ریخته گری آلومینیوم: تعریف، اهمیت، انواع و کاربردها

آخرین به روزرسانی

مقدمه

ریخته گری قدیمی ترین تکنیک متالورژی [فلزکاری] محسوب می‌شود. اولین اجزای فلزی کاربردی به ‌طور تصادفی از سنگ‌های کالکوپیریت (chalcopyrite) و کالکوسیت (chalcocite) در آتش تصفیه شدند. این فلز قابلیت آن را داشت که درون خاکسترها به شکل شمش ریخته‌گری شده و سپس برای ساخت اجسام مفید چکش‌کاری شود. ریخته گری آلومینیوم، گروهی از روش‌های مهم محسوب می‌شود که امکان تولید قطعات پیچیده را فراهم می‌آورد. شکل‌دهی معمولا در یک فرآیند تک مرحله‌ای از آلومینیم مذاب به قطعات نهایی یا تقریبا نهایی انجام می‌شود. این مقاله به بحث پیرامون چیستی ریخته‌گری آلومینیوم، نحوه عملکرد آن، اهمیت، انواع و کاربردهای آن می‌پردازد.

ریخته گری آلومینیوم چیست؟

ریخته گری آلومینیوم به انگلیسی aluminum casting فرایند وارد کردن آلومینیوم مذاب به یک حفره برای ایجاد یک قطعه است. آلومینیوم و بسیاری از آلیاژهای آن دارای نقاط ذوب نسبتا پایین و ویسکوزیته (گرانروی) کمی در حالت مذاب هستند، البته پس از خنک شدن اجسام صلب و مستحکمی را تشکیل می‌دهند.

طیف وسیعی از فرآیندهای ریخته گری با تشکیل یک حفره مقاوم در برابر حرارت (در یک یا دو بخش) که فلز مذاب داخل آن ریخته می شود، از این خواص استفاده می‌کنند. سپس فلز سرد و جامد شده و شکل حفره ایجاد شده را به خود می‌گیرد. جنس حفره‌هایی که برای این کار استفاده می شوند و روش ساخت آن‌ها متفاوت است، به همین خاطر فرآیندها نام‌های مختلفی دارند.

چرا ریخته گری آلومینیوم مهم است؟

ریخته گری آلومینیوم شاید مهمترین مجموعه از فناوری‌ها و روش‌ها در زنجیره تامین محصولات آلومینیومی باشد. توسعه فناوری‌های بشر طی هزاره‌های گذشته دست‌خوش تغییرات شگرفی شده است. جوامع عصر برنز سرانجام جای خود را به جوامعی دادند که از آهن استفاده می کردند. به نوبه خود، آهن در قرن نوزدهم جای خود را به فولاد داد و فولاد از دهه 1940 میلادی کم کم جای خود را به آلومینیوم داد.

آلومینیوم سومین عنصر رایج در پوسته زمین است. به راحتی میتوان نمک‌های آن را با غلظت‌های بالا پیدا کرد و با صرف انرژی، تصفیه آن سرراست و ساده است. آلومینیوم کلید اکثر حوزه‌های فناوری است و ریخته گری آلومینیوم یکی از فرآیند‌های اصلی است که این ماده را به جریان اصلی استفاده و تولید می‌آورد. توانایی تولید قطعات نهایی با شکل خالص (net shape) که دقت بالا، وزن کم و استحکام متوسطی دارند به کلیه بخش‌های صنعت توانایی ویژه‌ای می‌بخشد.

خواص آلومینیوم ریخته‌گری شده چیست؟

آلومینیومی که در ریخته گری استفاده می شود عموما به آلیاژهای آن اشاره دارد تا آلومینیوم خالص. خواص این آلیاژها به شرح زیر است:

1. آلیاژهای آلومینیوم طیف وسیعی از قابلیت شکل‌پذیری (ductility) را ارائه می‌دهند که عموما کمتر از آلومینیوم خالص است که فلزی بسیار نرم محسوب می‌شود.
2. استحکام کششی نهایی (UTS) با توجه به فرآیند به میزان قابل توجهی متفاوت است. در مواردی که گاززدایی شدیدی از مذاب و ریخته‌گری با فشار بالا انجام می‌شود، استحکام کششی نهایی (UTS) به مقدار بهینه برای آن آلیاژ نزدیک می‌شود. برخی آلیاژها برای انعطاف‌پذیری بیشتر و برخی دیگر برای استحکام بالاتر توسعه داده شده‌اند که البته استحکام بیشتر مستلزم شکنندگی بیشتر است.
3. قطعات ریخته‌گری شده با تخلخل (porosity) بالاتر به علت گنجاندن حباب‌های گاز به شدت ضعیف می‌شوند؛ حباب‌هایی که در رویکردهای با کنترل کمتر، شایع هستند. تخلخل مشکلی دائمی برای قطعات ریخته‌گری شده با روش فشار پایین است.
4. قطعات ریخته‌گری آلومینیوم نسبت استحکام به وزن فوق العاده‌ای ارائه می‌دهند، و این نسبت فقط در قطعات ساخته شده از منیزیم و تیتانیوم که پرهزینه‌ترند بهتر است.
5. مقاومت عالی در برابر خوردگی در قطعات آلومینیومی ریخته‌گری شده طبیعی و رایج است.
6. قابلیت رسانایی عالی حرارتی و الکتریکی

استحکام کششی آلومینیوم ریخته گری شده چقدر است؟

استحکام کششی به نوع آلیاژ وابسته است و آلومینیوم خالص کمترین مقدار استحکام کششی را دارد. برای مثال، آلومینیوم خالص استحکام کششی 90 مگاپاسکال دارد در حالی که آلیاژ ریخته گری A07130 مقداری معادل 221 مگاپاسکال را نشان می‌دهد.

دوام قطعات آلومینیومی ریخته گری شده چقدر است؟

قطعات ریخته گری شده از آلومینیوم هنگامی که برای بهره‌برداری از نقاط قوت و جبران نقاط ضعف فرآیند طراحی شوند، بسیار مقاوم هستند. آلومینیوم ریخته گری شده به عنوان سطح یاتاقان (محل قرارگیری و حرکت شفت در ماشین) یا تحت بارهای ضربه‌ای قابل استفاده نیست و باید به دقت طوری طراحی شود که تحمل بارهای زیاد یا چرخه‌ای را داشته باشد. قطعات ریخته گری آلومینیومی از ترک خوردگی تحت تنش، خزش (creep)، سایش و بارگذاری ضربه‌ای رنج می‌برند که همگی عواملی هستند که باید در فرآیند طراحی محصول مدیریت شوند.

آیا آلومینیوم ریخته گری شده در برابر حرارت مقاوم است؟

بله، آلومینیوم ریخته‌گری شده به طور کلی در برابر حرارت مقاوم است. آلومینیوم ریخته گری شده در محدوده تحمل حرارتی ماده که بسته به آلیاژ به طور قابل توجهی متفاوت است، مقاومت می‌کند. برای مثال، آلیاژهای AlSi به راحتی ریخته گری می‌شوند، در برابر ترک خوردگی ناشی از گرما مقاوم هستند و تا 180 درجه سانتیگراد را تحمل می‌کنند. برای مقاومت بیشتر در برابر دمای بالا، آلیاژهای AlCu می‌توانند تا 350 درجه سانتی گراد را تحمل کنند البته به اشکال ساده‌تر و مقاطع ضخیم‌تری برای ریخته‌گری خوب نیاز دارند. از طرف دیگر، آلیاژهای AlMg نیز عملکرد دمایی خوبی ارائه می‌دهند و نسبت به AlCu قابلیت ریخته گری بهتری دارند اما استحکام پایین‌تری دارند.

انواع مختلف فرآیندهای ریخته گری آلومینیوم کدامند؟

فرآیندهای ریخته گری آلومینیوم را می توان به دسته های مختلفی که در زیر فهرست شده است تقسیم کرد:

1. ریخته گری دایکاست (قالب دائمی)

ریخته گری دایکاست از یک قالب توخالی دو قسمتی از فولاد سخت شده استفاده می کند که آلومینیوم مذاب در آن ریخته یا تحت فشار قرار می گیرد. این قالب ها به طور کلی عمر 100000 تا 150000 چرخه دارند و قطعات با دقت و کیفیت بالا تولید می کنند. ریخته گری دایکاست از استفاده از ابزارهای ساده با پر کردن دستی تا سیستم های کاملا خودکار برای حجم های بسیار بالا را شامل می شود.

2. ریخته گری دقیق یا مومی (Investment Casting)

این فرآیند از یک مدل مثبت فدا شونده از قطعه مورد نیاز استفاده می کند. قبل از ریختن آلومینیوم مذاب در قالب گچی، موم با پخت قالب گچی بخار شده و یا از بین می‌رود. حفره شکل خود را حفظ می کند و سپس با فلز مذاب پر می شود که به سرعت خنک می شود.

در رویکردی مدرن‌تر، مدل مثبتی که برای قالب‌گیری حفره استفاده می‌شود را می‌توان از پلی‌استایرن انبساطی برش داد یا با موم و به‌طور بالقوه پلیمرهایی مانند PET و PLA چاپ سه‌بعدی کرد. در مورد مدل های”مثبت‌” پلاستیکی، آنها نیز باید در درون حفره سوزانده شوند تا هیچ باقی‌مانده‌ای باقی نگذارند. این فرآیند برای قطعات با ارزش بالا و پیچیده به کار می‌رود. برای استخراج قطعه نهایی، قالب از بین می‌رود.

3. ریخته گری در ماسه (Sand Casting)

ریخته گری در ماسه از یک مدل (الگو) با استحکام بیشتر، عموماً از جنس چوب استفاده می کند و سپس آن را در دو نیمه جعبه ماسه ای پر می کند و از ماسه با یک عامل چسبنده و پودر تالک به عنوان جداکننده و عامل جداکننده استفاده می کند. حفره ها معمولاً با ریختن دستی پر می شوند، اگرچه اتوماسیون نیز امکان پذیر است.

این روش معمولاً به عنوان ریخته گری ماسه ای شناخته می شود و به طور گسترده در تولید قطعات با حجم کمتر و یا وزن شات (وزن مذاب ریخته شده در هر بار) بیشتر استفاده می شود. در حالی که دقت خوب قابل دستیابی است، اما تخریب قالب حفره این فرآیند را به یک فرآیند تک مرحله ای تبدیل می کند.

4. ریخته گری در قالب دائمی (Permanent Mold Casting)

این فرآیند مشابه ریخته گری دایکاست است، به این ترتیب که دو نیمه قالب دائمی (اغلب از جنس فولاد ریخته گری شده) به هم چفت می شوند و حفره با ریختن دستی پر می شود.

5. ریخته گری لاست فوم (Lost Foam Casting)

ریخته گری لاست فوم مشابه ریخته گری با قالب مومی است. با این حال، مدل از پلیمر فوم پلی استایرن با چگالی کم به جای موم ساخته شده است.

6. ریخته گری پوسته ای (Shell Mold Casting)

یک روش پیشرفته تر از ریخته گری ماسه، استفاده از ماسه چسبیده با رزین است که دور مدل ریخته می شود و یک پوسته محکم ایجاد می کند. دو پوسته برای تشکیل یک حفره فدا شونده (یکبار مصرف) که با آلومینیوم مذاب پر می شود، به هم متصل می شوند. این فرآیند ساخت حفره های ریخته گری را سریعتر و ارزانتر از ریخته گری ماسه ای معمولی می کند و برای قطعات متوسط تا بزرگ که به دقت بیشتری نیاز دارند استفاده می شود.

7. ریخته گری آلومینیوم دایکاست خلاء یا وکیوم (Vacuum Die Casting)

ریخته گری دایکاست خلاء با این تفاوت از ریخته گری دایکاست تحت فشار یا ثقلی که از مخزنی در زیر قالب ریخته گری استفاده می کند و مواد مذاب را با خلاء اعمال شده به قالب به سمت بالا می کشد. این امر منجر به تخلخل کمتر و قطعات با کیفیت تر می شود و به تدریج جایگزین روش های قدیمی تر دایکاست می شود.

8. ریخته گری آلومینیوم در قالب سرامیکی (Ceramic Mold Casting)

این فرآیند یک دوغاب سیلیکات را دور یک مدل می ریزد و سپس مواد فرار را از دوغاب (فرآیند Osborn-Shaw) می سوزاند یا آنها را می‌پزد (فرآیند Unicast) و یک حفره سرامیکی باقی می‌گذارد که فلز مذاب می‌تواند در آن ریخته شود. از جهات مختلف، این فرآیند مشابه ریخته گری پوسته ای است.

9. ریخته گری آلومینیوم در قالب گچی (Plaster Mold Casting)

این فرآیند شبیه به ریخته گری پوسته ای و ریخته گری قالب سرامیکی است، اما از گچ برای تشکیل قالب حفره استفاده می شود.

10. ریخته گری آلومینیوم گریز از مرکز (Centrifugal Casting)

این فرآیند از یک قالب حفره ای فولادی با چرخش سریع برای ریخته گری آلومینیوم استفاده می کند. قطعات بزرگتر با تقارن چرخشی برای این فرآیند مناسب هستند. پس از پر شدن، قالب چرخانده می شود و نیروی گریز از مرکز مواد مذاب را به طور کامل و بدون هیچ گونه تخلخل به انتهای حفره می‌راند. آلومینیوم ریخته گری شده به روش گریز از مرکز، در مقایسه با سایر فرآیندها، دانه ریز و بدون عیب است و سختی و استحکام آن افزایش یافته است. از این روش برای قطعات نامتقارن که به بهترین خواص ممکن نیاز دارند و به قیمت حساس نیستند استفاده می شود.

11. ریخته گری آلومینیوم قالب باز (Open Mold Casting)

برخی از ریخته گری های ابتدایی تر در آلومینیوم با استفاده از حفره های باز ساخته شده از آجر، سنگ یا فولاد یا فشرده شده در ماسه انجام می شود. این معمولاً روشی برای تولید شمش های ساده برای آهنگری/ماشینکاری بعدی است. می توان آن را به عنوان شاخه ای از ریخته گری قالب دائمی در نظر گرفت.

کاربردهای مختلف ریخته گری آلومینیوم کدامند؟

برخی از نمونه های کاربردهای مختلف آلومینیوم ریخته گری شده عبارتند از:

1. قطعات خودرو: پوسته گیربکس، پیستون ها و سیبک فرمان.
2. لوازم کوچک و لوازم خانگی: ابزار دستی، چمن زن، ظروف پخت و پز و انواع مبلمان پاسیو.
3. تجهیزات پزشکی: ابزار جراحی، اجزای مانیتور، جعبه دنده تخت بیمارستان.

آلومینیوم ریخته گری شده چقدر عمر می کند؟

قطعات دایکاست آلومینیومی می توانند در شرایط ایده آل تا ابد عمر کنند. این امر برای قطعات دایکاست آلومینیومی خودرو، به عنوان مثال، که پس از 50 سال یا بیشتر کارکرد در حالت کارکردی باقی می مانند، رایج است.

مزایای ریخته گری آلومینیوم چیست؟

مزایای ریخته گری دایکاست آلومینیوم عبارتند از:

1. نسبت استحکام به وزن بالا.
2. استحکام بالا.
3. وزن کم.
4. دوام در برابر بارهای متغیر و چرخه ای.
5. دقت بالا.
6. ماشینکاری آسان.
7. تولید انبوه و خودکار.
8. رسانایی حرارتی و الکتریکی بالا.
9. خوردگی کم، حتی در محیط های دریایی.

محدودیت های ریخته گری آلومینیوم چیست؟

محدودیت های ریخته گری دایکاست آلومینیوم عبارتند از:

1. مقاومت به خستگی متوسط تا ضعیف.
2. مقاومت به سایش بسیار ضعیف.
3. عدم کارایی به عنوان سطح یاتاقان
4. آسیب پذیری در برابر دمای متوسط.

آیا می توان از آلومینیوم ریخته گری برای چاپ سه بعدی استفاده کرد؟

خیر، از آلومینیوم ریخته گری نمی توان برای چاپ سه بعدی استفاده کرد. با این حال، از مدل های چاپ شده سه بعدی به طور فزاینده ای برای فرآیندهای مختلف ریخته گری آلومینیوم استفاده می شود. این امر دقت مدلها را افزایش و سرعت ساخت آنها را بیشتر از روش های سنتی می کند.

چاپ سه بعدی همچنین راهی عالی برای افزایش اطمینان در تأیید طرح است. این روش سطوحی از تست سریع را ارائه می دهد که قبل از تولید، با هیچ روش دیگری قابل دستیابی نیست.

آیا آلومینیوم ریخته گری شده همان آلومینیوم خالص است؟

گاهی آلومینیوم خالص و گاهی نیز بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری می شوند. با این وجود در حالت خالص، این ماده کاربردهای محدودی به جز رسانایی الکتریکی دارد.

تفاوت آلومینیوم و آلومینیوم ریخته گری شده در چیست؟

تفاوت اساسی میان آلومینیوم و آلومینیوم ریخته گری شده وجود ندارد. آلومینیوم ریخته گری شده همان ماده پایه‌ای (آلومینیوم) است که یک فرآیند را پشت سر گذاشته است. با این حال، به دلیل تنوع در روش‌های ریخته گری، این احتمال وجود دارد که قطعه ریخته‌گری شده دارای ذرات اضافی و تخلخل‌هایی باشد که در مواد اولیه وجود نداشته‌اند.

تفاوت میان آلومینیوم ریخته‌گری شده و آلومینیوم فورج شده در چیست؟

تفاوت عمده میان آلومینیوم فورج شده و ریخته گری شده ساختار بلوری آن‌هاست. ریخته گری کنترل بسیار کمی بر روی فرآیند خنک شدن و در نتیجه آن رشد بلورها اعمال می‌کند که باعث می‌شود ساختار بلوری قطعات ریخته گری شده کاملا متغیر و دارای جهت گیری‌های مختلف باشد. این موضوع باعث می‌شود قطعات ضخیم تر استحکام کمتری داشته باشند، زیرا به آرامی خنک می‌شوند و بلورهای بزرگتری تشکیل می‌دهند.

فورجینگ اغلب روی شمش‌های ریخته‌گری شده (cast billet) انجام می‌شود. فرآیند فورج باعث از هم گسیخته شدن ساختار بلوری می‌گردد، بلورها را بدون ایجاد شکاف میان آن‌ها می‌شکند و به واحدهای کوچکتری تبدیل می‌کند. در نتیجه ماده بطور چشمگیری سخت تر و قوی تر می‌شود. همچنین باعث ایجاد حالت “جریان” در ماده حول موانع و گوشه ها می گردد و این به نوبه خود ریزساختار بلوری را جهت دار می‌کند (“دانه” یا grain) که در نهایت استحکام و توزیع تنش را بهبود می‌بخشد.

ذرات ناخالص (آلودگی‌های غیرمحلولی مانند سرباره اکسیدی) معمولاً تا حدی در قطعات آلومینیومی ریخته‌گری شده تجمیع می‌شوند و اغلب ضعف شدیدی را ایجاد می‌کنند. در قطعات فورج شده، هرگونه ناخالصی (ناشی از فرآیند ریخته گری اولیه شمش) خرد و پراکنده می شود و تأثیر آنها را کاهش می دهد. قطعات ریخته گری آلومینیومی توانایی ایجاد جزییات بسیار ظریف و مقاطع نازک را دارند، در حالی که فورجینگ یک فرآیند مبتنی بر اعمال نیروی زیاد است و برای اشکال ساده‌تر مناسب است.

سوالات متداول

خلاصه

در این مقاله ریخته گری آلومینیوم معرفی شد، ماهیت آن تشریح گردید و کاربردها و مزایای مختلف آن مورد بحث قرار گرفت. ریخته گری آلومینیوم یک فرآیند تولیدی متنوع و انعطاف پذیر است که برای تولید قطعات با اشکال پیچیده، دقت بالا و خواص مکانیکی مناسب به کار می رود. ریخته گری آلومینیوم طیف وسیعی از کاربردها را در صنایع مختلف، از جمله خودروسازی، لوازم خانگی، تجهیزات پزشکی و هوافضا، پوشش می دهد.این مقاله برای اولین بار در DIGIMFG.ir منتشر شده است.

منابع

• reliance-foundry.com/blog/aluminum
• iqsdirectory.com/articles/die-casting/aluminum-casting.html

سلب مسئولیت

محتوای ارائه شده در این صفحه وب صرفا جنبه اطلاع رسانی دارد. DIGIMFG هیچگونه ضمانت یا مسئولیتی، چه به صورت صریح یا ضمنی، در خصوص صحت، کامل بودن یا اعتبار اطلاعات بر عهده نمی گیرد. پارامترهای عملکرد، تلرانس های هندسی، ویژگی‌های طراحی خاص، کیفیت یا نوع مواد، یا فرایندها را نباید نمایانگر آنچه توسط تأمین کنندگان یا تولیدکنندگان شخص ثالث در شبکه DIGIMFG ارائه می‌شود، دانست. خریدارانی که به دنبال دریافت قیمت هستند موظفند تا الزامات فنی ویژه موردنیاز برای قطعات را تعریف کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر، لطفاً به شرایط و ضوابط ما مراجعه کنید.