آغاز فرایند ریخته‌گری، به بیش از ۶۵۰۰ سال پیش باز می‌گردد. اولین آثار یافت شده از این فرآیند ساخت و تولید مربوط به دوران تمدن بین‌النهرین می‌شود. در آن دوران، ریخته گری طلا، به منظور ساخت قطعات تزئینی و بازیافت فلزات گرانبها مورد استفاده قرار می‌گرفت. پایین بودن دمای ذوب طلا، این فلز گرانبها را به گزینه‌ای مناسب برای ریخته‌گری تبدیل می‌کرد. با گذشت زمان، فلزات دیگر نیز مسیر خود را به این فرایند پیدا کردند. برنز و آلیاژ قلع از جمله فلزاتی بودند که به منظور ساخت ابزارآلات و تسلیحات به کار گرفته می‌شدند. البته قدیمی‌ترین قطعه ریخته‌گری شده باقی مانده از تمدن بین‌النهرین، یک مجسمه مسی با قدمت بیش از ۵۲۰۰ سال است.
در طی چندین هزار سال، عصر برنز، سراسر کره زمین را فرا گرفت. مصریان، دمنده مخصوصی اختراع کردند که امکان انتقال حرارت به فلزات و رساندن دمای آن‌ها به مقادیر بالاتر از روش‌های مرسوم را فراهم می‌کرد. این ابزارهای ریخته‌گری، قادر به پمپاٰژ هوای گرم به درون کوره بودند. در عصر برنز، ریخته گری فلزات با پیشرفت قابل توجهی همراه شد. در این دوران، ساخت قطعات فلزی با ریختن مواد مذاب به درون قالب‌های سنگی باز صورت می‌گرفت. به این ترتیب، یکی از سطوح قطعه، همیشه به شکل صاف ساخته می‌شد. در حدود ۴۰۰۰ سال پیش، روشی برای ساخت حفره‌های پیچیده در قالب ریخته گری با استفاده از مواد مومی توسعه یافت. این روش، مشکل قالب‌های سنگی باز را برطرف کرد. مسجمه‌های برنزی جالب توجهی از این دوران باقی مانده است.
آهن، یک عنصر فلزی است که معمولا به صورت اکسید در طبیعت یافت و استخراج می‌شود. اولین تلاش‌های بشر برای استفاده از آهن در فرآیند ریخته‌گری به حدود ۳۷۰۰ پیش باز می‌گردد. بر اساس شواهد موجود، هیتیتی‌ها، از کوره‌های مخصوص برای استخراج آهن و ریخته‌گری آن استفاده می‌کردند. با این وجود، گسترش ریخته گری آهن به قرن ۱۴ میلادی (قرن ۸ شمسی) باز می‌گردد.
آهن خام، یکی از آلیاژهای آهن با درصد کربن بالا است. این آلیاژ، نقطه ذوب پایین‌تری نسبت به فلز آهن دارد. در قرن ۷ میلادی (قرن ۱ شمسی)، آهن خام به عنوان یکی از مواد رایج برای ساخت قطعات به روش ریخته‌گری مورد استفاده قرار می‌گرفت. چینی‌ها نیز مانند مصریان باستان، از تکنولوژی اعمال حرارت توسط دمنده به منظور دستیابی دمای بالا (حدود ۱۱۵۰ درجه سانتی‌گراد) برای ذوب آهن خام استفاده می‌کردند. قطعات ساخته شده به روش ریخته گری آهن خام، از شکنندگی بالایی برخوردار بودند. احتمالا این مشکل، یکی دیگر از دلایل فاصله زمانی زیاد بین معرفی ریخته‌گری آهن در تمدن‌های دیگر و شروع به کارگیری آن در اروپا است.
تا پیش از انقلاب صنعتی در قرن ۱۸ میلادی (قرن ۱۲ شمسی)، آهن خام به عنوان اصلی‌ترین ماده مورد استفاده برای ریخته‌گری در نظر گرفته می‌شد. دروازه‌های برخی از کلیساهای قرون وسطی توسط ریخته‌گری آهن خام ساخته شده‌اند. البته کیفیت ساخت این دروازه‌ها پایین بوده و بسیاری از آن‌ها نیازمند ترمیم و تقویت هستند. در قرن ۱۵ میلادی (قرن ۹ شمسی)، اولین لوله‌های چدنی با استفاده به روش ریخته‌گری ساخته شد.
پس از انقلاب صنعتی، تعداد کارخانه‌های ذوب در سراسر اروپا و آمریکا به میزان قابل توجهی افزایش یافت. این توسعه، گسترش کاربردهای فرایند ریخته‌گری را به همراه داشت. اقبال صنایع مختلف به ریخته‌گری، باعث پیشرفت روش‌های اجرا، تجهیزات و مواد مورد استفاده در این فرآیند ساخت و تولید شد. از ابداعات این دوران می‌توان به استفاده از کک متالورژی در کوره‌های آهن‌گدازی برای استخراج آهن و اختراع اولین چدن چکش‌خوار اشاره کرد.
بازه زمانی بین انقلاب صنعتی و شروع قرن ۲۰ میلادی (قرن ۱۴ شمسی) را می‌توان به عنوان مهم‌ترین دوره پیشرفت و ترقی صنعت ریخته گری در نظر گرفت. اجرای اولین ریخته گری فولاد با استفاده از بوته های ریخته‌گری، افتتاح اولین کارخانه تجاری فولاد و توسعه متالوگرافی، از پیشرفت‌هایی بودند که زمینه تولید انبوه قطعات آهنی و فولادی با کیفیت در سراسر دنیا را فراهم کردند.
در ادامه قرن ۲۰ میلادی، الکتریسیته پا به صنعت ریخته‌گری گذاشت؛ امکان ساخت قطعات فولاد ضد زنگ فراهم شد و صنعت خودروسازی نیز در اروپا، آمریکا و ژاپن توسعه یافت. جنگ جهانی دوم، شکل صنعت فلزات را تغییر داد. در آن دوران، بسیاری از کشورهای درگیر، مشغول بازسازی سازه‌های خود بودند. بهره‌گیری از منابع انرژی جدید به همراه اصول مدیریتی ژاپنی‌ها نظیر شش سیگما، کانبان و تولید به هنگام، مسیر دستیابی به تولید ناب را هموار کرد.
در دهه‌های اخیر، بسیاری از صنایع در تلاش بوده‌اند تا سازگاری فرآیندهای ریخته‌گری با مسائل محیط زیستی را افزایش دهد. همین مسئله باعث توسعه ریخته‌گری الکترومغناطیس در سال ۱۹۹۷ میلادی (۱۳۷۶ شمسی) شد. این روش، هزینه و ردپای کربن در فرآیند ریخته‌گری را به میزان قابل توجهی کاهش داد. امروزه، تمرکز اصلی صنعت‌گران بر روی اختراع روش‌های جدید، ارزان و پاک در ساخت قطعات فلزی توسط ریخته‌گری است.
اهمیت قدرت آتش در ریخته گری
انسان ها به مرور زمان فهمیدند که قدرت آتش که مهم ترین مسئله در ذوب فلزات بوده است به میزان هوا بستگی دارد. آن ها دریافتند که هر چقدر هوای بیشتری به سوخت برسد سرعت ذوب و همچنین قدرت آتش زیادتر می شود. این کشف مهم باعث شد تا مراحل شعله ور تر شدن آتش به مرور طی شود. اول این فرآیند با فوت کردن شروع شد بعد از آن از کیسه های دم یا فوتک ها استفاده شد. در حال حاضر از ونتیلاتورها و موتورهای تنظیم هوا با فشارهای مناسب برای این کار استفاده می شود.
ریخته گری با موم فدا شونده
این قطعه کوچک بسیار قابل تامل است و دلیل آن این است که راهگاه های ریخته گری که به پایه ها متصل شده است به شکل واضحی چگونگی ریخته گری را نمایان می کنند. همچنین قطعات بسیاری که به روش ریخته گری موم فداشونده در عصر برنز ساخته شده است وجود دارند. مثل باقی مانده های مراحل ساخت مانند تکه های شکسته شده ای از مواد قالب گیری و همچنین قالب های اصلی و … .
امکان دارد که موم به شکلی درست به عنوان ماده قالب تعیین شده باشد ولی احتمال آن نیز وجود دارد که از مواد دیگری هم برای ساختن قالب ها استفاده شده باشد. ولی علت دقیقی برای اثبات وجود این مواد تاکنون پیدا نشده است. همچنین به طور مشابه پوشش قالب ها که در قدیم استفاده می شده همچنان ناشناخته مانده است. با این وجود تحقیقات باعث کشف مکان هایی شده که در آنجا ریخته گری مومی انجام میشده است.
یکی از این مکان ها منطقه ای بود به نام گوسج در انگلستان. بعد از حفاری های انجام شده در سال ۱۹۷۲ میلادی کارخانه ای پیدا شد که موم فداشونده در این کارخانه برای تولید انبوه قطعه های کوچک برنزی و همچنین دیگر مواد مناسب برای ساخت افسار و … مورد استفاده قرار میگرفته.
در حالت کلی از نقطه نظر تاریخی, ریخته گری را می توانیم به چند دوره تقسیم کنیم که در ادامه به توضیح هر کدام می پردازیم.
- دوره برنز
- دوره آهن
- دوران تاریک صنعتی
- دوران رنسانس صنعتی
- دوران انقلاب صنعتی
- دوره چدن
دوره برنز
دوره برنز در خاور دور و به طور تقریبی دو هزار سال قبل از میلاد حضرت مسیح شروع شده است. یعنی حدودا هزار سال بعد از آغاز آن در خاور نزدیک. در حال حاضر به طور واضح مشخص نیست که این اتفاقات در چین بوده یا در مکانی دیگر در جنوب شرق آسیا. البته فعالیت های بسیاری در این راه برای کشف و بررسی محل های متالورژیکی در تایلند انجام شده است.
آنچه تحقیقات نشان داده, این است که ریخته گری چشمگیرترین روش برای فرم دهی فلزات در خاور دور بوده است. در واقع شواهد کمی هم برای استفاده از سایر روش ها روی فلزات در پانصد سال قبل از میلاد حضرت مسیح در چین وجود دارد. اولین وسایل کشف شده در خاور نزدیک به شکل آلیاژهایی از مس و آرسنیک در حدود ۴ درصد بود. این آلیاژها که مصارف عمومی داشته است به طور همزمان با خاور نزدیک در اروپا, به ویژه انگلستان هم مورد استفاده قرار میگرفته است.
دوره آهن
پیدا شدن آهن به عنوان یک دوره به دو هزار سال قبل از میلاد حضرت مسیح می رسد. آهن در زبان پهلوی به عنوان “الیسن” و در زبان آلمانی “آیزن” و در زبان انگلیسی “آیرون” نامیده شده است. امکان آن وجود که پیدایش آهن موقع ذوب مس بوده باشد. یعنی وقتی مس را ذوب می کردند آهن کشف شد.
در هر صورت حدودا هزار تا هزار و دویست سال قبل از میلاد حضرت مسیح آهن تقریباً ماده‌ی اصلی بیشتر سلاح ها و ابزارها را تشکیل می داده است. در صورتی که برنز به منظور ساختن ظروف و گلدان ها و اشیای تزئینی مورد استفاده قرار می گرفته.
کاملا واضح است که آهن های به دست آمده در این دوران را نمی توان به ریخته گری نسبت داد. اما این آهن ها در اثر پتک کاری بر روی آهن های اسفنجی به دست آمدند. با توجه به نقطه ذوب بالای ۱۵۳۶ درجه سانتی گراد واضح است که ذوب مستقیم آهن تا قرن نوزدهم امکان پذیر نبوده است.
اما در اواسط دوره آهن بر اثر زیاد شدن کربن و کم شدن نقطه ذوب آن در چدن ها ریخته گری آن امکان پذیر شد. نکته حائز اهمیت دیگر کشف عملیات حرارتی بر روی آهن بوده است که از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در دوره آهن تحولات جدیدی در آلیاژ مس به وجود آمد و آلیاژهای متفاوتی از مس و قلع تولید شد. از شگفتی های این دوره ساختن “مجسمه‌ی رودس” است که در سال ۲۹۰ قبل از میلاد حضرت مسیح ساخته شده است و جزو عجایب هفت گانه به حساب می آمد.
دوران تاریک صنعتی
در قرون سه و چهار بعد از میلاد حضرت مسیح تا قرن چهارده میلادی دوره رکود صنایع به خصوص ریخته گری پدید آمد. بعدها با نظر به اینکه در کلیساها از تزییناتی استفاده می شد که نیاز به فلز داشتند مانند شمعدان ها و ناقوس ها و … روش هایی نوین برای کارهای ریخته گری ایجاد گردید.
دوران رنسانس صنعتی
این دوران از سال ۱۵۰۰ میلادی تا سال ۱۷۰۰ میلادی طول کشید. در این دوران صنعت توپ ریزی پایه گذاری شد. اوایل لوله های توپ را از جنس برنز و بعد از چدن ساخته اند که در این تولیدات دولت عثمانی نقش عمده ای داشته است.
در این دوران کوره ها نیز از لحاظ دمش بسیار پیشرفت کرد. دوران رنسانس صنعتی را از نظر کوره و سیستم های دمش و همچنین مواد اولیه باید شروعی برای استفاده از ماسه و روش ریخته گری از نوع ماسه ای به حساب آورد.
به کارگیری فولاد و چدن به عنوان ماده اولیه در ساختن قطعات و وسایل دفاعی و خانگی و همچنین به کاربردن آلیاژهای مختلف مس مانند برنز و برنج و دیگر عناصر و همچنین به کار بردن طلا در ساختن زینت آلات و قطعات تزیینی از جلوه های دیگر این دوران بوده است.
در این دوران متالوژی به صورت علمی مستقل پیشرفت کرد و نظریات ساختار بلوری فلزها و دیگر مواد به وسیله هارسویکر فرانسوی اعلام گردید. در حقیقت قرن هفدهم میلادی تحولی شگرف در علم متالوژی بوده است چون دانشمندان توانستند به ابزاری جدید به نام میکروسکوپ دست پیدا کنند.
دوران انقلاب صنعتی
تعریفی ساده از انقلاب صنعتی این است که حداقل پنجاه درصد از تولیدات هر ماده ای از خانه و یا کارخانه های کوچک به کارخانجات انتقال یابد. اصلی ترین اتفاقات انقلاب صنعتی این بود که اولین کوره هوادهی با سوخت کک در سال ۱۷۰۹ ایجاد شد. همچنین در سال ۱۷۷۷ آبراهام داربی اولین کوره بلند را برای ذوب و احیای سنگ معدن آهنی طراحی کرد.
از دیگر تحولاتی که در صنعت ریخته گری پدید آمد نوع کوره و روش دمیدن و به کاربردن از دمنده های بهتر و اطلاعات مناسب از انجام واکنشات گرمازا در بین هوا و سوخت بوده است. روش دمیدنی که با به کارگیری کیسه های هوایی و یا فوتک صورت می گرفت, در این دوران جایگاه خود را به دمنده هایی داد که به وسیله موتورهای بخار کار می کردند.
به کارگیری روی و سرب در صنعت ریخته گری به شکل فلزاتی که به عنوان عنصرهای آلیاژی (به خصوص استفاده از روی) برای ساختن ظروف در دوران صنعتی رایج شد. کشف نیکل در سال ۱۷۵۱ و استفاده از آن در سال ۱۸۰۰ میلادی به عنوان عنصر آلیاژی و همچنین کشف و به کارگیری دو فلز سبک و مقاوم آلومینیومی و منیزیومی از موارد مهم در این دوران بوده است.
دوره چدن
این دوره حدودا ششصد سال قبل از میلاد در چین پدید آمد. به کارگیری چدن در آن دوران نه تنها در کارهای جزئی و کوچک بلکه در مجسمه های چدنی چینی هم به وضوح قابل مشاهده است. چدن های چینی معمولا مقدار زیادی فسفر دارند. گوگرد چدن های چینی نیز به علت سوزاندن زغال سنگ برای گداختن بالاتر از حد معمول بوده است.
همواره بحث هایی در مورد ورود چدن به اروپا و مسیری که از راه آن وارد شده است وجود داشته است. در این مورد توافقی کلی وجود دارد که این موضوع مربوط به قرن پانزده بعد از میلاد است و در اسناد موجود در این دوره, اشاره ای به ورود چدن به اروپا شده است.
در حال حاضر صنعت ریخته گری پیشرفت چشمگیری کرده است و وسایل زیادی در کارخانجات به وسیله عملیات ریخته گری تولید می شود. درصد بالایی از اتصالات صنعتی با استفاده از جوشکاری انجام می شود که این عملیات به خودی خود نوعی ریخته گری موضعی و لحظه ای به حساب می آید.
درست است که با پیشرفت در صنایع, روش های متفاوت و جدیدی برای ساختن قطعات وجود دارد ولی به طور حتم عملیات ریخته گری به هیچ عنوان فراموش نمی شود. دلیل آن هم این است که تنها راهی که برای تولید قطعه های حیاتی و مهم قطعات چدنی وجود دارد ریخته گری است. همچنین ریخته گری نسبت به بسیاری روش های دیگر مقرون به صرفه تر است.
