ریخته گری آلومینیوم یعنی اینکه آلومینیوم مذاب یا آلیاژهای آن را داخل یک قالب بریزیم و بعد بگذاریم سرد شود تا به شکل دلخواه ما درآید. این روش به خاطر ویژگیهای خاص آلومینیوم مثل سبکی، مقاومت بالا در برابر زنگزدگی، انتقال عالی گرما و برق، و قابلیت بازیافت بینظیرش، خیلی محبوب شده است. در مواردی مانند قطعات موتور خودرو و هواپیما، وسایل خانگی و لوازم الکترونیکی، میتوان از ریخته گری آلومینیوم استفاده کرد.
ریخته گری آلومینیوم چه تفاوتی با ریخته گری فولاد دارد؟
تفاوتهای مهم بین ریخته گری فولاد و آلومینیوم بیشتر به خواص فیزیکی و شیمیایی این دو فلز برمیگردد:
دمای ذوب
این شاید از بزرگترین تفاوتها باشد. آلومینیوم در دمای بسیار پایینتری (حدود 660 درجه سانتیگراد) ذوب میشود، در حالی که فولاد به دمای ذوب بسیار بالاتری (معمولاً بالای 1400 درجه سانتیگراد) نیاز دارد. این اختلاف دما تاثیر زیادی بر نوع کورهها، مواد قالبسازی و تجهیزات مورد نیاز میگذارد. ریخته گری فولاد نیازمند کورههای مقاومتر و قالبهایی است که بتوانند حرارت بسیار بالا را تحمل کنند.
وزن و چگالی
آلومینیوم فلزی سبک است (چگالی حدود 2.7 گرم بر سانتیمتر مکعب)، در حالی که فولاد بسیار سنگینتر است (چگالی حدود 7.85 گرم بر سانتیمتر مکعب). این تفاوت در چگالی به این معنی است که قطعات آلومینیومی به طور قابل توجهی سبکتر از قطعات فولادی هماندازه خواهند بود.
مقاومت به خوردگی
آلومینیوم به طور طبیعی با تشکیل یک لایه اکسیدی روی سطح خود، مقاومت خوبی در برابر زنگزدگی دارد. فولاد، به خصوص فولاد کربن، مستعد زنگزدگی است و اغلب برای محافظت در برابر خوردگی نیاز به پوششدهی یا آبکاری دارد.
انقباض انجمادی
هر دو فلز هنگام سرد شدن و سفت شدن جمع میشوند، اما میزان این انقباض میتواند متفاوت باشد. طراحی قالب باید این انقباض را جبران کند تا از ایجاد حفرهها یا ترکها جلوگیری شود. به طور کلی، آلومینیوم انقباض کمتری نسبت به فولاد دارد، که میتواند فرآیند طراحی قالب را کمی سادهتر کند.
قابلیت ماشینکاری
آلومینیوم راحتتر از فولاد ماشینکاری میشود. این یعنی برشکاری، سوراخکاری و شکلدهی قطعات آلومینیومی سادهتر و کمهزینهتر است.
هزینه مواد و فرآیند
هزینه اولیه مواد برای آلومینیوم ممکن است کمتر از فولاد باشد، اما این به نوع آلیاژ و شرایط بازار بستگی دارد. با این حال، فرآیند ریخته گری آلومینیوم (به دلیل دمای پایینتر ذوب و نیاز کمتر به تجهیزات بسیار مقاوم در برابر حرارت) میتواند از نظر انرژی و فرسایش قالب مقرونبهصرفهتر باشد.
مراحل فرآیند ریخته گری آلومینیوم
فرآیند ریخته گری آلومینیوم چند مرحله اصلی دارد که هر کدام در کیفیت محصول نقش مهمی دارند:
1.آمادهسازی مواد اولیه
اول از همه، شمشهای آلومینیوم یا ضایعات بازیافتی آلومینیوم را جمعآوری کرده و برای ذوب شدن آماده میکنند. تمیزی مواد اولیه در کیفیت محصول خیلی مهم است.
2.ذوب کردن آلومینیوم
آلومینیوم را در کورههای مخصوص (مثل کورههایی که با برق یا شعله کار میکنند) تا دمای ذوبش (حدود ۶۶۰ درجه سانتیگراد، البته معمولاً کمی گرمترش میکنند تا روانتر شود) حرارت میدهند. در این مرحله، ممکن است موادی را به آن اضافه کنند تا خواص مکانیکی یا فیزیکی بهتری پیدا کند.
3.آمادهسازی قالب
قالبها که میتوانند از مواد مختلفی مثل ماسه، فلز (در دایکاست) یا سرامیک باشند، باید قبل از ریختن فلز مذاب آماده شوند. این آمادهسازی شامل تمیز کردن، پوشاندن قالب با موادی برای جلوگیری از چسبیدن فلز به آن، و گاهی هم گرم کردن اولیه قالب است.
4.ریختن فلز مذاب
آلومینیوم ذوب شده را با دقت داخل حفرههای قالب میریزند. نحوه ریختن بستگی به نوع روش ریخته گری (مثل ریخته گری تحت فشار یا ریخته گری ماسهای) دارد. هدف این است که قالب کاملاً و یکنواخت پر شود بدون اینکه حباب هوا یا ایراد دیگری به وجود بیاید.
5.انجماد و خنک شدن
بعد از اینکه قالب پر شد، آلومینیوم مذاب کم کم سرد شده و سفت میشود. سرعت سرد شدن در شکلگیری ساختار داخلی و مقاومت قطعه نقش مهمی دارد.
6.بیرون آوردن قطعه
وقتی قطعه کاملاً سفت شد، آن را از قالب بیرون میآورند. در ریخته گری ماسهای، قالب را میشکنند، ولی در دایکاست، قالب باز میشود و قطعه بیرون میآید.
7.عملیات نهایی (پرداخت)
قطعهای که از قالب بیرون میآید معمولاً نیاز به کارهایی برای کامل شدن دارد. این کارها شامل بریدن قسمتهای اضافی (مثل راهگاهها و تغذیهکنندهها)، تمیز کردن سطح، ماشینکاری برای رسیدن به ابعاد دقیق، و اگر لازم باشد، عملیات حرارتی برای بیشتر کردن مقاومت قطعه است.
انواع روشهای ریخته گری آلومینیوم
برای اینکه بتوانیم نیازهای گوناگون صنایع را برآورده کنیم، روشهای مختلفی برای ریخته گری آلومینیوم ایجاد شده است. هر روش مزایا و محدودیتهای خودش را دارد:
۱. ریخته گری تحت فشار (دایکاست – Die Casting)
ریخته گری دایکاست یکی از رایجترین روشها در صنعت ریخته گری آلومینیوم است، به خصوص برای تولید انبوه قطعاتی که نیاز به دقت ابعادی بالا و سطح خیلی صاف دارند.
۲. ریخته گری ماسهای (Sand Casting)
ریخته گری ماسهای یکی از قدیمیترین و در عین حال انعطافپذیرترین روشهای ریخته گری است. در این روش، یک قالب از جنس ماسه و یک ماده چسباننده (معمولاً نوعی رزین) ساخته میشود و پس از ریختن فلز مذاب، این قالب را میشکنند تا قطعه بیرون بیاید. این قالبها با استفاده از یک الگوی سهبعدی از قطعه (که به آن مدل میگویند) ساخته میشوند. مدل میتواند از چوب، فلز یا پلاستیک باشد. ریخته گری ماسهای به دلیل هزینه اولیه پایین و توانایی ساخت قطعات خیلی بزرگ و پیچیده، برای تولیدات در حجم کم تا متوسط و همچنین ساخت نمونههای اولیه (پروتوتایپ) بسیار مناسب است.
۳. ریخته گری ثقلی (Gravity Die Casting یا Permanent Mold Casting)
در ریخته گری ثقلی، آلومینیوم مذاب فقط با نیروی گرانش (جاذبه) و بدون استفاده از فشار خارجی، به داخل یک قالب فلزی دائمی ریخته میشود. این روش چیزی بین دایکاست و ریخته گری ماسهای است؛ از قالبهای دائمی (مثل دایکاست) اما بدون تزریق تحت فشار استفاده میکند.
به همین دلیل، سرعت تولید آن از دایکاست کمتر است، اما کیفیت سطح و دقت ابعادی بهتری نسبت به ریخته گری ماسهای به دست میآید. قطعات ساخته شده با این روش معمولاً مقاومت مکانیکی بالاتری نسبت به قطعات دایکاست دارند، زیرا فرآیند سرد شدن و سفت شدن فلز آرامتر اتفاق میافتد و این باعث میشود ساختار داخلی بهتری در فلز شکل بگیرد.
۴. ریخته گری دقیق (Investment Casting یا Lost-Wax Casting)
ریخته گری دقیق که به آن ریخته گری موم گمشده هم میگویند، برای ساخت قطعاتی با شکلهای بسیار پیچیده و دقت ابعادی فوقالعاده بالا استفاده میشود. این فرآیند با ساخت یک مدل مومی بسیار دقیق از قطعه مورد نظر شروع میشود. سپس این مدل مومی را با لایهای از سرامیک میپوشانند. بعد از اینکه پوشش سرامیکی خشک شد، موم را ذوب کرده و از قالب بیرون میآورند تا یک فضای خالی دقیقاً به شکل قطعه ایجاد شود. سپس فلز مذاب را به داخل این فضای خالی میریزند. با وجود اینکه این روش پیچیده و گران است، قطعات تولید شده دارای سطح بسیار صاف و حداقل نیاز به پرداخت نهایی هستند.
ویژگیها و مزایای ریخته گری آلومینیوم چیست؟
سبکی و استحکام بالا: آلومینیوم با اینکه خیلی سبک است، مقاومت بالایی دارد. باعث میشود برای ساخت قطعاتی که باید وزن کمی داشته باشند (مثل قطعات خودرو و هواپیما) مناسب باشد که به کم کردن مصرف سوخت و کاهش آلودگی هوا کمک زیادی میکند.
مقاومت در برابر زنگزدگی (خوردگی): آلومینیوم به طور طبیعی یک لایه محافظ از اکسید روی سطحش تشکیل میدهد که باعث مقاومت در برابر زنگزدگی، افزایش عمر قطعات و عدم نیاز به پوششهای اضافی میشود.
هدایت خوب گرما و برق: آلومینیوم گرما و برق را خیلی خوب منتقل میکند، برای همین برای ساخت قطعاتی که نیاز به انتقال حرارت یا الکتریسیته دارند (مثل خنککنندهها یا قطعات الکترونیکی) مناسب است.
قابلیت بازیافت بالا: آلومینیوم ۱۰۰٪ قابل بازیافت است و بعد از بازیافت هم کیفیتش را از دست نمیدهد.
امکان ساخت قطعات پیچیده: با ریخته گری آلومینیوم میتوان قطعاتی با شکلهای خیلی پیچیده و جزئیات دقیق ساخت که با روشهای دیگر ممکن نیست یا خیلی سخت است.
مقرون به صرفه بودن: اگر قرار باشد تعداد زیادی قطعه تولید شود، ریخته گری آلومینیوم میتواند خیلی بهصرفه باشد، چون میتوان تعداد زیادی قطعه را با کمترین ضایعات تولید کرد.
چه نوع آلیاژهای آلومینیومی در ریخته گری استفاده میشوند؟
انتخاب آلیاژ مناسب در ریخته گری آلومینیوم خیلی مهم است، چون خواص مکانیکی، فیزیکی و توانایی ریخته گری قطعه را تعیین میکند. آلیاژهای آلومینیوم معمولاً با فلزات دیگری مثل سیلیسیوم (Si)، مس (Cu)، منیزیم (Mg)، روی (Zn) و غیره ترکیب میشوند تا ویژگیهای خاصی را به دست آورند.
آلیاژهای آلومینیوم-سیلیسیوم (Al-Si): به خاطر روان بودن عالی و کم بودن جمع شدگی (انقباض) هنگام سفت شدن، خیلی پرکاربرد هستند. سیلیسیوم باعث میشود نقطه ذوب پایین بیاید و قابلیت ریخته گری بهتر شود. این آلیاژها معمولاً برای ساخت قطعات با شکلهای پیچیده و دیوارههای نازک استفاده میشوند. مثلاً، آلیاژ A356 (که با منیزیم و تیتانیوم برای بهبود خواص مکانیکی ترکیب شده) و A380 (که برای دایکاست عالی است) از این دسته هستند.
آلیاژهای آلومینیوم-مس (Al-Cu): این آلیاژها به خصوص بعد از انجام عملیات حرارتی روی آنها، مقاومت مکانیکی و سختی بالایی دارند. البته، روان بودنشان کمتر است و ممکن است مستعد ترکخوردگی داغ باشند. آلیاژهایی مثل ۲۰۶ و ۲۹۵ در این گروه قرار میگیرند که در قطعات هوافضا و نظامی استفاده میشوند.
آلیاژهای آلومینیوم-منیزیم (Al-Mg): مقاومت خیلی خوبی در برابر زنگزدگی دارند و به خاطر نسبت بالای مقاومت به وزنشان مورد توجه هستند. آلیاژ ۵۱۸ از این گروه است که در صنایع دریایی و ساختمانی به کار میرود.
آلیاژهای آلومینیوم-روی (Al-Zn): آلیاژهای آلومینیوم-روی، به خصوص آنهایی که کمی مس و منیزیم هم دارند، قابلیت عملیات حرارتی و مقاومت بسیار بالایی دارند و در ساخت قطعات سازهای استفاده میشوند.
کاربردهای ریخته گری آلومینیوم در صنایع مختلف
ریخته گری آلومینیوم در صنایع مختلفی کاربرد دارد:
صنعت خودروسازی: یکی از بزرگترین مصرفکنندگان قطعات ریخته گری آلومینیوم است. این قطعات شامل بلوک موتور، سرسیلندر، کارتل روغن، محفظه گیربکس، قطعات سیستم تعلیق، چرخها و رینگها میشوند. استفاده از آلومینیوم سبک در خودرو به کاهش مصرف سوخت و آلودگی کمک میکند.
صنعت هوافضا: به دلیل نیاز به قطعات سبک و با مقاومت بالا، آلومینیوم ریخته گری شده در ساخت قطعات موتور هواپیما، بدنه، و اجزای داخلی آن استفاده میشود.
صنایع الکترونیک و مخابرات: به خاطر رسانایی عالی گرما و برق آلومینیوم، از آن برای ساخت خنککنندهها (هیتسینک)، قابهای دستگاههای الکترونیکی و قطعات مخابراتی استفاده میشود.
لوازم خانگی: بسیاری از قطعات لوازم خانگی مانند بدنههای جاروبرقی، قطعات ماشین لباسشویی و قسمتهای مختلف لوازم آشپزخانه از طریق ریخته گری آلومینیوم تولید میشوند.
صنایع نظامی: در ساخت تجهیزات و وسایل نقلیه نظامی که نیاز به سبکی و مقاومت در برابر زنگزدگی دارند، کاربرد دارد.
پزشکی: در تولید برخی تجهیزات پزشکی و ابزار دقیق که نیاز به وزن سبک، دقت بالا و مقاومت در برابر زنگزدگی دارند، از آلومینیوم ریخته گری شده، استفاده میشود.
ساخت و ساز: در تولید قطعات معماری، فریمهای پنجره و در، و برخی اتصالات ساختمانی که نیاز به مقاومت و سبکی دارند.
تجهیزات صنعتی و ماشینآلات: در ساخت بدنه پمپها، محفظه شیرآلات، قطعات ماشینابزار و سایر اجزای صنعتی.
چه مشکلاتی در قطعات ریخته گری آلومینیوم ممکن است رخ دهد؟
متاسفانه، در فرآیند ریخته گری آلومینیوم، ممکن است قطعات دچار ایراداتی شوند که بر کیفیت و عملکرد آنها تأثیر میگذارد. شناخت این ایرادات و راههای پیشگیری از آنها برای تولید قطعات با کیفیت بسیار مهم است.
حفرههای گازی (پوروزیته): اینها سوراخهای ریز یا بزرگی هستند که در داخل یا روی سطح قطعه ظاهر میشوند. دلیل اصلیشان این است که آلومینیوم مذاب میل زیادی به جذب گاز هیدروژن دارد (معمولاً از رطوبت موجود در هوا یا مواد اولیه). وقتی فلز سرد و سفت میشود، این گازها نمیتوانند فرار کنند و به صورت حبابهایی در داخل قطعه گیر میافتند.
حفرههای انقباضی: اینها فضاهای خالی یا ترکهایی هستند که وقتی فلز در حال سفت شدن است، به دلیل جمعشدگی یا انقباض حجمی آن، ایجاد میشوند. اگر هنگام سرد شدن، مذاب کافی برای پر کردن فضای خالی ناشی از انقباض وجود نداشته باشد، این حفرهها شکل میگیرند.
ترکها (Cracks): ترکها میتوانند در حین سرد شدن قطعه (ترکهای داغ) یا پس از آن (ترکهای سرد) به وجود آیند. ترکهای داغ معمولاً به دلیل تنشهای داخلی ناشی از انقباض و محدودیتهای قالب در دمای بالا اتفاق میافتند. ترکهای سرد بعد از انجماد کامل و به دلیل تنشهای پسماند یا طراحی نامناسب رخ میدهند.
جریان سرد (Cold Shut): این عیب وقتی اتفاق میافتد که دو جریان از فلز مذاب در داخل قالب به هم میرسند، اما به دلیل اینکه قبل از تلاقی کامل سرد شدهاند، به طور کامل به هم نمیچسبند و یک خط یا مرز قابل مشاهده روی سطح قطعه باقی میماند.
فرورفتگیهای سطحی (Sink Marks): اینها فرورفتگیهای کوچک و نامنظم روی سطح قطعه هستند که به دلیل انقباض فلز در زیر سطح و کشیده شدن سطح به داخل ایجاد میشوند.
هزینه ریخته گری آلومینیوم به چه عواملی بستگی دارد؟
تعیین هزینه دقیق ریخته گری آلومینیوم به عوامل مختلفی بستگی دارد که میتوانند قیمت یک قطعه را به شدت تغییر دهند. این عوامل شامل موارد زیر هستند:
نوع روش ریخته گری
پیچیدگی قطعه و طراحی آن
وزن و ابعاد قطعه
نوع آلیاژ آلومینیوم
عملیات ثانویه و پرداخت نهایی
حجم تولید (تیراژ)
هزینههای سربار و کارخانه (هزینههای انرژی، نیروی انسانی، نگهداری تجهیزات، و استهلاک ماشینآلات و… )
آیا ریخته گری آلومینیوم برای تولید قطعات با ابعاد بسیار بزرگ یا بسیار کوچک مناسب است؟
قابلیت ریخته گری آلومینیوم برای تولید قطعات با ابعاد بسیار بزرگ یا بسیار کوچک، بستگی به روش ریخته گری که انتخاب میکنیم دارد. در کل بله، برای تولید هر دو نوع قطعات بسیار بزرگ و بسیار کوچک مناسب است، اما انتخاب روش ریخته گری مناسب برای آن ابعاد خاص بسیار مهم است. برای قطعات بسیار بزرگ، ریخته گری ماسهای استفاده میشود. برای قطعات بسیار کوچک نیز، ریخته گری دقیق گزینه بهتری است و دایکاست نیز برای تولید انبوه قطعات کوچک و متوسط بسیار کاربردی است.
سوالات متداول
تفاوت اصلی بین ریخته گری دایکاست و ریخته گری ماسهای چیست؟
تفاوت اصلی این دو روش در نوع قالبی است که استفاده میکنند و چگونگی پر شدن آن با فلز مذاب. در روش دایکاست، از قالبهای فلزی خیلی مقاوم و دائمی استفاده میشود و آلومینیوم مذاب با فشار بسیار زیاد به داخل آن تزریق میگردد. این روش برای تولید انبوه قطعاتی که باید خیلی دقیق و صاف باشند عالی است. اما در ریخته گری ماسهای، از قالبهای یکبار مصرف ساخته شده از ماسه استفاده میشود و آلومینیوم مذاب فقط با نیروی جاذبه داخل آن ریخته میشود. این روش ارزانتر است و برای ساخت قطعات بزرگتر یا وقتی تعداد تولید کم است، مناسب است، اما دقت و صافی سطح کمتری نسبت به دایکاست دارد.
چرا آلومینیوم در فرآیندهای ریخته گری دچار انقباض میشود؟
آلومینیوم، درست مثل بیشتر فلزات، وقتی از حالت مایع به جامد تبدیل میشود، کمی حجمش کم میشود و به اصطلاح جمع میشود. این اتفاق به خاطر تغییر در نحوه قرار گرفتن اتمها کنار هم در ساختار جامد است. برای اینکه قطعه به خاطر این جمع شدن سوراخ یا ترک نخورد، مهندسان قالبها را با دقت خاصی طراحی میکنند و از قسمتهای اضافی به نام تغذیهکننده (رایزر) استفاده میکنند. این تغذیهکنندهها مخازن کوچکی از آلومینیوم مذاب هستند که در حین سفت شدن قطعه، فلز مذاب مورد نیاز را تامین میکنند و جای خالی ناشی از انقباض را پر میکنند.
عمر قالبهای دایکاست چقدر است؟
عمر قالبهای دایکاست به عوامل زیادی بستگی دارد، از جمله نوع آلیاژ آلومینیومی که استفاده میشود، دمای ذوب، پیچیدگی شکل قطعه، کیفیت موادی که قالب از آن ساخته شده (معمولاً فولادهای مقاوم) و اینکه چقدر خوب از قالب نگهداری و تعمیر میشود. با این حال، اگر قالبهای دایکاست با کیفیت بالا باشند و به درستی طراحی و نگهداری شوند، میتوانند عمر خیلی طولانی داشته باشند و توانایی تولید صدها هزار تا حتی میلیونها قطعه را پیش از اینکه نیاز به تعمیر اساسی یا تعویض پیدا کنند، دارا هستند. نگهداری صحیح قالب، مثل تمیز کردن منظم و بازرسیهای دورهای، میتواند به طول عمر آن کمک زیادی کند.
چه ایراداتی ممکن است در قطعات ریخته گری آلومینیوم رخ دهد؟
قطعات ریخته گری آلومینیوم ممکن است با ایرادات مختلفی مواجه شوند که بر کیفیت و ظاهر آنها تاثیر میگذارد. رایجترین این ایرادات شامل: سوراخهای گازی کوچک (پوروزیته گازی) که به دلیل گیر افتادن گاز هیدروژن در فلز مذاب ایجاد میشوند؛ فضاهای خالی ناشی از جمع شدن فلز (حفرههای انقباضی) که به دلیل جمع شدن فلز هنگام سفت شدن و عدم جبران کافی آن به وجود میآیند؛ ترکها که به دلیل فشارها و تنشهای حرارتی یا محدودیت جمع شدن در قالب ایجاد میشوند؛ خطوط سرد (Cold Shut) که وقتی دو جریان فلز مذاب به هم میرسند ولی قبل از اینکه کاملاً به هم بچسبند سرد میشوند، رخ میدهند؛ و فرورفتگیهای سطحی (Sink Marks) که فرورفتگیهای کوچکی روی سطح قطعه هستند و به دلیل جمع شدن فلز در زیر سطح ایجاد میشوند.