عمليات السباكة

تعد عملية السباكة من العمليات الأساسية فى صناعة المعادن، بل هي عمليّة أوليّة للصناعات المعدنيّة فى العصر الحديث، وعلى الرغم من إمكانية تصنيع التصنيفات الثلاثة الأساسيّة للمواد (المعادن، السيراميكيّات والبوليمرات) باستخدام السباكة، فإن المعادن هي الموادّ الأكثر تصنيعًا بهذه العمليّة. وعمليّة السباكة هي ببساطة عمليّة تُصَبّ فيها مادة منصهرة داخل قالب له فراغ مصمم ليعطي شكل المنتج المطلوب (بإضافة اعتبارات، وسماحيّات خاصّة)، ثم يترك المعدن حتّى يتجمّد، ويستخرج بعدها لإجراء العمليّات الثانويّة عليه (إن تطلّب الأمر ذلك)، مثل قطع الزيادات والتشغيل والمعالجة الحراريّة وغيرها، ليصبح منتجًا نهائيًّا صالحًا للاستخدام. وعمليّات السباكة كثيرة ومتشعبّة، ولكن سنذكر الأفكار الرئيسة لبعض العمليّات الأكثر استخدامًا:

• سباكة الصُبَّة (Ingot casting):
  والصُبَّة هي كتلة مصمتة من المعدن تكون على شكل يسهّل تخزينها ونقلها، وتُصنَّع بغرض أن تكون مادة خامة تستخدم في عمليات التصنيع، وليست هي منتجًا نهائيًّا في حد ذاتها.
  ويختلف حجم الصُبَّة من أحجام صغيرة إلى كتل حديديّة ضخمة تتجاوز كتلتها خمسمائة طن. وعمليّة سباكة الصبّة هي عمليّة يُصَبّ فيها المعدن المنصهر في قوالب لها شكل الصُبَّة المطلوب مع اعتبارات خاصة (مثل زاوية السحب، وهي انحدار الأسطح الرأسية للقالب لأسفل، أو تناقص البعد الأفقي فيما بينها لأعلى حسب تصميم القالب، بحيث تصنع زاوية مع المحور الرأسي، تسمى هذه الزاوية زاوية السَّحب، والغرض منها هو سهولة خروج الصُبَّة من القالب في حالة القوالب الدائمة والصُبَب الضخمة، أو سهولة خروج النموذج المستخدم في صناعة القالب في حالة القوالب الرمليّة. وكذلك سماحية الانكماش، حتّى تكتسب الصبّة أبعادها المطلوبة بعد انكماش المعدن).

• الصبّ المستمرّ (Continuous casting):
  وعمليّة الصبّ المستمرّ تعتبر العمليّة الرئيسة في صناعة الصلب المطاوع في العصر الحديث، وفيها يُختزَل خام الحديد إلى الحديد المنصهر داخل فرن السَّفْع باستخدام غاز أوّل أكسيد الكربون عاملَ اختزالٍ، وفي أثناء عمليّة الاختزال يمتص الحديد المنصهر نسبة ما بين 3 إلى 4.5 بالمائة من الكربون. والحديد الذي يحتوي على نسبة من 3 إلى 4.5 بالمائة من الكربون هو حديد زهر، يصلح لعمليات السباكة ولا يصلح لعميّات التشكيل، ولأن هذه العمليّة تعتمد على استخدام عمليّات تشكيل في مراحلها التالية، ولأن الغرض من هذه العمليّة هو صناعة الصلب، لذا تتطلب أن تكون نسبة الكربون في المعدن أقل من 1 بالمائة، لذا يجب إزالة نسبة الكربون الزائدة من المعدن المنصهر حتّى يتحوّل إلى صلب. وتُزال نسبة الكربون الزائدة عن طريق السماح بحدوث أكسدة بحد معين للخليط المكوّن من الحديد المنصهر الخارج من فرن السَّفْع وصلب الخردة المنصهر داخل أحد أفران صناعة الحديد (فرن القوس الكهربائي على سبيل المثال). كما يمكن إضافة عناصر مختلفة للمعدن المنصهر، مثل: (الكروم، المنجنيز، النيكل، الموليبدينوم… إلخ). عقب عمليّة إزالة الكربون للحصول على الصلب السبائكي أو في أثنائها، وبعد الحصول على التركيب الكيميائي المطلوب للسبيكة، يُصَبّ الصلب المنصهر من الفرن إلى مِغْرَفَة والتي يُصَبّ المعدن المنصهر من خلالها داخل قوالب مفتوحة من الأسفل، إذ يُسحَب المعدن من أسفل القالب عن طريق درافيل (وعملية الدرفلة في أبسط صورها عبارة عن درفيلين، أي أسطوانتين مصمتتين، تدوران بنفس السرعة الزاوية وفي عكس الاتجاه، وتكون المسافة بينها أقل من سمك شريحة المعدن المسحوبة بداخلهما، فيعملان على تطبيق ضغط على الشريحة يُنقِص من سمكها، ويَزِيد من طولها، ويغيِّر من خصائصها الميكانيكيّة)، وتستمر عمليات الدرفلة المتتالية للمعدن، مع التسخين المستمر بغرض تساوي درجة حرارة سطح المعدن مع داخله (باطن المعدن يكون منصهرًا، في الوقت الذي يبدأ فيه سطحه الخارجي بالتجمد أثناء خروجه من القالب). ويخرج من هذه العمليّة منتج شبه نهائي، يأخذ شكلًا من أشكال ثلاثة: [كتلة نصف مدرفلة (Bloom)، كتل مدرفلة (Billets)، ألواح (Slabs)]، تختلف هذه الثلاث عن بعضها في أبعاد مقطعها. ثم تُسَخَّن وتُجرى عليها بعد ذلك عمليات التشكيل في مصانع مخصصة للحصول على منتجات نهائيّة، مثل:

• العناصر المستخدمة في الهياكل المعدنية، قضبان السكك الحديديّة والروافع، من خلال الكتل نصف المدرفلة.
• قضبان (دائرية، مربعة، مثلثة، نصف مستديرة… إلخ)، أكبال، مسامير، مواسير غير ملحومة، من خلال الكتل المدرفلة.

• لفائف وألواح أقل سمكًا، من خلال الألواح.
  هذان النوعان السابقان من طرق السباكة يستخدمان في صناعة منتجات غير نهائية كما بينّا، بينما الأنواع الآتية يمكن من خلالها الحصول على منتجات قد تحتاج فقط إلى بعض عمليات التشغيل البسيطة لينتج عنها منتجٌ نهائيٌّ.

• السباكة الرمليّة (Sand casting):
  تعد السباكة الرمليّة من أشهر وأقدم عمليات السباكة، وهي من أهم عمليات السباكة في العصر الحديث وأشيعها، إذ يمكن من خلالها الحصول على منتجات معدنية ذات أشكال هندسيّة وتجاويف داخليّة معقدّة لا يمكن التوصل إليها بأية طريقة تصنيع أخرى.

وعمليّة السباكة الرميّة في صورتها البسيطة عبارة عن صناعة تجويف داخل الرمل باستخدام (نموذج) له في الأساس شكل المنتج المطلوب مع اعتبارات وزيادات خاصة (يحتوي النموذج على نفس الاعتبارات الموجودة في سباكة الصبّة، ويضاف إليها سماحيّات واعتبارات أخرى مثل سماحية التشغيل، و فتحات الصبّ، وخروج الغازات، وغيرها)، بحيث تعطي المعدن المتجمّد شكل المنتج المطلوب بعد إجراء العمليّات الثانويّة عليه. ويتكوّن النموذج من جزأين أو أكثر عادة، ويحيط بالرمل من الخارج وعاء مقسوم إلى قسمين أو ثلاثة أقسام في العادة حتى يسمح بعمليّة التجهيز، وبعد تجهيز القالب يُصَبّ المعدن المنصهر داخل هذا التجويف ليأخذ شكله بعد تجمده، والنموذج المستخدم في هذه العمليّة قد يكون مصنوعًا من: (الخشب، البلاستيك، المعدن) على سبيل المثال، وهذا النوع من النماذج يُنزَع من الرمل بعد صناعة التجويف وقبل صبّ المعدن، فيُستخدم مرّات عديدة ولا يتلف خلال العمليّة، لذا يسمى »نموذج دائم«، وهذا النوع يوفّر تكلفة أوليّة أقل في حالة الأعداد الكبيرة، وقد يصنع من موادّ تتبخّر عند تسخينها ولا تترك أية رواسب تذكر، مثل البوليسترين الرغويّ، وفي هذه الحالة لا يُنزع النموذج من الرمل، ويُصَبّ المعدن المنصهر عليه، وهذا النوع يعطي إمكانيّة صناعة منتجات أعقد، ولكن صناعة هذه النماذج يتطلب تكلفة أوليّة كبيرة للمشروع. في عمليّة السباكة الرمليّة يُهَدّ القالب الرمليّ لإخراج المنتج بعد تجمد المعدن، وهذا يعد عيبًا في هذه العمليّة، كما تأخذ وقتًا لتجهيز القالب، وجودة سطح المنتجات الخارجة عن عمليّة السباكة الرمليّة منخفضة بشكل عام مقارنة بعمليات السباكة الأخرى، ولكنها في المقابل تعطي إمكانيّةً لتصنيع المنتجات ذات الأشكال الهندسيّة والتجاويف الداخليّة المعقدّة كما ذكرنا، كما تمتاز بتكلفتها التي تبدأ من تكلفة قليلة لعمليات السباكة البسيطة تناسب المسابك الصغيرة، ولكنها قد تصل أيضًا إلى تكاليف ابتدائيّة ضخمة.

• سباكة القالِب (Die casting):
  وفي هذه العمليّة يُصَبّ المعدن المنصهر داخل قالب مصنوع من مادةٍ درجةُ انصهارها أعلى من درجة حرارة المعدن المنصهر الذي يصبّ بداخلها، يحتوي هذا القالب بداخله على تجويف له في الأساس شكل المنتج المطلوب مع زيادات واعتبارات خاصّة (كمّا في السباكة الرمليّة)، ويتكوّن من نصفين أو أكثر بما يسمح بفتحِهِ لإخراج المنتج بعد تجمّد المعدن. هذه العمليّة تعطي إنتاجيّة وجودّة سطح مع دقّة أبعاد أعلى من السباكة الرمليّة، ولكنها لا تصلح عمومًا للمنتجات ذات التجاويف الداخليّة المعقدّة بسبب التقيّد بإمكانيّة فتح القالب لإخراج المنتج، وتتطلب تكلفة بدء (تكلفة صناعة القالب الدائم) أعلى من نظيراتها في عمليّات السباكة الرمليّة.

• الصبّ الإحداقيّ (Investment casting):
  وفي هذه العمليّة يُصنَع النموذج من مادة درجة انصهارها منخفضة (الشمع عادةً)، ثم يُحدَق (يُغَلَّفُ أو يُغَطَّى) بمادة درجة انصهارها مرتفعة جدًّا، وتكون في صورة طينيّة في هذه الحالة، ثم يُدخَلان الفرنَ بشكل مقلوب، لينصهر الشمع ويخرج من القالب بينما تتلبدّ المادة المغلفة له مكونّةً القالب نفسه. وبعدها يُصَبّ المعدن المنصهر داخل القالب، وبعد تجمده يُكسَر القالب لإخراجه. يمكن من خلال هذه العمليّة الحصول على منتجات ذات أشكال معقدّة، وبجودة سطح جيدة لذا تستخدم هذه العمليّة في صناعة الحليّ، وتتميز أيضًا بأنها لا تتطلب وجود زاوية سحب في النموذج كما في عمليّات السباكة الأخرى. ويعيب هذه العمليّة أنها تتطلب وقتًا كبيرًا مقارنة بالعمليّات الأخرى بالإضافة إلى تكلفتها العالية نسبيًّا، ولكن يمكن الحصول من خلالها على عدد كبير من المنتجات الصغيرة في صبّة واحدة، وهو الإجراء المستخدم في صناعة الحليّ.

References:
– Srinivasan, M. N. (2014). Science and technology of casting processes. Rijeka, Croatia: INTECH.
– The making, shaping and treating of steel. (1952). Pittsburgh, PA: United States Steel..

صور مقترحة:
– https://cdn.thomasnet.com/insights-images/embedded-images/ccd2c1af-048e-4e32-8528-5ef5c0b0b42f/5bc6ac02-65a3-49fd-8efc-2ac3834a94c3/FullHD/shutterstock_1186446739-min.jpg
– https://www.holmatro.com/sites/default/files/inline-images/Applications_foundry.jpg
– https://www.reliance-foundry.com/wp-content/uploads/what-is-a-foundry-1.jpg
– https://voxpopulisphere.files.wordpress.com/2018/09/molten-steel-at-a-foundry-science-photo-library.jpg?w=768&h=546
– http://lh5.ggpht.com/-KzUgYJopx1s/VKdwE4-iuxI/AAAAAAAAKu8/dTh19VUJ6LE/s1600-h/Metal_Casting%25255B5%25255D.jpg

Videos:
• سباكة الصُبّة (Ingot casting):
https://www.youtube.com/watch?v=T8QgFZhC2Ec
خاصة من بداية الدقيقة 1:00

• السباكة المستمرّة (Continuous casting):
هذه الصورة: https://www.manufacturingguide.com/sites/default/files/styles/lightbox_and_logo/public/illustrations/continuous_casting_1025_1.png?itok=GQoBECUi
مع مراعاة وجود علامة في أسفل الصورة.

• السباكة الرمليّة (Sand casting):
https://www.youtube.com/watch?v=pwaXCko_Tkw

• سباكة القالب (Die casting):
https://www.open.edu/openlearn/sites/www.open.edu.openlearn/files/ole_images/h09-1_400.jpg

https://www.open.edu/openlearn/sites/www.open.edu.openlearn/files/ole_images/h09-2_400.jpg

https://www.open.edu/openlearn/sites/www.open.edu.openlearn/files/ole_images/h09-3_400.jpg

• الصب الإحداقي ( Investment casting):

https://marketing.metaltek.com/hs-fs/hubfs/Investment Casting.jpg?width=980&name=Investment Casting.jpg