شمش (ماده)

شمش آلومینیوم
شمش یک قطعه تقریبا خالص است که با توجه به فرآیندهای دیگر به شکل‌های مختلف ریخته گری می‌شود. به قالب‌های کوچکتر فلزات باطول کمتر از ۲ متر گفته می‌شود که برای طلا و مس و آلومینیوم و نمونه‌های آزمایشگاهی کاربرد زیادی دارد. سطح مقطع آن ذوزنقه‌ای است. در ریخته‌گری به قطعه ریختگی فلزی با شکل مناسب برای عملیات نوردکاری یا آهنگری شمش می‌گویند.در واقع شمش‌ها محصولات نیم ساخته‌ای هستند که در مراحل بعد تحت فرایندهای دیگر به قطعات مورد نیاز در می‌آیند.
ریختن طلای مذاب در قالب در معدنی در نیکاراگوئه در سال 1959
در نورد فولاد به فراورده‌هایی با سطح مقطع بزرگ‌تر از ۲۲۵ سانتیمتر مربع شمش و به فراورده‌هایی با سطح مقطع کوچک‌تر از آن شمشال گفته می‌شود.
انواع
فلز (خالص یا آلیاژ) ذوب شده با روش ریخته گری به شمش تبدیل می‌شود.
شمش طلا
یک مورد مشخص ساخت تک کریستال است.
تک کریستال
شمش‌های تک کریستال فلزات با فرآیند چکرالسکی یا تکنیک‌های بریجمن بوجود می‌آیند.
تک کریستال‌ها به عنوان نیمه‌هادی‌ها (مثل قرص سیلیسیم،سلول خورشیدی) یا مواد معدنی عایق برای صنایع یا زیورآلات استفاده شوند.
شمش تک بلور فلزی مشابه روش شمش‌های نیمه هادی با خلوص بالا، تولید می‌شود. شمش‌های تک کریستال به علت استحکام بالا (به دلیل نبود مرز دانه) مورد توجه مهندسین مواد هستند.تولید تک کریستال به روش دندریت تک کرستال است و با ریخته گری تولید نمی‌شود.برای مثال می‌توان به پره توربین اشاره کرد.
انواع دیگری از شمش‌ها مثل شمش طلا و شمش آلومینیوم و بقیه فلزات نیز وجود دارد.
روش تولید
شمش‌ها با انجماد فلز مذاب در قالب تولید می‌شوند. تولید شمش چندین هدف دارد:
قالب به گونه‌ای ساخته می‌شود که مذاب کاملا منجمد شود و ساختار کریستالیت مناسب تشکیل شود. این ساختار خواص فیزیکی ماده را تعیین می‌کند.
شکل و اندازه شمش برای مراحل بعدی مهم است.
در نهایت قالب به گونه‌ای طراحی می‌شود که دور ریخت مذاب به حداقل برسد و شمش به راحتی از مذاب خارج شود.به دلیل اینکه دور ریخت مذاب افزایش قیمت نهایی شمش را در پی دارد.
ساختار کریستالی در قالب
شکل‌های مختلفی برای طراحی قالب برای رسیدن به خاصیت مختلف وجود دارد. قالب ممکن است از بالا، افقی، از پایین یا شیاردار با مذاب پر شود. طراحی شیاردار با افزایش سطح تماس انتقال حرارت را افزایش می‌دهد.قالب‌ها ممکن است با روش ریخته‌گری ماسه (مثل چدنی‌ها) یا روش‌های دیگر بسته به میزان انتقال حرارت مورد نیاز ساخته شوند. بعضی قالب‌ها برای جلوگیری از ترک در شمش مخروطی هستند. ترک و حفره در شمش‌ها به علت تغییر حجم هنگام انجماد جرم ثابتی از ماده ایجاد می‌شود. وجود این نقص در شمش باعث بی‌استفاده شدن یا دوباره ذوب کردن یا بازیافت کردن می‌شود.
ساختار کریستالی مواد به‌طور عمده به انحماد و رسوب در مواد مذاب بستگی دارد. در طی فرآیند پر کردن قالب فلز مذاب در دیواره سریع‌تر منجمد می‌شوند و باعث بوجود آمدن ساختار ستونی(به انگلیسی:columnar zone) از دانه‌ها می‌شود که به سرعت سرد شدن مذاب و نرخ سرد شدن قالب بستگی دارد.
با سرد شدن ماده مذاب چندین ناحیه بوجود می‌آید.یکی ناحیه جامد نزدیک دیواره قالب است که حرارت را از مذاب در حال انجماد انتقال می‌دهد.برای آلیاژها ممکن است ناحیه احساساتی (به انگلیسی:mushy zone) و ناحیه مایع وجود داشته باشد.ناحیه احساساتی (به انگلیسی:mushy zone) به دلیل ناحیه تعادل جامد-مایع در نمودار فازی بوجود می‌آید. نرخ انجماد سطح بالایی زمان تشکیل شدن دندریت‌ها و دانه در ناحیه جامد را کنترل می‌کند. پهنای ناحیه احساساتی (به انگلیسی:mushy zone)با تنظیم خواص حرارتی قالب یا ترکیب آلیاژ مذاب کنترل می‌شود.
با ریخته گری پیوسته هم شمش‌ها را می‌توان تولید کرد.
حدود 70 درصد شمش‌های آلومینیوم در آمریکا به روش ریخته‌گری سرمایش مستقیم تولید می‌شود.این روش باعث کاهش ترک در شمش می‌شود.
عیوب
در شمش‌هایی که به روش پر شدن از بالا ایجاد می‌شوند،وقتی مذاب درون قالب سرد می‌شود تغییر حجم در بالای مذاب باعث ایجاد فرورفتگی در بالای آن می‌شود(به انگلیسی:shrinkage).که با ماشین کاری از شمش جدا می‌شود.
یکی دیگر از عیوب شمش‌های فولادی ترک‌هایی است که در طول و سطح ایجاد می‌شود.
ریخته‌گری پیوسته
ریخته‌گری سرمایش مستقیم
ریخته‌گری
تک کریستال