ارائه مطالب علمي، تخصصي و عمومي در مورد فولاد

ريخته‌ گري قالب پوسته‌اي (Shell Mold Casting)

ريخته‌ گري قالب پوسته‌اي يكي از معروف‌ترين و رايج‌ترين روش‌هاي ريخته‌ گري با روش‌هاي داراي قالب تك بار است كه دقت ابعادي بسيار بالايي دارد. اين روش هم براي فلزات آهني و هم فلزات غير آهني استفاده مي‌شود؛

اما استفاده از آن براي چدن‌ها، آلومينيوم، مس، فولادهاي ضدزنگ و انواع آلياژهاي آهني رايج‌تر است.

در اين روش، براي ريخته‌ گري از يك قالب با پوسته نازك (حدود۱۰ ميلي‌متر) از جنس ماسه استفاده مي‌شود كه اين ماسه‌ها با استفاده از چسبي از جنس رزين ترموپلاستيك(نظير فنل فرمالدهيد) كنار هم ديگر قرار داده مي‌شوند و همان‌طور كه ممكن است حدس زده باشيد، اين روش به روش قالب ماسه‌اي در ريخته‌ گري شبيه است از اين جهت كه هر دو اين روش، از نوع ريخته‌ گري با قالب تك بار (يك بار مصرف) هستند.

سابقه استفاده از اين روش براي ريخته‌ گري به حدود سال ۱۹۴۰ ميلادي در كشور آلمان مي‌رسد.
 
 
روش انجام ريخته‌ گري قالب پوسته‌اي 

مرحله اول

ابتدا الگويي فلزي گرم شده روي محفظه‌اي كه ماسه و رزين در آن هستند، قرار داده مي‌شود؛ لازم به تذكر است كه الگو معمولاً از چدن ساخته مي‌شود.
 

مرحله دوم

در اين مرحله، با برعكس كردن سيستم، ماسه‌ها به روي الگوي گرم شده (در محدوده دمايي ۲۳۰ تا ۳۱۵ درجه سانتي‌گراد) ريخته مي‌شوند و لايه‌اي از ماسه بر روي الگو تشكيل مي‌شود.

درواقع، در اين مرحله با گرم شدن مخلوط رزين و ماسه، رزين موجود در آن ذوب شده و اطراف ذرات ماسه را مي‌گيرد و باعث چسبيدن ذرات ماسه به همديگر مي‌شود.
 
 

مرحله سوم

الگو دوباره به حالت ابتدايي بازگردانده مي‌شود تا ماسه‌هاي اضافه از آن خارج شوند، معمولاً پس از اين مرحله ضخامت ماسه‌ها در حدود ۱۰ تا ۲۰ ميلي‌متر است؛

اما در حالت كلي اين ضخامت تابعي از دما و زمان نگهداري الگو در اين حالت است.
 

 
مرحله چهارم

حال در اين مرحله، الگو در هيتر برده مي‌شود تا ماسه‌ها به خوبي مستحكم بشوند، در اصل اين مرحله براي عمل آمدن (عملكرد كامل و درست) رزين انجام مي‌شود (استحكام مكانيكي پوسته سخت سازي شده در حدود ۳۵۰ تا ۴۵۰پوند بر اينچ مربع (psi) است كه بر اساس واحد متريك معادل است با محدوده ۲٫۴ تا ۳٫۱ مگا پاسكال).
 
 

مرحله پنجم

حال ماسه‌ها با استفاده از پين‌هاي جداساز (Ejector Pins) از الگوي اوليه خود جدا مي‌شوند.
 
 
مرحله ششم

اكنون اين الگوهاي ماسه‌اي به‌عنوان الگوي اصلي براي قالب ريخته‌ گري هستند كه در يك فلاسك فلزي (قالب ريخته‌ گري ) گذاشته و بر روي قطعاتي فلزي سوار مي‌شوند و پس از آن كه محكم كاري قالب به خوبي انجام و الگوي ماسه‌اي با گيره‌ها مهار شد، مذاب ريخته مي‌شود.

مرحله هفتم

سردسازي: در اين مرحله مذاب به اندازه كافي سرد شده و انجماد انجام مي‌شود و شكل قطعه نهايي به دست مي‌آيد.

مرحله پاياني

پس از سردسازي قالب موردنظر شكسته مي‌شود تا قطعه نهايي از آن خارج شود.
 

كوره قوس الكتريكي

كوره قوس الكتريكي ابزاري پركاربرد در ذوب قطعات آهني و غيرآهني محسوب مي شود كه با ويژگي هايي چون ايجاد حرارت بسيار زياد و نرخ توليد بالا در صنايع ذوب ايران و جهان شناخته شده مي باشد. كوره‌ قوس الكتريكي كه به اختصار EAF نيز ناميده مي شود داراي يك حمام مذاب بوده و در قسمت بالاي آن الكترودهاي كربني تعبيه شده است.

اين الكترودها با شارژ كوره به سمت پايين حركت كرده و جريان الكتريكي توسط ترنسفورمرها برقرار مي شود، ترنسفورمر وسيله اي است كه انرژي الكتريكي را بين دو يا چند سيم پيچ و از طريق القاي الكترومغناطيس انتقال مي دهد.

دو ماده قراضه و آهن اسفنجي در كوره قوس الكتريكي نقش اصلي را ايفا مي كنند و عدم انتخاب صحيح قراضه در عمليات ذوب مي تواند موجب شكسته شدن الكترودها يا سر ريز شدن فولاد مذاب بگردد.علاوه بر قراضه موادي چون فروآلياژ، فرو كربن و روان ساز نيز به كوره اضافه مي شوند كه هر يك تاثيري خاص در اين فرآيند خواهند داشت. فروآلياژها شامل آلياژهاي مختلفي از آهن هستند و با هدف دستيابي به تركيب شيميايي مشخص در فولاد اضافه مي شوند.
فروكربن ها اكسيژن زداي بسيار قوي محسوب شده و در كوره قوسِ مستقيم كاربرد دارند، در ادامه به معرفي كوره قوس الكتريكي مستقيم خواهيم پرداخت.
 
ساخت كوره قوس الكتريكي

ساخت كوره‌ هاي قوس الكتريكي در سال ۱۸۷۸ به دست هرولت انجام گرفت. ابداع اين روش مبتني بر اين بود كه مي‌توان براي ذوب فلزات از قوسي كه بين دو الكترود افقي ايجاد مي شود، استفاده كرد. البته بهتر است بدانيد طرح ايجاد قوس الكتريكي توسط زيمنس ارائه شد اما هرولت آن را عملي كرد.
در مدل ابداعي هرولت كوره از برق سه فاز استفاده مي‌كرد، در هر فاز جريان از يك الكترود عبور كرده و پس از ورود به حمام مذاب به الكترود ديگر انتقال پيدا مي كرد در نتيجه حرارت حاصل به وسيله حمام گرفته شده و به دنبال آن فرسايش مواد نسوز به حداقل خود مي‌رسيد.
 

 

انواع كوره هاي قوس الكتريكي

كوره قوس از لحاظ عبور جريان الكتريكي به دو نوع مستقيم و غير مستقيم تقسيم مي گردد.

كوره قوس الكتريكي مستقيم: اين كوره در سه نوع تك الكترود، دو الكترود و سه الكترود توليد ميشود كه نوع سه الكترود جهت ذوب فولاد در تناژ بالا كاربرد دارد.در اين مدل كوره، قوس الكتريكي بين الكترود و شارژ برقرار مي شود و با حرارت توليد شده ذوب صورت مي گيرد، دماي كوره هاي قوس الكتريكي تا ۴۰۰۰ درجه سانتي گراد نيز در دسترس بوده و داراي بيشترين كاربرد در ساخت فولاد مي باشد.

كوره قوس الكتريكي غير مستقيم: قوس الكتريكي بين دو الكترود كه در بالاي شارژ داخل كوره تعبيه شده اتفاق مي افتد و عمل ذوب از طريق حرارتي كه به شارژ انتقال يافته صورت مي گيرد.روش غير مستقيم براي ذوب فلزات غير آهني يا ذوب فلز چدن كاربرد دارد.

 
نحوه عملكرد كوره قوس الكتريكي

آنچه كه در فرآيند ذوب با اين كوره ها اهميت دارد، داشتن حوضچه مذاب از آهن و شارژ آهن اسفنجي است. حرارت زياد و در نتيجه ذوب شدن مواد در كوره حاصل عبور جريان برق از الكترودهايي است كه بر بالاي جريان مذاب و يا در داخل آن قرار دارند.در هر كوره سه الكترود از سقف عبور كرده و هر يك به فاز جريان برق متصل مي باشند. در ادامه با حركت نوساني الكترودها طول قوس ايجاد شده تغيير يافته و ضروري است حرارت لازم براي ذوب تنظيم بگردد. در آخر با رسيدن به درجه حرارت ۱۵۵۰، ايجاد جرقه و ذوب قراضه ها، شارژ آهن اسفنجي به كوره آغاز شده و ولتاژ تا رسيدن به ميزان مطلوب كاهش پيدا مي كند.

كاربرد كوره EAF

كوره هاي EAF به دليل بازدهي بالا در تبديل انرژي الكتريكي به حرارتي كاربرد بسيار گسترده اي را دارا مي باشند و در حال حاضر ۳۰ درصد فولادهاي جهان با اين كوره ها توليد مي گردند.البته لازم به ذكر است كه عوامل ديگري نظير مجهز شدن كوره ها به مشعل هاي اكسيژن-سوخت، كنترل اتوماتيك ذوب و پالايش و… در استفاده از كوره هاي قوس الكتريكي در دهه هاي اخير تاثيرگذار بوده است.از جمله مواردي كه با كوره قوس الكتريكي توليد مي شوند شامل ناوداني، ميله، تسمه، ميلگرد آجدار، طيف وسيعي از گريدهاي فولاد، گريدهاي ميله مورد استفاده در صنعت خودرو و… مي باشد.

متالورژي پودر چيست؟

از قديمي‌ترين روش‌هاي شكل دادن فلزات، متالورژي پودر مي‌باشد، اما توليد در مقياس تجارتي با اين روش، از جديدترين راه‌هاي توليد قطعات فلزي است. در دوران باستان از روش‌هاي متالورژي پودر براي شكل دادن فلزاتي با نقطه ذوب بالاتر از آنچه در آن زمان مي‌توانستند به وجود آورند، استفاده مي‌كردند.اولين بار در اوايل قرن نوزدهم بود كه پودر فلزات با روشي مشابه آنچه امروزه به كار مي‌رود، با متراكم نمودن به صورت يكپارچه درآورده شد. اين روش جاي خود را در صنعت پيدا كرده و توجه زيادي را به خود جلب كرده‌است.

متالورژي پودر (Powder metallurgy) روشي براي توليد فلزات با استفاده از پودر فلز است و از طريق فشرده‌سازي توليد مي‌شود. پودر فلز قالب‌گيري مي‌شود و تحت اعمال فشار قرار مي‌گيرد. اين روش به طور گسترده‌اي استفاده مي‌شود. به كمك متالورژي پودر يا متالورژي گرد مي‌توان با استفاده از ضايعات، قطعات مورد نياز را توليد كرد.

 
متالورژي پودر
 
فرآيند متالورژي پودرفرايند قالب‌گيري قطعات فلزي از پودر فلز (يامخلوط پودر فلزات) توسط اعمال فشارهاي بالا و سپس تف جوشي (زينترينگ) مي‌باشد. در اين فرآيند براي دستيابي به شكل قطعه بعد از فشردن و شكل‌دهي به پودرهاي فلزي، فرآيند تف جوشي در دماي بالا داخل كوره‌اي با اتمسفر كنترل شده انجام مي‌شود.
مراحل متالورژي پودرتهيه‌ي فلز با اين روش، در چهار مرحله انجام مي‌شود. در ادامه مراحل به تفكيك توضيح داده شده‌است.
تهيه پودرمخلوط كردنفشردنتف جوشيپودر فلز به سه روش مكانيكي، شيميايي و فيزيكي توليد مي‌شود. روش افشاندن مذاب (اتمايزينگ) مهم‌ترين و پركاربردترين روش براي تهيه پودر فلزي مي‌باشد و زيرمجموعه‌ي روش مكانيكي است. در اين روش فلز مذاب توسط گاز يا مايعي كه از يك افشانك خارج مي‌گردد، اتميزه مي‌شود. پودر حاصله پس از جمع‌آوري و مش‌بندي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
مخلوط كردنپودر خالص معمولا تمام ويژگي‌هاي خوب را باهم ندارد، به همين دليل استفاده از موادي به عنوان روان ساز همراه با مخلوطي از پودرهاي مختلف، امري رايج است. يكنواختي مخلوط در كيفيت محصول توليد شده تاثير به‌سزايي دارد.
فشردناز مهمترين مراحل در متالورژي پودر رسيدن به شكل مورد نظر مي‌باشد كه با فشار يا پرس كردن پودر توسط جك‌هاي قالب پرس كه فشار لازم را از دو طرف به مواد پودري وارد مي‌آورند و بالا بردن چگالي آن امكان پذير مي‌باشد. چگالي بالا و يكنواخت ويژگي مطلوبي است كه توسط پرس‌هاي هيدروليكي-مكانيكي يا تركيبي از آنها، با فشردن سراسري قطعه به دست مي‌آيد.
به واسطه تمايل بسيار زياد ذرات پودر به سايش و وجود فشار معمولاً قالب‌هاي مورد استفاده در اين فرايند از جنس فولاد ابزار سخت ساخته مي‌شوند. براي پودرهايي كه سايش بيش از حد ايجاد مي‌كنند يا در موارد توليد انبوه از كاربيدهاي سمانيت جهت ساخت قالب استفاده مي‌گردد.
تف جوشيمرحله‌ي تف جوشي يا زينترينگ (sintering) براي اين است كه قطعه خام شكل گرفته حاصل از فشرده شدن قادر باشد تنش‌هاي كاري را تحمل كند. لازم است كه پيوندي قوي بين ذرات آن ايجاد شود. تف جوشي فرايندي است كه اين پيوند را برقرار مي‌كند. در عمل تف جوشي قطعه فشرده شده در دمايي بالا و با جو كنترل شده قرار مي‌گيرد.
در اين حالت مواد زودگداز ذوب شده و در حفرات خالي مواد ديرگداز رخنه مي‌كند. به جز مواردي مانند ساختن رشته‌هاي مقاوم تنگستني كه منحصرا از روش متالورژي پودر استفاده مي‌شود، در باقي موارد تنها زماني از روش متالورژي پودر استفاده مي‌شود كه بهره بردن از روش‌هاي ديگر غيرممكن باشد.
از جمله قطعاتي كه به وسيله متالورژي پودر توليد مي‌شوند، مي‌توان به ابزار برش، قطعات اتومبيل و قطعاتي در وسايل خانگي نظير ماشين لباسشويي، كمپرسور يخچال و كولر، تلويزيون، ضبط صوت و غيره اشاره نمود.

كاربرد روش متالورژي پودر

متالورژي پودر يك روش متفاوتي است و امروزه به طور گسترده‌اي استفاده مي‌شود. موارد استعمال اصلي متالورژي پودر را مي‌توان به پنج قسمت تقسيم كرد:
آلياژ كردن فلزهاي غيرقابل آلياژ، مثلا ساخت نقاط اتصال و جاروبك‌هاي موتور از پودرهاي مس و گرافيك در صنعت تركيب كردن فلزها و غير فلزها، نظير مواد اصطكاكي ساخته شده از مس، آهن و آزبست، تركيب كردن فلزهاي داراي نقطه ذوب بالا با يكديگر براي ريخته گري، نظير تنگستن، تانتاليم و موليبدن، ساخت قطعات فلزي با خواص عالي، نظير ياتاقان‌هاي خودرو انكار كه به علت وجود شبكه‌اي از خلل و فورج پيوسته (توسط روغن پرشده درآنها) به خودي خود روغن كاري مي‌شوند.توليد قطعات ظريف و دقيق، نظير بوشن‌ها، بادامك‌ها و چرخ دنده‌هامزاياي روش متالورژي پودراين روش مزيت‌هاي چشمگيري دارد و به همين دليل استفاده از آن افزايش يافته‌است، به طوري كه پودر فلز سالانه بيشتر از يك ميليون تن توليد مي‌شود. چند مورد از مزاياي اين روش عبارتند از:
مقرون به صرفه ضايعات كم، سازگاري با محيط زيست، توليد قطعات با اشكال مختلف، بهره‌وري انرژي، كاهش ماشين كاري به علت دقت بالا در كنترل ابعادي