بخشی از مقاله
مقدمه
هر فرآيند ذوب ايده آل براي توليد سوپر آلياژهاي با كيفيت بالا بايد شرايط زير را داشته باشد:
1- قابليت استفاده از هر نوع قراضه و مواد خام را داشته باشد.
2- كنترل دقيق تركيب شيميايي و بازيابي همه عناصر آلياژي امكان پذير باشد.
4- بدون توجه به كلاس و طبقه بندي آلياژ، انعطاف پذيري و تطابق كامل براي ذوب همه نوع سوپر آلياژ را داشته باشد.
4- از نقطه نظر اثر واكنشهاي اصلاح، پالايش و توالي انجماد كاملاً قابل كنترل باشد.
5- از هر نوع منبع آلودگي مانند گازها، ناخالصي ها و آخالهاي غير فلزي مبرا و مصون باشد.
6- بالاترين توليد با كمترين هزينه امكان پذير باشد.
به سادگي مي توان فهميد كه تركيبي از همه موارد بالا را نمي توان در تنها يك روش ذوب خلاصه كرد. به اين ترتيب، ذوب سوپر آلياژها را مي توان در سه شاخه طبقه بندي كرد:
1- فرآيند ذوب اوليه، كه در آن آلياژ با تركيب فلزات خالص، فرو آلياژها، برگشتي‌ها و قراضه ها تهيه مي شود.
2- فرآيند پالايش، كه مي تواند در يك مرحله مجزا و يا همراه با فرآيند ذوب اوليه براي حذف ناخالصي ها و كنترل ميزان گازها بصورت بگيرد.
3- فرآيند ذوب ثانويه، كه تاكيد آن بر كنترل انجماد و توليد شمشهاي با ساختار مناسب و بي عيب است. تهيه شمشهاي با خلوص بالا بدون حضور عيبهاي ناخواسته از مواد دير گداز و يا اتمسفر هوا از اهداف اين مرحله است.
تكنيك هاي ذوب
فرآيندهاي ذوب اوليه
ساده ترين روش براي ذوب اوليه سوپر آلياژها در مقياس زياد، ذوب در كوره قوس الكتريك (EAF) است. فرآيند ذوب در هوا صورت مي گيرد و حرارت مورد نياز نيز از قوس الكتريكي بيش الكترودهاي گرافيتي و مواد شارژ تامين مي شود. عموماً، از اكسيژن گازي نيز براي كاهش مقادير كربن، هيدروژن و نيتروژن استفاده مي شود. ذوب تهيه شده اغلب به صورت شمش براي محصولات نوردي و يا الكترود براي رسيدن به كيفيتهاي بالاتر در فرآيندهاي ذوب مجدد، ريخته مي شود عمده مزاياي (EAF) به ترتيب زير است:
1- انعطاف پذيري در نوع و شكل مواد شارژ
2- كنترل دمايي خوب
3- سرباره فعال سيال براي پالايش متالورژيكي
4- بيشترين توليد با كمترين قيمت
معايب اين روش نيز داراي ترتيب زير است:
1- حضور مواد نسوز
2- هواي محيط
3- سرباره
فقدان شرايط هم زدن خوب باعث افزايش زمان پالايش شده و ذوب از لحاظ همگن بودن فقير خواهد بود.
تعدادي از سوپر آلياژها، به ويژه سوپر آلياژهاي پايه Co و Fe-Ni را مي توان به وسيله روشهاي مختلف ذوب در هوا كه براي فولادهاي زنگ نزن به كار مي‌رود، ذوب و تهيه كرد. با اين وجود، براي اغلب سوپر آلياژهاي پايه Ni و يا پايه Fe-Ni، فرآيند ذوب اوليه بايد در كوره ذوب القايي در خلاء (VIM) صورت بگيرد. استفاده VIM مقدار گازهاي بين نشين (N2,O2) را به مقادير كمتر كاهش داده و شرايط بسيار خوبي را براي افزايش يو كنترل مقادير Ti,Al (و ديگر عناصر نسبتاً فعال) فراهم مي سازد. مقادير سرباره و آخال نيز در مقايسه با روش ذوب در هوا به شدت كاهش مي يابد.
شارژ اوليه براي كوره VIM ، آلياژهاي پايه است و عناصر آلياژي فرار به آن اضافه نمي شود. بعد از آنكه شارژ در اثر يكسري واكنشهاي خروج گاز و جوش ذوب شد، همگن سازي و پالايش انجام مي شود. قبل از ريخته گري الكترودها، تركيب مذاب كاملاً كنترل شده و اصلاح مي شود. الكترودها را مي توان هم در خلاء و هم تحت گاز خنثي ريخته گري كرد.
عمده معايب فرآيند VIM عبارت است از:
1- سايش نسوز و واكنشهاي ذوب- نسوز كه منجر به توليد آخالهاي اكسيدي مي‌شود.
2- عدم كنترل نرخ انجماد كه منجر به تشكيل لوله انقباضي اضافي و جدانشيني انجمادي مي شود.
3- درشت ساختار و ريز ساختار غير يكنواخت.
فرآيندهاي پالايش
سه فرآيند پالايش اوليه براي سوپر آلياژهاي توليد شده از فرآيند EAF مورد استفاده قرار مي گيرد. گاززدايي در خلاء (VD) اولين مرحله براي بالا بردن كيفيت محصول كوره الكتريكي است. در اين فرآيند، فلز مذاب در يك محفظه مجزا و در معرض فشارهاي بسيار پايين پالايش مي شود. تحت اين شرايط گازهاي حل شده مانند مونواكسيد كربن، هيدروژن و نيتروژن كاهش مي يابد. برخي تجهيزات مانند الكترودهاي گرافيتي يا كويلهاي القايي نيز براي حرارت دهي فلز مذاب در حين و يا در ادامه فرآيند گاززدايي استفاده مي شود.
توسعه فرآيندهاي گاززدايي منجر به فرآيند كربن زدايي با اكسيژن در خلاء (VOD) گرديد كه در آن، فولادهاي زنگ نزن و سوپر آلياژها را ميتوان تحت شرايط بسيار كنترل شده عمل آورد. در اين فرآيند پالايش، فلز مذاب تهيه شده از EAF كه داراي مقادير زيادي كربن و كروم است تحت خلاء و با تزريق اكسيژن كربن زدايي مي‌شود. اين عمل، اجازه مي دهد تا در توليد سوپر آلياژها، از مواد خام حاوي كربن زياد با قيمت پايين تر استفاده كرد. براي بالا بردن كيفيت گاززدايي مي توان مذاب را به وسيله آرگون و يا القاء و يا هر دو هم زد.
سومين روش پالايش، تكنيك كربن زدايي به وسيله آرگون و اكسيژن (AOD) است در اين روش، فلز مذاب معمولاً با تزريق اكسيژن و آرگون كربن زدايي مي شود. مخلوط اكسيژن و آرگون از نازلها يا افشانكهاي مجزا تزريق و نسبت آرگون به اكسيژن با پالايش يا كربن زدايي به تدريج افزايش مي يابد. پس از رسيدن كربن بهحد مورد نياز، واكنش هاي مذاب سرباره، مانند احياء كروم و گوگرد زدايي را مي توان با هم زدن مذاب به وسيله تزريق آرگون خالص تشديد كرد. تزريق آرگون همچنين، گازهاي حل شده ديگر را خارج مي كند.
فرآيند AOD به دلايل زير به سرعت مقبوليت و توسعه يافت:
1- سادگي و انعطاف پذيري
2- كنترل آسان و قابليت توليد مجدد
3- كيفيت مذاب عالي
اين روش را مي توان انقلابي در توليد فولاد و سوپر آلياژهايي دانست كه نياز به كربن و مقادير عناصر فعال پايين دارند. اين فرآيند شرايط استفاده از فرو كروم هاي پر كربن ديگر مواد خام ارزانتر از براي توليد بسياري از آلياژها فراهم آورده است.ساختمان ساده محفظه AOD نيز مشكلات فرآيندي و تعمير و نگهداري را بسيار كاهش داده است. همچنين، مصرف بالاي آرگون را مي توان به طور جزئي با جايگزيني نيتروژن كاهش داد. از AOD بيشتر در توليد فولادهاي زنگ نزن استفاده مي‌شود ولي برخي شركتها از اين فرآيند براي توليد آلياژهاي پايه نيكل دما بالا و مقاوم در برابر خوردگي استفاده مي كنند.
فرآيندهاي ذوب ثانويه
معمولترين روشهاي ذوب ثانويه براي سوپر آلياژها عبارت است از VAR و ESR. فرآيند VIM عموماً به عنوان فرآيند ذوب اوليه سوپر آلياژها به كار مي رود و ممكن است براي ريخته گري دقيق قطعات سوپر آلياژ كافي باشد با اين وجود، براي مواديكه قرار است در معرض فرآيندهاي شكل دادن باشند، به ويژه براي سوپر آلياژهاي با استحكام بالاتر كه براي توليد توربين هاي گازي بزرگ در معرض كار قرار مي گيرند، فرآيند ذوب ثانويه كاملاً ضروري است شمشهاي VIM عموماً داراي اندازه دانه‌هاي بزرگ و غير يكنواخت است و همچنين انقباض و جدا نشيني عناصر آلياژي نيز رخ مي دهد.
با اين حال در موارديكه محصولات تحت فرآيندهاي شكل دادن قرار خواهند گرفت و نياز به استحكام بالايي است. فرآيند ذوب ثانويه كاملاً ضروري است.
اين موارد مشكلي براي مواد خامي كه قرار است ذوب مجدد شوند ايجاد نمي‌كند، در حاليكه براي سوپر آلياژهايي مانند Incoloy 901 و Waspaloy و In cone 1718 و Astroloy كه فورج پذيراند و تحت كار گرم قرار مي گيرند بسيار محدود كننده و مشكل زاست. اين مشكلات را مي توان با توالي ذوب VIM با VAR يا ESR كاملاص حل كرد. VAR و ESR علاوه بر اصلاح تركيب آلياژ، ساختار انجمادي شمش را نيز اصلاح مي كنند. ]1،3،6[
در برخي سوپر آلياژهاي پايه نيكل پيشرفته، حتي روشهاي VIM-VAR و
VIM-ESR نيز نمي تواندساختار شمش قابل قبولي براي كارگرم به وجود آورد، يك چنين سوپر آلياژهايي با روشهاي متالوژي پودر به عمل مي آيند.
پيشرفتهاي اخير در تكنولوژي ريخته گري و ذوب شمش مانند VADER شرايط مناسبي را براي اصلاح و بهبود ساختار سوپر آلياژهاي با استحكام بالا براي روشهاي فورج و اكستروژن به شكل شمش فراهم مي آورد. ]9-7[
يكي از روشهاي جديد براي بهبود خواص و كارپذيري سوپر آلياژهاي پايه Ni و Fe-Ni كه مقادير آخال و ناخالصي هاي سرباره را به شدت كاهش مي دهد، روش EBR است. EBR فرآيند بسيار مناسبي براي تهيه شمشهاي ريختگي و كارپذير با كيفيت عالي است. ]1[
با اين وجود، هر روز روشها و فرآيندهاي بسيار پيشرفته و كاملتري نيز براي ذوب و تهيه سوپر آلياژهاي اختراع و ابداع مي شود از جمله جديدترين روشهاي بسيار پيشرفته براي ذوب ثانويه ISM و EBCHR است. در ادامه، شرح مختصري از هر يك از فرآيندهاي ذوب ثانويه ارائه مي شود.
فرآيند VAR
فرآيند VAR معروفترين روشي است كه در آمريكا، به طور گسترده براي ذوب مجدد الكترودهاي سوپر الياژ VIM به كار مي رود ]1،4[. نمايي از كوره VAR در فرآيند ذوب در يك بوته مسي كه با آب خنك مي‌شود در فشار صورت مي گيرد. حرارت مورد نياز از قوس جريان بالا و ولتاژ پايين بين الكترود و فلز مذاب تامين مي شود. نرخ ذوب براي اين فرآيند به صورت تابعي از توان ورودي كنترل مي شود و دماهاي فوق ذوب پايين قابل دسترسي است. نرخ انجماد را مي توان با نرخ ذوب و شدت خنك كاري بوته به وسيله آب كنترل كرد. نرخ انجماد كنترل شده VAR مضرات ويژه الكترودهاي VIM را كم مي كند. ولي، تنها مي تواند آخالهاي اكسيدي را كه در اثر فلوتاسيون در فرآيند VIM اوليه به وجود آمده حذف كند.
