علمی (مهندسی مواد)

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.