ريخته گری

ريخته گری
ريخته گری يکی از مهمترين فرآيند های توليد است ، به طوري که مثلا در ايالات متحده آمريکا که يک کشور توسعه يافته صنعتی می باشد، ريخته گری از نظر حجم در مقام ششم صنايع اساسی قرار دارد. يک موتور 8 سيلندر اتومبيل ممکن است تا حدود 130 قطعه ريخته گری داشته باشد. قطعات ريخته گری (ريختگی) از نظر اندازه از حدود 1 ميليمتر با وزن کمتر از 1 گرم مانند دندانه يک زيپ لباس شروع و ممکن است تا حدود 10 متر با وزن چندين تن، مانند قطعات کشتی های بزرگ اقيانوس پيما برسد.
در فرآيند ريخته گری اگر قطعه حاصل از توليد به شکل نهايی باشد آن را قطعه ريختگي (Casting) و اگر به شکل واسطه باشد که بعدا به شکلها و مقاطع مختلف تبديل شود آن را شمش (Ingot) می نامند.
ريخته گری اساسا به فرآيندی گفته می شود که طي آن ماده مذاب ( معمولا يک فلز مذاب) در فضای خالی قالبی که قبلا تهيه شده ريخته می شود ، تا پس از انجماد شکل نهايی قالب را به خود بگيرد. امتياز مهم ريخته گری در امکان تهيه اشکال پيچيده، قطعات با سطوح منحنی نامنظم، قطعات خيلی بزرگ و قطعاتي که امکان ماشينکاری آنها دشوار است، می باشد.امروزه تقريبا تمام فلزات را می توان ريخته گری کرد، اما اين نکته هميشه بايد مد نظر باشد که از هر فرآيند شکل دهی زمانی استفاده می کنيم که در مقايسه با روشهای ديگرمقرون به صرفه بوده و دسترسی به تجهيزات و لوازم آن آسان باشد. البته هر فرايند شکل دهی مواد از عواملی نظيرتعداد ، اندازه، کاربرد قطعه و توجيه فنی و اقتصادی تاثير پذير خواهد بود.
فلزاتی که غالبا در ريخته گری مورد استفاده قرار می گيرند عبارتند از: آهن، فولاد، آلومينيم، برنج، برنز، منگنز و بعضی از آلياژهای روی. در ميان اين فلزات آهن از نظر خواص مطلوب ريخته گری از قبيل سياليت در حالت مذاب، انقباض نا چيز بعد از سرد شدن ، استحکام کافی و موارد کاربرد ، بيش از ساير فلزات به روش ريخته گری شکل داده می شود. در حاليکه فلزات ديگری از قبيل آلومينيوم به علت وزن کمتر و مشخصات مخصوص در بعضی از صنايع از قبيل صنعت خودرو سازی ، به تدريج جای آهن را می گيرد.
عموما مراحل ريخته گری فلزات به شرح زير است :
1- طراحی قطعه مورد نظر و تهيه نقشه ريخته گری از آن.
2- تهيه مدل مناسب قطعه از روی نقشه های ريخته گری.
3- تهيه مذاب از فلز مورد نظربا آناليز مطلوب.
4- تهيه قالب مناسب يا فضای خالی که به شکل قطعه است.
5- تهيه ماهيچه برای مناطق تو خالی قطعه ريختگی و نصب آن در داخل قالب.
6- ريختن فلز مذاب به داخل قالب با دما و سرعت مناسب به طوريکه گازهای متصاعد شده بتوانند از داخل قالب خارج شوند و فضای قالب به طور کامل از فلز مذاب پر شود.
7- کنترل سرد شدن فلز مذاب در داخل قالب به طوری که بر اثر انقباض، فضای خالی يا حفره در داخل قطعه ايجاد نشود.
8- بعد از انجماد قطعه ريختگی به راحتی بايد بتواند از درون قالب بيرون بيايد.
9- قسمت های اضافی که به قطعه چسبيده اند بايد به آسانی از قطعه جدا شوند.

تهيه قالب
تهيه قالب يکی از مهم ترين مراحل ريخته گری فلزات می باشد. توجيه پذيری اقتصادی، تعداد قطعه، اندازه قطعه، کيفيت سطح قطعه، پيچيدگی شکل قطعه از عوامل مهمی هستند که در قالب گيری يا تهيه قالب قطعات ريختگی بايد مدنظر قرار بگيرند. امروزه مهمترين روشهای قالب گيری ( تهيه قالب) فلزات به شرح زير می باشند:
1- ريخته گری در قالب ماسه ای
2- ريخته گری در قالب دائمی بدون فشار
3- ريخته گری در قالب دائمی تحت فشار( دايکاست)
4- ريخته گری گريز از مرکز که عمدتا در داخل قالب های فلزی صورت می گيرد. گرچه ممکن است در داخل قالب های ماسه ای نيز انجام شود.
5- ريخته گری بامدل های ذوب شدنی( Lost Wax Casting وLost Foam Casting ) که ريخته گری دقيقی برای قطعات بسيار بزرگ تکی می باشد.
6- ريخته گری پوسته ای ( Shell Molding )
7- ريخته گری در قالب گچی ( Plaster Molding) که معمولا برای قطعات دقيق و زينتی به کار می رود که از آلياژهايی که نقطه ذوب پائينی ( کمتر از 1000 درجه سانتيگراد ) دارند، ساخته می شوند.

تهيه مدل
مدل دقيق مشابه قطعه ريختگی می باشد که تغييراتی بر حسب نياز بر روی آن انجام می شود. مدل های دائمی بر حسب تعداد قطعات ريختگی از چوب، پلاستيکهای فشرده يا آلومينيم ساخته می شوند.
در ساخت مدل پارامترهايی بايد مد نظر قرار بگيرند که عبارتند از:
1- اعمال ضريب انقباض فلز
2- شيب مدل
3- گوشت اضافی برای ماشين کاری

اعمال ضريب انقباض فلز
معمولا اکثر فلزات به هنگام انجماد انقباض حجمی از خود نشان می دهند و قطعه پس از انجماد به طور پيوسته تا رسيدن به دمای محيط منقبض می شود. اين انقباض ممکن است تا 6 درصد نيز برسد. بنابراين در ساختن مدل حتما بايد انقباض حجمی فلز منظور شود. نسبت کاستی به حجم قطعه موجود به بيش از 2 درصد يا 25/0 اينچ در فوت می رسد. ضريب انقباض برای چند فلز معمول مهندسی به شرح زير است:
چدن 8/0 % الی 1 %
فولاد 5/1 % الی 2 %
آلومينيم 1 % الی 3/1 %
منيزيم 1 % الی 3/1 %
برنج وبرنز 5/1 %
معمولا اين ضرايب 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 ريخته گری شود ، در مدل چوبی علاوه بر ضرايب انقباض قطعه، ضرايب انقباض مدل فلزی نيز منظور می شود.البته استفاده از خط کش های انقباض بايد با دقت کافي انجام گيرد، زيرا انقباض حرارتی تنها عامل موثر بر تغيير ابعاد هنگام انجماد نيست. تبديل های فازی (شامل واکنش های يوتکتويدی، مارتنزيتی و گرافيتی شدن) نيز می توانند موجب انقباض ها يا انبساط های قابل توجهی شوند.
شيب مدل
در ريخته گری مدل های دائمی حتما بايد مدل بتواند به راحتی از داخل قالب بيرون بيايد. بنابراين قالب معمولا دو تکه است. رعايت دقت محل جدايش يا سطح جفت شونده دو قسمت قالب بسيار مهم است. همچنين برای سطوحی از مدل که به موازات جهت خروج از قالب هستند، بايد شيب مناسبی منظور نمود. اگر سطوح مدل دقيقا به موازات جهت خروج از قالب باشد بر اثر اصطکاک سطوح مدل با ديواره های قالب در موقع درآوردن مدل از قالب سطوح و ديواره های قالب کنده می شود. اين اشکال در گوشه ها و زاويه های تيز ديده خواهد شد. برای جلوگيری از اين کار در اين گونه صفحات شيبی منظور می شود که با شکل ، اندازه و عمق مدل در ماسه متناسب می باشد.
گوشت اضافی برای ماشين کاری
در اکثر قطعات ريختگی ، قطعات بعد از فرآيند ريخته گری، برای رسيدن به صافی سطح مطلوب و اندازه واقعی به انواع مختلفی از عمليات ماشين کاری نياز خواهند داشت. برای انجام اين ماشين کاری ها ابعاد مدل يا قطعه ريخته گری را تا اندازه ای بزرگتر از قطعه واقعی درنظرگرفته می شود.اين ابعاد اضافی راگوشت اضافی برای ماشين کاری می نامند.
آماده سازی ماسه قالب گيری
ماسه ای که برای ساخت قالب های ريخته گری به کار می رود عمدتا اکسيد سيليسم(SiO2) است. برای فلزاتی که نقطه ذوب بالايی دارند، از قبيل فولادها، از اکسيد زيرکونيم(ZrO2) استفاده می شود.قالبی که از ماسه ساخته می شود بايد استحکام کافی برای ريخته گری سالم قطعه مورد نظر را داشته باشد. علاوه بر آن هر ماسه ريخته گری حتما بايد دارای مشخصات زير باشد:
1- دير گدازی يا قابليت تحمل دمای فلز ريخته گری
2- چسبندگی يا قابليت نگهداشتن شکل مطلوب پس از قالب گيری
3- نفوذ پذيری يا قابليت عبور دادن گازها از خود
4- قابليت متلاشی شدن پس از انجماد فلز
برای تعيين مشخصات ماسه آزمايشهای استانداردی روی ماسه انجام می گيرد که عموما پارامترهای زير را تعيين می کند:
1- شکل ماده
2- اندازه دانه
3- توزيع دانه بندی
4- دمای ذوب ماسه
5- ناخالصی های ماسه ( ميزان خاک رس و ساير اکسيدهای زود گداز)
6- سختی، استحکام، نفوذ پذيری بعد از فشرده شدن ( تر و خشک)
7- تاثير مقادير افزودنی ها روی خواص ماسه

مختصری درباره ی فرآيند انجماد در ريخته گری
انجماد عامل ايجاد بسياری از ويژگی های ساختمانی است که کنترل کننده خواص محصول نهايی هستند. بسياری از نواقص ريخته گری از قبيل انقباض و تخلخل گازی از فرايند انجماد حاصل می شوند، که با دقت در فرايند و اشراف به نواقص حاصله تا حدود زيادی می توان از شدت اين نواقص بکاهيم. هر فرايند انجماد شامل دو مرحله می باشد که عبارتند از : جوانه زنی و رشد.
جوانه زنی
هنگامی که يک ذره جامدوپايداردرمايع مذاب تشکيل شود به اين عمل جوانه زنی (هسته سازی) می گوييم.هنگام تبديل به فاز جامد انرژی داخلی ماده کاهش می يابد ، زيرا در دماهای پايين تر، فاز جامد پايدارتر از فاز مايع است. در همين هنگام سطوح مشترکی بين نطفه های جامد و مايع مذاب اطراف تشکيل می شود که اين عمل نيازمند انرژی است. به همين علت جوانه زنی در دمايي که قدری کمتر از نقطه ذوب تعادلی فلز است، شروع می شود. به اختلاف بين دمای نقطه ذوب و دمای شروع جوانه زنی، فوق تبريد می گويند.
دربيشترکارگاه های بزرگ ريخته گری قبل ازريختن مذاب به درون قالب مقداری ناخالصی به آن اضافه می کنند ( به اين عمل تلقيح يا پالايش دانه نيز می گويند). دليل اين کار اين است که در اين حالت انجماد بدون ايجاد يک فصل مشترک کامل گرد هسته صورت می گيرد.معمولا جداره های داخلی قالب و ذرات جامدی که به عنوان ناخالصی وارد مذاب شده اند، اين سطوح را تشکيل می دهند. از آنجا که هر جوانه به بلور يا دانه ای در قطعه ريختگی منجر می شود و از طرفی ساختار ريز دانه دارای خواص مکانيکی و استحکام بهتری است، لذا هر عاملی که موجب هسته گذاری شود موجب بالا رفتن کيفيت محصول نهايی می شود. در نتيجه ذرات جامد ناخالصی مکانهای زياد مناسبی برای جوانه زنی در سرتاسر قطعه به وجود می آورند و در نتيجه محصول ريزدانه و يکنواخت به دست می آيد.
رشد
رشد وقتی صورت می گيرد که گرمای نهان ذوب به طور پيوسته از فاز مايع خارج شود.جهت، آهنگ و نوع رشد با با نحوه خارج کردن حرارت از فاز مايع ارتباط دارد. برای جبران نقيصه انقباض ، ماده مذابی که در طرف مايع وجود دارد، به طور پيوسته به طرف قالب جريان می يابد. هرچه آهنگ سرد کردن سريع تر باشد، ماده حاصله ريزدانه تر و در نتيجه دارای خواص مکانيکی بهتری خواهد بود.