شناخت جامع علم ریخته گری و شکل دادن فلزات

توضیحات

شناخت جامع علم ریخته گری و شکل دادن فلزاتتعريف ريخته گري ريخته گري يكي از روشهاي شكل دادن قطعات فلزي است كه شامل تهيه مذاب از فلز مرد نظر و ريختن آن در محفظه اي بنام قالب است، به گونه اي كه پس از انجماد مذاب، شكل، اندازه و خواص مورد نظر تامين شود. بنابراين با توجه به اين تعريف يك فرآيند ريخته گري را بايد مجموعه اي از عمليات ذوب، تهيه قالب و ريختن مذاب دانست بطور كلي مراحل ريخته گري يك قطعه قلزي به طور ساده در ذيل نشان داده شده است. تاريخچه ريخته گري: براساس تحقيقات باستان شناسان، ريخته گري فلزات، يك تكنولوژي ماقبل تاريخ بوده و قدمتي شش هزار ساله دارد. اولين اشياي ساخته شده از فلزات بصورت قطعات كوچك چكش كاري شده از مس هستند كه قدمت آنها به هزار سال قبل از ميلاد مسيح مي رسد. از نقطه نظر تاريخي، ريخته گري را مي توان به چند دوره تقسيم نمود كه در اينجا بشرح آنها به اختصار مي پردازيم. دوره برنز ( مس و مفرغ) اين دوره در خاور نزديك و در حدود 3000 سال قبل از ميلاد مسيح آغاز شده اولين اشياي برنزي كشف شده بصورت آلياژي از مس و آرسنيك ( حدود 4 درصد) بوده است. موضوع مهم در اين دوره، پي بردن به تأثير قلع بر خواص مس است كه باعث افزايش استحكام و سختي آن مي شود. اين موضوع هنوز در پرده اي از ابهام است. زيرا نه سنگ معدن مس حاوي قلع بوده و نه اينكه معدن مس و قلع نزديك هم قرار دارد كه آلياژ شدن آنها بطور اتفاقي امكان پذير باشد. در ارتباط با چگونگي پيدايش ريخته گري، ميتوان اينگونه تحليل كرد كه با توجه به اينكه پتك كاري قبل از ريخته گري مورد استفاده بشر قرار گرفته است، ممكن است در هنگام تپك كاري عمل ذوب بطور اتفاقي صورت گرفته باشد كه با مشاهده اين امر موارد ذيل در ذهن بشر القا شده است: -مذاب بايد در محفظه اي ريخته شود تا شكل پيدا كند. - براي تهيه مذاب بايد كوره هاي تپك كاري بگونه اي تغيير يابد كه همواره تهيه مذاب در آن امكان پذير باشد. - براي تهيه مذاب و نگه داري آن بايد ظرفي نسوز تهيه كرد ( بوته) با توجه با اينكه بشر قبلاً به نسوز بودن بعضي از خاكها پي برده و نيز به دليل آشنايي با حرفه سفالگري، به نحوه شكل دادن خاك نيز دست يافته بود، لذا به نيازهاي اول و سوم او پاسخ داده شد. نياز دوم يعني ساخت كوره هاي ذوب نيز احتمالاً با سنگ چين و گل اندود نمودن و قرار دادن محلي براي عبور هوا برآورده شد. از مسائل مهم در اين ارتباط موضوع و مش بود كه اين امر به تبديل سيستم دم از حالت فوت كردن به استفاده از كسيه دم و سپس به موتورهاي تنظيم هوا و فشار مناسب كه امروزه كاربرد فراواني دارد منتهي شد. بطور كلي در دوران مفرغ، ساخت قطعاتي نظير تبر، نيزه، كارد، سپر، ظروف و شيشه و نيز ساخت آلياژ هايي از عناصري نظير قلع ( تا 18 درصد) و سرب ( تا 11 درصد) و آرستيك و روي معممل بوده است. دوره آهن: براساس كاوش باستان شناسان در چين قطعاتي چون مربوط به 600 سال قبل از ميلاد مسيح بدست آمده است اما پيدايش آهن به عنوان يك دوره به دو هزار سال قبل از ميلاد مسيح مي رسد. نام آهن در زبان پهلوي به عنوان آليسن در زبان آلماني آيزن و در انگليسي آيرن ناميده مي شود و احتمالاً در هنگام ذوب مس به آن پي بردند. در هر حال در حدود 1200- 1000 سال قبل از ميلاد آهن تقريباً ماده اصلي اغلب سلولها و ابزارها را تشكيل مي داد. با توجه به نقطه ذوب بالا ( 1539 بديهي است كه ذوب مستقيم آهن تا قرن نوزدهم ميلادي امكانپذير نبود ولي در اواسط دوره آهن بر اثر افزايش كربن و پائين آمدن نقطه ذوب ( در چدنها) قطعات ريخته گري نيز بوجود آمد. نكته مهم ديگر كشف عمليات حرارتي بر روي آهن بود كه از اهميت خاصي برخوردار است. در مصر شمشيري و تبري با پوشش خاك نسوز بدست آمده كه لبه آن حاوي 9 .0 درصد كربن و قسمتهاي مياني آن تقريباص فاقد كربن است. در اين اشياء سختي در قسمت مياني معادل 70 BHN و در قسمت لبه معادل 440 BHN مي باشد البه در اين دوره جديدي در آلياژ هاي مس نيز بوجود آمده و آلياژ هاي مختلفي از مس و قلع ساخته شد. از آلياژهاي ديگر ساخته شده در اواخر اين دوره آلياژ برنج ( مس و روي) و نيز بنجهاي قلع دار است. پيدايش روشهاي جديد ريخته گري و قالبگيري را نيز بايد از ديگر تحولات دوره آهن دانست در اين دوره شواهدي وجود دارد كه از قالبهاي سراميكي نيز استفاده بعمل آمده است. از عجايب اين دوره ساخت مجسمه روديس است كه در سال 290 قبل از ميلاد ساخته شد و جزء عجايب هفتگانه محسوب مي شود. اين مجسمه 32 متري كه از قطعات مختلف برنز ريختگي ساخته شده و وزني حدود 390 تن داشت، طي زمين لرزه اي در درياي مدينترانه غرق شد. دوره تاريك صنعتي: در سده هاي سوم و چهارم بعد از ميلاد تا قرن چهاردهم ميلادي يك دوره ركود در صنايع و از جمله ريخته گري بوجود آمد. البته، با توجه به حاكميت كليسا و تزئينات آن نظير ناقوس و شمعداني روشهاي جديدي در ريخته گري ابداع شد. ( قالب گري با فرمان) دوره رنسانس صنعتي: اين دوره از سال 1500 ميلادي تا 1700 ميلادي بطول انجاميد. در اين دوره صنعت توپ ريزي بنا نهاده شد. ابتدا لوله هيا توپ از برنز و سپس از چدن ساخته شد. در اين دوره علاوه بر تكامل كوره ها و سيستمهاي دمشي، از نظر مواد اوليه بايد آغاز استفاده از ماسه و روش قالبگيري در ماسه محسوب كرد. ظهور چدن و فولاد به عنوان مواد اوليه در ساخت قطعات و لوازم دفاعي و خانگي و همچنين استفاده از آلياژ هاي متفاوت مس نظير برنز و برنج و عناصر ديگر و استفاده از طلا در ساخت زينت آلات و قطعات تزئيني از مظاهر ديگر اين دوره است. در اين دوره متالوژي بعنوان يك علم مستقل، پيشرفت كرد و نظريه ساختاري بطوري فلزات و ساير مواد توسط هارلكويكر ( Harsoeker) فرانسوي اعلام شد. قرن هفدهم قرن دستيابي به ابزاري جديد بنام ميكروسكوپ بود كه تحولي جدي در علم متالوژي ايجاد كرد. دوره انقلاب صنعتي: يكي از تعاريف انقلاب صنعتي اينست كه حداقل 50 درصد توليد هر ماه از خانه يا كارگاههاي كوچك به كارخانه منتقل شد. انگلستان سال 1750 را آغاز انقلاب صنعتي مي داند و علت آن را استفاد از كك بجاي زغال چوب بيان مي كنند. اولين كوره همراه با سوخت كك در سال 1709 ميلادي آغاز بكار كرد. ابراهام دارابي درسال 1777 اولين كوره بلند خود را براي ذوب و احياي سنگ معدن آهن بكار انداخت. علاوه بر نوع كوره، روش و استفاده از دهنده هاي بهتر ( استفاده از دمنده هايي كه با موتور بخار كار مي كردند)، اطلاعات كافي از وجود واكنش هاي گرما زا ميان هوا و سوخت رابايد از عوامل اصلي ديگر در تحول و تكامل ريخته گري محسوب كرد. روشهاي توليد قطعات: در تهيه قطعات صنعتي هر چند ريخته گري بدليل ويژگي هاي آن از نقطه نظر تكنولوژي و جنبه‌هاي اقتصادي به عنوان يك روش مهم و اساسي مطرح است، با اين وجود براي بدست آوردن شناختي واقعي و همه جانبه، لازمست تا ويژگيهايي اين روش در كنار ساير روشهاي موجود در توليد قطعات مورد بررسي و انديابي قرار گيرد. بطور كلي روشهاي اصلي شكل دادن فلزات را علاوه بر ريخته گري به چهار گروه عمليات مكانيكي، اتصالي، ماشينكاري و متالوژي پودر تقسيم مي نمايند. عمليات مكانيكي با روش مكانيكي شكل دادن ، Mechanical procen در اين عمليات مواد جامد فلزي موسوم به شمش تحت روشهايي نظير چكش كاري يا تپك كاري، نورد و اكستروژن ( فشار كاري) شكل داده مي شود. در حقيقت در اين روش ها يك قطعه فلزي تحت تأثير ضربه يا نيروي اعمالي تغيير شكل پلاستيك مي دهد. اين شكل دادن با توجه به جنس فلز و شرايط كاربردي آن ممكن است به صورت سرد يا گرم انجام شود. هر گاه كار مكانيكي در درجه حرارتهاي پانيمتر از 3/1 نقطه ذوب بر حسب درجه كلوين انجام شود به آن كار سرد گويند، در حاليكه انجام كار مكانيكي در درجه حرارتهاي بالاتر از حد ذكر شده، كارگر ناميده مي شود. همانطور كه قبلاً نيز ذكر شده مهمترين روشهاي مكانيكي شكل دادن شامل: 1) آهنگري، يا تپك كاري (Forging) 2) نورد Rolling 3) اكستروژن Extrusion اكستروژن در هر حال، نقطه شروع در توليد يك قطعه از طريق هر يك از روشهاي ذكر شده تهيه ماده اوليه يعني شمش فلز مورد نظر از طريق ريخته گري است. قابل ذكر است كه اين روش تها به فلزاتي اختصاص دارد كه داراي قابليت شكل پذيري باشند. بعنوان مثال بسياري از موارد صنعتي و بخصوص چدنها كه قسمت اعظم مواد اوليه و آلياژ هاي صنعتي را تأمين مي كنند. از طريق مكانيكي امكان شكل پذيري ندارند ( بخشي از انواع آن) محصولات نهايي توليد شده در اين روشها، شكلهاي اوليه يا نيمه تمام استاندارد شده از قبيل ورق، صفحه، مفتول، سيم، پروفيل و لوله و … است. محدوديت ها و مزايا: - روشهاي نورد و اكستروژن فقط براي مقاطع يكنواخت و ساده باطري زياد استفاده مي شود. - روش آهنگري از نظر سطوح و سوراخهاي داخلي محدوديت دارد - هزينه تجهيزات بالاست. خواص مكانيكي در قطعات توليدي به روشهاي مكانيكي بالاتر از قطعات ريخته گري شده است. 2) روشهاي اتصالي در اين روش قطعات بزرگ از بهم متصل كردن قطعات كوچكتر ساخته مي شود. كه شامل عمليات جوشكاري، لحيم كاري، پيچ و مهره و پرچ كردن مي باشد. 2-1) عمليات جوشكاري Welding procem اين روش عبارتست از تهيه قطعات صنعتي از طريق جوش دادن اجزاي كوچكتري كه توسط روش هاي ديگر ساخته شده اند. هر چند كه جوشكاري فلزات را از نظر تكامل و وسعت عمل نمي توان با روش ريخته گري مقايسه كرد ولي با اين وجود در بسياري جهات شباهتهايي ميان آنها وجود دارد. بطور كلي اساس توليد قطعات در انواع روشهاي جوشكاري، ايجاد منطقه ذوب در ميان دو قعطعه اي است كه بايد بهم متصل شوند وشرط اصلي اتصال اتمي و مولكولي آن دو قطعه به يكديگر است. امروزه روشهاي متنوعي از جوشكاري وجود دارد كه جوشكاري قوسي، اكس استيلن، نفوذي و جوشكاري، گاز آرگون از آن جمله است.