الزامات ریخته‌گری قطعات فولادی — راهنمای جامع طراحی، تولید، عملیات حرارتی و تضمین کیفیت برای سازندگان و خریداران

این مقاله مجموعه‌ای کاربردی و فنی از الزامات مهندسی در ریخته‌گری قطعات فولادی را پوشش می‌دهد: از طراحی برای ریخته‌گری (design for casting)، انتخاب مواد و متالورژی، فرایندهای قالب‌ریزی، محاسبهٔ گِیت و ریزر (gating & risering)، کنترل درجهٔ ریختگی و دما، عملیات حرارتی و بازرسی‌های غیرمخرب تا معیارهای پذیرش، بسته‌بندی و نگهداری قطعات نهایی. متن مناسب برای درج مستقیم در سایت شرکت‌های ریخته‌گری و استفاده در مشخصات فنی پروژه‌ها است.

ریخته‌گری فولاد (steel casting) یکی از پایه‌های صنعت ماشین‌سازی و صنایع سنگین است؛ قطعاتی مانند پوستهٔ پمپ‌ها، شافت‌ها، چرخ‌دنده‌ها، فریم‌ها و بلوک‌های ماشین‌آلات اغلب به‌صورت قطعات ریختگی فولادی تولید می‌شوند. کیفیت نهایی یک قطعهٔ ریختگی صرفاً به توان فنی و دستگاهی مجموعه بستگی ندارد؛ بلکه حاصل تصمیمات مهندسی در فاز طراحی، انتخاب آلیاژ، روش قالب‌سازی، کنترل دما و فرایندهای پس از ریختگی (مانند عملیات حرارتی، ماشینی‌کاری و تست‌ها) است. رعایت دقیق الزامات فنی در هر مرحله باعث کاهش دفعات اصلاح، افزایش قابلیتِ اطمینان در سرویس، بهبود خواص مکانیکی و در نهایت کاهش هزینهٔ چرخهٔ عمر قطعات می‌شود. انجمن‌ها و نهادهای تخصصی ریخته‌گری (مانند Steel Founders’ Society و American Foundry Society) دستورالعمل‌ها و استانداردهای مرجعی برای تولید ایمن و قابل‌اطمینان قطعات فولادی ارائه می‌دهند که در طراحی مشخصات فنی باید لحاظ شوند

بخش 1

محدودهٔ کاربرد و تعیین مشخصات فنی (Scope & Specification)

اولین گام در سفارش و تولید قطعات ریختگی فولادی، تعریف دقیق محدودهٔ کاربرد (service condition) و تدوین مشخصات فنی (technical specification) است. مشخصات فنی باید شامل موارد زیر باشد: عملکرد قطعه و شرایط سرویس (بارهای استاتیک/سایکل، دمای کاری، محیط خورنده)، الزامات هندسی (ابعاد، تلرانس‌ها پس از ماشین کاری)، جنس و گرید فولاد مورد نظر، خواص مکانیکی حداقلی (تنش تسلیم، استحکام کششی، سختی، ضربه)، نوع عملیات حرارتی مورد نیاز (آنیلینگ، نرمالایز، کوئنچ و تمپر)، طرح بسته‌بندی و ردیابی قطعه، و معیارهای پذیرش در بازرسی‌های چشمی و NDT. همچنین باید در مشخصات قید شود که چه روش‌هایی برای تایید خواص (آزمون کشش، آزمون ضربه چارپی، آنالیز شیمیایی، NDT) پذیرفته است. داشتن یک سند مشخصات کامل، موجب همگرایی بین خریدار و ریخته‌گر و کاهش مباحث حقوقی در تحویل قطعه می‌شود. انجمن‌های تخصصی ریخته‌گری و کاتالوگ‌های استاندارد در تدوین این بخش راهنمایی‌های دقیق دارند.

بخش 2

طراحی برای ریخته‌گری (Design for Casting)

طراحی قطعه برای قابلیت ریخته‌گری (design for casting) باید از همان ابتدا توسط مهندس طراح و تیم ریخته‌گری به‌طور مشترک انجام شود. اصول اساسی شامل: ایجاد تدریجی ضخامت‌ها (avoid sudden section changes) برای جلوگیری از تمرکز تنش و ایجاد نقاط سرد (hot spots)، فراهم کردن مسیر مناسب برای بیرون‌آمدن گازها و تخلیهٔ حباب‌ها (venting)، تعیین زوایای خروج (draft) در صورت نیاز، طراحی بازشوها و مسیر حذف کورها (core extraction) و توازن انقباض و ریزش فلز (shrinkage allowances). همچنین باید مکان‌هایی برای تسهیل عملیات پس‌فرآوری (ماشین‌کاری، سوراخ‌کاری، نصب قطعات فرعی) در نظر گرفته شود؛ از جمله گذاشتن سطوح تخت برای بستن جِیگ و فیکسچر. طراحان باید از پیچیدگی هندسی‌های نامعمول که باعث هزینهٔ بالا و عیوب داخلی می‌شوند پرهیز کنند و در عوض با انتخاب هندسهٔ بهینه و تقسیم‌بندی منطقی قطعه، قابلیت تولید و کیفیت نهایی را بهبود دهند. مشاوره‌های فنی تولیدکنندگان ریخته‌گری و مقالات صنعتی توصیه می‌کنند طراحی را با مدل سه‌بعدی و شبیه‌سازی جریان و انجماد (casting simulation) بررسی کرد.

بخش 3

انتخاب آلیاژ و ترکیب شیمیایی (Alloy Selection & Chemistry)

انتخاب گرید فولاد برای یک قطعه ریختگی نباید بر اساس نام یا سوابق کلی انجام شود؛ بلکه باید بر پایهٔ عملکرد مورد انتظار، شرایط محیطی و الزامات مکانیکی مشخص گردد. دسته‌بندی کلی شامل فولادهای کربنی (carbon steel castings) برای کاربردهای عمومی، فولادهای آلیاژی (alloy steel castings) برای شرایط بارگذاری بالا و مقاومت به سایش یا خستگی، و فولادهای زنگ‌نزن (stainless castings) برای محیط‌های خورنده است. هر گرید دارای محدودهٔ مشخصی از عناصر شیمیایی است که خواص نهایی را تعیین می‌کند؛ برای مثال افزایش منگنز یا کروم می‌تواند مقاومت به سایش و سختی را بهبود دهد، در حالی که عناصر مانند فسفر و گوگرد در حد زیاد می‌توانند تردی موضعی ایجاد کنند. آنالیز شیمیایی دقیق و کنترل سربارهٔ مذاب از الزامات اولیه است. در مشخصات فنی باید میزان مجاز عناصر، روش آنالیز (speсified analysis method) و پذیرش مطابق با استاندارد مدنظر (مثلاً ASTM A27 برای برخی کلاس‌های فولاد ریختگی) قید شود.

بخش 4

متالورژی ریختگی و رفتار انجماد (Solidification & Metallurgy)

متالورژی ریختگی رابطهٔ مستقیم با شرایط انجماد و سرعت خنک‌سازی دارد. در قطعات ضخیم، نرخ سردشدن کند باعث تشکیل ساختارهای درشت‌تر و احتمال جدایش عناصر (segregation) و تخلخل می‌گردد؛ در حالی که خنک‌سازی سریع می‌تواند منجر به تنش‌های درونی و ترک‌های گرمایی (hot tears) شود. فهم روند تشکیل فازها، کنترل سوختگی (pouring practice) و استفاده از طرح‌های ریزر و گِیت مناسب به تقلیل مشکلات کمک می‌کند. دانش متالورژیِ فولاد ریختگی شامل رفتار کاربیدها، توزیع عناصر آلیاژی، تأثیر گرافیت (در برخی چدن‌ها) و چگونگی اصلاح ساختار با عملیات حرارتی است. بهره‌گیری از شبیه‌سازی انجماد و تحلیل میکروساختار پس از نمونه‌برداری، بهبهود فرآیند و پیش‌بینی خواص قطعه کمک می‌کند.

بخش 5

فرایندهای ریخته‌گری متداول برای فولاد (Casting Processes for Steel)

برای فولاد، فرایندهایی که بیش‌تر کاربرد دارند شامل قالب‌ریزی ماسه‌ای (sand casting)، قالب‌ریزی پوسته‌ای (shell molding)، قالب‌ریزی در سانتریفیوژ (centrifugal casting) برای قطعات شلنگی/لوله‌ای و روش‌های خاص سرمایه‌بر مانند investment casting (برای قطعات دقیق) هستند. هر فرایند مزایا و محدودیت‌های خود را دارد: sand casting از نظر اقتصادی برای قطعات بزرگ مناسب است ولی ممکن است دقت سطحی کمتری داشته باشد؛ shell molding دقت و کیفیت سطح بهتری ارائه می‌کند اما هزینهٔ قالب بالاتری دارد؛ centrifugal برای قطعات استوانه‌ای بسیار مناسب است زیرا جدایش ناخالصی‌ها به بیرون هدایت می‌شود. انتخاب فرایند باید براساس هندسه، اندازه، خواص مورد نیاز و تیراژ تولید انجام شود.

بخش 6

طراحی گِیت (gating)، ریزر (riser) و سیستم راهگاهی (gating system)

طراحی صحیح سیستم گِیت و ریزر برای کنترل الگوی جریان مذاب و جبران انقباض (shrinkage) بسیار حیاتی است. هدف اصلی از گِیتینگ ایجاد ورود منظم و بدون آشفتگی مذاب، کاهش ورود گاز و کاهش جداشدگی (inclusion) و فراهم کردن مسیر برای پر کردن کامل قالب است. ریزرها به‌عنوان منابع تغذیهٔ مذاب در هنگام انجماد عمل می‌کنند تا حفرهٔ انقباضی ایجاد نشود. انتخاب تعداد، اندازه و محل ریزرها باید براساس شبیه‌سازی انجماد و تجربیات عملی تعیین شود؛ قرارگیری ریزرها در قسمت‌های ضخیم‌تر که دیرتر سرد می‌شوند معمول است. خطا در گِیتینگ می‌تواند منجر به پرت‌های زیاد، عیوب سطحی و داخلی و افزایش هزینهٔ بازسازی شود.

بخش 7

انتخاب ماسه و مواد قالب، ساخت کور (Mold & Core Materials)

در ریخته‌گری ماسه‌ای، نوع ماسه (سیلیسی، رزینی، اکسترود شده) و سیستمی که برای اتصال/بایند کردن ماسه استفاده می‌شود (بایندرهای رزینی، فِنوئیک یا شن-گل) کیفیت سطح، نرخ نفوذ گاز، و پایداری ابعادی را تعیین می‌کنند. کورها (cores) معمولاً از ترکیبات ماسه‌ای متراکم ساخته شده و باید قابلیت تحمل دمای مذاب و پایداری ابعادی را داشته باشند تا شکل‌های توخالی یا کانالی ایجادشده در قطعه به‌دقت حفظ شود. انتخاب نوع کور و روش پخت (cured, air-set, CO2) باید با توجه به پیچیدگی هندسی و میزان نفوذپذیری گاز انجام گردد تا از مشکل گیر افتادن گاز و ایجاد حفره جلوگیری شود.

بخش 8

آماده‌سازی مذاب، کنترل ترکیب و دمای ریختن (Melt Preparation & Pouring Temperature)

کنترل دقیق ترکیب شیمیایی مذاب، حذف ناخالصی‌ها (slag removal) و تنظیم دمای ریختن از مرحله‌های کلیدی است. دمای ریختن باید بالاتر از دمای مایع فولاد باشد به‌قدری که سیالیت کافی برای پر کردن قالب ایجاد کند ولی زیادتر از حد موجب اکسیداسیون شدید، گاززدگی و مشکلات سطحی شود. بوته و کوره‌ها باید شرایطی پایدار داشته باشند و عملیات تصفیه (degassing, deslagging) به‌دقت انجام گیرد. همچنین باید توجه داشت که زمان بین ذوب و ریختن (hold time) و تماس مذاب با سطوح اکسیدی می‌تواند کیفیت نهایی را تحت تأثیر قرار دهد.

بخش 9

جلوگیری و پیشگیری از عیوب رایج (Common Defects — Prevention)

عیوب ریخته‌گری بسیار متنوع‌اند: تخلخل گازی (gas porosity)، تخلخل انقباضی (shrinkage porosity)، ترک‌های گرم (hot tears)، cold shuts، inclusionها، segregation و hot spots. شناخت علت هر عیب و اجرای اقدامات کنترلی در طراحی سیستم راهگاهی، کنترل مذاب و دما، طراحی ریزر و تهویهٔ مناسب، و انتخاب مواد قالب و کور، می‌تواند از وقوع آن‌ها جلوگیری کند. مقالات و مطالعات علمی و صنعتی روش‌های پیشگیری و عیب‌یابی مفصلی ارائه کرده‌اند که کاربردی‌ترین آن‌ها شامل شبیه‌سازی جریان و انجماد، کنترل محتوای گاز در مذاب و بهینه‌سازی سیستم راهگاهی است.

بخش 10

عملیات حرارتی (Heat Treatment) و دلایل آن

عملیات حرارتی پس از ریختن برای بهبود یکنواختی خواص، حذف تنش‌های داخلی، ریزساختارسازی و اصلاح خواص مکانیکی در اغلب گریدهای فولادی ضروری است. استانداردهای مرجع برای فولاد ریختگی (مثلاً برخی گریدها تحت ASTM A27 و مشخصات مرتبط) الزاماتی دربارهٔ نوع عملیات حرارتی — مانند آنیلینگ کامل، نرمالایز، نرمالایز و تمپر یا قوس و تمپر — دارند. عملیات حرارتی باید پس از اجازهٔ کافی برای خنک شدن اولیهٔ قطعه انجام شود و پروفایل دما، زمان نگه‌داری و نرخ سردسازی باید طبق مشخصات ماده و خواص موردنظر تنظیم گردد. عملیات حرارتی مناسب می‌تواند مقاومت در خستگی، چقرمگی و یکنواختی خواص را به‌طور چشمگیری بهبود بخشد.

بخش 11

آزمون‌ها و کنترل کیفیت (Testing & Quality Control)

کنترل کیفیت در ریخته‌گری فولاد شامل آنالیز شیمیایی (OES یا wet chemistry)، آزمون‌های مکانیکی (آزمون کشش، سختی، ضربه چارپی)، بازرسی چشمی و تست‌های غیرمخرب (NDT) است. روش‌های NDT رایج عبارت‌اند از رادیوگرافی صنعتی (RT)، اولتراسونیک (UT)، ذرات مغناطیسی (MT) و تست نفوذ مایع (PT). انتخاب روش مناسب بسته به نوع عیوب موردنظر، ضخامت قطعه و دسترسی‌پذیری بخش‌ها تعیین می‌شود. برنامهٔ نمونه‌برداری و پذیرش باید در مشخصات فنی قید شود تا اطمینان حاصل شود قطعات تولیدشده با خواص مورد انتظار مطابقت دارند.

بخش 12

تعمیر، جوشکاری و عملیات بازسازی (Welding & Repair of Castings)

در بسیاری از مواقع، قطعهٔ ریختگی آسیب‌دیده را می‌توان با روش‌های مرمت و جوشکاری بازسازی کرد؛ اما جوشکاری روی قطعات ریختگی فولادی نیازمند آماده‌سازی دقیق، پیش‌گرم (preheat) و پس‌گرم/تنش‌زدایی پس از جوش (postheat) بر اساس دستورالعمل‌های متالورژیکی است تا ترک‌های حرارتی و هوازدگی سرباره جلوگیری شود. در برخی موارد نیاز است از فیلرهای مخصوص و متناسب با آلیاژ پایه استفاده گردد. مطالعات نشان می‌دهند اگر جوشکاری توسط پرسنل واجد صلاحیت و با پروسیجر واجد تایید انجام شود و پس از آن تست‌های NDT و عملیات حرارتی مناسب اجرا شود، عملکرد سرویس قطعه تحت تاثیر نامطلوب قابل‌توجهی قرار نخواهد گرفت.

بخش 13

ماشین‌کاری و پرداخت پس از ریختگی (Machining & Finishing)

قطعات ریختگی معمولاً با مقداری اضافیِ ماشین‌کاری (machining allowance) تولید می‌شوند تا پس از پرداخت، ابعاد نهایی و تلرانس‌های دقیق حاصل گردد. میزان اضافهٔ ماشین‌کاری بسته به دقت فرایند ریخته‌گری انتخاب می‌شود؛ قالب‌های دقیق‌تر و روش‌هایی مانند shell molding یا investment casting نیاز به allowance کمتری دارند. در عملیات ماشین‌کاری باید به سختی سطحی، وجود لایهٔ اکسیدی و احتمال وجود ناخالصی‌ها توجه کرد تا ابزار و پارامترهای براده‌گیری مناسب انتخاب شود. پرداخت نهایی می‌تواند شامل سند بلاست، پرداخت شیمیایی یا پوشش‌دهی برای محافظت در برابر خوردگی باشد.

بخش 14

معیارهای پذیرش (Acceptance Criteria & Standards)

معیارهای پذیرش قطعات ریختگی باید در مشخصات خرید به‌وضوح ذکر شوند: چه عیوبی مجاز هستند (مثلاً شیارهای سطحی کوچک)، چه محدودهٔ تخلخل قابل‌قبول است، محدودهٔ خواص مکانیکی، نحوهٔ نمونه‌گیری و روش‌های تست. استفاده از استانداردهای مرجع و دستورالعمل‌های انجمن‌های ریخته‌گری به ایجاد توافق منطقی بین خریدار و تولیدکننده کمک می‌کند و از اختلافات احتمالی جلوگیری می‌نماید. در بسیاری از قراردادها، در صورت عدم تطابق با مشخصات، روش‌های اصلاح (repair) و سقف قیمت اصلاح قید می‌شود.

بخش 15

بسته‌بندی، حمل و نقل و نگهداری قطعات ریختگی (Packaging & Handling)

قطعات ریختگی به‌دلیل وزن و حساسیت به ضربه و خراش باید بسته‌بندی‌ایمن و مناسب داشته باشند. نکات کلیدی شامل محافظت از سطوح ماشینی‌شده، مهار مناسب در تریلی یا کانتینر برای جلوگیری از لغزش و ضربه، و استفاده از مواد پوششی برای جلوگیری از خوردگی در مسیر حمل است. همچنین باید مستندات مربوط به ردیابی، شمارهٔ قطعه و تاریخ تولید روی بسته‌بندی درج شود تا در هنگام نصب یا خدمات پس از فروش، اطلاعات لازم در دسترس باشد.

بخش 16

مسائل زیست‌محیطی و ایمنی در ریخته‌گری (Environmental & Safety Considerations)

ریخته‌گری فولاد فرایندی پرمصرف انرژی و تولیدکنندهٔ آلاینده‌ها (ذرات معلق، سرباره، گازهای احتراقی) است؛ رعایت مقررات زیست‌محیطی و استانداردهای ایمنی کارگری ضروری است. مدیریت درست سرباره و پساب، کنترل انتشار ذرات و استفاده از تجهیزات تهویهٔ محلی (local exhaust) به‌همراه استانداردهای PPE برای کارکنان باید در سیستم مدیریت محیط زیست و ایمنی شرکت گنجانده شود. همچنین برنامه‌های آموزش ایمنی برای کارکنان ریخته‌گری و تیم بازرسی باید به‌صورت مداوم اجرا شود.

بخش 17

مستندسازی کیفی و ردیابی (Traceability & Documentation)

هر قطعهٔ ریختگی باید با شمارهٔ کوره (heat number)، شمارهٔ ریخته‌گری، آنالیز شیمیایی و نتایج تست‌های مهم همراه باشد تا در صورت بروز مشکل در سرویس، بتوان منشاء را دنبال کرد. سیستم مدیریت کیفیت کارخانه باید رکوردهای ذوب، پروفایل‌های عملیات حرارتی، نتایج NDT و گزارشات بازرسی را نگه‌دارد. این اطلاعات در مسائل گارانتی و تحقیقات پس از خرابی (RCA) کلیدی‌اند.

بخش 18

مطالعهٔ نمونه و درس‌های آموخته‌شده (Case Study — Example)

مثال: در یک پروژهٔ صنعتی یک پوستهٔ پمپ ریختگی فولادی پس از چند ماه کار در سرویس با نشتی‌های موضعی و شکست جزئی مواجه شد؛ با آنالیز ریزساختار و NDT مشخص شد مشکل از انقباض موضعی و تخلخل داخلی در قسمت ضخیم بوده که ناشی از طراحی نامناسب ریزر و دمای ریختن پایین بوده است. اصلاح شامل بازطراحی مسیر ریزر، افزایش دمای ریختن و اجرای عملیات نرمالایز پس از ریختن شد؛ پس از اجرا، قطعات بعدی بدون خطا تولید شدند و دوام سرویس به‌طور چشمگیری افزایش یافت. این نمونه اهمیت هماهنگی طراحی، کنترل فرآیند و عملیات حرارتی را نشان می‌دهد.

بخش 19

چک‌لیست عملی برای سفارش و تولید (Practical Checklist)

برای تسهیل کار مهندسین و خریداران، فهرستی عملی شامل: تعریف دقیق مشخصات سرویس، انتخاب گرید و ترکیب شیمیایی، درخواست پروفایل عملیات حرارتی، تعیین روش‌های NDT و معیار پذیرش، تعیین تلرانس‌های ماشینی، مشخص نمودن روش بسته‌بندی و ردیابی، و تعیین مسئولیت‌های پرداخت هزینهٔ اصلاح یا تست‌ها ضروری است. این چک‌لیست باید به‌عنوان پیوست قرارداد خرید ضمیمه شود تا سوءتفاهم‌ها کاهش یابد.

بخش 20

جمع‌بندی و توصیه‌های کلیدی (Summary & Key Recommendations)

ریخته‌گری قطعات فولادی یک پروسهٔ چندگانه و حساس است که کیفیت نهایی وابسته به انتخاب درست مواد، طراحی اصولی برای ریخته‌گری، کنترل دقیق مذاب و دما، گِیتینگ و ریزر مناسب، عملیات حرارتی بهینه و برنامهٔ جامع بازرسی و NDT است. توصیه می‌شود همیشه در مراحل اولیه پروژه، تیم طراحی و ریخته‌گری همزمان مشارکت داشته باشند، مشخصات فنی کاملی تدوین شود، و از شبیه‌سازی و تجربیات سابق برای بهینه‌سازی فرآیند استفاده گردد. رعایت استانداردها و مستندسازی دقیق، کلید کاهش ریسک و تضمین عرضهٔ قطعات مقاوم و قابل‌اطمینان است.