ریخته گری آلیاژهای غیرآهنی

[bigbang]

مروری بر شرایط ریخته ‌گری آلیاژهای Al

آلومینیوم یكی از عناصر گروه سوم در جدول تناوبی است . مهمترین آلیاژهای صنعتی و تجارتی آلومینیوم عبارتند از :

آلیاژهای این عنصر و عناصری مانند منیزیم، سیلیسیم، و مس. Al آلیاژ های آن به دلیل نقطه ذوب پایین و برخورداری از سیالیت بالنسبه خوب وهمچنین گسترش خواص مكانیكی وفیزیكی دراثر آلیاژ سازی وقبول پدیده های عملیات حرارتی و عملیات مكانیكی، در صنایع امروز اهمیت زیادی برخوردارند و روز به روز موارد مصرف این آلیاژها توسعه می یابد.

برخی از ویژگیهای مطلوب و جالب توجه آلیاژهای Al عبارتند از: جذب لرزش (دمپینگ)، وزن نسبتاً كم، قابلیت انعطاف، استحكام دینامیكی خوب، استمرار استحكام، قابلیت تغییر شكل بالا، مقاومت در برابر ترك، عدم شكنندگی در درجه حرارتهای خیلی پایین، مقاومت سایشی مطلوب، پایداری شكل، توزیع تنش مطلوب، به صرفه بودن طراحی قطعات ریختگ‍ی آلومینیم از لحاظ اقتصادی، هدایت حرارتی بالا، غیر قابل اشتعال بودن، هدایت الكتریكی قابل قبول، مقاومت در برابر اتصال كوتاه، ظرفیت حرارتی زیاد، مقاومت در برابر آب دریا وخوردگی، داشتن سطح تزیینی و براق، غیر سمی بودن، قابلیت انعكاس بالا، كیفیت فرزكاری مطلوب، بازیابی آسان و سیالیت مطلوب در هنگام ریخته‌گری. هر كدام از این ویژگیها باعث شده است تا قطعات ریختگ‍ی Al ، جایگزین آلیاژهای تجاری دیگر در صنعت شود.

آلیاژهای Al در اولین مرحله به دو دسته تقسیم میگردند:

١- آلیاژهای نوردی

2- آلیاژ های ریختگی

آلیاژ ریختگ‍یAl از طرق مختلف ریختگری (ماسه ای،پوسته ای ،فلزی،تحت فشار)شكل می‌گیرند و بطورمستقیم و یا بعد از عملیات حرارتی در صنعت استفاده می شوند . مواد مختلفی كه در ریختگری آلیاژهای Al بكار میروند، بر اساس نوع تركیب خواسته شده و شرایط ترمودینامیكی عبارتند از:

شمش‌های اولیه، شمش های دوباره ذوب، قراضه‌ها، برگشتی ها، و آلیاژسازها.

تفاوت عمده بین شمش های اولیه و شمش های دوباره ذوب آن است كه شمش های اولیه كه از كارخانجات ذوب بدست می آیند حاوی مقادیر زیادی ناخالصی و گاز می باشند كه تاثیر منفی و نامطلوب در قطعه ایجاد می كنند، در حالی كه شمش های ثانویه در اثر خروج ناخالصی ها و سایر موارد (بر اساس تصفیه)از كیفیت تركیبی برتری برخوردار می‌باشند.در ریخته‌گری آلیاژهای Al، بسیاری از عناصر به صورت ناخالصی‌های فلزی، تركیبات بین فلزی، گازهاو اینكلوژنها از منابع متنوع و متعدد به مذاب افزوده می‌شود كه در صورت عدم كنترل دقیق برآنها ویا انجام عملیات خاص جهت حذف این مواد ویا تقلیل خواص مضر آن، آلیاژ ریخته شده از كیفیت مطلوب برخوردار نخواهد بود. وجود مواد اكسیدی، حبابهای گازی، و درشت بودن شبكه از جمله مسائلی است كه در ذوب Al همواره مورد توجه و بررسی قرار می گیرد. عملیات كیفی درمذابAl به دسته های مختلف تقسیم میگردد:

١-كیفیت تركیب

٢-گاززدایی

(با گازهای بی اثر،با كلرو تركیبات قابل تبخیر آن و یا به روش ذوب در خلاء)

3-اكسیژن زدایی (خارج كردن مواد غیر فلزی با فلاكس ها).

به دلیل اشكالات متالورژیكی ناشی از مصرف فلاكس‌ها، سیستم ***** كردن در صنایع Al توسعه روزافزون یافته است و این امر با استفاده از مواد متخلخل در سیستم راهگاهی و یا در مخازن نگهداری مذاب و یا در سیستمهای ***** مجزا انجام می‌گیرد كه هر یك در نوع خود از مزایا و محدودیت هایی برخوردار است .

ساختمان ریختگی آلیاژ های Al:

ساختمان ریختگ‍ی آلیاژهای Al دقیقاً به كلیه اعمال اساسی و كیفی در جریان ذوب و ریخته‌گری Al و انجماد آن بستگی داردكه بخصوص در مورد آلیاژ های نوردی و آلیاژهایی كه عملیات حرارتی معینی را پذیرا می‌شوند، مختصات نهایی و خواص عمومی آلیاژها به ساختمان قطعه پس از انجام عملیات بعدی نیز وابستگی شدید دارد.

بدیهی است ساختمان كریستالی ریز و یكنواخت، خواص مكانیكی مطلوب‌تر و اشكالات كمتری را ایجاد می‌نماید و در این میان تاثیر سرعت سرد كردن از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است . در قطعات ریختگ‍ی با مقاطع یكنواخت تحت درجه حرارت بارریزی ثابت، شبكه كریستالی در قالب های ماسه ای، فلزی و تحت فشار به ترتیب ریزتر و یكنواخت‌تر می‌گردد. قطعاتی كه مقاطع یكنواختی ندارند، با ایجاد مبرد در ماسه و تغییر سرعت سرد كردن در مقاطع مختلف به شبكه یكنواخت دست می یابند كه نهایتاً زمان انجماد در تمام مقاطع یكسان می گردد و در این حالت، استفاده از منابع تغذیه برای جلوگیری از شكستگی های گرم و رفع كسری‌های ناشی از انقباض مورد توجه قرار می‌گیرد.

تعداد كانال های فرعی در توزیع یكنواخت حرارت، عامل بسیار مهمی است و از این رو استفاده از چند كانال فرعی در انجماد یكنواخت آلیاژ تاثیر خوبی دارد.

از آنجا كه فاصله انجماد، شدیداً تحت تاثیر نوع آلیاژ می‌باشد، برای حذف مشكلات مربوط به فاصله انجماد زیاد و نوع انجماد خمیری، حتی‌المقدور بایستی قطر متوسط قطعه یا شمش را كاهش داد و در عین حال نیز از عوارض ناشی از سگرگاسیون تركیبات بین فلزی در حد امكان جلوگیری نمود. از طرف دیگر ابعاد كوچكتر شمش باعث تقلیل تخلخل و حباب های ناشی از وجود گاز هیدروژن در قطعه می‌گردد كه این امر نیز ناشی از افزایش سرعت سرد كردن است

مشخصات قالب :

آلیاژهای Al با كلیه روش‌های مختلف ریخته‌گری (در ماسه، در گچ، پوسته‌ای و در سرامیك)و در قالب های فلزی و تحت فشار قابلیت ریخته‌گری دارند. تمام آلیاژهای صنعتی و تجارتی این عنصر بایكی از طرق فوق تولید می‌گردد كه از آن میان، ریخته‌گری در ماسه، در قالب های فلزی و تحت فشار از گسترش بیشتری برخوردار است . به دلیل نقطه ذوب و وزن مخصوص كم این آلیاژها، قالب های مورد استفاده كمتر تحت تاثیر واكنشهای حرارتی و هیدروستاتیكی مذاب قرارمی گیرند و از این رو سطح ریختگ‍ی و دقت ابعادی آن از كیفیت بهتری نسبت به سایر آلیاژهای سنگین و آهنی برخودار است. لازم به تذكر است كه روش ریختگ‍ی و كنترل شرایط ریختگ‍ی در خواص مكانیكی محصول نهایی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و فقط تركیب شیمیایی آلیاژ نمی‌تواند خواص مكانیكی و فیزیكی را تعیین كند.

نكته حائز اهمیت در ریخته‌گری با قالب‌های ماسه‌ای آن است كه وزن مخصوص كم آلیاژهای Al و كاهش نیروهای هیدروستاتیكی و شرایط تسهیلی خروج گازها از محفظه قالب باعث می‌شود كه مقاومت در حالت تر ماسه كم شود. جهت تقلیل تولید گاز و همچنین استحكام كم قالب، رطوبت از 5% تجاوز نمی كند و در غیر این صورت بخار ناشی از فعل و انفعالات رطوبت قالب و مذاب باعث ایجاد تخلخل بخصوص در پوسته خارجی و قسمتهای نزدیك به پوسته می‌گردد. برای ایجاد قابلیت نفوذ در ماسه و استحكام سطح آزاد ماسه (در قطعات بزرگ) معمولاً مواد سلولزی و خاك اره به ماسه می‌افزایند. در شرایط عمومی، قالب‌های ماسه از«ماسه سوزی» و فعل و انفعالات شدید مذاب و قالب بركنار می باشند و به همین دلیل در این قالب‌ها هیچ گونه مواد پوششی(Coatings) بكار نمی رود.

ایجاد سرعت انجماد و تشكیل انجماد پوسته‌ای، می‌تواند به مقدار زیادی از فعل و انفعالات قالب و فلز مذاب جلوگیری كند و در نتیجه در اغلب كارگاهها با افزایش رطوبت ماسه به میزان ٨%، جهت انجماد و انجماد پوسته ای را تسهیل می كنند. با توجه به توضیحات فوق، ریخته‌گری در ماسه خشك در صنایع ریخته‌گری Al از اهمیت كمتری برخوردار است و فقط در مورد قطعات بزرگ بكار می‌رود.

سیستم راهگاهی :

ایجاد سیستم راهگاهی و تغذیه‌گذاری در ریخته‌گری Al از دیر باز به عنوان عامل موثر در ایجاد قطعه سالم شناخته شده است. قابلیت اكسیداسیون و جذب گاز در شرایط مختلف، حركت مذاب و تلاطم آن را تشدید می‌كند و بخصوص فعل و انفعالات ناشی از مواد قالب در سطح قطعه ریختگ‍ی، تولید تخلخل (Porosity) می‌نماید و همچنین دخول گازهای ناشی از تلاطم مذاب باعث پرشدن قالب و ایجاد محفظه های هوا در سطح قطعه می گردد. لذا، ایجاد سیستم راهگاهی مطلوب در حذف تلاطم مذاب و ایجاد حركت آرام و یكنواخت مذاب در پر كردن قالب و نصب سیستم تغذیه گذاری صحیح در جهت حذف انقباضات متمركز و پراكنده در قطعه ریختگ‍ی الزامی است .

چنانچه مذاب مستقیماً به دهانه راهگاه ریخته شود، سرعت خطی آن افزایش می یابد و در نتیجه تلاطم مذاب و حركت گردابی آن تشدید می‌گردد و باعث دخول گاز، تخریب و دخول مواد قالب واكسید های فراوان به قطعه ریختگ‍ی خواهد شد، از این رو ساختن حوضچه بالای راهگاه به صورت‌های مختلف قیفی ویا مكعبی الزامیست. در مورد قطعات ریختگ‍ی با كیفیت بسیار خوب، حوضچه بالایی می‌تواند همراه با مانع و *****های مشبك بكار رود. در ریخته‌گری آلیاژهای Al ، طویل نمودن حوضچه ویا سایر اجزاء سیستم راهگاهی در جهت حذف تلاطم مذاب در حد امكان، توصیه می شود.

سیستم تغذیه گذاری :

اصولاً سیستم تغذیه‌گذاری برای تصحیح انجماد Al و برای حل دو مسئله اساسی بكار می‌رود:

الف)جلوگیری از انقباضات بزرگ:

محفظه های انقباضی وكشیدگی تغذیه كه معمولاً در قسمتهای ضخیم قطعه پدید می‌آید.

ب)جلوگیری از انقباضات میكروسكوپی و پراكنده:

كه بخصوص هسته های مناسبی برای رشد گازهای مولكولی هستند. Alوآلیاژهای آن، انقباض حجمی زیادی در فاصله انجماد دارند و از اینرو در مقایسه با سایر آلیاژها به تعداد تغذیه‌های بیشتر و بزرگتری نیاز دارند و بالطبع راندمان ریختگ‍ی قطعات Al پایین تر از سایر آلیاژها و برحسب وزن قطعه برابر 45-25 درصد معمولی است. در مورد اندازه منبع تغذیه هنوز مطالعات زیادی در حال انجام است ولی طبیعتاً بایستی اندازه تغذیه به گونه‌ای باشد كه مذاب درون آن زمان بیشتری را طی كند و همچنین اصول جهت انجماد از قسمت های دیگر به منبع تغذیه كاملاً رعایت شود.

با وجود آنكه به سهولت و با محاسبات ساده، جبران كمبودهای ناشی از انقباض در فاز جامد، در مورد انقباضات متمركز امكان‌پذیر می‌باشد، حذف انقباضات پراكنده، به دلیل دامنه انجماد طولانی آلیاژهای Al و انجماد خمیری آنان دشوار و گاه غیرممكن است. تعقیب شیب حرارتی از قسمت‌های مختلف قالب و استفاده از مبرد و ایجاد جهت انجماد اكیداً توصیه می‌شود ولی حذف كامل این انقباضات به دلیل انجماد خمیری و همچنین در اثر وجود گاز های حل شده در مذاب بطور كلی امكان‌پذیر نیست.

در رابطه با انتخاب محل تغذیه، در آلیاژهای Al كمتر از تغذیه اتمسفری استفاده می‌شود و تغذیه های فوقانی كه ماكزیمم نیروهای متالواستاتیكی را در قسمتهای تحتانی مذاب ایجاد می‌كنند، استفاده زیادی دارند. در این مواقع به محل اتصال تغذیه توجه می‌شود. نكات حائز اهمیت در انجماد اتصالات، بایستی مراعات شود؛ چون در غیر این صورت همیشه در سطح فوقانی قطعه ریختگ‍ی، انقباضات و شكستگی‌های گرم و سرد پدیدار می‌گردد .

بررسی فرایند تصفیه در مذاب: Al

تصفیه فلز مایع به یكی از فرایندهای ضروری در تولید فلزات خالصتر تبدیل شده است. این موضوع خصوصاً در صنعت آلومینیم كه با افزایش تقاضا برای كیفیت بالای محصولات روبرو است، صادق است. تصفیه آلومینیم به عنوان آخرین تكنیك خالص‌سازی مورد استفاده قبل از ریخته‌گری فلز بسیار گسترش یافته است وضرورت تحقیقات بیشتر بر روی این فرایند احساس می‌شود. خارج كردن ناخالصی‌های جامد سیالیت فلز را بهبود می‌بخشد و در نتیجه قابلیت ریختگی را زیاد می‌كند. بعلاوه، ساختار بدست آمده منجر به خواص مكانیكی مطلوب می‌شود، مثلاً استحكام و انعطاف‌پذیری افزایش و قابلیت شكلپذیری و ماشینكاری بهبود می‌یابد، همچنین فلز بدون ناخالصی ساییدگی ابزار را كم می‌كند؛ اما فرایند تصفیه، فرایندی ناپایدار است یعنی با زمان تغییر می‌كند. این موضوع به دلیل آن است كه ذرات گیر افتاده درون *****، خواص ***** را تغییر می‌دهند و به اصطلاح" پیری *****" رخ می‌دهد. پژوهش‌‌های بسیاری بر روی پیری ***** و همچنین تغییرات بازده تصفیه و افت فشار در هنگام رسوب ذرات درون *****‌های سرامیكی مشبك مورد استفاده در تصفیه مذاب آلومینیم، انجام شده است. در مطالعات گرفته به این نتیجه رسیده‌اند كه از زمانی كه ذرات درون ***** وارد می شوند، پیری ***** آغاز می‌شود و ساختار درونی ***** در نتیجه تجمع پیوسته ذرات گیرافتاده، تغییر می‌كند. در طی این فرایند، متغیر‌هایی چون تخلخل *****، قطر معادل شبكه ***** یا سطح مخصوص نیز با زمان تغییر می‌كنند. بسته به چگونگی انباشتگی ذرات، تاثیر آنها متفاوت است. اگر ذرات بصورت یكنواخت در بافت ***** رسوب كنند، باعث افزایش قطر شبكه و اثر منفی بر بازده تصفیه می‌شوند؛ اما اگر ذرات بصورت دندریتی و خوشه‌ای تجمع یابند، اثر مطلوبی بر بازده تصفیه خواهند گذاشت زیرا خوشه‌های دندریتی بعنوان بافت‌های ***** جدید با قطری كمتر از قطر شبكه در حالت قبل عمل می‌كنند. می‌دانیم كه سه مدل برای رسوب ذرات ناخالصی بر بافت ***** وجود دارد:

مدل پوشش صاف، مدل دندریتی و مدل صرفاً تغییر تخلخل. مشاهداتی كه روی *****‌های مصرف شده در تصفیه آلومینیم صورت گرفته، نشان می‌دهد كه ذرات بصورت توده درون ***** گیرافتاده‌اند و بیانگر آن است كه مدل "صرفاً تغییر تخلخل" برای توصیف فرایند ‌هایی كه درون ***** حین عمل تصفیه مذاب آلومینیم رخ می‌دهد، مناسبتر است. نتایجی كه بر پایه مدل صرفاً تغییر تخلخل بدست می‌آید، بیانگر آن است كه گرادیان‌های فشار از دهانه ورودی تا خروجی ***** تغییر می‌كنند و بیشترین گرادیان در دهانه ورودی ***** وجود دارد. در همه شرایط، گرادیان فشار با گذشت زمان و با افزایش غلظت ذرات ورودی، زیاد می‌شود. نرخ این تغییرات از ورودی تا خروجی كاهش می‌یابد؛ البته تغییرات فوق برای دوساعت تصفیه و غلظت ذرات كمتر از 1ppmبسیار ناچیز و اندك است؛ اما هنگامی كه غلظت ذرات به 10ppm می‌رسد، این تغییرات محسوس می‌شود.

نكته قابل توجه دیگر در حركت مذاب، عدم تلاطم و جریان آرام سیال، حین پر كردن قالب است. با توجه به آنكه داشتن اطلاعات مربوط به خواص سیلانی مذاب و علی الخصوص افت فشار مذاب در سیستم *****، جهت پیش بینی رفتار مذاب و سرعت خروجی مذاب از سیستم ***** مفید می‌باشد،تاثیر ***** در كاهش نرخ جریان و چگونگی حضور ***** در داخل سیستم راهگاهی سوال برانگیز بوده است . در بخشی از تحقیقاتی كه توسط آقای دكتر حبیب‌اله‌زاده و پروفسور جان كمپل انجام شده‌ است، چگونگی سیلان آلیاژهای Al_Si در داخل سیستم خاصی از *****، شامل ورودی و خروجی مذاب، تله حباب‌گیر و ***** سرامیكی- اسفنجی با تخلخل 20ppi و با بكارگیری دستگاه فیلمبرداری با اشعه ایكس مطالعه گردیده است. عدد رینولدز بدست آمده در این پژوهش حدوداً صد برابر كمتر از عدد مورد نیاز برای حضور جریان آشفته بوده و حاكی از جریانی بسیار آرام و لایه‌ای در ***** می‌باشد. در خارج از ***** نیز، عدد رینولدز بدست آمده، دلالت بر حضور جریانی نسبتاً لایه‌ای دارد. نتایج بدست آمده حاكی از آن است كه:

سیستم ***** صحیح می‌تواند براحتی شدت جریان‌های متلاطم مذاب را تخفیف بخشد، و باعث افت فشار در جریان مذاب بدلیل تبرید و اصطكاك ***** ‌شود و در نتیجه میزان عیوب ریختگی را در قطعه كاهش دهد؛ اما باید به این نكته نیز توجه كرد كه میزان افت فشار و كاهش شدت جریان باعث عیب نیامد در قطعه نشود.