ریخته گری

مقدمه
این تعریف که ««متالوژی که از قدیمی‌ترین هنرها و یکی از جدیدترین علوم است»» ، بخوبی تاریخچه طولانی و جالب رشته متالوژی را بیان می‌کند. از زمانی که بشر فلز را شناخت، متالوژی را به‌عنوان یک هنر فرا گرفت. این علم ، فرآوری مواد معدنی از کانه‌های آنها (جداسازی از سنگ معدن) ، ذوب ، تصفیه و تولید شمش ، بهبود خواص و تهیه آلیاژها و فن کار بر روی فلزات و شکل دادن آنها را در بر می‌گیرد. صنعت متالوژی در جهان از دیرباز به‌عنوان صنعت مادر شناخته شده ، با پیشرفتهای روز افزون تکنولوژی ، نقش آن آشکارتر می‌گردد. شواهد باستان شناسی نشان می‌دهد که ساکنین فلات ایران ، جزو اولین اقوامی بوده‌اند که به کشف فلزات و استفاده از آن نائل گردیده‌اند. با در نظر گرفتن این سابقه دیرینه ، همچنین نقش روز افزون فلزات در زندگی بشر و وجود معادن غنی متعدد در کشورمان لازم است که دست‌اندرکاران متالوژی در شناسایی هر چه بیشتر این رشته کوشا بوده ، به طریقی سطح اطلاعات علمی و فنی سایرین را در این زمینه بالا

ببرند.
تاریخچه متالوژی
دوره فلزات پس از عصر سنگ بوده ، از حدود ۶ تا ۷ هزار سال پیش از هجرت آغاز شده است. به نظر می‌رسد که مس اولین فلزی است که بطور خالص و طبیعی و جدا از مواد معدنی مورد استفاده بشر قرار گرفته است. با نگاهی به انوع سنگهای مس ، می‌بینیم که آنها کم و بیش از ظاهری فلزی با رنگهای الوان ، نظیر نیلی ، لاجوردی ، سبز ، طلایی و رخ برخوردار می‌باشند این امر می‌تواند یکی از علل عمده توجه بشر اولیه به ترکیبات حاوی مس باشد. از طرفی مس به‌صورت خالص در طبیعت یافت می‌شود و قابلیت شکل‌پذیری مناسبی دارد.

برخی از پژوهشگران نیز معتقدند که اولین بار ذرات براق طلا که در کف رودخانه ها پراکنده بوده است، توسط بشر شناسایی شدند. مصریان و شاید هندیان بیش از سایر ملل در استخراج طلا از سنگهای آن توفیق داشته‌اند. در ایران نیز از دوره هخامنشی ، آثار متعددی از طلا و نقره خصوصا در کنار رود جیحون و در شهر همدان کشف شده است.

با گذشت زمان ، قلع ، نقره ، سرب و آنیتموان (سنگ سرمه) نیز کشف شد. فلزکاران با استفاده از آتش ، سرخ کردن و سپس ذوب فلزات ، آمیختن آنها را تجربه کرده ، به شناخت تجربی لیاژها توفیق یافتند. از اختلاط قلع و مس ، مفرغ پدید آمده ، عصر مفرغ آغاز شد. مفرغ از هنر زیبایی با مس ، طلا و نقره رقابت می‌کرد و سختی و دوامش از انها بیشتر بود و نیازهای بشر را نیز برای ساخت ابزارهای مختلف تامین می‌کرد، لذا بشر تا مدتها به فکر ساختن آلیاژ یا ک

بدرستی معلوم نیست که انسان نخستین بار چگونه و از کجا سنگ آهن را کشف و ذوب نمود و فلز آهن را بدست آورد، اما از شواهد امر پیداست که از ۵۰۰۰ سال پیش انسانهای نخستین آهن را بکار می‌گرفتند و تقریبا در نصف این مدت ، آهن بعنوان وسیله ای زینتی و فلزی افسانه‌ای از توجه خاصی برخوردار بوده است. مصریان قدیم به آهن ، با- ان- پتن یا فلز بهشتی می‌گفتند.

به نظر می‌رسد که ابتدا شهاب‌های آسمانی که حاوی آهن و نیکل (۱۵-۶ درصد نیکل) بوده‌اند، توسط انسانهای نخستین بکار گرفته شده‌اند. اطلاق سنگ اسمانی و فلز ستارگان به آهن نیز موید همین است. آشوری‌ها ، بابلی‌ها ، کلدانی‌ها و عبری‌ها به‌علت گرانبها بودن آهن از آن در ساختن زیور آلات استفاده می‌کردند. در عهد حمورابی (۲۷۰۰ سال پیش از هجرت) ، بهای آهن هشت برابر نقره و معادل سه‌ربع بهای طلا بوده است.

در ایران قدیم نیز در دوره هخامنشی به مرور مصالح آهنی جای مصالح مفرغی را گرفت، بطوری‌که در اواخر این دوره ، اسلحه‌های آهنی جایگزین اسلحه‌های مفرغی شدند. پیشینیان ، سنگ معدن آهن را با زغال چوب مخلوط کرده ، مشتعل می‌نمودند. در دوران باستان ، در ایران ، بین النهرین ، یونان و روم مجموعا هفت فلز شناخته و بکار برده شده‌اند که شامل مس ، طلا (زر) ، نقره (سیم) ، آهن ، سرب (آبار) ، اقلع (ارزیز) و جیوه (سیماب) و پلاتین می‌باشند.

تولید فلزات در طول زمان
از دوران باستان تاکنون مجموعا ۸۷ فلز کشف شده است که به جز ۷ فلز مذکور ، ۲ فلز در قرون وسطی ، ۱۵ فلز در قرن دوازدهم هجری ، ۴۳ فلز در قرن سیزدهم هجری و ۲۰ فلز در قرن چهاردهم هجری (قرن معاصر) کسف شده‌اند. البته بین تاریخ کشف و زمانی که تولید فلزات از نظر اقتصادی مقرون به صرفه شده است، فاصله زمانی طولانی وجود دارد. چون در

بررسی مسائل متالوژی ، نه‌تنها تولید فلزات امر مهمی می‌باشد، بلکه موارد کاربرد آنها نیز باید قابل توجیه باشد.

 

برای مثال اورانیوم در سال ۱۲۲۱هجری خورشیدی کشف شده است، اما تولید صنعتی آن تا سال ۱۳۲۰هجری خورشیدی (۱۸۴۱م.) طول کشیده است. به عبارت دیگر حدود یک قرن پس از کشف اورانیوم ، یعنی زمانی که پدیده شکافت اتمی فلزات هسته‌ای تحت استفاده مطلوب قرار گرفت، تولید آن در سطح صنعتی شروع گردید.

شکل‌گیری علم متالوژی
با گذشت زمان ، کشف روشهای جدید استخراج و تصفیه فلزات ، شناسایی مشخصات ساختاری و فیزیکی مواد و فنون جدید شکل دادن و کاربر روی فلزات ، صنعت متالوژی به عنوان شاخه ای از علم ، جایگاهی مستقل یافت. امروزه علم متلوژی را به دو بخش کلی شامل متالوژی استخراجی و متالوژی صنعتی تقسیم نموده‌اند که این دو بخش ، اخیرا در دانشگاهها نیز به‌عنوان گرایشهای رشته مهندسی متالوژی انتخاب شده‌اند.

متالوژی استخراجی و شیمیایی شامل جداکردن فلزات از سنگ معدن و تصفیه آنها (تولید فلزات) ، شناخت انواع کوره‌ها ، سوخت‌ها و فعل و انفعالات شیمیایی می‌باشد. این گرایش انواع متعددی از روشها را در بر می‌گیرد که از جمله می‌توان به کانه آرایی ، پر عیار کردن مواد معدنی ، شستن ، ذوب کردن ، تصفیه فلز مذاب و تولید شمش اشاره نمود.

متالوژی صنعتی شامل کار بر روی فلزات و مواد و تهیه محصول ن

هایی می‌باشد. در این گرایش همچنین خواص و مشخصات فیزیکی ، ساختاری و مکانیکی مواد نیز بررسی می‌شوند. منظور از کار کردن روی فلزات ، روشهای مختلف تولید مصنوعات فلزی می‌باشد که مهمترین شیوه‌های تولید عبارتند از: متالوژی ژودر ، شکل دادن ، جوشکاری و ماشینکاری.

انتخاب نوع روش تولید عمدتا به مسائل اقتصادی ، خواص فلزات ، زمان تولید ، اندازه ، شکل و تعداد قطعات مورد نیاز بستگی دارد. به‌عنوان مثال ، فلزاتی که خاصیت پلاستیک کمی دارند یا قطعاتی که دارای اشکال پیچیده هستند، به روش ریخته گری شکل داده می‌شوند.

ذوب فلزات بدون منبع حرارت
از آنجائیکه جامدات فلزی دارای دمای ذوب بالایی هستند برای مثال آلومینیوم دارای نقطه ذوب ۶۶۰ درجه سانتیگراد و کلسیم دارای نقطه ذوب ۸۱۰ درجه سانتیگراد می‌باشد، از این رو برای ذوب فلزات به منبع حرارت با درجه بالایی نیاز داریم اما به روش زیر می‌توان فلز آلومینیوم را به حالت مذاب درآورد. برای انجام این کار روی یک ظرف بزرگ پر از شن ، ظرف کوچکی پر از پودرهای مختلف و از جمله پودر آلومینیوم قرار داده می‌شود و بالای آن یک نوار باریک منیزیم بعنوان فتیله گذاشته می‌شود. با کبریت زدن به این فتیله ،بلافاصله یک شعله تماشایی و شدید بلند می‌شود و گرمای عجیبی نیز حاصل می‌گردد و بطوری که ظرف کوچک فلزی روی ظروف بزرگ پر از شن کاملا سرخ شده و محتویات آن بصورت آهن مذاب در می‌آید.
وسایل مورد نیاز
• پودر آلومینیوم
• پودر اکسید فریک
• پراکسید باریم
• یک ظرف کوچک و ضخیم فلزی
روش اجرا
برای اجرای این آزمایش ، پس از تهیه وسایل مورد نیاز ، ابتدا یک ظرف بزرگ فلزی نیز تهیه نموده و آن را پر از شن سازید و آزمایش را روی آن اجرا کنید تا حرارت شدید میز را نسوازند.
حال در ظرف کوچک سه قسمت اکسید فریک و یک قسمت پودر آلومینیوم ریخته و با هم خوب مخلوط کنید. سپس ، در روی این مخلوط ، به ضخامت یک سانتی متر مخلوطی از ده قسمت پراکسید باریم و یک قسمت پودر آلومینیوم بریزید و روی آن فتیله منیزیم را قرار دهید. این فتیله بشکل نوار باریکی بطول ۱۲ سانتی متر است که وسط آن بهم پیچیده شده و دو سرش آزاد هستند و در توی پودر فرو رفته اند.
کافی است که حالا به این فتیله کبریتی بزنید تا شعله ور شده

و به سرعت حرارت شدیدی ایجاد شود تا آنجا که ظرف را سرخ کرده و محتویات آن را بصورت مذاب درآورد.
دلیل انجام کار
با وجود عجیب بودن آزمایش ، دلیل آن ساده است. آلومینیوم با اکسیژنی که از اکسید فریک آزاد می‌شود ترکیب یافته و حرارت کافی برای تولید این گرما و ذوب
ريخته گري را بطور خلاصه فرآورش و تبديل ماده خام به چيزهاي ديگر( مثل محصول ساخته شده) تعريف ميكنند. بنابراين اين فرآيند در زمره فعاليتهاي تبديل ماده اوليه به قطعه نهايي ( كه البته ممكن است به عمليات ماشينكاري نياز داشته باشد)تقسيم بندي ميشود. فرآيند كار در كليه روشهاي مختلف آن عبارتست از ريختن مذاب در داخل قالب و انجماد و سرد شدن مذاب ، تبديل آن به قطعه ساخته شده و خارج كردن قطعه از قالب. در اين فرآيند آنچه كه صورت ميگيرد پايين آمدن دماي مذاب تا حد معين ، توقف دما و رسيدن به دماي تعادل است. از فيزيك مي دانيم هنگامي كه دو يا چند ماده با دماهاي متفاوت با يكديگر ادغام ميشوند گرما از جسم گرم به جسم سرد منتقل ميشود و اين فرآبند تا هم دما شدن آنها و رسيدن به دماي تعادل صورت ميگيرد . در اينجا نيز روش كار بدين صورت است و هم دما شده مذاب و قالب تا رسيدن به دماي تعادل ( يا به اصطلاح سرد شدن مذاب ) ادامه دارد. نبايد از نظر دور داشت كه انجماد به يكباره صورت ميگيرد بلكه مراحل جوانه زني و رشد را نيز در بر ميگيرد كه همگي در درس علم مواد بطور كامل آنرا آموخته ايم.

روشهاي ريخته گري:
روشهاي ريخته گري بطور خلاصه به دو دسته عمده تقسيم بندي ميشوند:
• ريخته گري با قالبهاي يك بار مصرف
• ريخته گري با قالبهاي چند بار مصرف

در ريخته گري با قالبهاي يك بار مصرف ، براي بيرون آوردن قطعه ساخته شده از دورن قالب ، آنرا مي شكنند. خود اين روش را ميتوان به دو دسته : قالبگيري با مدل يك بار مصرف و قالبگيري با مدل چند بار مصرف تقسيم بندي كرد.قالبگبري با مدلهاي يك بار مصرف ، قالبگيريهاي ماسه اي هستند كه در آن قالب ساخته شده توسط ماسه پس از انجماد مذاب شكسته مي شود. البته قالبگيريهاي پوسته اي ، قالبگيري به كمك خلاء ، قالبگيري ماسه اي نمناك و… را هم در زمره قالبگيري ماسه اي مي توان تقسيم بندي كرد.به دليل رايج بودن قالبگيري ماسه اي و استفاده اغلب از آن در كارگاه ريخته گري ( به عنوان يكي از دروس مهندسي صنايع) اين نوع ريخته گري را در اينجا بررسي خواهيم كرد.

ريخته گري ماسه اي ( قالبگيري ماسه اي ) :

در اين نوع ريخته گري قبل از انجام هر كاري مدلي را كه بر اسا س آن قرار است محصول ساخته شود با استفاده از پلاستيك ، چوب وغيره مي سازند. سپس آنرا در قالب فلزي دو تكه قرار مي دهند. هر يك از اين دو قسمت جداشدني قالب را ” درجه ” ( ضمه بر روي ض ) مي نامند. بنابراين خود مدل دو تكه خواهد بود . درجه بالايي را بر روي ميز كار قرار داده ، قسمت بالايي مدل را در داخل آن گذاشته با استفاده از پودر جداكننده و پاشش و كوبيدن ماسه درون قالب ( تركيب ماده مذكور شامل ماسه ، آب ، خاك رس و نوعي چسب است) آنرا پر ميكنند. همين كار را براي نيمه ديگر نيز انجام مي دهند. نيايد از نظر دور داشت كه گذاشتن تكه چوبي ( بصورت شيب دار) براي ايجاد راهگاه مناسب درون قالب ضروري است و نيز تعبيه تغذيه كننده براي جبران كمبود هاي ناشي از انقباض مذاب دورن قالب . بعد از خارج كردن مدل از قالب و ميله راهگاه دو نيمه قالب بر روي هم قرار گرفته ، سپس مذاب را درون آن مي ريزند( با استفاده از ابزاري شبيه ملاقه به نام چمچه ) و پس از سرد شدن مذاب ، قالب را شكسته و قطعه را خارج مي كنند(شكل روبرو را ببينيد) :
در اين روش ماسه نقش قالب را براي ما بازي ميكند، ضمن اينكه نيرويي كه براي جريان يافتن مذاب در داخل قالب لازمست نيروي ثقل است كه امروزه از روشهاي بسيار پيچيده تري از جمله فشار هيدروليكي به جاي آن استفاده مي كنند. اين روش يكي از ساده ترين و متداولترين روشها ( البته در سطح كارگاهي) براي توليد قطعات ريخته گري است و قطعه

 

اي كه بدين طريق بدست مي آيد احتمالاً داراي نقايص ظاهري فراواني از جمله : پليسه زياد و تخلخل است كه ما را به استفاده از عمليات ماشينكاري بعدي وادار مي سازد.

خاطر نشان کرد که برای بدست آوردن قطعات و محصولات با کیفیت بالا و بدون نیاز به عملیات ماشینکاری بعدی از روشهای جدید و پیشرفته تری استفاده می گردد . ضمن اینکه قالبگیری با قالبهای یک بار مصرف هزینه و زمان زیاذی را به خود اختصاص می دهد. در عمل از قالبگیری با فالبهای چند بار مصرف بسیار استفاده میشود که به آن خواهیم پرداخت.
ریخته گری با قالبهای چند بار مصرف را می توان شامل :

ریخته گری توخالی
ریخته گری کرتیاس
ریخته گری با فشار کم
ریخته گری گریز از مرکز
ریخته گری گریز از مرکز مجازی
ریخته گری پیوسته
ریخته گری الکترومغناطیسی
ریخته گری حدیده ای

از میان روشهای فوق ریخته گری حدیده ای و گریز از مرکز را به دلیل تولید قطعات با دقت بالا و نیز کاربرد فراوان در صنعت مورد بررسی قرار خواهیم داد.
ریخته گری حدیده ای از جمله روشهایی است که میتوان قطعات با ابعاد عالی و دقیق را با آن تولید کرد.در این روش فلز مذاب تحت فشار مکانیکی یا هیدرولیکی از طریق راهگاه هایی به داخل قالب رانده شدهع سپس این (که دو قسمتی بوده) بسته شده و مذاب درون آن سرد شده و منجمد می شود و پس از آن با باز شدن قالب قطعه از قالب خارج میشود .
ریخته گری حدیده ای به دو صورت میتواند اعمال شود :ریخته گری با مخزن گرم( کوره مذاب در کنار دستگاه) و ریخته گری با مخزن سرد (که

فلز را در کوره ای جداگانه ذوب کرده و به داخل دستگاه تزریق می کنند).
ریخته گری گریز از مرکز از جمله روشهایی است که در تهیه قطعات مدور , لوله , و یا حتی چند ضلعی استفاده می کنند. در این روش قالب با استفاده از نیروی گریز از مرکز حول محور عمودی یا افقی می چرخد و مذاب را به همه جای آن میرساند.