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 معمولا ۱۰ تا ۱۵ درصد بهتر از روش ریخته‌گری گرانشی در ریخته‌گری با قالب‌های دائمی است. این فرایند برای تولید قطعاتی در بازه وزنی حدود قابل استفاده است.
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 شده است. قالب‌ها معمولا درون یک جعبه خلاء قرار گرفته و توسط یک لوله پرکننده که تا خارج از قالب ادامه دارد پر می‌شوند. لوله پر کننده 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 بعدا با استفاده از قالب‌های ماسه‌ای با چسب دمای پایین به کار گرفته شد. انواع فرایندهای ریخته‌گری ضدجاذبه در فشار پایین به طور 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 :
ریخته گری ضد جاذبه آلیاژهای ذوب شده در هوا (CLA)
ریخته گری ضد جاذبه آلیاژهای ذوب شده در خلاء (CLV)
ریخته گری با شیرکنترل کننده (CV)
ضدجاذبه آلیاژهای ذوب شده در هوا در قالب ماسه‌ای (CLAS)
فرایند CLA
شکل روبرو به صورت شماتیک مراحل ریخته گری 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 پر کننده 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 مجددا به درون پاتیل باز می‌گردد.
CLA نمائی از فرایند ریخته گری
از فرایند CLA برای ریخته‌گری تمامی فلزاتی که به طور معمول در هوا ذوب می‌شوند می‌توان استفاده کرد. مهمترین مزایای این فرایند عبارتند از:
الف- امکان قالب‌گیری تعداد زیادی قطعه به صورت همزمان در هر نوبت قالب‌گیری
ب- بهره ریخته‌گری بالا (حدود 90%) چراکه فلز مذاب درون سیستم راهگاهی مجددا به درون پاتیل باز می‌گردد.
ج- کاهش عیوب ریخته‌گری به دلیل آنکه لوله پرکننده همواره زیر لایه سطحی مذاب قرار دارد لذا مذاب تمیز و عاری از آخال وارد قالب می‌شود.
د- امکان تولید قطعات ظریف نازک با ضخامت دیواره‌ای به کوچکی 75/0 میلی‌متر به راحتی در حجم بالا و هزینه پایین وجود دارد.
کاربرد فرایندهای CLA
فرایند CLA جهت ساخت کلیه آلیاژهای فلزی در صنایع مختلف استفاده می‌شود. در صنایع خودروسازی برای تهیه اجزاء سیستم فرمان، قطعات گیربکس، محفظه پیش احتراق دیزل‌ها و انگشتی سوپاپ به کار می‌رود. در میان اجزاء تولید شده برای هواپیماها و صنایع هوافضا می‌توان به پروب‌های حرارتی، پروانه‌های پمپ سوخت، اجزاء بال موشک، قطعات ترمز، بدنه پمپ‌ها و قطعات بدنه اشاره کرد. کاربردهای دیگر این روش شامل تولید قطعات بی‌شماری از ماشین‌آلات، قطعه سر چوب گلف ، تیغه-ها، سوئیچ‌های کوچک، قطعات قفل، اجزاءاسلحه‌، اتصالات و شیرآلات می‌باشد.
فرایند CLV
شکل1-2 مراحل فرایند ریخته‌گری CLV را نشان می‌دهد. مراحل ریخته گری 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 تاثیر 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 میلی متر 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 تامین کننده 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 شده است. .
3- فرایند CV
فرایند CV در شکل 1-3 نشان داده شده است. از این فرایند برای ریخته‌گری قطعات ضخیم و قطعاتی که عملا قابلیت تولید توسط فرایندهای CLV و CLA را ندارند استفاده می‌شود. همانطور که در شکل 1-3 نشان داده شده است، 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 فراهم کننده 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 کرد .
فرایند CLAS
فرایند CLAS (شکل 1-4) مورد استفاده برای ریخته‌گری در ماسه بوده و کاملا 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.
ریخته گری
ریخته گری تحت فشار
ریخته گری گریز از مرکز
فرایندهای شکل دهی