شش روش کلیدی ریخته گری: مقایسه جامع & بینش ها

مقدمه

ریخته گری, به عنوان یکی از اولین فرآیندهای تسلط بر فلز داغ برای انسان, دارای سابقه تقریباً 6,000 سال.

چین وارد دوران اوج ریخته‌گری برنز شد 1700 قبل از میلاد و 1000 قبل از میلاد, با هنر ریخته گری که به سطح نسبتاً پیشرفته ای رسیده است.

به عنوان یک فرآیند اصلی در تولید مدرن, ریخته گری امکان تشکیل اجزای فلزی پیچیده ای را فراهم می کند که تولید آنها از طریق آهنگری یا ماشین کاری دشوار است., و به طور گسترده در هوافضا کاربرد دارد, خودرو, ماشین آلات, و صنایع ابزار دقیق.

انتخاب روش های ریخته گری به طور مستقیم کیفیت ریخته گری را تعیین می کند, کارایی تولید, و هزینه های ساخت.

1. ریخته گری شن و ماسه سبز (ریخته گری شن و ماسه معمولی)

تعریف اصلی & اصل فرآیند

سبز ریخته گری شن و ماسه سنتی ترین و پرکاربردترین روش ریخته گری در سطح جهان است.

مواد اولیه اصلی آن ماسه ریخته گری است (عمدتا ماسه سیلیس; ماسه‌های ویژه مانند ماسه زیرکون و ماسه کوراندوم زمانی استفاده می‌شوند که ماسه سیلیسی نیازهای دمای بالا را برآورده نکند.) و چسب های شنی (خاک رس رایج ترین است; روغن خشک, سیلیکات محلول در آب, فسفات, و رزین های مصنوعی گزینه های جایگزین هستند).

قالب های ماسه خارجی بر اساس بایندرها و مکانیسم های تشکیل دهنده مقاومت به سه نوع طبقه بندی می شوند: قالب ماسه خاک رس سبز, قالب ماسه خاک رس خشک, و قالب شنی با پیوند شیمیایی.

فلز مذاب در قالب ماسه ریخته می شود, که جامد می شود و قالب های ریخته گری را تشکیل می دهد, و قالب پس از یکبار ریختن آسیب دیده و قابل استفاده مجدد نیست.

مزایا

• مواد اولیه مقرون به صرفه: خاک رس از نظر منابع فراوان و قیمت پایینی دارد; تمام 90% شن و ماسه خاک رس سبز استفاده شده را می توان پس از عملیات شن و ماسه بازیافت و مجددا استفاده کرد, کاهش ضایعات مواد.
• انعطاف پذیری فرآیند بالا: چرخه کوتاه ساخت قالب و راندمان بالا; ماسه قالب گیری مخلوط دارای عمر مفید طولانی است; آن را به کوچک سازگار است, بزرگ, ساده, و ریخته گری های پیچیده, و همچنین تک تکه, دسته کوچک, و سناریوهای تولید انبوه.
• آستانه تجهیزات پایین: به تجهیزات تخصصی پیشرفته نیاز ندارد, مناسب برای ریخته گری های کوچک و متوسط.

معایب & محدودیت ها

• راندمان تولید پایین: هر قالب ماسه ای فقط یک بار قابل استفاده است و باید برای ریخته گری های بعدی دوباره قالب گیری شود, منجر به راندمان پایین تولید مداوم می شود.
• دقت ابعادی ضعیف: سفتی قالب های ماسه ای کم است, منجر به درجات تحمل ابعادی ریخته گری CT10-CT13 می شود, که نمی تواند الزامات با دقت بالا را برآورده کند.
• خطر نقص بالا: ریخته گری مستعد عیوب معمولی مانند شستشوی شن و ماسه است, گنجاندن شن و ماسه, تخلخل گاز, و تخلخل انقباض به دلیل ساختار سست قالب های شنی.
• کیفیت سطح پایین: سطح ریخته گری نسبتا ناهموار است, نیاز به ماشینکاری اضافی برای بهبود پرداخت.

2. ریخته گری سرمایه گذاری (ریخته گری موم گمشده)

تعریف اصلی & اصل فرآیند

ریخته گری سرمایه گذاری, معمولاً به عنوان ریخته گری موم گمشده شناخته می شود, دارای یک جریان فرآیند پیچیده است:

ساخت الگوهای موم با استفاده از مواد قابل ذوب, چندین لایه از مواد نسوز را روی سطح الگو بپوشانید تا یک پوسته سرامیکی تشکیل شود, الگوی موم را ذوب کرده و بردارید تا یک قالب بدون سطوح جداکننده به دست آید, و قبل از ریختن فلز مذاب، بو دادن را در دمای بالا انجام دهید.

برای طیف وسیعی از آلیاژها قابل استفاده است, از جمله فولاد کربنی, فولاد آلیاژی, آلیاژ مقاوم در برابر حرارت, فولاد ضد زنگ, آلیاژ مس, آلیاژ آلومینیوم, آلیاژ تیتانیوم, و آهن انعطاف پذیر, به ویژه برای موادی که پردازش آنها با آهنگری یا برش دشوار است.

مزایا

• دقت ابعادی عالی: تحمل ریخته گری نمرات به CT4-CT6 می رسد, بسیار بالاتر از ریخته گری شن و ماسه سبز (CT10 - CT13) و قابل مقایسه با دایکاست (CT5-CT7), به حداقل رساندن ماشینکاری پس از ریخته گری.
• استفاده از مواد بالا: حجم ماشینکاری سطوح شکل گرفته و جفت شده را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد, صرفه جویی در زمان ماشینکاری و مصرف ابزار برش, با نرخ استفاده از مواد بیش از 90%.
• سازگاری شکل قوی: می تواند اجزای بسیار پیچیده را ریخته شود, قطعات جدار نازک (حداقل ضخامت دیوار 0.5 میلی متر), و ریخته گری در اندازه میکرو (حداقل وزن 1 گرم);
  همچنین از ریخته گری یکپارچه قطعات مونتاژ شده پشتیبانی می کند, ساده سازی فرآیندهای مونتاژ بعدی.
• سازگاری با آلیاژ گسترده: تقریباً برای تمام مواد فلزی مناسب است, از جمله آلیاژهای با دمای بالا, آلیاژهای منیزیم, آلیاژهای تیتانیوم, و فلزات گرانبهایی که پردازش آنها با روشهای دیگر دشوار است.
• مقیاس تولید انعطاف پذیر: با تولید انبوه سازگار است, تولید دسته کوچک, و حتی سفارشی سازی تک تکه, با مقیاس پذیری قوی.

معایب & محدودیت ها

• جریان فرآیند پیچیده: این پیچیده ترین فرآیند را در بین تمام روش های ریخته گری دارد, شامل ساخت الگوی مومی, پوشش پوسته, موهای زائد, برشته کردن, و ریختن, نیاز به کنترل دقیق فرآیند.
• اندازه ریخته گری محدود: برای ریخته گری های بزرگ مناسب نیست; حداکثر وزن ریخته گری های سرمایه گذاری معمولی به طور کلی در 50 کیلوگرم است, زیرا پوسته های بزرگ در هنگام برشته شدن و ریختن مستعد ترک خوردن هستند.
• سرعت خنک کنندگی پایین: پوسته سرامیکی رسانایی حرارتی پایینی دارد, منجر به انجماد آهسته فلز مذاب می شود, که ممکن است باعث ایجاد ساختار دانه درشت در برخی آلیاژها شود.
• هزینه ساخت بالا: هزینه الگوهای مومی, مواد نسوز, و کنترل فرآیند نسبتاً بالاست; تنها زمانی که با کاهش ماشینکاری و صرفه جویی در مواد همراه باشد از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است.

3. دایکستینگ

تعریف اصلی & اصل فرآیند

دایکستینگ یک روش ریخته گری با فشار بالا است که شامل تزریق فلز مذاب به داخل حفره قالب فلزی دقیق با سرعت بالا است. (1050 متر بر ثانیه) تحت فشار بالا (20– 150 مگا پاسکال), و جامد کردن فلز تحت فشار برای تشکیل قطعات ریخته گری.

دو فرآیند اساسی دارد: بازیگران داغ اتاق داغ (فلز مذاب به طور خودکار وارد محفظه فشار می شود) و ریخته گری در اتاق سرد (فلز مذاب به صورت دستی یا خودکار در محفظه فشار ریخته می شود).

این قالب از فولاد قالبی با مقاومت بالا ساخته شده است, اطمینان از استفاده مکرر.

مزایا

• کیفیت محصول برتر: دقت ابعاد ریخته گری به درجه 6-7 می رسد (حتی درجه 4 برای محصولات دقیق) با زبری سطح Ra 5-8μm;
  استحکام و سختی 25 تا 30 درصد بیشتر از ریخته گری ماسه سبز به دلیل انجماد فشار است, اگرچه ازدیاد طول حدوداً کاهش می یابد 70%.
• راندمان تولید فوق العاده بالا: یک دستگاه ریخته گری افقی با محفظه سرد می تواند 600-700 چرخه را در هر بار انجام دهد 8 ساعت,
  در حالی که یک دستگاه ریخته گری کوچک با محفظه داغ می تواند 3000 تا 7000 چرخه انجام دهد., بسیار فراتر از سایر روش های ریخته گری.
• عمر قالب طولانی: قالب های ریخته گری آلیاژ روی می توانند صدها هزار یا حتی میلیون ها بار دوام بیاورند, کاهش هزینه های تولید بلند مدت.
• اتوماسیون آسان: این فرآیند با مکانیزاسیون و اتوماسیون سازگاری بالایی دارد, کاهش هزینه های نیروی کار و بهبود ثبات تولید.
• مزایای اقتصادی عالی: ریخته گری به حداقل ماشینکاری یا بدون ماشینکاری نیاز دارد, بهبود استفاده از فلز و کاهش سرمایه گذاری در تجهیزات پردازش;
  ریخته گری ترکیبی مواد فلزی و غیرفلزی باعث صرفه جویی در زمان مونتاژ و مواد اولیه می شود.

معایب & محدودیت ها

• خطر نقص بالای تخلخل گاز: پر کردن با سرعت بالا منجر به جریان ناپایدار فلز مذاب می شود,
  به راحتی گاز را به دام می اندازد تا تخلخل داخلی ایجاد کند, که باعث می شود ریخته گری ها نتوانند تحت عملیات حرارتی قرار گیرند (عملیات حرارتی باعث انبساط گاز و ترک خوردن می شود).
• سازگاری ضعیف با قطعات مقعر داخلی پیچیده: تخریب ساختارهای پیچیده مقعر داخلی دشوار است, محدود کردن طراحی اشکال ریخته گری.
• عمر قالب کوتاه برای آلیاژهای با نقطه ذوب بالا: برای آلیاژهای با نقطه ذوب بالا مانند آلیاژهای مس و فلزات آهنی, قالب مستعد خستگی و سایش حرارتی است, به طور قابل توجهی عمر سرویس را کاهش می دهد.
• برای تولید دسته کوچک مناسب نیست: هزینه ساخت قالب بالا است, و راندمان بالای ماشین‌های ریخته‌گری باعث می‌شود تولید دسته‌های کوچک از نظر اقتصادی غیرقابل دوام باشد.

4. ریخته گری قالب دائمی (ریخته گری قالب سخت)

تعریف اصلی & اصل فرآیند

ریخته گری قالب دائمی, ریخته گری قالب سخت نیز نامیده می شود, شامل ریختن فلز مذاب در قالب فلزی برای تشکیل قطعات ریخته گری است.

این قالب از چدن یا فولاد چدنی ساخته شده و صدها تا هزاران بار قابل استفاده مجدد است, از این رو نام "قالب دائمی".

در حفره داخلی قطعات ریخته گری می توان از هسته های فلزی یا هسته های شنی استفاده کرد, و ساختارهای قالب به جداسازی افقی تقسیم می شوند, جدایی عمودی, و جداسازی کامپوزیت برای انطباق با اشکال مختلف ریخته گری:

جداسازی عمودی دروازه و قالب گیری را تسهیل می کند, جداسازی افقی برای قطعات چرخ شکل با دیواره نازک است, و جداسازی کامپوزیت برای اجزای پیچیده است.

مزایا

• قابلیت استفاده مجدد قالب عالی: "یک قالب برای ریخته گری های متعدد" نیاز به ساخت قالب های مکرر را از بین می برد, صرفه جویی در مواد قالب گیری و زمان, و بهبود راندمان تولید.
• عملکرد بالا در ریخته گری: قالب فلزی دارای ظرفیت خنک کننده قوی است, منجر به ساختار ریخته گری متراکم و خواص مکانیکی برتر در مقایسه با ریخته گری شن و ماسه می شود.
• دقت ابعاد و کیفیت سطح خوب: درجه تحمل ریخته گری به IT12–IT14 می رسد, زبری سطح Ra ≤6.3μm, کاهش حجم کار پس از پردازش.
• بهبود شرایط کاری: از ماسه کم یا اصلا استفاده نمی کند, اجتناب از آلودگی گرد و غبار و بهینه سازی محیط کار برای کارگران.

معایب & محدودیت ها

• هزینه قالب بالا و چرخه تولید طولانی: قالب فلزی به مواد با مقاومت بالا و پردازش دقیق نیاز دارد,
  با سرمایه گذاری اولیه بالا و زمان طولانی, نامناسب برای تولید تک تکه و دسته کوچک.
• آلیاژهای قابل اجرا و اندازه های ریخته گری محدود: به طور عمده برای تولید انبوه ریخته گری آلیاژهای غیر آهنی مناسب است (پیستون های آلومینیومی, بلوک های سیلندر, سر سیلندر, بوش های آلیاژ مس, و غیره) برای خودروها, هواپیما, و موتورهای احتراق داخلی;
  برای ریخته گری آلیاژهای آهنی, فقط برای قطعات کوچک و متوسط ​​با اشکال ساده قابل استفاده است.
• الزامات فرآیند دقیق: قالب برای جلوگیری از بسته شدن سرد و ترک خوردن قالب نیاز به پیش گرم کردن و کنترل دما دارد; پس از استفاده طولانی مدت مستعد خستگی حرارتی است, تاثیر بر کیفیت ریخته گری.

5. ریخته گری کم فشار

تعریف اصلی & اصل فرآیند

ریخته گری کم فشار روشی است که قالب را پر می کند و فلز مذاب را تحت فشار کم جامد می کند. (0.02-0.06 مگاپاسکال).

فرآیند اصلی شامل: ریختن فلز مذاب در یک بوته عایق, آب بندی بوته, اتصال لوله رایزر به قالب, وارد کردن هوای فشرده خشک به داخل بوته برای هدایت فلز مذاب به سمت بالا از طریق لوله بالابر برای پر کردن حفره قالب,
جامد کردن فلز تحت فشار ثابت, فشار را آزاد می کند تا فلز مذاب باقیمانده به داخل بوته جریان یابد, و در نهایت قالب را باز کنید تا قالب بیرون بیاید.

مزایا

• کنترل فرآیند انعطاف پذیر: سرعت افزایش فلز مذاب و فشار انجماد قابل تنظیم است, مناسب برای قالب های مختلف (قالب های فلزی, قالبهای شن و ماسه) و آلیاژها, و همچنین ریخته گری در اندازه های مختلف.
• پر شدن پایدار و میزان نقص کم: پر کردن از پایین به بالا جریان صاف فلز مذاب را بدون پاشیدن تضمین می کند, جلوگیری از گیر افتادن گاز و فرسایش دیواره ها و هسته های قالب;
  عیوب ریخته گری مانند تخلخل گاز و ورود سرباره به طور قابل توجهی کاهش می یابد, با نرخ صلاحیت بیش از 95%.
• ریخته گری با کیفیت بالا: انجماد تحت فشار انجماد جهت دار از بیرون به داخل را محقق می کند, در نتیجه ساختار ریخته گری متراکم ایجاد می شود,
  خطوط واضح, سطوح صاف, و خواص مکانیکی عالی, به خصوص برای قطعات بزرگ با دیواره نازک مناسب است.
• استفاده از مواد بالا: نیازی به افزایش دهنده تغذیه نیست, با نرخ استفاده از مواد به 90-98٪ می رسد, کاهش ضایعات فلزی.
• محیط کاری دوستانه: شدت کار کم, تجهیزات ساده, و تحقق آسان مکانیزاسیون و اتوماسیون, مطابق با الزامات تولید مدرن.

معایب & محدودیت ها

• عمر مفید لوله رایزر کوتاه: لوله رایزر برای مدت طولانی در تماس مستقیم با فلز مذاب با دمای بالا است, مستعد اکسیداسیون و سایش است, نیاز به تعویض منظم.
• خطر آلودگی فلزات مذاب: در طول حفظ حرارت, فلز مذاب به راحتی اکسید شده و با سرباره مخلوط می شود, نیاز به کنترل دقیق محیط حفظ حرارت و تصفیه فلز مذاب.
• دامنه کاربرد محدود: عمدتا برای ریخته گری آلیاژ آلومینیوم با کیفیت بالا و ریخته گری آلیاژ منیزیم استفاده می شود, مانند بلوک های سیلندر, سر سیلندر, میل لنگ, و پیستون های آلومینیومی موتور احتراق داخلی با سرعت بالا; به دلیل دمای بالا، به ندرت برای آلیاژهای آهنی استفاده می شود.

6. ریخته گری

تعریف اصلی & اصل فرآیند

ریخته گری گریز از مرکز شامل ریختن فلز مذاب در قالب دوار است, جایی که فلز قالب را پر می کند و تحت نیروی گریز از مرکز جامد می شود.

با توجه به جهت محور چرخش قالب, به سه نوع تقسیم می شود: ریخته گری گریز از مرکز افقی (محور افقی یا <4درجه به افقی, مناسب برای قطعات استوانه ای بلند),

ریخته گری گریز از مرکز عمودی (محور عمودی, مناسب برای قطعات استوانه ای یا حلقوی کوتاه), و ریخته گری گریز از مرکز با محور شیبدار (به ندرت به دلیل عملکرد پیچیده استفاده می شود).

نیروی گریز از مرکز حرکت جهتی فلز مذاب را هدایت می کند, بهینه سازی ساختار ریخته گری.

مزایا

• ساختار قالب ساده شده: برای قطعات دوار توخالی, بدون هسته, سیستم شیروانی, یا رایزر مورد نیاز است, ساده سازی طراحی قالب و کاهش هزینه های ساخت.
• ریخته گری با کیفیت بالا: نیروی گریز از مرکز، گازها و سرباره های کم چگالی را به سطح داخلی جدا می کند,
  و انجماد جهتی را از بیرون به داخل ترویج می کند, در نتیجه ساختار ریخته گری متراکم ایجاد می شود, چند نقص, و خواص مکانیکی عالی.
• صرفه جویی در هزینه برای قطعات دو فلزی: ریخته گری آسان اجزای دو فلزی مانند بوشینگ ها و یاتاقان ها (به عنوان مثال, آستین های فولادی با آستر مسی نازک), صرفه جویی در فلزات غیر آهنی گران قیمت و در عین حال تضمین عملکرد.
• ظرفیت پر کردن قوی: نیروی گریز از مرکز سیالیت فلز مذاب را افزایش می دهد, مناسب برای ریخته گری قطعات و آلیاژهای جدار نازک با سیالیت ضعیف.
• کاهش ضایعات مواد: سیستم های گیتینگ و رایزرها را حذف می کند, بهبود بیشتر استفاده از مواد.

معایب & محدودیت ها

• کیفیت سطح داخلی ضعیف: سطح آزاد داخلی قطعات ریخته گری ناهموار است, با خطاهای ابعادی زیاد و یکنواختی ضعیف, نیاز به ماشینکاری بعدی برای برآوردن نیازهای ابعادی.
• برای آلیاژهای خاص نامناسب است: برای آلیاژهایی با تفکیک چگالی شدید قابل استفاده نیست (به عنوان مثال, برنز سرب), زیرا نیروی گریز از مرکز جداسازی را تشدید می کند;
  همچنین برای آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم به دلیل چگالی کم و اثر جداسازی گریز از مرکز ضعیف مناسب نیست..
• اشکال ریخته گری محدود: فقط برای چرخاندن قطعات متقارن مناسب است (سیلندرها, حلقه ها, آستین ها); نمی تواند قطعات پیچیده شکل با خطوط نامنظم ریخته شود.
• نیاز به تجهیزات بالا: به ماشین های ریخته گری گریز از مرکز تخصصی با کنترل سرعت چرخش پایدار نیاز دارد, افزایش سرمایه گذاری تجهیزات.

7. جدول مقایسه روش های ریخته گری متداول

8. نتیجه گیری

هر روش ریخته گری دارای مزایا و محدودیت های منحصر به فردی است که آن را برای کاربردهای خاص مناسب می کند.

ریخته گری شن و ماسه همه کاره ترین و مقرون به صرفه ترین روش برای بزرگ است, بازیگران پیچیده, در حالی که ریخته گری سرمایه گذاری دقت استثنایی را برای اجزای با ارزش بالا فراهم می کند.

ریخته گری در تولید قطعات با دیواره نازک در حجم بالا برتر است, و ریخته گری قالب دائمی کیفیت ثابتی را برای تولید غیر آهنی با حجم متوسط ​​ارائه می دهد.

ریخته گری کم فشار برای اجزای آلومینیوم و منیزیم با یکپارچگی بالا ایده آل است, و ریخته گری گریز از مرکز برای قطعات متقارن توخالی بی بدیل است.

انتخاب روش ریخته گری مناسب به عواملی از جمله هندسه قطعه بستگی دارد, دقت ابعادی مورد نیاز, پرداخت سطح, نوع ماده, حجم تولید, و ملاحظات هزینه.

تولید مدرن به طور فزاینده ای این تکنیک ها را ترکیب می کند تا از مزایای مکمل آنها استفاده کند, ایجاد نوآوری در تولید قطعات پیچیده در سراسر هوافضا, خودرو, و بخش های صنعتی.