ریخته گری

ریخته‌ گری ، فن شکل‌دادن فلزات و آلیاژها از طریق ذوب، ریختن مذاب در محفظه‌ای به نام قالب و آن‌گاه سرد کردن و انجماد آن مطابق شکل محفظه قالب است. این روش کهن‌ترین فرایند شناخته شده برای بدست آوردن شکل مطلوب فلزات است. اولین کوره‌های ریخته‌گری از خاک‌رس ساخته می‌شدند و لایه‌هایی از مس و چوب به تناوب در آن چیده می‌شد.
ریخته‌گری یکی از اساسی‌ترین روش‌های تولید است. به دلیل اینکه بیشتر از ۵۰ درصد از قطعات انواع ماشین‌آلات به این طریق تهیه می‌شوند. فلزاتی که ویژگی پلاستیک کمی دارند با قطعاتی که دارای اشکال پیچیده هستند، به روش ریخته‌گری شکل داده می‌شوند.
ریخته‌گری قدمتی ۷ هزار ساله دارد. کهن‌ترین قطعه ریخته‌گری جهان یک قورباغه مسی متعلق به ۳۲۰۰ سال پیش از میلاد مسیح است.

​​انواع روش های ریخته گری

روش‌های ریخته‌گری از دیدگاه نوع قالب به دو دسته تقسیم می‌شوند: ریخته‌گری در قالب‌های یکبار مصرف و ریخته‌گری در قالب‌های دائمی.
ریخته‌گری با توجه به فناوری و مجموعه تجهیزاتی که در قالب‌گیری دخیل هستند شامل موارد زیر می‌شود:
ریخته‌گری با قالب ماسه ای: اغلب تولید قطعات ریختگی در ماسه انجام می‌شود. ریخته‌گری ماسه ای (Sand casting)، فرآیندی است که در آن از ماسه برای قالب‌گیری استفاده می‌شود. ماسه لازم برای یک تن ریخته‌گری حدود ۴ تا ۵ تن است. نسبت مصرف ماسه به فلز، بسته به نوع، اندازه قطعه ریختگی و روش قالب‌گیری، متغیر است. ماسه مورد استفاده در ریخته‌گری انواع مختلفی دارد که تحت دو دسته کلی ماسه طبیعی و ماسه ترکیبی (ماسه دریاچه) می‌توان آن‌ها را طبقه‌بندی نمود. این ماسه‌ها دارای یک ماده نسوز به نام سیلیکا (SiO2) می‌باشند. دانه‌های ماسه باید بقدر کافی کوچک باشند تا بتوان آن‌ها را متراکم کرد، و در عین حال باید آنقدر درشت باشند تا گازهای تشکیل شده در هنگام ریخته‌گری از بین منافذ آن‌ها خارج شوند. در قالب‌های بزرگ‌تر، از "ماسه سبز" استفاده می‌کنند (ترکیبی از ماسه، خاک رس و مقداری آب).
ریخته‌گری در ماسه تر (Green sand casting): ریخته‌گری در قالب ماسه‌ای خشک نشده.
ریخته‌گری در ماسه خشک (Dry sand casting): ریخته‌گری در قالب ماسه‌ای خشک شده. در این روش، قالب ماسه‌ای در گرم‌خانه‌ای با دمای حدود ۳۰۰ درجهٔ سانتیگراد به مدت مناسبی قرار داده شده و خشک می‌گردد.
ریخته‌گری در قالب رو خشک (Skin-dried mold casting): ریخته‌گری در آن دسته از قالب‌های ماسه‌ای که سطوح آن ها-اغلب با یک مشعل- تا عمق معینی خشک شده‌است.
ریخته‌گری روباز در ماسه (Open sand casting): ریخته‌گری در قالب‌های ماسه‌ای بدون لنگهٔ رویی. از این روش در تولید قطعات نا دقیقی که یک سطح تخت دارند استفاده می‌شود.
ریخته‌گری در حالت نیمه جامد (Semi-solid casting): ریخته‌گری در حالت خمیری.
ریخته‌گری در قالب گچی (Plaster mold casting): روش ریخته‌گری با استفاده از قالب‌های ساخته شده از گچ فرنگی و افزودنی‌های دیگر. در تولید قطعاتی با دقت ابعادی کار می‌رود.
ریخته‌گری دقیق (Investment Casting): ریخته‌گری دقیق به نام «ریخته‌گری با مدل‌های مومی» یا «ریخته‌گری ظریف» نیز شناخته می‌شود. قرون متمادی است که این نوع ریخته‌گری برای تهیه قطعات با کیفیت عالی بکار می‌رود. در این روش ریخته‌گری، می‌توان با استفاده از قالب‌ها ساخته شده از جنس سرامیک و مواد دیر گداز دیگر، قطعاتی پیچیده با دقت ابعادی بالا و سطوحی صافتر در مقایسه با روش‌های دیگر تولید کرد.
ریخته‌گری پیوسته (continues casting): ریخته‌گری پیوسته، فلز مذاب را بر اساس یک فرایند پیوسته، به جامد تبدیل می‌کند.

​​فرایند انجماد

عملیات ریخته‌گری یک فرایند انجماد است که در آن یک ماده مذاب به داخل یک قالب ریخته شده و سپس اجازه داده می‌شود تا ماده مذاب منجمد شود. بسیاری از خواص ماده نهایی در این مرحله شکل می‌گیرد. همچنین بسیاری از عیوب ریخته‌گری شامل "تخلخل گاز" و "انقباض انجماد" در این مرحله اتفاق می‌افتند و با کنترل پارامترها در این مرحله می‌توان از آنها جلوگیری کرد.
برای بهبود "هسته زایی" و کمک به شکل‌گیری یک محصول با ریزساختار یکنواخت و دانه-ریز (fine-grained) گاهی قبل از ریختن ماده مذاب به قالب به آن دانه‌های ریز جامد اضافه می‌کنند. به این فرایند تلقیح (inoculation) یا اصلاح دانه (grain refinement) می‌گویند.

مشکلات فلز مذاب

ریخته‌گری با ریختن ماده مذاب شروع می‌شود، و ممکن است واکنش‌های شیمیایی مختلفی بین فلز مذاب با محیط و اطراف اتفاق بیفتد. این واکنش‌ها معمولاً باعث ایجاد عیوب در قطعه ریخته شده می‌شوند. برای مثال واکنش فلزات با اکسیژن باعث تشکیل اکسیدهای فلزی می‌شود و این اکسیدهای فلزی می‌تواند به همراه مذاب حرکت کرده و در داخل قطعه عیب ایجاد کند. ذرات ناخالصی جدا شده از آستر پاتیل‌ها یا کوره‌ها یا ذرات ماسه جدا شده می‌توانند در داخل یا روی سطح قطعه ناخالصی‌های غیر فلزی ایجاد کنند.
فلزات مذاب می‌توانند حاوی مقادیر زیادی گازهای حل شده باشند. زمانی که این مذاب منجمد می‌شود دیگر قادر به نگهداری آنها نیست و در نتیجه در داخل قطعه ریخته شده تخلخل گازی ایجاد می‌شود. یکی از روش‌های جلوگیری از انحلال گازها در مذاب، ذوب کردن فلز در محیطی با فشار خلاء می‌باشد. استفاده از یک فلاکس محافظ که تماس با هوا را محدود کند نیز می‌تواند به کاهش انحلال گازها کمک کند. در روش گاززدایی خلاء (Vacuum degassing)، ماده مذاب قبل از انجام ریخته‌گری به داخل یک محیط با فشار کم یا خلاء نسبی اسپری می‌شود. در روش شستشوی گازی (gas flushing) حباب‌هایی از گازهای نجیب یا واکنش پذیر به داخل مذاب تزریق می‌شود. برای ایجاد تعادل، گازهای محلول وارد این حباب‌ها شده و بیرون رانده می‌شوند. برای مثال حباب‌های نیتروژن یا کلر در حذف کردن گاز هیدروژن از آلیاژهای آلومینیوم بسیار مؤثر هستند. استفاده از ارتعاشات التراسونیک به تنهایی یا به همراه شستشوی گازی همچنین در کاهش گازهای محلول در آلیاژهای آلومینیوم مؤثر است.
یکی دیگر از راه‌های کاهش گازهای محلول در مذاب، واکنش دادن آن با یک ماده دیگر و ساخت ترکیباتی سبک می‌باشد. این ترکیبات سبک سپس به صورت کفی بر روی محلول مذاب جمع می‌شوند و می‌توان آنها را جمع‌آوری کرد. اکسیژن محلول در آلیاژهای مس را می‌توان با واکنش دادن آن با فسفر جمع‌آوری کرد. اکسیژن محلول در فولادها را می‌توان با آلومینیوم یا سیلیکا واکنش داد و جمع‌آوری کرد.[۲]
سیالیت و دمای ریختن
اگر مذاب قبل از اینکه به صورت کامل از مسیرها عبور کرده و قطعه را پرکند، منجمد شود، عیوبی از قبیل نیامد (misrun) یا سرد بستن (Cold Shut) ایجاد می‌گردند. به قابلیت حرکت روان ماده مذاب و پر کردن قطعه سیالیت گفته می‌شود. عواملی از قبیل میزان نازکی سطح قابل ریختن، طول این قسمت نازک، میزان دقت جزئیات ساخته شده، و قابلیت پر کردن نقاط دوردست و دشوار به سیالیت مذاب بستگی دارند.[۲]

نقش سیستم راهگاهی

از آنجایی که احتمال حضور ناخالصی‌ها در جبهه جلویی مذاب بیشتر است (به دلیل اینکه ذرات ناخالصی موجود در مسیر را با خود می‌شورد و جلو می‌برد)، ایجاد حوضچه راه گاه (runner well) یا تعمیم راه گاه (runner extension) می‌تواند از ورود این ناخالصی‌ها به حفره اصلی جلوگیری کند. برای به دام انداختن ناخالصی‌ها می‌توان از صافی‌ها یا توری‌های سرامیکی نیز در داخل شبکه راهگاهی استفاده کرد. برای فلزات غیرآهنی می‌توان از توری‌های سیمی استفاده کرد در حالیکه برای فولادها و چدن‌ها معمولاً از توری‌های سرامیکی استفاده می‌شود.[۲]
انقباض انجماد
اکثر فلزات مذاب زمانیکه منجمد می‌شوند، کاهش حجم پیدا کرده و منقبض می‌شوند. انقباض (Shrinkage) از سه مرحله اصلی تشکیل می‌شود:
انقباض مایع زمانی که تا دمای شروع به انجماد خنک می‌شود.
انقباض انجماد زمانی که مایع تبدیل به جامد می‌شود.
انقباض ماده جامد زمانیکه قطعه جامد تا دمای اتاق خنک می‌شود.
میزان انقباض فلز مایع بستگی به ضریب انقباض حرارتی و میزان سوپرهیت دارد. معمولاً انقباض مایع هیچ مشکلی در ریخته‌گری ایجاد نمی‌کند. با ورود فاز مایع به جامد از آنجایی که ساختارهای کریستالی مواد بسیار بهینه هستند حجم ماده کاهش محسوسی پیدا می‌کند.

فلزات خالص و آلیاژهای یوتکتیک که دارای بازه انجماد کوچکی هستند، تمایل دارند حفره‌های بزرگی به شکل لوله ایجاد کنند. با طراحی ریخته‌گری به گونه ای که انجماد به صورت جهت دار بوده و در نتیجه انجماد ابتدا در دورترین نقطه از دروازه یا رایزر شروع شود، می‌توان از شکل گرفتن آن در داخل قطعه اصلی جلوگیری کرد. با انجماد قطعه از انتها، مذاب ورودی این انقباض را جبران می‌کند. در نهایت انتظار داریم حفره ناشی از انقباض در خارج قطعه و به محلی مانند رایزرها یا شبکه راهگاهی منتقل شود.
در آلیاژهایی که ناحیه انجماد بزرگی دارند، زمانی در وجود دارد که ماده از یک مخلوط جامد مایع (گل و شل) تشکیل شده‌است. با خنک شدن ماده، میزان نسبی مواد جامد به مواد مایع بیشتر شده و در نهایت مواد مذاب در بین ماده ای جامد به دام می‌افتند. در این حالت امکان افزودن مذاب اضافی به این محل‌ها وجود ندارد، و قطعه ریختگی ایجاد شده معمولاً حاوی تعداد زیادی حفره‌های کوچک است. کنترل این گونه انقباض بسیار دشوار بوده و معمولاً شکلگیری محصولات متخلل اجتناب ناپذیر است.

رایزرها و طراحی رایزرها

رایزرها مخزن‌هایی هستند که برای جبران انقباض ناشی انجماد بر روی قالب طراحی می‌شوند. برای این منظور رایزرها باید به گونه ای طراحی شوند که پس از انجماد قطعه منجمد شوند. اگر این اتفاق برعکس بیفتد، یعنی ابتدا رایزرها منجمد شده و ماده از قطعه به سمت رایزرها کشیده شود، عیب ناشی از انجماد بیشتر خواهد شد. اگر یک انجماد جهت دار تنها امکان‌پذیر نباشد، ممکن است به رایزرهای چندگانه نیاز باشد، تا هر قسمت از قطعه در جهت رایزر خود منجمد شود. معمولاً رایزرها را به شکل استوانه می‌سازند.
رایزرها انواع مختلفی دارند. رایزر بالاسری (Top Riser) مستقیماً بر روی سطح بالایی قطعه قرار داده می‌شود. رایزرهای کناری (Side Riser) در مجاورت حفره قالب قرار داده شده و به صورت افقی امتداد داده می‌شوند. اگر رایزر کاملاً در داخل قالب محصور بوده و به بیرون راه نداشته باشد به آن رایزر کور (Blind Riser) گفته می‌شود. اگر رایزر به اتمسفر راه داشته باشد رایزر باز (Open Riser) نامیده می‌شود. رایزرهای زنده یا داغ (Live riser) رایزرهایی هستند که آخرین ماده مذاب وارد شده به داخل قالب به داخل آنها ریخته می‌شود و این زمانی است که حفره کاملاً پر شده و در حال خنک شدن است. در نتیجه رایزرهای زنده می‌توانند کوچکتر از رایزرهای مرده یا سرد (Dead Riser) باشند. رایزرهای مرده رایزرهایی هستند که قبل از پر شدن کامل حفره پر می‌شوند. رایزرهای بالاسری تقریباً همیشه رایزرهای مرده هستند. رایزرهایی که جزوی از شبکه راهگاهی هستند معمولاً رایزرهای زنده محسوب می‌شوند.

کمکی‌های رایزر

روش‌های مختلفی برای کمک به سیستم رایزر توسعه داده شده‌است. برخی انجماد جهت دار را تقویت کرده و هدف برخی دیگر کاهش تعداد و اندازه رایزرها و در نتیجه کاهش هزینه ریخته‌گری است. این کار معمولاً یا از طریق افزایش سرعت انجماد (با استفاده از خنک‌کننده‌ها (Chill)) یا تأخیر در انجماد رایزر (با استفاده از غلاف (Sleeve)) انجام می‌شود.
خنک‌کننده‌های خارجی معمولاً موادی با ظرفیت گرمایی و رسانش گرمایی بالا هستند (مانند فولاد، گرافیت یا مس)، که در مجاورت حفره قرار داده می‌شوند تا حرارت را به سرعت به خود جذب کرده و باعث انجماد سریع حفره شوند. خنک‌کننده‌ها می‌توانند انجماد جهت دار را تقویت کرده، یا فاصله مؤثر رایزرها را افزایش دهند. معمولاً برای جلوگیری از اتصال خنک‌کننده‌ها به قطعه بر روی آن پودر سیلیس می‌پاشند. خنک کننده های داخلی قطعاتی فلزی هستند که در داخل حفره قرار داده می شوند. این قطعات فلزی گرما را به خود جذب کرده و باعث تسریع در انجماد قطعه می شوند. خنک کننده های در نهایت جزوی از قطعه نهایی می شوند، به همین دلیل باید یا از آلیاژی مشابه آلیاژ ریخته شده بوده و یا با آن سازگار باشد.[۲]
انجماد رایزرها را با روش های مختلفی می توان به تاخیر انداخت. برای مثال استفاده از یک غلاف عایق در دور رایزر یا قرار دادن یک ماده با واکنش گرماده در اطراف آن از روش های متداول تاخیر در انجماد رایزر است.
ریخته‌گری در قالب‌های یکبار مصرف (Expendable)
در این روش از قالب‌های یکبار مصرف استفاده می‌شود. این قالب‌ها پس از یک بار ذوب ریزی برای بیرون کشیدن قطعه از بین می‌روند. پرکاربردترین نوع این قالب‌ها، قالب‌های ماسه‌ای است که به تبع به این نوع ریخته‌گری، ریخته‌گری در قالب ماسه‌ای (Sand casting)، گفته می‌شود. ماسه‌ها انواع گوناگونی دارند، مانند ماسه‌های سیلیسی، ماسه چراغی، ماسه زیرکونیایی و غیره… برای ساخت برخی از قالب از سیلیکات سدیم (آب شیشه) به عنوان چسب استفاده می‌شود که از گاز CO2 برای سفت کردن آن استفاده می‌شود. همچنین در دو روش ریخته‌گری در قالب گچی (Plaster mold casting) و روش ریخته‌گری دقیق (Investment Casting) نیز قالب‌های ریخته‌گری که به ترتیب از جنس گچ و سرامیک هستند نیز از این فرایند پیروی می‌کنند.
ریخته‌گری در قالب‌های دائمی (Permanent)
این نوع ریخته‌گری در قالب‌های فلزی انجام می‌گیرد. منظور از ریخته‌گری غیر انبساطی، ریخته‌گری در قالبی است که قابلیت انبساط ندارد. این قالب‌ها را قالب‌های دایمی (Permanent Mold) نیز می‌نامند. از ویژگی‌های این قالب‌ها می‌توان به بازگرداندن فشار مذاب به خود آن اشاره کرد، که این امر باعث کاهش درصد انقباض و عیوب ناشی از آن می‌شود. همچنین در قالب‌های فلزی به دلیل بالا بودن سرعت انتقال حرارت نسبت به قالب‌های ماسه‌ای ساختارهای ریخته‌گری ریزتر و خواص مکانیکی اغلب بالاتر است. از روش‌های ویژه و پرکاربرد این نوع ریخته‌گری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
ریخته‌گری با فشار کم (Low Pressure Die Casting): ریخته‌گری با فشار کم مذاب در قالب فلزی. در این روش مذاب بدون تلاطم و از پایین وارد فضای قالب می‌شود. این روش یکی از پر کاربردترین روش‌ها در تولید قطعات آلومینیومی با خواص مکانیکی بالا است.
ریخته‌گری با فشار بالا (High Pressure Die Casting): ریخته‌گری با فشار بالای مذاب در قالب فلزی. در این روش مذاب با فشار بالا وارد محفظه قالب می‌شود. در اینجا خواص مکانیکی اهمیت کمتری دارد ولی تعداد تولید بالا بسیار مهم است.

عیوب ریخته‌گری

با توجه به دو فرایند اصلی در ریخته‌گری شامل جریان سیال و انجماد، عیوب ریخته‌گری در آن شامل موارد زیر می‌شوند:
عیوب ناشی از جریان سیال: نیامد، جوش سرد، حبس هوا، حفرات گازی و رود آخال و سرباره و فیلم‌های اکسیدی به داخل جریان سیال.
عیوب ناشی از انجماد: حفره‌های درشت، حفره‌های ریز، تنش باقی‌مانده، ترک گرم و ترک سرد.
گسیختگی گرم (Hot tear): ترک‌هایی هستند که معمولاً در ناحیه تغییرات در بخش یا کانتوری که لزوماً ناگهانی نیست رخ می‌دهد. آن‌ها زمانی اتفاق می‌افتند که برخوردی بین دانه‌های رشد یافتهٔ ستونی هنگام انجماد رخ دهد. گسیختگی‌های گرم یک پوستهٔ اکسید شده روی سطح ترک خورده داشته و معمولاً بر روی سطح یا کمی پایین‌تر از سطح یافت می‌شوند. آن‌ها معمولاً در گروه‌هایی که یا در یک خط یا در چند خط مختلف هستند یافت می‌شوند. گسیختگی‌های گرم اغلب به واسطه هندلینگ سخت پس از جامد شدن به‌طوری‌که پیش از سرد شدن تا دمای محیط محدود به انبساط توسط سیستم قالب/هسته یا دمای خیلی بالا حین جدایش مذاب از قالب ایجاد می‌شوند.
ترک وابسته به محدود شدن: این نوع عیوب به واسطه خنک کاری غیر یکنواخت که باعث افزایش تنش‌های محلی می‌شوند به وجود می‌آیند. محور اصلی آن‌ها در امتداد جهت تنش اعمال شده و معمولاً خطوط ناصافی هستند با نقاط متعدد که با فاصله از محور اصلی قرار گرفته‌اند.
ترک‌های سرد (Cold tear): این عیوب زمانی‌که مذاب از قالب جدا شده و تا دمای محیط خنک می‌شود رخ می‌دهند. این نوع ترک نشانی از اکسید شدن به همراه ندارد. این عیوب به اندازه تار مو نازک بوده و شناسایی آن‌ها بشدت دشوار است. این ترک‌ها معمولاً زمانی‌که مقدار زیادی تنش پسماند در قطعه وجود دارد رخ می‌دهد. تنش بالا ممکن است در اثر خنک کاری ناموزون در قالب یا محدودیت در برابر انقباض فلز و تنش‌هایی که از استحکام ماده بیشتر است رخ دهد.

انقباض (Shrinkage): زمانی‌که فلزات تحت حرارت قرار می‌گیرند، منبسط می‌شوند، و وقتی که خنک می‌شوند منقبض. بیشتر آهن‌ها، ضریب ۰٫۰۰۰۰۱۱ بر درجه سانتیگراد را دارند. در سیستم متریک این به معنای آن است که یک میلهٔ فلزی آزاد با طول یک متر، به اندازه یازده میلیونیوم در متر یا یازده هزارم میلی‌متر به ازای یک درجه سانتیگراد افزایش دما، افزایش طول می‌یابد. افزایش دما به اندازهٔ ۱۰۰۰ درجه موجب افزایش طول میله به اندازه ۱۱ میلی‌متر خواهد شد.

در حین فرایند انجماد، بیشتر فلزات کاهش حجمی بین ۳ تا ۷ درصد را تجربه می‌کنند. زمانی‌که فلزات منجمد می‌شوند، منقبض شده و در مورد یک شمش، انقباض در کاهش سطح مقطع ان رخ می‌دهد. به دلیل الگوهای انتقال حرارت، آخرین ناحیه‌ای که منجمد می‌شود در مرکز و به سمت بالای شمش است. در ابتدا مقدار درجه مایع با فرایند انجماد، کاهش می‌یابد. به تدریج، فلز در سطح خود منجمد می‌شود. فرایند انجماد از لبه‌ها شروع و به سمت داخل شروع می‌شود و باعث ایجاد فرو رفتگی v شکل روی سطح می‌شود. پس از مدتی حفرهٔ اولیه در تماس با سطح باز و سپس حفرهٔ ثانویه تشکیل می‌شود.
جدایش (Inclusion): جدایش عبارت است از یک تفاوت محلی در ترکیب شیمیایی ماده. به هنگام انجماد فلز مذاب، عناصر متعددی در یک ناحیهٔ محدود متمرکز شده و باعث توزیع نامتقارن عناصر آلیاژی در آهن می‌شود. اگر این عیب شناسایی نشود، می‌تواند بر ویژگی‌های مقاومت سایشی، آهنگری، جوشکاری، خواص مکانیکی، مکانیک شکست و مقاومت در برابر خستگی اثر بگذارد.
گاز به دام افتاده، تخلخل گازی: این عیب را می‌توان به سه دلیل تقسیم‌بندی کرد:
دستهٔ اول، گازهایی که در مذاب وجود دارند می‌توانند هم‌زمان با انجماد قطعه، سخت شوند و به دلیل انجماد حلالیت آن‌ها در قطعه کاهش یافته و گیر می‌افتند.
دستهٔ دوم، اگر قالب در شرایط خیلی بدی پر شده باشد، هوا می‌تواند وارد جریان فلز شده و سپس هم‌زمان با منجمد شدن قطعه به دام بیفتد.
دستهٔ سوم چسب شن وماسه که از آن‌ها برای شکستن قالب زمانی‌که در تماس با مذاب و محصولات گازی قرار می‌گیرند و آن‌ها را مجبور به انجماد می‌کند که باعث ایجاد چنین عیبی می‌شود.
حبس هوا: این عیب زمانی رخ می‌دهد که هوا در داخل مذاب به دام افتاده و نمی‌تواند فرار کند؛ بنابراین مذاب نیز نمی‌تواند حفرهٔ ایجاد شده را پر کند. لبه‌های مجاور به این قسمت‌ها معمولاً گرد بوده و براق هستند.

پوست زخم (Scar): یک لایهٔ نازک و نامنظم از فلز مذاب که روی سطح قالب یا بوسیلهٔ یک نقطه یا چند نقطه که توسط یک لایه نازک ماسه از هم جداشده‌اند، چسبیده شده‌است. این عیب معمولاً در مقاطع فرورفته یا شیار دار و روی سطح ریخته‌گری شده مشاهده می‌شود. این عیب معمولاً پیش از اینکه فلز مذاب، قالب را به‌طور مساوی پر کند به وجود آمده و حرارت نامساوی باعث منحرف شدن لایه‌ای از ماسه و نهایتاً جداشدن آن از روی سطح شده و به فلز مذاب اجازهٔ جاری شدن در پشت ماسه را می‌دهد.

انجماد سطح (Cold Shut): عیبی که بواسطهٔ ذوب ناقص بین جریان‌های مذاب به دلیل هندسهٔ قالب که باعث می‌شود دو یا چند جبههٔ جریان مذاب با یکدیگر ملاقات کنند. اگر دمای فلز مذاب خیلی پایین باشد، باعث ایجاد اختلال در فرایند جاری شدن می‌شود. فلز ذوب نشده و اگر عیب بر روی سطح باشد، همچون یک شیار باریک با لبه‌های گرد مشاهده می‌شود.

فلاش (Flash or Wash): این دسته از عیوب، تصاویری به شکل ویفر با ضخامت‌های متفاوت که در مفاصل قالب، به دور هسته یا بین هسته و مفاصل رخ می‌دهند. این عیب به دلیل عدم دقت بین قالب و سطوح هسته که باعث باز شدن سوراخ و ورود مذاب به آن می‌شود.

ناپیوستگی در ریخته‌گری (Discontinuity): زمانی‌که فلز پروسهٔ تولید را طی می‌کند، مذاب به تدریج به شکل شمش در می‌آید. در حین فرایند انجماد، مواد خارجی و حباب‌ها ممکن است در داخل شمش به دام افتاده و آنچه که تحت عنوان ناپیوستگی ذاتی است را تشکیل دهند. چنین ناپیوستگی‌هایی را در نهایت می‌توان نورد، آهنگری و به قطعات مختلف به همراه سایر مواد در ادامه مراحل ساخت انجام داد. تعداد متعددی از ناپیوستگی‌ها معمولاً در فلزات رخ می‌دهند.

انقباض و اعوجاج

انقباض به شکل ذاتی در فرایند قالبگیری تزریقی رخ می‌دهد زیرا چگالی پلیمر از دمای فرایند تا دمای محیط متفاوت است (به حجم مخصوص (نمودار PvT) مراجعه کنید). در طی قالبگیری (ریخته‌گری) تزریقی، انقباض و تغییر در در کل سطح و در طول سطح مقطع یک قسمت باعث ایجاد تنش‌های داخلی می‌شود. این تنش‌های به اصطلاح باقیمانده در یک قسمت با تأثیرات مشابه فشارهای خارجی اعمال می‌شوند. اگر تنش‌های باقیمانده ناشی از قالبگیری به اندازه کافی زیاد باشد تا بر یکپارچگی ساختاری یک قسمت غلبه کند، این قسمت از قالب به سمت خارج از قالب پیچیده می‌شود یا بر اثر بارگذاری خارجی ترک برمی‌دارد.
انقباض
انقباض قطعات ماده پرسی تولید شده در هنگام پردازش اندازه‌گیری دمای و در دمای محیط می‌تواند تا ۲۰ درصد حجمی باشد. مواد کریستالی و نیمه کریستالی به ویژه مستعد انقباض حرارتی هستند؛ مواد آمورف میل به انقباض کمتر دارند. هنگامی که مواد کریستالی زیر دمای گذار آنها خنک می‌شوند، مولکول‌ها خود را با شیوه ای منظم تر مرتب می‌کنند و کریستال‌ها را تشکیل می‌دهند. از طرف دیگر ساختار ساختار مواد آمورف با تغییر فاز تغییر نمی‌کند. این تفاوت منجر به مواد بلوری و نیمه کریستالی می‌شود که اختلاف بیشتری در حجم مخصوص ( Δ υ {\displaystyle \Delta \upsilon } ) بین فاز مذاب آنها و فاز جامد (کریستالی) دارند. این در شکل ۱ زیر نشان داده شده‌است. ما می‌خواهیم به این نکته اشاره کنیم که نرخ خنک‌سازی نیز بر خنک‌کننده سریع pvT مواد کریستالی و نیمه کریستالی تأثیر می‌گذارد.

دلایل انقباض بیش از حد قطعه

انقباض بیش از حد، فراتر از حد تحمل، می‌تواند ناشی از عوامل زیر باشد. رابطه انقباض با چندین پارامتر پردازش و ضخامت قطعه به صورت شماتیک در شکل ۲ ترسیم شده‌است.
فشار تزریق کم
زمان کوتاه نگه داشتن بسته یا زمان خنک‌کننده
دمای ذوب بالا
درجه حرارت بالا قالب
کم نگه داشتن فشار
مشکلات ناشی از کوچک شدن بخشی
انقباض حجمی بدون جبران منجر به علامت سینک یا حفره در فضای داخلی قالب می‌شود. کنترل انقباض قطعات در بخش، قالب و طراحی فرایندها از اهمیت ویژه ای برخوردار است، به ویژه در برنامه‌هایی که نیاز به تحمل زیادی دارند. برش‌هایی که منجر به علامت سینک یا خالی شدن می‌شوند با فشردگی حفره پس از پر کردن می‌توانند کاهش یا از بین بروند. همچنین، طراحی قالب باید انقباض را در نظر بگیرد تا از ابعاد قسمت مطابقت داشته باشد. انقباض بخشی که توسط C-MOLD پیش‌بینی شده راهنمایی مفید برای طراحی مناسب قالب ارائه می‌دهد.[۹]

اعوجاج

اعوجاج انحرافی است که به دلیل اینکه سطوح قسمت قالب ریزی شده از طرح شکل مورد نظر پیروی نمی‌کنند، رخ می‌دهد. قسمت اعوجاج یافته ناشی از تنش‌های باقیمانده قالب ریزی شده‌است، که به نوبه خود، ناشی از انقباض دیفرانسیلی مواد در قسمت قالب است. اگر انقباض در طول قسمت یکنواخت باشد، قالب تغییر شکل نمی‌یابد و دچار اعوجاج نمی‌شود و به سادگی کوچکتر می‌شود. با این وجود دستیابی به انقباض کم و یکنواخت به دلیل وجود و تعامل بسیاری از عوامل مانند جهت‌گیری‌های مولکولی و بافتی، خنک کردن قالب، طراحی قطعات و قالب و شرایط فرایند کار پیچیده‌ای است.

اعوجاج به علت انقباض دیفرانسیلی

اعوجاج در قطعات قالب‌گیری حاصل انقباض دیفرانسیلی است. تغییر در انقباض می‌تواند ناشی از جهت‌گیری مولکولی و بافتی، تغییرات دما در قسمت قالب ریزی شده و فشردگی متغیر مانند فشردگی بیش از حد در ورودی و فشردگی کم‌تر در قسمت‌های جزئی یا سطوح مختلف فشار به عنوان مواد در تمام ضخامت قسمت تثبیت می‌شود، باشد. این دلایل به‌طور کامل در زیر توضیح داده شده‌است.

تفاوت در مواد پرشده و پرنشده

انقباض دیفرانسیلی برای مواد پر و پر نشده در شکل ۳ در زیر نشان داده شده‌است. هنگامی که انقباض دیفرانسیلی باشد و در سراسر ضخامت قسمت و قسمت ناهمسانگرد است، تنش‌های داخلی ایجاد شده می‌تواند منجر به ایجاد اعوجاج شود.
در مواد پرشده برای ترموپلاستیک‌های پر از فیبر، الیاف تقویت کننده به دلیل انقباض حرارتی کمتر و مدول بالاتر، انقباض را مهار می‌کنند؛ بنابراین، مواد پر از فیبر در امتداد جهت که در آن الیاف تراز می‌شوند (به‌طور معمول جهت جریان) در مقایسه با انقباض در جهت عرضی کمتر، کمتر دچار انقباض می‌شوند. به‌طور مشابه، ترموپلاستیک‌های پر از ذرات بسیار کمتر از دانه‌های پر نشده کاهش می‌یابد.
از طرف دیگر در مواد پرنشده، اگر یک قسمت قالب پر نشده حاوی مقادیر زیادی جهت‌گیری مولکولی باشد، انقباض ناهمسانگرد است زیرا زنجیره‌های تراز وسط تا حدود زیادی در جهت جهت‌گیری کوچک می‌شوند.

پلیمرهای بلوری مایع

برای پلیمرهای کریستال مای(LCPs)، به کمک ساختار خود تقویت شونده منظم شده‌است تا گرایش خود به انقباض ناهمسانگرد را نمایش دهد.
خنک سازی غیر یکنواخت در سراسر ضخامت قطعه
خنک سازی غیر یکنواخت در قطعه و خنک سازی نامتقارن در ضخامت قطعه از حفره قالب و هسته نیز می‌تواند باعث انقباض دیفرانسیلی شود. ماده از دیواره قالب به مرکز منقبض و خنک می‌شود و پس از بیرون آوردن باعث ایجاد اعوجاج می‌شود.

تغییر ضخامت قطعه

با افزایش ضخامت دیواره، انقباض افزایش می‌یابد. انقباض دیفرانسیلی به دلیل ضخامت غیر یکنواخت دیواره یکی از دلایل عمده وجود اعوجاج در ترموپلاستیک‌های تقویت نشده‌است. به‌طور خاص، نرخ خنک سازی‌های مختلف و سطوح تبلور به‌طور کلی در قسمت‌هایی با بخش‌هایی با ضخامت دیواره متفاوت ایجاد می‌شود. این امر باعث انقباض دیفرانسیلی و در نتیجه اعوجاج می‌شود، همان‌طور که در شکل ۵ در زیر نشان داده شده‌است.

عدم تقارن یا انحنای هندسی جزئی

عدم تقارن هندسی (به عنوان مثال، یک صفحه صاف با تعداد زیادی دنده که در یک جهت یا در یک طرف قطعه قرار گرفته‌اند) خنک سازی غیر یکنواخت و انقباض دیفرانسیلی را معرفی می‌کند که می‌تواند منجر به اعوجاج شود، همان‌طور که در شکل ۶ در زیر نشان داده شده‌است.