نزدیک 150 سال است که تکنیک شکل دهی قطعات سرامیکی از طریق ریختن دوغاب در یک قالب متخلخل انجام میشود. در ابتدا هنوز نقش روان کنندگی املاح سدیم مشخص نشده بود و لذا دوغابهایی که مورد استفاده قرار می گرفتند نزدیک 40 تا 60 درصد آب داشتند. در اوایل قرن نوزدهم استفاده از کربنات سدیم به منظور ساخت دوغابی با حداقل آب مورد توجه قرارگرفت.با کاهش میزان آب در دوغاب ریخته گری:معایبی از قبیل انقباض زیاد قطعات:ترکهای ناشی از فرایند خشک شدن و زمان زیاد برای تولید قطعه از بین خواهد رفت. ریخته گری دوغابی اساسا” به دو روش انجام میشود:
1- ریخته گری باز: در این روش (رایج ترین روش ریخته گری) سوسپانسیون غلیظ به خوبی روان شده و داخل یک قالب گچی ریخته شده و شکل مورد نظر را به خود میگیرد.به دلیل جذب آب قالب گچی یک لایه تقریبا” متراکم از دوغاب مورد نظرتشکیل شده و مابقی دوغاب اضافی از قالب خارج میگردد و قطعه خام به دلیل انقباض جزیی که در آن به وجود می آید از قالب خارج میشود.
2- ریخته گری بسته: در این روش دوغاب آنقدر در داخل قالب گچی میماند تا تمام قسمت های داخلی آن اصطلاحا” می بندد و قطعه ای توپر به وجود می آید.
عمده ترین امتیاز روش ریخته گری دوغابی نسبت به سایر روش های دیگر امکان شکل دهی قطعات بزرگ و پیچیده است در حالیکه شکل دهی چنین قطعاتی با روش های دیگر تولید تقریبا” غیر ممکن است.
اما معایب روش ریخته گری مجموعا” بیشتر از مزایای آن است. از جمله معایب آن می توان به زمان زیاد برای تولید، کیفیت کم در قطعه تولید شده، تلرانس ابعادی زیاد در قطعه تولید شده و … را نام برد.
در گام اول از توضیحات بالا می توان فهمید که عوامل مختلفی در شکل گیری لایه ریخته گری شده نقش دارند.عواملی مانند؛ دانسیته دوغاب، میزان آب موجود در دوغاب، میزان تخلخل در قالب گچی، زمان، فشار سیستم، آنالیز بدنه، دانه بندی دوغاب و … ؛ حتی عوامل جزیی دیگری نظیر دمای سیستم، میزان رطوبت در قالب گچی، توزیع تخلخل در قالب گچی و… نیز در ضخامت لایه ریخته گری شده موثر هستند.
برای تشریح شکل گیری یک دوغاب سرامیکی ابتدا باید به تعامل بین ذرات رسی و آب اشاره کرد. به عبارت دیگر ابتدا باید سیستم رس- آب مورد بررسی قرار گیرد. ذرات رسی به هنگام معلق شدن در آب ممکن است دو رفتار کاملا” متمایز از خود نشان دهند. با توجه به بار الکترواستاتیکی سطح شان رس ها یا جذب یکدیگر شده و یا یکدیگر را دفع میکنند. به بیان واضح تر ذرات رس در محیط اسیدی یکدیگر را به صورت لبه به سطح جذب کرده که اصطلاحا” حالت فلکولاسیون در دوغاب به وجود می آید. یا اینکه در محیط قلیایی به صورت سطح به سطح یکدیگر را دفع میکنند و اصطلاحا”حالت دفلکولاسیون به وجود می آورند. در حالت فلکوله جاذبه لبه به سطح در ذرات باعث بالا رفتن ویسکوزیته دوغاب میشود و در حالت دفلکوله دافعه سطح به سطح ذرات باعث کاهش ویسکوزیته و روانی دوغاب رسی می شود.
تئوری لایه مضاعف و پتانسیل زتا
طبق این تئوری سطح رس از دو لایه بار دار تشکیل شده است.لایه داخلی دارای بار منفی بوده لایه خارجی بار مثبت دارد. بارهای منفی لایه داخلی همان بارهای خنثی نشده سطح رس هستند. بارهای مثبت لایه خارجی ناشی از کاتیون هایی است که سطح رس جذب می کند. در حالت معلق شدن ذرات رسی در آب: ملکول های قطبی آب نیز توسط لایه داخلی جذب می شوند. باید توجه داشت که ملکول های قطبی آب به صورت منظم جذب سطح رس می شوند یعنی سر مثبت آنها در طرف لایه داخلی بوده و سر منفی آنها به سمت خارج است.
در فاصله X از سطح رس، میزان بار منفی سطح، توسط بارهای مثبت خنثی می شود.میزان بار الکتریکی در مرز X با عنوان جنبش الکتریکی یا همان پتانسیل زتا معرفی می شود. میزان پتانسیل زتا عملا” مشخص کننده روانی یا انعقاد دوغاب است. روانی یا انعقاد دوغاب نیز تاثیر مستقیم بر ضخامت لایه ریخته گری شده دارد. در همین جا اهمیت میزان آب موجود در دوغاب و دانسیته دوغاب در ضخامت لایه ریخته گری شده مشخص می شود.
قالب گچی
قالب گچی به عنوان یکی از عوامل مهم درضخامت لایه ریخته گری شده می باشد. میزان تخلخل قالب گچی، توزیع این تخلخل، قطر تخلخل های موجود و حتی میزان رطوبت قالب گچی تاثیر مهمی در ضخامت لایه ریخته گری شده دارند.
در شکل زیر رابطه بین سرعت ریخته گری (نسبت ضخامت لایه ریخته گری شده به زمان) و نسبت میزان آب به گچ(میزان تخلخل قالب گچی) دیده می شود.می توان دید که در نسبت های حدود 80% درصد، بهترین سرعت ریخته گری حاصل می شود.علت افت شدید سرعت ریخته گری در تخلخل های بالاتر مربوط به پیوستن تخلخل ها به هم و بزرگ شدن قطر آنها می شود. با بزرگ شدن قطر تخلخل ها پدیده اسمز و جذب آب قالب گچی کاهش می یابد. میزان رطوبت قالب گچی به عنوان لایه مقاومت کننده ای در مقابل جذب آب مطرح است.همچنین باید به میزان مقاومت خود ضخامت X نیز در مقابل جذب آب توجه شود.

مکانیزم های ریخته گری دوغابی
در ریخته گری دوغابی نیروی فشاری پیش برنده فرآیند مجموع میزان فشار کاپیلاری هایی که بخاطر فشار مکش قالب و یا هر گونه فشار اضافی که به سیستم وارد میشود و یا خلاء که به قالب اعمال می شود می باشد. اندازه فشار کاپیلاریها از طریق اندازه گیری میزان اندازه تخلخلهای داخل قالب، میزان نیروی کششی سطح مایع پخش شده و زاویه تماس با تخلخلهای جداره می باشد. گزارش شده است که قالبهای گچ پاریس فشار مکش آن در حدود 0.1-0.2 Mpa است. در عین حال، مقاومتی بخاطر حرکت مایع جذب شده در طول ساختمان تخلخل در حین تشکیل جداره ریخته گری ایجاد می شود. شکل زیر بطور شماتیک نشان دهنده این موقعیتها است.
Lm میزان عمق ترشده قالب، Lc هم متناسب با میزان مایعی است که توسط قالب جذب شده است و هم میزان سینتیک پرابولیک ایجاد شده می باشد. بنابراین محاسبه اینکه مقدار تخلخل قالب نزدیک لایه ریخته گری شده بطور اشباع از مایع پر شده است برابر خواهدبود. بطوریکه PT-Pl افت فشار در حین انجام فرآیند و Pl-P0 افت فشار در قسمت تر شده قالب گچی است ، و Xm مقاومت مخصوص تخلخلهای قالب ε0 می باشد. مقدار فشار مکش قالب برابر با PT-P0 است. بنابراین خواهیم داشت. از طرف دیگری در بعضی از منابع آمده است که :فشار در مرز قالب گچی تقریبا برابر با فشار مکش تخلخل، P، است و تقریبا برابر است با مقدار فشار از رابطه ، است و تقریبا برابر است با مقدار فشار از رابطه Laplac که : P=Sσcosγ
که در آن S طرح ویژه گچ، σ کشش سطحی آب و γ زاویه تماس است. ( cosγ=1 چراکه گچ کاملا با آب تر می شود) بنابراین فشار مکش آن آب در کاپیلار گچ بین 0.03 – 0.1 Mpa متغییر می باشد. ریخته گری دوغابی بیشتر در تولید لایه های نازک در حدود 15mm مورد استفاده می شود چرا که سرعت ریخته گری بطور تحمیل شونده‌ای تابع مقاومت هیدرولیک می باشد. تاثیر پرامترهای فرایند ریخته گری دوغابی بروی سرعت ریخته گری از طریق یک مدل فیلتراسیون سینتیکی که بر پایه شکل شماتیک زیر می باشد مشخص شد. مدل پیش بینی می کند که سرعت افزایش ضخامت با گذشت زمان برابر خواهد بود بود که در آن :
mc ξ ضخامت لایه ریخته گری، t زمان ، P فشار نهایی موثر در فیلتراسیون و sξ چگونگی فصل مشترک سوسپانسیون-هوا در زمان فیلتراسیون ξm چگونگی فصل مشترک کیک- هوا در قالب گچی و η ویسکوزیته سوسپانسیون، c کسر حجمی ذرات جامد سوسپانسیون و n فاکتور توازن جرمی است. تحقیقاتی نیز از طریق شبکه هوش مصنوعی بروی عوامل موثر یر زمان ریخته گری شده است که بطور خلاصه در نمودار زیر خلاصه می شود.
قالب سازی
از آنجا که قالب سازی علمی است کاربردی و دارای ظرافت ها و پیچیدگی های بسیار، باید برای پیشبرد اهداف صنعتی توجه خاصی به آن داشت. اما متاسفانه در کشور ما این علم را در اکثر موارد فقط یک فن و هنر می دانند و به همین خاطر بسیاری از متخصصان و مهندسان ما هیچ اهتمامی نسبت به فراگیری و پیشبرد آن، بالعکس دیگر علوم ندارند. در اینجا سعی شده تا بیشتر حول قالب های دائم بحث شود. زیرا یکی از پایه های تولیدات صنعتی محسوب می شوند. در این قسمت بطور مختصر نام چند نوع قالب دائم را خواهید دید. هر کدام از این قالب ها دارای زیر شاخه های فراوانی می باشند
1- قالب های برش فلزی
2- قالب های خم فلزی
3- قالب های کشش فلزی
4- قالب های پلاستیک
5- قالب های نورد
6- قالب های باکالیت
7- قالب های دایکاست
8- قالب های فورج
9- قالب های اکستروژن
قالبهای دایکاست
قالب دایکاست عبارت است یک قالب دائمی فلز ی بر روی یک ماشین ریخته گری تحت فشار که برای تولید قطعات ریختگی تحت فشار بکار می رود. هدایت کردن فلز مذاب به درون حفره قالب توسط کانالهایی انجام می گیرد که به آن سیستم مدخل تزریق – راهگاه – گلویی گفته می شود.
ساختمان قالب
در زیر جنبه های مهم طراحی قالب را مورد برسی قرار می دهیم:
تقسیم قالب
همانطور که ذکر شدهر قالب دایکاست بصورت دو تکه است یعنی قالب ازیک نیمه ثابت(طرف تزریق)ویک متحرک (طرف بیرون انداز)تشکیل شده است. نیمه ثابت قالب (نیمه تزریق قالب) به کفشک ثابت ماشین ریخته گری تحت فشار مونتاژ می شود. در حالی که نیمه متحرک قالب (نیمه بیرون انداز قالب) به کفشک متحرک محکم می شود هر دو نیمه قالب در حالت آماده تزریق بسته هستند و با نیروی بسته نگهدارنده ای که از طرف ماشین ایجاد می گردد،در حالت بسته نگه داشته می شوند. سطح تماس هر دو نیمه قالب ، سطح جدایش قالب نامیده می شود. برای اجتناب از نفوذ فلز مذاب به خارج بایستی سطح قالب کاملاً آب بندی و از این جهت به صورت سطح سنگ زنی شده و یا هم سطح شده باشد. دقت انطباق صفحات قالب که روی هم قرار می گیرند اهمیت زیادی دارند .بهتر است که لبه خارجی در هر دو صفحه قالب حدواً 1 mm تا 2 mm تحت زاویه 45 پخ زده شوند. به این ترتیب از خرابی لبه ها توسط ضربه یا برخورد که منجر به تغییر شکل لبه ها می گردد و می توانند دقت انطباق را بر هم بزنند اجتناب می شود.
ساختمان عمومی قالبهای تزریق
قالب تزریق شامل مجموعه ای از قطعاتی است که ” محفظه” را تشکیل می دهند، مواد پلاستیک به داخل این محفظه تزریق شده و سرد می شوند. در محفظه قطعه تزریقی شکل می گیرد. بنابراین محفظه به بخشی از فضای قالب گفته می شود که به شکل قطعه تزریقی است و قطعه در آن شکل می گیرد. محفظه با دو عضو قالب شکل می گیرد:
الف- حفره: قسمت مادگی قالب است و شکل بیرونی قطعه را به وجود آورد.
ب- ماهیچه: قسمت نر قالب است و شکل داخلی قطعه را به وجود می آورد.
صفحات حفره ای و ماهیچه ای
این صفحات در شکل (2-1) برای یک ظرف شش گوش ساده نشان داده شده است. در این مورد قالب شامل دو صفحه است .در داخل یک صفحه حفره ایجاد شده که شکل آن مانند شکل بیرونی قطعه است. بنابراین، این صفحه را صفحه حفره می نامند. به صورت مشابه ماهیچه دارای شکل بر آمده از صفحه ماهیچه است و شکل آن مانند شکل داخلی قطعه تزریقی است. زمانی که قالب بسته شود، بین حفره و ماهیچه فضایی به شکل قطعه تزریقی به وجود می آید که آن را محفظه می نامند.
بوش تزریق
در هنگام تزریق مواد پلاستیک به صورت خمیر از نازل ماشین خارج شده و از طریق یک مسیر به محفظه قالب وارد می شود.ساده ترین نوع این مسیر یک سوراخ مخروطی شکل در داخل یک بوش است که در شکل(2-2) نشان داده شده است. مواد موجوددر این مسیر را اسپرو و بوش را بوش تزریق گویند.
سیستم راهگاه و ورودی
مواد پلاستیک مستقیما از طریق بوش تزریق (شکل2-2) وارد محفظه شده و در قالب هایی که دارای چند محفظه هستند (قالب هی چند محفظه ای)قبل از ورود مواد به محفظه، می باید این مواد از راهگاه و ورودی نیز عبور کنند(شکل2-3).
حلقه تنظیم
برای اینکه مواد پلاستیک بدون هیچ مانعی وارد قالب شوند،نازل ماشین و بوش تزریق می باید هم راستا باشند.برای اطمینان از این موضوع باید قالب در مرکز صفحه ماشین نصب شود.این هم مرکزی با استفاده از حلقه تنظیم امکان پذیر است.
میله ها و بوش های راهنما
در قالب گیری قطعه ای که ضخامت دیواره ها در آن مهم است و برای اطمینان از منطبق بودن حفره و ماهیچه که امری الزامی است با بکاربردن میله ها و بوشهای راهنما در دو لنگه قالب ،هنگام بستن قالب عمل انطباق به صورت رضایتبخشی انجام می شود.
شکل(2-4) یک نمونه را که در آن میله های راهنما در سمت ماهیچه و بوش های راهنما در سمت حفره نصب شده ،نشان می دهد.ابعاد میله راهنما باید به اندازه ای باشد که انطباق دو نیمه با توجه به نیروهای اعما ل شده به قالب امکان پذیر باشند. در شکل زیر همه قطعات پایه تشکیل دهنده یک قالب در یک برش مقطع از نقشه مونتاژ نشان داده شده است.
نیمه ثابت و نیمه متحرک
در شکل (2-4) مشاهده می شود که قطعات مختلف قالب در یکی از دو نیمه قالب جا می گیرند.نیمه ای که به صفحه ثابت ماشین بسته می شود (به صورت خط و نقطه نشان داده شده است) نیمه ثابت قالب نامیده می شود.نیمه دیگر قالب که به صفحه متحرک ماشین بسته می شود به صورت مختصر نیمه متحرک قالب نامیده می شود. اکنون بایستی تصمیم گرفت که حفره و ماهیچه را در کدام نیمه قالب نصب کرد.عموما به دلیلی که در زیر بیان می شود ماهیچه روی نیمه متحرک قالب نصب می شود: در زمان سرد شدن قالب قطعه تزریقی منقبض شده و در هنگام باز شدن قالب روی ماهیچه می چسبد.خواه ماهیچه روی نیمه ثابت و خواه روی نیمه متحرک قالب نصب شده باشد،این انقباض اتفاق می افتد.به دلیل انقباض در قطعه تزریقی عموما بایستی از یک سیستم پران استفاده کرد. اگر ماهیچه در سمت متحرک قالب نصب شود امکان تحریک سیستم پران ساده تر است. در قالب تک محفظه ای شکل(2-4) حفره در نیمه ثابت و ماهیچه در نیمه متحرک قالب نصب شده است.
فرآیند ریخته گری دوغابی (Slip Casting) یکی از روش های شکل دهی سرامیک ها است. ریخته گری دوغابی شامل ریختن یک دوغاب ریخته گری به داخل یک قالب متخلخل (معمولا از جنس گچ پاریس)، دادن زمان مناسب (از چند دقیقه تا چند ساعت) برای انتقال آب از دوغاب به قالب در اثر مکش لوله مویین، ایجاد یک لایه روی سطح و خارج کردن دوغاب اضافی است. این فرآیند به ریخته گری توخالی معروف است. در نوع دیگر این روش که ریخته گری تو پر نام دارد و در ابتدا برای بدنه های بهداشتی به کار برده می شد، تمام آب دوغاب به درون قالب جذب می شود. در هر دو مورد خشک شدن نسبی بدنه در قالب سبب کمی انقباض در بدنه می شود که خروج آن را از قالب برای خشک کردن کامل ممکن می سازد.
در ساده ترین حالت فرآیند ریخته گری دوغابی را می توان تنها یک فرآیند آب زدایی محض در نظر گرفت. چون حجم آب جذب شده توسط قالب معمولا کمتر از حجم تخلخل قالب است فشار مکش عملا ثابت است. مدت زمانی که دوغاب در داخل قالب باقی می ماند در قطر لایه ایجاد شده و یا به عبارت دیگر در ضخامت بدنه خام تاثیر بسیار زیادی دارد. بدین معنی که چنانچه دوغاب اضافی همچنان در قالب باقی مانده و تخلیه نگردد و اصطلاحا زمان بیشتری به دوغاب داده شود، قطر لایه ایجاد شده افزایش خواهد یافت. باید توجه داشت که با گذشت زمان سرعت تشکیل لایه ثابت نبوده و به مرور کند تر می شود چرا که در این شرایط، خود لایه ایجاد شده به صورت سدی در مقابل نفوذ آب به داخل گچ، عمل می نماید.
همچنان که مشاهده می شود این عامل که اصطلاح سرعت ریخته گری به آن اطلاق می گردد، عامل مهمی در تعیین قطر بدنه خام (و در نتیجه دیگر خصوصیات بدنه) و نیز سرعت تولید می باشد. به همین دلیل یکی از مهم ترین خواص دوغاب ها مقدار سرعت ریخته گری آن ها است. به طور مشخص سرعت ریخته گری عبارت است از ضخامت ایجاد شده در واحد زمان و عوامل موثر در آن کلا عبارتند از فشار، درجه حرارت، وزن مخصوص دوغاب و بالاخره مقاومت لایه ریخته گری شده در برابر عبور آب، دو عامل آخر و به خصوص آخرین عامل، مهم ترین مواردی هستند که عملا در صنعت مورد توجه هستند. مقاومت لایه ریخته گری شده در برابر عبور آب، خود به عوامل دیگری بستگی دارد که به طور خلاصه عبارتند از نوع و یا دانه بندی مواد و نیز چگونگی و با شدت روان شدگی (به عبارت دیگر تجمع و یا تفرق ذرات) ضمنا باید توجه داشت که در سرعت ریخته گری عوامل خارجی دیگری که ربطی به خواص دوغاب ندارند نیز موثر هستند، مانند تراکم و یا تخلخل قالب گچی و درصد رطوبت موجود در آن، ضخامت لایه ایجاد شده رابطه مستقیم با جذر زمان ریخته گری دارد بنابراین زمان و ضخامت لایه رابطه زیر برقرار خواهد بود:
در رابطه فوق L ضخامت لایه ایجاد شده (به میلی متر) و t زمان (به دقیقه) و K ضریب ثابت است. به همین دلیل سرعت ریخته گری معمولا به صورت mm2/min بیان می شود. رابطه فوق بدین معنی است که به عنوان مثال چنانچه ساخت فرآورده ای به ضخامت 1 میلی متر چهار دقیقه زمان احتیاج داشته باشد، ساخت فرآورده دیگری به ضخامت 2 میلی متر در همان شرایط به شانزده دقیقه زمان نیاز دارد.
عملا فرآیند ریخته گری دوغابی در واقع پیچیده تر از یک آب زدایی ساده است. گچ سفت شده دارای حلالیت قابل توجهی در آب است (معادل 400 میلی اکی والان Ca2+ درلیتر) و اعتقاد بر این است که تشکیل جداره ریخته شده با همراهی اثر فلوکولاسیون ناشی از مهاجرت یون های Ca2+ ازقالب گچی به درون دوغاب صورت می گیرد. این مهاجرت در واقع با استفاده از ایزوتوپ رادیواکتیو کلسیم به عنوان اتم نشان دار تصدیق شده است. عامل دیگری که سبب پیچیدگی موضوع می شود این است که معمولا برای ریخته گری دوغابی از دوغاب هایی استفاده شود که مقدار کمی خاصیت تیکسوتروپی داشته باشند، به طوری که تشکیل جداره ریخته گری شده به طور عادی با کمک و استقرار ساختمان داخلی تیکسوتروپی انجام گیرد. لازمه های یک دوغاب خوب ریخته گری در زیر آورده شده است:
1- باید قابلیت ریختن داشته باشد و بتواند گوشه های قالب را پر کند.
2- ذرات آن رسوب نکنند.
3- سرعت ریخته گری باید زیاد باشد ولی نه آنقدر که از کنترل خارج شود.
4- باید مرز بارز و مشخصی بین جداره ریخته شده و مابقی دوغاب وجود داشته باشد، به طوریکه مابقی دوغاب به خوبی تخلیه شود.
5- باید کمی انقباض خشک شدن وجود داشته باشد تا بدنه ریخته شده به راحتی از قالب جدا شود ولی انقباض نباید به حدی باشد که سبب تاب برداشتگی و ترک در طول عمل خشک شدن شود.
6- بدنه ریخته شده باید محکم بوده و استحکام خشک کافی داشته باشد.
7- در دوغاب نباید حباب های هوا محبوس شود، در غیر این صورت سبب ایجاد حفرات ته سوزنی در بدنه می شود.
8- دوغاب باید تا حد ممکن آب کمی داشته باشد تا از اشباع شدن بیش از حد قالب ها و طولانی شدن زمان خشک کردن جلوگیری شود.
حصول این لازمه ها مستلزم انتخاب مناسب مواد اولیه، آسیاب کردن تا حد کافی، تنظیم میزان بهینه فلوکولاسون و نیز غلظت ماده جامد و گاهی اضافه کردن افزودنی های مناسب می باشد.
واضح است که توزیع اندازه ذرات مواد اولیه مهمترین عامل است. سیستم دانه بندی نسبتا درشت سبب می شود که سرعت ریخته گری زیادی باشد، اما بدنه ریخته شده دانسیته و استحکام کمی خواهد داشت. علاوه بر این ذرات دانه درشت سریعا ته نشین شده و بدنه هاب حاصل انقباض خشک کمی دارند. از طرف دیگر یک سیستم ریزدانه کاملا فشرده، دانسیته و استحکام بدنه بیشتری می دهد اما سرعت ریخته گری آن کم خواهد بود. انقباض خشک این بدنه ها ممکن است بیش از حد زیاد بوده و تاب برداشتگی یا ترک خوردگی را به دنبال داشته باشد. انتخاب درجه دفلوکولاسیون و غلظت جامدات که برای بهترین شرایط ریخته گری دوغابی لازم است نیز باید در عمل با در نظر گرفتن چندین عامل که نسبت به یکدیگر در حاالت تعادل باشند صورت گیرد …