آلومينيم و آلياژهاي آن به دليل نقطه ذوب كم و داشتن سياليت خوب و همچنين پذيرفتن عمليات حرارتي و مكانيكي براي افزايش خواص مكانيكي در صنايع مختلف بخصوص در صنعت خودرو كاربرد بيشتري داشته و روز به روز موارد مصرف اين آلياژها توسعه مييابد. آلياژهاي آلومينيم به دو گروه ريختگي و كار شده يا نوردي تقسيم ميشوند. آلياژهاي ريختگي در صنعت خودرو بيشتر مورد استفاده قرار گرفته و با توجه به خودروهاي موجود در ايران خودرو اين آلياژها در قالب استاندارد پژويي B541120 و استاندارد انگليسي BS1490 تعريف و دستهبندي شدهاند. عناصر مختلف مانند سيلسيم، منيزيم و مس در خواص ريختهگري و مكانيكي اين آلياژها شديداً تاثير گذاشته و باعث ايجاد آلياژهاي صنعتي مصرفي در صنعت شدهاند. آلياژهاي Al-Cu در قديم كاربرد و اهميت زيادي داشتهاند، ولي بتازگي آلياژهاي Al-Si به دليل ريختهگري آسان و خواص بهتر، كاربرد بيشتري پيدا كردهاند. بهطور كلي براي تحقق فرايند ريختهگري مناسب، بايد سه اصل مهم را در نظر گرفته و رعايت كنيم:
1. شناسايي عوامل و پارامترهاي موثر
2. پيشگيري از ايجاد معضلات و پديدههاي مضر
3. اصلاح و بهسازي فرايند با رعايت مسائل فني و اقتصادي
مواد شارژ مورد استفاده براي ريختهگري آلياژهاي آلومينيم
شمشهاي اوليه
اين شمشها بيشتر در كارخانههاي بزرگ توليد آلومينيم، نظير شركت ايرالكو و المهدي در ايران توليد شده و معمولاً وزن آنها بيشتر از شمشهاي ديگر است. براي ساخت شمشهاي اوليه آلياژهاي مختلف آلومينيم، عناصر مطلوب را به مذاب Al خالص كه از پودر Al2O3 تهيه ميشود، ميافزايند. شمشها معمولاً در ساخت قطعاتي كه به كيفيتي بالا نياز دارند، استفاده شده و قيمت آنها حسب درجه خلوص و تقليل ناخالصيها، بهصورت تصاعدي افزايش مييابد.
شمشهاي ثانويه يا دوباره ذوب
اين شمشها از ذوب و تصفيه قراضهها و آلياژهاي برگشتي تهيه شده و معمولاً حاوي ناخالصيهاي معمولي مانند آهن، مس و سيلسيم هستند.
برگشتيها
از برگشتيهاي خود قطعه نظير راهگاهها، تغذيه و ... با درصد مناسب به همراه شمش اوليه استفاده ميشود.
آميژانها
آميژان آلياژي از Al و يك عنصر دوم و در برخي موارد، عنصر سوم است كه براي تنظيم تركيب شيميايي و افزايش ميزان عناصر مختلف، به هنگام ذوب مورد استفاده قرار ميگيرد. اين آلياژها را با توجه با نمودارهاي تعادلي توليد ميكنند بهطوري كه اولاً مقدار عنصر مورد نظر را زياد ميگيرند و ثانياً، آلياژ بايد داراي نقطه ذوب پايين باشد.
به طور كلي در افزودن مواد شارژي به كوره بايد چند قانون را رعايت كرد:
1. فلزي كه نقطه ذوب بالايي دارد اول اضافه شود.
2. عناصري كه باعث افزايش سياليت ميشوند شرايط را براي افزودن عناصر ديگر بهتر ميكنند.
3. حلاليت: با افزودن بعضي عناصر، شرايط براي حل شدن عناصر ديگر بهتر ميشود.
4. قانون اكسايش و فشار بخار: عناصري نظير Zn كه داراي فشار بخار بالا و نظير Mg كه داراي اكسايش بالايي هستند بايد در آخر اضافه شوند.
5. عملكرد خاص عناصر: براي مثال تيتانيم با اينكه نقطه ذوب بالايي دارد، به دليل نقش جوانهزني يا ريزدانه كردن، در آخر اضافه ميشود.
فرايند ذوب
براي ذوب و نگهداري مذاب آلياژهاي Al، از كورههايي مختلف استفاده ميشود، كه آنها را ميتوان به سه دسته اصلي طبقهبندي كرد:
1. كورههاي ذوب با حرارت غيرمستقيم
در اين كورهها، سوخت يا شعله، مستقيماً با مذاب تماس نداشته بلكه حرارت به وسيله هدايت از ديواره بوته و محفظه كوره به مذاب انتقال مييابد و به دليل عدم تماس مستقيم شعله با مذاب، بسياري از فعل و انفعالات ناشي از چنين تماسي انجام نگرفته و همچنين ميزان پرت و اكسيداسيون مذاب كاهش مييابد. در اين كورهها، بيشتر از دو نوع بوته چدني و گرافيتي استفاده ميشود. به دليل نفوذ آهن از بوتههاي چدني به داخل مذاب، بوتههاي گرافيتي مناسبتر هستند. عيب اين كورهها، قيمت بالاي بوته و عدم امكان ذوب تناژهاي بالاست.
2. كورههاي ذوب با حرارت مستقيم
در اين نوع كورهها كه با سوخت گازي يا مايع كار ميكنند، بين شعله و مواد شارژ تماس مستقيم برقرار بوده و به دليل استفاده كامل از سوخت و حرارت گازهاي توليد شده، بازده حرارتي زيادي دارند همچنين، براي ذوب تناژهاي بالا مناسب هستند، اما استفاده از آنها باعث افزايش شدت اكسيداسيون و پرت مذاب ميشود.
3. كورههاي الكتريكي
به منظور توليد مذاب آلومينيم در مقادير زياد و پيشگيري از اكسيداسيون و افزايش كيفيت مذاب، از اين نوع كورهها استفاده ميشود.
مذاب حاصله، يا به صورت مستقيم از كوره ذوب به داخل قالب ريخته شده و يا بعد از ذوب به كوره نگهدارنده انتقال داده شده و سپس داخل قالب مورد نظر ريخته ميشود.
عمليات كيفي مذاب
مذاب آلياژهاي Al به گازهايي نظير اكسيژن و هيدروژن حساس بوده و در صورت ورود و يا واكنش مذاب با اين گازها، عيوبي مثل مكهاي گازي و يا آخالهاي اكسيدي در قطعات تشكيل ميشود كه قطعات را ضايع ميكنند.
هيدروژن تنها گاز قابل حل در آلومينيم مذاب است و حلاليت هيدروژن در آلومينيم نسبت به منيزيم و يا مس كمتر است، اما به دليل اختلاف زياد حلاليت آن در حالت مذاب و جامد، مقدار ناچيز هيدروژن در مذاب آلومينيم پس از انجماد باعث ايجاد مكهاي ريز و درشت در سطح يا زيرسطح قطعه و داخل دندريتها ميشود. اين مسئله باعث كاهش شديد خواص مكانيكي قطعه شده و از اينرو عمليات گاززدايي در ذوب آلياژهاي آلومينيم از اهميت خاصي برخوردار است.
با افزايش دماي مذاب، حلاليت هيدروژن افزايش مييابد. مثلاً، اگر دماي مذاب آلومينيم حدود 900 درجه سانتيگراد باشد، ميزان حلاليت ميتواند به 7/2 سانتيمتر مكعب بر 100 گرم برسد. به بياني ديگر، به ازاي هر 100 درجه سانتيگراد دماي فوق ذوب، يك cc بر 100 گرم مذاب Al به حلاليت هيدروژن در آلومينيم اضافه ميشود. همچنين، با افزايش فشار، ميزان حلاليت هيدروژن در آلومينيم افزايش مييابد. برعكس فشار، با ايجاد خلا، ميزان حلاليت كاهش مييابد. در حالتي ديگر، با افزايش فشار داخل مذاب ميتوان حلاليت را كاهش داد. در نتيجه، ميزان حلاليت هيدروژن در مذاب به دما و فشار داخل مذاب بستگي دارد و همين امر اساس گاززدايي آلومينيم را تشكيل ميدهد. لذا براي اجتناب از جذب گاز، دماي مذاب بايد در حداقل ممكن قرار گيرد. معمولاً 720 تا 740 درجه سانتيگراد براي اين منظور مناسب است.
براي افزايش فشار نسبي داخل مذاب، از گازهاي بياثر مانند ازت و آرگون استفاده ميشود. همچنين ميتوان از تركيبات كلريدي نظير MgCl2، NH4Cl و يا هگزاكلرور اتان كه به شكل قرص است، استفاده كرد. از قرصهاي دگازور براي كورههاي بزرگ استفاده نميكنند زيرا براي مقادير كم مذاب، قرصها بهتر و مقرون به صرفهتر هستند. اگر مذاب خيلي تميز باشد، ميتوان فرايند گاززدايي را كنار گذاشت.
به دليل ميل تركيبي زياد آلومينيم مذاب با اكسيژن، اين فلز و عناصر مشابه نظير منيزيم، با تمام مواد اكسيدكننده نظير هوا تركيب شده و اكسيد آلومينيم يا اكسيد منيزيم را تشكيل ميدهند. Al2O3 تشكيل شده در دماي پايين، با مورفولوژي م و به شكل فيلم اكسيدي نازك بوده و تا حدودي متخلخل است. اين ماده، عنصر اصلي تشكيل دهنده سرباره آلومينيم است. فيلم اكسيدي گاما كه در دماي پايين تشكيل ميشود، از مذاب آلومينيم محافظت ميكند، اما در بعضي موارد مضر است. مثلاً همين فيلم، جوشكاري Al را مشكلتر ميسازد. هرچه عناصر آلياژي بيشتر باشد، ميزان حفاظت اين لايه كاهش مييابد. بين اين عناصر، Be تأثيري مثبت دارد. هنگام شارژ، قسمتي از اين پوسته اكسيدي كنده شده و وارد مذاب ميشود و در داخل مذاب به صورت مچاله شده در ميآيد. در حالتي كه در دماي مذاب Al از حدود 800 درجه سانتيگراد بالاتر رود، اكسيد آلومينيم از حالت م به ل (كوراندوم) تبديل ميشود. وزن مخصوص كوراندوم 4 گرم بر سانتيمتر مكعب بوده، در حالي كه وزن مخصوص اكسيد فيلم حدود 7/2 تا 9/3 گزارش شده است. با توجه به قانون استوك و چسبندگي خوب اين اكسيدها به مذاب، انتقال اين اكسيدها به سرباره يا ته كوره با مشكلات زيادي همراه بوده و نيازمند تدابيري خاص است. اكسيدهاي م، داخل شمش يا قطعه و يا ورق بزرگتر از ل بوده، اما زيان آن در سطح مساوي حدود 10 برابر كمتر است.
براي جداسازي اكسيد از مذابهاي فولاد، مس و آلومينيم، از روشهاي متفاوتي استفاده ميشود. در فولاد، با استفاده از فلاكس نقطه ذوب اكسيدها را پايين ميآورند تا حالت خميري پيدا كرده و سپس آنها را از سطح مذاب جمع ميكنند. در آلياژهاي مس، با استفاده از فلاكس نقطه ذوب اكسيد مس Cu2O را بالا برده و توسط مواد ديگر آن را احيا ميكنند. در آلياژهاي Al روش كاملاً متفاوت است زيرا اختلاف دماي ذوب آلومينيم با اكسيد آن بسيار زياد است. با ايجاد حباب دور اكسيد Al ميتوان آن را سبكتر كرده و با بادكنكي كردن اكسيدها ميتوان آنها را به سطح آورده و جدا كرد. روش آسان براي تشخيص تميزي مذاب اين است كه آن را داخل قالب ريخته و خالي ميكنند. اگر مذاب خيلي تميز باشد، سطح مذاب چسبيده به قالب، كاملاً صاف و اگر مذاب تميز نباشد، سطح قالب ناصاف و به صورت ذرات برجسته ديده ميشود. اين برجستگيها، اكسيدهاي م و اكسيدهاي ل هستند.
براي ريزدانه كردن قطعات آلومينيمي از تركيبي مشخص از تيتانيم و بور استفاده ميكنند كه براي پيشگيري از اتلاف اين جوانهزا در انتهاي عمليات ذوب به مذاب اضافه ميشود.
براي عمليات بهسازي ساختار در خصوص بيشتر آلياژهاي آلومينيم، از فلز استرانسيم يا آنتيموان استفاده ميشود. به طور خلاصه، ذوب و عمليات كيفي مذاب به ترتيب زير انجام ميگيرد:
1. ذوب
2. فلاكسينگ براي حذف اكسيد و تركيبات بين فلزي
3. گاززدايي
4. اصلاح ساختار و جوانهزني
نويسنده : محمد ضرغامي - جهانشاه رحيمي
منبع: http://www.sanatekhodro.com/Template3/News.aspx?NID=1009
1. شناسايي عوامل و پارامترهاي موثر
2. پيشگيري از ايجاد معضلات و پديدههاي مضر
3. اصلاح و بهسازي فرايند با رعايت مسائل فني و اقتصادي
مواد شارژ مورد استفاده براي ريختهگري آلياژهاي آلومينيم
شمشهاي اوليه
اين شمشها بيشتر در كارخانههاي بزرگ توليد آلومينيم، نظير شركت ايرالكو و المهدي در ايران توليد شده و معمولاً وزن آنها بيشتر از شمشهاي ديگر است. براي ساخت شمشهاي اوليه آلياژهاي مختلف آلومينيم، عناصر مطلوب را به مذاب Al خالص كه از پودر Al2O3 تهيه ميشود، ميافزايند. شمشها معمولاً در ساخت قطعاتي كه به كيفيتي بالا نياز دارند، استفاده شده و قيمت آنها حسب درجه خلوص و تقليل ناخالصيها، بهصورت تصاعدي افزايش مييابد.
شمشهاي ثانويه يا دوباره ذوب
اين شمشها از ذوب و تصفيه قراضهها و آلياژهاي برگشتي تهيه شده و معمولاً حاوي ناخالصيهاي معمولي مانند آهن، مس و سيلسيم هستند.
برگشتيها
از برگشتيهاي خود قطعه نظير راهگاهها، تغذيه و ... با درصد مناسب به همراه شمش اوليه استفاده ميشود.
آميژانها
آميژان آلياژي از Al و يك عنصر دوم و در برخي موارد، عنصر سوم است كه براي تنظيم تركيب شيميايي و افزايش ميزان عناصر مختلف، به هنگام ذوب مورد استفاده قرار ميگيرد. اين آلياژها را با توجه با نمودارهاي تعادلي توليد ميكنند بهطوري كه اولاً مقدار عنصر مورد نظر را زياد ميگيرند و ثانياً، آلياژ بايد داراي نقطه ذوب پايين باشد.
به طور كلي در افزودن مواد شارژي به كوره بايد چند قانون را رعايت كرد:
1. فلزي كه نقطه ذوب بالايي دارد اول اضافه شود.
2. عناصري كه باعث افزايش سياليت ميشوند شرايط را براي افزودن عناصر ديگر بهتر ميكنند.
3. حلاليت: با افزودن بعضي عناصر، شرايط براي حل شدن عناصر ديگر بهتر ميشود.
4. قانون اكسايش و فشار بخار: عناصري نظير Zn كه داراي فشار بخار بالا و نظير Mg كه داراي اكسايش بالايي هستند بايد در آخر اضافه شوند.
5. عملكرد خاص عناصر: براي مثال تيتانيم با اينكه نقطه ذوب بالايي دارد، به دليل نقش جوانهزني يا ريزدانه كردن، در آخر اضافه ميشود.
فرايند ذوب
براي ذوب و نگهداري مذاب آلياژهاي Al، از كورههايي مختلف استفاده ميشود، كه آنها را ميتوان به سه دسته اصلي طبقهبندي كرد:
1. كورههاي ذوب با حرارت غيرمستقيم
در اين كورهها، سوخت يا شعله، مستقيماً با مذاب تماس نداشته بلكه حرارت به وسيله هدايت از ديواره بوته و محفظه كوره به مذاب انتقال مييابد و به دليل عدم تماس مستقيم شعله با مذاب، بسياري از فعل و انفعالات ناشي از چنين تماسي انجام نگرفته و همچنين ميزان پرت و اكسيداسيون مذاب كاهش مييابد. در اين كورهها، بيشتر از دو نوع بوته چدني و گرافيتي استفاده ميشود. به دليل نفوذ آهن از بوتههاي چدني به داخل مذاب، بوتههاي گرافيتي مناسبتر هستند. عيب اين كورهها، قيمت بالاي بوته و عدم امكان ذوب تناژهاي بالاست.
2. كورههاي ذوب با حرارت مستقيم
در اين نوع كورهها كه با سوخت گازي يا مايع كار ميكنند، بين شعله و مواد شارژ تماس مستقيم برقرار بوده و به دليل استفاده كامل از سوخت و حرارت گازهاي توليد شده، بازده حرارتي زيادي دارند همچنين، براي ذوب تناژهاي بالا مناسب هستند، اما استفاده از آنها باعث افزايش شدت اكسيداسيون و پرت مذاب ميشود.
3. كورههاي الكتريكي
به منظور توليد مذاب آلومينيم در مقادير زياد و پيشگيري از اكسيداسيون و افزايش كيفيت مذاب، از اين نوع كورهها استفاده ميشود.
مذاب حاصله، يا به صورت مستقيم از كوره ذوب به داخل قالب ريخته شده و يا بعد از ذوب به كوره نگهدارنده انتقال داده شده و سپس داخل قالب مورد نظر ريخته ميشود.
عمليات كيفي مذاب
مذاب آلياژهاي Al به گازهايي نظير اكسيژن و هيدروژن حساس بوده و در صورت ورود و يا واكنش مذاب با اين گازها، عيوبي مثل مكهاي گازي و يا آخالهاي اكسيدي در قطعات تشكيل ميشود كه قطعات را ضايع ميكنند.
هيدروژن تنها گاز قابل حل در آلومينيم مذاب است و حلاليت هيدروژن در آلومينيم نسبت به منيزيم و يا مس كمتر است، اما به دليل اختلاف زياد حلاليت آن در حالت مذاب و جامد، مقدار ناچيز هيدروژن در مذاب آلومينيم پس از انجماد باعث ايجاد مكهاي ريز و درشت در سطح يا زيرسطح قطعه و داخل دندريتها ميشود. اين مسئله باعث كاهش شديد خواص مكانيكي قطعه شده و از اينرو عمليات گاززدايي در ذوب آلياژهاي آلومينيم از اهميت خاصي برخوردار است.
با افزايش دماي مذاب، حلاليت هيدروژن افزايش مييابد. مثلاً، اگر دماي مذاب آلومينيم حدود 900 درجه سانتيگراد باشد، ميزان حلاليت ميتواند به 7/2 سانتيمتر مكعب بر 100 گرم برسد. به بياني ديگر، به ازاي هر 100 درجه سانتيگراد دماي فوق ذوب، يك cc بر 100 گرم مذاب Al به حلاليت هيدروژن در آلومينيم اضافه ميشود. همچنين، با افزايش فشار، ميزان حلاليت هيدروژن در آلومينيم افزايش مييابد. برعكس فشار، با ايجاد خلا، ميزان حلاليت كاهش مييابد. در حالتي ديگر، با افزايش فشار داخل مذاب ميتوان حلاليت را كاهش داد. در نتيجه، ميزان حلاليت هيدروژن در مذاب به دما و فشار داخل مذاب بستگي دارد و همين امر اساس گاززدايي آلومينيم را تشكيل ميدهد. لذا براي اجتناب از جذب گاز، دماي مذاب بايد در حداقل ممكن قرار گيرد. معمولاً 720 تا 740 درجه سانتيگراد براي اين منظور مناسب است.
براي افزايش فشار نسبي داخل مذاب، از گازهاي بياثر مانند ازت و آرگون استفاده ميشود. همچنين ميتوان از تركيبات كلريدي نظير MgCl2، NH4Cl و يا هگزاكلرور اتان كه به شكل قرص است، استفاده كرد. از قرصهاي دگازور براي كورههاي بزرگ استفاده نميكنند زيرا براي مقادير كم مذاب، قرصها بهتر و مقرون به صرفهتر هستند. اگر مذاب خيلي تميز باشد، ميتوان فرايند گاززدايي را كنار گذاشت.
به دليل ميل تركيبي زياد آلومينيم مذاب با اكسيژن، اين فلز و عناصر مشابه نظير منيزيم، با تمام مواد اكسيدكننده نظير هوا تركيب شده و اكسيد آلومينيم يا اكسيد منيزيم را تشكيل ميدهند. Al2O3 تشكيل شده در دماي پايين، با مورفولوژي م و به شكل فيلم اكسيدي نازك بوده و تا حدودي متخلخل است. اين ماده، عنصر اصلي تشكيل دهنده سرباره آلومينيم است. فيلم اكسيدي گاما كه در دماي پايين تشكيل ميشود، از مذاب آلومينيم محافظت ميكند، اما در بعضي موارد مضر است. مثلاً همين فيلم، جوشكاري Al را مشكلتر ميسازد. هرچه عناصر آلياژي بيشتر باشد، ميزان حفاظت اين لايه كاهش مييابد. بين اين عناصر، Be تأثيري مثبت دارد. هنگام شارژ، قسمتي از اين پوسته اكسيدي كنده شده و وارد مذاب ميشود و در داخل مذاب به صورت مچاله شده در ميآيد. در حالتي كه در دماي مذاب Al از حدود 800 درجه سانتيگراد بالاتر رود، اكسيد آلومينيم از حالت م به ل (كوراندوم) تبديل ميشود. وزن مخصوص كوراندوم 4 گرم بر سانتيمتر مكعب بوده، در حالي كه وزن مخصوص اكسيد فيلم حدود 7/2 تا 9/3 گزارش شده است. با توجه به قانون استوك و چسبندگي خوب اين اكسيدها به مذاب، انتقال اين اكسيدها به سرباره يا ته كوره با مشكلات زيادي همراه بوده و نيازمند تدابيري خاص است. اكسيدهاي م، داخل شمش يا قطعه و يا ورق بزرگتر از ل بوده، اما زيان آن در سطح مساوي حدود 10 برابر كمتر است.
براي جداسازي اكسيد از مذابهاي فولاد، مس و آلومينيم، از روشهاي متفاوتي استفاده ميشود. در فولاد، با استفاده از فلاكس نقطه ذوب اكسيدها را پايين ميآورند تا حالت خميري پيدا كرده و سپس آنها را از سطح مذاب جمع ميكنند. در آلياژهاي مس، با استفاده از فلاكس نقطه ذوب اكسيد مس Cu2O را بالا برده و توسط مواد ديگر آن را احيا ميكنند. در آلياژهاي Al روش كاملاً متفاوت است زيرا اختلاف دماي ذوب آلومينيم با اكسيد آن بسيار زياد است. با ايجاد حباب دور اكسيد Al ميتوان آن را سبكتر كرده و با بادكنكي كردن اكسيدها ميتوان آنها را به سطح آورده و جدا كرد. روش آسان براي تشخيص تميزي مذاب اين است كه آن را داخل قالب ريخته و خالي ميكنند. اگر مذاب خيلي تميز باشد، سطح مذاب چسبيده به قالب، كاملاً صاف و اگر مذاب تميز نباشد، سطح قالب ناصاف و به صورت ذرات برجسته ديده ميشود. اين برجستگيها، اكسيدهاي م و اكسيدهاي ل هستند.
براي ريزدانه كردن قطعات آلومينيمي از تركيبي مشخص از تيتانيم و بور استفاده ميكنند كه براي پيشگيري از اتلاف اين جوانهزا در انتهاي عمليات ذوب به مذاب اضافه ميشود.
براي عمليات بهسازي ساختار در خصوص بيشتر آلياژهاي آلومينيم، از فلز استرانسيم يا آنتيموان استفاده ميشود. به طور خلاصه، ذوب و عمليات كيفي مذاب به ترتيب زير انجام ميگيرد:
1. ذوب
2. فلاكسينگ براي حذف اكسيد و تركيبات بين فلزي
3. گاززدايي
4. اصلاح ساختار و جوانهزني
نويسنده : محمد ضرغامي - جهانشاه رحيمي
منبع: http://www.sanatekhodro.com/Template3/News.aspx?NID=1009