با ریخته گری به صورت کاربردی آشنا شویم – قسمت دوم: ماسه ی تر سیلیسی

در قسمت اول این مطلب نوشتیم که در ریخته گری فلزات، ساختمان قالب های ماسه ای بر ماسه (Sand) و چسب (Binder) استوار است و برای ایجاد چسبندگی و اتصال بین ماسه و چسب نیز از آب، حرارت و گاز استفاده می شود. بر همین اساس قالب های ماسه ای به سه گروه ماسه تر، ماسه چسب دار یا رزینی و ماسه با چسب سیلیکات دسته بندی می شوند. در این قسمت از مجموعه نوشته های “با ریخته گری به صورت کاربردی آشنا شویم” به بررسی ماسه تر می پردازیم. البته در صورتی که علاقمند باشید، پیشنهاد می کنم ابتدا ویدیوهایی از فرایند قالب گیری به روش ماسه تر را از عصر مواد تماشا بفرمایید و سپس با ادامه این نوشته همراه ما باشید تا به سوالاتی که پس از مشاهده ویدیوها ممکن است در ذهنتان ایجاد شده باشد، پاسخ دهیم.

اجزای قالب ماسه ی تر:

جزء اصلی در مخلوط ماسه ی قالب گیری، ذرات دیرگداز ماسه است. به طور کلی ماسه ذرات ریزی از مواد معدنی با قطر ۵۰ میکرون تا ۲ میلی متر است. ذراتی که قطر آن ها کمتر از ۲ میکرون باشد خاک نامیده می شود. ماسه ی قالب گیری مورد استفاده در ریخته گری از دو نوعِ ماسه ی طبیعی و ماسه ی مصنوعی است. ماسه ی طبیعی در طبیعت به صورت مخلوط با خاک رس یافت می شود و جزء دیرگداز آن سیلیس (SiO₂) است. مخلوط ماسه ی طبیعی ترکیبی از سیلیس، خاک رس (چسب طبیعی) و موادی چون اکسید آلومینیوم، اکسید آهن، اکسید تیتانیوم، اکسید کلسیم، اکسید منیزیم، اکسید پتاسیم و اکسید سدیم و غیره است. برای استفاده از این مخلوط تنها باید به آن، آب اضافه کرد. ماسه ی طبیعی به دلیل پایین بودن نقطه دیرگدازی آن، تنها در ریخته گری فلزات و آلیاژهای غیر آهنی با درجه حرارت های بارریزی پایین استفاده می شود.

برای دستیابی به دیرگدازی بالاتر و کنترل مشخصات فیزیکی و مکانیکی مخلوط ماسه به منظور تامین خواص مورد نیاز، به جای ماسه ی طبیعی از ماسه ی مصنوعی استفاده می شود. ماسه ی مصنوعی از شکستن، خرد کردن، غربال و دانه بندی سنگ های سیلیسی، زیرکنی، کرومیتی و اولیوینی به دست می آید. در اکثر ریخته گری ها از ماسه ی مصنوعی استفاده می شود. در جدول زیر تفاوت ترکیب شیمیایی و برخی خواص دو نوع ماسه طبیعی و مصنوعی ایران مشخص شده است.

نوع ماسه

ترکیب شیمیایی (%)

نقطه زینتر (C°)

عدد ریزی

AFS

ضریب گوشه دار بودن

تقلیل وزن حرارتی (%)

SiO₂

Al₂O₃

Fe₂O₃

TiO₂

CaO

MgO

K₂O

Na₂O

ماسه طبیعی حسن آباد قم

۵۸٫۲

۵۸٫۵

۷٫۵

۳٫۵

۲٫۵

۲٫۳

۱۱۳۰

۸۴

۱٫۱

۶٫۳

ماسه مصنوعی فیروزکوه (سرنزا)

۹۶٫۵

۱٫۱۵

۱٫۲

–

۰٫۵

۰٫۴

۰٫۰۵

۱۵۰۰<

۷۴

۱٫۱۸

۰٫۶۱

در جدول زیر ترکیب شیمیایی سه نوع ماسه سیلیسی مصنوعی مرغوب، معمولی و نامرغوب برای مقایسه آورده شده است:

نوع ماسه	ترکیب شیمیایی (%)
نوع ماسه	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O
ماسه سیلیسی مرغوب	۹۸	۱٫۱	۰٫۵	۰٫۱۱	۰٫۰۲	۰٫۶۵	۰٫۰۷
ماسه سیلیسی معمولی	۸۵	۱۰	۲	۱	۰٫۵	۰٫۷۵	۰٫۵
ماسه سیلیسی قرمز نامرغوب	۷۸	۱۰	–	۲٫۴	۱٫۸	۳٫۱	۰٫۲

شرکت تامین ماسه ریخته گری به عنوان اولین توليد كننده ماسه های سيليسی مهندسی در ايران، ماسه های سیلیسی ریخته گری را با مشخصات زیر عرضه می کند:

نوع ماسه	ماسه ۱۳۱	ماسه ۱۴۱	ماسه ۱۵۱	ماسه ۱۶۱	ماسه ۱۷۱	ماسه ۱۸۱	ماسه ۱۹۱	ماسه ۱۰۱
اندازه ذرات (mm)	۰٫۵-۰٫۹	۰٫۳۵-۰٫۷	۰٫۲-۰٫۵	۰٫۱۵-۰٫۴	۰٫۱۲-۰٫۳	۰٫۱۲-۰٫۲۵	۰٫۱-۰٫۲۵	۰٫۰۵-۰٫۱۵
عدد ریزی AFS	۲۱-۳۱	۳۲-۴۱	۴۲-۵۱	۵۲-۶۱	۶۲-۷۱	۷۲-۸۱	۸۲-۹۱	۹۲-۱۲۰
کاربرد در ریخته گری	قطعات فولادی و چدنی بزرگ و فوق سنگین	قطعات فولادی و چدنی بزرگ	قطعات فولادی و چدنی و ماهیچه سازی در اندازه های متوسط	قطعات چدنی در اندازه های متوسط	قطعات چدنی در اندازه های متوسط و کوچک	قطعات چدنی در اندازه های متوسط و کوچک با صافی سطح بالا	قطعات چدنی در اندازه های متوسط و کوچک با صافی سطح بسیار بالا	قطعات آلومینیومی و فلزات رنگین در اندازه های متوسط و کوچک با صافی سطح بسیار بالا
ترکیب شیمیایی ماسه (%)	SiO2: 97.5 – Fe2O3: 0.85 – Al2O3: 0.95 – K2O: 0.19 – CaO: 0.27 – MgO: 0.24

در ادامه ی این مطالب، هر کجا صحبت از ماسه قالب گیری می شود، منظور از آن ماسه سیلیسی مصنوعی است. در مخلوط ماسه ی قالب گیری، علاوه بر ماسه از چسب های معدنی و آلی مثل بنتونیت، سیلیکات سدیم، رزین فورفوریل الکل، رزین فنول فرمالدهید، رزین اوره فرمالدهید و چسب های ژلاتینی و نشاسته ای نیز استفاده می شود. استفاده کم یا زیاد از چسب ها در مخلوط ماسه باعث کاهش کیفیت قالب و قطعه تولیدی می شود. با افزایش چسب، قابلیت نفوذ گاز کاهش و استحکام قالب افزایش می یابد. در نتیجه با افزایش تولید و حبس گاز در حین ذوب ریزی، عیوب گازی (مثل مک های گازی) در قطعات ریخته بیشتر دیده می شود. همچنین قطعه به سختی از قالب جدا می شود، هزینه های تمیزکاری افزایش می یابد و عیوبی مثل ترک و چسبیدن ماسه به سطح قطعه بیشتر دیده می شود. کاهش مقدار چسب در مخلوط ماسه نیز به دلیل کاهش استحکام قالب باعث عیوبی چون ماسه شویی، شکستگی قالب، نفوذ مذاب و غیره می شود.

علاوه بر چسب های معدنی و آلی، از خاک نیز در نقش چسب استفاده می شود. در ماسه های قالب گیری، خاک های کنترل شده ای از نظر کیفیت و مقدار به ماسه اضافه می شود. خاک ها پس از مخلوط شدن با ماسه، فیلم نازکی به ضخامت ۱-۰٫۰۱ میکرون تشکیل می دهند که با افزودن آب به آن ها، خاصیت شکل پذیری و چسبندگی پیدا می کنند.

از نقطه نظر قالب سازی، مهم ترین خاصیت خاک ها قابلیت جذب آب است. اجزای معدنی اصلی تشکیل دهنده خاک ها عبارتند از کائولینیت به عنوان جزء اصلی خاک چینی و خاک های نسوز، مونت موریلونیت به عنوان جزء اصلی بنتونیت ها و ایلیت به عنوان منبع اصلی چسبندگی در ماسه های طبیعی.

علاوه بر ماسه، چسب و خاک، افزودنی های دیگری به منظور بهبود خواص مخلوط ماسه به آن اضافه می شود. این افزودنی ها مواردی از قبیل پودر زغال، پودر سیلیس، ملاس چغندر یا نیشکر، اکسید آهن، آرد حبوبات، خاک اره، گوگرد، فلئور سیلیسیم، بی فلور آلومینیوم، اسید بوریک، اتیلن گلیکول، شاموت (خاک های آلومیناتی کلسید شده مخلوط با خاک های نسوز دیگر) و غیره هستند. به دلیل تاثیر افزودنی ها به مخلوط ماسه قالب گیری در کیفیت قطعه ریخته گری شده، نوع و درصد این مواد افزودنی گاه از رموز کار ریخته گران در تاریخ ریخته گری از بدو پیدایش تا الان بوده است. بد نیست اینجا به نقل قولی جالبی از یکی از اساتید ریخته گری بپردازم. این استاد ریخته گری که سابقه چند سال کارآموزی صنعتی در یکی از ریخته گری های انگلستان را دارد، می گفت که در این واحد صنعتی برای ریخته گری یک آلیاژ خاص، پهن اسب پرورش یافته در یکی از چراگاه های مشهور انگلیس را در مقدار مشخصی به مخلوط ماسه اضافه می کردند.

ترکیب ماسه قالب گیری مورد استفاده در کارگاه های ریخته گری معمولاً با هم متفاوت است. ترکیب بهینه بر اساس دانش موجود و تجربیات قبلی آن شرکت و بر اساس نوع آلیاژ و محصول تولیدی به دست می آید. در هر صورت، ماسه تر قالب گیری معمولاً ترکیبی از ماسه سیلیسی با دانه بندی مورد نظر، بنتونیت و آب است. افزودنی های دیگر مثل پودر زغال در صورت لزوم به این مخلوط اضافه می شود.

به عنوان مثال، در یک مخلوط ماسه ی قالب گیری، به همراه ماسه ی سیلیسی از ۲ الی ۳ درصد وزنی بنتونیت و ۲ الی ۳ درصد وزنی آب استفاده می شود. به عنوان مثال دیگر، در یک کارخانه چدن ریزی به ازای هر ۱۰۰ کیلوگرم ماسه سیلیسی از این ترکیب استفاده می شود: بنتونیت حدود ۸ کیلوگرم، حدود ۳٫۵ کیلوگرم آب، حدود ۷ کیلوگرم پودر زغال و حدود ۸۰۰ گرم خاک اره. در یک نمونه دیگر، برای ریخته گری قطعات فولادی از مخلوطی شامل ۹۵ درصد ماسه سیلیسی، ۴ درصد بنتونیت، ۳ الی ۴ درصد آب و ۱ درصد آرد حبوبات استفاده شده است.

در کارگاه های ریخته گری به دلیل رنگ سیاه قالب های ماسه ی تر، به این قالب ها، ماسه سیاه هم می گویند.

قالب های خشک:

قالب های تهیه شده به روش ماسه ی تر را می توان به منظور تولید قطعات بزرگ و بهبود خواص قالب خشک نمود. در این صورت بر اساس میزان خشک شدن، قالب را به دو نوع خشک شده ی سطحی و کاملاً خشک دسته بندی می کنند. در قالب های خشک شده ی سطحی فقط لایه ای از سطح قالب (کمتر از ۱۲ میلی متر) با مشعل خشک می شود و رطوبت لایه سطحی قالب برای مدت معینی گرفته می شود. اگر قالب ماسه ی تر را در درجه حرارت ۱۵۰ تا ۳۷۰ درجه سانتیگراد به مدت ۸ تا ۴۸ ساعت در کوره حرارت دهند تا رطوبت آن گرفته شده و قالب خشک شود، قالب از نوع کاملاً خشک است. در این نوع قالب ها، حداقل عمق ماسه ی خشک شده در قالب بیش از ۱۲ میلی متر است. از قالب های کاملاً خشک برای ریخته گری قطعات متوسط تا بزرگ چون غلتک، چرخ دنده و پوسته ی قطعات بزرگ ماشین استفاده می شود. مزیت های مهم قالب های خشک نسبت به قالب های تر، استحکام بیشتر آن ها، دقت ابعادی بالاتر، سطح قطعه ریختگی بهتر و عیوب سطحی کمتر محصول است.

روش های قالب گیری با ماسه ی تر:

قالب گیری با ماسه ی تر به دو روش دستی و ماشینی انجام می شود. در روش قالب گیری دستی، تمام مراحل قالب گیری شامل کوبیدن ماسه، خارج کردن مدل، ایجاد سیستم راهگاهی و غیره توسط دست انجام می شود. در نوع ماشینی، تمام یا قسمتی از این مراحل توسط ماشین انجام می شود. ماشین های قالب گیری در انواع مختلف و با مکانیسم های متفاوت، عمل قالب گیری ماسه را انجام می دهند.

اساس کار قالب گیری ماشینی از این قرار است:

فشردن ماسه در داخل درجه و اطراف مدل به وسیله نیروهای ضربه ای، فشاری، ارتعاشی، پرتابی و یا ترکیب هم زمان چند نیرو
لق کردن مدل توسط سیستم های ارتعاشی
خارج کردن مدل
برگرداندن و چرخاندن درجه ها

از ماشین های مختلفی مثل ماشین قالب گیری ضربه ای ساده، فشاری ساده، ضربه ای – فشاری، ضربه ای – فشاری با خارج کننده، ضربه ای – فشاری با حرکت های جانبی و چرخشی، ماسه پرتاب کن و غیره برای قالب گیری ماشینی استفاده می شود.

در ماشین های قالب گیری ضربه ای ساده، مدل صفحه ای روی صفحه ی میز ماشین محکم می شود. آن گاه روی این صفحه، یک لنگه درجه قرار می گیرد. سپس درجه کاملاً از ماسه پر می شود. شیر متصل به هوای فشرده باز شده و با فشار زیاد، پیستون را همراه با صفحه ی میز، مدل و درجه، چند سانتی متر به بالا می برد. در ارتفاع معینی راه هوای متراکم به خارج باز می شود. پیستون همراه با میز، صفحه مدل، درجه و ماسه ی داخل آن تحت تاثیر نیروی وزن به پایین بر می گردد. این عملیات چندین بار و با سرعت زیاد تکرار می شود تا ماسه به اندازه ی کافی در اطراف مدل متراکم و فشرده شود. در پایان یک سیستم ارتعاشی، مدل را از ماسه آزاد می کند و پین های خارج کننده، درجه همراه با ماسه را از سطح مدل خارج می کند.

روش کار در ماشین های قالب گیری فشاری ساده همانند ماشین های ضربه ای است، با این تفاوت که به جای استفاده از سیستم ضربه در صفحه ی پایین، از سیستم فشار در صفحه ی بالا استفاده می شود. به این ترتیب که پس از پر شدن درجه از ماسه توسط پرس فشاری، ماسه در اطراف مدل فشرده می شود.

روش کار در ماشین های قالب گیری ضربه ای – فشاری نیز شبیه ماشین های ضربه ای است، با این تفاوت که پس از عملیات فشردن ماسه به طریق ضربه ای، یک سیستم فشاری همانند ماشین های فشاری مورد استفاده قرار می گیرد. در این ماشین ها، با ترکیب دو مکانیزم ضربه ای و فشاری می توان استحکام و سختی یکنواختی را در تمام قسمت های قالب و مجاور مدل ایجاد نمود.

در ماشین ماسه پرتاب کن، ماسه با سرعت زیاد داخل درجه در اطراف مدل پرتاب می شود. شدت زیاد پرتاب (گاه تا ۳۰۰ هزار سانتی متر مکعب در دقیقه) باعث فشردگی ماسه می شود.