب‌ های دایکاست پس از بسته شدن قالب، مواد مذاب به داخل یک نوع پمپ یا سیستم تزریق (بسته به طرح دستگاه) هدایت می‌ شوند، سپس در حالی که پیستون پمپ، مواد مذاب را با سرعت از طریق سیستم تغذیة قالب به داخل حفره می‌ ‏فرستد، هوای داخل حفره از طریق سوراخ‌های هواکش خارج می‌شود. این پمپ در بعضی از دستگاه‌ها دارای درجه حرارت محیط و در برخی دیگر دارای درجه حرارت مذاب است.

معمولاً مقدار مواد مذاب تزریق شده بیش از اندازة مورد نیاز برای پر کردن حفره است تا سرباره‌ گیرها را پر کند و حتی پلیسه ها را در اطراف قطعه به وجود آورد. سپس در مرحلة دوم زمانی که مادة مذاب در حال سرد شدن در داخل حفره است، پمپ همچنان فشار خود را ادامه می‌دهد. در مرحلة سوم قالب باز شده و قطعه به بیرون پرتاب می‌شود.

در آخرین مرحله همچنان که قالب باز است داخل حفره قالب تمیز و در صورت نیاز روغنکاری شده و دوباره قالب بسته و آمادة تکرار عملیات قبل می‌شود.

مهمترین مزایای تولید از طریق دایکاست عبارت‌اند از:

· اشکال پیچیده‌تری را می‌توان تولید کرد.

· به دلیل آنکه قالب با سرعت و تحت فشار پر می‌شود قطعات با دیواره‌های نازکتری را می‌توان تولید کرد و خلاصه آنکه در این روش نسبت طول قطعه به ضخامت قطعه به مراتب بیشتر از سایر روش‌ها است.

· نرخ تولید در این روش خیلی بالا است، به ویژه اگر قالب‌های چند حفره‌ای باشد.

· معمولاً قطعة تولید شده به وسیلة دایکاست از پرداخت سطح خوبی برخوردار است و احتیاجی به عملیات ماشین‌کاری بعدی ندارد و به دلیل عملیات فوق‌العاده اقتصادی است.

· قالب‌های دایکاست مثل قالب‌های ریژه معمولاً قبل از آنکه فرسوده شوند و در ابعاد قطعه تولید شده اختلافی به وجود آید، هزاران قطعه تولید خواهدکرد، در نتیجه سرمایه‌گذاری برای تولید قطعه کمتر است.

· نسبت به دیگر روش‌های تولید قطعه، از فلز مذاب با روش دایکاست مقاطع ظریفتری را روی قطعه می‌توان به وجود آورد.

· اغلب قطعات تولید شده با کمترین پرداخت، آمادة آب فلزکاری هستند.

· قطعات آلومینیومی تولید شده توسط دایکاست معمولاً نسبت به روش‌های دیگر مانند ریخته‌گری آلومینیوم در ماسه مقاومت بیشتری دارند.

· وزن قطعه محدود است. به ندرت وزن قطعه از 25 کیلوگرم بیشتر است و معمولاً کمتر از 5 کیلوگرم است.

· نسبت به شکل قطعه و سیستم تغذیة قالب، مک دار بودن قطعه به دلیل وجود حباب هوا از مشکلات این روش تولیدی است.

· امکانات تولید از قبیل قالب، ماشین، و لوزام جنبی نسبتاً گران است و در نتیجه فقط تولید انبوه آن، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است.

·به غیر از موارد استثنایی فقط فلزاتی را می‌توان در دایکاست مورد استفاده قرار داد که نقطة ذوب آنها چیزی در حد آلیاژهای مس باشد.

در ریخته گری دقیق از موادی قبیل موم، پلاستیک، یونولیت به عنوان مدل از بین رونده و محلول دوغابی سرامیکی مانند پودر سیلیس، زیرکون و گچ حل شده در حلال های مشخص به عنوان قالب استفاده می شود.پس از تزریق مدل مومی در قالب و مونتاژ مدل ها بر روی هم به طریق فروبردن آنها داخل دوغاب سرامیکی یک لایه نازک سرامیکی روی آن می نشیند. با قرار دادن آن در درجه حرارت اتاق لایه سرامیکی خشک می شود و استحکام پیدا می کند.

برای افزایش استحکام این عمل را چندین بار تکرار می کنند. سپس با قرار دادن این پوسته سرامیکی درون کوره موم داخل آن ذوب می شود و تنها پوسته سرامیکی خالی باقی می ماند.برای افزایش استحکام بیشتر دور آن را ماسه می ریزند و سپس مذاب در آن ریخته می شود.این روش هزینه بالایی دارد اما دارای مزایای زیر است؛

1)تولید انبوه و سریع قطعات با اشکال پیچیده

2)چون مواد قالبگیری دوغاب سرامیکی است، دقت ابعادی و صافی سطح قطعات تولید شده به طور قابل ملاحظه ای بالا است.

3)علرغم این که این روش برای ریخته¬گری قطعات ظریف به کار می رود در بعضی موارد می توان قطعاتی به وزن 30 کیلوگرم نیز تولید نمود.

4)میزان عملیات ماشینکاری قطعه به حداقل می رسد.

5)نوع قالب و ریخته مذاب این امکان را می دهد که مذاب مذاب ریزی را در خلا انجام دهیم.

دقت مدلهای مومی تولید شده تاثیر مستقیم روی کیفیت و صافی سطح قطعات دارد.برای قالب های تولید انبوه از فولاد یا چدن به عنوان جنس قالب استفاده می شود برای تعداد کم از قالب های چوبی یا گچی نیز می توان استفاده کرد.

انواع مختلف موم های صنعتی که مشتقات نفتی هستند و موم های طبیعی وجود دارد.

خواص موم مورد استفاده (Wax)

1)مقدار خاکستر آن نباید بیش از 0.05 درصد وزنی باشد.

2)سیالیت آن در هنگام مذاب بودن بالا باشد.

3)استحکام موم منجمد شده بالا باشد.

4)انقباض و انبساط آن کم باشد باعث تغییر ابعاد و یا ترک خوردن پوسته نگردد.

5)موم باید سطحش سازگار با مواد قالبگیری باشد.

6)موم ها باید غیرسمی باشند.

در مواقعی که به علت پیچیده بودن شکل قطعه نتوان مدل مومی یکپارچه تهیه کرد لازم است که با استفاده از تکه های جداگانه و مونتاژآن این کار را انجام داد.

در مواقعی که ساخت مدل های مونتاژی از نظر فنی ممکن نباشد از موم حل شونده کمک گرفته می شود.بدین صورت که ابتدا مدلهای کمکی حل شونده تهیه می شود .واضح است که ساخت قالب آنها باید امکان پذیر باشد.در مرحلهء بعد این مدلهای حل شونده را مونتاژ می کنیم و سپس در فضاهای خالی آن موم اصلی حل نشونده را تزریق می نمایی.سپس این مجموعه را داخل حلال گذاشته تا موم حل شونده از بین برود.حال می توان از این مدل برای قالبگیری استفاده کنیم.

مواد قالبگیری: هر نوع دوغاب باید خواص زیر را داشته باشد.

ب)پایداری ابعادی قالب در اثر گرمایشی ناشی از ذوب ریزی

ج)پایداری خواص فیزیکی و شیمیایی دوغاب و سازگاری آن با جنس مذاب

د)دانه بندی و شکل دانه ها باید به گونه ای باشد که قابلیت عبور گاز به حدکافی باشد.

انواع چسب دوغاب:

مهمترین چسب های به کار رفته در این روش اتیل سیلیکات،سیلیس کلوئیدی و گچ می باشد.علاوه بر این مواد که مولفه های اصلی تشکیل دوغاب که سرامیکی یعنی مواد دیرگذاز، چسب و حلال مواد دیگری نیز به عنوان افزودنی ممکن است اضافه گردد که شامل زیر است:

ب)مواد مرطوب کننده برای کامل مرطوب شدن سطح مدل توسط دوغاب

پس از این که قالبها کاملا خشک شد لازم است که مدل مومی داخل آن به طریقی ذوب شده و بیرون ریخته شود.در این رابطه یکی از عوامل بسیار مهم انبساط موم است.

یکی از روشهای جلوگیری از ترک خوردن پوسته اعمال فشار خارجی توسط ساچمه یا ماسه گرم است. در این روش قیف سرامیکی را بر عکس قرار داده و اطراف آن را با ماسه یا ساچمه داغ پر می کنیم.در این روش دمای ساچمه حدودا 400 درجه سانتیگراد است.که گرمای لازم برای ذوب موم با دمای 80 درجه سانتیگراد را فراهم می کند.علاوه بر آن فشار وزن ساچمه ها به جلوگیری از ترک خوردن قالب کمک می کند.

در این روش از بخار گرم حلال موم برای موم زدایی استفاده می¬شود.روش کار به این صورت است که بخار حلال موم از سطح خارجی پوسته و از طریق منافذ ریز موجود در آن فشار به داخل آن نفوذ می کنند و به محض تماس با موم شروع به حل کردن آن می نماید با این عمل مقداری فضای خالی ایجاد شده که می تواند انبساط موم را در اثر حرارت دهی بعدی آزادنه تحمل کند.بقیه عمل ذوب کامل موم به راحتی و بدون ترک خوردن قالب در کورهء معمولی صورت می گیرد.

در این روش پوسته ها را در داخل کوره ای با دمای حدود 1000 درجه سانتیگراد قرار می دهیم.و به این وسیله شیب حرارتی زیادی ایجاد می شود به گونه ای که دمای پوسته به شدت بالا بوده در حالی که مرکز موم هنوز دارای دمای پایین است.لذا تنها پوستهء خارجی موم ذوب می شود.این مقدار موم ذوب شده فضای کافی برای انبساط موم جامد را فراهم کرده و دیگر نیازی به درجه حرارت بالا نیست و می توان ادامه ذوب را در کورهء معمولی انجام داد.

اتوکلاو کوره ای است که در آن بخار گرم به سطح خارجی قالب گرما داد و همزمان آن را تحت فشار قرار می دهد.فشار اعمالی از ترک برداشتن قالب در اثر انبساط موم جلوگیری کرده و حرارت بخار باعث ذوب کامل موم می شود.

قبل از این که مذاب ریزی انجام شود لازم است تا قالبها پیش گرم شود.علل آن به شرح زیر است:

1)سوزاندن تمام بقایا

2)کمک به قابلیت پرکنندگی مقاطع نازک توسط مذاب

3)کاهش عیوب گرم قالب نظیر ترکهای گرم

درجه حرارت پیش گرم کردن قالبهای سرامیکی پوسته ای برای قطعت آهنی حدودا 1000 درجه سانتیگراد است که برای فلزات غیر آهنی با دمای ذوب پایین در حدود 550 تا 650 درجه سانتیگراد خواهد بود.

پس از آنکه قالبها کاملا مستحکم شد و درجه حرارت پیش گرم هم به حد لازم رسید نوبت به مرحله مذاب ریزی است. مرسوم ترین روش مذاب ریزی ریختن ثقلی مذاب توسط پاتیل است.در صورتی که قطعه ریخته گری خیلی نازک بوده یا بسیار پیچیده باشد نیروی ثقل برای پرکردن قالب کافی نیست و باید نیروی خارجی دیگری نیز اعمال شود.مرسوم ترین اعمال نیروی خارجی این روش ریخته گری نیروی گریز از مرکز است

ramin-jodeyri.blogfa.com/