موضوع مقاله: ریخته‌گری | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # ریخته‌گری | مقدمه: 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 چرخ‌پروانه‌های بزرگ یا قاب‌های عقب کشتی‌های اقیانوس‌پیما). | ## بخش 1: ریخته‌گری | فرآیندهای ریخته‌گری اغلب زمانی استفاده می‌شوند که تولید شامل اشکال پیچیده بوده، یا قطعات دارای مقاطع توخالی یا حفره‌های داخلی باشند. همچنین قطعاتی که دارای سطوح منحنی نامنظم هستند (به جز مواردی که می‌توانند از ورق فلزی 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. در بسیاری از روش‌های ریخته‌گری از الگو (Pattern) برای شکل‌دادن قالب و ایجاد حفره در آن به شکل قطعه مورد نظر استفاده می‌شود. الگوهای چندبار مصرف معمولاً از جنس چوب، پلاستیک یا فلز ساخته می‌شوند و الگوهای یکبار مصرف معمولاً از موم، پلاستیک یا فوم پلی‌استایرن ساخته می‌شوند. همچنین معمولاً برای ایجاد حفره‌های داخلی قطعات از ماهیچه یا مغزه (Core) استفاده می‌شود. کهن‌ترین قطعه ریخته‌گری جهان یک قورباغه مسی متعلق به ۳۲۰۰ سال پیش از میلاد مسیح است که در بین‌النهرین یافت شده است. زمان دقیق شروع ریخته‌گری فلزات مشخص نیست، اما در آثار باستان‌شناسی نسبتاً دیر ظاهر شده است. باستان‌شناسان به دوره‌ای که در آن استفاده از فلزات برای اولین بار به مرحله استادی رسید نام کالکولتیک داده‌اند و این دوره را که بلافاصله قبل از عصر برنز شروع شد، تقریباً بین ۵۰۰۰ تا ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد مسیح می‌دانند. در سال ۱۸۸۹ با شناخت کاربرد نیکل در افزایش استحکام فولاد، علم متالورژی نیز شروع به کسب شهرت کرد. ریخته‌گری گریز از مرکز خیلی زود توسط کارخانه‌های ریخته‌گری لوله پذیرفته شد و اولین بار در بالتیمور، مریلند، در سال ۱۸۴۸ مورد استفاده قرار گرفت. هنری بسمر، از ریخته‌گری گریز از مرکز برای حذف گازها استفاده کرد و اولین کسی بود که دو یا چند فلز را در یک قالب چرخان واحد ریخت. ریخته‌گری گریز از مرکز فولاد برای اولین بار در سال ۱۸۹۸ در کارخانه ریخته‌گری فولاد آمریکا در سنت لوئیس، میزوری انجام شد. چرخ‌های واگن قطار در سال ۱۹۰۱ با سرعت چرخش ۶۲۰ دور در دقیقه چرخانده و تولید شدند. یکی از قدیمی‌ترین تکنیک‌های ریخته‌گری، ریخته‌گری دقیق (موم فداشونده)، نیز در سال ۱۸۹۷ توسط B.F. صنعت توجه چندانی به این فرایند پیچیده نمی‌کرد تا اینکه تقاضاهای نظامی فوری جنگ جهانی اول فشار زیادی به صنعت ماشین‌ابزار وارد کرد. سپس میانبرهایی برای تهیه قطعات تمام شده و دقیق مورد نیاز بود و از ماشین‌کاری، جوشکاری و مونتاژ وقت‌گیر اجتناب می‌شد. از دیگر تلاش‌ها در این زمان ساخت اولین کارخانه کاملاً خودکار در ایالات متحده (یکی از اولین‌ها در جهان) بود که یک کارخانه ریخته‌گری در راک‌فورد، ایلینوی بود که در سال ۱۹۱۸ برای ارتش ایالات متحده نارنجک‌های دستی تولید می‌کرد. اولین جداسازی آلومینیم در سال ۱۸۲۵ انجام شد، اما کاربردهای مهندسی مهمی برای آن رخ نداد تا اینکه هزینه آلومینیوم به‌طور پیوسته در نتیجه بهبود فرایند ذوب و بهبود مقیاس عملیات تا پایان قرن ۱۹ کاهش یافت. پیشرفت‌های قرن بیستم فناوری ریخته‌گری در طول قرن بیستم از بسیاری جهات پیشرفت کرد، که میزان این پیشرفت‌ها از جنگ جهانی دوم به بعد بیش از تمام پیشرفت‌های اتفاق افتاده در این صنعت از ۳۰۰۰ سال قبل بود. برای بیش از ۴۰۰ سال، فرآیندهای ریخته‌گری و مواد اغلب به روش‌های توسعه یافته توسط ونوچو برینگوچو، «پدر صنعت ریخته‌گری» قرن شانزدهم، که استفاده از رسوبات خمره آبجو و ادرار انسان را به عنوان چسب برای ماسه قالب‌گیری توصیه می‌کرد، متکی بودند. تا دهه ۱۹۲۰، آزمایش ماسه فقط شامل فشردن یک مشت شن برای قضاوت در مورد توانایی آن برای فشرده شدن و چسبیدن به هم بود. در اوایل همان دوره، یک کمیته تحقیقاتی از انجمن ریخته‌گرهای آمریکا شروع به توسعه روش‌هایی برای آزمایش ماسه کرد. در سال ۱۹۲۴ استانداردهایی ایجاد شد که خواص مختلف ماسه‌های قالب‌گیری را پوشش می‌داد. با شروع فرایند کرونینگ (فرایند قالب‌گیری پوسته‌ای)، ابتدا از فنول‌ها و سپس اوره و فرایند دی‌الکتریک به عنوان چسب استفاده شدند و سپس فوران‌ها و رزین‌های بدون اوره جایگزین آنها گردیدند. توسعه مستمر چسب‌ها برای تولید ماهیچه‌ها و قالب‌های با پیوند شیمیایی در حال هدایت به سمت افزایش بهره‌وری و همچنین دستیابی به تکرارپذیری ابعادی لازم، برای پاسخگویی به چالش‌های جدید شکل نهایی (net shape) و الزامات ریخته‌گری شکل نزدیک به نهایی (near-net shape) هستند. +جدول زمانی تحولات صنعت ریخته‌گری در قرن بیستمدهه ۱۹۰۰۱۹۰۰دستگاه‌های تست سختی برینل ابداع شد. استفاده از آلیاژهای آلومینیوم-برنز در ایالات متحده متداول شد.اویل دهه ۱۹۰۰ثبت اولین حق اختراع برای فرایند ریخته‌گری قالب دائمی کم فشار توسط شرکت انگلیسی E.H. شرکت Ajax Metal در فیلادلفیا، اولین کوره القایی فرکانس پایین را برای ذوب فلزات غیر آهنی نصب می‌کند.۱۹۱۶ ادوین فیچ نورتراپ از دانشگاه پرینستون، کوره القایی بدون هسته را اختراع می‌کند.۱۹۱۷شرکت Alcoa بسیاری از کارهای اولیه توسعه آلومینیوم را تکمیل می‌کند، چرا که جنگ جهانی اول تقاضای زیادی برای ریخته‌گری با یکپارچگی بالا (high-integrity castings) برای موتورهای هواپیما ایجاد می‌کند.۱۹۱۸اولین شرکت ریخته‌گری کاملاً خودکار در راکفورد، ایلینوی، پوسته نارنجک‌های دستی را برای ارتش ایالات متحده تولید می‌کند.دهه ۱۹۲۰۱۹۲۱اصلاح ساختار سیلیسیم در آلومینیوم زمانی آغاز می‌شود که Pacz کشف می‌کند که افزودن سدیم فلزی به آلومینیوم مذاب درست قبل از ریختن، شکل‌پذیری را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد. آلیاژهای مس-سیلیسیم در آلمان به عنوان جایگزینی برای آلیاژهای قلع-برنز تهیه می‌شوند.۱۹۲۴هنری فورد رکورد تولید ۱ میلیون خودرو در ۱۳۲ روز کاری را به ثبت می‌رساند. تولید خودرو رشد می‌کند تا یک سوم تقاضای ریخته‌گری در ایالات متحده را به خود اختصاص دهد.۱۹۲۵از رادیوگرافی اشعه ایکس به عنوان ابزاری برای بررسی کیفیت قطعات ریخته‌گری استفاده می‌شود. تا سال ۱۹۴۰، تمام قطعات ریخته‌گری هواپیماهای نظامی قبل از پذیرش نیاز به بازرسی توسط اشعه ایکس دارند. داوِنپورت و بِین فرایند austempering را برای ریخته‌گری آهن توسعه می‌دهند.۱۹۳۷موریس هاسلر، مؤسس آزمایشگاه‌های تحقیقات کاربردی، اولین طیف‌نگار گریتینگ را برای سازمان زمین‌شناسی کالیفرنیا تولید کرد. طیف‌سنج‌ها در اواخر دهه ۱۹۴۰ به کارخانه‌های ریخته‌گری راه پیدا کردند و جایگزین روش قبلی متالورژیست‌ها شد که در آن ترکیبات شیمیایی توسط طیف‌سنجی و قوس الکتریکی جوشکاری تخمین زده می‌شد. تلقیح چدن خاکستری رایج می‌شود و چدن‌های با کیفیت-بالا جایگزین فولاد کمیاب می‌شوند.۱۹۴۱سرهنگ دوم ایالات متحده W.C. هیئت تولید جنگ بعداً گزارش داد که هر سرباز ایالات متحده به ۲۲۰۰ کیلوگرم فولاد نیاز دارد که در مقایسه این میزان در جنگ جهانی اول ۴۰ کیلوگرم بود.۱۹۴۲استفاده از ماسه‌های مصنوعی به عنوان جایگزینی برای بسیاری از مواد جنگی افزایش می‌یابد.۱۹۴۳کیت میلیس، متالورژیست ۲۸ ساله‌ای که در شرکت International Nickel Company کار می‌کند و به دنبال جایگزینی برای کروم به دلیل قطع شدن عرضه می‌گردد، متوجه می‌شود که آلیاژ منیزیم در آهن مذاب یک ساختار گرافیت کروی شکل ایجاد می‌کند. در سال ۱۹۴۹، او و آلبرت گاگنبین و نورمن پیلینگ حق ثبت اختراع ایالات متحده را در مورد تولید چدن نشکن از طریق تصفیه منیزیم دریافت کردند.۱۹۴۴اولین چسب یا بایندر شیمیایی سفت‌شونده توسط گرما توسط یوهانس کرونینگ آلمانی برای تولید سریع خمپاره و گلوله‌های توپخانه برای سربازان محور در طول جنگ جهانی دوم ساخته شد. دو سال پس از جنگ، فرایند پوسته او در میان اختراعات دیگر در اداره ثبت اختراعات آلمان کشف شد و عمومی شد. کرونینگ به دلیل اختراع خود در سال ۱۹۵۷ با مدال طلای انجمن ریخته‌گری آمریکا (AFS) شناخته شد.۱۹۴۶محققان متفقین تحقیقات ریخته‌گری آلمانی روی آلیاژهای با دمای بالا را کشف کردند. شرکت Buffalo Pipe & Foundry در شهر توناواندا، نیویورک اولین شرکت ایالات متحده است که ریخته‌گری را با استفاده از فرایند پوسته Croning انجام می‌دهد.دهه ۱۹۵۰اوایل دهه ۱۹۵۰آزمایش در قالب‌گیری با فشار بالا آغاز می‌شود در دوره‌ای که فلزسازها شروع به افزایش فشار هوا در ماشین‌های قالب‌گیری فشاری برای افزایش سختی (چگالی) قالب کرده‌اند. چندین سیستم احیای ماسه تر نیز در حال کار هستند.۱۹۵۱ شرکت فورد موتور، در دیربورن، میشیگان، ۱۰۰ درصد تولید میل لنگ خود را به چدن داکتیل تبدیل می‌کند.۱۹۵۲D-process برای ساخت قالب‌های پوسته‌ای با ماسه ریز و روغن سریع خشک‌شونده توسط هری دیترت توسعه داده شد. سیستم سیلیکات سدیم/CO2 معرفی شد.۱۹۵۳سیستم هات باکس توسعه یافت که در آن ساخت و پخت ماهیچه‌ها در یک عملیات انجام می‌شد و نیاز به کوره‌های خشک کن دی الکتریک را از بین می‌برد.۱۹۵۴فرایند CO2 که یک فرایند بدیع و جدید برای تولید ماهیچه و قالب است، توسط آلمانی‌ها معرفی می‌شود. شرکت B&P با همکاری نزدیک با جنرال موتورز روشی برای پوشش‌دهی دانه‌های منفرد ماسه با چسب رزینی توسعه می‌دهد. شرویِر فرایند قالب‌گیری کامل را ثبت اختراع می‌کند، فرآیندی که توسط هنرمندان توسعه یافته است که در آن الگوهای ساده و سیستم‌های راه‌گاهی از پلی استایرن منبسط شده حک شده و در قالب ماسه تر قرار می‌گیرند. این فرایند که امروزه به نام ریخته‌گری لاست فوم (با استفاده از ماسه شل و بدون چسب) شناخته می‌شود، مدت کوتاهی بعد ثبت اختراع شد. گوگرد زدایی از چدن داکتیل توسط پاتیل‌های لرزان در سوئد توسعه یافت.۱۹۵۹شرکت جنرال الکتریک از برنامه کامپیوتری انتقال حرارت گذرا استفاده می‌کند و روش تفاضل محدود را با موفقیت در تولید قطعات ریخته‌گری فولادی سنگین به کار می‌برد.دهه ۱۹۶۰۱۹۶۰بایندر هات باکس فوران برای تولید ماهیچه توسعه داده شد. آزمایش‌های تراکم پذیری و رس متیلن بلو برای کنترل روش ماسه تر ایجاد شدند.۱۹۶۱فرایند پوشش پوسته به‌وسیلهٔ الکل معرفی شد (روکش گرم).۱۹۶۲روش جدید آزمایش ماسه CO2 برای ماسه‌های پیوند شده با سیلیکات سدیم و عمل آمده با گاز CO2 معرفی شد. در طراحی آنها، کوپ و درگ به‌طور همزمان از سمت پهلو پر می‌شوند و سپس به صورت هیدرولیکی فشرده می‌شوند. بر اساس برخی اظهارها ساخت قالب‌گیری خودکار صفحه دو رو، بهره‌وری ریخته‌گری را تا ۶۰ درصد در مدت زمان کوتاهی بهبود بخشید. استفاده‌کننده‌های اولیه بهبودهایی را در هر تن در ساعت در حدود ۵۰ درصد گزارش می‌دهند.۱۹۶۵سیستم‌های بایندر بدون پخت یورتان روغنی برای ساخت ماهیچه‌ها و قالب‌ها استفاده شدند. جیم هنزل و جک کوریان از شرکت جنرال الکتریک الگوهای انجماد را در ریخته‌گری‌های فولادی بزرگ از طریق کامپیوتر پیش‌بینی کردند. ریخته‌گری دایملر-بنز آلمان در مانهایم اولین کارخانه‌ای است که از فرایند کولدباکس برای تولید قطعات خودرو استفاده کرد. ریخته‌گری شرکت جان دیر سیلواس، در مولین، ایلینوی، اولین شرکتی است که از این فرایند برای تولید انبوه در آمریکای شمالی استفاده کرد.۱۹۶۹خودروی شورلت وگا توسط شرکت جنرال موتورز معرفی شد که اولین خودروی دارای بلوک سیلندر تمام آلومینیومی بدون پوشش سیلندر چدنی است. در مجموع ۲٫۵ میلیون بلوک سیلندر در طول چرخه عمر این خودرو تولید شد.اواخر دهه ۱۹۶۰میکروسکوپ الکترونی روبشی در انگلستان اختراع شد. استفاده از آنالیز حرارتی در کارخانه‌های ریخته‌گری چدن برای تعیین سریع درصد کربن و فسفر آغاز می‌شود و امکان مطالعه تغییر شکل آلیاژ در طول مرحله خنک‌سازی را فراهم می‌کند. هر چند قطعات ساخته شده به این روش دقت خوبی ندارند اما معمولاً هزینه آن کمترین هزینه ممکن است. در ریخته‌گری ماسه‌ای قالب‌ها یکبارمصرف بوده ولی می‌توان ماسه را بازیافت و دوباره استفاده کرد. قالب‌های ماسه‌ای با فشرده سازی ماسه حول الگو در داخل دو درجه (Flask) در دو قسمت ساخته می‌شوند. هر قالب شامل یک یا چند تغذیه (Riser)، روش‌هایی برای هواکشی و خروج گازها، و مسیر و سیستمی برای انتقال مذاب به حفره قالب است. پس از فشرده سازی ماسه، الگو از قالب خارج شده و هر گونه ماسه شل با باد پاک می‌شود. ریخته‌گری ماسه‌ای بسته به ماسه مورد استفاده به دسته‌های کوچکتری تقسیم‌بندی می‌شوند. هر چند ریخته‌گری ماسه تر روشی بسیار همه‌کاره است، اما نمی‌توان از آن برای ریخته‌گری قطعات با دیواره نازک استفاده کرد. سطوح خیلی صاف امکان‌پذیر نیست و به دلیل رطوبت این قالب‌ها، در هنگام ریخته‌گری برخی فلزات خاص، عیوب ریخته‌گری ایجاد می‌شود. این قالب‌ها بسیار مستحکم هستند و قطعات تولید شده با این روش دارای تلرانس و کیفیت سطح خوبی می‌باشند. شکست قالب پس از ریخته‌گری بسیار آسان است و امکان بازیافت ماسه رزینی نیز وجود دارد، هر چند هزینه آن نسبت به ماسه تر بیشتر است. قالب‌های پوسته ای (Shell Molds): قالب‌های پوسته ای با گرم کردن یک الگوی فلزی و سپس ریختن ماسه سیلیسی رزین دار بر روی آن ساخته می‌شوند. سپس یک چسب بایندر بر روی این نیمه قالب اعمال شده و سمت Cope بر روی آن قرار داده شده و به یکدیگر اتصال داده می‌شود. این قالب‌های پوسته ای را می‌توان به سرعت آماده کرده و برای مدت زمان طولانی انبار کرد. ریخته‌گری به روش قالب پوسته ای یک روش شبه-دقیق است و کیفیت سطح و تلرانس بالاتری نسبت به روش ماسه تر یا ماسه هواخشک دارد. با این حال وزن و اندازه قطعات قابل ریخته‌گری به این روش محدود بوده و معمولاً کمتر از ۴۵ کیلوگرم است. از آنجایی که قالب‌های گچی تحمل دماهای خیلی بالا را ندارند، برای ریخته‌گری آلیاژهای آهنی مناسب نیستند. ممکن است در کنار کلسیم سولفات از افزودنی‌های دیگر برای افزایش قابلیت قالب‌گیری، کاهش تخلخل، افزایش استحکام یا کنترل انقباض استفاده گردد. پس از سفت شدن، قالب از الگو جدا شده و برای از بین بردن رطوبت در داخل کوره پخته می‌شود. | ## بخش 2: ریخته‌گری | رسانش گرمایی قالب‌های گچی نسبت به قالب‌های ماسه‌ای کمتر بوده و در نتیجه زمان بیشتری برای خنک شدن و انجماد نیاز دارند. اندازه قطعات ساخته شده به این روش محدود بوده، و معمولاً وزنی بسیار کمتر از ۴۵ کیلوگرم دارند، اما قطعات می‌توانند بسیار پیچیده بوده یا دیواره‌های بسیار نازکی داشته باشند. در ریخته‌گری دقیق که با نام ریخته‌گری مومی نیز شناخته می‌شود، عموماً از قالب‌های سرامیکی استفاده می‌شود. این الگوهای مومی ابتدا توسط فرایند قالب‌گیری تزریقی ساخته شده و سپس بر روی یک تنه مومی (Wax Post) بر روی هم چیده و چسبانده می‌شوند، که به حوضچه مذاب ریزی متصل است. به این مجموعه الگوها، درخت گفته می‌شود و معمولاً شامل یک سیستم راهگاهی پیچیده برای کمک به حرکت جریان مذاب است. برای ساخت قالب پوسته ای، این درخت چندین بار در داخل یک دوغاب سرامیکی فرو برده می‌شود. اولین لایه برای داشتن یک کیفیت سطح خوب از ذرات سرامیکی ریز تشکیل می‌شود و سپس برای حجم و استحکام بخشیدن به پوسته، برای لایه‌های بعدی از ذرات سرامیکی درشت تر استفاده می‌شود. پس از هر مرحله فروکردن پوسته در داخل دوغاب سرامیکی، اجازه داده می‌شود قالب خشک شود. این قالب سپس پخته می‌شود تا رطوبت آن حذف گشته، سرامیک کاملاً پخته شده و برای مذاب ریزی پیش گرم شود. اصلی‌ترین مزیت ریخته‌گری دقیق، امکان ریخته‌گری قطعات پیچیده با دقت و تلرانس بالا، دیواره نازک و سطح صاف است. اکثر قطعات ساخته شده به روش ریخته‌گری دقیق وزنی کمتر از ۴٫۵ کیلوگرم دارند، هر چند قطعاتی به وزن بیش از ۱۰۰ کیلوگرم نیز به این روش ساخته شده‌اند. در اینجا از یک ربات صنعتی برای افزایش راندمان و ثبات در نتیجه کار استفاده شده است. در ریخته‌گری فوم تبخیری از فوم پلی استایرین برای ساخت الگوهای یکبارمصرف در داخل قالب‌های ماسه‌ای خشک غیرچسب‌دار استفاده می‌شود. پس از خشک شدن پوشش، الگو در داخل درجه قرار داده شده و اطراف و روی آن با ماسه پر شده و برای تراکم بیشتر و بهتر کل مجموعه به ارتعاش درآورده می‌شود. ریخته‌گری قطعات با پیچیدگی‌های داخلی و خارجی فراوان، با انواع آهن‌ها، فولادهای کربنی و آلیاژی، فولاد زنگ نزن، آلیاژهای آلومینیوم، برنج و برنز امکان‌پذیر است. ریخته‌گری در قالب‌های دائمی ریخته‌گری در قالب‌های دائمی بدون الگو در ریخته‌گری با قالب‌های دائمی بدون الگو، به جای استفاده از الگو، شکل قطعه نهایی مورد نظر در داخل یک قالب دائمی، معمولاً از جنس فلز یا گرافیت، ماشین‌کاری می‌شود. هزینه ساخت قالب در این روش بالاست، اما از این قالب برای ساخت هزاران قطعه می‌توان استفاده کرد. روش‌های ریخته‌گری در قالب‌های دائمی بدون الگو شامل موارد زیر می‌شود: ریخته‌گری در قالب دائم: این روش یک فرایند شبه-دقیق است و به دلیل قابلیت خنک‌شدن سریع قالب می‌تواند خواص مکانیکی بهتری در قطعه ایجاد کند. به علاوه با این روش امکان ساخت قطعات با ابعاد یکنواخت، تلرانس‌های دقیق، و سطوح صاف امکان‌پذیر است. این قالب‌ها معمولاً از جنس چدن خاکستری، فولاد کربنی، فولادهای ابزاری کار-گرم و گرافیت ساخته می‌شوند. این قالب‌ها برای ریخته‌گری فلزات غیرآهنی از قبیل آلیاژهای آلومینیوم، مس، منیزیم، سرب و روی مناسب هستند. ریخته‌گری در قالب دائم را هم می‌توان به صورت دستی و هم به صورت اتوماتیک برای تولید انبوه انجام داد. برای یک ریخته‌گری خوب، قالب‌های دائمی معمولاً قبل از ریختن مذاب پیش‌گرم شده و در دمای مناسب نگهداری می‌شوند. خط جدایش را می‌توان برای راحت‌تر جدا کردن قطعه ریختگی به صورت عمودی قرار داد، اما از آنجایی که برخی فلزات در قالب‌های افقی بهتر ریخته می‌شوند، مکانیزم‌های چرخش می‌توانند قالب را پس از ریختن، بچرخانند. ماهیچه‌ها می‌توانند قطعات فلزی متحرک در داخل خود قالب باشند یا آن‌ها را از ماسه یا گچ درست کرده و در داخل قالب قرار داد. به روشی که در آن از ماهیچه‌های ماسه‌ای یا گچی استفاده می‌شود، فرایند ریخته‌گری قالب شبه-دائم گفته می‌شود. از اینسرت‌ها نیز می‌توان برای هواکشی، خنک‌کاری، گرمایش یا افزودن قابلیت‌های دیگر به قطعه نهایی استفاده کرد. برای افزایش عمر قالب، کنترل انجماد مذاب، و راحت‌تر شدن جدایش قطعه از قالب، اجزای داخلی آن با پوشش‌های پوشانده می‌شود. اندازه قطعات در این روش معمولاً کوچک و نهایتاً متوسط بوده و جنس آن‌ها معمولاً از فلزات غیرآهنی است. ماده مذاب، توسط یک پلانجر به صورت تحت‌فشار به داخل قالب یک ماشین دایکستینگ افقی و گاهی عمودی فرستاده می‌شود. یک‌نیمه از قالب به یک صفحه فلزی ثابت و نیمه دیگر به یک صفحه فلزی متحرک متصل می‌شود. از ماشین محفظه-داغ عمدتاً برای ریخته‌گری روی و سایر آلیاژهای با نقطه ذوب پایین استفاده می‌شود، هر چند از آن برای ریخته‌گری منیزیم نیز استفاده می‌شود. از ماشین محفظه-سرد برای ریخته‌گری آلیاژهای دما بالاتر، یعنی آلیاژهای آلومینیوم، منیزیم و مس استفاده می‌شود. ریخته‌گری گریز از مرکزی: ریخته‌گری گریز از مرکزی، شامل انجماد ماده مذاب تحت یک نیروی گریز از مرکزی ساخته شده توسط یک قالب دوار دائم یا یکبارمصرف می‌باشد. دو روش ریخته‌گری گریز از مرکزی اصلی وجود دارد: ریخته‌گری گریز از مرکزی واقعی و ریخته‌گری نیمه-گریز از مرکزی. در ریخته‌گری گریز از مرکزی واقعی، مذاب به داخل یک قالب که حول محور دوران خود می‌چرخد، ریخته می‌شود. از این روش برای تولید لوله‌های قطر بالا، لوله‌های دوفلزه، غلتک‌هایی با هر نوع طول یا ضخامت استفاده می‌شود. ریخته‌گری کوبشی (Squeeze casting) ریخته‌گری کوبشی روشی در ساخت است که با ترکیب ریخته‌گری تحت فشار و آهنگری، آلیاژهای فلزی قوی‌تری را برای استفاده در صنایع دفاعی و ساختمانی ایجاد می‌کند. فلز حاصل از این فرایند در برابر سایش و گرما مقاومت بیشتری دارد و تولید آن بسیار گران است. با این حال بازار این فلزات رشد کرده است و شامل صنایع کشاورزی و اتومبیل سازی است. فرایند انجماد 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. همچنین بسیاری از عیوب ریخته‌گری از قبیل "تخلخل گاز" و "انقباض انجماد" در این مرحله اتفاق می‌افتند و با کنترل پارامترها در این مرحله می‌توان از آن‌ها جلوگیری کرد. انجماد یک فرایند دو مرحله‌ای شامل هسته‌زایی و رشد بوده، و کنترل هر دوی این مراحل مهم است. مرحله دوم در فرایند انجماد، رشد است که با خارج شدن گرمای همجوشی از ماده مذاب اتفاق می‌افتد. برای اطمینان از تولید قطعه ریخته‌گری خوب، می‌توان از انجماد جهت‌دار استفاده کرد. (در این حالت، جبهه انجماد به صورت پیوسته درون ماده حرکت می‌کند) ماده مذابِ سمت جبهه مایع می‌تواند به صورت پیوسته به داخل قالب جاری شود تا انقباض ناشی از انجماد را جبران کند. نرخ نسبی رشد و هسته‌زایی، 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. 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. مشکلات فلز مذاب ریخته‌گری با ریختن ماده مذاب شروع می‌شود، و ممکن است واکنش‌های شیمیایی مختلفی بین فلز مذاب با محیط و اطراف اتفاق بیفتد. 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 نقص 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. 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 خلأ می‌باشد. استفاده از یک فلاکس محافظ که تماس با هوا را محدود کند نیز می‌تواند به کاهش انحلال گازها کمک کند. برای مثال حباب‌های نیتروژن یا کلر در حذف کردن گاز هیدروژن از آلیاژهای آلومینیوم بسیار مؤثر هستند. استفاده از ارتعاشات مافوق صوت به تنهایی یا به همراه شستشوی گازی همچنین در کاهش گازهای محلول در آلیاژهای آلومینیوم مؤثر است. 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 فولادها را می‌توان با آلومینیوم یا سیلیس واکنش داد و جمع‌آوری کرد. عواملی از قبیل میزان نازکی سطح قابل ریختن، طول این قسمت نازک، کوچکی جزئیات ساخته شده، و قابلیت پر کردن نقاط دوردست و دشوار به سیالیت مذاب بستگی دارند. 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 درحالی‌که برای فولادها و چدن‌ها معمولاً از توری‌های سرامیکی استفاده می‌شود. انقباض انجماد اکثر فلزات مذاب زمانیکه منجمد می‌شوند، کاهش حجم پیدا کرده و منقبض می‌شوند. با ورود فاز مایع به جامد از آنجایی که ساختارهای کریستالی مواد بسیار بهینه هستند حجم ماده کاهش محسوسی پیدا می‌کند. درصد انقباض انجماد مواد برخی از فلزات مهندسیآلومینیم۶٫۶مس۴٫۹منیزیم۴٫۰روی۳٫۷فولاد کم-کربن۲٫۵–۳٫۰فولاد پر-کربن۴٫۰چدن سفید۴٫۰–۵٫۵چدن خاکستریمنفی 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 گونه‌ای که انجماد به صورت جهت‌دار بوده و در نتیجه انجماد ابتدا در دورترین نقطه از گلویی یا تغذیه شروع شود، می‌توان از شکل گرفتن آن در داخل قطعه اصلی جلوگیری کرد. در نهایت انتظار داریم حفره ناشی از انقباض در خارج قطعه و به محلی مانند تغذیه‌ها یا شبکه راهگاهی منتقل شود. در آلیاژهایی که ناحیه انجماد بزرگی دارند، زمانی وجود دارد که ماده از یک مخلوط جامد-مایع تشکیل شده است. با خنک شدن ماده، میزان نسبی مواد جامد نسبت به مواد مایع بیشتر شده و در نهایت مواد مذاب در بین ماده‌ای 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. | ## بخش 3: ریخته‌گری | تغذیه‌ها و طراحی آن‌ها تغذیه‌ها یا رایزرها مخزن‌هایی از فلز مذاب هستند که برای جبران انقباض ناشی از انجماد بر روی قالب طراحی می‌شوند. برای این منظور تغذیه‌ها باید به گونه‌ای طراحی شوند که پس از انجماد قطعه منجمد شوند. اگر این اتفاق برعکس بیفتد، یعنی ابتدا تغذیه‌ها منجمد شده و ماده از قطعه به سمت تغذیه‌ها کشیده شود، عیب ناشی از انجماد بیشتر خواهد شد. اگر یک انجماد جهت‌دار امکان‌پذیر نباشد، ممکن است به تغذیه‌های چندگانه نیاز باشد، تا هر قسمت از قطعه در جهت تغذیه خود منجمد شود. تغذیه‌های زنده یا داغ (Live riser) تغذیه‌هایی 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. برخی از این روش‌ها انجماد جهت‌دار را تقویت کرده و هدف برخی دیگر کاهش تعداد و اندازه تغذیه‌ها و در نتیجه کاهش هزینه ریخته‌گری است. این کار معمولاً از طریق افزایش سرعت انجماد (با استفاده از مبردها (Chill یا تأخیر در انجماد تغذیه (با استفاده از غلاف (Sleeve انجام می‌شود. مبردها یا 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. مبردها می‌توانند انجماد جهت‌دار را تقویت کرده، یا فاصله مؤثر تغذیه‌ها را افزایش دهند. خنک‌کننده‌های داخلی در نهایت جزوی از قطعه نهایی می‌شوند، به همین دلیل باید از آلیاژی مشابه آلیاژ ریخته شده بوده یا با آن سازگار باشد. برای مثال استفاده از یک غلاف عایق در دور تغذیه یا قرار دادن یک ماده با واکنش گرماده در اطراف آن از روش‌های متداول تأخیر در انجماد تغذیه است. الگوها (مدل‌ها) روش‌های ریخته‌گری را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد: ریخته‌گری در قالب‌های یکبار مصرف و ریخته‌گری در قالب‌های چند بار مصرف. ابعاد الگو طوری اصلاح شده که هم فرایند ریخته‌گری را در نظر می‌گیرد و هم ماده‌ای که قرار است ریخته شود. 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). دیواره الگوها معمولاً دارای یک شیب (Draft) هستند که به راحت‌تر خارج شدن الگو از داخل قالب کمک می‌کند. 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 الگوها نیاز به اصلاح ابعادی دیگری دارند که جهت جبران اعوجاج یا تاب قطعه نهایی است. در هنگام انجماد قطعه در داخل قالب بازوهای این قطعه توسط قالب محدود شده و قسمت پایین U منقبض خواهد شد. 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. سایر اجزای الگوها خط جدایش (Parting Line) در اکثر فرآیندهای ریخته‌گری ماسه‌ای، لازم است نیمه‌های قالب تکمیل شده را جدا کرده و الگو را از قالب خارج کرد. انتخاب راحت‌ترین و مقرون به صرفه‌ترین خط جداسازی الگو (سطح جداسازی قالب) و طراحی الگو به‌گونه‌ای که بتوان آن را به راحتی از قالب جدا کرد، از ملاحظات مهم طراحی الگو است. با این حال، بسیاری از قطعات ریخته‌گری با اشکال پیچیده به سطوح جداکننده نامنظم برای تسهیل جداسازی قالب نیاز دارند. برخی از اشکال الگوی پیچیده را نمی‌توان به آسانی از نیمه‌های قالب جدا کرد مگر اینکه قالب ریخته‌گری دوباره طراحی شود یا از مغزه‌ها استفاده شود. با انتخاب بهترین خط جداسازی برای یک ریخته‌گری معین به منظور تسهیل حذف الگو از قالب، استفاده از ماهیچه‌ها برای اصلاح شکل خارجی قطعه ریخته‌گری را می‌توان به حداقل رساند. رایزرها یا تغذیه‌ها مخازن بزرگی از فلز مذاب هستند که به قطعه ریخته‌گری متصل شده‌اند. آنها در هنگام انجماد قطعه ریخته‌گری با تأمین فلز مذاب اضافی از ایجاد حفره‌های انقباضی داخلی یا نقص انقباضی در قطعه ریخته‌گری جلوگیری می‌کنند. گلویی‌ها و تغذیه‌ها معمولاً مستقیماً به صفحه الگو و الگو متصل می‌شوند و به صورت یکپارچه قالب‌گیری می‌شوند. در الگوهای مچ پلیت تولید انبوه، گلویی‌ها و تغذیه‌ها را می‌توان به صورت یکپارچه بر روی صفحه الگو ماشین‌کاری کرد. طراحی مناسب گلویی‌ها و تغذیه‌های الگو به شکل قطعه ریخته‌گری، نوع فلزی که باید ریخته شود و فرآیندهای قالب‌گیری و ریخته‌گری مورد استفاده بستگی دارد. محل، اندازه و شکل گلویی‌ها و تغذیه‌ها باید توسط یک مهندس ریخته‌گری با تجربه، و معمولاً با کمک نرم‌افزارهای مهندسی به کمک رایانه تعیین شود. این کار اغلب به خصوص برای قطعات ریخته‌گری با اشکال پیچیده یک فرایند آزمون و خطا است. گلویی‌ها و تغذیه‌های الگو اغلب پس از ریختن قطعات اولیه و ارزیابی آنها، اصلاح می‌شود، تا یک قطعه ریخته‌گری بی‌نقص ایجاد شده و راندمان ریخته‌گری افزایش یابد. تکیه‌گاه ماهیچه (core print) هنگامی که تولید یک قطعه ریخته‌گری به ماهیچه نیاز داشته باشد، باید برای تکیه‌گاه ماهیچه روی الگو پیش‌بینی‌های لازم انجام شود. تکیه‌گاه ماهیچه‌ها ویژگی‌هایی هستند که به الگو اضافه می‌شوند و در نهایت ماهیچه را در موقعیت مناسب در قالب قرار داده و آن را ثابت می‌کنند. تکیه‌گاه ماهیچه به الگو اضافه می‌شود اما به قطعه ریخته‌گری نهایی اضافه نمی‌شوند، زیرا این فضا توسط ماهیچه پر می‌شود. نقاط موقعیت‌یاب (Locating Points) کارگاه ریخته‌گری، کارگاه الگوسازی و کارگاه ماشین‌کاری همگی از نقاط یا سطوح تعیین مکان ایجاد شده بر روی قطعه ریخته‌گری برای کمک به بازرسی قطعه و ماشینکاری آن استفاده می‌کنند. این ویژگی‌ها همچنین باید در الگو، همراه با allowanceهای ماشینکاری در تمام سطوحی که قرار است ماشین کاری شوند، گنجانده شوند. عیوب ریخته‌گری 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. 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. 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. 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. 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. فرایند انجماد از لبه‌ها شروع و به سمت داخل شروع می‌شود و باعث ایجاد فرو رفتگی v شکل روی سطح می‌شود. به هنگام انجماد فلز مذاب، عناصر متعددی در یک ناحیهٔ محدود متمرکز شده و باعث توزیع نامتقارن عناصر آلیاژی در آهن می‌شود. اگر این عیب شناسایی نشود، می‌تواند بر ویژگی‌های مقاومت سایشی، آهنگری، جوشکاری، خواص مکانیکی، مکانیک شکست و مقاومت در برابر خستگی اثر بگذارد. گاز به دام افتاده، تخلخل گازی: این عیب را می‌توان به سه دلیل تقسیم‌بندی کرد: 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. 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. 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. پوست زخم (Scar): یک لایهٔ نازک و نامنظم از فلز مذاب که روی سطح قالب یا به‌وسیلهٔ یک نقطه یا چند نقطه که توسط یک لایه نازک ماسه از هم جداشده‌اند، چسبیده شده است. 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. سردجوشی (Cold Shut): عیبی که به‌واسطهٔ ذوب ناقص بین جریان‌های مذاب به دلیل هندسهٔ قالب که باعث می‌شود دو یا چند جبههٔ جریان مذاب با یکدیگر ملاقات کنند. فلز ذوب نشده و اگر عیب بر روی سطح باشد، همچون یک شیار باریک با لبه‌های گرد مشاهده می‌شود. رگه مذاب (Flash or Wash): این دسته از عیوب، بیرون زدگی‌هایی از مذاب با ضخامت‌های متفاوت هستند که در مفاصل قالب، به دور هسته یا بین هسته و مفاصل رخ می‌دهند. این عیب به دلیل عدم دقت بین قالب و سطوح ماهیچه و بازشدن سوراخ و ورود مذاب به آن ایجاد می‌شود. ناپیوستگی می‌تواند نسبتاً بی‌ضرر بوده یا در مواردی باعث ایجاد مواد معیوب و قطعات خطرناک گردد. ناپیوستگی‌ها به سه دسته تقسیم می‌شوند: ناپیوستگی‌های ذاتی، ناپیوستگی‌ها فراوری و ناپیوستگی‌های سرویس. تکمیل‌کاری و پرداخت قطعات ریخته‌گری پس از انجماد و خنک شدن، قطعه باید تکمیل‌کاری و پرداخت شود. فرایندها و نوع پرداخت سطح مورد نیاز بستگی به فرایند ریخته‌گری و نوع فلز ریخته شده دارد. پس از این مرحله برای حذف رگه مذاب جاری شده در ناحیه خط جدایش و بهبود سطح از فرایندهای زیر استفاده می‌شود: شات بلاست سنگ زنی تریم کردن یا پیرایش قطعه (برش فلش جاری شده اضافی توسط قالب و پرس) ماشینکاری کنترل کیفیت و آزمایش 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 ماهیچه‌ها پس از انجماد قطعه و خنک شدن آن در قالب‌های ماسه‌ای، قطعه باید از قالب ماسه‌ای جدا شود. در روش ماسه تر یا ماسه چسب دار برای تخریب قالب و جدا کردن ماسه از قطعه انرژی زیادی نیاز است. تخریب قالب‌های ماسه‌ای ممکن است توسط شیکرهای نوارنقاله ای، شبکه‌های لرزشی، یا سایر وسایل ارتعاشی و دوران مکانیکی انجام شود. | ## جمع‌بندی | 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.