یکی از انواع ریخته گری که بسیار پر کاربرد است و بیش از 60% قطعات به وسیله آن ساخته می شوند، ریخته گری ماسه ای (به انگلیسی: Sand Casting) است. در این روش که به آن ریخته گری قالب ماسه ای هم می گویند، از ماسه برای قالب سازی استفاده می شود. این روش از قدمت بالایی برخوردار است که در ادامه با آن بیشتر آشنا خواهیم شد.
ریخته گری ماسه ای چیست؟
همان طور که گفته شد در ریخته گری ماسه ای از ماسه برای قالب سازی قطعات استفاده میشود. ماسه در برابر آتش و گرما مقاوم و به اصطلاح نسوز است. انجمن فلزات آمریکا (ASM) این روش را بر اساس چگونگی چسبانیدن ماسه به سه دسته فرآیند زیر تقسیم کرده است:
- قالب های ساخته شده با کمک چسب رزین (فرآیندهای پوسته‌ای، جعبه گرم، جعبه سرد و…)
- قالب‌های ساخته شده با کمک چسب‌های غیرآلی(ریخته‌گری ماسه‌ای خام، ریخته‌گری ماسه‌ای خشک و …)
- قالب‌های ساخته شده بدون استفاده از چسب (ریخته‌گری لاست فوم، ریخته‌گری تحت خلاء و…)
کاربرد ریخته گری ماسه ای
کاربردهای این روش بسیار متنوع است و قطعاتی همچون پایه ماشین، پروانه های توربین، بدنه موتورهای الکتریکی، قطعات اکسل، چرخ دنده، سرسیلندر با روش ریخته گری با قالب ماسه ای تولید ساخته می شوند. این فرآیند به طور کلی در صنایع هوافضا، نفت و گاز، راهسازی، تجهیزات غذایی، تجهیزات ساختمانی و تولید برق کاربرد دارد.
انواع ماسه ریخته گری
در ریخته گری ماسه ای از ماسه های مختلفی استفاده می شود که عملکرد و کاربرد آن ها متفاوت است. عوامل گوناگونی در انتخاب ماسه دخیل است. ماسه ها با دانه های ریز به خوبی فشرده می شوند و سطوح صاف بهتری را به وجود می آورند. این ماسه ها قابلیت نفوذ پذیری یا نشست پذیری گاز کمی دارند. از طرفی قالب باید قابلیت تخریب خوبی داشته باشد تا قطعه اجازه انقباض مناسب هنگام سرد شدن داشته باشد و از عیوبی مانند ترک جلوگیری شود.
به طور کلی در ماسه ها باید 4 خاصیت زیر ایجاد شود:
- نسوز بودن: تحمل دمای بالای مواد مذاب بدون از بین رفتن.
- انسجام و چسبندگی: حفظ شکل الگوی ساخته شده.
- نفوذ پذیری: امکان خروج گازها از داخل قالب و حفره های آن.
- قابلیت تخریب: اجازه دادن به انقباض قطعه منجمد شده و قابلیت تخریب آسان پس از تکمیل انجماد.
ماسه هایی که معمولاٌ در ریخته گری ماسه ای استفاده می شوند شامل ماسه‌های سیلیسی (SiO2)، زیرکُنی، الیواین، و ماسه‌های کرومیتی است که با ترکیب با مواد دیگر باید 4 خاصیت یاد شده در بالا در آن ها ایجاد شود. ماسه ها از جهات مختلفی دسته بندی می شوند که در زیر به آنها اشاره می کنیم:
از نظر نحوه یافت و دسترسی
ماسه طبیعی: ماسه هایی هستند که مستقیماٌ از منابع طبیعی به دست می آیند و شامل ماسه های رودخانه ای و بادی هستند. مزیت ماسه رودخانه ای این است که شسته شده و میزان گردی بیشتری دارد در نتیجه کیفیت سطحی قطعات بالا می‌رود. اما در ماسه بادی، خاک رس نیز وجود دارد که خاصیت چسبندگی دارد.
ماسه مصنوعی: ماسه مصنوعی از شکستن سنگ های گرانیتی به دست می آید. این ماسه ها تحمل دمای بالاتری دارند.
از نظر شکل ظاهری
ماسه گوشه دار: این ماسه کاملاً گوشه‌دار است و کاملاٌ در هم چفت می‌شوند و استحکام بالاتری دارند. از نظر حمل و نقل قالب و حرکت مذاب و فشار مذاب، استحکام بالاتری دارد اما قابلیت عبور گاز کم است.
ماسه گرد: این ماسه ها کروی هستند که کیفیت سطح بهتری را به وجود می آورند و قابلیت عبور گاز در آن ها بالاتر است.
ماسه شبه گرد: در این ماسه قسمت هایی از آن گرد و قسمت هایی گوشه دار است.
ماسه مخلوط: شکل خاصی ندارند و ترکیبی از 3 نوع دیگر که در بالا ذکر شد، هستند.
ماسه مصنوعی: ماسه مصنوعی از شکستن سنگ های گرانیتی به دست می آید. این ماسه ها تحمل دمای بالاتری دارند.
از نظر ترکیب شیمیایی
ماسه سیلیسی (SiO2)
متداول ترین ماسه ای ست که در ریخته گری ماسه ای مورد استفاده قرار می گیرد که ارزان قیمت و سبک وزن است. هنگامی که فلز داغ در قالب ماسه ای سیلیسی ریخته می شود ماسه داغ شده و تا دمای 585 درجه سلیوس تغییر فاز می دهد که این تغییر فاز با افزایش قابل توجهی در حجم همراه است. از آنجایی که ماسه رسانای ضعیفی می باشد، فقط ماسه ای که در مجاورت حفره قرار دارد داغ و منبسط می شود و باقی ماسه ها خنک باقی می مانند که همین امر موجب ایجاد فشار مکانیکی بسیاری می گردد. به همین دلیل امکان خم شدن یا شکستن ماسه مجاورت حفره وجود دارد.
ماسه شاموتی
این مایه برای فولاد آلیاژی و کم کربن مناسب است و در ریخته گری به صورت آجر و در بدنه کوره استفاده می شود. ماسه شاموتی دیرگداز است که هرچه میزان آن هرچه بیشتر باشد بهتر است.
ماسه‌های زیرکُن، اولیوین و سیلیکات آهن
ماسه‌های زیرکُن، اولیوین و سیلیکات آهن به دلیل ضریب انبساط حرارتی پایین اغلب در کارگاه‌های ریخته‌گری فولاد به کار می‌روند.
ماسه کرومیت:
از ویژگی های این ماسه رسانی گرمایی بالا، مقاوم در برابر سرباره، دمای ذوب بالا، درصد سیلیکای پایین و قیمت بالا می باشد و از آن در ساخت ماهیچه ریخته گری، ریخته‌گری فولادهای آلیاژهای گران قیمت و ساخت مغزه (Core) استفاده می شود.
فرآیند ریخته گری ماسه ای
در ابتدا یک الگو از جنس چوب و پلاستیک برای ایجاد قالب ماسه برای قسمت نهایی استفاده می شود. نوع مدل بسته به اندازه و ابعاد قطعه ، دقت ابعادی و تعداد دفعات ریخته گری انتخاب می گردد.
ساخت قالب ماسه ای معمولا در دو نیمه انجام می گیرد، جایی که یک طرف قالب با یک الگو و یک طرف دیگر با استفاده از الگوی دیگر ساخته می شود. اپراتور باید به طور محکم ماسه را در هر الگو بسته بندی کند تا اطمینان حاصل شود که ماسه شل وجود ندارد که این کار را می توان با دست یا ماشین انجام داد. سپس قالب و اجزای آن ساخته و آماده ذوب ریزی می شوند. بعد از آن فلز در کوره ذوب شده و داخل قالب ریخته می شود. در آنجا فلز مذاب با حفره ای كه الگوها از آن خارج می شود مطابقت می یابد و سپس می گذارد تا كاملاً خنك شود .
در ذوب ریزی عواملی مثل سرعت ریختن وسیالیت مذاب موثر است. پس از انجماد قطعه در قالب، قطعه با روش های مختلفی از قالب جدا می گردد. سپس قطعه تولیدی از سه منظر کیفیت سطحی، کیفیت ابعادی و پیوستگی داخلی ارزیابی می شود.
مزایا ریخته گری در قالب ماسه ای
- ساخت قطعات هزینه کمتری به همراه دارد.
- محدودیتی در اندازه های قالب وجود ندارد و می توان قطعات را در اندازه های مختف تولید کرد.
- تولید قطعات به خصوص در خطوط نیمه اتوماتیک از سرعت بالایی برخوردار است.
- می توان از مواد غیر فلزی برای ساخت قطعه استفاده کرد.
- تجهیزات مورد نیاز و مواد اولیه ساده است و شن و ماسه ریخته گری قابل استفاده مجدد می باشند.
- ریخته گری ماسه ای برای دوره های تولید کوتاه ایده آل است.
محدودیت های ریخته گری در قالب ماسه ای
- دقت ابعادی ساخته شده چندان بالا نیست.
- جهت حصول قطعه با ابعاد نهایی و کیفیت سطحی مطلوب به ماشینکاری نیاز است
- این روش هدر رفت ماده و انرزی بالایی دارد.
- ریخته گری ماسه ای می تواند گازهای سمی آزاد کند و به محیط زیست آسیب می رساند.
- این روش موجب تخلخل بسیار در قطعه و کم شدن مقاومت نهایی قطعه می گردد.
- قطعات تراش داده شده با شن و ماسه با تحمل کم باید تحت ماشینکاری ثانویه قرار بگیرند.
- برداشتن الگوی قطعات نازک و کوچک بسیار دشوار است.
