ما هو الصب بالجاذبية؟ الرؤى الرئيسية للمصنعين

في أيام التصنيع الحديثة، يعد صب المعادن أمرًا بالغ الأهمية عندما يتعلق الأمر بإنتاج مكونات ذات أشكال هندسية معقدة ذات جودة عالية. ومن أكثر الطرق فعالية للقيام بذلك هي عملية الصب بالقالب بالجاذبية. هذه العملية هي مزيج من الدقة والكفاءة والفعالية من حيث التكلفة؛ ومن ثم فهي الحل المفضل لصناعات مثل السيارات والفضاء والمعدات الصناعية. في جوهرها، تتضمن عملية الصب بالقالب بالجاذبية استخدام قوة الجاذبية لملء قالب من المعدن دون الحاجة إلى استخدام معدات الضغط العالي، مما يجعل العملية غير معقدة في إعدادها. إذا كنت طالباً في الهندسة، أو مدير إنتاج، أو مجرد مهتم بتقنيات الصب، فإن التعرف على الصب بالجاذبية أمر بالغ الأهمية لتبني نظرة عامة لإنتاج المعادن.

يتناول هذا المقال المبادئ الأساسية لصب الألومنيوم بالقالب بالجاذبية وكيفية إجرائه والعوامل المهمة مثل درجة الحرارة والوقت ونوع المواد المستخدمة، بالإضافة إلى مزاياه وعيوبه، إلى جانب التطبيقات الشائعة.

كيف يعمل صب الألومنيوم بالقالب بالجاذبية؟

صب الألومنيوم بالقالب بالجاذبية هو عملية صب القالب الدائم التي يتم تطبيقها عادةً لتصنيع الأجزاء المعدنية غير الحديدية من الألومنيوم. تتضمن عملية صب الألومنيوم بالقالب بالجاذبية صب معدن الألومنيوم المنصهر في قالب معدني قابل لإعادة الاستخدام بتأثير الجاذبية فقط. وبالاستغناء عن الصب بالقالب بالضغط العالي الذي يستخدم ضغط آلاف البوصة المربعة لضغط المعدن في القالب، فإن الصب بالجاذبية يستخدم قوى الجاذبية الطبيعية وحدها، مما يسمح لسبائك المعدن المنصهر بالتدفق في تجاويف القالب دون قيود.

فيما يلي العملية النموذجية التي تنطوي على هذا النشاط:

1. بعد التسخين المسبق إلى حوالي 150-300 درجة مئوية لتجنب الصدمة الحرارية وتعزيز التدفق السلس للمعدن، يتم دفع القالب المعدني (المصنوع عادةً من الحديد الزهر أو الفولاذ) نحو القالب المعدني.
2. يتم تغطية القالب بمادة تشحيم مصنوعة من السيراميك أو الجرافيت لضمان عدم التصاق المعدن المنصهر به.
3. يتم سكب المعدن المنصهر (في شكل ألومنيوم أو مغنيسيوم أو سبيكة نحاس) الذي يتم تسخينه إلى حوالي 650-750 درجة مئوية (حسب نوع المادة) في القالب.
4. يتم دفع المعدن المصهور في تجويف القالب عبر ذرب ويشغل القالب بأكمله تحت تأثير الجاذبية.
5. يتصلب القالب في حدود 20 إلى 90 ثانية حسب الحجم والمادة.
6. ثم يتم فتح القالب، ويتم إخراجه يدوياً أو إزالته من القالب.
7. قبل أن يصل المنتج إلى اللمسات النهائية، يتم قطع المواد الزائدة من العدّائين واللفائف.

ونظرًا لأن العملية تنطوي على استخدام الجاذبية وليس الضغط الميكانيكي، فإن إعداد المعدات يكون مبسطًا وعادةً ما تكون تكاليف الصيانة وكذلك تكاليف الأدوات أقل.

عملية الصب بالقالب بالجاذبية خطوة بخطوة

تحظى تقنية الصب بالقالب بالجاذبية بشعبية لسهولة تكرارها كما أنها قادرة على إنتاج معدن عالي الجودة بتفاوتات ضيقة. وعلى عكس الصب بالقالب بالضغط العالي، فإنها تطبق قوة الجاذبية وحدها وتملأ تجويف القالب، مما يجعل العملية برمتها أكثر فعالية من حيث التكلفة وأقل تعقيداً من الناحية الميكانيكية.

فيما يلي دليل تفصيلي خطوة بخطوة حول كيفية إجراء عملية صب الألومنيوم بالقالب بالجاذبية في إعداد عادي:

1. تحضير القالب

تُستخدم العملية الأولية في صب الألومنيوم بالجاذبية في تحضير القالب، أو ما يُعرف بالقالب. وعادةً ما يُستخدم الفولاذ أو الحديد الزهر في صنع هذه القوالب التي تُستخدم للاستخدامات المتكررة. يتم تنظيف القالب بشكل صحيح بعد صب أي معدن وذلك لإزالة أي بقايا متبقية من المسبوكات السابقة.

بعد التنظيف، يتم تسخين القالب مسبقًا عند درجة حرارة تتراوح بين 150 درجة مئوية و300 300 درجة مئوية. يعني التسخين المسبق أن سبائك الألومنيوم المنصهرة لا يتم تبريدها بسرعة كبيرة عند التلامس، مما يؤدي إلى عيوب مثل الإغلاق البارد أو الملء غير الكافي. يتم وضع عامل تحرير، وعادةً ما يكون من الجرافيت أو طلاء من السيراميك، على السطح الداخلي للقالب. ويؤدي ذلك وظيفتين: ضمان عدم التصاق سبيكة الألومنيوم المنصهر على القالب، والمساعدة في الحصول على تشطيب أكثر سلاسة على المنتج النهائي.

2. ذوبان سبائك الألومنيوم

ويلي تحضير القالب صهر السبيكة المعدنية المختارة. يتم وضع كميات السبائك المعدنية في الفرن وصهرها إلى درجة حرارة الصب التي تعتمد على السبيكة. على سبيل المثال، عادةً ما تكون نقاط انصهار سبائك الألومنيوم في نطاق 650 درجة مئوية - 750 درجة مئوية، في حين أن السبائك النحاسية قد تتطلب نقاط انصهار تتراوح بين 900 درجة مئوية و1100 درجة مئوية.

ومن الأهمية بمكان توفير تحكم دقيق في درجة حرارة الانصهار. قد يؤدي الإفراط في التسخين إلى زيادة الأكسدة أو امتصاص الغاز، في حين أن التسخين الناقص قد يؤدي إلى ملء غير كامل للقوالب أو ضعف الخواص الميكانيكية.

3. صب المعدن المنصهر سبيكة

عند الوصول إلى درجة حرارة الصهر المناسبة، يتم صب المعدن المنصهر في القالب المسخن مسبقاً. في عملية الصب بالجاذبية، لا يتم استخدام أي قوة ميكانيكية أو حتى ضغط. حيث تتسبب الجاذبية في تدفق سبائك الألومنيوم بالوسائل الطبيعية إلى مدخل تجويف القالب من خلال مجموعة من الرفارف والبوابات.

ستحتاج هذه الخطوة إلى صب بطيء ومضبوط حتى لا يحدث اضطرابات، والتي يمكن أن تحبس الغازات وتؤدي إلى مسامية في الصب. في بعض الأنظمة المتقدمة، هناك إمكانية إمالة القالب ببطء شديد أثناء الصب - الصب بالجاذبية المائلة لخلق تدفق معدني سلس ومتساوٍ.

4. ملء تجويف القالب

بمجرد أن يخترق المعدن المنصهر القالب، فإنه يملأ جميع أجزاء التجويف تحت شكل القالب. تصميم القالب مهم جدًا في هذه المرحلة. ستعمل أنظمة البوابات المصممة بشكل صحيح على توزيع المعدن لتجنب الاضطرابات، أو البقع الباردة، أو المناطق التي يحتمل أن يحدث بها انكماش.

نظرًا لاستخدام الجاذبية وحدها لتدفق المعدن، فمن الضروري أن يتم صب المعدن بالسرعة ودرجة الحرارة المناسبتين. قد يتسبب عدم التحكم في التدفق في حدوث عيوب مثل التعبئة غير المكتملة أو الإغلاق البارد - الأماكن التي تتلامس فيها جبهتان معدنيتان ولكن لا تنصهران معًا.

5. التصلب والتبريد

بعد ملء التجويف إذا تم ملء التجويف، تبدأ السبيكة المعدنية المنصهرة في التبريد وتصبح صلبة. يعتمد وقت التبريد على حجم الصب ومدى تعقيده وكذلك نوع المعدن المستخدم. على سبيل المثال، يمكن أن تتصلب أجزاء الألومنيوم الصغيرة في وقت مبكر يتراوح بين 20 و30 ثانية، بينما قد تستغرق الأجزاء الكبيرة أو الأكثر سمكًا 60-90 ثانية وأكثر.

يتم تبريد القالب في معظم الحالات بالماء للمساعدة في التحكم في معدل التبريد. ويعزز التبريد المتحكم فيه تحسين بنية الحبيبات والضغوط الداخلية، ويقلل من هذه الضغوط، وبالتالي يجعل المسبوكات أقوى وموثوقة.

6. فتح القالب وإزالة الجزء

يتم فتح القالب بعد تصلب سبيكة الألومنيوم. واعتمادًا على التصميم، يمكن إزالة الصب يدويًا أو إخراجه من خلال الضغط الذي توفره دبابيس القاذف الميكانيكية المدمجة في القالب. ونظراً لأن الصب بالدرجة يستخدم قالباً معدنياً، يمكن إعادة استخدام القالب لآلاف الدورات، وبالتالي فإن العملية فعالة من حيث التكلفة لعمليات التشغيل المتوسطة إلى الكبيرة الحجم.

بقدر ما يجب القيام بإزالة الأجزاء، يجب توخي الحذر لضمان عدم تلف الصب أو القالب. عند هذه النقطة، لا يزال الصب قد ترك المواد الزائدة من العدائين والبوابات، والتي يجب إزالتها في الخطوة التالية.

7. التشذيب والتشطيب

يميل الصب المستخرج إلى أن يستلزم معدنًا إضافيًا، والذي يتم ربطه بنظام الذرب والبوابات. يتم قطع هذه المادة ميكانيكيًا باستخدام منشار أو مقصات أو أدوات طحن. يمكن أن تشمل عمليات التشطيب الأخرى إزالة الأزيز أو السفع بالخردق أو التصنيع الآلي أو المعالجة الحرارية، حسب الحالة، لمواصفات المنتج.

الغرض من هذه المرحلة هو تحسين شكل الصب وزيادة دقة الأبعاد وتهيئته للوظيفة النهائية أو أعمال التجميع.

8. التفتيش ومراقبة الجودة

العملية الأخيرة في طريقة الصب بالقالب بالجاذبية هي الفحص. يتم اختبار العيوب السطحية وتفاوتات الأبعاد والعيوب الداخلية للمسبوكات بشكل موثوق. يتم إجراء عمليات الفحص البصري أولاً، واعتمادًا على ما هو مطلوب، تليها تقنيات أخرى أكثر تقدمًا مثل:

• يتم طلب إجراء اختبار الأشعة السينية لتحديد المسامية الداخلية أو الانكماش.
• الشقوق السطحية باستخدام اختبار الصبغة المخترقة.
• اختبار الموجات فوق الصوتية للتحقق من الاتساق الهيكلي
• اختبار الضغط، خاصةً لمكونات مناولة السوائل

لا يتم الإفراج إلا عن تلك المسبوكات التي اجتازت جميع فحوصات الجودة لاستخدامها أو تسليمها للعملاء. وعادةً ما يتم صهر الأجزاء المرفوضة وإعادة تدويرها، مما يقلل من هدر المواد.

أنواع الصب بالقالب بالجاذبية

الصب بالقالب بالجاذبية هو عملية متعددة الاستخدامات تأتي بأشكال مختلفة تهدف إلى تلبية مختلف الأشكال الهندسية للأجزاء والمواد والإنتاج مع احتياجات مختلفة. على الرغم من الحفاظ على جوهر الفكرة - ملء قالب معدني بمساعدة الجاذبية - إلا أن عملية الصب بالجاذبية لها أنواع محددة، أو بالأحرى طرق محددة تطبقها جهات تصنيع مختلفة لتلبية تطبيق معين.

1. صب القوالب الدائمة بالقالب الدائم بالجاذبية

هذا هو الصب بالقالب بالجاذبية الأكثر شيوعاً. يتم إنتاج أحجام كبيرة بنفس المكوّن باستخدام قالب معدني قابل لإعادة الاستخدام (غالباً من الفولاذ أو الحديد الزهر). يتم تسخين القالب مسبقاً ثم يوضع عليه عامل تحرير ويملأ بالمعدن المنصهر. ثم يتم استخراج الجزء من القالب بعد التصلب حيث يتم إعادة تدويره.

التطبيقات: مكونات السيارات، وتركيبات خطوط الأنابيب، وأغطية المضخات

المزايا: دقة أبعاد عالية، ولمسة نهائية جيدة للسطح، وقالب طويل العمر

2. صب القوالب بالجاذبية المائلة

يميل القالب ببطء أثناء عملية الصب بهذه الطريقة. وهذا يمكّن المعدن المنصهر من ملء تجويف القالب ببطء وبشكل متساوٍ بحيث يتم تجنب الاضطرابات وفرص انحباس الغاز أو الانغلاق البارد.

التطبيقات: المكونات أو الأجزاء رقيقة الجدران أو الأجزاء المعرضة لانحباس الهواء فيها

المزايا: تحسين السلامة الداخلية، وتحسين السطح، وتقليل حدوث العيوب

3. الصب بالقالب بالجاذبية المنخفضة الضغط (هجين)

من الناحية الفنية، هذه فئة منفصلة، ذ على الرغم من أن البعض قد يعتبرها نوعًا مختلفًا حيث يتم تطبيق ضغط غاز منخفض (عادةً 0.7 - 1.5 بار) على المعدن المنصهر ودفعه برفق إلى القالب. وتضيف فوائد بساطة الصب بالجاذبية بالإضافة إلى بعض فوائد التحكم في الضغط.

التطبيقات: كما أن عجلات المركبات والمكونات الهيكلية للمركبات مصنوعة من مصبوبات عالية التكامل.

المزايا: تحسين التحكم في تدفق المعادن، وتحسين الخواص الميكانيكية

4. الصب بالجاذبية بمساعدة الرمل

وتتضمن هذه الطريقة استخدام أنوية رملية يتم إدخالها في القالب المعدني حيث تسمح بتشكيل التجاويف الداخلية أو التجاويف السفلية التي لا يمكن إنشاؤها باستخدام قالب معدني صلب فقط.

التطبيقات: مكونات المحرك المعقدة، وأجسام الصمامات

المزايا: تتيح تصنيع أجزاء متطورة مع الاستمتاع بالعمر الطويل للقالب الدائم. 

الجدول: أنواع الصب بالقالب بالجاذبية

المواد المستخدمة في الصب بالقالب بالجاذبية 

تُعد عملية الصب بالقالب بالجاذبية واحدة من أكثر عمليات الصب بالقالب الدائم شيوعًا؛ ويتم تطبيقها في الغالب في السبائك غير الحديدية. يجب أن تكون المواد المستخدمة في هذه العملية قادرة على أن تكون ذات سيولة عالية ونقاط انصهار معتدلة وقابلية صب ممتازة، بحيث يمكن للمعدن المنصهر أن يعمل دون عيوب من خلال القدرة على ملء تجويف القالب. ونظرًا لأن الصب بالجاذبية يستخدم الجاذبية فقط لملء القالب دون ضغط خارجي، فإن اختيار المواد عامل أكثر أهمية لتحقيق دقة الأبعاد وجودة السطح والقوة. تشمل المواد الرئيسية المستخدمة أثناء الصب بالقالب بالجاذبية ما يلي;

سبائك الألومنيوم

الألومنيوم هو المادة الأكثر استخدامًا في عملية الصب بالقالب بالجاذبية نظرًا لخصائصه الخفيفة الوزن وخصائصه الاستثنائية المقاومة للتآكل وسهولة الصب. تشمل سبائك الألومنيوم النموذجية A356 وASi12 وA319. وتوفر هذه السبائك مزيجًا جيدًا من القوة والليونة والتوصيل الحراري، مما يجعلها مناسبة لقطع غيار السيارات مثل كتل المحرك ورؤوس الأسطوانات ومبيت ناقل الحركة وغيرها من قطع الهيكل.

وعادة ما تنصهر سبائك الألومنيوم المستخدمة في الصب بالقالب بالجاذبية عند درجة حرارة تتراوح بين 660 درجة مئوية و750 درجة مئوية. يتدفق الألومنيوم المنصهر في القالب المعدني بسلاسة، ويبرد بسرعة، مع تشكيل بنية كثيفة دقيقة الحبيبات. ويمكن تزويدها أيضاً بالمعالجة الحرارية T5 أو T6، مما يحسّن الأداء الميكانيكي. ويعطي الصب بالجاذبية في الألومنيوم دقة عالية في الأبعاد، وتشطيبًا جيدًا للسطح، وعمرًا طويلًا أبدًا عندما تتم صيانة القالب جيدًا.

السبائك القائمة على النحاس

الصب بالجاذبية ممكن أيضًا مع سبائك النحاس، وخاصة البرونز والنحاس الأصفر. وتطبق هذه المواد حيثما تكون هناك حاجة إلى مقاومة عالية للتآكل، وقوة ممتازة، وموصلية حرارية/كهربائية فائقة. على سبيل المثال، تُستخدم المسبوكات البرونزية في مجالات مثل المراوح البحرية وأغطية المضخات والمحامل، في حين أن استخدام النحاس الأصفر يكون في مجالات مثل تركيبات السباكة وأجهزة الزينة.

عندما يتعلق الأمر بدرجات حرارة انصهار السبائك ذات الأساس النحاسي تكون أعلى، في نطاق 1000 درجة إلى 1200 درجة مئوية. وهذا يضع مادة القالب لتحمل الإجهاد الحراري ومن المتوقع أن يتم التحكم في عملية الصب بشكل جيد لمنع الأكسدة وعيوب الانكماش. يمكن إجراء الصب بالجاذبية باستخدام سبائك النحاس لتقديم أجزاء قوية مع خدمة متميزة في الظروف القاسية إذا تم التحكم فيها بشكل صحيح.

سبائك المغنيسيوم

يتم دمج سبائك المغنيسيوم في الصب بالقالب بالجاذبية عندما يكون تصميم الهياكل خفيفة الوزن مصدر قلق رئيسي، بما في ذلك تطبيقات الفضاء الجوي والسيارات. تشمل بعض السبائك الشائعة سبائك AZ91D التي تجمع بين التوازن الجيد بين القوة وقابلية الصب ومقاومة التآكل. وتتمثل فائدتها الرئيسية في كثافتها المنخفضة التي تبلغ حوالي 1.8 جم/سم مكعب، مما يعني أنها أخف المعادن الهيكلية المستخدمة.

يتم تسييل سبائك المغنيسيوم عند درجة حرارة تتراوح بين 600 درجة مئوية و650 درجة مئوية. وبسبب تفاعليتها العالية، يجب صبها في بيئات واقية أو بمساعدة التدفقات لتجنب الأكسدة والاحتراق. ومع ذلك، فإن الصب بالجاذبية يتيح إنتاج مكونات المغنيسيوم بدرجة جيدة من الدقة وأقل نفايات مقارنةً بإجراءات التشكيل الأخرى.

سبائك الزنك

على الرغم من أن الزنك أكثر ملاءمة لعمليات الصب بالضغط العالي، إلا أنه يُستخدم أيضًا في الصب بالجاذبية لتطبيقات محددة، وتحديدًا الأجزاء الصغيرة المتقاربة ذات التفاوتات الأكثر دقة. يتم استخدام سبائك الزنك، مثل الزماك 3 والزماك 5، بسبب انخفاض درجة انصهارها (حوالي 385 درجة مئوية)، والسيولة الجيدة، وتكرار التفاصيل الدقيقة في القوالب.

تُستخدم مصبوبات الزنك بالجاذبية في المنتجات الإلكترونية والمنتجات الاستهلاكية والأجزاء الميكانيكية منخفضة التحميل. الفائدة الرئيسية لاستخدام الزنك في الصب بالجاذبية هي القدرة على صنع حواف حادة وميزات دقيقة دون الحاجة إلى الكثير من عمليات التصنيع. ومع ذلك، نظرًا لقوته الميكانيكية المنخفضة مقارنةً بالألومنيوم أو النحاس، لا يمكن تطبيقه إلا في الاستخدامات غير الهيكلية.

سبائك الألومنيوم المعززة بالسيليكون

تُعد سبائك الألومنيوم الغنية بالسيليكون مثل AlSi12 مثالية لصب القوالب بالجاذبية لأن السيليكون المضاف يزيد من السيولة ويقلل من الانكماش ويزيد من مقاومة التآكل. تُستخدم هذه السبائك على نطاق واسع في أجزاء المحركات، وفي أعضاء المكابح، وفي العلب الهيدروليكية، حيث يكون ثبات الأبعاد والقوة أمرًا مهمًا.

يعمل محتوى السيليكون الذي يقع في نطاق 7-12% على تحسين قدرة السبيكة على ملء أشكال القوالب المعقدة دون تمزق ساخن أو مسامية غازية. تتبلور هذه السبائك باستمرار، مما يؤدي إلى تقليل العيوب وقليل من المعالجة اللاحقة.

بدائل الصب بالقالب بالجاذبية

الصب بالقالب بالجاذبية هي تقنية شائعة التطبيق في تصنيع الأجزاء المعدنية ذات الحجم المتوسط إلى الكبير ذات الخصائص الميكانيكية اللائقة. ولكنها ليست دائماً الخيار الأفضل. في حين أن عددًا من العوامل مثل تعقيد الجزء، والتشطيب السطحي المطلوب، والتكلفة وحجم الإنتاج هي العوامل الرئيسية في تحديد نوع تقنيات الصب. قد يلجأ المصنعون في مثل هذه الحالات إلى استخدام عمليات صب بديلة مختلفة أخرى بديلة. فيما يلي فحص دقيق للبدائل الرئيسية للصب بالجاذبية ونقاط قوتها وضعفها وتطبيقاتها المعتادة.

الصب بالرمل

طريقة الصب الأكثر تقليدية ومرونة هي الصب بالرمل. وهي تتضمن العمل مع تجويف القالب من خلال تحضير خليط من الرمل لتشكيله والذي عادةً ما يتم ربطه بالطين أو المواد الكيميائية الرابطة. يتم استخدام نمط مصنوع عادةً من الخشب أو المعدن لتشكيل القالب الرملي. بعد تشكيل القالب، يتم ملء المعدن المنصهر في التجويف.

هذه العملية جيدة بشكل خاص لحجم الإنتاج المنخفض إلى المتوسط، أو الأجزاء الكبيرة، أو الأجزاء ذات الهياكل الهندسية الداخلية المعقدة التي لا يمكن تحقيقها بسهولة في القالب المعدني الصلب. يعتبر الصب بالرمل أرخص نسبيًا فيما يتعلق بتكلفة الأدوات، وبالتالي فهو مناسب للنماذج الأولية أو الطلبات المخصصة.

ومع ذلك، فإن الصب بالرمل يؤدي إلى تشطيبات قاسية ودقة أبعاد أقل بالمقارنة مع الصب بالقالب بالجاذبية. يتم إتلاف القالب بعد كل استخدام، وبالتالي يصبح وقت الإنتاج وهدر المواد أعلى في عمليات التشغيل بكميات كبيرة. ومع ذلك، يعد الصب بالرمل خيارًا مرنًا عندما تكون تكلفة الإعدادات منخفضة في الأولوية.

الصب بالقالب عالي الضغط

يستخدم الصب بالقالب عالي الضغط (HPDC) حقن المعدن المنصهر في قالب فولاذي تحت ضغط عالٍ، أي ما بين 600 و1200 بار (ضغط 1). تتيح هذه الطريقة إمكانية إنشاء أشكال معقدة بدقة أبعاد كبيرة وجودة سطح عالية وبسرعات عالية.

يعتبر HPDC مفيدًا بشكل خاص عند تصنيع الأجزاء رقيقة الجدران، والتي لن يكون من الممكن صبها بتقنية الجاذبية فقط للجاذبية فقط. إنها ممارسة شائعة في صناعات السيارات والإلكترونيات والأجهزة. كما أن أوقات الدورات القصيرة والمستويات العالية من القدرات الآلية تجعلها فعالة من حيث التكلفة للإنتاج بكميات كبيرة جدًا.

تتمثل العيوب الرئيسية عند مقارنتها بالصب بالقالب بالجاذبية في الأدوات باهظة التكلفة، بالإضافة إلى الميل إلى انحباس الغاز، مما قد يؤدي إلى حدوث مسامية في المنتج المصبوب النهائي. أيضًا، بسبب الضغط العالي، عادةً ما تقتصر العملية على المكونات الأصغر حجمًا وقد لا تكون قابلة للاستخدام في الأجزاء الأكبر أو الأكثر سمكًا.

الصب بالقالب منخفض الضغط

صب القالب بالضغط المنخفض (LPDC) هو نسخة معدلة من الصب بالجاذبية. فبدلاً من مجرد صب المعدن المنصهر في القالب، يتم تطبيق ضغط إيجابي (بين 0.7 إلى 1.5 بار) في حجرة الفرن مما يؤدي إلى ارتفاع المعدن المنصهر إلى القالب من خلال أنبوب يسمى الأنبوب الصاعد.

توفر هذه الطريقة مزيدًا من التحكم في تدفق المعدن وتقلل من مخاطر مسامية الغاز. ويتم تطبيقها عادةً في التطبيقات التي تتطلب أجزاءً عالية التكامل مثل حالة عجلات السيارات وأجزاء الألومنيوم الهيكلية. كما تؤدي طريقة الصب بالقالب بالجاذبية إلى تحسين الصفات الميكانيكية ومعدلات الخردة مقارنةً بالصب بالقالب بالجاذبية.

ومع ذلك، فإن هذه السيطرة المتزايدة لها ثمنها. فالتقنية أكثر تعقيدًا وتكلفة والعملية أطول. وحتى في ظل هذه الظروف، غالبًا ما يتم اختيار LPDC عندما تكون هناك حاجة إلى جودة صب أفضل وسلامة داخلية.

الصب بالطرد المركزي

يتضمن الصب بالطرد المركزي تدوير القالب بسرعة عالية بالإضافة إلى صب المعدن المنصهر فيه. تعمل قوى الطرد المركزي على دفع المعدن بقوة على جدران القالب مما يساعد على تقليل المسامية وإنشاء بنية دقيقة الحبيبات للغاية.

هذه التقنية مناسبة للأجزاء الأسطوانية أو الأنبوبية؛ أي الأنابيب والحلقات والبطانات. ونظرًا للتبلور الاتجاهي والتكوين الكثيف، تميل الأجزاء المشكّلة إلى أن تكون لها خواص ميكانيكية عالية وخصائص تآكل منخفضة.

ومع ذلك، فإن الصب بالطرد المركزي مقيد إلى حد كبير في هندسة الأجزاء - لا يمكن استخدامه إلا عندما يتعلق الأمر بأشكال متماثلة، ويصعب تنفيذ السمات الداخلية المعقدة. كما أن الإعداد الأولي والمعدات الأولية متخصصة للغاية، وهو ما يثبت أنه عائق أمام بعض العمليات. ومع ذلك، في حالة الأجزاء المستديرة عالية الأداء، يمثل الصب بالطرد المركزي خيارًا جيدًا مقارنةً بالصب بالجاذبية.

الصب الاستثماري (الصب بالشمع المفقود)

الصب الاستثماري، الذي يُشار إليه أيضًا باسم الصب بالشمع المفقود، هو عملية إنشاء شكل شمعي للجزء المراد إنتاجه، ووضع سيراميك (طلاء)، وصهر الشمع ليترك تجويفًا. ثم يتم صب المعدن الساخن في هذا التجويف لإنتاج الجزء النهائي.

تُعد هذه العملية قيّمة للغاية نظرًا لقدرتها على صنع أجزاء معقدة ومفصلة للغاية ذات شكل صافي تقريبًا. وهي مثالية للمكونات الصغيرة والمتوسطة الحجم نسبيًا التي تحتاج إلى دقة أبعاد عالية وميزات جمالية ذات تشطيب سطحي عالي الجودة مثل شفرات التوربينات ومكونات الفضاء الجوي والمجوهرات.

بالمقارنة مع الصب بالقالب بالجاذبية، يتميز الصب الاستثماري بمعدل إنتاج أبطأ وتكلفة عالية لكل جزء، خاصةً عندما يكون الحجم كبيرًا. كما أن القوالب يمكن التخلص منها ولها خطوات أكبر. ومع ذلك، بالنسبة للأجزاء المعقدة التي لا يمكن القيام بها من خلال الصب بالجاذبية، فإن الصب الاستثماري هو الخيار الأفضل عادةً.

متى تستخدم البدائل؟

يعتمد اختيار أفضل بديل لعملية الصب بالقالب بالجاذبية على احتياجات الجزء وظروف الإنتاج. على سبيل المثال، سيكون الصب بالرمل مثاليًا للقطع التي تُصنع لمرة واحدة أو الأجزاء الكبيرة والثقيلة. أما الصب بالقالب عالي الضغط فهو مناسب للإنتاج على نطاق واسع حيث الحاجة إلى التفاصيل الخشنة. ويُعد الصب بالقالب منخفض الضغط مثاليًا إذا كانت الأغراض تستدعي تعزيز السلامة الداخلية. لا يمكن التغلب على الصب بالطرد المركزي عندما يتعلق الأمر بالأجزاء المستديرة، في حين أن الصب الاستثماري هو الأنسب للعناصر المعقدة والدقيقة للغاية.

مع كل طريقة، ستحصل على مجموعة مختلفة من المقايضات فيما يتعلق بالسعر والأدوات والسرعة وجودة الجزء. أثناء القيام بذلك، يكمن القرار عادةً في التوازن بين هذه العوامل، مع الوظيفة والجانب الجمالي للمنتج النهائي.

معلمات العملية: درجة الحرارة والضغط والوقت 

تؤثر العديد من المعايير الفنية على نجاح الصب بالقالب بالجاذبية:

1. درجة حرارة الصب

وعادة ما يكون هذا عادةً 650 - 750 درجة مئوية لسبائك الألومنيوم. يمكن أن يتسبب الإفراط في الصب الساخن في حالة الصب الساخن في انحباس الغازات والمسامية. بارد جدًا، قد لا يدخل المعدن في القالب بالكامل.

2. درجة حرارة القالب

يتم عادةً تسخين قوالب القوالب إلى 150 - 300 درجة مئوية. سيضمن القالب المسخن مسبقًا عدم تصلب المعدن في وقت قريب جدًا وسيصبح تدفق المعدن أكثر سلاسة.

3. وقت التبريد

يجب السماح للمعدن بالتصلب قبل إزالته بعد الصب. وتختلف أوقات التبريد وفقًا للسبيكة وهندسة الجزء، ولكنها تتراوح عادةً بين 20 - 90 ثانية.

4. الجاذبية فقط (بدون ضغط خارجي)

لا يستخدم الصب بالجاذبية أي قوة خارجية مقارنةً بالصب بالقالب بالضغط. هذه البساطة لها تأثير على تقليل التكاليف وتآكل المعدات.

5. التشحيم والطلاء

يتم تشحيم أسطح القوالب لتسهيل تحريرها وتشطيب سطحها. وتشمل بعض الطلاءات النموذجية نيتريد البورون ومعلقات الجرافيت.

يجب التحكم في هذه المعلمات الثلاثة بشكل جيد للغاية لتحسين المسبوكات عالية الجودة مع الحد الأدنى من أوجه القصور مثل المسامية والانكماش والإغلاق البارد.

تطبيقات الصب بالقالب بالجاذبية 

تُعد عملية الصب بالقالب بالجاذبية واحدة من ممارسات صب المعادن الشائعة التي وجدت تطبيقًا واسعًا في مجموعة متنوعة من الصناعات نظرًا لقدرتها على إنتاج أجزاء دقيقة وطويلة الأمد ومعقدة من المعادن غير الحديدية. وتوفر هذه العملية قابلية عالية للتكرار وخصائص ميكانيكية ملائمة وتحكمًا دقيقًا في الأبعاد مما يجعل العملية قابلة للتطبيقات الهيكلية والوظيفية على حد سواء. فيما يلي القطاعات الرئيسية وبعض الأمثلة التي يتم فيها استخدام الصب بالجاذبية بشكل حاسم.

1. صناعة السيارات

تُعد صناعة السيارات من أكبر مستهلكي مكونات قوالب الصب بالجاذبية. هذه التقنية مثالية لـ تصنيع الأجزاء التي يجب أن تتميز بالقوة ومقاومة الحرارة وثبات الأبعاد.

تشمل التطبيقات الرئيسية ما يلي:

• رؤوس الأسطوانات وكتل المحرك
• ملاقط الفرامل والأسطوانات الرئيسية
• دعامات التعليق وأذرع التحكم
• أغلفة ناقل الحركة

يمكّن الصب بالجاذبية من إنشاء أشكال هندسية معقدة ذات أسطح داخلية ملساء، وهو أمر مهم للغاية لنقل السوائل بكفاءة في المحركات والمكابح. تعمل المكونات في درجات حرارة تتراوح بين 90 و120 درجة مئوية، ولكن قوة المادة هي مصدر قلق رئيسي في التصميم.

2. الطيران والفضاء

إن تقليل الوزن والموثوقية مهمان في التطبيقات الفضائية. يُستخدم الصب بالقالب بالجاذبية للأجزاء التي تتطلب أن تكون خفيفة الوزن وفي نفس الوقت متينة دون أي تنازلات فيما يتعلق بالأبعاد ومقاومة التعب.

تشمل المسبوكات الفضائية الجوية النموذجية ما يلي:

• دعامات التركيب
• مكونات السكن
• أنظمة مجاري الهواء
• أغطية المحرك

عادةً ما يتم اختيار سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم للأجزاء الفضائية الجوية بسبب ارتفاع نسبة قوتها/وزنها. يجب أن تتحمل المسبوكات الأحمال الجوية، والتغيرات في درجات الحرارة من -55 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية أثناء الطيران، والاهتزازات الميكانيكية أثناء الطيران.

3. الآلات الصناعية

يُستخدم الصب بالجاذبية في الآلات الثقيلة والمعدات الصناعية لإنتاج الأجزاء التي تحتاج إلى قوة ومقاومة للتآكل تحت ضغط متزايد.

تشمل المكونات الشائعة ما يلي:

• علب التروس
• أغلفة المضخة
• أجسام الضاغط
• المشعبات

عادةً ما تكون هذه المسبوكات من نوع سبائك الألومنيوم أو البرونز، مع وجود بعض التصميمات التي تحتوي على اختلافات في سمك الجدار وتجاويف داخلية معقدة. يمكن أن تختلف ضغوط التشغيل من 10 بار إلى 150 بار، حسب النظام.

4. حاوية الكهرباء والإلكترونيات

يُستخدم الصب بالجاذبية في صب العبوات المقاومة للحرارة والمقاومة للتآكل للمكونات الكهربائية والإلكترونية الحساسة.

التطبيقات النموذجية:

• علب المحرك
• أجسام تركيبات الإضاءة
• صناديق التوصيل
• زعانف التبريد لأجهزة الطاقة

يجب أن توفر المكونات تبديدًا ممتازًا للحرارة وثباتًا في الأبعاد مع منع العوامل البيئية، بما في ذلك الغبار والرطوبة، من التطفل. وتُستخدم سبائك الألومنيوم والسيليكون على نطاق واسع لهذه الأغراض بسبب توصيلها الحراري ومقاومتها للتآكل.

5. الملاحة البحرية وبناء السفن

تتطلب التطبيقات البحرية مواد مقاومة للتآكل بفعل المياه المالحة، وتتحمل أيضًا التعرض المستمر للرطوبة. تُستخدم قوالب الصب بالجاذبية للتوصل إلى أجزاء قوية تعمل بشكل موثوق في مثل هذه الظروف.

وتشمل الأمثلة على ذلك:

• علب المراوح
• أجسام الصمامات
• أغلفة مضخة المياه
• التركيبات والوصلات

والمواد المعتادة المستخدمة هنا هي البرونز وسبائك الألومنيوم والبرونز. ومن المرجح أن تكون هذه المسبوكات أكثر إحكامًا للضغط وتعمل في ظروف الرطوبة العالية والتعرض للملح ودرجات حرارة تتراوح بين 5 درجات مئوية و50 درجة مئوية.

6. معدات زراعية

تُعد المنتجات المصبوبة بالجاذبية والمزودة بقنوات تبريد داخلية جانباً قيماً من جوانب الآلات الزراعية بسبب مقاومتها لعناصر مثل الصدمات الميكانيكية والتآكل البيئي والتعرض للأسمدة أو التربة.

تشمل مكونات مصبوب الجاذبية ما يلي:

• أجسام الصمامات الهيدروليكية
• أغطية علبة التروس
• دعامات التركيب
• وحدات الإسكان PTOs (أنظمة سحب الطاقة)

تعمل هذه القطع عادةً في الهواء الطلق تحت نطاق واسع من درجات الحرارة (-20 درجة مئوية حتى 50 درجة مئوية) وتحتاج إلى العمل حتى في ظروف الاتساخ والاهتزازات والتآكل.

7. المنتجات والأجهزة الاستهلاكية

يتم استخدام الصب بالجاذبية أيضًا في إنتاج الأجزاء الزخرفية والوظيفية في المنتجات الاستهلاكية، والتي يجب أن تكون قوية وزخرفية في آن واحد.

تشمل التطبيقات ما يلي:

• مقابض الأبواب والأقفال
• قواعد الإضاءة
• أواني الطهي
• علب الأدوات

تميل العديد من هذه الأجزاء إلى استخدام سبائك الزنك أو الألومنيوم بسبب تشطيب سطحها الاستثنائي وقدرتها على الاحتفاظ بالتفاصيل الدقيقة مع القليل من التشغيل الآلي للصب.

براعة الصب بالقالب بالجاذبية

تتجلى براعة الصب بالقالب بالجاذبية في القدرة على صنع أجزاء معدنية قوية ودقيقة ومعقدة من مختلف الصناعات. من صناعة السيارات وصناعة الطيران إلى المنتجات البحرية والاستهلاكية، تقدم عملية الصب هذه حلاً متينًا حيث تكون الأولوية للسلامة الهيكلية والتشطيب السطحي ودقة الأبعاد وما إلى ذلك.

إن استخدام القوالب الفولاذية القابلة لإعادة الاستخدام، والسبائك غير الحديدية، بالإضافة إلى تدفق المعادن التي يتم تغذيتها بالجاذبية، يجعلها حلاً فعالاً وموثوقاً لاحتياجات الإنتاج الحديثة.

مزايا الصب بالقالب بالجاذبية

هناك العديد من الفوائد الرئيسية لاستخدام الصب بالجاذبية:

• خواص ميكانيكية أفضل: 

ونتيجة للتصلب الأقل سرعة، تصبح الحبيبات أكثر اتساقًا في الشكل، ومن ثم، تتحقق قوة عالية.

• قوالب قابلة لإعادة الاستخدام: 

يمكن إعادة استخدام القوالب المعدنية لآلاف الدورات، مما يقلل من تكلفة القطعة الواحدة.

• طلاء السطح المحسّن: 

على عكس الصب بالرمل، فهي ليست فقط تشطيبات نهائية أكثر سلاسة ولكنها تتطلب أيضًا معالجة آلية أقل.

• دقة أبعاد جيدة: 

يمكن الحصول على تفاوتات في حدود ± 0.1 مم.

• صديقة للبيئة: 

كما أن عملية الصب بالقالب بالجاذبية مستدامة أيضًا نظرًا لإمكانية إعادة استخدام القوالب المستخدمة وقلة النفايات التي يتم التخلص منها نسبيًا.

ونظرًا لهذه الفوائد، يفضل العديد من المصنعين الصب بالجاذبية على غيره مثل الصب بالرمل، عندما يكون الحجم والجودة كلاهما مطلوبًا.

حدود الصب بالجاذبية

إن عملية الصب بالقالب بالجاذبية، مثل جميع العمليات الأخرى، لها بعض العيوب، على الرغم من أنها مفيدة في حد ذاتها:

• ارتفاع تكاليف الأدوات: 

بالمقارنة مع الصب بالقالب بالضغط، فإن سعر القوالب المعدنية أعلى نسبيًا من القوالب الرملية.

• تقتصر على الأشكال البسيطة:

يجب أن تكون هذه التفاصيل الدقيقة والتقطيعات السفلية صعبة بدون قلب معقد.

• أوقات الدورات الأطول: 

يتميز بوقت دورة أبطأ عند مقارنته بالصب بالضغط العالي بسبب التدفق الطبيعي والتبريد.

• يتطلب عملية ماهرة: 

تُعد مقابض درجة الحرارة والتوقيت حاسمة في تجنب العيوب.

يجب أن يؤخذ هذا القيد في الاعتبار عند اتخاذ قرار استخدام الصب بالجاذبية لجزء معين.

الخاتمة

يُعد الصب بالقالب بالجاذبية طريقة عملية وفعالة ودقيقة لتصنيع قطع العمل المعدنية خاصة في السبائك غير الحديدية مثل الألومنيوم والنحاس. وباستخدام الجاذبية بدلاً من الضغط الخارجي، تتميز هذه العملية بجودة عالية للسطح ودقة الأبعاد بالإضافة إلى أنها تنتج جسمًا سليمًا من الناحية الهيكلية، وهذا هو السبب في أن هذه الطريقة شائعة في العديد من الصناعات.

إذا كنت تقوم بتصنيع قطع غيار السيارات، أو مكونات الطيران، أو العلب الصناعية، فإن الصب بالجاذبية يمنحك نتيجة فعالة من حيث التكلفة ومتسقة. من خلال التحكم الدقيق في المعلمات مثل درجة حرارة الصب ودرجة حرارة القالب وطول فترة الإعداد، سيتمكن المنتجون من إنتاج مصبوبات محددة للغاية من حيث الأداء والموثوقية.

نظرًا للحاجة المتزايدة إلى قطع معدنية خفيفة وقوية وصديقة للبيئة، فإن صب القوالب بالجاذبية هي تقنية حيوية في نموذج التصنيع المعاصر.