ستة طرق صب رئيسية: مقارنة شاملة & رؤى

مقدمة

صب, باعتبارها واحدة من أقدم عمليات العمل الساخنة للمعادن المتقنة للبشر, تفتخر بتاريخ تقريبًا 6,000 سنين.

دخلت الصين ذروة المسبوكات البرونزية بين 1700 قبل الميلاد و 1000 قبل الميلاد, مع وصول حرفية الصب إلى مستوى متقدم إلى حد ما.

كعملية أساسية في التصنيع الحديث, يتيح الصب تشكيل مكونات معدنية معقدة الشكل يصعب إنتاجها عن طريق التشكيل أو التصنيع, ويتم تطبيقه على نطاق واسع في مجال الطيران, السيارات, الآلات, وصناعات الأدوات الدقيقة.

اختيار طرق الصب يحدد بشكل مباشر جودة الصب, كفاءة الإنتاج, وتكاليف التصنيع.

1. صب الرمال الخضراء (صب الرمل التقليدي)

التعريف الأساسي & مبدأ العملية

أخضر صب الرمل هي طريقة الصب الأكثر تقليدية والأكثر استخدامًا على مستوى العالم.

المواد الخام الأساسية هي رمل المسبك (في الغالب رمل السيليكا; يتم اعتماد رمال خاصة مثل رمل الزركون ورمل اكسيد الالمونيوم عندما يفشل رمل السيليكا في تلبية متطلبات درجات الحرارة العالية) والمجلدات الرملية (الطين هو الأكثر شيوعا; زيت جاف, سيليكات قابلة للذوبان في الماء, فوسفات, والراتنجات الاصطناعية هي خيارات بديلة).

تصنف قوالب الرمل الخارجية إلى ثلاثة أنواع على أساس الروابط وآليات تشكيل القوة: قالب الرمل الطيني الأخضر, قالب الرمل الطيني الجاف, والعفن الرملي المرتبط كيميائياً.

يُسكب المعدن المنصهر في قالب الرمل, والتي تصلب لتشكل المسبوكات, ويتلف القالب بعد صبه مرة واحدة ولا يمكن إعادة استخدامه.

المزايا

• مواد خام فعالة من حيث التكلفة: الطين غني بالموارد وسعره منخفض; زيادة 90% يمكن إعادة تدوير رمل الطين الأخضر المستخدم وإعادة استخدامه بعد معالجة الرمل, الحد من النفايات المادية.
• مرونة عملية عالية: دورة صنع القالب قصيرة وكفاءة عالية; رمل التشكيل المختلط له عمر خدمة طويل; أنها قابلة للتكيف مع الصغيرة, كبير, بسيط, والمسبوكات المعقدة, وكذلك قطعة واحدة, دفعة صغيرة, وسيناريوهات الإنتاج الضخم.
• عتبة المعدات منخفضة: لا يتطلب معدات متخصصة عالية الجودة, مناسبة للمسابك الصغيرة والمتوسطة الحجم.

العيوب & القيود

• انخفاض كفاءة الإنتاج: يمكن استخدام كل قالب رمل مرة واحدة فقط ويجب إعادة تشكيله للمسبوكات اللاحقة, مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الإنتاج المستمر.
• دقة الأبعاد سيئة: صلابة القوالب الرملية منخفضة, مما أدى إلى صب درجات التسامح الأبعاد من CT10 – CT13, والتي لا يمكنها تلبية متطلبات الدقة العالية.
• ارتفاع خطر الخلل: المسبوكات عرضة للعيوب النموذجية مثل غسل الرمال, إدراج الرمال, مسامية الغاز, وانكماش المسامية بسبب البنية الفضفاضة للعفن الرملي.
• انخفاض جودة السطح: سطح الصب خشن نسبيًا, تتطلب تصنيعًا إضافيًا لتحسين النهاية.

2. صب الاستثمار (صب الشمع المفقود)

التعريف الأساسي & مبدأ العملية

صب الاستثمار, المعروف باسم صب الشمع المفقود, يتميز بتدفق عملية متطور:

افتعال أنماط الشمع باستخدام مواد قابلة للانصهار, قم بتغطية طبقات متعددة من المواد المقاومة للحرارة على سطح النمط لتكوين غلاف خزفي, قم بإذابة وإزالة نمط الشمع للحصول على قالب بدون فراق الأسطح, وإجراء التحميص على درجة حرارة عالية قبل صب المعدن المنصهر.

إنه قابل للتطبيق على مجموعة واسعة من السبائك, بما في ذلك الكربون الصلب, سبائك الصلب, سبيكة مقاومة للحرارة, الفولاذ المقاوم للصدأ, سبائك النحاس, سبيكة الألومنيوم, سبائك التيتانيوم, وحديد الدكتايل, خاصة بالنسبة للمواد التي يصعب معالجتها بالتزوير أو القطع.

المزايا

• دقة أبعاد ممتازة: صب التسامح تصل الدرجات إلى CT4 – CT6, أعلى بكثير من صب الرمل الأخضر (CT10 - CT13) وقابلة للمقارنة مع الصب يموت (CT5-CT7), التقليل من الآلات بعد الصب.
• ارتفاع استخدام المواد: يقلل من حجم المعالجة للأسطح المشكلة والمتزاوجة بشكل كبير, توفير وقت التصنيع واستهلاك أداة القطع, مع تجاوز معدل استخدام المواد 90%.
• القدرة على التكيف مع الشكل القوي: يمكن أن يلقي مكونات معقدة للغاية, أجزاء رقيقة الجدران (الحد الأدنى لسمك الجدار 0.5 مم), والمسبوكات الصغيرة الحجم (الحد الأدنى للوزن 1 جرام);
  كما أنه يدعم الصب المتكامل للأجزاء المجمعة, تبسيط عمليات التجميع اللاحقة.
• توافق واسع للسبائك: مناسبة لجميع المواد المعدنية تقريبًا, بما في ذلك السبائك ذات درجة الحرارة العالية, سبائك المغنيسيوم, سبائك التيتانيوم, والمعادن الثمينة التي يصعب معالجتها بطرق أخرى.
• حجم الإنتاج المرن: تتكيف مع الإنتاج الضخم, إنتاج دفعة صغيرة, وحتى تخصيص قطعة واحدة, مع قابلية التوسع القوية.

العيوب & القيود

• تدفق العمليات المعقدة: إنها العملية الأكثر تعقيدًا بين جميع طرق الصب, التي تنطوي على صنع نمط الشمع, طلاء القشرة, إزالة شمع, تحميص, وصب, تتطلب رقابة صارمة على العملية.
• حجم الصب محدود: غير مناسب للمسبوكات الكبيرة; الحد الأقصى لوزن المسبوكات الاستثمارية التقليدية عادة ما يكون في حدود 50 كجم, حيث أن الأصداف الكبيرة تكون عرضة للتشقق أثناء التحميص والسكب.
• معدل تبريد بطيء: القشرة الخزفية لديها موصلية حرارية منخفضة, مما يؤدي إلى التصلب البطيء للمعادن المنصهرة, والتي قد تسبب هياكل الحبوب الخشنة في بعض السبائك.
• ارتفاع تكلفة التصنيع: تكلفة أنماط الشمع, مواد حرارية, والتحكم في العمليات مرتفع نسبيًا; فهي مجدية اقتصاديًا فقط عندما تقترن بتقليل التوفير في الآلات والمواد.

3. يموت الصب

التعريف الأساسي & مبدأ العملية

يموت الصب هي طريقة صب عالية الضغط تتضمن حقن المعدن المنصهر في تجويف قالب معدني دقيق بسرعة عالية (10-50 م / ث) تحت ضغط عال (20-150 ميجا باسكال), وتصلب المعدن تحت الضغط لتشكيل المسبوكات.

لديها عمليتان أساسيتان: يموت الساخن يموت الصب (يتدفق المعدن المنصهر تلقائيًا إلى غرفة الضغط) وصب الغرفة الباردة (يتم صب المعدن المنصهر يدويًا أو تلقائيًا في غرفة الضغط).

القالب مصنوع من فولاذ عالي القوة, ضمان الاستخدام المتكرر.

المزايا

• جودة المنتج متفوقة: تصل دقة أبعاد الصب إلى الدرجة 6-7 (حتى الصف 4 للمنتجات الدقيقة) مع خشونة السطح Ra 5–8μm;
  القوة والصلابة أعلى بنسبة 25-30٪ من مصبوبات الرمل الأخضر بسبب تصلب الضغط, على الرغم من انخفاض الاستطالة بحوالي 70%.
• كفاءة إنتاجية فائقة: يمكن لآلة الصب بالقالب ذات الغرفة الباردة الأفقية إكمال 600-700 دورة في المرة الواحدة 8 ساعات,
  بينما يمكن لآلة الصب الصغيرة ذات الغرفة الساخنة أن تحقق ما بين 3000 إلى 7000 دورة, تتجاوز بكثير طرق الصب الأخرى.
• عمر العفن الطويل: يمكن لقوالب صب سبائك الزنك أن تدوم مئات الآلاف أو حتى ملايين المرات, تقليل تكاليف الإنتاج على المدى الطويل.
• أتمتة سهلة: هذه العملية متوافقة للغاية مع الميكنة والأتمتة, تقليل تكاليف العمالة وتحسين استقرار الإنتاج.
• فوائد اقتصادية ممتازة: تتطلب المسبوكات الحد الأدنى من الآلات أو لا تتطلب أي تصنيع, تحسين استخدام المعادن وتقليل الاستثمار في معدات المعالجة;
  يوفر صب القوالب المجمعة للمواد المعدنية وغير المعدنية وقت التجميع والمواد الخام.

العيوب & القيود

• ارتفاع خطر عيب مسامية الغاز: تؤدي التعبئة عالية السرعة إلى تدفق غير مستقر للمعدن المنصهر,
  محاصرة الغاز بسهولة لتكوين مسامية داخلية, مما يجعل المسبوكات غير قادرة على الخضوع للمعالجة الحرارية (المعالجة الحرارية تسبب تمدد الغاز وتكسيره).
• ضعف القدرة على التكيف مع الأجزاء الداخلية المقعرة المعقدة: من الصعب إزالة الهياكل المعقدة المقعرة الداخلية, الحد من تصميم أشكال الصب.
• Short mold life for high-melting-point alloys: For high-melting-point alloys such as copper alloys and ferrous metals, the mold is prone to thermal fatigue and wear, significantly reducing service life.
• Not suitable for small-batch production: The mold manufacturing cost is high, and the high efficiency of die casting machines makes small-batch production economically unviable.

4. صب القالب الدائم (صب القالب الصلب)

التعريف الأساسي & مبدأ العملية

صب القالب الدائم, also called hard mold casting, involves pouring molten metal into a metal mold to form castings.

The mold is made of cast iron or cast steel and can be reused hundreds to thousands of times, hence the name “permanent mold”.

The inner cavity of castings can use metal cores or sand cores, and the mold structures are divided into horizontal parting, vertical parting, and composite parting to adapt to different casting shapes:

الفراق العمودي يسهل عملية البوابات والتشكيل, الفراق الأفقي مخصص للأجزاء ذات الجدران الرقيقة على شكل عجلة, والفراق المركب مخصص للمكونات المعقدة.

المزايا

• إمكانية إعادة استخدام القالب بشكل ممتاز: "قالب واحد للمسبوكات المتعددة" يلغي الحاجة إلى صنع القالب المتكرر, توفير مواد صب والوقت, وتحسين كفاءة الإنتاج.
• أداء الصب العالي: يتمتع القالب المعدني بقدرة تبريد قوية, مما يؤدي إلى هيكل صب كثيف وخصائص ميكانيكية فائقة مقارنة بالمسبوكات الرملية.
• دقة الأبعاد جيدة وجودة السطح: تصل درجات تحمل الصب إلى IT12-IT14, خشونة السطح Ra .36.3μm, تقليل عبء العمل بعد المعالجة.
• تحسين ظروف العمل: يستخدم القليل من الرمال أو لا يستخدمها على الإطلاق, تجنب التلوث بالغبار وتحسين بيئة التشغيل للعمال.

العيوب & القيود

• ارتفاع تكلفة العفن ودورة التصنيع الطويلة: The metal mold requires high-strength materials and precision processing,
  with high upfront investment and long lead time, unsuitable for single-piece and small-batch production.
• Limited applicable alloys and casting sizes: Mainly suitable for mass production of non-ferrous alloy castings (aluminum pistons, cylinder blocks, رؤوس الاسطوانات, copper alloy bushings, إلخ.) for automobiles, طائرة, and internal combustion engines;
  for ferrous alloy castings, it is only applicable to small and medium-sized parts with simple shapes.
• Strict process requirements: The mold needs preheating and temperature control to avoid cold shuts and mold cracking; it is prone to thermal fatigue after long-term use, affecting casting quality.

5. صب الضغط المنخفض

التعريف الأساسي & مبدأ العملية

Low-pressure casting is a casting method that fills the mold and solidifies molten metal under low pressure (0.02–0.06MPa).

The core process includes: صب المعدن المنصهر في بوتقة معزولة, ختم البوتقة, ربط أنبوب الناهض إلى القالب, إدخال الهواء المضغوط الجاف في البوتقة لدفع المعدن المنصهر إلى أعلى من خلال الأنبوب الصاعد لملء تجويف القالب,
تصلب المعدن تحت ضغط مستمر, تحرير الضغط للسماح بتدفق المعدن المنصهر المتبقي إلى البوتقة, وأخيرا فتح القالب لإخراج الصب.

المزايا

• تحكم مرن في العمليات: يمكن تعديل سرعة ارتفاع المعدن المنصهر وضغط التصلب, مناسبة لمختلف القوالب (قوالب معدنية, قوالب الرمل) والسبائك, وكذلك المسبوكات بأحجام مختلفة.
• تعبئة مستقرة ومعدل خلل منخفض: تضمن الحشوة من الأسفل إلى الأعلى التدفق السلس للمعدن المنصهر دون تناثر, تجنب انحباس الغاز وتآكل جدران القالب والنوى;
  يتم تقليل عيوب الصب مثل مسامية الغاز وإدراج الخبث بشكل كبير, مع انتهاء معدل التأهيل 95%.
• المسبوكات عالية الجودة: يحقق تصلب الضغط تصلبًا اتجاهيًا من الخارج إلى الداخل, مما أدى إلى هيكل الصب الكثيفة,
  ملامح واضحة, الأسطح الملساء, وخصائص ميكانيكية ممتازة, مناسبة بشكل خاص للأجزاء الكبيرة ذات الجدران الرقيقة.
• ارتفاع استخدام المواد: ليس هناك حاجة لرافعة التغذية, مع معدل استخدام المواد يصل إلى 90-98%, الحد من النفايات المعدنية.
• بيئة عمل ودية: انخفاض كثافة اليد العاملة, معدات بسيطة, وسهولة تحقيق الميكنة والأتمتة, مطابقة لمتطلبات الإنتاج الحديثة.

العيوب & القيود

• عمر خدمة قصير للأنبوب الناهض: يكون الأنبوب الناهض على اتصال مباشر بالمعدن المنصهر ذو درجة الحرارة العالية لفترة طويلة, عرضة للأكسدة والتآكل, تتطلب استبدال منتظم.
• خطر التلوث بالمعادن المنصهرة: أثناء الحفاظ على الحرارة, يتأكسد المعدن المنصهر بسهولة ويخلط مع الخبث, تتطلب رقابة صارمة على بيئة الحفاظ على الحرارة وتنقية المعدن المنصهر.
• نطاق التطبيق محدود: تستخدم بشكل رئيسي لصب سبائك الألومنيوم عالية الجودة وسبائك المغنيسيوم, مثل كتل الاسطوانة, رؤوس الاسطوانات, علب المرافق, ومكابس الألمنيوم عالية السرعة لمحرك الاحتراق الداخلي; ونادرا ما يستخدم للسبائك الحديدية بسبب متطلبات درجات الحرارة العالية.

6. الطرد المركزي الصب

التعريف الأساسي & مبدأ العملية

يتضمن الصب بالطرد المركزي صب المعدن المنصهر في قالب دوار, حيث يملأ المعدن القالب ويتصلب تحت قوة الطرد المركزي.

وفقا لاتجاه محور الدوران للقالب, وهي مقسمة إلى ثلاثة أنواع: صب الطرد المركزي الأفقي (المحور أفقي أو <4° إلى الأفقي, مناسبة للأجزاء الأسطوانية الطويلة),

صب الطرد المركزي العمودي (المحور عمودي, مناسبة للأجزاء الأسطوانية أو الحلقية القصيرة), وصب الطرد المركزي المحور المائل (نادرا ما تستخدم بسبب عملية معقدة).

قوة الطرد المركزي تدفع الحركة الاتجاهية للمعدن المنصهر, تحسين هيكل الصب.

المزايا

• هيكل القالب المبسط: للأجزاء الدوارة المجوفة, لا الأساسية, نظام البوابات, أو هناك حاجة إلى الناهض, تبسيط تصميم القالب وخفض تكاليف التصنيع.
• المسبوكات عالية الجودة: تعمل قوة الطرد المركزي على فصل الغازات منخفضة الكثافة والخبث إلى السطح الداخلي,
  ويعزز التصلب الاتجاهي من الخارج إلى الداخل, مما أدى إلى هيكل الصب الكثيفة, عيوب قليلة, وخصائص ميكانيكية ممتازة.
• توفير التكاليف للأجزاء ثنائية المعدن: من السهل صب المكونات ثنائية المعدن مثل البطانات والمحامل (على سبيل المثال, أكمام فولاذية مع بطانة نحاسية رقيقة), توفير المعادن غير الحديدية باهظة الثمن مع ضمان الأداء.
• قدرة تعبئة قوية: قوة الطرد المركزي تعزز سيولة المعدن المنصهر, مناسبة لصب الأجزاء والسبائك ذات الجدران الرقيقة ذات السيولة الضعيفة.
• تقليل النفايات المادية: يزيل أنظمة البوابات والناهضين, مواصلة تحسين استخدام المواد.

العيوب & القيود

• سوء نوعية السطح الداخلي: السطح الداخلي الحر للمسبوكات خشن, مع وجود أخطاء كبيرة في الأبعاد وضعف التوحيد, تتطلب الآلات اللاحقة لتلبية متطلبات الأبعاد.
• غير مناسب لبعض السبائك: لا ينطبق على السبائك ذات الفصل الشديد الكثافة (على سبيل المثال, البرونز الرصاص), لأن قوة الطرد المركزي سوف تؤدي إلى تفاقم الفصل;
  كما أنها غير مناسبة لسبائك الألومنيوم والمغنيسيوم بسبب كثافتها المنخفضة وضعف تأثير الفصل بالطرد المركزي.
• أشكال صب محدودة: مناسبة فقط للأجزاء المتناظرة الدوارة (اسطوانات, حلقات, الأكمام); لا يمكن صب أجزاء معقدة الشكل ذات خطوط غير منتظمة.
• متطلبات المعدات العالية: يتطلب آلات صب بالطرد المركزي متخصصة مع تحكم ثابت في سرعة الدوران, زيادة الاستثمار في المعدات.

7. جدول مقارنة طرق الصب شائعة الاستخدام

8. خاتمة

توفر كل طريقة من طرق الصب مزايا وقيودًا فريدة تجعلها مناسبة لتطبيقات محددة.

يظل صب الرمل هو الطريقة الأكثر تنوعًا واقتصادية بالنسبة للشركات الكبيرة, المسبوكات المعقدة, بينما يوفر صب الاستثمار دقة استثنائية للمكونات عالية القيمة.

يتفوق الصب بالقالب في إنتاج كميات كبيرة من الأجزاء ذات الجدران الرقيقة, ويوفر صب القالب الدائم جودة متسقة لإنتاج المواد غير الحديدية متوسطة الحجم.

يعد الصب بالضغط المنخفض مثاليًا لمكونات الألومنيوم والمغنيسيوم عالية السلامة, والصب بالطرد المركزي لا مثيل له بالنسبة للأجزاء المتناظرة المجوفة.

يعتمد اختيار طريقة الصب المناسبة على عوامل تشمل هندسة الأجزاء, دقة الأبعاد المطلوبة, الانتهاء من السطح, نوع المواد, حجم الإنتاج, واعتبارات التكلفة.

يجمع التصنيع الحديث بشكل متزايد بين هذه التقنيات للاستفادة من مزاياها التكميلية, قيادة الابتكار في إنتاج المكونات المعقدة عبر الفضاء الجوي, السيارات, والقطاعات الصناعية.