با ریخته گری به صورت کاربردی آشنا شویم – قسمت اول: قالب ها

ریخته گری یکی از روش های تولید قطعات فلزی است که در آن فلزات و آلیاژها را به صورت مذاب در محفظه ای به نام قالب بارریزی می کنند تا پس از انجماد، شکل فضای خالی قالب را به خود بگیرد و قطعه ای جامد با شکل، ابعاد و خواص مورد نظر از درون آن خارج شود. در صورتی که آشنایی زیادی با اصول و مراحل فرایند ریخته گری ندارید می توانید این انیمیشن را از عصر مواد ببینید تا یک دید مناسبی از کلیت این روش تولیدی به دست آورید.

فرایندهای متنوعی برای ریخته گری انواع قطعات فلزی وجود دارد و دسته بندی های مختلفی هم از این فرایندها صورت گرفته است. در یک دسته بندی، فرایندهای ریخته گری را می توان به دو گروه اصلی تقسیم نمود:

ریخته گری در قالب های مصرفی یا موقت (Expendable Molds):

در این روش از قالب های یک بار مصرف استفاده می شود و پس از هر بار ریخته گری، قالب تخریب و از هم پاشیده می شود تا قطعه ریخته شده از داخل آن خارج شود. سپس برای مذاب ریزی و ریخته گری مجدد، قالبی نو ساخته می شود.

ریخته گری در قالب های دائم (Permanents Molds):

در این روش از قالب های دائم (با طول عمر زیاد) برای تولید انبوه قطعات به طور مکرر و بدون تعویض قالب در هر بار ریخته گری استفاده می شود.

از فرایندهای ریخته گری در قالب های موقت می توان به ریخته گری در قالب های ماسه ای مثل ماسه تر، ماسه CO₂ و ماسه فوران (چسب سرد)، ریخته گری در قالب پوسته ای، ریخته گری در قالب گچی، ریخته گری دقیق و لاست فوم اشاره کرد. در میان این روش ها، ریخته گری در قالب های ماسه ای بیشترین کاربرد را در صنعت کشورمان دارد. هدف از ساخت قالب ماسه ای، ایجاد محفظه ای به شکل قطعه در ماسه فشرده شده است. به همین منظور این قالب ماسه ای از مخلوطی شامل ماسه، چسب و مواد افزودنی دیگر چنان ساخته می شود که خواص زیر را داشته باشد:

شکل پذیر باشد و قابلیت شکل پذیری خود را بتواند حفظ کند.
دیرگداز یا نسوز باشد، چون از درجه حرارت بارریزی تا انجماد مذاب، در تماس مستقیم با آن قرار دارد.
دارای استحکام مکانیکی بالایی باشد تا: الف) هنگام جابجایی قالب بتواند شکل قطعه را در خود حفظ کند. ب) هنگام بارریزی بتواند در مقابل جریان مذاب مقاومت کرده، کنده و ساییده نشود. ج) در اثر نیروهای وارده از مذاب به دیواره های قالب دچار تغییر شکل و دفرمگی نشود.
دارای انتقال حرارت مطلوبی باشد، چون انجماد فلز مذاب در داخل قالب مستلزم خروج حرارت مذاب از طریق مواد قالب به خارج است.
دارای قابلیت نفوذ گاز باشد، چون هوای موجود در محفظه قالب، رطوبت ماسه و گاز متصاعد شده از تماس مواد قالب با مذاب باید از محفظه قالب خارج شود تا بتوان قطعه ای سالم و بدون عیب تولید نمود، مواد قالب گیری باید خاصیت نفوذپذیری مطلوبی داشته باشد.
دارای حداقل تغییرات ابعادی در دماهای بالا باشد، چون دیواره های قالب در اثر مجاورت با مذاب به سرعت گرم می شود، در صورتی که مواد قالب از ضریب انبساط مطلوبی برخوردار نباشد، سطح قالب در اثر انبساط سریع، دچار بادکردگی، ترک و یا شکست می شود.
دارای قابلیت متلاشی شدن باشد، چون خروج قطعه از قالب مستلزم تخریب و متلاشی شدن قالب های موقت است، مواد قالب باید به راحتی از هم متلاشی شوند.
اقتصادی و در دسترس باشد، چون قالب های موقت یک بار مصرف بوده و به تعداد زیادی ساخته می شوند، باید دارای توجیه و ارزش اقتصادی باشد، هزینه تمام شده ی آن پایین باشد، در دسترس باشد و قابلیت بازیابی و احیا داشته باشد.

انواع قالب ماسه ای:

ساختمان قالب های ماسه ای بر ماسه (Sand) و چسب (Binder) استوار است و برای ایجاد چسبندگی و اتصال بین ماسه و چسب از آب، حرارت و گاز استفاده می شود. بر همین اساس قالب های ماسه ای به سه گروه زیر دسته بندی می شوند:

۱- ماسه تر (Green Sand Molding):

در این نوع قالب، ماسه به همراه یک چسب معدنی (معمولاً مونت موریلونیت که جزء اصلی بنتونیت ها است) به کار می رود. برای فعال کردن بتونیت و ایجاد چسبندگی نیز از آب استفاده می شود. علاوه بر ماسه، بنتونیت و آب از مواد دیگری چون پودر زغال، پودر سیلیس، ملاس، اکسید آهن، آرد حبوبات، خاک اره، گوگرد، اسید بوریک و اتیلن گلیکول به منظورهایی چون افزایش استحکام تر و خشک قالب، افزایش استحکام قالب در دماهای بالا، بهبود کیفیت سطح و مقاومت قالب به نفوذ مذاب، بهبود قابلیت از هم پاشیدگی قالب، جلوگیری از انجام واکنش های فلز-قالب و جلوگیری از عیوب ناشی از انبساط قالب استفاده می شود.

انواع مختلفی از ماسه نیز در قالب گیری تر استفاده می شود. مهمترین نوع ماسه ی مورد استفاده، ماسه سیلیسی است. ترکیب اصلی این ماسه، سیلیس یا کوارتز (SiO₂) است. علاوه بر ماسه ی سیلیسی، از ماسه زیرکنی (ZrSiO₄) با نقطه گداز بسیار بالا، ماسه کرومیتی (FeCr₂O₄)، ماسه اولیوینی [(Mg,Fe)₂SiO₄] به عنوان مخلوطی از سیلیکات های منیزیم و آهن و ماسه شاموتی که از زینتر کردن ذرات خاک رس به دست می آید، استفاده می شود.

اگر علاقمندید، می توانید ویدیویی از قالب گیری ماسه تر را اینجا از عصر مواد تماشا نمایید.

۲- ماسه رزینی یا چسب دار:

در این نوع قالب، ماسه به همراه یک چسب رزین به کار می رود. فعال کردن چسب و ایجاد چسبندگی نیز به سه طریق انجام می گیرد: حرارت، واکنش چسب رزین با یک گاز و واکنش چسب رزین با یک واکنش گر اسید. به همین دلیل، این نوع قالب ها به سه دسته تقسیم می شوند:

قالب های ماسه ای سخت شده با حرارت:

اگر از حرارت برای فعال کردن واکنش چسب رزین و اسید (یک واکنش گر) در داخل ماسه استفاده شود، از سیستم سخت شده با حرارت (Heat-cured resin binder processes) استفاده شده است. این نوع سخت شدن خود شامل روش هایی چون جعبه گرم فوران یا فنولیک (Hot Box)، جعبه گرم فورفوریل/کاتالیست (Warm Box)، روش پوسته ای با رزین نوالاک (Shell Process) است.

قالب های ماسه ای جعبه سرد (Cold Box):

در این نوع قالب ها، از عبور یک کاتالیست گاز یا بخار از درون مخلوط ماسه و رزین برای سخت شدن قالب استفاده می شود. در این صورت بدون اینکه به قالب حرارت داده شود، از واکنش چسب های رزینی در حضور کاتالیزور گازی استفاده می شود تا قالب سخت شود. از قالب های چسب سرد می توان به یورتان فنولیک (واکنش رزین فنول فرمالدهید و پلی ایزوسیانات در حضور کاتالیزور آمین گازی که منجر به تشکیل یورتان می شود) و فوران/گاز دی اکسید سولفور (واکنش فورفوریل الکل با یون هیدروژن در حضور کاتالیزور گازی SO₂) اشاره کرد.

قالب های ماسه ای بدون پخت (No-Bake Process):

در این نوع قالب ها، از سخت شدن قالب در دمای محیط با واکنش دو یا چند جزء در داخل مخلوط ماسه استفاده می شود. از این نوع قالب ها می توان به فوران و واکنش گر اسید، فنولیک و واکنش گر اسید، رزین فنولیک قلیایی و استر، سیلیکات و استر، یورتان فنولیک و غیره اشاره کرد.

اگر علاقمندید، می توانید ویدیویی از قالب گیری ماسه رزین دار را اینجا از عصر مواد تماشا نمایید.

۳- ماسه با چسب سیلیکات (یا فسفات)

در این نوع قالب های ماسه ای، چسب معدنی سیلیکاتی یا فسفاتی به کار می رود. برای سخت شدن چسب سیلیکاتی از گاز دی اکسید کربن (CO₂) و برای سخت شدن چسب فسفاتی (اسید فسفریک) از هاردنر پودر اکسید فلزی استفاده می شود.

اگر علاقمندید، می توانید ویدیویی از قالب گیری ماسه با چسب سیلیکاتی را اینجا از عصر مواد تماشا نمایید.

از میان این دسته بندی قالب های ماسه ای، در بیشتر کارگاه های ریخته گری کشورمان، چهار گروه از ماسه ها کاربرد زیادی دارند که عباتند از: