ریخته‌گری

ریخته‌گری آهن در قالب ماسه‌ای
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 قدیمی‌ترین فرایند شناخته شده برای بدست آوردن شکل مطلوب فلزات است. اولین کوره‌های ریخته‌گری از خاک رس ساخته می‌شدند و لایه‌هایی از مس و چوب به تناوب در آن چیده می‌شد.
ریخته‌گری در حوزه‌های متفاوت علم، هنر و فناوری مطرح است. به هر میزان که ریخته‌گری از حیث علمی پیشرفت می‌کند، ولی در عمل هنوز تجربه، سلیقه و هنر قالب ساز و ریخته‌گر است که تضمین‌کننده تهیه قطعه‌ای سالم و بدون عیب است. این فن از اساسی‌ترین روش‌های تولید است. به دلیل اینکه بیشتر از ۵۰ درصد از قطعات انواع ماشین آلات به این طریق تهیه می‌شوند. فلزاتی که خاصیت پلاستیک کمی دارند با قطعاتی که دارای اشکال پیچیده هستند، به روش ریخته‌گری شکل داده می‌شوند.
روش‌های ریخته‌گری از دیدگاه نوع قالب به دو دسته تقسیم می‌شوند: ریخته‌گری در قالبهای یکبار مصرف (Expendable Molds) و در قالبهای دایمی (Permanent Molds).
اما ریخته‌گری با توجه به تکنولوژی و مجموعه تجهیزاتی که در قالب‌گیری دخیل هستند شامل موارد زیر می‌شود:
ریخته‌گری در قالب ماسه‌ای، ریخته‌گری به روش ریژه (قالب‌های فلزی)، ریخته‌گری در قالب فلزی و با فشار کم، ریخته‌گری در قالب فلزی و با فشار بالا، دیزاماتیک، ریخته‌گری دقیق، ریخته‌گری در قالب‌های کوبشی و غیره.
هر یک از موارد فوق دارای کاربردی است، که با توجه به میزان تولید قطعه، کیفیت مورد نظر آن، ابعاد و جنس قالب، از هر یک از این روش‌ها استفاده می‌شود.
آنالیز در ریخته گری با کوانتومتر انجام می‌گیرد کوانتومتر دستگاه طیف سنجی نشری است که در آنالیز فلزات در ریخته گری و متالوژی و صنایع و معادن کاربرد دارد نسل جدید دکتورهای پیشرفته CMOS هستند که توانایی آنالیز غیر فلزات از قبیل کربن و گوگرد و فسفر و … دارد که کیفیت و دقت بسیار بالایی نسبت به دکتورهای قدیمی pt و ccd دارد
ریخته‌گری در قالب‌های بی‌بار(Expendable)
در این دسته روش‌های از قالب‌های موقت 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…
در ادامه می‌توان گفت 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 شایان ذکر است 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)
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 پر کاربرد 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.
دیگر روش‌های ریخته‌گری
شامل روش‌های زیر:
ریخته‌گری با قالب ماسه‌ای: اغلب تولید قطعات ریختگی در ماسه انجام می‌شود. ریخته‌گری ماسه (Sand casting)، فرآیندی 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 قالب گیری، 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 شن 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). در شکل زیر نمایی از روند ریخته‌گری با قالب ماسه‌ای در شکل زیر آمده‌است.
ریخته‌گری در ماسه‌تر (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 بادمای حدود ۳۰۰ درجه 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 آن‌ها-اغلب با یک مشعل- تا عمق معینی خشک شده‌است.
ریخته‌گری روباز در ماسه (Open sand casting): ریخته‌گری در قالب‌های ماسه‌ای بدون لنگه 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 گچ
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.
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
۱. گسیختگی گرم: ترک‌هایی هستند که معمولا در ناحیه تغییرات در بخش یا کانتوری که لزوما ناگهانی نیست رخ می‌دهد. آن‌ها زمانی اتفاق می‌افتند که برخوردی بین دانه‌های رشد یافته ستونی هنگام انجماد رخ دهد.‌هات تیرها یک پوسته اکسید شده روی سطح ترک خورده داشته و معمولا بر روی سطح یا کمی پایین‌تر از سطح یافت می‌شوند. آن‌ها معمولا در گروه‌هایی که یا در یک خط یا در چند خط مختلف هستند یافت می‌شوند.
هات تیرها اغلب به واسطه هندلینگ سخت پس از جامد شدن به‌طوری‌که قبل از سرد شدن تا دمای محیط محدود به انبساط توسط سیستم قالب/هسته یا دمای خیلی بالا حین جدایش مذاب از قالب ایجاد می‌شوند.
ترک وابسته به محدود شدن: این نوع عیوب به واسطه خنک کاری غیر یکنواخت که باعث افزایش تنش‌های محلی می‌شوند بوجود می‌آیند. محور اصلی آن‌ها در امتداد جهت تنش اعمال شده و معمولا خطوط ناصافی هستند با نقاط متعدد که با فاصله از محور اصلی قرار گرفته‌اند.
ترک‌های سرد: 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 معمولا 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.
۴. انقباض: 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 میله 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 اندازه 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 حفره اولیه در تماس با سطح باز و سپس حفره ثانویه تشکیل می‌شود.
۵. جدایش: جدایش عبارت است از یک تفاوت محلی در ترکیب شیمیایی ماده. به هنگام انجماد فلز مذاب، عناصر متعددی در یک ناحیه 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
دسته 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.
دسته 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.
دسته 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 حفره ایجاد شده را پر کند. لبه‌های مجاور به این قسمت‌ها معمولا گرد بوده و براق هستند.
پوست زخم: یک لایه نازک و نامنظم از فلز مذاب که روی سطح قالب یا بوسیله یک نقطه یا چند نقطه که توسط یک لایه نازک ماسه از هم جداشده‌اند، چسبیده شده‌است. این عیب معمولا در مقاطع فرورفته یا شیار دار و روی سطح ریخته‌گری شده مشاهده می‌شود. این عیب معمولا قبل از اینکه فلز مذاب، قالب را به‌طور مساوی پر کند بوجود آمده و حرارت نامساوی باعث منحرف شدن لایه‌ای از ماسه و نهایتا جداشدن آن از روی سطح شده و به فلز مذاب اجازه جاری شدن در پشت ماسه را می‌دهد.
انجماد سطح: عیبی که بواسطه ذوب ناقص بین جریان‌های مذاب به دلیل هندسه قالب که باعث می‌شود دو یا چند جبهه 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: 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 باز شدن سوراخ و ورود مذاب به آن می‌شود.
۱۱. ناپیوستگی در ریخته‌گری: زمانی‌که فلز پروسه تولید را طی می‌کند، مذاب به تدریج به شکل شمش در می‌آید. در حین فرایند انجماد، مواد خارجی وحباب‌ها 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 معمولا در فلزات رخ می‌دهند.
قالب‌سازی
ریخته‌گری دقیق
ریخته‌گری ماسه‌ای
ریخته‌گری تحت فشار
ریخته‌گری گریز از مرکز
ریخته‌گری لاست فوم
ریخته‌گری لاست واکس
جوشکاری
مکانیک شکست