فرآیند شاو جهت ریخته گری دقیق فلزات

چکیده
انتقال حرارت پدیده اصلی در فرآیند ریخته گری می باشد. ریخته گری قطعات با مقاطع باریک از جنس های خاص به روش های سنتی دارای پیچیدگی هایی همچون عدم سیالیت مذاب و پر نشدن بخش هایی از قالب می باشد. قطعاتی که دارای مقاطع نازک باشد، به دلیل انتقال حرارت سریع بین فلز گداخته و قالب امکان پر شدن قالب (خصوصا در مورد فولاد و استیل) وجود ندارد. بنابراین می بایست قالب قبل از مذاب ریزی گرم شود تا فرآیند انجماد تا پرشدن کامل قالب ادامه پیدا کند. اما امکان گرم شدن قالب های ماسه ای در ریخته گری معمولی به دلیل عدم تحمل دمای ماسه وجود ندارد. با این وجود، پیش گرم کردن قالب ریخته گری دقیق ممکن است باعث ایجاد عیوب دیگری در قالب شود که نیاز به بررسی فرآیند انتقال حرارت می باشد. در این مقاله ابتدا انواع انتقال حرارت در قالب های ریخته گری دقیق بیان می شود. سپس انواع روش های عددی برای مدل سازی انتقال حرارت بیان می گردد تا به این وسیله عیوبی که ممکن است با آن روبرو شویم را پیش بینی کرد.

واژه های کلیدی: ریخته گری دقیق، قالب گیری سرامیکی، انتقال حرارت

 مقدمه
     در مواردی که ریخته گری به روش‌های دیگر ممکن نباشد یا نیاز به دقت ابعادی در شمار بالا داشته باشیم، از روش‌های ریخته گری دقیق استفاده می‌شود.]1[ به طور کلی قالب‌های ریخته گری دقیق از جنس سرامیک با تحمل دمای بالا ساخته می‌شوند. در این صورت می‌توان قالب را گرم نمود تا اختلاف دمایی بین مذاب و قالب کم شود. در ریخته گری دقیق امکان ساخت قطعات پیچیده‌ای چون پره توربین، پروانه پمپ و پخش کننده ها وجود دارد.
     به طور کلی روش های ریخته گری دقیق به دو صورت قالب گیری سرامیکی[1] و قالب پوسته سرامیکی[2] تقسیم بندی می شوند. در هر دو روش از سرامیک نسوز با تحمل دمایی بالا استفاده می گردد. در روش اول یک مدل مومی از قطعه مورد نظر تهیه می شود. سپس موم درون دوغاب سرامیکی نسوز فرو برده می شود. سپس در معرض ماسه نسوز قرار می گیرد. این کار را تا زمان تشکیل لایه سرامیکی مستحکم ادامه می یابد. در مرحله بعد مدل مومی از درون قالب سرامیکی خارج می گردد. قالب بدست آمده، علاوه بر داشتن استحکام لازم، نسوز نیز می باشد. در این صورت قابلیت پیش گرم کردن قالب حین مذاب ریزی فراهم می شود.
روش دوم یعنی قالب گیری سرامیکی فرآیندی نو برای تولید قطعه های ریخته گری با کیفیت بالا، نه تنها از نقطه نظر دقت ابعادی و صافی سطح، بلکه از نظر صحت و عاری بودن از هرگونه آخال های غیر فلزی می باشد. در اصل قابلیت تولید به روش قالب گیری پوسته ای(دقیق) و قالب گیری سرامیکی مشابه بوده و انتخاب یک فرآیند در مقابل دیگری تا حد زیادی وابسته به اندازه قطعه ریختگی، تعداد قطعه مورد نیاز و هزینه های قالب گیری است. در قالب گیری سرامیکی پودر سرامیک نسوز با چسب[3] ترکیب شده و مقداری عامل ژل ساز به آن اضافه می شود. پس از گذشت چند دقیقه دوغاب سرامیکی به صورت ژل خالص سرامیک در آمده و به راحتی از مدل جدا می شود. بلافاصله ژل سرامیک در معرض شعله قرار داده و آتش زده می شود. با این کار ترک های ریزی درون قالب ایجاد می شود که به خروج هوا کمک می کند. علت استفاده از سرامیک نسوز تحمل بالای حرارتی آنها جهت پیش گرم کردن قالب قبل از مذاب ریزی می باشد. در هر دو روش قالب گیری پر شدن مقاطع نازک با ضخامت کمتر از 5 میلیمتر، صافی سطح و دقت ابعادی بالا امکان پذیر است. در این قالب ها شاهد حداقل واکنش با فلز گداخته هستیم و تقریبا انواع آلیاژهای ریخته گری به ویژه سوپر آلیاژها، استیل و  فولاد به این روش قابل انجام است. مزیت اصلی در کاهش نرخ انتقال حرارت با دیواره قالب می باشد. [2،18]
تفاوت اصلی ریخته گری ماسه ای و دقیق در دما و ضریب انتقال حرارت می باشد. اگر مذاب را از درون شیار باریک عبور دهیم به دلیل انتقال حرارت دیواره قالب با فلز گداخته، در ریخته گری ماسه ای تمام انجماد در مسیر شیار انجام می گیرد ولی در ریخته گری دقیق ممکن است انجماد یا صورت نگیرد و یا بسیار ناچیز باشد.[7] در ادامه با نگاهی به مقالات گوناگون، به بررسی انواع انتقال حرارت در قالب های ریخته گری دقیق پرداخته و  به طور مختصر به بررسی انواع روش های مدل سازی و شبیه سازی آن خواهیم پرداخت. اشاره مختصری نیز به کارهای انجام شده در این زمینه خواهیم داشت.
 انواع انتقال حرارت در ریخته گری دقیق
انتقال حرارت به صورت سه مکانیزم عمده صورت می گیرد که شامل هدایت، جابجایی و تابش است. هر سه مکانیزم در فرآیندهای ریخته گری دقیق وجود دارد. در ریخته گری فلزات، هدایت فرآیندی است که توسط آن حرارت به طور درونی بین فلز در حال انجماد و قالب، انتقال پیدا می کند. جابجایی در حین انجماد فلز (یعنی در کل منطقه مایع)، می تواند نتایج مهمی در بر داشته باشد. به عنوان مثال می توان به گرم شدن راهگاه حین ریخته گری و جدایش ماکروسکوپی در قطعات ضخیم اشاره می شود. در ریخته گری دقیق، جابجایی به سرعت تلفات حرارتی از سطح خارجی قالب پوسته ای به محیط اطراف، بستگی دارد.  انتقال حرارت از طریق تابش نیز به دلیل شدت تلفات حرارتی از تغذیه های باز، یا از سطوح قالب های پوسته ای سرامیکی گرم شده، اهمیت دارد. هر یک از سه نوع انتقال حرارت در ادامه توضیح داده می شود.
دو صورت هدایت مورد بحث است که در مجموع هدایت گذرا بسیار متداول است. هر چند شناخت مفهوم هدایت پایدار، به عنوان پیش زمینه ای برای درک هدایت گذرا اهمیت بسزایی دارد. درباره زمان و تاثیر آن در پارامترهای ریخته گری در ادامه بحث خواهیم نمود. در مبحث جابجایی می‌بایست سرعت، نوع جابجایی، خواص حرارتی سیال و هندسه سطح قالب به طور کمی مورد بررسی قرار بگیرد. اما در ابتدا انتقال حرارت توسط جابجایی و ارتباط آن با هدایت به صورت کیفی بررسی می گردد. حرارت تابشی در مقایسه با هدایت و جابجایی که مستلزم انتقال انرژی به ماده هستند، ممکن است از محیط خلاء نیز انتقال یابد. این مکانیزم توسط تابش الکترو مغناطیسی از پوسته قالب دقیق صورت گیرد و تابش حرارتی نامیده می شود.[14]
انتقال حرارت درون قالب حین ریخته گری و انجماد بسیار اهمیت دارد. به وجود آمدن فاصله هوایی بین مذاب ریخته شده و قالب مشکل بزرگی برای انتقال حرارت به حساب می آید.[4] رابطه بین تغییرات ضریب انتقال حرارت و فاصله هوایی ایجاد شده در مقالات زیادی بررسی شده است. در شرایطی که پوسته قالب به اندازه کافی استحکام داشته باشد که فشار فلز مذاب را تحمل کند، فاصله هوایی شروع به ایجاد شدن می کند. قبل از تشکیل فاصله هوایی میکروسکوپی، انتقال حرارت هدایت اتفاق می افتد. هنگامی که فاصله هوایی شروع به رشد می کند، انتقال حرارت هدایت به تدریج کاهش می یابد و در ادامه انتقال حرارت از برهم نهی تابش و هدایت صورت می گیرد. علاوه بر این شاهد جمع شدگی[4] در فرآیند انجماد نیز هستیم. بر مبنای مکانیزم طبیعی جمع شدگی بین پوسته منجمد شده و سطح داخلی دیواره قالب ریخته گری فاصله‌ای ایجاد می شود که علت اصلی ایجاد آن روشن نیست. اما برخی مقالات جمع شدگی را به صورت تنش های حرارتی ماده ناشی از یک گرادیان دما تعریف می کنند.[5]
انتقال حرارت قبل از ریختن درون قالب نیز کم اهمیت نمی باشد. در مورد ریخته گری استیل باید توجه داشت که کنترل دمای مافوق گرم در استیل مذاب جهت پرکردن کامل قالب و بدست آوردن صافی سطح بسیار حیاتی است. سرعت ریختن نیز باید کم شود تا زمان کافی برای خارج شدن گرمای انجماد از مجاری مذاب وجود داشته باشد.
انتقال حرارت نه تنها روی بهره وری تاثیر دارد، بلکه تاثیر زیادی بر کیفیت قطعه ریخته شده به خصوص سطح قطعه و ترک های داخلی دارد. دلیل آن هم انبساط و انقباض فلزات حین گرم یا سرد شدن می باشد. بنابراین تغییرات ناگهانی دما در پوسته جامد متاثر از تغییرات ناگهانی خروج گرما از سطح، باعث تغییرات انبساط حرارتی شده و تنش های کششی ایجاد می کند. همچنین نرخ خروج گرما بر توانایی پوسته برای مقاومت در برابر نیروهای شکست تاثیر می گذارد. فشارهای فرواستاتیک. که به دلیل اثر دما بر خواص مکانیکی فلز ایجاد می گردد. از عیوبی که ممکن است در ریخته گری دقیق به علت انتقال حرارت ایجاد شود، شامل نیامد، سرد جوشی، جمع شدگی، حفره های بزرگ و تخلخل می باشد.[6]
به‌طور عمده علاوه بر دما، زمان انجماد نیز بر کیفیت کلی ریخته گری مؤثر است. در واقع پارامتر زمان به طور مستقیم با جمع شدگی و تغییر فاز جامد به مایع آلیاژ درون قالب رابطه دارد.[11] به طور کلی انجماد سریع تر باعث استحکام بیشتر، همگنی، پر شدن قالب و کیفیت بهتر ریخته گری می شود. بر عکس اگر انجماد آهسته تر صورت گیرد کیفیت ریخته گری نیز کاهش می یابد. زمان انجماد را می توان به صورت ترکیبی از انتقال حرارت و آنالیز تغییر شکل حین ریختن درون قالب و انجماد فلز، درون قالب بدست آورد.]14[ تعیین نتایج مربوط به زمان وابسته به انتقال حرارت می باشد. اکثر مدل ها  نیز با هدف تعیین زمان انجماد طراحی می شوند.
سرد شدن پوسته سرامیکی از طریق هدایت و الگوی تابش گرمایی صورت می گیرد. برخی سطوح کاملا در شرایط محیطی قرار داشته و باز هستند. برخی سطوح دیگر به صورت نیم باز هستند و بقیه سطوح کاملا محصور شده و با محیط در ارتباط نمی باشند. این سطوح در مجاورت و با هندسه دیواره قالب می باشند. بنابراین شرایط انتقال حرارت در هر سطح قالب براساس مقیاس طول، پیکربندی و موقعیت سطح در درخت قالب می باشد.[14,6]
سرد شدن زود هنگام باعث پر نشدن(نیامد) می شود. شرایطی است که در آن فلز مذاب بخشی از قالب را پر نمی کند. ممکن است پر نشدن قالب در نتیجه انجماد فلز زمانی رخ دهد که آلیاژ تا دمایی سرد شود که ویسکوزیته اجازه پر کردن قالب را نمی دهد. این وضعیت می تواند به راحتی با استفاده از توزیع دمایی که به وسیله مدل پر شدن قالب پیش بینی شده است، مدل سازی شود.[18] هنگامی که فلز گداخته درون قالب ریخته گری دقیق ریخته می شود، تمام پوسته قالب به سرعت تا دمای بالا(دمای فلز گداخته) گرم می شود. همزمان با افزایش دمای قالب از دمای فلز کاسته می شود.
انتقال حرارت باید در مراحل مختلف فرآیند ریخته گری دقیق مورد بررسی قرار گیرد. این موارد شامل مراحل زیر است:انتقال حرارت در انجماد فلز یا آلیاژ
برای تعیین زمان انجماد یک قطعه ریختگی می توان انرژی جذب شده توسط قالب را تخمین زد و این انرژی را با انرژی خارج شده از فلز خالص را مورد بحث قرار می دهیم. انرژی فلز بر حسب آنتالپی آن بیان می شود. آنتالپی یک مقدار مطلق نیست بنابراین آنتالپی یک جزء را نسبت به یک حالت مرجع مورد استفاده قرار می دهیم. اما آلیاژهای ریخته گری در یک محدوده دمایی خاص منجمد می شوند طوری که گرمای نهان ذوب آنها از یک محدوده دما خارج نمی شود.انتقال حرارت هدایت در قالب سرامیکی
مواد قالب را می توان به دو دسته عایق ها و هادی ها ی خوب طبقه بندی کرد که قالب های پوسته ای سرامیکی جزء گروه اول می باشند. و انتقال حرارت به صورت هدایت است.انتقال حرارت حین انجماد
سرعت انجماد آلیاژها یکی از مهمترین متغیرهای فرآیند است. به طور مثال سرعت انجماد در خشن یا ریز شدن ساختار دنریتی ارتباط مستقیم دارد.انتقال حرارت در تغذیه و طراحی راهگاه مناسب
پیش بینی جریان سیالات به عنوان ابزاری قدرتمند در زمینه طراحی بهینه راهگاه عمل می کند که سبب کاهش قابل توجهی در وزن مذاب ریزی در مقایسه با آنچه که در طراحی های سنتی قابل پیش بینی است، می شود.
 پیشینه تحقیق
در زمینه ریخته گری در قالب پوسته سرامیکی مقالات زیادی به  مدل سازی و شبیه سازی انتقال حرارت پرداخته اند. می توان مقالاتی که به این روش پرداخته اند را به دو دسته کلی تقسیم بندی کرد. دسته اول مقالاتی می باشد که فقط به مدل سازی خود قطعه و فرآیندهای انتقال حرارت آن پرداخته است. دسته دوم مقالاتی می باشد که با هدف رفع عیوب به طراحی سیستم های راهگاهی مناسب برای تولید قطعات بدون عیب پرداخته است. در ادامه به برخی از آنها اشاره می کنیم.
در بسیاری از منابع از جمله منابع [10-7] از ضرایب انتقال حرارت ثابت برای بدست آوردن جریان گرمایی که از فلز به قالب منتقل می شود استفاده کرده اند. در حالی که در واقعیت ضرایب انتقال حرارت حین ریخته گری و با توجه به تغییر شرایط آن(گرم شدن هوا، قالب و غیره) دائما در حال تغییر است.]14[ این تغییرات به طور غیر محسوس بر نرخ انتقال حرارت و به تبع آن زمان انجماد تاثیر دارد. تمام این منابع از این تغییرات چشم پوشی کرده‌اند. آقای اندرسون و همکارانش[12] دریافتند که استفاده از یک ضریب انتقال حرارت برای تمام سطوح قالب پوسته ای دقت را کاهش می دهد. آقای رقیق و همکارش]6[ در مقاله ی خود ضرایب انتقال حرارت را وابسته به شرایط، متغیر در نظر گرفته است. آنها براساس تغییرات افزایشی ضرایب حین انجماد، شرایط اولیه را به روش تکرار در برنامه نویسی تغییر داده اند. این روش تخمین های بهتری را برای زمان واقعی  براساس شرایط قالب و محیط  محاسبه می کند. میزان تابش حرارت از پوسته سرامیکی توسط آزمایشات تجربی در منابع[13-14] بدست آمده است. دمای پوسته با قرار دادن تعدادی ترموکوپل داخل آن محاسبه شده است. آقای کازالینو و همکارانش[3] به بررسی خواص حرارتی پوسته های سرامیکی در ریخته گری دقیق پرداخته اند. با بررسی داده های تجربی با شبیه سازی های رایانه ای به این نتیجه رسیده اند که میزان تابش از سطح قالب قابل چشم پوشی نبوده و باید در محاسبات لحاظ گردد.
با توجه به اهداف نویسنده جهت تولید قطعات پمپ و کمپرسور گریز از مرکز برای واحد های پتروشیمی، مقالاتی که به مدل سازی فرآیند ریخته گری دقیق این قطعات پرداخته اند آورده می شود. چون شکل مارپیچ پیچیده پروانه یکی از مشکلات اساسی در ریخته گری دقیق می باشد. بویژه اگر دارای تیغه هایی با ضخامت کم یا از آلیاژهای خاص باشد. آقای هانگ و همکارش[15] در مقاله خود به دنبال یافتن فرآیندی برای کنترل شکل گیری عیوب ناشی از جمع شدگی در ایمپلرهای استیل با مقاطع باریک می باشد. وی با افزودن تغذیه و سیستم راهگاهی مناسب از تشکیل عیوب مربوط به جمع شدگی در قطعه ریختگی جلوگیری کرده و حدود 30 درصد نسبت به شرایط اولیه بهبود داشته است. در مقاله [16] نیز به طور مشابه انواع سیستم های راهگاهی برای ریخته گری ایمپلر استیل مورد بررسی قرار گرفته است. در این مقاله نیز چند نوع سیستم راهگاهی را شبیه سازی کرده است و در حالت بهینه نسبت به حالت اولیه 28 درصد بهبود داشته است. در این حالت نیز عیوبی که بر اثر جمع شدگی ایجاد می شود کاهش یافته است. مقاله آقای ونگ و همکاران [17] نیز تولید یک پروانه باز را هدف کار خود قرار داده و حجم سیستم راهگاهی را 47 درصد کاهش داده است. ضمن این که عملکرد ریخته گری را 15 درصد افزایش داده است. آزمایشات تجربی را نیز موید صحت مدل ها و شبیه سازی خود می داند.
در تمام مقالات بالا قالب سرامیکی پوسته ای مورد بررسی قرار گرفت. در زمینه انتقال حرارت در فرآیند قالب گیری سرامیکی جهت ریخته گری فلزات، منابع زیادی در دسترس نیست. با این حال با توجه به این که قالب گیری سرامیکی همانند ریخته گری ماسه ای دارای درجه بالایی و پایینی بوده و فقط لایه ای که در تماس با مذاب است از سرامیک نسوز ساخته می شود، می توان گفت که با تقریب خوبی مدل های طراحی شده برای ریخته گری ماسه ای در این روش نیز قابل استفاده می باشد. با این تفاوت که جنس قالب متفاوت بوده و پیش گرم نیز می شوند. در این زمینه فضا برای کارهای بیشتر محیا می باشد. بخصوص که در کشور نیز برای اولین بار به فرآیند قالب گیری سرامیکی و فرآیند شاو[5] دست پیدا کرده ایم.
 
 مدل سازی
برای فرمول کردن مدل ریاضی براساس فرآیند انتقال حرارت حین انجماد فلز و آلیاژهای آن، نیاز به یک سری فرضیات می باشد. قطع نظر از حالت ها و فرضیات خاص سعی می شود در حالت کلی مدل ریاضی برای انتقال حرارت در قالب های سرامیکی بیان گردد.
برای مدل سازی یک سری فرضیه ها براساس نوع قالب، سیستم راهگاهی، شکل قطعه، جنس قالب و آلیاژ و بسیاری پارامترهای دیگر در نظر گرفته می شود. اما هدف این بخش از مقاله بیان کلیاتی در مورد نحوه مدل سازی فرآیند در حالت کلی می باشد.
مدلی که برای انتقال حرارت تعریف می شود براساس فرضیه انجماد می باشد. براساس ماهیت ریخته گری، در ابتدای مذاب ریزی گرما از دست می دهیم.
در فرآیند تبدیل فلز مذاب به جامد از دست دادن حرارت از طرق زیر امکان پذیر است:
- گرمای مافوق گرم[6] که مذاب به صورت مایع وارد قالب می شود
- گرمای نهان ذوب[7] در ابتدای انجماد و در انتهای آن
- گرمای محسوس[8] (سرد شدن زیر دمای انجماد) از پوسته جامد
این گرما ها ترکیبی از مکانیزم های انتقال حرارت زیر می باشند:
- انتقال حرارت جابجایی در حوضچه مذاب
- انتقال حرارت هدایت در سطح بیرونی مذاب در حال انجماد و پوسته جامد
- انتقال حرارت بیرونی با محیط از طریق تابش، هدایت و جابجایی[3]

 نتيجه‌گيری
ریخته گری دقیق فرآیندی مناسب برای تولید بسیاری قطعات می باشد. اما ممکن است دمای مناسب و انتقال حرارت به خوبی انجام نگیرد که باعث عیوبی در قطعه ریختگی می شود. تا حد زیادی می توان این عیوب را توسط مدل سازی ریاضی و شبیه سازی شناسایی و بر طرف نمود. تا از صرف زمان و هزینه زیاد برای تولید قطعات معیوب جلوگیری شود.
 
[1] Ceramic molding
[2] Investment casting (Lost wax)
[3] binder
[4] shrinkage
[5] Shaw Process
[6] superheat
[7] latent heat of fusion
[8] sensible heat

مراجع و منابع

1. Eun-Hee Kim & Et al., Development of high temperature mold process for sand casting with thin wall and complex shape, Thin solid films 620 (2016) 70-75.
2. ASM handbook. 2008. Volume 15. Casting. ASM, Ohio, USA.
3. G. Casalino, J. Orkas, N. Accettura, Investigation on Heat Transfer in the Investment Casting, Advanced Manufacturing Systems and Technology, 2005.
4. .Ho K.,Pehlke RD., Mechanisms of heat transfer at a metal-mould interface, AFS Trans 1984.
5. Campbell J., Castings, Butterworth-Heinemann Ltd, 1993, UK.
6. M.M.A. Rafique, J. Iqbal, Modeling and simulation of heat transfer phenomena during investment casting, International Journal of Heat and Mass Transfer 52, 2009.
7. J. Gebelin, M.R. Jolly, Modeling of the investment casting process, J. Materials Process. Technol. 135 (2003) 291–300.
8. R.C. Givler, D.B. Saylors, Efficient runner networks for investment castings, Int. J. Numer. Methods Eng. 48 (2000) 1601–1614.
9. G.K. Upaghya, S. Das, U. Chandra, A.J. Paul, Modeling the investment castingprocess: a novel approach for view factor calculations and defect prediction, J. Appl. Math. Model. 19 (1995) 354–362.
10. L.V. Roches, J.C. Chevrier, Radiation Heat Transfer Modeling in Precision Investment Casting Technology, Solidification Processing 1987, The Institute of Metals, London, 1988. pp. 522–524.
11. H.F. Taylor, M.C. Flemings, J. Wulff, Foundry Engineering, John Wiley and Sons, Inc., New York, NY, 1959. pp. 53–56, 74–80.
12. J.T. Anderson, D.T. Gethin, R.W. Lewis, Experimental investigation and numerical simulation in investment casting, Int. J. Cast Metals Res. 9 (1997) 285–293.
13. A.S. Sabau, S.Viswanathan, Thermophysical properties of zircon and fused silica-based shells used in the investment casting process, Transactions of the American Foundry Society, vol. 112, Paper No. 04-081, 2004.
14. D.R. Poirior, E.J. Poirier, Heat Transfer Fundamentals for Metal Casting, TMS Publication, USA, 1994. pp. 16–36.
15. P. Huang, M. Guo, A study on the investment casting of 17-4PH stainless steel helical impeller of centrifugal pump, Materials Research Innovations, 2015, vol 19.
16. Kuo, Huang, Lai, Chen, Optimal gating system design for investment casting of 17-4PH stainless steel enclosed impeller by numerical simulation and experimental verification, Int J Adv Manuf Technol, 2017.
17. Wang et al, An optimization method of gating system for impeller by RSM and simulation in investment casting, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018.

 [18] رحمت اله عمادی، مهدی حاجی هاشمی، فرآیندهای پیشرفته ریخته گری، دانشگاه صنعتی اصفهان، 1394.