ریخته گری سانتریفیوژ یکی از تکنیک های انقلابی فرایند صنعتی است که در سال ۱۸۰۷ توسعه یافته است. بر خلاف هزینه بالا و مقاومت متغیر با جعل؛ ریخته گری گریز از مرکز مدرن محصولات نهایی با کیفیت بالا با مقاومت، چگالی بالا، عملکرد خوب و حتی ساختار دانه ای را با هزینه بسیار کمتری ارائه می دهد.
در ریخته گری گریز از مرکز، فلز مذاب وارد قالب می شود که به طور مداوم در طول کل فرآیند ریخته گری چرخانده می شود. قالب خود بسته به نیاز طراحی می تواند به صورت افقی یا عمودی چرخانده شود. به طور معمول از دستگاهی با طراحی افقی برای تولید استوانه ای نازک در حالی که دستگاه های نصب شده به صورت عمودی برای تولید حلقه ها یا محصولات مشابه استفاده می شود. اما گاهی اوقات استوانه های کوچکتر نیز با استفاده از یک فرآیند گریز از مرکز عمودی تشکیل می شوند در حالی که از آرایش افقی برای ساختار لوله ای طولانی استفاده می شود.
نیروی گریز از مرکز
به نیرویی که به سمت بیرون، بر یک جسم در حال دوران وارد می شود، نیروی گریز از مرکز یا مرکز گریزی (Centrifugal Force) گفته می شود. منشاء این نیرو همین حرکت دورانی است. همۀ ما این کمیت را وقتی که شیئی در مسیری منحنی یا پیچ دار حرکت می کند، دیده ایم.
جالب است بدانید دلیل چرخش سیارات به دور خورشید، بدون آن که روی خورشید سقوط کنند، برابر بودن نیروی گریز از مرکز با نیروی گرانش خورشید است. البته فیزیک دانان معتقدند نیرویی حقیقی به نام نیروی گریز از مرکز، وجود حقیقی ندارد.
بلکه علت گریز جسم از مرکز در حرکت دورانی، اینرسی (Inertia) خود جسم است. مانند زمانی که در لحظۀ حرکت ناگهانی خودرو به جلو، ابتدا به عقب پرتاب می شویم. این به عقب پرتاب شدن به دلیل اینرسی بدن ماست (اینرسی را می توان تمایل جسم برای حفظ حالت قبلی تعریف کرد).
مفهموم ریخته گری گریز از مرکز
فرایند ریخته گری گریز از مرکز به روشی گفته می شود که در آن قالب تحت تاثیر نیروی گریز از مرکز پر می شود. به دلیل وجود چرخش در این روش، به آن ریخته گری سانتریفیوژ (Centrifugal Casting) هم می گویند. در اکثر روش های ریخته گری، قطعۀ در حال شکل گیری در قالبی ثابت منجمد می شود. اما در ریخته گری سانتریفیوژ از یک قالب چرخنده برای شکل دهی قطعۀ نهایی استفاده می شود.
اکثر پروفیل های لوله ای شکل که به این روش تولید می شوند، دارای مقاطعی دایروی هستند. اما در مواردی دیده شده که از این روش برای تولید پروفیل های شش‌گوش و متقارن نیز استفاده شده است. در دهۀ اخیر، استفاده ریخته گری گریز از مرکز با اعمال خلاء بهبود زیادی یافته است. اعمال خلاء برای جلوگیری از اکسیداسیون (Oxidation) و آلودگی مذاب و برای کمک به پر شدن سریع تر قالب انجام می گیرد.
انواع روش های ریخته گری گریز از مرکز
- گریز از مرکز افقی
- گریز از مرکز عمودی
فرایند ریخته گری گریز از مرکز
در آغاز فرایند، فلز مذاب به درون قالب چرخنده (دوار) ریخته می شود. از آنجایی که قالب در حال چرخش است، نیروی گریز از مرکز به فلز مذاب وارد می شود. بنابراین مذاب به سمت بیرونی قالب متمایل می شود و به دیواره ها هجوم می برد.
از این لحظه فرایند انجماد و جوانه زنی کریستال های جامد از دیوارهٔ قالب شروع می شود. در واقع نیروی گریز از مرکز با راندن مذاب به سمت دیوارۀ قالب، سبب شکل دهی فلز به صورت حلقوی می شود. لازم به ذکر است که در ریخته گری گریز از مرکز، از هیچ گونه ماهیچۀ داخلی برای شکل دهی به مذاب استفاده نمی شود.
همچنین برای این روش ریخته گری هیچ نیازی به سیستم راهگاهی هم نیست. ضخامت نهایی دیواره تولیدی، تابعی از حجم مذاب اولیهٔ ورودی است. در این روش ریخته گری به دلیل عمل چرخش و اختلاف چگالی بین ناخالصی ها و مذاب فلز اصلی مورد نظر، ناخالصی ها معمولا روی سطح لوله جمع می شوند و به سادگی با عملیات ماشین کاری (Machining) قابل حذف هستند.
مواد معمول برای ریخته گری
تمام فلزاتی که قابلیت ریختگی داشته باشند را با این روش می توان ریخته گری کرد. اما معمولا برای فلزاتی مانند انواع چدن، انواع فولاد (مخصوصا فولاد ضد زنگ)، انواع آلیاژهای آلومینیوم، مس، منیزیوم و نیکل کاربرد دارد. البته به غیر از فلزات، این روش برای انواع شیشه و بتن نیز قابل اجراست. به طور کلی هر ماده مهندسی که قابلیت ذوب داشته باشد، با این روش ریخته گری می شود.
مراحل کار ریخته گری گریز از مرکز
برای شروع ، مواد مذاب از طریق یک سیستم قیف به قالب دائمی ریخته می شود ، که از قبل در دمای مناسب گرم شده است. در این مرحله، قالب در حال چرخش با سرعت بسیار سریع است. جایی در محدوده ۳۰۰ تا ۳۰۰۰ دور در دقیقه. با ورود مواد مذاب به قالب، نیروهای گریز از مرکز ناشی از چرخش سریع مواد را به سطح داخلی قالب هل می دهد. قالب مورد استفاده در ریخته گری گریز از مرکز را می توان در دو جهت عمودی یا افقی جهت داد. قالب های عمودی مناسب قطعاتی هستند که دارای جزئیاتی در قطر خارجی هستند ، مانند دنده یا فلنج.
از طرف دیگر ، قالب های افقی بیشتر برای قطعات استوانه ای بلند مانند بخش های مستقیم لوله استفاده می شوند. همچنین امکان ایجاد چندین حلقه یا فلنج کوتاه تر با استفاده از یک قالب بلند و افقی وجود دارد. قالب های افقی باید با سرعت بیشتری بچرخند تا با پدیده گرانش بر روی مواد مذاب مقابله کنند. با ورود مواد به قالب ، پوششی در انتهای مقابل نقطه ورود ، مواد مذاب را در داخل قالب نگه می دارد.
با کنترل توده مواد ورودی به قالب ، می توان ضخامت قسمت تولید شده را کنترل کرد. بنابراین ، ممکن است فقط از یک قالب واحد برای تولید قطعات با مقادیر ضخامت متفاوت استفاده شود. با ادامه چرخش قالب ، مواد مذاب با توجه به تغییرات چگالی شروع به جدا شدن می کنند. نیروی گریز از مرکز اجزای سنگین تر مواد را به قالب نزدیک می کند ، در حالی که ناخالصی های سبک تر تمایل به شناور شدن دارند. سرمایش و انجماد مواد تحت فشار اتفاق می افتد و از خارج به داخل ایجاد می شود.
خنک کننده جهت دار به تعیین خواص متالورژی قطعه (در صورت استفاده از فلزات) کمک می کند ، که به قوی تر شدن آن نیز کمک می کند. علاوه بر این ، خنک کاری قطعه در حالی که چرخش همچنان ادامه دارد ، از کوچک شدن قطر خارجی جلوگیری می کند و به تولیدکنندگان کمک می کند تا دقت ابعادی را حفظ کنند.
همچنین می توان محصولات دو فلزی را از طریق ریخته گری گریز از مرکز با معرفی ماده دوم پس از جامد شدن لایه اول ایجاد کرد. جایگزین احتمالی روش ، ایجاد خلاء به محفظه داخلی قالب است. این باعث می شود که اثر خورندگی اکسیژن در شرایط دمای بالا متوقف شود و با سرد شدن قسمت بیشتر تقویت شود.
هنگامی که قسمت داخل قالب کاملاً سرد شد ، برای ماشینکاری بیشتر از قالب جدا می شود. قطر داخلی یک علامت تازه ریخته گری شده معمولاً به دلیل وجود ناخالصی ها و اثر انقباض حرارتی بسیار خشن و ناهموار است. این نواقص برای دستیابی به ضخامت مطلوب و یک سطح صاف تراشیده می شوند. در برخی موارد ، بیرونی ترین لایه قسمت تمام شده نیز برای از بین بردن علائم زبری ، ماشینکاری می شود.
