طرح توجیهی تولید فوم های سرامیکی
در انواع عملیات ریخته گری فلزات مرحله فیلتراسیون برای خارج کردن ناخالصی ها و بهبود کیفیت قطعه نهایی مورد نیاز است، بر اساس نوع عملیات مورد نظر فیلتر ممکن است در دمای بالا و یا در یک محیط خورنده مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین فیلترهایی با مقاومت دمایی و خوردگی بالا مورد نیاز است.
فیلتر فوم های سرامیکی دارای این خصوصیات هستند و کاربردهای بسیار گسترده ای پیدا کرده اند، یکی از عمده ترین موارد مصرف آنها به عنوان فیلتر مذاب در فیلتراسون مذاب فلزات حین ریخته گری انواع قطعات است. از دیگر کاربردهای آنها می توان به عنوان مثال به فیلتراسون گاز خروجی از اگزوز موتورهای دیزل اشاره کرد.
فیلترهای مصرفی در صنایع ریخته گری فلزات معمولا به دو صورت فیلترهای فومی و سلولی هستند و در این میان ۷۵% مصرف سالیانه را در آمریکا فیلترهای فومی به خود اختصاص می دهند و این امر به دلیل کارایی بالا تر آنها در میان انواع فیلترهای دیگر می باشد.
فیلتر فوم های سرامیکی در حدود ۳۰ سال پیش به صنایع ریخته گری فلزات معرفی گردید و در انواع مختلف از نظر اندازه حفرات، شکل و ترکیبات مختلف موجود می باشند، که بسته به شرایط کاربرد (دمای کاربرد، وزن و حساسیت قطعه و فلز ریخته گری شونده) نوع مناسب آن انتخاب می گردد.
وجود ناخالصی های غیر فلزی یکی از شایع ترین عیوبی است که ریخته گران فلزات با آن مواجه هستند. حضور این ناخالصی ها اثر مخربی روی سطح نهایی قطعه ریخته گری شده، خواص مکانیکی و خواص ماشین کاری آن می گذارند به حدی که یک جابجایی شدید و یا بسته بندی محکم می تواند باعث تخریب قطعه شود.
روش سنتی که برای کنترل این ناخالصیها به کار می رفت همیشه موفقیت آمیز نبود. در دهه گذشته افزایش استفاده از فیلترهای فوم های سرامیکی در ریخته گری اکثر آلیاژها و فلزات آخال زدایی از آنها را تضمین کرده است. در این میان صنعت ریخته گری به موفقیت های بیشتری دست یافت، بدلیل اینکه قطعات آن با کیفیت بهتر و ناخالصی کمتر تولید میشد، قطعات ریختگی بسیار اقتصادی تر و مطمئن تر از گذشته شدند.
آخال هایی که اکثرا غیر فلزی هستند و هنگام ریخته گری ایجاد می شوند، می توانند منابع گوناگونی داشته باشند که شامل سرباره، کف مذاب، گداز آورهای باقی مانده از عمل ذوب، ذرات دیرگداز کوره ها، ملاقه ها و بوته ها، اکسیدهای به وجود آمده به علت تلاطم هنگام ریخته گری و ذرات ماسه جدا شده از قالب ها و ماهیچه ها می باشند.
روشهایی برای کنترل این آخال به وسیله ملاقه ها طراحی و آماده شده است اما با وجود دقت بسیار و حتی در بهترین شرایط هم باز آخالها و ناخالصی ها منجر به از رده خارج شدن نمونه های ریختگی میشد علاوه بر این، طراحی راهگاه های پیچیده و سیستم تغذیه برای به دام انداختن سرباره، بازده ریخته گری را به طور محسوسی کاهش داد.
به طور ایده آل استفاده از فوم های سرامیکی به این معناست که سیستم تغذیه می تواند برای هدف اصلی خود که رهایی قطعات از حفره های ریخته گری است مورد استفاده قرار گیرد، در حالی که آخال زدایی توسط فیلترها کنترل می شود برای اینکه یک قطعه بدون آخال بدست آید و همچنین بازده کار افزایش یابد.
عمده ترین نقش فیلتر فوم های سرامیکی در صنعت متالوژی خارج کردن ناخالصی های مذاب فلز قبل از ورود به قالب است. ناخالصی موجود در مذاب فلز باعث گسستگی در ساختار قطعه ریخته شده می شود و خواص مکانیکی و ماشین پذیری قطعه را کاهش می دهد.
موارد مصرف و کاربرد
فیلتر فوم های سرامیکی در محدوده وسیعی از ترکیبات مختلف اکسیدی و غیر اکسیدی تولید و مصرف می شوند مانند:
- سیلیکون کاربیدی
- آلومینایی
- مولایتی
- زیرکونیایی
- اسپینلی
لازم به ذکر است که هر کدام از این ترکیبات برای کاربرد خاص خود مورد استفاده قرار می گیرد، به عنوان مثال فیلترهای آلومینایی برای مذاب آلومینیوم، مولایتی برای سوپر آلیاژها و سیلیکون کاربیدی برای مذاب چدن مورد استفاده قرار می گیرند، که به دلیل مصرف بیشتر چدن در صنعت متالوژی فیلتر فوم های سرامیکی سیلیکون کاربایدی نسبت به سایر انواع مصرف گسترده تری دارند.
عمده فیلتر فوم های سرامیکی استفاده شده در صنعت سیلیکون کاربایدی و آلومینایی می باشند:
- سیلیکون کارباید: سیلیکون کارباید کاندیدایی برای استفاده در قطعات دما بالا و مقاوم به سایش است. در گذشته از قطعات سرامیکی از جنس آلومینا و اکسیدهای دیگر بسیار کم استفاده می شد. اما در سالهای اخیر نقطه نظرهای مستدلی برای استفاده از سرامیک ها به عنوان مواد مهندسی به جای فلزات و آلیاژهای بسیار سخت در محیطهای خشن (دمای بالا، بار زیاد، خوردگی زیاد و …) وجود دارد. که این محیطها اجازه استفاده از چنین آلیاژها و فلزاتی را نمی دهند. امروزه نیتریدها، کاربیدها و دیگر مواد با پیوند کووالانسی به علت مقاومت زیاد در برابر حرارت و خصوصیات ویژه بیشمار دیگر مورد توجه قرار گرفته اند. علاوه بر سیلیکون نیتراید ,4 Si 3 NO توسعه و گسترش سرامیک های سیلیکون کاربایدی در اثنای دهه های اخیر با سرعت زیادی صورت گرفته است. کاربید سیلیسیم مادهای حیاتی در صنعت است که به خاطر کاربردهای وسیعش اهمیت روزافزونی می یابد. این ماده دارای شکل پذیری بالاست که در صنعت برای کاربردهای مختلف مثل مقاومت به خوردگی زیاد، مقاومت به سایش بالا و در کاربردهای دما بالا مثل شوک حرارتی استفاده میشود. گرچه در گستره وسیعی مصرف شده و چندین دهه است که در صنعت در دسترس است اما اگر کاربرد مناسب آن در نظر گرفته نشود این ماده غیر قابل استفاده خواهد شد. انتخاب مواد مناسب برای یک کاربرد مورد نظر بسیار مهم بوده و باعث سوددهی برای مصرف کننده می شود.
- آلومینا: آلومینا دارای خواص ویژه ای است که از آن به عنوان یک ماده سرامیکی مهم یاد کرده اند آلومینا نقطه ذوب بالایی حدود C ۲۰۵۰ دارد و نسبت به حملات شیمیایی مقاوم است و خواص الکتریکی و مکانیکی قابل قبولی از خود نشان می دهد. به خاطر همین خواص در ترکیبات دیرگداز شمع اتومبیل و در وسایل الکتریکی کاربرد زیادی دارد. البته دارای معایبی هم هست، از جمله این که به دلیل سخت بودن خرد کردن آن برای رسیدن به ریزی مورد نظر دشوار است.
آلومینا می تواند به فرم های کریستالی وجود داشته باشد. مینرال طبیعی آن کراندوم است. آلومینا به صورت ترکیب با سیلیس و دیگر مینرالها در طبیعت موجود است. استفاده صحیح از فیلتر فوم های سرامیکی، توانایی انتشار آخال را کاهش می دهد.
روشی که این فیلترها برای جدا سازی مواد دیرگداز و پوشش دهنده قالب به کار می گیرند روشن است، یعنی این کار توسط به دام انداختن فیزیکی این ناخالصیها انجام می گیرد. به دام انداختن و حذف سرباره از مذاب نیز بدین گونه صورت می گیرد که سرباره با فیلتر برخورد کرده و به آن زینتر می شود و از جریان مذاب خارج می گردد.
اکسیدهای ایجاد شده بواسطه تلاطم مذاب با به کار بردن فیلتر فوم های سرامیکی کاهش می یابد به علت شکل خاص فیلترها و مشبک بودن آنها، جریان مذاب و تلاطم آن به طور موثر کم شده و احتمال ایجاد اکسیدها کاهش می یابد علاوه بر این،
استفاده از فیلترها این امکان را می دهد که از سیستم های راهگاهی بدون فشار استفاده شود. از آنجایی که فیلترها سرباره، تفاله و کف مذاب را می گیرند نیازی به استفاده از سیستم راهگاهی تحت فشار نیست.
مزیت های استفاده از فیلتر فوم های سرامیکی در متالورژی
1- کاهش ضایعات: استفاده از فیلتر فوم های سرامیکی در ریخته گری فلزات، بدلیل خارج کردن ناخالصیهای غیر فلزی از مذاب فلز، باعث کاهش تعداد ضایعات و دوباره کاری بدلیل وجود آخال می شود.
2- بهبود خواص بدلیل حذف آخال توسط فیلتر بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی و دینامیکی قطعات ریخته شده به وجود می آید.
3- ماشین کاری بهتر آخال زدایی از سطح قطعات ریخته شده باعث میشود سطح نهایی قطعات بهتر و شکست قطعات کاهش یابد، به طوری که در بعضی نمونه ها تلرانس ماشین کاری به طور چشمگیری کاهش می یابد.
4- ساده شدن سیستم بارریزی با استفاده از فیلتر فوم های سرامیکی می توان از سیستم مستقیم و کوتاه بارریزی مذاب استفاده کرد و وسایل کنترل سنتی و پر حجم سرباره مانند اسپینرها، گستردگی های راهگاه و… را حذف نمود. در نتیجه بازده ریخته گری افزایش می یابد.
5- بهبود در تولیدات: در بعضی از نمونه ها عدم استفاده از سیستم های بارریزی گسترده بدلیل استفاده از فیلتر فوم های سرامیکی این اجازه را به طراحان می دهد که یک طراحی جدید برای آن قطعه انجام دهند.
بررسی کالاهای جایگزین
هسته های صافی : این دسته از فیلترها در شکل ها (دایره، مستطیل، مربع) و اندازه های مختلفی موجود می باشند. روش شکل دهی آنها از طریق پرس می باشد و دارای حفره های منظم و دایره شکل هستند.
شبکه یا پارچه بافته شده: به صورت شبکه های ضخیمی است که از بافتن الیاف های سرامیکی به یکدیگر تهیه می گردد. پایداری و مقاومت پایین آنها در برابر مذاب فلزات، مصرف آنها را بسیار کم و محدود نموده است. فیلتر فوم های سرامیکی با اندازه حفرات مختلف تولید می گردند.
اهمیت استراتژیکی کالا در دنیای امروز
صنعت ریخته گری فلزات ششمین صنعت بزرگ در آمریکا است و سالانه به تنها 20 بیلیون دلار به اقتصاد این کشور کمک می کند. با توجه به گستردگی صنایع ریخته گری در ایران و کارخانه های عظیم ریخته گری برای انواع صنایع و مخصوصا خودروسازان استفاده از فیلترهای سرامیکی بسیار شایع و عدم تامین اینگونه از فیلترها از خارج از کشور می تواند صدمات زیادی به خودروسازان و صنایع ریخته گری وارد سازد.
کشورهای عمده تولید کننده و مصرف کننده
| ردیف | نام کشور | نوع تولیدات |
| 1 | ایتالیا | اشیاء سرامیکی نسوز |
| 2 | آلمان | اشیاء سرامیکی نسوز |
| 3 | ژاپن | اشیاء سرامیکی نسوز |
| 4 | جمهوری چک | اشیاء سرامیکی نسوز |
| ردیف | نام کشور | عنوان محصول |
| 1 | آمریکا | فیلتر سرامیکی |
| 2 | آلمان | فیلتر سرامیکی |
| 3 | چین | فیلتر سرامیکی |
شرکت های داخلی عمده تولید کننده و مصرف کننده محصول
| ردیف | نام کارخانه | نوع تولیدات | محل کارخانه |
| 1 | ایران خودرو | سرسیلندر و سایر قطعات خودرو | تهران |
| 2 | تراکتور سازی | قطعات خودروهای سبک و سنگین | تبریز |
| 3 | ماشین سازی | قطعات صنعتی | اراک |
| 4 | مالیبل سایپا | قطعات چدنی | تهران |
روش های تولید فوم فیلتر سرامیکی
روشهای تولید فوم های سرامیکی را می توان در سه دسته طبقه بندی کرد :
1- استفاده از اسفنج
2- استفاده از عوامل فوم کننده
3- استفاده از ماده ای به عنوان نگهدارنده فضا
روش استفاده از اسفنج اولین بار در اوایل سال ۱۹۶۰ مورد استفاده قرار گرفت، در این روش از یک اسفنج طبیعی و یا فوم پلی اورتان به عنوان قالب استفاده می شود، دوغاب سرامیکی را بر روی آن پوشش می دهند و سپس آنرا پخت می کنند.
روش دوم (استفاده از عوامل فوم کننده) بر پایه تولید حباب های هوا در مذاب سرامیک در هنگام پخت قطعه استوار می باشد، در این روش مخلوطی از ترکیب مواد سرامیکی مورد نظر و مواد آلی شکل داده می شوند، مواد آلی در هنگام پخت ایجاد حباب می کنند باعث ایجاد فوم مورد نظر می گردند،
برای بدست آوردن فومی با حفرات باز و اندازه حفره مناسب باید روانسازها و عوامل فوم کننده مناسب با دقت بسیار انتخاب گردند. این روش برای اولین بار توسط ساندرمن در سال ۱۹۷۳ معرفی گردید.
در روش سوم (استفاده از ماده ای به عنوان نگهدارنده) از یک قطعه متخلخل به عنوان نگه دارنده استفاده می گردد، برای مثال، ابتدا نمک کلرید سدیم به صورت متخلخل شکل داده می شود و سپس آنرا در پلی کاتبوسیلان (Polycatbosilan) غوطه ور می کنند تا پلیمر درون تخلخل های قطعه نفوذ کند، سپس نمک را حل کرده و با تجزیه حرارتی پلیمر باقی مانده به فوم SiC دست پیدا می کنند.
برای تولید به طور معمول از روش اول (استفاده از اسفنج) استفاده میشود. ساخت فیلتر فومی با استفاده از اسفنج و یا فوم پلیمری شامل مراحل مختلفی می باشد که عبارتند از:
- انتخاب و آماده سازی اسفنج
- تهیه دوغاب
- غوطه وری اسفنج در دوغاب
- خارج کردن دوغاب اضافی
- خشک کردن
- سوزاندن و خارج کردن اسفنج
- پخت
در این میان نقش تک تک مراحل یاد شده در خواص محصول نهایی موثر می باشد. از جمله در انتخاب اسفنج اولیه هر چه اسفنجی متخلخل تر و درشت حفره تر انتخاب شود به همین نسبت فوم هم تغییر خواهد کرد. غلظت دوغابی که قرار است اسفنج در آن غوطه ور شود نقش حیاتی در استحکام و میزان تخلخل فوم نهایی دارد.
در مرحله خشک کردن است که دوغاب نشسته بر اسفنج تثبیت می شود و در واقع بر شکل و ویژگی های محصول نهایی مهر تایید زده می شود و نهایتا با پخت که در آن پودرهای دوغاب خشک شده مورد تف جوشی قرار می گیرند و به هم جوش خورده و محکم می شوند. مراحل ساخت فیلتر فومی در زیر نشان داده شده است.
نقاط قوت و ضعف
دلیل عمده عدم وجود تولید داخلی مشکل تکنولوژیکی در رسیدن به اندازه تخلخل های یکسان در قطعات و همچنین دقت ابعادی نهایی قطعات تولیدی می باشد که شرکت های عمده تولید کننده خارجی این مشکل را مرتفع نموده اند.
از طرف دیگر یکی از مشکلات تولید کننده های داخلی که توان حضور و تداوم تولید و رقابت را از دست داده اند تفاوت کیفیت و اختلاف در ترکیب بچ های تولیدی در مراحل مختلف و همچنین قیمت تمام شده محصول در مقایسه با نمونه های خارجی می باشد.
مواد اولیه مورد نیاز و محل تأمین آن
مواد اولیه مورد نیاز سالانه که شامل کاربید سیلیسیم، آلومینا و پلی اورتان می باشد، توسط شرکت های داخلی مانند آلومینای جاجرم تامین شده و قیمت آن هم ارز بازار جهانی دچار تغییر خواهد شد. در واقع، تغییر قیمت مواد اولیه موجب تغییر قیمت محصول جهانی و جبران هزینه تولید می گردد.
پیشنهاد منطقه مناسب برای اجرای طرح
مهمترین مناطق برای اجرای طرح شهرک های صنعتی می باشند و استان های مانند استان مرکزی، آذربایجان شرقی، خراسان رضوی، تهران، اصفهان، خوزستان، قم به دلیل وجود صنایع ریخته گری بسیار زیاد در این استانها در الویت احداث واحد تولیدی فیلتر فوم سرامیکی قرار دارند و همچنین این استان ها به راه اصلی، راه آهن و فرودگاه دسترسی دارند و می توانند نیاز سایر استان های همجوار خود را نیز تامین نمایند.