مقدمه
• فرآیند ریختن و انجماد فلز مذاب ریخته شده به داخل قالب. در فرآیند ریخته گری ماده جامد قابل ذوب تاحد مناسب حرارت داده شده سپس در یک حفره خالی یا قالب ریخته شده تا پس از انجماد به شکل موردنظر درآید. در نتیجه طی یک مرحله، تهیه هرشکل ساده یا پیچیده از هر فلز قابل ذوب امکان پذیر است.
• محدوده اندازه و وزن قطعات قابل تولید به روش ریخته گری بسیار وسیع است و از یک قطعه یک میلیمتری با وزن کمتر از یک گرم (مانند دکمه، قطعات زیپ، طلا و ...) تا قطعات بزرگ چند تنی (مانند پروانه و قطعات کشتی) را شامل می شود.
• فرآیند ریخته گری دارای امتیازات قابل توجهی در ساخت اشکال پیچیده، قطعات با قسمتهای توخالی و یا حفره های داخلی، قطعاتی با سطوح منحنی شکل نامنظم، قطعات خیلی بزرگ و قطعات ساخته شده از فلزاتی که ماشینکاری آنها دشوار است، می باشد.
• عمده ترین اختلاف بین روشهای مختلف ریخته گری، جنس قالب ) ماسه، قلز، سرامیک و ...) و نحوه ریختن مذاب (ثقلی، خلاء، فشار کم یا زیاد و ...( می باشد.
واژه نامه ریخته گری :
برخی از اصطلاحات رایج در ریخته گری که اکثرا” قطعات و تجهیزات مورد استفاده بوده به صورت زیر می باشند:
- درجه: یک قاب صلب فلزی یا چوبی است که توده مدل سازی شده را نگه می دارد.
- ماهیچه (Core): از ماسه یا فلز ساخته شده و با قرار گرفتن در قالب، موجب ایجاد سطوح داخلی مانند سوراخ یا گذرگاه مایع خنک کننده می شود. از موارد بسیار پرکاربرد ماهیچه ها ایجاد محفظه ی سوراخ در قالب ها است گه به عنوان مثال در تصویر زیر برای جلوگیری از نفوذ ذوب به درون مجرای عبور دود در خروجی دود موتور در تصویر زیر از ماهیچه استفاده شده است . ماهیچه های معمولا در قالب های پیش ساخته و دائمی به نام جعبه ماهیچه تولید شده و بسته به نوع مصرف ، از انواع مختلفی از ماسه برای تهیه ی آنها استفاده می شود. در تصویر سمت راست یک ماهیچه و در تصویر سمت چپ یک جعبه ماهیچه را مشاهده می فرمایید.
- تکیه گاه ماهیچه: قسمتی اضافی است که برای قراردادن و حفظ ماهیچه درون قالب، در مدل ماهیچه و یا قالب ایجاد می شود. سپس ار ترکیب قالب و مجموعه ماهیچه، حفره قالب بدست می آید که در حفره شکل یافته فلز مذاب ریخته می شود و پس از انجماد به شکل مطلوب در می آید.
- تغذیه کننده (Riser): حفره اضافی که در قالب تعبیه و با فلز مذاب پر می شود. وظیفه آن جبران انقباض قطعه می باشد. تغذیه کننده باید آخرین قسمتی باشد که منجمد می شود. هرچه میزان انقباض کمتر باشد، عیوبی مانند اعوجاج و حفره هم کمتر خواهد بود.
- سیستم راهگاهی: شبکه ای از کانالهای به هم پیوسته است که برای انتقال فلز مذاب به حفره قالب استفاده می شود.
- حوضچه مذاب: قسمتی از سیستم راهگاهی است که در ابتدای ورود ماده مذاب به قالب قرار دارد و ماده مذاب از پاتیل (یا چمچه) به داخل آن ریخته می شود.
- خط یا سطح جدایش (Parting Line) : سطح مشترک جداکننده دو نیمه درجه قالب یا مدل و دو نیمه ماهیچه
- شیب: حالت مخروطی مدل یا قطعه که امکان خروج آن را از قالب فراهم می سازد.
فرآیند انجماد :
- تغییر حالت یا تغییر فاز فلز از حالت مایع به جامد را عمل انجماد می گویند. در اثر انجماد، سیستم فلز به حالت پایدارتر با انرژی آزاد کمتر تغییر فاز خواهد داد. عامل ایجاد بسیاری از ویژگیهای ساختمانی که در نهایت کنترل کننده خواص محصول هستند، انجماد است. همچنین بسیاری از نقایص ریخته گری از قبیل تخلخل و انقباض جزیی از این فرآیند هستندو در صورتی که در این فرآیند دقت کافی وجود داشته باشد، این عیوب قابل کاهش و یا حتی حذف می باشند.
- در دمای انجماد، برای مدت زمانی درجه حرارت فاز مایع ثابت مانده و پروسه انجماد فلز خالص اتفاق می افتدو در پایان این زمان، کل سیستم از فاز جامد تشکیل یافته و به محض خاتمه پروسه انجماد، درجه حرارت فاز جامد هم مطابق نمودار کاهش می یابد.
- انجماد در فلزات از دو پروسه جوانه زنی و رشد جوانه ها تشکیل یافته است. به تعداد جوانه های رشد یافته، دانه (Grain) در فلز خواهیم داشت.
پیش بینی زمان انجماد:
• مقدار حرارتی که باید از مایع مذاب گرفت تا منجمد شود، تابع اندازه فوق گرم و حجم ماده مذاب درون قالب است. ts (زمان کلی انجماد) از قانون چوورینف (Chovorinov) بدست می آید.
Ts= B (V/A)n
Vحجم قطعه ریختگی، A: مساحت سطوح دور قطعه، B: ثابت قالب که به خصوصیات فلز ریختگی (چگالی، ظرفیت گرمایی و گرمای نهان ذوب)، ماده قالبگیری (چگالی، هدایت حرارتی و ظرفیت گرمایی)، ضخامت قالب و مقدار فوق گرم بستگی دارد.
- می توان قطعات آزمایشی تهیه کرد و در یک ماده قالبگیری، فلز مشخص و شرایط ریخته گری معین، B را تعیین کرد. این مقدار برای محاسبه زمانهای انجماد برای هر قطعه دیگری که در همان شرایط ریخته شود به کار می رود. تعییر آهنگ تبرید و زمان انجماد، تغییر اساسی در ساختمان و خواص محصول به وجود می آورد.
تهیه مذاب خالص
• مواد سائیده شده از دیواره نسوز کوره ها و پاتیلها، ناخالصیهای موجود در محیط یا فلز، اکسید فلز تشکیل شده در اثر واکنش مذاب با اکسیژن موجود در هوا و ...، موجب ایجاد جرم و سرباره شده و اگر وارد قالب شوند، موجب ایجاد عیب در قطعه می شوند.
• بهترین راه برای جلوگیری از ایجاد ناخالصی، تعمیر و پاکسازی منظم کوره، محیط و پاتیل و ذوب کردن فلز در خلاء جهت جلوگیری از تشکیل اکسید می باشد. این روشها بسیار پرهزینه بوده و برای قطعات معمولی به صرفه نمی باشند.
• راه حل ارزان تر، جمع کردن سرباره، استفاده از پاتیلهای مخصوص و استفاده از " فیل خیس (=تر) "های سرامیکی می باشد.
• برای خارج کردن گازهای مذاب، باید پاتیل را در محیط دارای فشار کم و حداقل تلاطم قرار داد.
انقباض در اثر انجماد
• انقباض سه مرحله دارد:
-1 انقباض مایع – در اثر کاهش دمای مذاب از حداکثر تا نزدیک نقطه ذوب
-2 انقباض انجماد – در هنگام تبدیل مایع به جامد
-3 انقباض در حالت جامد – در اثر سردشدن قطعه تا دمای اتاق
• مقدار انقباض مایع به ضریب انقباض حرارتی و مقدار فوق گرم بستگی دارد. چون در طول سردشدن فلز درون قالب، جریان فلز درون سیستم راهگاهی برقرار است، انقباض حالت مایع مشکل چندان مهمی در فرآیند ایجاد نخواهد کرد.
انقباض در اثر انجماد
• بیشترین میزان انقباض در حین تغییر حالت از مایع به جامد اتفاق می افتد. با طراحی مناسب سیستم راهگاهی و تغذیه کننده می توان مقدار زیادی از این انقباض را جبران کرد.
• پس از انجماد، قطعه تا سردشدن تا دمای اتاق بازهم منقبض می شود. این انقباض با بزرگتر گرفتن ابعاد مدل قابل برطرف کردن است.
فرآیندهای ریخته گری
• برای انتخاب بهترین روش ریخته گری باید موارد زیر را با خواسته های خود تطبیق دهیم:
-1 کیفیت سطحی
-2 دقت ابعادی
-3 تعداد قطعات ریختگی
-4 نوع مدل و ماهیچه
-5 هزینه ساخت قالب یا حدیده
-6 محدودیتهای موجود بواسطه نوع ماده انتخابی
ریخته گری در ماسه Sand Casting
• در این روش دانه های ماده دیرگداز (مانند سیلیکا) با مقادیر کمی مواد دیگر مانند خاک رس، چسب و آب مخلوط شده و در اطراف مدل که شکل قطعه مورد نظر را دارد، فشرده می شوند.
• اگر لازم باشد که مدل قبل از ریختن مذاب از قالب خارج شود، قالب باید دو تکه یا بیشتر ساخته شود.
خصوصیات ریخته گری در ماسه
امتیازها: تقریبا هیچ محدودیتی در شکل، اندازه، وزن و پیچیدگی وجود ندارد. تقریبا هر فلزی را می توان ریخته گری کرد.
محدودیتها: تلرانس و پرداخت سطح به خوبی روشهای دیگر ریخته گری نیست. معمولا مقداری ماشینکاری لازم است.
ریخته گری در ماسه Sand Casting
فلزات متداول: چدن، فولاد، آلیاژهای آلومینیوم، مس، منیزیم، نیکل و ...
محدودیت وزن: از 30 گرم تا 3000 کیلوگرم
محدودیت ضخامت: از 5/2 میلیمتر به بالا
تلرانسهای متعارف: در 150 میلیمتر اول، 8/0 میلیمتر و در طولهای بیشتر 30 میکرون به ازای هر یک میلیمتر
شیب لازم در ساخت مدل: 1 تا 3 درجه
پرداخت سطح: Rz=2,5 – 25 µm
مراحل تولید قطعه در ریخته گری ماسه ای
-1 نصف مدل در درجه پایین قرار داده می شود.
-2 روی مدل با ماسه فشرده می شود.
-3 درجه پایین برگردانده شده و درجه بالا روی آن قرار می گیرد. نصف دیگر مدل برروی آن مونتاژ شده و بعد از قرار دادن تغذیه کننده و سیستم راهگاهی، درجه بالا نیز با ماسه پرشده و فشرده می شود.
-4 دو درجه از هم جداشده و مدلهای چوبی و مدلهای راهگاه و تغذیه کننده از ماسه خارج می شوند. کانالهای مذاب نیز با ابزارهای مخصوص کنده شده و سطوح آنها صاف می گردد.
-5 قالب مونتاژ شده و بعد از ریختن مذاب، قطعه خارج می شود.
انواع ماسه برای استفاده در ریخته گری ماسه ای
ماسه:
طبق تعریف ماسه عبارت است از ذرات ریز مواد معدنی که قطر آنها از 0.05 تا 1 میلیمتر تغییر می کند.ماسه های مورد استفاده در انواع مختلف با توجه به:
• ترکیب شیمیایی
• درجه دیرگدازی
• نحوه توزیع دانه ها
• در دسترس بودن
به کار گرفته می شوند.
انواع ماسه:
ماسه ها انواع مختلفی دارند و بنا به نوع استفاده به صورت های مختلفی درجه بندی می گردند که از آن جمله میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
انواع ماسه از نظر نحوه یافت و دسترسی :
الف) ماسه طبیعی :
شامل ماسه های رودخانه ای و ماسه های بادی
ماسه طبیعی مستقیماً از منابع طبیعی ، استخراج و استفاده می شود و هیچگونه کار اضافی روی آن انجام نمی شود مثل ماسه کنار رودخانه ( این ماسه ها را بوسیله HCl آزمایش می کنند که حاوی آهک نباشد.)
حسن ماسه رودخانه ای در این است که شسته شده و میزان گردی بیشتری دارند در نتیجه کیفیت سطحی قطعات بالا می رود. اما در ماسه بادی ، خاک نیز وجود دارد که خاصیت چسبندگی دارد.
ب) ماسه مصنوعی:
در این حالت ، معادن طبیعی را شناسایی کرده و مثلاً آن را الک کرده و ناخالصی هایی مثل آهک را حذف می کنند و آن را خرد کرده و گرد می کنند ( این ماسه ها تحمل دمایی بالاتری دارند.)
انواع ماسه از نظر شکل ظاهری:
1- ماسه های گرد:
در این حالت شکل ذرات ماسه در زیر میکروسکوپ ، کروی است. اکثر ماسه های مصنوعی از نوع ماسه های گرد هستند که کیفیت سطحی بهتری را ایجاد می کند و قابلیت عبور گاز بهتری نیز دارد ( قابلیت عبور گاز به تخلخل ماسه مربوط است).
2- ماسه های شبهه گرد
این نوع ماسه در قسمت هایی گرد و در قسمت هایی گوشه دار است.
3- ماسه های گوشه دار
این ماسه کاملاً گوشه دار است و بطور کامل در هم چفت می شوند و استحکام بالاتری ارائه می دهد و از نظر حمل و نقل قالب و حرکت مذاب و فشار مذاب ، استحکام بالاتری دارد اما قابلیت عبور گاز کم است.
4- ماسه های مخلوط
این ماسه ها شکل خاصی ندارند.
انواع ماسه از نظر ترکیب شیمیایی:
1- ماسه سیلیسی ( SiO2 )
سیلیس یک حالت آلوتروپیک و چند ساختاره دارد و در دماهای مختلف ، ساختارهای متفاوتی دارد ( منگنز، کبالت ، قلع و زیرکنیوم نیز آلوتروپیکند ). در نتیجه اگر با سرعت های مختلف سرد شود ، خواص متفاوتی ارائه می کند ( در طراحی قالب برای مواد دیر گداز ، مشکل ساز است زیرا منجر به ترک خوردن بدنه قالب می شود).
همان طور که از وزن مخصوص ها ( دانسیته ها ) ملاحظه می شود ، با تغییرات دما ، انبساط و انقباض در ابعادشان بوجود می آید که باعث شکست قالب می شود ( بیشترین تغییرات را کریستوبالیت دارد).
یک مزیت ماسه سیلیسی ، وجود معادن زیاد و ارزانی آن است.متوسط ضریب انبساط این ماسه 6-10×16.2Cm/CmºCاست ( یک نمونه استاندارد از ماسه می سازیم و تا دمای مورد نظر می بریم و نگه می داریم سپس یک درجه اضافهمی کنیم و طول را اندازه گیری می کنیم).
این ماسه برای ریخته گری قطعات آهنی و فولادی و فولاد آلیاژی مناسب نیست و بصورت ماسه Backing استفاده می شود. در چدن ریزی معمولاً از ماسه سیلیسی مصنوعی استفاده می شود.
2- ماسه زیرکنیوم ( ZrO2.SiO2 )
زیر در طبیعت همراه با سیلیس است. غلظت زیر در ماسه بین 40 تا 50 درصد است.این نوع ماسه خاصیت انبساط حرارتی دارد و ضریب انبساط حرارتی آن از ماسه سیلیسی پایین تر است و برای مواد قالب و آجر و بدنه کوره مناسب است.هدایت حرارتی این ماسه بالاتر است و سریع تر خنک می شود ( 4 برابر کوارتز ). دارای وزن مخصوص ( دانسیته)34.75gr/Cm است که تقریباً 2 برابر ماسهسیلیسی است که یک مزیت است زیرا در واقع چگالی توده ، زیاد است و یک بخش از نیروی مذاب را خنثی می کند .تحمل دمایی ماسه زیرکونی بالاست و خاصیت دیرگدازی خوبی دارد درنتیجه برای فلزات با دمای ذوب بالا کاربرد دارد ( حدوداً در 2000ºCبه حالت خمیری در می آید ). از دیگر خصوصیات این ماسه دانه های گرد و منظم و عدم خیس شدن توسط مذاب ( نمی چسبد ) و عدم تمایل به واکنش شیمیایی با اکثر فلزات است و اگر سرباره یا مذاب ، دارای موادی باشند که باعث خوردگی بدنه کوره شود ، این ماسه مقاوم است.
3- ماسه الوینی ( سیلیکات های مضاعف آهن و منیزیم (Mg.Fe2SiO2 ) )
دیرگدازی این ماسه نسبت به ماسه سیلیسی بالاتر و از ماسه زیرکونی کمتر است (1850-1750ºC )که برای فولاد
ساده و پر کربن و کم آلیاژ مناسب است. این ماسه دارای وزن مخصوص ( دانسیته) 3.3gr/Cm3است و از نوع ماسه های گوشه دار است. انبساط حرارت این ماسه از ماسه سیلیسی کمتر و از ماسه زیرکونی بالاتر است.
4- ماسه کرومیتی ( FeO.Cr2O3 )
این ماسه عمدتاً بصورت ماسه رویه ( Facing Sand ) استفاده می شود ، دیرگدازی بالایی دارد (1850-1450ºC ) که هر چه اکسید کرم کمتر باشد بهتر است. این ماسه دارای وزن مخصوص ( دانسیته) 4.5gr/Cm3می باشد. در شرایطی که با چسب خاک رس ترکیب شود در 1000ºCدارای انبساط حرارتی 0.17mm/mmاست ، سیلیس در همان شرایط دارای انبساط حرارتی 0.6mm/mmو زیر 0.076mm/mmاست. این ماسه ، سیاه رنگ و از نوع ماسه های گوشه دار است.
5- ماسه شاموتی ( 3Al2O3.SiO2 )
این ماسه دارای دیرگدازی ºC 1750-1670است که هر چه Al2O3 بیشتر باشد ، بهتر است. از این ماسه در ریخته گریبصورت آجر و بدنه کوره استفاده می شود. این آجر نارنجی نیز دارای انبساط و انقباض بوده و ترک می خورد. این ماسهبرای فولاد آلیاژی و کم کربن مناسب است.
انتخاب ماسه:
از چند نقطه باید نمونه گیری کرد و تست ترکیب شیمیایی و دیر گدازی و .... انجام داد ( برای اینکه رطوبت و مواد همراه ماسه تبخیر نشود ، باید در ظرف بسته نمونه برداری کرد.)
خواص عمومی ماسه ریختگی:
1) استحکام در حالت تر ( Green Strength ) : استحکام فشاری و برشی در گوشه ها
2) استحکام در حالت خشک ( Dry Strength )
3) استحکام در حالت حرارتی ( Hot Strength ) : سریع به دمای بالا می رسد ، وقتی رطوبت خود را از دست می دهد نباید شکل خود را از ذست بدهد زیرا باعث ایجاد ترک و خرد شدن یا پلیسه و زائده و رگه می شود.
4) قابلیت عبور گاز ( Permeability ) : گاز متصاعد شده از چسب و پوشش و هوای داخل باید خارج شود. به شکل و دانه مواد قالب و میزان کوبش و چسب و رطوبن بستگی دارد.
5) پایداری حرارتی ( Thermal Stability ) : ابعاد خود را حفظ کند و ضریب انبساط حرارت پایین داشته باشد.
6) دیرگدازی ( Refractoriness ) : مواد قالب تغییر حالت ندهد و سوخته و ذوب نشود و مقاوم به حرارت باشد.
7) قابلیت شکل گیری ( Flowability ) : به اندازه دانه بستگی دارد.
8) کیفیت سطحی ( Produces Good Casting Finish ) : به خواص فیزیکی دانه بستگی دارد.
9) قابلیت فروپاشی ( Collapsibility ) : تابع نوع چسب مصرفی است.
10) قابلیت بازیافت ( Reusable )
11) تهیه و کنترل ساده
12) قدرت خنک کنندگی ( Remove Heat )
نکته : ماسه سیلیسی را با خاک اره مخلوط کرده و جلو انبساط و انقباض را می گیرند یا با چسب سیلیکات سدیم و مواد افزودنی برای راحت جدا شدن مخلوط می کنند.
نکته : رطوبت در صنعت بین 4 تا 6 درصد وزنی است ، اگر رطوبت کم باشد ، استحکام تر کاهش می یابد و اگر زیاد باشد ، باعث ایجاد موک گازی می شود ( استحکام تر 7-6psiاست).
