هیدرولیز چسب سیلیکات اتیل جهت ساخت قالب سرامیکی جهت ریخته گری فرآیند shaw

سیلیکات اتیل به تنهایی خواص چسبندگی ندارد، بلکه با ترکیب با آب و انجام واکنش هیدرولیز است که خاصیت چسبندگی پیدا می کند.

واکنش هیدرولیز در الکل اتیلیک و در حضور کاتالیست انجام می‌شود. این واکنش نسبتاً سریع و شدیدا گرمازا بوده و پیشرفت واکنش را با اندازه گیری دما می توان اندازه گیری کرد. محصول واکنش، اسیدهای پیچیده سیلیسیک است که می توانند به ژل های کوهرنت متراکم شده ای که خواص چسبندگی خوبی دارند تبدیل شوند. چسب پیش هیدرولیز شده ای که بدین ترتیب بدست می آید دارای قابلیت منحصر به فردی برای ایجاد اتصال چسبنده با ذرات نسوز به هنگام ژل شدن یا رسوب از محلول دارد. واکنش زیر هیدرولیز کامل تترا اتیل اُرتوسیلیکات را نشان می دهد.

(تترا اتیل اُرتوسیلیکات) Si(OC2H5) + 2H2O <-------کاتالیست---  SiO2 + 4C2H5OH(اتیل الکل)

این واکنش به میزان آب اضافه شده، مقدار و نوع اسید، درصد سیلیس چسب (که این نیز به نوبه خود به میزان حلال آلی اضافه شده بستگی دارد) وابسته است.

مثال کاربردی در زمینه هیدرولیز چسب سیلیکات اتیل مورد استفاده در فرآیند شاو

ترکیب 479 گرم اتیل سیلیکات مونومر و 123 گرم اتانول بی آب و 36.3 میلی گرم HCl (بر اساس 1.3 میلی اکویولنت[1] از نسبت HCl/l در محلول نهایی) و 77 گرم آب که به تدریج در مدت 12 دقیقه در دمای 25 درجه اضافه می گردد. دما توسط خنک کننده خارجی کاهش می یابد. نرخ افزودن آب باید به گونه ای باشد که محلول شفاف بماند و از رسوب سیلیکا جلوگیری شود. وقتی تمام آب اضافه شد یک شب در دمای اتاق می ماند تا کامل هیدرولیز شود. در این حالت 92.8 درصد از اتیل سیلیکات هیدرولیز می شود. این آزمایش با اتیل سیلیکات 40 نیز امتحان شد. مقدار آب مورد استفاده برای بدست آوردن همان مقدار هیدرولیز اندازه گیری شد. نتایج مشابه بدست آمد.

 

 

---

[1] - milliequivalents

 

منابع برای مطالعه بیشتر جهت آشنایی با فرآیند shaw process فرآیندهای دیگر ریخته گری

مبابع زیادی در این زمینه موجود نمی باشد و منابع مختلف تلویحا در مورد روند کار و شرح مختصری از فرآیند ریخته گری شاو را بیان کرده انده که در ادامه مطالب به آنها اشاره می شود...

ادامه نوشته

آلیاژهایی که می توان در فرآیند ریخته گری قالب گیری سرامیکی shaw process استفاده نمود

تقریبا همه آلیاژهای موجود آهنی و غیر آهنی را می توان با این روش ریخته گری نمود. اما جدول آن در ادامه آورده شده است...

ادامه نوشته

کاربردهای ریخته گری دقیق فلزات به روش قالب گیری سرامیکی Shaw Process

ریخته گری قطعات با مقاطع باریک از جنس های خاص به روش های سنتی دارای پیچیدگی هایی همچون عدم سیالیت مذاب و پرنشدن بخش هایی از قالب است. به علت نوع مواد مورد استفاده در پمپ ها ممکن است جنس پمپ های سانتریفیوژ از جنس های خاص فولاد، استیل زنگ نزن و سوپر آلیاژها ساخته شود. در واحدهای پتروشیمی به علت نوع مواد مورد استفاده در پمپ ها، قطعات یدکی مورد نیاز به صورت سفارشی و تعداد محدود مورد درخواست واحدهای تعمیر و نگهداری این صنایع می باشد که نیاز به پروسه ریخته گری مناسب می باشد. به خصوص در مورد تعمیرات پمپ های سانتریفیوژ، روش های ریخته گری دقیق که با موم یا پرینت انجام می شوند، هزینه بیشتر و زمان بیشتری نیاز دارد. با روش ریخته گری shaw process و قالب سرامیکی تولید شده به این روش می توان قطعات با دقت ابعادی بالا تولید نمود. ماهیچه تولید شده به این روش برای ایمپلرهای بسته بسیار راحت و با مدل های ارزان قیمت ساخته می شوند. قطعات پرکاربرد مورد استفاده به این روش ایمپلرها بخصوص ایمپلرهای بسته و دیفیوزرها می باشند.

از دیگر کاربردها برای ساخت فولاد ابزار قالب می باشد. با این روش به راحتی می توان از یک مدل ارزان قیمت قالب سرامیکی با تحمل دمایی بالا جهت ریخته گری فولاد ابزار سازی ساخت.

در صنایع دیگر از جمله کشاورزی، معدن، هوافضا و سایر صنایع نیز می توان از روش قالب گیری سرامیکی و فرآیند شاو، استفاده نمود.

برخی از کاربردهای معمول روش ریخته گری دقیق shaw شامل موارد زیر است:

• ساخت قطعات هواپیما و هوافضا با کلاس 1A
• در صنعت پمپ برای ساخت پروانه های بسته از جنس چدن، فولاد ریخته گری، ضد زنگ و آلیاژهای مانند مونل و Hastelloy به ویژه در صنعت پتروشیمی
• ساخت قطعات ماشین آلات برای صنایع  با تیراژ تولید 10 تا 100
• قالب های دقیق برای اجزای پلاستیکی، دکمه ها، درب بطری، دستگیره های درب، لامپ های الکتریکی، صفحات حرارتی مورد استفاده در صنعت فراوری شکر، تجهیزات صنعت قالب گیری لاستیکی و تولید آلومینیوم را به روش shaw process می توان تولید نمود.
• پروانه ها و قطعات دریایی

فرآیند قالب گیری سرامیکی جهت ریخته گری فلزات

 

قالب گیری سرامیکی یکی از روش های قالب گیری است که ضمن داشتن نفوذ پذیری مناسب از کیفیت سطح بالایی همانند قالب های گچی برخوردار است. در این فرآیند با به کارگیری مدل های دائمی و دوغابی از دانه های ظریف زیرکن و مولایت کلسینه شد یا ترکیبی از آنها قالب گیری صورت می گیرد. اگرچه سیلیس گداخته[1]،  منیزیا (اکسید منیزیم) و دیگر پودرهای نسوز نیز مورد استفاده قرار می گیرند. 

دوغاب ریخته شده روی مدل نهایی بر اثر نیروی ثقل تمامی اجزای قالب را پر می کند. با این حال، زمانی که جزئیات مدل، حساس و مهم است، مدل و دوغاب در یک محفظه خلاء قرار داده می شود تا حباب های هوای گیر افتاده تحت خلاء به راحتی از قالب خارج شوند.

برای تسهیل جداسازی مدل از دوغاب، سطح مدل قبل از استفاده، چرب و یا با مخلوطی از موم-سیلیکون پوشیده می شود. پس از ریختن دوغاب در فضای خالی بین نسوز پشتیبان و مدل، ژل سازی شیمیایی در عرض چند دقیقه کامل می گردد و سرامیکی تر با قوامی شبیه به لاستیک به وجود می آید و در این لحظه مدل از قالب جدا می شمود. قوام دوغاب لاستیکی شده بسیار مهم است، چرا که سبب تسهیل در جداسازی قالب از مدل می شود به طوری که حتی مدل های فاقد شیب و دارای سطوح پیچیده نیز در این حالت به راحتی از درون قالب ژله ای خارج ای گردند. گاهی خارج سازی مدل به صورت مکانیکی انجام می شود تا اطمینان حاصل شود که خروج مدل به قالب آسیب نمی رساند. لازم به توضیح است که با وجود تغییر فرم ایجاد شده در قالب در عمل جداسازی مدل سبب انبساط یا انقباض قالب نمی شود و قالب سرامیکی تر به دلیل داشتن خاصیت ژله ای پس از خروج از مدل به شکل اولیه خود برمی گردد. پس از جداسازی قالب برای آتش زنی و پخت آماده است.(2)

---

[1] - Fused silica

(2) - فرآیندهای پیشرفته ریخته گری، رحمت اله عمادی - مهدی حاجی هاشمی، دانشگاه صنعتی اصفهان، 1394

نوع بایندر و چسب مورد استفاده در روش قالب گیری سرامیکی shaw

اتیل سیلیکات در تولید قالب سرامیکی ریخته گری دقیق مورد استفاده قرار می گیرد. چسب اتیل سیلیکات به دو صورت در دسترس می باشند:

1-     چسب های فرموله شده و پیش هیدرولیز شده که شرکت ها آنها را به صورت ماده اولیه به فروش می رسانند.

2-     چسب هایی که در شرکت های ریخته گری دقیق تهیه و تولید شده و در نهایت به مصرف می رسد.

اتیل سیلیکات یک بایندر پایه سیلیس است که فاقد نمک های قلیایی است که دیر گدازی مواد قالب را کاهش می دهد. این ماده از واکنش تتراکلرید سیلیسیوم با اتیل الکل بدست می آید که اسید هیدروکلریک برای کنترل ژل شدن باید حذف شود.

SiCl4 + 4C2H5OH -----> Si(OC2H5)4 + 4HCL

اگر اتانول صنعتی که همیشه حاوی مقداری آب است به جای الکل اتانول خالص استفاده شود، محصول حاصل شامل ترکیبی از تترااتوکسیسیلان و اتوکسی پلی سیلوکسیلان می باشد. تترااتوکسیسیلان دارای حدود 28 درصد وزنی سیلیس می باشد. در حالی که  اتوکسی پلی سیلوکسیلان به طور میانگین 5 سیلیکون اتم/مولکول و شامل 40 درصد سیلیس می باشد.  به دلیل دارا بودن سلیکای بیشتر، این محصول به عنوان اتیل سیلیکات شناخته می شود و به طور گسترده در صنایع ریخته گری استفاده می شود.

ترکیب اصلی که از واکنش بالا ایجاد می شود، تترا اتیل اُرتوسیلیکات (Si(OC2H5)4) نام دارد که از نظر تئوری دارای 28 درصد سیلیس است. گریدی که در ریخته گری دقیق استفاده می شود، "اتیل سیلیکات 40" است و حاوی مخلوطی از پلی سیلیکات اتیل که به طور متوسط دارای 5 اتم سیلیسیم در هر مولکول است، بوده و درصد سیلیس آن 40 درصد می باشد. چسب های اتیل سیلیکات براساس میزان اسیدیته و هیدرولیز و حلال های آلی متنوع(عمدتا اتیل الکل)به فروش ریده و در ریخته گری دقیق مورد استفاده قرار می گیرند. انواع چسب های سیلیکات اتیل فرموله شده (شرکتی) در جدول زیر آورده شده است.

نام تجاری گرید	درصد سیلیس	فرمول شیمیایی	مشخصات
تترا اتیل اُرتوسیلیکات	18 تا 28	Si(OC2H5)4	هیدرولیز نشده تجاری حداقل میزان مونومر 90%
اتیل سیلیکات 40	40 تا 42		هیدرولیز شده جزئی تترا اتیل اُرتوسیلیکاتی که به صورت جزئی متراکم و فشرده شده

 

ساخت ماهیچه سرامیکی به روش قالب گیری سرامیکی

با توجه به شکل قطعه، ساخت ماهیچه بخش کلیدی انجام پروژه است. شرایط یک ماهیچه خوب شامل موارد زیر می باشد:

1. فرآیند ساخت آن پیچیده نباشد.
2. مواد تشکیل دهنده آن گران نباشد.
3. بدون تغییر شکل و تغییرات ابعادی به راحتی از داخل مدل ماهیچه خارج شود.
4. استحکام لازم جهت مذاب ریزی را داشته باشد.
5. با فلز ریخته شده واکنش ندهد.
6. انبساط حرارتی آن پایین باشد.
7. امکان عبور هوا از درون آن وجود داشته باشد.
8. به راحتی از درون قطعه ریخته شده خارج شود.

در این حالت بهتر است از فیوزد سیلیکا با قابلیت فروشستن در سود استفاده شود. مراحل انجام کار برای ساخت ماهیچه و قالب شامل موارد زیر است:

1. ساخت مدل – فلز، پلاستر، قالب های چوبی

• در ابتدا از قالب چوبی دو تکه و سپس از قالب اصلی استفاده می شود.
• چند آزمایش گوناگون با پارامترهای مختلف که هر کدام در چند سطح می باشد، طراحی می گردد.
• سعی می شود تا حد امکان این شرایط ثابت نگه داشته شود. همچنین در ابتدا قالب به صورت یکپارچه از سرامیک و سپس با لایه پشتیبان ساخته می شود.
• قرار گیری ماهیچه در درجه های بالایی و پایینی.
• شرایط گوناگون سوختن و حرارت دهی بررسی می شود.
• آلیاژ استیل زنگ نزن ثابت نگه داشته می شود.
• کنترل ابعادی طبق استاندارد درجه A

2. مخلوط مواد - زمان، فرمول، تست

3. ریختن در مدل – زمان، فشار، دما، نرخ

4. سرهم کردن – در صورت نیاز

5. سوزاندن حرارت دهی - طبقه بندی، زمان، دما

6. فرآیند ریخته گری – نوع آلیاژ و شرایط

7. بازرسی نهایی - ابعادی، حذف خط جدایش قالب

تاریخچه و علت نام گزاری شیوه ریخته گری shaw

این روش ترکیبی از ریخته گری دقیق و ریخته گری با قالب پلاستر است که سرامیک به عنوان ماده اصلی قالب می باشد. این فرآیند را به نام های Shaw process و Osborn-Shaw process و Eco-Shaw process نیز می شناسند. واژه Shaw برگرفته از نام سازندگان انگلیسی آن است که دو دانشمند به نام های Clifford & Noel Shaw در سال 1938 این روش را پایه گذاری کردند. پس از آن Lubalin & Christensen در سال 1960 این روش را جهت تجاری سازی توسعه دادند.

انواع روش های ریخته گری دقیق در مقایسه با روش شاو

فرآیندهای ریخته گری دقیق به دو دسته investment casting و ceramic molding تقسیم بندی می شوند. در روش اول با تزریق موم در قالب تزریق مدل مومی بدست می آید و پس از چندین مرحله لایه نشانی سرامیکی، قالب سرامیکی ایجاد می شود. این روش نیاز به تجهیزات گران قیمت داشته و فر آیند آن بسیار طولانی می باشد. همچنین هرزینه ساخت قالب تزریق نیز بالاست. در مواردی که تیراژ تولید بالا باشد، روش investment مقرون به صرفه می باشد.

روش دیگر قالب گیری سرامیکی می باشد. در این روش نیز از پودر سرامیک نسوز جهت ساخت قالب استفاده می شود. قالب گیری سرامیکی به شیوه متفاوت انجام می شود، که شامل موارد زیر است:

1 قالب گیری تمام سرامیکی

2 قالب گیری سرامیکی کامپوزیتی به روش شاو (shaw process)

3 قالب گیری سرامیکی کامپوزیتی به روش یونیکست (unicast process)

اصولا علت استفاده از روش های قالب گیری کامپوزیتی یا چند قسمتی، گران بودن مواد سرامیکی و چسب های کورد استفاده می باشد.

در حالت تمام سرامیکی کل قالب از سرامیک ساخته می شود که برای قطعات کوچک بسیار مناسب است.

در روش تمام سرامیکی یا فرآیند شاو پودر سرامیک و چسب پایه الکل با عامل ژل ساز دوغاب نسوز را تشکیل می دهد. براساس میزان مواد و نحوه ترکیب، پس از گذشت زمان مورد نظر دوغاب به صورت ژل در آمده و مقدار کمی خاصیت ارتجاعی و لاستیک مانند دارد. این خاصیت کمک می کند که به راحتی اشکال پیچیده و زوایای منفی را بدست آورد. سپس برای سوزاندن و عملیات حرارتی برای ثبات قالب سرامیکی و خروج رطوبت و آلودگی از قالب آماده است.

در روش شاو از یک لایه نازک سرامیک و لایه پشتیبان ارزان قیمت شاموت استفاده می شود.

در فرآیند یونیکست با تفاوت جزئی به همین شکل عمل می شود.

برخی شرکت ها ادعا کرده اند که با ایجاد تغغیراتی در فرآیند شاو، آن را توسعه داده اند و نام آن را ECO-shaw process نامیده اند. همچنین نام های دیگری نیز روی این فر آیند گذاشته اند.

دستیابی به ژل سرامیک و کنترل زمان ژل شدن سرامیک

با توجه به نیاز فرآیندهای کم هزینه تر ریخته گری دقیق، تصمیم به انجام پروژه تحقیق و توسعه در زمینه فرآیند shaw گرفته شد.

به یاری خداوند توانستیم به فرآیند ساخت دوغاب سرامیکی و کنترل زمان ژل شدن آن دست یابیم. براین اساس ژل سرامیک با قابلیت ارتجاعی و خاصیت لاستیک مانند خود این امکان را فراهم می کند که قطعات پیچیده با صافی سطح بالا تولید شود.

هدف اصلی تولید پره های پمپ سانتریفیوژ با دقت ابعادی و صافی سطح بالا می باشد. اما توانایی تولید هرگونه قطعه خصوصا با جنس های خاص نیز از مزیای روش فوق می باشد.

انجام پروژه های ریخته گری دقیق به روش shaw process

هرگونه سفارس ساخت قالب و ریخته گری به روش shaw پذیرفته می شود. مهم ترین کاربرد این روش در تولید قطعات با تیراژ کم و دقت ابعادی بالا می باشد. جنس قطعه محدودیتی ندارد. کاربرد اصلی این روش در تولید پره های پمپ سانتریفیوژ می باشد.

ساخت قالب و ماهیچه سرامیکی با تحمل دمای بالا جهت ریخته گری به روش قالب گیری سرامیکی shaw process

با توجه به اینکه قطعات پمپ های سانتریفیوژ مورد استفاده در صنایع دارای حساسیت و دقت ابعادی بالا می باشند و همچنین قطعات یدکی مورد نیاز در این صنایع به صورت سفارشی و تعداد محدود مورد درخواست واحدهای تعمیر و نگهداری این صنایع می باشد، نیاز به پروسه ریخته گری مناسب می باشد.

بر این اساس طی پژوهشی گسترده به فرآیند ساخت قالب سرامیکی ریخته گری دقیق که از طریق فرآیند shaw ساخته می شود، دست یافتیم. در این روش از موم خبری نیست و قطعات فلزی با آلیاژهای خاص در زمان کمتر با تجهیزات اندک و صافی سطح و دقت ابعادی بالا بدون محدودیت در ابعاد ساخته می شوند. شرح این روش و مقایسه آن با سایر روش ها در ادامه آورده شده است.

ادامه نوشته