دانلود مقاله •مشخصات ریخته گری و ذوب

بخشی از مقاله

• مشخصات ريخته گري و ذوب
• آلومينيم و آلياژ هاي آن به دليل نقطه ذوب كم و برخورداري از سياليت بالنسبه خوب و همچنين گسترش خواص مكانيكي و فيزيكي در اثر آلياژ سازي و قبول پديده هاي عمليات حرارتي و عمليات مكانيكي ، در صنايع امروز از اهميت زيادي برخور دارند و روز به روز موارد مصرف اين آلياژ ها توسعه مي يابد . عناصر مختلف مانند سيليسيم

، منيزيم و مس در خواص ريخته گري و مكانيكي اين عنصر شديداً تأثير مي گذارند و يك رشته آلياژ هاي صنعتي پديد مي آورند كه از مقاوت مكانيكي ، مقاوت به خورندگي و قابليت ماشين كاري بسيار مطلوب برخوردارند . قابليت جذب گاز و فعل و انفعالات شيميايي در حالت مذاب از اهم مطالبي است كه در ذوب و ريخته گري آلومينيم مورد بحث قرار مي گيرد .

تقسيم بندي آلياژ ها
آلياژ هاي آلومينيم در اولين مرحله به دو دسته تقسيم مي گردند :
الف ) آلياژ هاي نوردي (Wrought Alloys) كه قابليت پزيرش انواع و اقسام كارهاي مكانيكي ( نورد ، اكستروژن و فلز گري ) را دارند .
ب ) آلياژ هاي ريختگي (Casting Alloys) كه در شكل ريزي و ريخته گري هاي آلومينيم با گسترش بسيار مورد استفاده اند . آلياژ هاي نوردي كه در مباحث شكل دادن فلزات مورد مطالعه قرار مي گيرند از طريق يكي از روش هاي شمش ريزي (مداوم ، نيمه مداوم ، منفرد ) تهيه مي گردند و پس از قبول عمليات حرارتي لازم ، تحت تاثير يكي از زوش هاي عمليات مكانيكي به شكل نهايي در مي آيند .

آلياژ سازها (Hardeners)
اين عناصر كه به نام هاي Temper Alloys و Master Alloysنيز ناميده مي شوند به مقدار زيادي در صنايع ريخته گري آلومينيم به كار مي روند ، زيرا آلومينيم با نقطه ذوب كم اغلب قادر به ذوب و پذيرش مستقيم عناصر با نقطه ذوب بالا نيست (مس 1083 درجه ، منگنز 1244 درجه ، نيكل 1455 درجه ، سيليسيم 1415 درجه ، آهن 1539 درجه و تيتانيم 1660درجه سانتي گراد ) .

همچنين عناصر ديگري كه نقطه ذوب بالا ندارند ، داراي فشار بخار وشدت تصعيد و اكسيداسيون مي باشند كه در صورت استفاده مستقيم درصد اتلاف اين عناصر شديدا افزايش مي يابد ( منيزيم ، روي ) . تركيب شيميايي و نقطه ذوب بعضي از آلياژ ها كه در صنايع آلومينيم به كار مي رود .مشخصات متالوژيكي آلياژ ها در فصل جداگانه اي مورد مطالعه قرار خواهد گرفت . تهيه آلياژ ساز ها معمولا در كار گاههاي ريخته گري نيز انجام مي گيرد در اين مواقع اغلب روش هاي زير مورد استفاده است .

معمولا قطعات عنصر دير ذوب را ريز نموده و در فويل هاي الومينيمي پيچيده و يا در شناور هاي گرافيتي قرار داده ودر داخل مذاب الومينيم (800 درجه تا 850 درجه تحت فلاكس )فرو مي برند و سپس آن را به هم ميزنند.

در بعضي موارد ودر صورت امكان از دو كوره ذوب استفاده مي نمايند و بعد از ذوب دو عنصر ،آن ها را باهم مخلوت ميكنند. اين عمل در مورد اجسامي كه تا 1100 درجه سانتي گراد نقطه ذوب دارند مقرون به صرفه است ولي در مورد عناصر با نقطه ذوب بالا عملا مشكلاتي را فراهم ميكند.
در جريان ذوب وساخت الياژ وتنظيم شارژ علاوه بر مشخصات تركيبي الياژ بايستي ميزان اتلاف در جريان ذوب كه به نوع كوره ،روش ذوب وروش تصفيه بستگي دارد ،مورد توجه قرار گيرد.
نقطه ذوب تركيب نقطه ذوب تركيب

560
640

830
770
915

850
800
1020
1150 11 89
9 91 Al-Mg

11 89
9 91Al-Mn
25 75

11 89
9 91
20 80Al-Fe
50 50
660
620
1046

570
600
600

680
730
765
15-85
12-88Al-Si
50-50

50-50
45-55Al-Cu
3-97Al-Be

11-89
9-91Al-Ni
20-80
تركيب شيميايي و نقطه ذوب آلياژ ساز ها درآلومينيم
كنترل تركيب
الياژهاي متعدد و متفاوت الومينيم هر يك به نوعي داراي ناخالصي هاي طبيعي هستند كه در شمش هاي اوليه آنان موجود ميباشد وعلاوه بر آن شارژ نا مناسب وعدم دقت در شارژ باعث بروز انواع نا خالصي ها در فلز مذاب ميگردد.عناصر نا خالصي اغلب از حد حلاليت متجاوز هستند و به صورت فازهاي فلزي وتر كيبات فلزي در قطعه ريخته شده ظاهرمي گردند

.
تركيبات بين فلزي همچنين تحت تا ثير پديده جدايش در مذاب حاصل ميشوند كه در عمل براي جلوگيري از اين پديده تنظيم شرايط ريخته گري و انجماد الزامي ميگردد. بعضي از عناصر متشكله آلياژ ماندد منيزيم ،برليم ،سديم و كلسيم در اثر حرارتهاي محيط ذوب و وجود هوا اكسيده ميگردند ودرصد اتلاف انان در مذاب افزايش مي يابد

،به خصوص اگر زمان نگاه داري مذاب در درجه حرارتهاي بالا زياد باشد از اين رو تركيب شيميا يي الاژ تغييرات عمده خواهد داشت.از طرف ديگر عناصري مانند مس،آهن،كرم،نيكل،منگنز تمايل چنداني به اكسيده شدن ندارند ولي پديده جدايش در حضور اين عناصر با سهولت بيشتري انجام ميگيرد،كه براي جلو گيري از آن بهم زدن مذاب در طول ذوب و در زمان ريختن الزامي است(بديهي است بهم زدن مذاب بايستي به گونه اي باشد تا اكسيده شدن مذاب را تشديد نكند).
در بسياري موارد براي جلو گيري از اكسيداسيون مواد شارژ،آن ها را با فلاكس( Coveral Flux )پوشش مي دهند

.
در حالت كلي بايستي تركيب دقيق مواد شارژ و درصد اتلافات كوره نسبت به هر يك از عناصر آلياژي كه به درجه حرارت ان نيز بستگي دارد،كاملا از طريق تجزيه وازمايش روشن گردد.
گاز زدايي (Degassing)

همانگونه كه در مباحث قبل و كتاب اصول ريخته گري تشريح گرديده است گاز هاي محلول در مايع بعد از انجماد به دليل تنش سطحي مذاب و عدم امكان خروج كامل به صورت حباب هايي با اندازه هاي مختلف در قطعه ريخته شده باقي مي مانند كه خواص مكانيكي و وزن مخصوص قطعه را شديدا كاهش مي دهند .

در مورد ذوب آلياژ هاي آلومينيم ، هيدروژن تنها گازي است كه به صورت محلول در مايع و حباب در جامد ظاهر مي گردد و از اين رو عمليات گاز زدايي (هيدروژن زدايي ) در ذوب آلومينيم و آلياژ هاي آن از اهميت خاص برخوردار است . ميزان حلاليت هيدروژن در مذاب آلومينيم به درجه حرارت و فشار خارج ( نسبت به فشار داخل ) بستگي دارد و همين امر پايه و اساس گاز زدايي آلومينيم را تشكيل مي دهد . لذا كنترل درجه حرارت براي اجتناب از جذب گاز كه بايستي حد اقل ممكن باشد اولين عاملي است كه در جريان ذوب مورد توجه قرار مي گيرد . معمولا درجه حرارت مذاب را 720ـ740 درجه سانتي گراد اختيار مي كنند تا علاوه بر تحديد حلاليت گاز از سياليت نسبتا مناسب و ويسكوزيته كم برخوردار باشد .

ـ ذوب در خلاء (فشار كم )
ذوب در خلاء به دليل عدم وجود گاز هاي محيطي ، علاوه بر تقليل ميزان هيدروژن از شدت اكسيداسيون و امكان وجود ساير تركيبات غير فلزي نيز مي كاهد . مهمترين اصل در اين روش تقليل فشار خارجي است كه در نتيجه حلاليت هيدروژن را به نسبت زيادي تقليل مي دهد . اين روش در صنايع امروز در حال توسعه است .

ـ گاز زدايي با گاز هاي بي اثر
افزودن گاز هاي بي اثر مانند ازت و ارگون باعث آن مي گردد كه فشار نسبي داخل مذاب افزايش پيدا كرده و در نتيجه از حلاليت هيدروژن كاسته شود.
آزمايشات رانسلي (Ransley) نشان مي دهد كه چنانچه گاز ارگون يا ازت به مقدار cc1 بر دقيقه به داخل مذاب رانده شود فشار داخلي راندمان استخراج هيدروژن برابر 52% است و چناچه گاز بي اثر برابر دقيقه/cc5 به داخل مذاب دميده مي شود :
بايستي توجه داشت كه كه در آن  درصد هيدروژن در مخلوط گازي مي باشد و از اين رو گاز هاي بي اثر مانند ارگون ، هليم و ازت (در صورت عدم وجود منيزيم ) مي توانند به عنوان مواد دگازر به كار روند .

آلومينيم مذاب معمولا توسط آرگون خشك براي تقليل فشار خارجي ( افزايش فشار داخلي )به نسبت گاز زدايي مي شود كه در نتيجه مقدار هيدروژن را از 34/0 سانتي متر مكعب بر 100 گرم به 034/0تقليل مي دهد و معمولا اين عمل در كوره هاي بوته اي ثابت توسط كپسول هاي گاز ارگون (مخلوط گازي ) انجام مي شود .
تركيب فلوئور مضاعف سديم سيليسيم( Na2SiF6) نيز كه در درجه حرارت مذاب تجزيه مي شود و گاز {F4Si } را كه نسبت به مذاب آلومينيم بي اثر است ، توليد مي كند نيز با همان نتايج گاز هاي ازت و ارگون روبرو است جز آنكه سديم حاصل نمي تواند در آلياژ هاي منيزيم دار به كار رود .
اكسيژن زدايي ،خارج كردن مواد غير فلزي Fluxing

فلاكس ها ، موادي هستند كه براي افزايش كفيت مذاب و تقليل مواد تركيبي (غير فلزي) بدون تغيير كلي در تركيب آلياژ و يا با اندكي تغيير به كار مي روند .
چگونگي فعل و انفعال فلاكس و مذاب و چگونگي خروج اكسيد ها از آن هنوز مورد ترديد و بحث مي باشد زيرا پايداري اكسيد آلومينيم مانع از آن است كه خروج اين عنصر از مذاب به سهولت خروج اكسيد آهن و اكسيد مس انجام پذيرد .
نظرات مختلف تركيبي ( شيميايي ) و مكانيكي هنوز به قوت خود باقي است و مهم تر از همه نظريه وست (West) ميباشد مبني بر اينكه فلاكس ها در فصل مشترك تركيبات و مذاب قرار گرفته و به سهولت آنها را از هم جدا مي نمايند .

فلاكس ها و كاربرد آنها بسيار متنوع مي باشد تقسيم بندي هاي مختلفي در مورد آنان انجام گرفته است كه مؤلف تقسيم بندي زير را در مورد آلياژ هاي آلومينيم مناسب تشخيص مي دهد :
1ـ احياء كننده ها (فلزات )
2ـ فلاكس هاي گازي
3ـ فلاكس هاي جامد محلول و يا نمك ها
قبل از تشريح انواع فلاكس ها توضيح اين نكته ضروري است كه اغلب تركيبات فلاكس ها داراي مواد گاز زدا نيز مي باشد و از اين رو فلاكس ها براي منظور هاي مختلف و يا گاز زدايي و خارج كردن مواد غير فلزي و حفاظت مذاب ، تواما به كار ميروند و در صنايع ذوب آلومينيم از اهميت ويژه برخوردار اند .

احياء كننده ها
اكسيد آلومينيم به سهوات توسط عناصر ديگر احياء مي شود و فقط عناصر محدودي مانند كلسيم ، منيزيم، ليتم و برليم قادر به احياء آلومينيم مي باشند . ولي اكسيد هاي كلسيم و منيزيم به سرعت با اكسيد آلومينيم تركيب مي شده و اكسيد هاي مضاعف (اسپينل ) تشكيل مي دهند و از اين رو براي خروج اكسيدهاي آلومينيم اثرات منفي ندارد . در مقابل برليم بريا كليه آلياژ هاي آلومينيم و به خصوص آلومينيم ، منيزيم توصيه شده است .
اكسيد برليم علاوه برقابليت احياء اكسيد هاي آلومينيم و منيزيم ، مي تواند اكسيد فيلم غير متخلخل در سطح مذاب تشكيل دهد و مانع از اكسيده شدن بيشتر مذاب شود .

با توجه به اين كه فاكتور تخلخل BeO برابر 4 مي باشد در حالي كه اين فاكتور براي نزديك 2 و براي MgO8/0است ،چگونگي حفاظت سطح مذاب توسط اكسيد فيلم مشخص مي گردد .
برليم در شمش ها و قطعات آميژن با 5/1% برليم و يا به صورت تركيب به مذاب اضافه مي گردد .
ليتيم نيز كه به صورت ليتيم فلزي و يا فلوئور ليتيم Fli به مذاب آلومينيم افزوده مي شود ، در تقليل مقدار اكسيد هاي آلومينيم و منيزيم تاثير بسياري دارد . ول مشخصات كلي آن از بلريم نا مطلوب تر است ، زيرا قادر به تشكيل اكسيد غير متخلخل است و محافظت فلز را مانند برليم انجام نمي دهد و از طرف ديگر به دليل نقطه ذوب پايين ممكن است در مذاب حل شود

در خاتمه اين مبحث لازم به توضيح است كه عناصري قادر به احياء و استفاده در صنايع ذوب آلومينيم هستند كه مشخصات زير را داشته باشند :
1ـ نقطه ذوب و تبخير بالا
2ـ وزن اتمي كم
3ـ وزن مخصوص كم
4ـ قطر اتمي كوچك
و در بين عناصر ، برليم مشخصات فوق را به طور كامل دارد و از اين رو استفاده از آن در صنايع آلومينيم بيش از عناصر ديگر به عمل مي آيد .