علمی (مهندسی مواد)

نانو بیو مواد  

مواد جدیدهمواره یکی از پیشران‌های توان‌زای کلیدی برای ساخت سیستم‌ها وکاربردهایی با اثرات چشمگیر بوده‌اند. این مواد می‌توانند موانع فرآیندهای قبلی رابشکنند و نهایتاًکاربردهایی با منافع بالقوه جهانی را تولید کنند. مواد در مقیاس نانو، یعنی موادی که ویژگی‌هایشان در سطح کمتر از میکرو (کوچکتر از 10یا6میکرو)قابل کنترل است. خواص مواد در چنین ابعاد و اندازه‌هایی با موادمتعارف اساساً متفاوت است و به همین لحاظ تحقیقات در حوزة نانومواد روز به روزفعال‌تر می‌شود.
نانوبیوذرات ، ذرات کلوئیدی و جامدی هستند که شامل اجزاء ماکرومولکولی بااندازه 10-1000nmc با شیمی سطح پیچیده هستند. بسته به روش تولید، نانوذرات بهشکلنانوکپسول‌ یا نانوکره هستند نانوکره‌ها سیستم‌های ماتریسی می‌باشند در حالیکه نانوکپسول‌ها سیستم‌های وزیکولاراند.
نانوکپسول‌ها نانوذراتی هستند که دارای یک پوسته و فضای خالی داخل آن جهت قرارگرفتن و حمل مواد مورد نظر باشند. فسفولیپیدهابا یک سر آب‌دوست و یک سرآب‌گریز وقتی در یک محیط آبی قرار می‌گیرند، تشکیل کپسول‌هایی می‌دهند که سرآب‌دوست آن در بیرون و سر آب‌گریز مولکول در درون آن قرارمی‌گیرند، از پلیمرهایی مثل لیپید و پروتئین نیز می‌توان برای ساخت نانوکپسولاستفاده کرد.
درخت‌سان‌ها ( Denderimers ) ماکرومولکول‌هایی با ساختار منتظم وپرشاخه سه‌بعدی، که به خاطر دانسیته بالای گروه‌های فعال کاربردهای زیادی دارند. درخت‌سان‌ها به دلیل رقابت طراحی و ساخته‌شدن با دقت کاملاً اتمی بیشترینتوانمندیرا در مقایسه با نانوحفرات، نانوکپسول‌ها و نانوذرات از خود نشان می‌دهند.
کاکلیت‌ها ( Cochleates ) رسوبات دوظرفیتی فسفولیپیدی پایدار از موادطبیعی هستند. این مواد ساختارهای چندلایه‌ای هستند که از ورقه‌های دولایه‌ای بزرگوپیوسته چربی که به شکل مارپیچ درآمده‌اند، تشکیل شده‌اند. آنها محتویاتشان راازطریق لایه سیال خارجی به غشاء سلول‌های هدف انتقال می‌دهند. کاکلیت‌هادربرابرعوامل محیطی مقاوم هستند و ساختار لایه‌ای محکم‌شان آنها را دربرابر تجزیه وسط مولکول‌های شکنندهCochleatesمحافظت می‌کند، حتی اگر در شرایط سخت محیطییادربرابر آنزیم قرار گیرند.
ویروس ظریف‌ترین نانوبیوذره موجود در طبیعت است وبه خاطر تنوع‌اش یک موضوع محبوب برای تحقیقات است. براساس دانش موجود در موردنانوساختاری و قابلیت ساخت آن،‌استفاده از خودآرایی برای ساخت نانوترکیبات قابلاستفاده در صنعت بسته به بخش‌هایتشکیل‌دهنده ترکیب دارد. ویروس‌ها می‌توانند کلونشوند،‌ این ذرات فعال و قابلتشخیص هستند، همچنین می‌توانند تغییرات محیط‌شان را حسکنند. برای ساخت ویروس‌هاباید قادر به ساخت اسید نوکلئوئیک،‌ پروتئین و لیپیدهایقطبی باشیم.
ذرات ویروس‌مانند ( Virus Like Particles ) ( VLps )، بیان نوترکیبساختمان اصلیپروتئین‌های بسیاری از ویروس‌ها، LP V را تولید می‌کند. چنین ذراتیمورفولوژی شبیهبه کپسیدهای خالی از ویروس دارند که از آن منشاء گرفته‌اند، بنابراینساختارشانشبیه به ویروس اصلی است در عین حال غیرفعالند.

پروتئین نانوذرات،اندازه پروتئین‌ها به طور طبیعی کمتر از مقیاس نانو است. بااستفاده از روش‌های سنتزذرات در نانوتکنولوژی می‌توان پروتئین‌هایی تولید کرد کهدر مقیاس نانو باشند. اینذرات نانوپروتئینی در سیستم‌های انتقال دارو (به عنوانحامل دارو)،‌ ژن‌درمانی،تولید کرم‌های ضدآفتاب و مواد آرایشی و همچنین در تولیدعلف‌کش‌های نانویی کاربرددارند.
بطور خلاصه نانوبیوموادها به خاطر اندازه کوچکشان بسیار مورد توجه‌اندوکاربردهای بسیاری دارند از جمله:
• دارورسانی،‌ نانوبیومواد به خاطر اندازهکوچکشان می‌توانند به داخل سلول نفوذکنند که باعث تجمع مؤثر دارو می‌شود و دوماینکه استفاده از مواد زیست‌تخریب‌پذیربرای آماده‌سازی نانوبیوذرات باعث پایداریدارو تا رسیدن به هدف حتی بعد از چند روزیا چند هفته می‌شود.
• به‌کارگیرینانوبیومواد در پاکسازی محیط زیست.
• استفاده از نانوبیومواد در محصولات آرایشیو بهداشتی مانند کرم‌های ضدآفتاب ورنگدانه‌ها، برخی داروها
• انتقال ژن وژن‌درمانی
• تولید واکسن
• استفاده در علف‌کش‌ها و سموم نباتی
• افزودنطعم و رنگ دلخواه به غذا
• آشکارسازی تهدیدهای بیولوژیکی مثل سیاه‌زخم، آبله وسل و محدوده وسیعی ازبیماری‌های ژنتیکی
• افزودن میکرونوترینت‌های حساس به حرارتو pH مثل بتاکاروتن،‌ اسید چرب 1 مگا3
• درخت‌سان‌ها به دلیل دانسیته بالایگروه‌های فعال برای زمینه وسیعی ازکاربردها مثل سنسورها کاتالیست‌ها یا موادی برایرهایش کنترل‌شده و انتقال بهمکان‌های خاص مناسب‌اند.
Cochleateها می‌توانندبرای کپسوله‌کردن و انتقال بسیاری از مواد فعال زیستیمثل ترکیباتی که به سختی در آبحل می‌شوند،‌داروهای پروتئینی و پپتیدی. مواد مغذیحساس به حرارت و pH و شرایطنامساعد محیطی استفاده شوند.
• حفظ سلامت غذا، نانوذرات با چسبندگی خاص قادرندبه صورت برگشت‌ناپذیر به بعضیاز انواع باکتری متصل شوند و مانع آلوده‌کردن میزبانتوسط آنها شوند.
نکته‌ای که باید به آن توجه شود این است که برای اینکهسیستم‌های انتقال (دارو،غذا و ژن) مؤثر باشند،‌ ترکیبات فعال کپسوله‌کننده باید بهمکان‌های مشخص برسند،غلظت‌شان باید در یک سطح مناسب برای مدت‌زمان طولانی ثابت باشدو از تجزیه نابهنگامآنها جلوگیری شود. نانوذرات توانایی بیشتری در کپسوله‌کردن وآزادسازی نسبت بهسیستم‌های قدیمی‌تر دارند و به‌خصوص به خاطر اندازه کوچکشانمی‌توانند مستقیماً بهسیستم گردش خون وارد شوند.

خواص مکانیکی قطعات تولید شده
با توجه به ساختار میکروسکوپی قطعاتی تولید شده در قالب های فلزی و ماسه‌ای و طبق مطالعات و آزمایشهای انجام شده، خواص مکانیکی قطعات تولید شده در قالبهای فلزی به دلیل ریزتر بودن فازهای تشکیل دهنده ساختمان قطعه و یکنواختی توزیع آنها در زمینه به مراتب بالاتر از خواص مکانیکی قطعه مشابه تولید شده در قالب‌های ماسه‌ای است.
چقرمگی شکست
به طور کلی شکست قطعات در مرز دانه‌ها صورت می‌گیرد. عوامل موثر در چگونگی شکست قطعات چدن نشکن تولید شده در قالب های فلزی به شرح ذیل می‌باشد:

- میزان پرلیت
مهمترین عامل موثر در مقدار چقرمگی شکست قطعات چدنی تولید شده در قالب‌های فلزی مقدار پرلیت و یا فریت موجود در زمینه ساختار میکروسکوپی قطعه است. با افزایش مقدار پرلیت چقرمگی شکست قطعات کاهش می‌یابد. به عبارت دیگر با افزایش مقدار فریت در زمینه ساختار میکروسکوپی قطعه، مقدار چقرمگی شکست به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد.
- تعداد گرافیت
تاثیر تعداد گرافیت در واحد سطح (یک میلی‌متر مربع در بزرگنمایی 100) در چقرمگی شکست بسیار جزئی و نامشخص است. نتایج مطالعات انجام شده بر روی قطعات با مقدار پرلیت یکسان و تعداد گرافیت‌های نامساوی گویای این مسئله است که تاثیر تعداد گرافیت‌ها در چقرمگی شکست جزئی است و نمی‌تواند نتیجه مشخصی را به دست آورد.
- مقدار سیلیسیم
افزایش مقدار سیلیسیم سبب کاهش چقرمگی شکست قطعات ریختگی می‌شود و در صورتی که مقدار آن به بیش از حد مجاز برسد باعث تردی قطعات ریختگی خواهد شد از آنجائی که به منظور حذف کاربید در ساختار قطعه ریختگی استفاده از مقدار سیلیسیم بالاتر در تولید چدن در قالب فلزی الزامی است می‌توان گفت که این موضوع باعث کاهش ناخواسته چقرمگی شکست خواهد شد. به عبارت دیگر با تنظیم مقدار سیلیسیم می‌توان به حد مطلوب چقرمگی شکست دست یافت.
درجه حرارت
درجه حرارت محیط در میزان چقرمگی شکست تاثیر بسزایی دارد به طوری که پایین آمدن درجه حرارت باعث کاهش چقرمگی شکست می‌شود. بنابراین قطعاتی که در مناطق سرد سیر مورد استفاده قرار می‌گیرند باید طوری طراحی شوند که سرمای منطقه موجب شکست آنها نشود.
نتیجه‌گیری
همانگونه که از نتیجه تجارب انجام شده مشخص است، تولید قطعات چدن نشکن در قالب فلزی با استفاده از روش منیزیم در راهگاه امکان‌پذیر است و دستیابی به زمینه‌ای عاری از کاربید و بدون استفاده از روش عملیات حرارتی آنیل کردن از مزایای مهم این روش است.
تجارب عملی بیانگر این مطلب است که دستیابی به ساختار میکروسکوپی بدون کاربید و حذف عملیات حرارتی آنیل کردن تنها با استفاده از روش افزودن منیزیم در راهگاه امکان‌پذیر است و با به کارگیری روشهای دیگر نظیر روش ساندویچی و فروبری نمی‌توان قطعه ریختگی با زمینه فریتی پرلیتی در قالب‌های فلزی تهیه نمود.


منابع مراجعه:
1. مجلات و سمینارهای جامعه ریخته‌گران ایران
2. گزارش‌های مرکز پژوهش متالوژی رازی به کارخانه کلاج در زمینه تولید چدن نشکن در قالبهای فلزی
3. Metals Hand Book, Forging and casting
4. Source Book on Ductile Iron 1977
5. جزوه درسی قالبهای ریخته‌گری و آهنگری – دانشگاه تبریز



فهرست مطالب
بررسی تکنولوژی تولید چدن نشکن 1
مقدمه 1
مزایا و محدودیت‌های تولید چدن در قالب فلزی 2
محدودیت‌ها 4
نتیجه بررسی اقتصادی 5
تکنولوژی تولید قالب 6
روش تولید قالب 8

گوگرد زدایی
گوگرد زدایی با روش توپی متخلخل انجام می‌گیرد که در صورت نبود امکانات برای این روش می‌توان گوگردزدایی را پس از تنظیم ترکیب مذاب در داخل کوره القائی انجام داد، با انجام عمل گوگردزدایی، مقدار گوگرد به حد هزارم درصد کاهش می‌یابد. گوگردزدایی توسط افزودن کاربید کلسیم به داخل مذاب صورت می‌گیرد، برای جلوگیری از خوردگی جداره کوره در اثر گوگردزدایی می‌توان یک کوره به این عمل اختصاص داد.
عملیات ریخته‌گری
در این مرحله عملیات ذوب‌ریزی در داخل قالب صورت می‌گیرد. معمولا در یک کارخانه که دارای خط تولید خودکار است. قالب‌ها بر روی یک میز دوار بسته شده است که به آن روش کاروسل می‌گویند. در این روش یک لنگه از قالب ثابت است و لنگه دیگر قالب به وسیله یک جک، قابل باز و بسته شدن می‌باشد. به طور کلی در اکثر روشهای ریخته‌گری با قالب فلزی، قالب‌ها با عبور جریان آب و یا هوا که از پشت قالب صورت می‌گیرد، خنک می‌شوند.
خنک نکردن قالب‌ها موجب کاهش شدید عمر آنها می‌شود.
افراد مورد نیاز جهت اداره یک خط تولید کاروسل 3 الی 4 نفر است که طی مراحل ذکر شده انجام وظیفه می‌نمایند.

عملیات پوشش‌دهی قالب
پوشش دهی قالب به منظور افزایش عمر افزایش عمر قالب، بالا بردن کیفیت سطحی قطلعات و کاهش سرعت انجماد جهت دستیابی به زمینه‌ای عاری از کاربید صورت می‌گیرد. عمومی‌ترین و بهترین روش پوشش‌دهی به ترتیب به صورت زیر انجام می‌گیرد: ابتدا پس از پرداخت کاری و تمیزکاری قالب یک لایه اولیه به روش فلز نشانی (متالیزه) توسط دستگاه مخصوص بر روی سطوح داخلی قالب و محفظه ریختگی نشانده می‌شود. برای این منظور از پودر نیکل آلومیناید استفاده می‌شود که تا ضخامت 1/0 میلی‌متر سطح قالب را می‌پوشاند. پس از آن یک لایه از پودر آلومینا به ضخامت حدود 3/0 میلی‌متر به وسیله همان دستگاه بر روی لایه اول پوشش داده می‌شود. پس از آن به منظور کاهش قابلیت هدایت حرارتی و حفاظت سطوح قالب از یک لایه پوشش عایق استفاده می‌شود. که ترکیب چند نوع از آنها در زیر ارائه شده است.

نوع اول:
پودر فروسیلیسیم زیر 200 مش به مقدار 50?
پودر گرافیت زیر 200 مش به مقدار 45?
خاک رس به مقدار 5?
آب به مقدار کافی تا عملیات پاشیدن به سهولت انجام گیرد.
نوع دوم :
پودر کوارتز زیر 200 مش به مقدار 30?
پودر شاموت زیر 200 مش به مقدار 40?
خاک رس به مقدار 30?
آب به مقدار کالی تا عملیات پاشیدن با افشانک به سهولت انجام شود. برای افزایش مقدار چسبندگی می‌توان از سدیم فلوئور سیلیکات (Na2SiF6) استفاده نمود.
نوع سوم:
پودر شاموت زیر 200 مش به مقدار 45? - 35?
سیلیکات سدیم (آب شیشه) 6?- 8?
پرمنگنات پتاسیم به مقدار 05/0?
باقیمانده خاک رس
آب به مقدار کافی تا عمل پاشش به سهولت انجام پذیرد.
برای افزایش میزان چسبندگی می‌توان از تترابرات سدیم و اسیدبوریک استفاده کرد.
نوع چهارم :
پودر سیلیس زیر 200 مش به مقدار 4 قسمت حجمی، سیلیکات سدیم 1 قسمت حجمی آب به مقدار کافی تا عملی پاشیدن به راحتی صورت گیرد.
نوع پنجم:
پودر کائولن به مقدار 4 قسمت حجمی
سیلیکات سدیم 1 قسمت حجمی
آب به مقدار کافی تا عمل پاشیدن به راحتی صورت گیرد.
روش پوشش‌دهی قالب ها
روش پوشش‌دهی توسط مواد عایق به این ترتیب است که ابتدا قالب را تا 150 درجه سانتی‌گراد حرارت می‌دهند و پس از پاشیدن مواد عایق با افشانک مجددا قالب تا 300 درجه سانتی‌گراد حرارت داده می‌شود تا پوشش کاملا به سطوح قالب بچسبد و خشک شود. ضخامت پوشش‌ها توسط دستگاه ضخامت سنج‌ مغناطیسی قابل اندازه‌گیری است. مرحله نهایی پوشش‌دهی استفاده از اندود دوده استیلن می‌باشد، ضخامت این لایه در حدود 1/0 تا 2/0 میلی‌متر می‌باشد. این لایه علاوه بر کمک به بالا بردن عمر قالب سبب کاهش انتقال حرارت و تسهیل در جداسازی قطعه از قالب به هنگام تخلیه خواهد شد. این لایه همچنین به عنوان عاملی برای آب‌بندی درزهای دو لنگه قالب در سطح جدایش ایفای نقش نموده و از بیرون زدن مذاب از بین دو لنگه در سطح جدایش جلوگیری به عمل خواهد آورد.
برای جلوگیری از خوردگی قالب در اثر جریان مذاب می‌توان از پوشش رنگ آلومینیم سیلیسیم به ضخامت 5? تا 1/0 میلی‌متر استفاده کرد.

روش تلقیح منیزیم
تلقیح منیزیم در تولید قطعات چدن نشکن با استفاده از فرایند تلقیح منیزیم در محفظه فعل و انفعال انجام می‌گیرد. با به کارگیری این روش تولید قطعات نشکن بدون نیاز به عملیات حرارتی آنیل به نتیجه مطلوب رسیده است.
عملیات اجرایی فرایند تولید چدن نشکن با استفاده از محفظه فعل و انفعال به دو صورت زیر مورد بررسی و آزمایش قرار گرفته است:

1- تعبیه محفظه فعل و انفعال در داخل قالب
استفاده از این روش علاوه بر مسائل و مشکلات عملی از جمله اشکال در بیرون اندازی قطعه از قالب، معایب ساختاری را نیز به همراه داشت. از آن جمله می‌توان کروی نشدن کامل گرافیت‌ها و وجود گرافیتهای فشرده در زمینه را ذکر نمود. علت این امر مربوط به حل نشدن کامل فروسیلیسم – منیزیم موجود در محفظه است. بالا بودن سرعت سرد شدن مذاب در داخل قالب، افت شدیدی در درجه حرارت مذاب قبل از حل کردن فروسیلیسم – منیزیم به وجود می‌آورد و در نتیجه با باقیمانده فروسیلیسم – منیزیم موجود در محفظه مواجه هستیم. با توجه به مشکلات موجود، ادامه تولید چدن نشکن با این روش نیاز به مطالعات عملی بیشتری دارد.
2- تعبیه محفظه فعل و انفعال در خارج از قالب
در این حالت، محفظه فعل و انفعال ماسه‌ای است که به طور جداگانه‌ای ساخته شده و هنگام ریخته‌گری بر روی قالب‌های فلزی قرار داده می‌شود. با بکارگیری این روش نه تنها مشکلات اجرائی به حداقل رسیده، بلکه ساختار میکروسکوپی قطعه تولید شده نیز مطلوب‌ترین وضع را داشته است. با استفاده از این روش گرافیت‌ها کاملا کروی شده با توزیع یکنواخت در زمینه عادی از کاربید حاصل شده است. در این حالت فروسیلیسم، منیزیم باقیمانده و حل نشده در محفظه فعل و انفعال مشاهده نمی‌شود و ریختن فروسیلیسم منیزیم توزین شده در محفظه فعل و انفعال به سهولت صورت می‌پذیرد. محفظه فعل و انفعال می‌تواند با روشهای مختلف از جمله استفاده از چسب سیلیکات سدیم، چسب سرد (فوران)، چسب گرم و ماسه رزین‌دار ساخته شود. محفظه فعل و انفعال دارای درپوشی است که پس از ریختن فروسیلیسم- منیزیم در داخل محفظه بر روی آن قرار می‌گیرد، روی درپوش جهت جلوگیری از بیرون زدن مذاب وزنه مناسب قرار داده می‌شود.
ابعاد محفظه مطابق با مشخصات و وزن قطعات تولیدی طراحی و ساخته می‌شود. محفظه فعل و انفعال ذکر شده به صورت یکبار مصرف است و برای هر بار ریخته‌گری یک عدد از این محفظه مورد نیاز است.
فروسیلیسیم منیزیم مصرفی در این فرایند از نوع 05/0 منیزیم است که با دانه‌بندی 1 تا 4 میلی‌متر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
درجه بارریزی
درجه حرارت مذاب همواره باید تحت کنترل باشد، معمولا مذابی که از کوره‌های نگهدارنده گرفته می‌شود، دارای درجه حرارت حدود 1450 درجه سانتی‌گراد می‌باشد.

سیستم راهگاهی و تغذیه‌گذاری
سیستم راهگاهی بر اساس مشخصات وزنی قطعات و نوع قالب طراحی می‌شود کلیه راهگاه‌های فرعی متصل به قطعه بر اساس سیستم غیر فشاری بوده و از پایین به قطعه وصل می‌شوند، بارریزی از بالا نتایج نامطلوبی از جمله ایجاد مک و حفره‌های گازی را در بردارد.
در طراحی این گونه سیستم عملا هیچگونه اشکالی مشاهده نمی‌شود و قطعات ریختگی همگی از کیفیت مطلوبی برخوردار می‌باشند. کلیه مک‌ها و حفره‌های گازی با طراحی صحیح سیستم راهگاهی حذف می‌شوند. علاوه بر سیستم باردهی از پایین قطعه، هواکشهایی نیز در قالب تعبیه شده‌اند تا از محبوس شدن هوا و گازهای احتمالی در داخل قطعه جلوگیری شود.


مشخصات قطعات ریختگی
کیفیت سطحی و عیوب احتمالی
قطعات تولید شده با روش ریخته‌گری در قالب فلزی در صورتی که روند تولید آنها به درستی برنامه‌ریزی شده باشد، از کیفیت سطحی بهتری نسبت به قالب های ماسه‌ای برخوردار می‌باشند. عدم دقت در کنترل و برنامه‌ریزی مراحل مختلف تولید عیوبی را در سطح قطعه به وجود می‌آورد که از آن جمله می‌توان حفره‌های سطحی و زیرسطحی و چین‌خوردگی سطحی را
نام برد.
علت به وجود آمدن حفره‌ها درست نبودن طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه‌گذاری و کانالهای خروج گازهای ماهیچه و هوای محبوس در قطعه است. تصفیه نشدن کامل مذاب وجود اکسیدهای مختلف در آن یکی دیگر از عوامل موثر در به وجود آمدن حفره‌های سطحی و زیرسطحی می‌باشد. عدم تنظیم درجه حرارت قالب و درجه حرارت مذاب باعث به وجود آمدن چین‌خوردگی قطعه و یا نیامد کردن مذاب شده و آن را معیوب می‌سازد. برای رفع این عیب باید درجه حرارت قالب در محدوده 0c250 تا 0c300 نگهداری شده و درجه حرارت مذاب متناسب با ضخامت قطعه ریختگی تنظیم گردد.
بالا رفتن درجه حرارت قالب به بیش از حد مجاز (بالاتر از 0c500 ) نیز موجب بروز عیوب سطحی در قطعه می‌شود.
ساختار میکروسکوپی
ساختار میکروسکوپی قطعات تولید شده در قالبهای فلزی دارای فازهای ریزتری نسبت به قطعات تولید شده در قالب ماسه‌ای است، علت ریزی فازها بالا بودن سرعت انجماد و جوانه‌زنی قوی در قالب های فلزی است.
چدن نشکن نیز از قاعده فوق مستثنی نیست و کلیه فازهای زمینه و گرافیت های کروی موجود در زمینه ریزتر از چدن نشکن تولید شده در قالب‌های ماسه‌ای است.

شکل گرافیت و تعداد آن
شکل گرافیت‌ها کاملا کروی می‌باشد و میزان کروی شدن آنها بالای 90 درصد است. تعداد گرافیتها در واحد سطح (تعداد در یک میلی متر مربع) بیش از تعداد گرافیت در قطعات تولید شده در ماسه است و گاهی تا 500 عدد در هر میلی‌متر مربع نیز می‌رسد. بالا بودن تعداد گرافیت‌ها ناشی از بالا بودن سرعت انجماد در قالب‌های فلزی می‌باشد که امری طبیعی است.
در شکلهای 1 تا 4 صفحه بعدی شکل گرافیت‌ها و نحوه توزیع آنها در بزرگنمایی 100 و 250 برابر قابل مشاهده هستند.






ساختار میکروسکوپی
با استفاده از فرایند تلقیح منیزیم در محفظه فعل و انفعال و با تنظیم درجه حرارت قالب و ترکیب شیمیایی مذاب، به راحتی می‌توان به زمینه دلخواه عاری از کاربید بدون نیاز به عملیات حرارتی آنیل کردن دست یافت، ساختار زمینه یک نوع قطعه نشکن با ضخامت 10 میلی متر در حالت ریختگی متشکل از 20 درصد پرلیت و باقیمانده فریت است. در صورت نیاز می‌توان به زمینه‌ای کاملا فریتی و یا کاملا پرلیتی نیز دست یافت.
در شکل 1 ساختار میکروسکوپی یک قطعه نشکن تولید شده در قالب فلزی نشان داده شده است. همانگونه که ملاحظه می‌شود، گرافیتهای کاملا کروی در زمینه کاملا فریتی پخش شده‌اند. زمینه کاملا فریتی در حالتی حاصل شده است که از ماده پوشش عایق استفاده شده و درجه حرارت قالب با تنظیم دبی آب در حد بالایی نگه داشته شده است. در شکلهای 2 و 3 در بزرگنمایی 100 و 250 برابر ساختار قطعه ریختگی مشاهده می‌شود. در این ساختار نیز گرافیت‌های کروی در زمینه‌ای متشکل از 20 درصد پرلیت و بقیه فریت دیده می‌شود. در این حالت درجه حرارت قالب کمی پایین‌تر آورده شده و از پوشش دیرگداز عایق به ازاء هر چند بار تولید، یکبار استفاده شده است. در صورت عدم استفاده از فرایند تلقیح منیزیم در محفظه فعل و انفعال، دستیابی به زمینه‌ای بدون کاربید میسر نیست. این موضوع در شکل 4 در مورد همان قطعه نشکن تولید شده در قالب فلزی که عمل تلقطح منیزیم به روش ساندویچی در پاتیل صورت گرفته است دیده می‌شود. همانگونه که ملاحظه می‌شود گرافیت‌های کروی در زمینه از کاربید و فریت دیده می‌شوندع در این حالت برای رسیدن به زمینه‌ای متشکل از فریت و پرلیت بایستی عملیات حرارتی آنیل کردن و سپس سرد کردن به موقع و صحیح در هوا صورت گیرد.
عملیات حرارتی (آنیل کردن در کوره- خودتابی )
عملیات حرارتی آنیل کردن (تابانیدن) به منظور تجزیه کردن کاربید احتمالی تشکیل شده و به دست آوردن زمینه فریتی پرلیتی بر روی قطعات ریخته شده در قالب فلزی صورت می‌گیرد. عملیات آنیل کردن می‌تواند با استفاده از تابش کاری در کوره و یا بدون استفاده از کوره با روش خود تابشی صورت گیرد. چنانچه ترکیب شیمیایی و ضخامت قطعه به نحوی باشد که استفاده از کوره تاب جهت آنیل کردن و تجزیه کاربیدهای تشکیل شده لازم باشد. کافیست که قطعه را برای مدت 5/1 ساعت در درجه حرارت بالای 0c900 نگهداری، سپس در کوره سرد نمود. در این حالت مطمئنا کلیه کاربیدها حل شده و زمینه کاملا فریتی حاصل می‌گردد، با روش مختلف سرد کردن در هوا می‌توان به درصد مشخص‌ از فریت و پرلیت در زمینه دست یافت.
روش خوتابی
روش خودتابی حالتی است که بدون نیاز به کوره عملیات حرارتی، تا بانیدن قطعات صورت می‌گیرد. با استفاده از روش افزودن منیزیم در راهگاه و انتخاب ترکیب شیمیایی مناسب و تنظیم و کنترل درجه حرارت قالب می‌توان بدون نیاز به کوره عملیات حرارتی به زمینه‌ای عادی از کاربید و متشکل از پرلیت و فریت دست یافت. جهت افزایش مقدار فریت در زمینه قطعه ریختگی زمان نگهداری قطعه در قالب پس از ریختن باید به حداقل ممکن رسانیده شود و قطعات پس از خروج از قالب بلافاصله در داخل یک محفظه عایق حرارت روی هم انباشته تا مرحله سرد شدن با استفاده از گرمای موجود در قطعات به آرامی صورت پذیرد. برای رسیدن به زمینه‌ای عاری از کاربید به خصوص برای قطعات با ضخامت کم، ترکیب شیمیایی مذاب باید به دقت کنترل شده و کربن معادل بالاتر از 6/4 درصد در نظر گرفته شود.

بررسی تکنولوژی تولید چدن نشکن
در قالب‌های فلزی (ریژه(
مقدمه
تولید قطعات چدنی در قالبهای فلزی به روش ثقلی در 35 سال اخیر مورد توجه شدید ریخته‌گران جهان قرار گرفته و انواع چدنهای خاکستری، نشکن و مالیبل با این به تولید مطلوب رسیده‌اند.
طبق اطلاعات موجود، تعداد زیادی از کارخانه‌های اروپای غربی خط تولید خود را تغییر داده‌اند و از قالب فلزی در تولید قطعات چدنی استفاده می‌نمایند.
در استفاده از این فرایند کشورهای آلمان، فرانسه، انگلستان و ایتالیا پیشتاز دیگر کشورهای اروپای غربی بوده اند. قطعات تولید شده در قالب فلزی به دلیل داشتن ویژگیها و خواص مکانیکی عالی برای اکثر مصارف صنعتی مناسب می‌باشند. از آن جمله می‌توان قطعات خودرو از قبیل واترپمپ، اویل پمپ، انشعاب اگزوز، پولی‌ها، بدنه کمک فنر و قطعاتی نظیر کمپرسور یخچال، پوسته و قطعات مربوط به الکتروموتورها و ژنراتورها، قطعات مربوط به جکهای بالابر، نازلها و دیگر قطعات، مانند اتصالات را نام برد.
در ایران نیز تولید لوله های فاضلاب و آب‌رسانی از چدن خاکستری و نشکن در قالب فلزی از سالیان پیش تولید می‌شوند ولی ریخته‌گری قطعات مهندسی از چدن نشکن به تازگی در کارخانجات ایران آغاز شده و شدیداً رو به گسترش است.
مزایا و محدودیت‌های تولید چدن در قالب فلزی
مزایا :
طبق اطلاعات موجود تولید قطعات در قالب‌های فلزی دارای فوائد تکنولوژیکی متالورژیکی و اقتصادی زیادی است که ذیلاً به تعدادی از آنها اشاره می‌شود:
- مقدار تولید در واحد زمان بیش از دیگر روشها از جمله ریخته‌گری در قالب ماسه‌ای است. این امر سبب می‌گردد که قیمت قطعات تولید شده به مقدار قابل توجهی کاهش یابد.
- کیفیت سطحی قطعات تولید شده با این روش بهتر از قالب‌های ماسه‌ای است در نتیجه در هزینه‌های تراشکاری به مقدار زیادی صرفه‌جویی خواهد شد.
- خواص متالورژیکی و مکانیکی قطعات به دلیل یکنواختی توزیع فازها و ریز شدن دانه‌ها و فازهای تشکیل دهنده، مطلوب تر و بهتر از قطعات تولید شده در قالبهای ماسه‌ای است.
- مقاومت در مقابل خوردگی سطحی و خوردگی در درجه حرارت بالا بیش از قطعات تولید شده در قالبهای ماسه‌ای است.
- عمل تولید با استفاده از قالب فلزی بسیار ساده‌تر از روشهای دیگر است.
- هزینه‌های انبارداری مواد اولیه جهت تولید قالب‌های ماسه‌ای با استفاده از این روش حذف می‌شود.
- هزینه و امکانات لازم جهت حمل و نقل مواد قالب‌گیری ماسه‌ای حذف می‌شود.
- هزینه تخلیه درجه‌ها و برگشت ماسه کهنه پس از بازیابی به خط تولید حذف می‌شود.
- تعداد افراد مورد نیاز نسبت به روش قالبگیری ماسه‌ای به تعداد قابل توجهی کمتر است.
- ساخت ماشین‌آلات خط تولید در مقایسه با قالب گیری ماسه‌ای بسیار ساده تر و ارزان‌تر است.
- خودکار کردن خط تولید به سهولت و با هزینه کمتر امکان‌پذیر است.
- هزینه تمیزکاری قطعات از قبیل شن‌زنی (سندبلاست) و سنگ‌زنی به مقدار قابل توجهی کاهش می‌یابد.
- به دلیل صلب بودن دیواره قالب، نیاز به تغذیه‌های بزرگ کاهش یافته و در نتیجه راندمان تولید به مقدار زیادی افزایش خواهد یافت.
- دستیابی به ساختارهای مختلف میکروسکوپی و متالورژیکی با تغییر سرعت انجماد و ترکیب شیمیایی امکان‌پذیر است.
- آلوده‌سازی محیط به مراتب کمتر از قالب‌گیری ماسه‌ای است و در نتیجه نیاز به نصب و استقرار تاسیسات قوی و پیچیده جهت تهویه و پاکسازی ذرات ماسه از محیط نخواهد بود.
- در این روش عیوبی از قبیل ماسه‌ریزی و خرابی قالب ماسه‌ای در حین ریخته‌گری به چشم نمی‌خورد.
- دقت ابعادی قطعات تولید شده با این روش به دلیل بالا بودن استحکام و سختی دیواره قالب بالاتر از روش قالب‌گیری ماسه‌ای است.
محدودیت‌ها
تولید قطعات در قالب‌های فلزی ضمن دارا بودن مزایای ذکر شده دارای محدودیت‌هایی نیز می‌باشند که ذیلا به آنها اشاره می‌شود.
- هر قالب فقط برای قطعه خاصی استفاده داشته و از قابلیت انعطاف و تطبیق کمتری برخوردار می‌باشد که با توجه به قیمت نسبتا زیاد تولید قالب، ایجاد محدودیت خواهد کرد.
- با هر قالب تعداد محدودی قطعه قابل تولید است. این تعداد برای قطعات بزرگتر کمتر و برای قطعات کوچکتر بیشتر است.
- تولید قطعات با شکل هندسی پیچیده و با ضخامت کم مشکل و گاهی غیر ممکن است.
- به دلیل زیاد بودن سرعت انجماد در قالب، تکنولوژی بالایی جهت طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه‌گذاری لازم است. به عبارت دیگر برای طراحی به افراد با تخصص و تجربه بالایی نیاز است.
- کنترل درجه حرارت قالب و مذاب و ترکیب شیمیایی مذاب برای جلوگیری از تشکیل مناطق سخت و غیر قابل تراشکاری در قطعه حائز اهمیت است و باید از پوششهای عایق منب استفاده شود.
- بالا بودن زمان تولید قالب و گران بودن آن با توجه به این موضوع که با یک قالب فقط تعداد محدودی قطعه قابل تولید است، یکی دیگر از محدودیت‌ها به شمار می‌رود. با نگهداری صحیح از قالب و با به کارگیری روشهای مناسب تولید قالب، این محدودیت به مقدار قابل توجهی کاهش خواهد یافت.
نتیجه بررسی اقتصادی
با توجه به مزایا و محدودیت‌های ذکر شده طبق بررسی‌ها و مطالعات انجام شده، استفاده از قالب فلزی در مقایسه با دیگر روشها بسیار اقتصادی تر است. نتایج بررسی‌های اقتصادی در منابع مختلف به شرح زیر گزارش شده است:
- میزان سرمایه‌گذاری اولیه به دلیل موارد ذکر شده 30? کمتر از مقدار مشابه برای قالبگیری ماسه‌ای است.
- هزینه قطعه تولید شده در مقایسه با روش قالبگیری ماسه‌ای 20? کمتر است.
- مقدار تولید در واحد زمان نسبت به قالبگیری ماسه‌ای 100?افزایش می‌یابد.
- تعداد پرسنل مورد نیاز برای تولید قطعه در واحد وزن و زمان 20 تا 35 درصد کمتر از روش قالبگیری ماسه‌ای است.

تکنولوژی تولید قالب
جنس قالب
قالب‌های فلزی مورد استفاده در تولید قطعات چدنی از جنس فولاد و یا چدن انتخاب می‌شوند. جنس قالب باید به گونه‌ای انتخاب شود که در مقابل شوک‌های حرارتی و خوردگی ناشی از جریان مذاب مقاوم باشد. عوامل مختلفی در میزان عمر قالب موثرند که از آن جمله درجه حرارت مذاب، درجه حرارت قالب، اندازه قطعه، شکل قطعه، روش خنک کردن قالب نوع و مقدار پوشش مصرفی و در نهایت روش حفاظت، مراقبت و تمیزکاری قالب را می‌توان نام برد. جنس قالب باید طوری در نظر گرفته شود که علاوه بر داشتن هدایت حرارتی مطلوب از قیمت مناسب و مقاومت بالا برخوردار باشد. علاوه بر این قالب فلزی باید از قابلیت تراشکاری خوبی برخوردار باشد. در جدول 2 نمونه عمر کاری قالب‌های فلزی در رابطه با وزن قطعات مختلف چدنی و فولادی ارائه شده است.

روش تولید قالب
استفاده از روش صحیح تولید قالب یکی از راه‌های بالا بردن عمر قالب است. قالب‌های فلزی معمولا در قالب‌های ماسه‌ای که با روش ماسه‌تر، سیلیکات سدیم (چسب شیشه)، پوسته‌ای و چسب سرد فوران تهیه می‌شوند ریخته‌گری می‌شوند. از بین روشهای ذکر شده به ترتیب روش قالبگیری پوسته ای (Shell molding) چسب سرد فوران، سیلیکات سدیم و ماسه تر از اولویت برخوردار بوده و به طور کلی استفاده از قالب‌های با دیواره سخت و محکم‌تر سبب بالا رفتن دقت ابعادی و کیفیت سطحی قالبها شده و هزینه تراشکاری را نیز کاهش می‌دهد.
علاوه بر روشهای ذکر شده، استفاده از روش قالبگیری سرامیکی در بیشتر کارگاه‌های قالب‌سازی اروپا متداول است. با به کارگیری این روش قالب‌های تولید شده از دقت ابعادی و کیفیت سطحی قطعات و کاهش شدید هزینه تراشکاری و فرزکاری قابل چشم‌پوشی است. خشونت سطحی قطعات تولید شده با این روش بسیار کم و در حد 10 میکرون می‌باشد. به طوری که هزینه تراشکاری به مقدار 90? کاهش می‌یابد. استفاده از این روش در سالهای اخیر در مرکز پژوهش متالورژی رازی مورد پژوهش و تجربه قرار گرفته است و هم‌اکنون شرکت ریخته‌گری پولادیر به تولید قطعات ریخته‌گری در قالب‌های سرامیکی اشتغال دارد.
در تولید قالب‌های فلزی باید نکات زیر مد نظر قرار گیرد.
- طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه‌گذاری باید به دقت انجام گیرد. به طوری که هیچگونه حفره انقباضی و یا کشیدگی در قالب ریخته شده مشاهده نشود.
- ترکیب شیمیایی مذاب به دقت کنترل و بر اساس ترکیب مورد نیاز تنظیم شود.
- درجه حرارت مذاب به اندازه کافی بالا باشد تا علاوه بر تصفیه مذاب عمل تغذیه قطعه به سهولت انجام گرفته و قالب از صلبیت بیشتری برخوردار باشد.
- از ورود هر گونه شلاکه به داخل قالب جلوگیری شود.
- به منظور کاهش هزینه تراشکاری و بالا بردن کیفیت مکانیکی قطعه حتی الامکان از قالب‌های با دیواره محکم به خصوص روش سرامیکی استفاده شود.
- بهتر است که قالب آماده شده قبل از ریختن مذاب در گرم‌خانه و یا توسط مشعل گرم شود تا انجماد قطعه در تمام نقاط به صورت یکنواخت و متعادل انجام گیرد و کیفیت سطحی قطعه نیز افزایش یابد.
- در صورت نیاز از پوشش‌های مرغوب و با ضخامت کم استفاده شود تا کیفیت سطحی قطعه افزایش یابد.
- در صورت نیاز از پوشش‌های مرغوب و با ضخامت کم استفاده شود تا کیفیت سطحی قطعه افزایش یابد، استفاده از پوشش های بدون چسب و یا پودرهای با اندازه دانه درشت توصیه نمی‌شود. و حتی الامکان باید از کاربرد آنها خودداری گردد.
- به منظور جلوگیری از تاب‌برداشتن قطعه قبل از رسیدن درجه حرارت آن به درجه حرارت محیط از تخریب قالب و خارج کردن قطعه خودداری شود.
- قالب تولید شده حتماً پس از تمیزکاری به مدت حداقل 5/1 ساعت در 0c800 در کوره نگهداری و سپس تا درجه حرارت محیط به آرامی در داخل کوره خنک شود. این عمل مقاومت قالب را در برابر شوکهای حرارتی زیاد می‌کند.

فرایند تولید چدن نشکن در قالب‌های فلزی
تهیه مذاب
ذوب مصرفی با استفاده از شمش و قراضه دیگر مواد مورد نیاز آلیاژی در کوره‌های ذوب آماده می‌شود. چنانچه هدف تولید چدن نشکن به ویژه تولید نشکن با استفاده از فرایند افزودن منیزیم در راهگاه باشد باید عناصر مضر از قبیل گوگرد و دیگر عناصر بازدارنده تشکیل گرافیت کروی در حد مجاز نگهداری شود.
ترکیب شیمیایی مذاب با توجه به مشخصات مورد نظر انتخاب و تنظیم می‌شود. چنانچه هدف دستیابی به زمینه فریتی با مقدار کمی پرلیت باشد، ضرورتا بایستی ترکیبی انتخاب گردد که کربن معادل آن بالاتر از نقطه یوتکتیک باشد علاوه بر این باید از ورود عناصر پرلیت‌زا به داخل مذاب جلوگیری کرد. یک محدوده ترکیب شیمیایی مناسب برای تولید قطعات چدن نشکن در قالب فلزی جهت دستیابی به زمینه اری از کاربید و متشکل از ضریب و پرلیت به صورت زیر است.
کربن 8/3-6/3 سیلیسم 2/3-2/2
منگنز 3/
فسفر 5?

گوگرد 1?

با توجه به ضخامت قطعه ریختگی باید ترکیب شیمیایی مناسبی برای دستیابی به زمینه مورد نظر انتخاب شود. هر قدر میزان سیلیسیم مذاب افزایش یابد تمایل به تشکیل کاربید کمتر می‌شود و زمینه‌ای فریتی – پرلیتی حاصل خواهد شد. به عنوان مثال چنانچه ساختار میکروسکوپی قطعه‌ای به ضخامت متوسط 1 سانتی‌متر از چدن نشکن به صورت 20 درصد پرلیت و بقیه فریت مد نظر باشد، ترکیب شیمیایی مذاب به صورت زیر نتیجه مطلوبی را خواهد داشت.
کربن 8/3 سیلیسیم 4/2
منگنز حداکثر 2/0 فسفر حداکثر 3?
گوگرد حداکثر 1?

چنانچه چدن نشکن با استفاده از روش in- mold تولید شود، درجه حرارت مذاب باید در محدوده 1480-1420 درجه سانتی‌گراد باشد. کاهش درجه حرارت به کمتر از محدوده حرارتی ذکر شده سبب حل نشدن کامل منیزیم می‌گردد و در نتیجه گرافیت‌ها به صورت کامل کروی نمی‌شوند و قطعات حاصل دارای خواص مطلوبی نخواهند بود.
چنانچه از روشهای دیگر تلقیح منیزیم نظیر روش ساندویچی استفاده شود درجه حرارت مذاب با توجه به ضخامت قطعه ریختگی به نحوی تعیین می‌شود که مذاب از سیالیت مطلوب جهت پر کردن کامل قالب برخوردار باشد. یکی از عوامل موثر در کاهش مقدار کاربید و افزایش خواص مکانیکی قطعه جوانه‌زنی صحیح است. عملیات جوانه‌زنی مذاب در داخل بوته قبل از ریختن آن در قالب قابل انجام است. مقدار مواد جوانه‌زای لازم به ویژگیهای قطعه ریختگی بستگی دارد و 4/0 تا 7/0 درصد وزن مذاب می‌باشد. اگر از جوانه‌‌زاهای مخصوص و تجاری استفاده شود. (دارای عناصر و عناصر از قبیل استرانسیوم، باریم و.... هستند که وجود این عناصر قدرت جوانه‌زایی را افزایش می‌دهد) به مقدار 4/0 درصد و اگراز پودر فروسیلیسیم 75? استفاده گردد به مقدار 7/0 درصد کافی می‌باشد. اگر عملیات نشکن‌سازی با استفاده از روش افزودن منیزیم در راهگاه انجام گیرد، فروسیلیسیم، منیزیم مورد استفاده نقش جوانه‌زنی را نیز ایفا خواهد کرد و در نتیجه ضرورت انجام مرحله جوانه‌زنی کاهش می‌یابد.

گوگرد زدایی
گوگرد زدایی با روش توپی متخلخل انجام می‌گیرد که در صورت نبود امکانات برای این روش می‌توان گوگردزدایی را پس از تنظیم ترکیب مذاب در داخل کوره القائی انجام داد، با انجام عمل گوگردزدایی، مقدار گوگرد به حد هزارم درصد کاهش می‌یابد. گوگردزدایی توسط افزودن کاربید کلسیم به داخل مذاب صورت می‌گیرد، برای جلوگیری از خوردگی جداره کوره در اثر گوگردزدایی می‌توان یک کوره به این عمل اختصاص داد.
عملیات ریخته‌گری
در این مرحله عملیات ذوب‌ریزی در داخل قالب صورت می‌گیرد. معمولا در یک کارخانه که دارای خط تولید خودکار است. قالب‌ها بر روی یک میز دوار بسته شده است که به آن روش کاروسل می‌گویند. در این روش یک لنگه از قالب ثابت است و لنگه دیگر قالب به وسیله یک جک، قابل باز و بسته شدن می‌باشد. به طور کلی در اکثر روشهای ریخته‌گری با قالب فلزی، قالب‌ها با عبور جریان آب و یا هوا که از پشت قالب صورت می‌گیرد، خنک می‌شوند.
خنک نکردن قالب‌ها موجب کاهش شدید عمر آنها می‌شود.
افراد مورد نیاز جهت اداره یک خط تولید کاروسل 3 الی 4 نفر است که طی مراحل ذکر شده انجام وظیفه می‌نمایند.

بررسی تکنولوژی تولید چدن نشکن
در قالب‌های فلزی (ریژه(
مقدمه
تولید قطعات چدنی در قالبهای فلزی به روش ثقلی در 35 سال اخیر مورد توجه شدید ریخته‌گران جهان قرار گرفته و انواع چدنهای خاکستری، نشکن و مالیبل با این به تولید مطلوب رسیده‌اند.
طبق اطلاعات موجود، تعداد زیادی از کارخانه‌های اروپای غربی خط تولید خود را تغییر داده‌اند و از قالب فلزی در تولید قطعات چدنی استفاده می‌نمایند.
در استفاده از این فرایند کشورهای آلمان، فرانسه، انگلستان و ایتالیا پیشتاز دیگر کشورهای اروپای غربی بوده اند. قطعات تولید شده در قالب فلزی به دلیل داشتن ویژگیها و خواص مکانیکی عالی برای اکثر مصارف صنعتی مناسب می‌باشند. از آن جمله می‌توان قطعات خودرو از قبیل واترپمپ، اویل پمپ، انشعاب اگزوز، پولی‌ها، بدنه کمک فنر و قطعاتی نظیر کمپرسور یخچال، پوسته و قطعات مربوط به الکتروموتورها و ژنراتورها، قطعات مربوط به جکهای بالابر، نازلها و دیگر قطعات، مانند اتصالات را نام برد.
در ایران نیز تولید لوله های فاضلاب و آب‌رسانی از چدن خاکستری و نشکن در قالب فلزی از سالیان پیش تولید می‌شوند ولی ریخته‌گری قطعات مهندسی از چدن نشکن به تازگی در کارخانجات ایران آغاز شده و شدیداً رو به گسترش است.
مزایا و محدودیت‌های تولید چدن در قالب فلزی
مزایا :
طبق اطلاعات موجود تولید قطعات در قالب‌های فلزی دارای فوائد تکنولوژیکی متالورژیکی و اقتصادی زیادی است که ذیلاً به تعدادی از آنها اشاره می‌شود:
- مقدار تولید در واحد زمان بیش از دیگر روشها از جمله ریخته‌گری در قالب ماسه‌ای است. این امر سبب می‌گردد که قیمت قطعات تولید شده به مقدار قابل توجهی کاهش یابد.
- کیفیت سطحی قطعات تولید شده با این روش بهتر از قالب‌های ماسه‌ای است در نتیجه در هزینه‌های تراشکاری به مقدار زیادی صرفه‌جویی خواهد شد.
- خواص متالورژیکی و مکانیکی قطعات به دلیل یکنواختی توزیع فازها و ریز شدن دانه‌ها و فازهای تشکیل دهنده، مطلوب تر و بهتر از قطعات تولید شده در قالبهای ماسه‌ای است.
- مقاومت در مقابل خوردگی سطحی و خوردگی در درجه حرارت بالا بیش از قطعات تولید شده در قالبهای ماسه‌ای است.
- عمل تولید با استفاده از قالب فلزی بسیار ساده‌تر از روشهای دیگر است.
- هزینه‌های انبارداری مواد اولیه جهت تولید قالب‌های ماسه‌ای با استفاده از این روش حذف می‌شود.
- هزینه و امکانات لازم جهت حمل و نقل مواد قالب‌گیری ماسه‌ای حذف می‌شود.
- هزینه تخلیه درجه‌ها و برگشت ماسه کهنه پس از بازیابی به خط تولید حذف می‌شود.
- تعداد افراد مورد نیاز نسبت به روش قالبگیری ماسه‌ای به تعداد قابل توجهی کمتر است.
- ساخت ماشین‌آلات خط تولید در مقایسه با قالب گیری ماسه‌ای بسیار ساده تر و ارزان‌تر است.
- خودکار کردن خط تولید به سهولت و با هزینه کمتر امکان‌پذیر است.
- هزینه تمیزکاری قطعات از قبیل شن‌زنی (سندبلاست) و سنگ‌زنی به مقدار قابل توجهی کاهش می‌یابد.
- به دلیل صلب بودن دیواره قالب، نیاز به تغذیه‌های بزرگ کاهش یافته و در نتیجه راندمان تولید به مقدار زیادی افزایش خواهد یافت.
- دستیابی به ساختارهای مختلف میکروسکوپی و متالورژیکی با تغییر سرعت انجماد و ترکیب شیمیایی امکان‌پذیر است.
- آلوده‌سازی محیط به مراتب کمتر از قالب‌گیری ماسه‌ای است و در نتیجه نیاز به نصب و استقرار تاسیسات قوی و پیچیده جهت تهویه و پاکسازی ذرات ماسه از محیط نخواهد بود.
- در این روش عیوبی از قبیل ماسه‌ریزی و خرابی قالب ماسه‌ای در حین ریخته‌گری به چشم نمی‌خورد.
- دقت ابعادی قطعات تولید شده با این روش به دلیل بالا بودن استحکام و سختی دیواره قالب بالاتر از روش قالب‌گیری ماسه‌ای است.
محدودیت‌ها
تولید قطعات در قالب‌های فلزی ضمن دارا بودن مزایای ذکر شده دارای محدودیت‌هایی نیز می‌باشند که ذیلا به آنها اشاره می‌شود.
- هر قالب فقط برای قطعه خاصی استفاده داشته و از قابلیت انعطاف و تطبیق کمتری برخوردار می‌باشد که با توجه به قیمت نسبتا زیاد تولید قالب، ایجاد محدودیت خواهد کرد.
- با هر قالب تعداد محدودی قطعه قابل تولید است. این تعداد برای قطعات بزرگتر کمتر و برای قطعات کوچکتر بیشتر است.
- تولید قطعات با شکل هندسی پیچیده و با ضخامت کم مشکل و گاهی غیر ممکن است.
- به دلیل زیاد بودن سرعت انجماد در قالب، تکنولوژی بالایی جهت طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه‌گذاری لازم است. به عبارت دیگر برای طراحی به افراد با تخصص و تجربه بالایی نیاز است.
- کنترل درجه حرارت قالب و مذاب و ترکیب شیمیایی مذاب برای جلوگیری از تشکیل مناطق سخت و غیر قابل تراشکاری در قطعه حائز اهمیت است و باید از پوششهای عایق منب استفاده شود.
- بالا بودن زمان تولید قالب و گران بودن آن با توجه به این موضوع که با یک قالب فقط تعداد محدودی قطعه قابل تولید است، یکی دیگر از محدودیت‌ها به شمار می‌رود. با نگهداری صحیح از قالب و با به کارگیری روشهای مناسب تولید قالب، این محدودیت به مقدار قابل توجهی کاهش خواهد یافت.
نتیجه بررسی اقتصادی
با توجه به مزایا و محدودیت‌های ذکر شده طبق بررسی‌ها و مطالعات انجام شده، استفاده از قالب فلزی در مقایسه با دیگر روشها بسیار اقتصادی تر است. نتایج بررسی‌های اقتصادی در منابع مختلف به شرح زیر گزارش شده است:
- میزان سرمایه‌گذاری اولیه به دلیل موارد ذکر شده 30? کمتر از مقدار مشابه برای قالبگیری ماسه‌ای است.
- هزینه قطعه تولید شده در مقایسه با روش قالبگیری ماسه‌ای 20? کمتر است.
- مقدار تولید در واحد زمان نسبت به قالبگیری ماسه‌ای 100?افزایش می‌یابد.
- تعداد پرسنل مورد نیاز برای تولید قطعه در واحد وزن و زمان 20 تا 35 درصد کمتر از روش قالبگیری ماسه‌ای است.

تکنولوژی تولید قالب
جنس قالب
قالب‌های فلزی مورد استفاده در تولید قطعات چدنی از جنس فولاد و یا چدن انتخاب می‌شوند. جنس قالب باید به گونه‌ای انتخاب شود که در مقابل شوک‌های حرارتی و خوردگی ناشی از جریان مذاب مقاوم باشد. عوامل مختلفی در میزان عمر قالب موثرند که از آن جمله درجه حرارت مذاب، درجه حرارت قالب، اندازه قطعه، شکل قطعه، روش خنک کردن قالب نوع و مقدار پوشش مصرفی و در نهایت روش حفاظت، مراقبت و تمیزکاری قالب را می‌توان نام برد. جنس قالب باید طوری در نظر گرفته شود که علاوه بر داشتن هدایت حرارتی مطلوب از قیمت مناسب و مقاومت بالا برخوردار باشد. علاوه بر این قالب فلزی باید از قابلیت تراشکاری خوبی برخوردار باشد. در جدول 2 نمونه عمر کاری قالب‌های فلزی در رابطه با وزن قطعات مختلف چدنی و فولادی ارائه شده است.

روش تولید قالب
استفاده از روش صحیح تولید قالب یکی از راه‌های بالا بردن عمر قالب است. قالب‌های فلزی معمولا در قالب‌های ماسه‌ای که با روش ماسه‌تر، سیلیکات سدیم (چسب شیشه)، پوسته‌ای و چسب سرد فوران تهیه می‌شوند ریخته‌گری می‌شوند. از بین روشهای ذکر شده به ترتیب روش قالبگیری پوسته ای (Shell molding) چسب سرد فوران، سیلیکات سدیم و ماسه تر از اولویت برخوردار بوده و به طور کلی استفاده از قالب‌های با دیواره سخت و محکم‌تر سبب بالا رفتن دقت ابعادی و کیفیت سطحی قالبها شده و هزینه تراشکاری را نیز کاهش می‌دهد.
علاوه بر روشهای ذکر شده، استفاده از روش قالبگیری سرامیکی در بیشتر کارگاه‌های قالب‌سازی اروپا متداول است. با به کارگیری این روش قالب‌های تولید شده از دقت ابعادی و کیفیت سطحی قطعات و کاهش شدید هزینه تراشکاری و فرزکاری قابل چشم‌پوشی است. خشونت سطحی قطعات تولید شده با این روش بسیار کم و در حد 10 میکرون می‌باشد. به طوری که هزینه تراشکاری به مقدار 90? کاهش می‌یابد. استفاده از این روش در سالهای اخیر در مرکز پژوهش متالورژی رازی مورد پژوهش و تجربه قرار گرفته است و هم‌اکنون شرکت ریخته‌گری پولادیر به تولید قطعات ریخته‌گری در قالب‌های سرامیکی اشتغال دارد.
در تولید قالب‌های فلزی باید نکات زیر مد نظر قرار گیرد.
- طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه‌گذاری باید به دقت انجام گیرد. به طوری که هیچگونه حفره انقباضی و یا کشیدگی در قالب ریخته شده مشاهده نشود.
- ترکیب شیمیایی مذاب به دقت کنترل و بر اساس ترکیب مورد نیاز تنظیم شود.
- درجه حرارت مذاب به اندازه کافی بالا باشد تا علاوه بر تصفیه مذاب عمل تغذیه قطعه به سهولت انجام گرفته و قالب از صلبیت بیشتری برخوردار باشد.
- از ورود هر گونه شلاکه به داخل قالب جلوگیری شود.
- به منظور کاهش هزینه تراشکاری و بالا بردن کیفیت مکانیکی قطعه حتی الامکان از قالب‌های با دیواره محکم به خصوص روش سرامیکی استفاده شود.
- بهتر است که قالب آماده شده قبل از ریختن مذاب در گرم‌خانه و یا توسط مشعل گرم شود تا انجماد قطعه در تمام نقاط به صورت یکنواخت و متعادل انجام گیرد و کیفیت سطحی قطعه نیز افزایش یابد.
- در صورت نیاز از پوشش‌های مرغوب و با ضخامت کم استفاده شود تا کیفیت سطحی قطعه افزایش یابد.
- در صورت نیاز از پوشش‌های مرغوب و با ضخامت کم استفاده شود تا کیفیت سطحی قطعه افزایش یابد، استفاده از پوشش های بدون چسب و یا پودرهای با اندازه دانه درشت توصیه نمی‌شود. و حتی الامکان باید از کاربرد آنها خودداری گردد.
- به منظور جلوگیری از تاب‌برداشتن قطعه قبل از رسیدن درجه حرارت آن به درجه حرارت محیط از تخریب قالب و خارج کردن قطعه خودداری شود.
- قالب تولید شده حتماً پس از تمیزکاری به مدت حداقل 5/1 ساعت در 0c800 در کوره نگهداری و سپس تا درجه حرارت محیط به آرامی در داخل کوره خنک شود. این عمل مقاومت قالب را در برابر شوکهای حرارتی زیاد می‌کند.

فرایند تولید چدن نشکن در قالب‌های فلزی
تهیه مذاب
ذوب مصرفی با استفاده از شمش و قراضه دیگر مواد مورد نیاز آلیاژی در کوره‌های ذوب آماده می‌شود. چنانچه هدف تولید چدن نشکن به ویژه تولید نشکن با استفاده از فرایند افزودن منیزیم در راهگاه باشد باید عناصر مضر از قبیل گوگرد و دیگر عناصر بازدارنده تشکیل گرافیت کروی در حد مجاز نگهداری شود.
ترکیب شیمیایی مذاب با توجه به مشخصات مورد نظر انتخاب و تنظیم می‌شود. چنانچه هدف دستیابی به زمینه فریتی با مقدار کمی پرلیت باشد، ضرورتا بایستی ترکیبی انتخاب گردد که کربن معادل آن بالاتر از نقطه یوتکتیک باشد علاوه بر این باید از ورود عناصر پرلیت‌زا به داخل مذاب جلوگیری کرد. یک محدوده ترکیب شیمیایی مناسب برای تولید قطعات چدن نشکن در قالب فلزی جهت دستیابی به زمینه اری از کاربید و متشکل از ضریب و پرلیت به صورت زیر است.
کربن 8/3-6/3 سیلیسم 2/3-2/2
منگنز 3/
فسفر 5?

گوگرد 1?

با توجه به ضخامت قطعه ریختگی باید ترکیب شیمیایی مناسبی برای دستیابی به زمینه مورد نظر انتخاب شود. هر قدر میزان سیلیسیم مذاب افزایش یابد تمایل به تشکیل کاربید کمتر می‌شود و زمینه‌ای فریتی – پرلیتی حاصل خواهد شد. به عنوان مثال چنانچه ساختار میکروسکوپی قطعه‌ای به ضخامت متوسط 1 سانتی‌متر از چدن نشکن به صورت 20 درصد پرلیت و بقیه فریت مد نظر باشد، ترکیب شیمیایی مذاب به صورت زیر نتیجه مطلوبی را خواهد داشت.
کربن 8/3 سیلیسیم 4/2
منگنز حداکثر 2/0 فسفر حداکثر 3?
گوگرد حداکثر 1?

چنانچه چدن نشکن با استفاده از روش in- mold تولید شود، درجه حرارت مذاب باید در محدوده 1480-1420 درجه سانتی‌گراد باشد. کاهش درجه حرارت به کمتر از محدوده حرارتی ذکر شده سبب حل نشدن کامل منیزیم می‌گردد و در نتیجه گرافیت‌ها به صورت کامل کروی نمی‌شوند و قطعات حاصل دارای خواص مطلوبی نخواهند بود.
چنانچه از روشهای دیگر تلقیح منیزیم نظیر روش ساندویچی استفاده شود درجه حرارت مذاب با توجه به ضخامت قطعه ریختگی به نحوی تعیین می‌شود که مذاب از سیالیت مطلوب جهت پر کردن کامل قالب برخوردار باشد. یکی از عوامل موثر در کاهش مقدار کاربید و افزایش خواص مکانیکی قطعه جوانه‌زنی صحیح است. عملیات جوانه‌زنی مذاب در داخل بوته قبل از ریختن آن در قالب قابل انجام است. مقدار مواد جوانه‌زای لازم به ویژگیهای قطعه ریختگی بستگی دارد و 4/0 تا 7/0 درصد وزن مذاب می‌باشد. اگر از جوانه‌‌زاهای مخصوص و تجاری استفاده شود. (دارای عناصر و عناصر از قبیل استرانسیوم، باریم و.... هستند که وجود این عناصر قدرت جوانه‌زایی را افزایش می‌دهد) به مقدار 4/0 درصد و اگراز پودر فروسیلیسیم 75? استفاده گردد به مقدار 7/0 درصد کافی می‌باشد. اگر عملیات نشکن‌سازی با استفاده از روش افزودن منیزیم در راهگاه انجام گیرد، فروسیلیسیم، منیزیم مورد استفاده نقش جوانه‌زنی را نیز ایفا خواهد کرد و در نتیجه ضرورت انجام مرحله جوانه‌زنی کاهش می‌یابد.

گوگرد زدایی
گوگرد زدایی با روش توپی متخلخل انجام می‌گیرد که در صورت نبود امکانات برای این روش می‌توان گوگردزدایی را پس از تنظیم ترکیب مذاب در داخل کوره القائی انجام داد، با انجام عمل گوگردزدایی، مقدار گوگرد به حد هزارم درصد کاهش می‌یابد. گوگردزدایی توسط افزودن کاربید کلسیم به داخل مذاب صورت می‌گیرد، برای جلوگیری از خوردگی جداره کوره در اثر گوگردزدایی می‌توان یک کوره به این عمل اختصاص داد.
عملیات ریخته‌گری
در این مرحله عملیات ذوب‌ریزی در داخل قالب صورت می‌گیرد. معمولا در یک کارخانه که دارای خط تولید خودکار است. قالب‌ها بر روی یک میز دوار بسته شده است که به آن روش کاروسل می‌گویند. در این روش یک لنگه از قالب ثابت است و لنگه دیگر قالب به وسیله یک جک، قابل باز و بسته شدن می‌باشد. به طور کلی در اکثر روشهای ریخته‌گری با قالب فلزی، قالب‌ها با عبور جریان آب و یا هوا که از پشت قالب صورت می‌گیرد، خنک می‌شوند.
خنک نکردن قالب‌ها موجب کاهش شدید عمر آنها می‌شود.
افراد مورد نیاز جهت اداره یک خط تولید کاروسل 3 الی 4 نفر است که طی مراحل ذکر شده انجام وظیفه می‌نمایند.

مجموعه علومی که در مورد شناخت مواد (فلزات,پلیمر,سرامیک و ...)اعم از ساختار ,شکل دهی ,انجماد ,ذوب و کارایی این مواد در مواردمختلف( در صنعت ,پزشکی,ساختمان و... )مورد بحث قرار میگیرد.متالورژی یکی از رشته های زیر مجموعه مهندسی مواد به شمار می اید. امروزه متالورژی به دلیل وسعت دامنه زیاد در علوم مختلف به عنوان مادر رشته های گوناگون شناخته شده است.و به به طور گسترده در اکثر صنایع مورد اسنفاده قرار میگیرد.در کشور ما هم ین رشته پیشرفت های زیادی داشته است و امروزه ای رشته در تمامی مقاطع هنر جو و دانشجو تربیت می کند. فارغ التحصیلان این رشته می توانند در صنایع دفاعی -هوا وفضا-کارخانجات فولاد -ذوب اهن -ریختگری -خودروسازی -مهندسی پزشکی (بیومتریال )و....مشغول به کار و فعالیت شوند.

مهندسی مواد شامل گرایش های مختلفی میباشد که عبارتند از:

1:متالورژی صنعتی (ریختگری)

2:متالورژی استخراجی(استخراج فلزات)

3:بیو مواد

4:سرامیک

5:شناسایی وانتخاب مواد مهندسی

6:خوردگی و حفاظت مواد

7:جوشکاری

8:شکل دادن فلزات