ریخته‌گری ضد جاذبه

روش ریخته‌گری ضد جاذبه یا ریخته‌گری با کشش خلاء یا (Counter gravity casting)، یکی از روش‌های ریخته‌گری با قالب دائمی در فرایند ریخته‌گری است. این روش دارای برتری‌هایی در مقایسه با دیگر روش‌های سنتی ریخته‌گری است. این فرایند می‌تواند در ساختن پروفیل‌هایی با لبه‌ها و دیواره‌های نازک استفاده شود و فراورده را با صافی و جلای عالی سطح ارائه دهد. در ریخته‌گری خلاف گرانشی خواص مکانیکی محصول معمولاً ۱۰ تا ۱۵ درصد بهتر از روش ریخته‌گری گرانشی در ریخته‌گری با قالب‌های دائمی است. این فرایند برای تولید قطعاتی در بازهٔ وزنی حدود قابل استفاده است.Degarmo, E. Paul; Black, J. T. ; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.), Wiley, .

 مقدمه 
از اوایل قرن گذشته میلادی، تلاش­های مختلفی توسط مهندسین برای انتقال جریان فلز مذاب به درون قالب برخلاف جهت جاذبه زمین و تولید قطعات ریختگی انجام شده‌است. قالب­ها معمولاً درون یک جعبه خلاء قرار گرفته و توسط یک لوله پرکننده که تا خارج از قالب ادامه دارد پر می­شوند. لوله پرکننده در فلز مذاب غوطه ور بوده و اعمال خلاء در اطراف قالب فلزی باعث مکش مذاب به درون قالب می­گردد. در ابتدا فقط از قالب­های فلزی استفاده می­شد بطوری که در خلال جنگ جهانی دوم بسیاری از قطعات ریختگی آلومینیومی با کیفیت عالی به کمک ریخته­گری ضدجاذبه ساخته شدند، مشکل قالب­های فوق نفوذ ناپذیر بودن آن­ها و عدم امکان تخلیه هوای درون قالب می­باشد که جهت رفع این مشکل از منافذ کوچک تخلیه هوا در درون قالب­ها استفاده شد. در اوایل دهه 1970، روش­های جدیدی برای توسعه فرایند ریخته­گری ضدجاذبه در قالب­های غیرفلزی نفوذ پذیر ابتدا با استفاده از قالب­های سرامیکی دقیق و بعداً با استفاده از قالب­های ماسه­ای با چسب دمای پایین به کار گرفته شد. انواع فرایندهای ریخته­گری ضدجاذبه در فشار پایین به‌طور گسترده­ای توسط علامت­های اختصاری شناخته می­شوند؛ بنابراین، در ادامه از این اختصارها جهت سهولت بیان استفاده می­شود. انواع فرایندهای ریخته­گری ضدجاذبه با فشار پایین عبارتند از :
 ریخته‌گری ضد جاذبه آلیاژهای ذوب شده در هوا (CLA)
ریخته‌گری ضد جاذبه آلیاژهای ذوب شده در خلاء (CLV)
 ریخته‌گری با شیرکنترل‌کننده (CV)
 ضدجاذبه آلیاژهای ذوب شده در هوا در قالب ماسه ای (CLAS)

 فرایند CLA 
شکل روبرو به صورت شماتیک مراحل ریخته­‌گری فرایند CLA را نشان می­دهد. همانطور که مشاهده می­شود قالب سرامیکی درون جعبه خلاء قرار گرفته و مجموعه بر روی یک پایه نصب می­گردد. سپس جعبه خلاء به سمت پایین آمده و لوله پرکننده درون ذوب قرار می­گیرد و همزمان با اعمال خلاء، مذاب به درون قالب کشیده می­شود. پس از انجماد دریچه ورود مذاب به قطعه و انسداد آن، جریان خلاء قطع شده و مذاب موجود درون سیستم راهگاهی مجدداً به درون پاتیل باز می­گردد.

بندانگشتی|CLA نمائي از فرايند ريخته گري

از فرایند CLA برای ریخته¬گری تمامی فلزاتی که به‌طور معمول در هوا ذوب می¬شوند می¬توان استفاده کرد. مهم‌ترین مزایای این فرایند عبارتند از:

الف- امکان قالب¬گیری تعداد زیادی قطعه به صورت همزمان در هر نوبت قالب¬گیری 

ب- بهره ریخته¬گری بالا (حدود 90%) چراکه فلز مذاب درون سیستم راهگاهی مجدداً به درون پاتیل باز می¬گردد. 

ج- کاهش عیوب ریخته¬گری به دلیل آنکه لوله پرکننده همواره زیر لایه سطحی مذاب قرار دارد لذا مذاب تمیز و عاری از آخال وارد قالب می¬شود.

د- امکان تولید قطعات ظریف نازک با ضخامت دیواره¬ای به کوچکی 75/0 میلی¬متر به راحتی در حجم بالا و هزینه پایین وجود دارد.

 کاربرد فرایندهای CLA 
فرایند CLA جهت ساخت کلیه آلیاژهای فلزی در صنایع مختلف استفاده می¬شود. در صنایع خودروسازی برای تهیه اجزاء سیستم فرمان، قطعات گیربکس، محفظه پیش احتراق دیزل¬ها و انگشتی سوپاپ به کار می¬رود. در میان اجزاء تولید شده برای هواپیماها و صنایع هوافضا می¬توان به پروب¬های حرارتی، پروانه¬های پمپ سوخت، اجزاء بال¬ موشک، قطعات ترمز، بدنه پمپ¬ها و قطعات بدنه اشاره کرد. کاربردهای دیگر این روش شامل تولید قطعات بی¬شماری از ماشین¬آلات، قطعه سر چوب گلف، تیغه-ها، سوئیچ¬های کوچک، قطعات قفل، اجزاءاسلحه¬، اتصالات و شیرآلات می¬باشد.Samuel P. Wetherill, “Counter gravity die casting of high melting-point metals”, Journal of the Franklin Institute, Vol. 224, Issue 2, pp. 153–162, 1937. 

 فرایند CLV 
شکل1-2 مراحل فرایند ریخته­گری CLV را نشان می­دهد. مراحل ریخته‌گری شامل تهیه ذوب در خلاء و مونتاژ قالب در محفظه خلاء جداگانه­ای در بالای محفظه ذوب می­باشد. پس از آماده سازی ذوب، دریچه بین دو محفظه باز شده و مذاب تحت تأثیر جریان خلاء از بوته به درون قالب کشیده می­شود و به محض پر شدن قالب جریان خلاء قطع و با ورود گاز خنثی آرگون به درن قالب، مذاب اضافی به بوته باز می­گردد و جریان گاز تا انجماد کامل ادامه دارد. واضح است که مزایای استفاده از فرایند CLA در فرایند CLV نیز برقرار می­باشد. با این تفاوت که در روش CLA فلز در هوا ذوب شده در صورتی که در روش CLV فلز تحت خلاء ذوب می­گردد. مهم‌ترین مزایای این روش عبارتند از:

الف- امکان ذوب آلیاژهای فعال به ویژه سوپر آلیاژهای شامل آلومینیوم، تیتانیوم، زیرکونیوم و هافنیوم 

ب- توانایی پر کردن مقاطع نازک و تولید قطعات ریختگی ظریف و عاری از اکسیدهای فلزی به طوری که قطعات ریخته­گری دارای سطح زیاد با ضخامت جداره 5/0 میلی­متر را می­توان بدون آخال با این روش تهیه نمود.

 کاربرد فرایندهای CLV 

روش CLV امکان تولید اجزاء موتورهای توربین­های گازی با پایین­ترین سطح ناخالصی­های اکسیدی نظیر آلیاژهایی چون 509MAR-M و 125Rene را از جنس هافنیوم و زیرکنیم فراهم می­کند. همچنین در طراحی بدنه محفظه احتراق موتورهای جت که از ورق­های نورد و جوش­کاری استفاده می­شود می­توان ورقه­های ریختگی جداره نازک با ضخامت 5/0 میلی‌متر که از فرایند CLV تهیه می­شود را جایگزین ورق­های نورد و جوش­کاری نمود که باعث انتقال حرارت بهتر و ماشین­کاری حداقل همراه با کاهش خستگی حرارتی می­گردد. چنین محفظه­های احتراقی تأمین‌کننده دماهای بسیار بالاتری هستند. قیمت مناسب و کیفیت بالای روش فوق منجر با استفاده ار این روش در صنایع مختلف هوا و فضا نظیر قطعات ایرودینامیکی و چرخ­های توربو شارژرها شده‌است. W.Q. Jie, X. L. Li, Q.T. Hao, “Counter-Gravity Casting Equipment and Technologies for Thin-Walled Al-Alloy Parts in Resin Sand Moulds”, Materials Science Forum, Vol. 618-619, pp 585-589, 2009X. L. Li, Q.T. Hao, W.Q. Jie, Y. Zhou, “Development of pressure control system in counter gravity casting for large thin-walled A357 aluminium alloy components”, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Vol. 18, No. 4, pp 847-851. 2008..

 3- فرایند CV 
فرایند CV در شکل 1-3 نشان داده شده‌است. از این فرایند برای ریخته­گری قطعات ضخیم و قطعاتی که عملاً قابلیت تولید توسط فرایندهای CLV و CLA را ندارند استفاده می­شود. همانطور که در شکل 1-3 نشان داده شده‌است، جریان مذاب توسط یک شیر کنترل قطع و وصل می­شود، به طوری که با اعمال خلاء در محفظه قالب، مذاب به درون قالب هدایت شده و پس از پر شدن قالب، جریان مذاب توسط شیر کنترل قطع می­شود. فرایند CV فراهم‌کننده شرایط لازم برای پرکنندگی مناسب در ریخته­گری قطعات نازک همراه با بهبود پاکیزگی ذوب نسبت به دیگر روش­ها و قابل اعمال بر روی تمام روش­های قالب­گیری می­باشد.

 کاربرد فرایندهای CV 
کاربردهای این روش بسیار زیاد است. از کاربردهای این روش می­توان به تولید بدنه‌های شیرآلات، پره­های بزرگ موشک­ها و قطعاتی که دارای ضخامت مقاطع مختلف می­باشد، اشاره کردH. Wang, X.Y. Zhou, B. Long, H.Z. Liu, “Compression behavior of Al2O3k/Al composite materials fabricated by counter-gravity infiltration casting”, Materials Science and Engineering A, Vol. 582, pp. 316–320, 2013..

 فرایند CLAS 
فرایند CLAS (شکل 1-4) مورد استفاده برای ریخته­گری در ماسه بوده و کاملاً متفاوت از فرایندهای دیگر بحث شده در بالا می­باشد. در واقع با این روش می­توان قطعات ریختگی ظریف را تحت فشارهای خلاء کم در ماسه تهیه نمود بدون آنکه آخال­ها وارد قطعه شوند. مراحل تولید بدین ترتیب است که پس از قالب­گیری قظعات در ماسه، با اعمال خلاء در بالای درجه، مذاب از کف درجه زیری به درون قالب کشیده شده و قالب پر می­شود. این فرایند دارای قابلیت منحصر به فرد ریخته­گری مقاطع نازک در درجه خلاء پایین است. از آنجا که فلز از قسمت تمیز مذاب گرفته می­شود و ریخته­گری در دماهای پایین انجام می­گیرد، ناخالصی­های مذاب به مراتب کمتر از قطعاتی است که در ریخته­گری تحت جاذبه تولید می­شوند. توضیح آنکه در ریخته­گری قطعات ضخیم دیواره، می­توان از تغذیه­‌های کور استفاده کرد.

 جستارهای وابسته 
 ریخته گری

ریخته گری تحت فشار

ریخته گری گریز از مرکز

فرایندهای شکل دهی

 منابع 

رده:ریخته‌گری