ریخته‌گری

ریخته‌گری، فن شکل‌دادن فلزات و آلیاژها از طریق ذوب، ریختن مذاب در محفظه‌ای به نام قالب و آن‌گاه سرد کردن و انجماد آن مطابق شکل محفظه قالب است. این روش کهن‌ترین فرایند شناخته شده برای بدست آوردن شکل مطلوب فلزات است. اولین کوره‌های ریخته‌گری از خاک‌رس ساخته می‌شدند و لایه‌هایی از مس و چوب به تناوب در آن چیده می‌شد.

آهن مذاب درحال ریخته‌گری در قالب

درصد بسیار بالایی از کالاهای تولید شده حاوی حداقل یک قطعه ریخته‌گری هستند. اندازه قطعات ریخته شده می‌تواند از چند گرم و چند میلیمتر (مانند دندانه‌های منفرد یک زیپ) تا بیش از ۱۰ متر و چندین تن باشد (مانند چرخ پروانه‌های بزرگ یا قاب‌های عقب کشتی‌های اقیانوس پیما). فرآیندهای ریخته‌گری بیشتر زمانی استفاده می‌شود که تولید شامل اشکال پیچیده بوده، یا قطعاتی با مقاطع توخالی یا حفره‌های داخلی باشد. همچنین قطعاتی که دارای سطوح منحنی نامنظم هستند (به جز مواردی که می‌توانند از ورق فلز نازک ساخته شوند)، قطعات بسیار بزرگ یا قطعات ساخته شده از فلزاتی که ماشین کاری آنها دشوار است، را نیز بیشتر به روش ریخته‌گری می‌سازند.[۱]

ریخته‌گری قدمتی ۷ هزار ساله دارد. کهن‌ترین قطعه ریخته‌گری جهان یک قورباغه مسی متعلق به ۳۲۰۰ سال پیش از میلاد مسیح است.[۲]

انواع روش‌های ریخته‌گریویرایش

 
انواع روش‌ها و فرایندهای ریخته‌گری

روش‌های ریخته‌گری از دیدگاه نوع قالب به دو دسته تقسیم می‌شوند: ریخته‌گری در قالب‌های یکبار مصرف و ریخته‌گری در قالب‌های دائمی.

ریخته‌گری با توجه به فناوری و مجموعه تجهیزاتی که در قالب‌گیری دخیل هستند شامل موارد زیر می‌شود:

  • ریخته‌گری با قالب ماسه ای: اغلب تولید قطعات ریختگی در ماسه انجام می‌شود. ریخته‌گری ماسه ای (Sand casting)، فرایندی است که در آن از ماسه برای قالب‌گیری استفاده می‌شود. ماسه لازم برای یک تن ریخته‌گری حدود ۴ تا ۵ تن است. نسبت مصرف ماسه به فلز، بسته به نوع، اندازه قطعه ریختگی و روش قالب‌گیری، متغیر است. ماسه مورد استفاده در ریخته‌گری انواع مختلفی دارد که تحت دو دسته کلی ماسه طبیعی و ماسه ترکیبی (ماسه دریاچه) می‌توان آن‌ها را طبقه‌بندی نمود. این ماسه‌ها دارای یک ماده نسوز به نام سیلیکا (SiO2) می‌باشند. دانه‌های ماسه باید بقدر کافی کوچک باشند تا بتوان آن‌ها را متراکم کرد، و در عین حال باید آنقدر درشت باشند تا گازهای تشکیل شده در هنگام ریخته‌گری از بین منافذ آن‌ها خارج شوند. در قالب‌های بزرگ‌تر، از "ماسه سبز" استفاده می‌کنند (ترکیبی از ماسه، خاک رس و مقداری آب).
  • ریخته‌گری در ماسه تر (Green sand casting): ریخته‌گری در قالب ماسه‌ای خشک نشده.
  • ریخته‌گری در ماسه خشک (Dry sand casting): ریخته‌گری در قالب ماسه‌ای خشک شده. در این روش، قالب ماسه‌ای در گرم‌خانه‌ای با دمای حدود ۳۰۰ درجهٔ سانتیگراد به مدت مناسبی قرار داده شده و خشک می‌گردد.
  • ریخته‌گری در قالب رو خشک (Skin-dried mold casting): ریخته‌گری در آن دسته از قالب‌های ماسه‌ای که سطوح آن ها-اغلب با یک مشعل- تا عمق معینی خشک شده‌است.
  • ریخته‌گری روباز در ماسه (Open sand casting): ریخته‌گری در قالب‌های ماسه‌ای بدون لنگهٔ رویی. از این روش در تولید قطعات نا دقیقی که یک سطح تخت دارند استفاده می‌شود.
  • ریخته‌گری در حالت نیمه جامد (Semi-solid casting): ریخته‌گری در حالت خمیری.
  • ریخته‌گری در قالب گچی (Plaster mold casting): روش ریخته‌گری با استفاده از قالب‌های ساخته شده از گچ فرنگی و افزودنی‌های دیگر. در تولید قطعاتی با دقت ابعادی کار می‌رود.
  • ریخته‌گری دقیق (Investment Casting): ریخته‌گری دقیق به نام «ریخته‌گری با مدل‌های مومی» یا «ریخته‌گری ظریف» نیز شناخته می‌شود. قرون متمادی است که این نوع ریخته‌گری برای تهیه قطعات با کیفیت عالی بکار می‌رود. در این روش ریخته‌گری، می‌توان با استفاده از قالب‌ها ساخته شده از جنس سرامیک و مواد دیر گداز دیگر، قطعاتی پیچیده با دقت ابعادی بالا و سطوحی صافتر در مقایسه با روش‌های دیگر تولید کرد.
  • ریخته‌گری پیوسته (continues casting): ریخته‌گری پیوسته، فلز مذاب را بر اساس یک فرایند پیوسته، به جامد تبدیل می‌کند.

فرایند انجمادویرایش

عملیات ریخته‌گری یک فرایند انجماد است که در آن یک ماده مذاب به داخل یک قالب ریخته شده و سپس اجازه داده می‌شود تا ماده مذاب منجمد شود. بسیاری از خواص ماده نهایی در این مرحله شکل می‌گیرد. همچنین بسیاری از عیوب ریخته‌گری شامل "تخلخل گاز" و "انقباض انجماد" در این مرحله اتفاق می‌افتند و با کنترل پارامترها در این مرحله می‌توان از آنها جلوگیری کرد.[۳]

انجماد یک فرایند دو مرحله ای هسته زایی و رشد بوده، و مهم است که در هر دوی این پارامترها کنترل گردند. هسته زایی (Nucleation) هنگامی اتفاق می‌افتد که ذرات جامد پایدار، درون مایع مذاب تشکیل می‌شوند. مرحله دوم در فرایند انجماد رشد است که با خارج شدن گرمای همجوشی از ماده مذاب اتفاق می‌افتد. جهت، سرعت و نوع رشد را می‌توان با روش حذف این گرما کنترل کرد. برای اطمینان از تولید ریخته‌گری خوب، می‌توان از انجماد جهت دار استفاده کرد. (در این حالت، جبهه انجماد به صورت پیوسته درون ماده حرکت می‌کند) ماده مذاب سمت جبهه مایع می‌تواند به به صورت پیوسته به داخل قالب جاری شود تا انقباض ناشی از انجماد را جبران کند. نرخ نسبی رشد و هسته زایی، اندازه و نوع دانه‌های کریستال شکل گرفته را کنترل می‌کنند. خنک سازی سریعتر معمولاً محصولی با اندازه دانه ریزتر و خواص مکانیکی برتر تولید می‌کند.[۱]

برای بهبود "هسته زایی" و کمک به شکل‌گیری یک محصول با ریزساختار یکنواخت و دانه-ریز (fine-grained) گاهی قبل از ریختن ماده مذاب به قالب به آن دانه‌های ریز جامد اضافه می‌کنند. به این فرایند تلقیح (inoculation) یا اصلاح دانه (grain refinement) می‌گویند.[۳]

مشکلات فلز مذابویرایش

 
شبیه‌سازی فرایند ریخته‌گری توسط رایانه جهت اعتبارسنجی الگو و سیستم راهگاهی قبل از ساخت قطعه می‌تواند به کاهش عیوب و هزینه‌ها و دستیابی به یک طرح ایده‌آل کمک کند.

ریخته‌گری با ریختن ماده مذاب شروع می‌شود، و ممکن است واکنش‌های شیمیایی مختلفی بین فلز مذاب با محیط و اطراف اتفاق بیفتد. این واکنش‌ها معمولاً باعث ایجاد عیوب در قطعه ریخته شده می‌شوند. برای مثال واکنش فلزات با اکسیژن باعث تشکیل اکسیدهای فلزی می‌شود و این اکسیدهای فلزی می‌تواند به همراه مذاب حرکت کرده و در داخل قطعه عیب ایجاد کند. ذرات ناخالصی جدا شده از آستر پاتیل‌ها یا کوره‌ها یا ذرات ماسه جدا شده می‌توانند در داخل یا روی سطح قطعه ناخالصی‌های غیر فلزی ایجاد کنند.

فلزات مذاب می‌توانند حاوی مقادیر زیادی گازهای حل شده باشند. زمانی که این مذاب منجمد می‌شود دیگر قادر به نگهداری آنها نیست و در نتیجه در داخل قطعه ریخته شده تخلخل گازی ایجاد می‌شود. یکی از روش‌های جلوگیری از انحلال گازها در مذاب، ذوب کردن فلز در محیطی با فشار خلاء می‌باشد. استفاده از یک فلاکس محافظ که تماس با هوا را محدود کند نیز می‌تواند به کاهش انحلال گازها کمک کند. در روش گاززدایی خلاء (Vacuum degassing)، ماده مذاب قبل از انجام ریخته‌گری به داخل یک محیط با فشار کم یا خلاء نسبی اسپری می‌شود. در روش شستشوی گازی (gas flushing) حباب‌هایی از گازهای نجیب یا واکنش پذیر به داخل مذاب تزریق می‌شود. برای ایجاد تعادل، گازهای محلول وارد این حباب‌ها شده و بیرون رانده می‌شوند. برای مثال حباب‌های نیتروژن یا کلر در حذف کردن گاز هیدروژن از آلیاژهای آلومینیوم بسیار مؤثر هستند. استفاده از ارتعاشات التراسونیک به تنهایی یا به همراه شستشوی گازی همچنین در کاهش گازهای محلول در آلیاژهای آلومینیوم مؤثر است.[۳]

یکی دیگر از راه‌های کاهش گازهای محلول در مذاب، واکنش دادن آن با یک ماده دیگر و ساخت ترکیباتی سبک می‌باشد. این ترکیبات سبک سپس به صورت کفی بر روی محلول مذاب جمع می‌شوند و می‌توان آنها را جمع‌آوری کرد. اکسیژن محلول در آلیاژهای مس را می‌توان با واکنش دادن آن با فسفر جمع‌آوری کرد. اکسیژن محلول در فولادها را می‌توان با آلومینیوم یا سیلیکا واکنش داد و جمع‌آوری کرد.[۳]

سیالیت و دمای ریختنویرایش

اگر مذاب قبل از اینکه به صورت کامل از مسیرها عبور کرده و قطعه را پرکند، منجمد شود، عیوبی از قبیل نیامد (misrun) یا سرد بستن (Cold Shut) ایجاد می‌گردند. به قابلیت حرکت روان ماده مذاب و پر کردن قطعه سیالیت گفته می‌شود. عواملی از قبیل میزان نازکی سطح قابل ریختن، طول این قسمت نازک، میزان دقت جزئیات ساخته شده، و قابلیت پر کردن نقاط دوردست و دشوار به سیالیت مذاب بستگی دارند.[۳]

نقش سیستم راهگاهیویرایش

 
فرایند ریخته‌گری ماسه ای

از آنجایی که احتمال حضور ناخالصی‌ها در جبهه جلویی مذاب بیشتر است (به دلیل اینکه ذرات ناخالصی موجود در مسیر را با خود می‌شورد و جلو می‌برد)، ایجاد چاهک راه گاه (runner well) یا تعمیم راه گاه (runner extension) می‌تواند از ورود این ناخالصی‌ها به حفره اصلی جلوگیری کند. برای به دام انداختن ناخالصی‌ها می‌توان از صافی‌ها یا توری‌های سرامیکی نیز در داخل شبکه راهگاهی استفاده کرد. برای فلزات غیرآهنی می‌توان از توری‌های سیمی استفاده کرد در حالیکه برای فولادها و چدن‌ها معمولاً از توری‌های سرامیکی استفاده می‌شود.[۳]

انقباض انجمادویرایش

اکثر فلزات مذاب زمانیکه منجمد می‌شوند، کاهش حجم پیدا کرده و منقبض می‌شوند. انقباض (Shrinkage) از سه مرحله اصلی تشکیل می‌شود:

  1. انقباض مایع زمانی که تا دمای شروع به انجماد خنک می‌شود.
  2. انقباض انجماد زمانی که مایع تبدیل به جامد می‌شود.
  3. انقباض ماده جامد زمانیکه قطعه جامد تا دمای اتاق خنک می‌شود.

میزان انقباض فلز مایع بستگی به ضریب انقباض حرارتی و میزان سوپرهیت دارد. معمولاً انقباض مایع هیچ مشکلی در ریخته‌گری ایجاد نمی‌کند. با ورود فاز مایع به جامد از آنجایی که ساختارهای کریستالی مواد بسیار بهینه هستند حجم ماده کاهش محسوسی پیدا می‌کند.[۳]

درصد انقباض انجماد مواد برخی از فلزات مهندسی
آلومینیم ۶٫۶
مس ۴٫۹
منیزیم ۴٫۰
روی ۳٫۷
فولاد کم-کربن ۲٫۵–۳٫۰
فولاد پر-کربن ۴٫۰
چدن سفید ۴٫۰–۵٫۵
چدن خاکستری منفی ۱٫۹

فلزات خالص و آلیاژهای یوتکتیک که دارای بازه انجماد کوچکی هستند، تمایل دارند حفره‌های بزرگی به شکل لوله ایجاد کنند. با طراحی ریخته‌گری به گونه ای که انجماد به صورت جهت دار بوده و در نتیجه انجماد ابتدا در دورترین نقطه از دروازه یا رایزر شروع شود، می‌توان از شکل گرفتن آن در داخل قطعه اصلی جلوگیری کرد. با انجماد قطعه از انتها، مذاب ورودی این انقباض را جبران می‌کند. در نهایت انتظار داریم حفره ناشی از انقباض در خارج قطعه و به محلی مانند رایزرها یا شبکه راهگاهی منتقل شود.[۳]

در آلیاژهایی که ناحیه انجماد بزرگی دارند، زمانی وجود دارد که ماده از یک مخلوط جامد-مایع (گل و شل) تشکیل شده‌است. با خنک شدن ماده، میزان نسبی مواد جامد به مواد مایع بیشتر شده و در نهایت مواد مذاب در بین ماده ای جامد به دام می‌افتند. در این حالت امکان افزودن مذاب اضافی به این محل‌ها وجود ندارد، و قطعه ریختگی ایجاد شده معمولاً حاوی تعداد زیادی حفره‌های کوچک است. کنترل این گونه انقباض بسیار دشوار بوده و معمولاً شکلگیری محصولات متخلل اجتناب ناپذیر است.[۳]

رایزرها و طراحی رایزرهاویرایش

رایزرها مخزن‌هایی هستند که برای جبران انقباض ناشی از انجماد بر روی قالب طراحی می‌شوند. برای این منظور رایزرها باید به گونه ای طراحی شوند که پس از انجماد قطعه منجمد شوند. اگر این اتفاق برعکس بیفتد، یعنی ابتدا رایزرها منجمد شده و ماده از قطعه به سمت رایزرها کشیده شود، عیب ناشی از انجماد بیشتر خواهد شد. اگر یک انجماد جهت دار امکان‌پذیر نباشد، ممکن است به رایزرهای چندگانه نیاز باشد، تا هر قسمت از قطعه در جهت رایزر خود منجمد شود. معمولاً رایزرها را به شکل استوانه می‌سازند.[۳]

رایزرها انواع مختلفی دارند. رایزر بالاسری (Top Riser) مستقیماً بر روی سطح بالایی قطعه قرار داده می‌شود. رایزرهای کناری (Side Riser) در مجاورت حفره قالب قرار داده شده و به صورت افقی امتداد داده می‌شوند. اگر رایزر کاملاً در داخل قالب محصور بوده و به بیرون راه نداشته باشد به آن رایزر کور (Blind Riser) گفته می‌شود. اگر رایزر به اتمسفر راه داشته باشد رایزر باز (Open Riser) نامیده می‌شود. رایزرهای زنده یا داغ (Live riser) رایزرهایی هستند که آخرین ماده مذاب وارد شده به داخل قالب به داخل آنها ریخته می‌شود و این زمانی است که حفره کاملاً پر شده و در حال خنک شدن است. در نتیجه رایزرهای زنده می‌توانند کوچکتر از رایزرهای مرده یا سرد (Dead Riser) باشند. رایزرهای مرده رایزرهایی هستند که قبل از پر شدن کامل حفره پر می‌شوند. رایزرهای بالاسری تقریباً همیشه رایزرهای مرده هستند. رایزرهایی که جزوی از شبکه راهگاهی هستند معمولاً رایزرهای زنده محسوب می‌شوند.[۳]

کمکی‌های رایزرویرایش

روش‌های مختلفی برای کمک به سیستم رایزر توسعه داده شده‌است. برخی انجماد جهت دار را تقویت کرده و هدف برخی دیگر کاهش تعداد و اندازه رایزرها و در نتیجه کاهش هزینه ریخته‌گری است. این کار معمولاً یا از طریق افزایش سرعت انجماد (با استفاده از خنک‌کننده‌ها (Chill)) یا تأخیر در انجماد رایزر (با استفاده از غلاف (Sleeve)) انجام می‌شود.

خنک‌کننده‌های خارجی معمولاً موادی با ظرفیت گرمایی و رسانش گرمایی بالا هستند (مانند فولاد، گرافیت یا مس)، که در مجاورت حفره قرار داده می‌شوند تا حرارت را به سرعت به خود جذب کرده و باعث انجماد سریع حفره شوند. خنک‌کننده‌ها می‌توانند انجماد جهت دار را تقویت کرده، یا فاصله مؤثر رایزرها را افزایش دهند. معمولاً برای جلوگیری از اتصال خنک‌کننده‌ها به قطعه بر روی آن پودر سیلیس می‌پاشند. خنک‌کننده‌های داخلی قطعاتی فلزی هستند که در داخل حفره قرار داده می‌شوند. این قطعات فلزی گرما را به خود جذب کرده و باعث تسریع در انجماد قطعه می‌شوند. خنک‌کننده‌های داخلی در نهایت جزوی از قطعه نهایی می‌شوند، به همین دلیل باید یا از آلیاژی مشابه آلیاژ ریخته شده بوده یا با آن سازگار باشد.[۳]

انجماد رایزرها را با روش‌های مختلفی می‌توان به تأخیر انداخت. برای مثال استفاده از یک غلاف عایق در دور رایزر یا قرار دادن یک ماده با واکنش گرماده در اطراف آن از روش‌های متداول تأخیر در انجماد رایزر است.[۳]

الگوهاویرایش

روش‌های ریخته‌گری را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد: ریخته‌گری در قالب‌های یکبار مصرف و ریخته‌گری در قالب‌های چندبارمصرف. اکثر فرایندهای ریخته‌گری در قالب‌های یکبار مصرف با یک الگو شروع می‌شوند. الگو (Pattern) یک نمونه فیزیکی از قطعه ای است که قرار است ریخته‌گری شود. ابعاد الگو طوری اصلاح شده که هم فرایند ریخته‌گری را در نظر می‌گیرد و هم ماده ای که قرار است ریخته شود. الگوها را می‌توان از مواد مختلفی ساخت. جنس الگوها بر اساس عمر عبارتند از: یونولیت یا موم (یکبارمصرف)، چوب نرم (۱۰۰ عدد قالب)، چوب سخت (۵۰۰ عدد قالب)، اپوکسی یا پلی یورتان (۷۵۰ تا ۱۰۰۰ عدد قالب)، آلومینیوم (۲۰۰۰ عدد قالب)، چدن (۵۰۰۰ عدد قالب). امروزه بیش از ۵۰ درصد الگوها را از پلی یورتان می‌سازند.[۳]

به اصلاحات ابعادی انجام شده بر روی الگو allowance می‌گویند و مهم‌ترین آنها shrinkage allowance می‌باشد که اصلاحات ابعادی مربوط به انقباض قطعه است. پس از انجماد، یک قطعه ریخته‌گری تا رسیدن به دمای محیط منقبض می‌شود. برای جبران این انقباض الگو باید درصدی بزرگتر از قطعه نهایی در دمای محیط باشد. مقدار دقیق این درصد انقباض بستگی به جنس ماده ریخته شده و اختلاف دمای قطعه با محیط دارد و می‌توان از رابطه زیر آن را تخمین زد:

 

در این رابطه α برابر ضریب انبساط طولی حرارتی ماده است. برخی allowance متداول برای فلزات مهندسی مطابق جدول زیر است:[۳]

مقدار allowance برخی از فلزات مهندسی
چدن ۰٫۸ الی ۱٫۰ درصد
فولاد ۱٫۵ الی ۲ درصد
آلومینیوم ۱٫۰ الی ۱٫۳ درصد
منیزیم ۱٫۰ الی ۱٫۳ درصد
برنج ۱٫۵ درصد

اگر قطعه نیاز به سطحی صیقلی و ماشین کاری داشته باشد، باید برای آن فضای ماشین کاری (machining allowance) یا فضای پرداخت نیز درنظر گرفت. برخی الگوها نیاز به اصلاح ابعادی دیگری دارند که جهت جبران اعوجاج یا تاب قطعه نهایی است. برای مثال یک مقطع U-شکل را در نظر بگیرید. در هنگام انجماد قطعه در داخل قالب بازوهای این قطعه توسط قالب محدود شده و قسمت پایین U منقبض خواهد شد. قطعه نهایی یک قطعه U-شکل با بازوهای باز خواهد بود. اگر بازوهای الگو کمی جبران اعوجاج داشته باشد و کمی به سمت داخل طراحی شود، نتیجه این خواهد بود که قطعه نهایی شکل U کامل خواهد داشت.[۳]

ریخته‌گری در قالب‌های یکبار مصرف (Expendable)ویرایش

در این روش از قالب‌های یکبار مصرف استفاده می‌شود. این قالب‌ها پس از یک بار ذوب ریزی برای بیرون کشیدن قطعه از بین می‌روند. پرکاربردترین نوع این قالب‌ها، قالب‌های ماسه‌ای است که به تبع به این نوع ریخته‌گری، ریخته‌گری در قالب ماسه‌ای (Sand casting)، گفته می‌شود. ماسه‌ها انواع گوناگونی دارند، مانند ماسه‌های سیلیسی، ماسه چراغی، ماسه زیرکونیایی و غیره… برای ساخت برخی از قالب از سیلیکات سدیم (آب شیشه) به عنوان چسب استفاده می‌شود که از گاز CO2 برای سفت کردن آن استفاده می‌شود. همچنین در دو روش ریخته‌گری در قالب گچی (Plaster mold casting) و روش ریخته‌گری دقیق (Investment Casting) نیز قالب‌های ریخته‌گری که به ترتیب از جنس گچ و سرامیک هستند نیز از این فرایند پیروی می‌کنند.

ریخته‌گری در قالب‌های دائمی (Permanent)ویرایش

این نوع ریخته‌گری در قالب‌های فلزی انجام می‌گیرد. منظور از ریخته‌گری غیر انبساطی، ریخته‌گری در قالبی است که قابلیت انبساط ندارد. این قالب‌ها را قالب‌های دایمی (Permanent Mold) نیز می‌نامند. از ویژگی‌های این قالب‌ها می‌توان به بازگرداندن فشار مذاب به خود آن اشاره کرد، که این امر باعث کاهش درصد انقباض و عیوب ناشی از آن می‌شود. همچنین در قالب‌های فلزی به دلیل بالا بودن سرعت انتقال حرارت نسبت به قالب‌های ماسه‌ای ساختارهای ریخته‌گری ریزتر و خواص مکانیکی اغلب بالاتر است. از روش‌های ویژه و پرکاربرد این نوع ریخته‌گری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • ریخته‌گری با فشار کم (Low Pressure Die Casting): ریخته‌گری با فشار کم مذاب در قالب فلزی. در این روش مذاب بدون تلاطم و از پایین وارد فضای قالب می‌شود. این روش یکی از پر کاربردترین روش‌ها در تولید قطعات آلومینیومی با خواص مکانیکی بالا است.
  • ریخته‌گری با فشار بالا (High Pressure Die Casting): ریخته‌گری با فشار بالای مذاب در قالب فلزی. در این روش مذاب با فشار بالا وارد محفظه قالب می‌شود. در اینجا خواص مکانیکی اهمیت کمتری دارد ولی تعداد تولید بالا بسیار مهم است.

عیوب ریخته‌گریویرایش

با توجه به دو فرایند اصلی در ریخته‌گری شامل جریان سیال و انجماد، عیوب ریخته‌گری در آن شامل موارد زیر می‌شوند:

عیوب ناشی از جریان سیال: نیامد، جوش سرد، حبس هوا، حفرات گازی و رود آخال و سرباره و فیلم‌های اکسیدی به داخل جریان سیال.

عیوب ناشی از انجماد: حفره‌های درشت، حفره‌های ریز، تنش باقی‌مانده، ترک گرم و ترک سرد.

  • گسیختگی گرم (Hot tear): ترک‌هایی هستند که معمولاً در ناحیه تغییرات در بخش یا کانتوری که لزوماً ناگهانی نیست رخ می‌دهد. آن‌ها زمانی اتفاق می‌افتند که برخوردی بین دانه‌های رشد یافتهٔ ستونی هنگام انجماد رخ دهد. گسیختگی‌های گرم یک پوستهٔ اکسید شده روی سطح ترک خورده داشته و معمولاً بر روی سطح یا کمی پایین‌تر از سطح یافت می‌شوند. آن‌ها معمولاً در گروه‌هایی که یا در یک خط یا در چند خط مختلف هستند یافت می‌شوند. گسیختگی‌های گرم اغلب به واسطه هندلینگ سخت پس از جامد شدن به‌طوری‌که پیش از سرد شدن تا دمای محیط محدود به انبساط توسط سیستم قالب/هسته یا دمای خیلی بالا حین جدایش مذاب از قالب ایجاد می‌شوند.[۴]
  • ترک وابسته به محدود شدن: این نوع عیوب به واسطه خنک کاری غیر یکنواخت که باعث افزایش تنش‌های محلی می‌شوند به وجود می‌آیند. محور اصلی آن‌ها در امتداد جهت تنش اعمال شده و معمولاً خطوط ناصافی هستند با نقاط متعدد که با فاصله از محور اصلی قرار گرفته‌اند.
  • ترک‌های سرد (Cold tear): این عیوب زمانی‌که مذاب از قالب جدا شده و تا دمای محیط خنک می‌شود رخ می‌دهند. این نوع ترک نشانی از اکسید شدن به همراه ندارد. این عیوب به اندازه تار مو نازک بوده و شناسایی آن‌ها بشدت دشوار است. این ترک‌ها معمولاً زمانی‌که مقدار زیادی تنش پسماند در قطعه وجود دارد رخ می‌دهد. تنش بالا ممکن است در اثر خنک کاری ناموزون در قالب یا محدودیت در برابر انقباض فلز و تنش‌هایی که از استحکام ماده بیشتر است رخ دهد.
  • انقباض (Shrinkage): زمانی‌که فلزات تحت حرارت قرار می‌گیرند، منبسط می‌شوند، و وقتی که خنک می‌شوند منقبض. بیشتر آهن‌ها، ضریب ۰٫۰۰۰۰۱۱ بر درجه سانتیگراد را دارند. در سیستم متریک این به معنای آن است که یک میلهٔ فلزی آزاد با طول یک متر، به اندازه یازده میلیونیوم در متر یا یازده هزارم میلی‌متر به ازای یک درجه سانتیگراد افزایش دما، افزایش طول می‌یابد. افزایش دما به اندازهٔ ۱۰۰۰ درجه موجب افزایش طول میله به اندازه ۱۱ میلی‌متر خواهد شد.

در حین فرایند انجماد، بیشتر فلزات کاهش حجمی بین ۳ تا ۷ درصد را تجربه می‌کنند. زمانی‌که فلزات منجمد می‌شوند، منقبض شده و در مورد یک شمش، انقباض در کاهش سطح مقطع ان رخ می‌دهد. به دلیل الگوهای انتقال حرارت، آخرین ناحیه‌ای که منجمد می‌شود در مرکز و به سمت بالای شمش است. در ابتدا مقدار درجه مایع با فرایند انجماد، کاهش می‌یابد. به تدریج، فلز در سطح خود منجمد می‌شود. فرایند انجماد از لبه‌ها شروع و به سمت داخل شروع می‌شود و باعث ایجاد فرو رفتگی v شکل روی سطح می‌شود. پس از مدتی حفرهٔ اولیه در تماس با سطح باز و سپس حفرهٔ ثانویه تشکیل می‌شود.

  1. دستهٔ اول، گازهایی که در مذاب وجود دارند می‌توانند هم‌زمان با انجماد قطعه، سخت شوند و به دلیل انجماد حلالیت آن‌ها در قطعه کاهش یافته و گیر می‌افتند.
  2. دستهٔ دوم، اگر قالب در شرایط خیلی بدی پر شده باشد، هوا می‌تواند وارد جریان فلز شده و سپس هم‌زمان با منجمد شدن قطعه به دام بیفتد.
  3. دستهٔ سوم چسب شن وماسه که از آن‌ها برای شکستن قالب زمانی‌که در تماس با مذاب و محصولات گازی قرار می‌گیرند و آن‌ها را مجبور به انجماد می‌کند که باعث ایجاد چنین عیبی می‌شود.
  • حبس هوا: این عیب زمانی رخ می‌دهد که هوا در داخل مذاب به دام افتاده و نمی‌تواند فرار کند؛ بنابراین مذاب نیز نمی‌تواند حفرهٔ ایجاد شده را پر کند. لبه‌های مجاور به این قسمت‌ها معمولاً گرد بوده و براق هستند.
  • پوست زخم (Scar): یک لایهٔ نازک و نامنظم از فلز مذاب که روی سطح قالب یا بوسیلهٔ یک نقطه یا چند نقطه که توسط یک لایه نازک ماسه از هم جداشده‌اند، چسبیده شده‌است. این عیب معمولاً در مقاطع فرورفته یا شیار دار و روی سطح ریخته‌گری شده مشاهده می‌شود. این عیب معمولاً پیش از اینکه فلز مذاب، قالب را به‌طور مساوی پر کند به وجود آمده و حرارت نامساوی باعث منحرف شدن لایه‌ای از ماسه و نهایتاً جداشدن آن از روی سطح شده و به فلز مذاب اجازهٔ جاری شدن در پشت ماسه را می‌دهد.
  • انجماد سطح (Cold Shut): عیبی که بواسطهٔ ذوب ناقص بین جریان‌های مذاب به دلیل هندسهٔ قالب که باعث می‌شود دو یا چند جبههٔ جریان مذاب با یکدیگر ملاقات کنند. اگر دمای فلز مذاب خیلی پایین باشد، باعث ایجاد اختلال در فرایند جاری شدن می‌شود. فلز ذوب نشده و اگر عیب بر روی سطح باشد، همچون یک شیار باریک با لبه‌های گرد مشاهده می‌شود.
  • فلاش (Flash or Wash): این دسته از عیوب، تصاویری به شکل ویفر با ضخامت‌های متفاوت که در مفاصل قالب، به دور هسته یا بین هسته و مفاصل رخ می‌دهند. این عیب به دلیل عدم دقت بین قالب و سطوح هسته که باعث بازشدن سوراخ و ورود مذاب به آن می‌شود.
  • ناپیوستگی در ریخته‌گری (Discontinuity): زمانی‌که فلز پروسهٔ تولید را طی می‌کند، مذاب به تدریج به شکل شمش در می‌آید. در حین فرایند انجماد، مواد خارجی و حباب‌ها ممکن است در داخل شمش به دام افتاده و آنچه که تحت عنوان ناپیوستگی ذاتی است را تشکیل دهند. چنین ناپیوستگی‌هایی را در نهایت می‌توان نورد، آهنگری و به قطعات مختلف به همراه سایر مواد در ادامه مراحل ساخت انجام داد. تعداد متعددی از ناپیوستگی‌ها معمولاً در فلزات رخ می‌دهند.[۵][۶][۷][۸]

انقباض و اعوجاجویرایش

انقباض به شکل ذاتی در فرایند قالبگیری تزریقی رخ می‌دهد زیرا چگالی پلیمر از دمای فرایند تا دمای محیط متفاوت است. در طی قالبگیری (ریخته‌گری) تزریقی، انقباض و تغییر در کل سطح و در طول سطح مقطع یک قسمت باعث ایجاد تنش‌های داخلی می‌شود. این تنش‌های به اصطلاح باقیمانده در یک قسمت با تأثیرات مشابه فشارهای خارجی اعمال می‌شوند. اگر تنش‌های باقیمانده ناشی از قالبگیری به اندازه کافی زیاد باشد تا بر یکپارچگی ساختاری یک قسمت غلبه کند، این قسمت از قالب به سمت خارج از قالب پیچیده می‌شود یا بر اثر بارگذاری خارجی ترک برمی‌دارد.[۹]

انقباضویرایش

مواد کریستالی و نیمه کریستالی به ویژه مستعد انقباض حرارتی هستند؛ مواد آمورف میل به انقباض کمتری دارند. هنگامی که مواد کریستالی زیر دمای گذار آنها خنک می‌شوند، مولکول‌ها خود را با شیوه ای منظم تر مرتب می‌کنند و کریستال‌ها را تشکیل می‌دهند. از طرف دیگر ساختار ساختار مواد آمورف با تغییر فاز تغییر نمی‌کند. این تفاوت منجر به مواد بلوری و نیمه کریستالی می‌شود که اختلاف بیشتری در حجم مخصوص ( ) بین فاز مذاب آنها و فاز جامد (کریستالی) دارند.

دلایل انقباض بیش از حد قطعهویرایش

انقباض بیش از حد، فراتر از حد تحمل، می‌تواند ناشی از عوامل زیر باشد. رابطه انقباض با چندین پارامتر پردازش و ضخامت قطعه به صورت شماتیک در شکل ۲ ترسیم شده‌است.

  • فشار تزریق کم
  • زمان کوتاه نگه داشتن بسته یا زمان خنک‌کننده
  • دمای ذوب بالا
  • درجه حرارت بالا قالب
  • کم نگه داشتن فشار

مشکلات ناشی از کوچک شدن بخشیویرایش

انقباض حجمی بدون جبران منجر به علامت سینک یا حفره در فضای داخلی قالب می‌شود. کنترل انقباض قطعات در بخش، قالب و طراحی فرایندها از اهمیت ویژه ای برخوردار است، به ویژه در برنامه‌هایی که نیاز به تحمل زیادی دارند. برش‌هایی که منجر به علامت سینک یا خالی شدن می‌شوند با فشردگی حفره پس از پر کردن می‌توانند کاهش یا از بین بروند. همچنین، طراحی قالب باید انقباض را در نظر بگیرد تا از ابعاد قسمت مطابقت داشته باشد. انقباض بخشی که توسط C-MOLD پیش‌بینی شده راهنمایی مفید برای طراحی مناسب قالب ارائه می‌دهد.[۱۰]

اعوجاجویرایش

اعوجاج انحرافی است که به دلیل اینکه سطوح قسمت قالب ریزی شده از طرح شکل مورد نظر پیروی نمی‌کنند، رخ می‌دهد. قسمت اعوجاج یافته ناشی از تنش‌های باقیمانده قالب ریزی شده‌است، که به نوبه خود، ناشی از انقباض دیفرانسیلی مواد در قسمت قالب است. اگر انقباض در طول قسمت یکنواخت باشد، قالب تغییر شکل نمی‌یابد و دچار اعوجاج نمی‌شود و به سادگی کوچکتر می‌شود. با این وجود دستیابی به انقباض کم و یکنواخت به دلیل وجود و تعامل بسیاری از عوامل مانند جهت‌گیری‌های مولکولی و بافتی، خنک کردن قالب، طراحی قطعات و قالب و شرایط فرایند کار پیچیده‌ای است.[۱۱]

اعوجاج به علت انقباض دیفرانسیلیویرایش

اعوجاج در قطعات قالب‌گیری حاصل انقباض دیفرانسیلی است. تغییر در انقباض می‌تواند ناشی از جهت‌گیری مولکولی و بافتی، تغییرات دما در قسمت قالب ریزی شده و فشردگی متغیر مانند فشردگی بیش از حد در ورودی و فشردگی کم‌تر در قسمت‌های جزئی یا سطوح مختلف فشار به عنوان مواد در تمام ضخامت قسمت تثبیت می‌شود، باشد. این دلایل به‌طور کامل در زیر توضیح داده شده‌است.

تفاوت در مواد پرشده و پرنشدهویرایش

انقباض دیفرانسیلی برای مواد پر و پر نشده در شکل ۳ در زیر نشان داده شده‌است. هنگامی که انقباض دیفرانسیلی باشد و در سراسر ضخامت قسمت و قسمت ناهمسانگرد است، تنش‌های داخلی ایجاد شده می‌تواند منجر به ایجاد اعوجاج شود.

در مواد پرشده برای ترموپلاستیک‌های پر از فیبر، الیاف تقویت کننده به دلیل انقباض حرارتی کمتر و مدول بالاتر، انقباض را مهار می‌کنند؛ بنابراین، مواد پر از فیبر در امتداد جهت که در آن الیاف تراز می‌شوند (به‌طور معمول جهت جریان) در مقایسه با انقباض در جهت عرضی کمتر، کمتر دچار انقباض می‌شوند. به‌طور مشابه، ترموپلاستیک‌های پر از ذرات بسیار کمتر از دانه‌های پر نشده کاهش می‌یابد.

از طرف دیگر در مواد پرنشده، اگر یک قسمت قالب پر نشده حاوی مقادیر زیادی جهت‌گیری مولکولی باشد، انقباض ناهمسانگرد است زیرا زنجیره‌های تراز وسط تا حدود زیادی در جهت جهت‌گیری کوچک می‌شوند.

پلیمرهای بلوری مایعویرایش

برای پلیمرهای کریستال مای(LCPs)، به کمک ساختار خود تقویت شونده منظم شده‌است تا گرایش خود به انقباض ناهمسانگرد را نمایش دهد.

خنک سازی غیر یکنواخت در سراسر ضخامت قطعهویرایش

خنک سازی غیر یکنواخت در قطعه و خنک سازی نامتقارن در ضخامت قطعه از حفره قالب و هسته نیز می‌تواند باعث انقباض دیفرانسیلی شود. ماده از دیواره قالب به مرکز منقبض و خنک می‌شود و پس از بیرون آوردن باعث ایجاد اعوجاج می‌شود.

تغییر ضخامت قطعهویرایش

با افزایش ضخامت دیواره، انقباض افزایش می‌یابد. انقباض دیفرانسیلی به دلیل ضخامت غیر یکنواخت دیواره یکی از دلایل عمده وجود اعوجاج در ترموپلاستیک‌های تقویت نشده‌است. به‌طور خاص، نرخ خنک سازی‌های مختلف و سطوح تبلور به‌طور کلی در قسمت‌هایی با بخش‌هایی با ضخامت دیواره متفاوت ایجاد می‌شود. این امر باعث انقباض دیفرانسیلی و در نتیجه اعوجاج می‌شود، همان‌طور که در شکل ۵ در زیر نشان داده شده‌است.

عدم تقارن یا انحنای هندسی جزئیویرایش

عدم تقارن هندسی (به عنوان مثال، یک صفحه صاف با تعداد زیادی دنده که در یک جهت یا در یک طرف قطعه قرار گرفته‌اند) خنک سازی غیر یکنواخت و انقباض دیفرانسیلی را معرفی می‌کند که می‌تواند منجر به اعوجاج شود، همان‌طور که در شکل ۶ در زیر نشان داده شده‌است.

فرآوری و پرداخت ریخته‌گریویرایش

پس از انجماد و خنک شدن، قطعه باید فراوری و پرداخت شود. فرایندها و سطح پرداخت مورد نیاز بستگی به فرایند ریخته‌گری و نوع فلز ریخته شده دارد. در حالت کلی قطعه باید از درخت مونتاژ یا سیستم راهگاهی و رایزرها جدا شود. پس از این مرحله برای حذف رگه مذاب جاری شده در ناحیه خط جدایش و بهبود سطح از فرایندهای زیر استفاده می‌شود:[۱۲]

بسته به آلیاژ ریختگی و الزامات، ممکن است قطعه نیاز به عملیات حرارتی و تعمیر عیوب توسط جوشکاری، یا پرسکاری ایزواستاتیک گرم نیز داشته باشد.

لرزش و تخریب ماهیچه‌هاویرایش

پس از انجماد قطعه و خنک شدن آن در قالب‌های ماسه ای، قطعه باید از قالب ماسه ای جدا شود. در روش ماسه تر یا ماسه چسب دار برای تخریب قالب و جدا کردن ماسه از قطعه انرژی زیادی نیاز است. برعکس در روش‌هایی مانند ریخته‌گری دقیق برای تخریب قالب انرژی زیادی نیاز نیست.

تخریب قالب‌های ماسه ای ممکن است توسط شیکرهای نوارنقاله ای، شبکه‌های لرزشی، یا سایر وسایل ارتعاشی و دوران مکانیکی انجام شود. برخی قطعه‌ها اگر خیلی زود از قالب جدا شوند ترک می‌خورند و برخی باید به صورت کنترل شده‌ای خنک شوند تا ریزساختار موردنظر ایجاد گردد.[۱۲]

جستارهای وابستهویرایش

منابعویرایش

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ J. T. Black, Ronald A. Kohser (۲۰۱۹). DeGarmo's Materials and Processes in Manufacturing (ویراست ۱۳). صص. ۲۲۲. شابک ۱-۱۱۹-۷۲۳۲۹-۹.
  2. B. RAVI. METAL CASTING: COMPUTER-AIDED DESIGN AND ANALYSIS (ویراست ۱). شابک ۰-۴۷۱-۶۵۶۵۳-۴.
  3. ۳٫۰۰ ۳٫۰۱ ۳٫۰۲ ۳٫۰۳ ۳٫۰۴ ۳٫۰۵ ۳٫۰۶ ۳٫۰۷ ۳٫۰۸ ۳٫۰۹ ۳٫۱۰ ۳٫۱۱ ۳٫۱۲ ۳٫۱۳ ۳٫۱۴ ۳٫۱۵ J. T. Black, Ronald A. Kohser. DeGarmo's Materials and Processes in Manufacturing. صص. ۲۲۳–۲۳۵. شابک ۱-۱۱۹-۴۹۲۹۳-۹.
  4. Nondestructive Testing Handbook, Third Edition: Volume 9, Visual Testing, Chapter 8: Visual Testing of Metals
  5. 1.Nondestructive Testing Handbook, Third Edition: Volume 9, Visual Testing, Chapter 8: Visual Testing of Metals
  6. 2.Product Technology, Training course, Chapter 4: Casting
  7. Nondestructive Testing, Magnetic Particle, Second Edition
  8. Magnetic Particle And Liquid Penetrant Testing
  9. «Shrinkage and Warpage». www.dc.engr.scu.edu. دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۰۶-۱۰.
  10. "Injection Molding: The Causes of Warpage". www.ptonline.com. Retrieved 2020-06-10.
  11. «Distortion - Types and Causes». www.twi-global.com (به انگلیسی). دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۰۶-۱۰.
  12. ۱۲٫۰ ۱۲٫۱ Steve Lampman, Charles Moosbrugger, Eileen DeGuire (۲۰۰۸). ASM Handbook: Casting. Volume 15. ASM International. صص. ۵۱۳.
  • داود دستپاک (۱۳۸۵)، «فصل اول»، فرهنگ لغات و اصطلاحات ریخته‌گری، تهران، ص. صفحهٔ ۳۵، شابک ۹۷۸-۹۶۴-۰۶-۸۵۷۹-۲