کارگاه ریخته گری با قالب ماسه ای

 

 پیشرفت تکنولوژی ریخته گری موجب شد که وزن بسیاری از قطعات ریخته گری شده تا 50 کیلوگرم برسد. حتی ریخته گری قطعاتی تا ابعاد صد متر مکعب و وزن بالای 200 تن توسط فرآیند ریخته گری در ماسه انجام شده است. در مقایسه با ریخته گری با قالب ماسه ای ، دایکست تا 35 کیلوگرم و ریخته گری دقیق تا نزدیک صد کیلوگرم محدودیت وزن دارند. ریخته گری در ماسه همچنین برای تولید قطعات بسیار پیچیده با جزئیات متعدد به کار می رود که بخش های داخلی با ضخامت های متنوع دارند. 

مواد اولیه ریخته گری با قالب ماسه ای

ماسه ریخته گری یک ماده کم هزینه است و به دلیل نسوز بودن (به علت وجود سیلیکا) و از نظر شیمیایی خنثی بودن گزینه بسیار مناسبی برای ریخته گری با ماسه است. ماسه ریخته گری از نظر ظاهری به چهار دسته گرد، شبه‌ گرد، گوشه ­‌دار و مخلوط تقسیم ‌­بندی می ‌­شود. ماسه­‌ ریخته گری مصنوعی اکثرا دارای سطح گرد است که کیفیت سطح و قابلیت عبور گاز بهتری دارد. در حالی ­‌که ماسه ریخته گری گوشه ­‌دار به دلیل وجود گوشه ها به راحتی درهم چفت می ­‌شود و استحکام بالاتری برای حمل‌ ­و ­نقل و حرکت مذاب ارائه می­‌ کند اما قابلیت عبور گاز در آن­ کم است.

نمونه قالب ماسه ای تر یا سبز به همراه الگوی چوبی مورد استفاده (بالا و سمت راست تصویر)

نکته مهم در استفاده از ماسه برای ریخته گری با قالب ماسه ای این است که باید به ‌اندازه ذرات ماسه ریخته گری دقت شود. دانه‌های ماسه ریخته گری استفاده شده برای قالب ماسه ای باید به حدی کوچک باشند که بتوانند متراکم شوند. در عین‌ حال، باید تا حدی درشت باشند تا اجازه عبور گازهای حاصل از ریخته گری را از میان منافذ خود بدهند. مزیت استفاده از ماسه ریخته گری این است که می‌ توان از آن دوباره استفاده کرد.

آماده سازی قالب ماسه ای برای ریخته گری

قالب مناسب برای ریخته گری با قالب ماسه ای به روش های متعددی آماده می شود که هر کدام خواص مخصوص به خود را دارند. ماسه ریخته گری تر یا ماسه سبز ماسه ای بازیافت شده یا تازه است که با خاک رس ترکیب شده و پرمصرف ترین ماده جهت ریخته گری با قالب ماسه ای است. قالب ریخته گری ماسه ای تر هنگام ریخته گری فلز داغ به درون آن کماکان مرطوب است. محدودیت ‌های طراحی در ریخته گری با ماسه تر شامل زبری سطح بالا و دقت ابعادی پایین است و معمولاً نیاز به ماشین کاری دارد. مشکلات دیگری نیز می‌تواند از جانب رطوبت بالای قالب و استحکام پایین آن ایجاد گردد. تصویر زیر یک قالب ریخته گری ماسه ای تر یا سبز را به همراه الگوی چوبی مورد استفاده برای تولید حفره در قالب را به تصویر می کشد.

نمونه ای از قالب ماسه ای خشک ساخته شده با چسب شیمیایی

ماسه هایی نیز وجود دارند که به روش شیمیایی سفت شده اند. این نوع فرآیند ساخت قالب از ماسه ریخته گری را ریخته گری ماسه ای خشک نیز می نامند. در فرآیند ریخته گری با قالب ماسه ای خشک از چسب های شیمیایی استفاده می شود و مناسب ترین نوع ماده برای ریخته گری های بسیار سنگین و بزرگ هستند به این دلیل که بیشترین مقاومت را در برابر اعوجاج و فرسایش قالب دارند. قالب ریخته گری ماسه ای خشک این قابلیت را دارد که پوشش داده شود تا کیفیت سطح قطعه افزایش یابد. بزرگترین نقطه ضعف ریخته گری با قالب ماسه ای خشک، بازیافت سخت تر آن نسبت به قالب ماسه ای تر است. تصویر زیر نمونه ای از قالب ریخته گری ماسه ای سفت شده توسط رزین های شیمیایی یا قالب ریخته گری خشک را به تصویر می کشد.

فرایند ریخته گری با قالب ماسه ای

ساخت قالب ریخته گری با ماسه در بخش زیر توضیح داده می شود. تصویر نیز شماتیک فرایند ریخته گری با قالب ماسه ای را به تصویر می کشد.

ساخت قالب ریخته گری در ماسه

ساخت قالب ریخته گری ماسه ای به وسیله ریختن ترکیبی از شن، خاک رس و آب روی الگو (مدل تقلیدی از قطعه هدف) انجام می شود. به منظور افزایش دقت ابعادی قالب در فرایند ریخته گری با قالب ماسه ای ممکن است از فرایند های ماشین کاری استفاده شود. وقتی الگو برداشته شود قالب حفره ای خواهد داشت که متناظر به شکل الگو خواهد بود.

شماتیک فرایند ریخته گری با قالب ماسه ای

قالب ریخته گری ماسه ای در جعبه ای دو بخشی به نام فلاسک یا درجه به منظور محافظت نگه داری می شود. درجات معمولا دو بخش دارند، بخش بالایی کوپ و بخش پایینی درگ نامیده می شود. قبل از بسته شدن درجه، ماهیچه های ماسه ای مورد نیاز به منظور ساخت جزئیات قطعه در دو نیمه قالب گذاشته می شوند. سپس سیستم راه گاهی یا اسپرو تعبیه می شود و لوله ای قیف مانند به منظور ریختن فلز ذوب شده به درون قالب ساخته می شود.

قطعه خام آلومینیوم ریخته گری شده در قالب ماسه ای

وقتی دو نیمه درجه محکم بسته شدند، فلز مذاب به درون قالب ریخته می شود. همینطور که مذاب در داخل حفره قالب در حال جامد شدن است حجم آن کم می شود. برای جلوگیری از ایجاد حفره در داخل قطعه، مذاب جبران کننده از داخل این لوله ها به قالب وارد می شود. بعد از گذشت زمان نگه داری مشخصی برای انجماد قطعه در فرآیند ریخته گری با قالب ماسه ای گرمای فلز ذوب شده موجب خشک شدن رطوبت ماسه یا از بین رفتن مواد چسب شده و در نتیجه قالب ترد و شکسته شده و قطعه خارج می شود. تصویر نمونه قطعه خام آلومینیومی تولید شده توسط ریخته گری با قالب ماسه ای را به همراه مسیر طی شده توسط مذاب در سیستم های راه گاهی به تصویر می کشد.

ماهیچه در فرایند ریخته گری با قالب ماسه ای

ماهیچه مهمترین ابزار ریخته ‌گری با قالب ماسه ای است. بسیاری از قطعات ریخته گری با قالب ماسه ای دارای سوراخ های داخلی هستند یا برخی حفره های موجود در ساختار آنها از هیچ کجای قالب قابل دسترسی نیستند. این سطوح درونی به وسیله ماهیچه ها ایجاد می گردند. ماهیچه ها از طریق آمیختن ماسه با یک سری چسب های خاص تهیه می شوند . این چسب باعث می شود که وقتی ماهیچه را در دست می گیریم شکل خود را حفظ کند.

نمونه قالب آماده شده برای ریخته گری آلومینیوم به منظور تولید سرسیلندر. بعد از پایان انجماد قطعه ماهیچه ها شکسته و از قطعه خارج می شوند.

بعد از انجام عملیات ریخته گری با قالب ماسه ای ، ماسه ها کنار زده می شوند و ماهیچه بیرون کشیده شده و معمولا شکسته می شود. تصویر نمونه ای از ماهیچه را در فرایند ریخته گری با ماسه به تصویر می کشد.

معایب ریخته گری با قالب ماسه ای

همانطور که گفته شد، ریخته گری با قالب ماسه ای جوابگوی تولیدات انبوه نیست، از طرف دیگر در مقایسه با سایر روش های ریخته گری دقت ابعادی پایینی دارد. نوع ماسه و فرایند ساخت قالب ریخته گری ماسه ای در کیفیت نهایی سطح قطعه موثر است. به طور کلی قطعه حاصل از فرایند ریخته گری با ماسه نیاز به ماشین کاری پس از فرایند دارد.

به دلیل آنکه ماسه و خاک رس حرارت را جذب می کنند، زمان خنک شدن در ریخته گری با ماسه به مراتب بیشتر از قالب دائمی یا ریخته گری تحت فشار است. در نتیجه سرمایش آهسته، کاهش قابل توجهی در خواص مکانیکی آلیاژهای آلومینیوم از جمله 319 و 356 در مقایسه با روش های دیگر ریخته گری رخ می دهد.

نمونه ای از قطعات معیوب آلومینیومی ریخته گری شده در قالب ماسه ای. تصاویر از چپ به راست مربوط به لایه حفره انقباضی، حفره گازی و لایه اکسید روی قطعه است.

از عیوب دیگر معمول در ریخته گری با ماسه می توان به وجود لایه اکسید، آخال، خوردگی ماهیچه، حفره های گازی و انقباضی اشاره کرد. تصویر نمونه ای از عیوب محتمل را در فرایند ریخته گری آلومینیوم در ماسه به تصویر می کشد.

کاربردها و مزایای ریخته گری با قالب ماسه ای

در کنار نامحدود بودن ابعاد قطعه ریخته گری با قالب ماسه ای و پیچیدگی نهایی قطعه حاصل از این فرایند، ریخته گری با قالب ماسه ای فرایند کارآمد و کم هزینه ای است. هشتاد درصد ماسه قالب گیری مورد استفاده بازیافت شده و دوباره مورد استفاده قرار می گیرد. در نتیجه قیمت فرایند ریخته گری با قالب ماسه ای و مقدار دور ریز آن به شدت کاهش می یابد. همچنین هزینه پایین مواد اولیه و چیدمان قالب، موجب پایین آمدن قیمت ریخته گری با قالب ماسه ای می شود.

ریخته گری آلومینیوم در ماسه

قطعات آلومینیوم تولید شده توسط ریخته گری با قالب ماسه ای به طور گسترده ای در صنایع متنوعی از جمله خودرو سازی و هوا فضا به کار می روند. قطعاتی که توسط ریخته گری با قالب ماسه ای تولید می شوند، شامل پاور ترین خودرو، سیستم های تعلیق، چرخ دهنده ها، محفظه های سیلندر و غیره هستند. همچنین طیف وسیعی از آلیاژ های آلومینیوم قابلیت ریخته گری آلومینیوم در ماسه را دارند. از مطرح ترین آلیاژ های آلومینیومی که در فرایند ریخته گری با قالب ماسه ای استفاده می شوند و کاربرد آنها میتوان به C355 در ساخت پوسته جعبه دنده ، آلیاژ 443 در ساخت تجهیزات آشپزخانه و A356 در ساخت ماهیتابه ها اشاره کرد.

ریخته گری فولاد در ماسه

یکی از روش های معمول ریخته گری فولادها ، ریخته گری فولاد در ماسه است. بخش اعظم ریخته گری های آلیاژهای فولادی در قالب های ریخته گری ماسه ای و باقی توسط ریخته گری دقیق انجام می شوند. ریخته گری با قالب ماسه ای تر برای ریخته گری فولادهای آلیاژی مناسب نیست و این روش برای فولادهای ساده کربنی استفاده می شود. ریخته گری فولاد در ماسه هزینه و سرعت تولید بیشتری دارد و لی قطعه ریخته گری زبر و با دقت ابعادی پایین ایجاد می کند.

ریخته گری چدن در ماسه

بیشتر از هشتاد درصد ریخته گری انواع چدن ها در قالب های ماسه ای انجام می شود. چدن ها اغلب در قالب های ریخته گری ماسه ای تر ریخته گری می شوند. یکی از مهم ترین مسائلی که در ریخته گری چدن در ماسه حائز اهمیت است، ساخت قالب ریخته گری با ماسه برای ریخته گری چدن های خاکستری است. چدن های خاکستری به دلیل ایجاد گرافیت حین انجماد دچار انقباض می شوند. بنابراین در صورتی که استحکام و فشردگی ماسه قالب مورد توجه قرار نگیرد، فشار این انبساط موجب تغییر ابعاد حفره قالب می شود.

قطعه چدنی ریخته گری شده در ماسه

در صورتی که دقت ابعادی بالا مهم باشد یا احتمال ورود مواد سیلیکاتی به سطح قطعه ریخته گری چدنی وجود داشته باشد، از ریخته گری با قالب ماسه ای استفاده نمی شود.

ریخته گری مس در ماسه

به طور میانگین هفتاد درصد ریخته گری مس در قالب ریخته گری ماسه ای انجام می شود. ماسه انجام تمامی آلیاژهای مس قابلیت ریخته گری در ماسه را دارند. ریخته گری مس در ماسه روشی بسیار انعطاف پذیر در انتخاب ابعاد و شکل نهایی قطعه است. به خصوص در  مقایسه با روش های ریخته گری در قالب دائمی که قابلیت ریخته گری بیش از 20 کیلوگرم مس را ندارند.

ریخته گری مس در ماسه

ریخته گری مس در ماسه نسبت به سایر روش های ریخته گری مس مانند ریخته گری دقیق هزینه بسیار کم تری نیز دارد. توصیه می شود که در ریخته گری مس در ماسه از ریخته گری در ماسه ریخته گری تر استفاده نشود تا هیدروژن ایجاد عیب در قطعه نهایی نکند.

ریخته گری روی در ماسه

ریخته گری روی در ماسه کمتر از 10 درصد ریخته گری های روی را در بر می گیرد. آلیاژهای روی اغلب توسط دایکست ریخته گری می شوند. از بین آلیاژهای روی ZA-12 و ZA-27 قابلیت ریخته گری در ماسه را دارند.

ریخته گری منیزیم در ماسه

آلیاژهای منیزیم به طور کلی از لحاظ روش ریخته گری به دو دسته آلیاژهای قابل ریخته گری در ماسه و قابل ریخته گری در دایکست تقسیم می شوند. آلیاژهای ریخته گری منیزیم در ماسه در صنایع هوافضا استفاده می شوند. از بین این آلیاژها ZE41A و EZ33A بیشترین سهم از ریخته گری و کاربرد صنعتی را دارند. به این دلیل که ریخته گری آسان با توان پیچیدگی بالایی دارند.

قیمت ریخته گری با قالب ماسه ای

در مقایسه با سایر فرایند های ریخته گری ، قیمت ریخته گری با قالب ماسه ای بسیار پایین بوده و سریعترین فرایند (بدون لحاظ کردن ماشین کاری) است.  به طور کلی قیمت ریخته گری با قالب ماسه ای در پیچیده ترین و گرانترین شکل آن هزینه ای معادل با ابزار معمول فرآیند دایکست دارد. هر چند دایکست قطعات ظریف تر با پرداخت بسیار بهتری ارائه می کند. همچنین قیمت ابزار ریخته گری با قالب ماسه ای پایین بوده و زمان آماده سازی کمی نیاز دارد. در میان شیوه های ریخته گری با قالب ماسه ای ، ریخته گری با ماسه تر ارزان ترین و ریخته گری با قالب پوسته ای گرانترین روش ریخته گری محسوب می شود.