مروري بر شرايط ريخته‌گري آلياژهاي Al
مروري بر شرايط ريخته‌گري آلياژهاي Al :
آلومينيوم يكي از عناصر گروه سوم در جدول تناوبي است . مهمترين آلياژهاي صنعتي و تجارتي آلومينيوم عبارتند از : آلياژهاي اين عنصر و عناصري مانند منيزيم، سيليسيم، و مس. Al آلياژ هاي آن به دليل نقطه ذوب پايين و برخورداري از سياليت بالنسبه خوب وهمچنين گسترش خواص مكانيكي وفيزيكي دراثر آلياژ سازي وقبول پديده های عمليات حرارتي و عمليات مكانيكي، در صنايع امروز اهميت زيادي برخوردارند و روز به روز موارد مصرف اين آلياژها توسعه مي يابد.
برخي از ويژگيهاي مطلوب و جالب توجه آلياژهای Al عبارتند از: جذب لرزش (دمپينگ)، وزن نسبتاً كم، قابليت انعطاف، استحكام ديناميكي خوب، استمرار استحكام، قابليت تغيير شكل بالا، مقاومت در برابر ترك، عدم شكنندگي در درجه حرارتهاي خيلي پايين، مقاومت سايشي مطلوب، پايداري شكل، توزيع تنش مطلوب، به صرفه بودن طراحي قطعات ريختگی آلومينيم از لحاظ اقتصادي، هدايت حرارتي بالا، غير قابل اشتعال بودن، هدايت الكتريكي قابل قبول، مقاومت در برابر اتصال كوتاه، ظرفيت حرارتي زياد، مقاومت در برابر آب دريا وخوردگي، داشتن سطح تزييني و براق، غير سمي بودن، قابليت انعكاس بالا، كيفيت فرزكاري مطلوب، بازيابي آسان و سياليت مطلوب در هنگام ريخته‌گري. هر كدام از اين ويژگيها باعث شده است تا قطعات ريختگی Al ، جايگزين آلياژهاي تجاري ديگر در صنعت شود.
آلياژهای Al در اولين مرحله به دو دسته تقسيم ميگردند:
١- آلياژهای نوردي٢- آلياژ های ريختگی، آلياژ ريختگیAl از طرق مختلف ريختگری (ماسه اي،پوسته اي ،فلزي،تحت فشار)شكل مي‌گيرند و بطورمستقيم و يا بعد از عمليات حرارتي در صنعت استفاده می شوند . مواد مختلفي كه در ريختگری آلياژهاي Al بكار ميروند، بر اساس نوع تركيب خواسته شده و شرايط ترموديناميكي عبارتند از: شمش‌های اوليه، شمش های دوباره ذوب، قراضه‌ها، برگشتيها، و آلياژسازها.
تفاوت عمده بين شمش های اوليه و شمش های دوباره ذوب آن است كه شمش های اوليه كه از كارخانجات ذوب بدست مي آيند حاوي مقادير زيادي ناخالصي و گاز مي باشند كه تاثير منفي و نامطلوب در قطعه ايجاد مي كنند، در حالي كه شمش های ثانويه در اثر خروج ناخالصي ها و ساير موارد (بر اساس تصفيه)از كيفيت تركيبي برتري برخوردار مي‌باشند.در ريخته‌گری آلياژهای Al، بسياري از عناصر به صورت ناخالصي‌های فلزي، تركيبات بين فلزي، گازهاو اينكلوژنها از منابع متنوع و متعدد به مذاب افزوده مي‌شود كه در صورت عدم كنترل دقيق برآنها ويا انجام عمليات خاص جهت حذف اين مواد ويا تقليل خواص مضر آن، آلياژ ريخته شده از كيفيت مطلوب برخوردار نخواهد بود. وجود مواد اكسيدي، حبابهاي گازي، و درشت بودن شبكه از جمله مسائلي است كه در ذوب Al همواره مورد توجه و بررسي قرار مي گيرد. عمليات كيفي درمذابAl به دسته های مختلف تقسيم ميگردد:
١-كيفيت تركيب ٢-گاززدايی )با گازهاي بي اثر،با كلرو تركيبات قابل تبخير آن و يا به روش ذوب در خلاء)٣-اكسيژن زدايي (خارج كردن مواد غير فلزي با فلاكس ها).
به دليل اشكالات متالورژيكي ناشي از مصرف فلاكس‌ها، سيستم ----- كردن در صنايع Al توسعه روزافزون يافته است و اين امر با استفاده از مواد متخلخل در سيستم راهگاهي و يا در مخازن نگهداري مذاب و يا در سيستمهاي ----- مجزا انجام مي‌گيرد كه هر يك در نوع خود از مزايا و محدوديت هايي برخوردار است .
ساختمان ريختگي آلياژ های Al: ساختمان ريختگی آلياژهای Al دقيقاً به كليه اعمال اساسي و كيفي در جريان ذوب و ريخته‌گری Al و انجماد آن بستگي داردكه بخصوص در مورد آلياژ های نوردي و آلياژهايي كه عمليات حرارتي معيني را پذيرا مي‌شوند، مختصات نهايي و خواص عمومي آلياژها به ساختمان قطعه پس از انجام عمليات بعدي نيز وابستگي شديد دارد.
بديهي است ساختمان كريستالي ريز و يكنواخت، خواص مكانيكي مطلوب‌تر و اشكالات كمتري را ايجاد مي‌نمايد و در اين ميان تاثير سرعت سرد كردن از اهميت ويژه‌اي برخوردار است . در قطعات ريختگی با مقاطع يكنواخت تحت درجه حرارت بارريزي ثابت، شبكه كريستالي در قالب های ماسه اي، فلزي و تحت فشار به ترتيب ريزتر و يكنواخت‌تر ميگردد. قطعاتي كه مقاطع يكنواختي ندارند، با ايجاد مبرد در ماسه و تغيير سرعت سرد كردن در مقاطع مختلف به شبكه يكنواخت دست مي يابند كه نهايتاً زمان انجماد در تمام مقاطع يكسان می گردد و در اين حالت، استفاده از منابع تغذيه براي جلوگيري از شكستگي های گرم و رفع كسري‌های ناشي از انقباض مورد توجه قرار مي‌گيرد.
تعداد كانال های فرعي در توزيع يكنواخت حرارت، عامل بسيار مهمي است و از اين رو استفاده از چند كانال فرعي در انجماد يكنواخت آلياژ تاثير خوبي دارد.
از آنجا كه فاصله انجماد، شديداً تحت تاثير نوع آلياژ ميباشد، براي حذف مشكلات مربوط به فاصله انجماد زياد و نوع انجماد خميري، حتي‌المقدور بايستي قطر متوسط قطعه يا شمش را كاهش داد و در عين حال نيز از عوارض ناشي از سگرگاسيون تركيبات بين فلزي در حد امكان جلوگيري نمود. از طرف ديگر ابعاد كوچكتر شمش باعث تقليل تخلخل و حباب های ناشي از وجود گاز هيدروژن در قطعه ميگردد كه اين امر نيز ناشي از افزايش سرعت سرد كردن است .
مشخصات قالب : آلياژهای Al با كليه روشهای مختلف ريخته‌گری (در ماسه، در گچ، پوسته‌اي و در سراميك)و در قالب های فلزي و تحت فشار قابليت ريخته‌گری دارند. تمام آلياژهای صنعتي و تجارتي اين عنصر بايكي از طرق فوق توليد ميگردد كه از آن ميان، ريخته‌گری در ماسه، در قالب های فلزي و تحت فشار از گسترش بيشتري برخوردار است . به دليل نقطه ذوب و وزن مخصوص كم اين آلياژها، قالب های مورد استفاده كمتر تحت تاثير واكنشهاي حرارتي و هيدروستاتيكي مذاب قرارمي گيرند و از اين رو سطح ريختگی و دقت ابعادي آن از كيفيت بهتري نسبت به ساير آلياژهای سنگين و آهني برخودار است. لازم به تذكر است كه روش ريختگی و كنترل شرايط ريختگی در خواص مكانيكي محصول نهايي از اهميت ويژه‌اي برخوردار است و فقط تركيب شيميايي آلياژ نمي‌تواند خواص مكانيكي و فيزيكي را تعيين كند.
نكته حائز اهميت در ريخته‌گری با قالب‌های ماسه‌اي آن است كه وزن مخصوص كم آلياژهای Al و كاهش نيروهاي هيدروستاتيكي و شرايط تسهيلي خروج گازها از محفظه قالب باعث مي‌شود كه مقاومت در حالت تر ماسه كم شود. جهت تقليل توليد گاز و همچنين استحكام كم قالب، رطوبت از ۵% تجاوز نمي كند و در غير اين صورت بخار ناشي از فعل و انفعالات رطوبت قالب و مذاب باعث ايجاد تخلخل بخصوص در پوسته خارجي و قسمتهاي نزديك به پوسته ميگردد. براي ايجاد قابليت نفوذ در ماسه و استحكام سطح آزاد ماسه (در قطعات بزرگ) معمولاً مواد سلولزي و خاك اره به ماسه مي‌افزايند. در شرايط عمومي، قالب‌های ماسه از«ماسه سوزي» و فعل و انفعالات شديد مذاب و قالب بركنار مي باشند و به همين دليل در اين قالب‌ها هيچ گونه مواد پوششي(Coatings) بكار نمي رود.
ايجاد سرعت انجماد و تشكيل انجماد پوسته‌اي، مي‌تواند به مقدار زيادي از فعل و انفعالات قالب و فلز مذاب جلوگيري كند و در نتيجه در اغلب كارگاهها با افزايش رطوبت ماسه به ميزان ٨%، جهت انجماد و انجماد پوسته اي را تسهيل مي كنند. با توجه به توضيحات فوق، ريخته‌گری در ماسه خشك در صنايع ريخته‌گری Al از اهميت كمتري برخوردار است و فقط در مورد قطعات بزرگ بكار مي‌رود.
سيستم راهگاهي: ايجاد سيستم راهگاهي و تغذيه‌گذاري در ريخته‌گری Al از دير باز به عنوان عامل موثر در ايجاد قطعه سالم شناخته شده است. قابليت اكسيداسيون و جذب گاز در شرايط مختلف، حركت مذاب و تلاطم آن را تشديد مي‌كند و بخصوص فعل و انفعالات ناشي از مواد قالب در سطح قطعه ريختگی، توليد تخلخل (Porosity) مي‌نمايد و همچنين دخول گازهاي ناشي از تلاطم مذاب باعث پرشدن قالب و ايجاد محفظه های هوا در سطح قطعه می گردد. لذا، ايجاد سيستم راهگاهي مطلوب در حذف تلاطم مذاب و ايجاد حركت آرام و يكنواخت مذاب در پر كردن قالب و نصب سيستم تغذيه گذاري صحيح در جهت حذف انقباضات متمركز و پراكنده در قطعه ريختگی الزامي است .
چنانچه مذاب مستقيماً به دهانه راهگاه ريخته شود، سرعت خطي آن افزايش مي يابد و در نتيجه تلاطم مذاب و حركت گردابي آن تشديد ميگردد و باعث دخول گاز، تخريب و دخول مواد قالب واكسيد های فراوان به قطعه ريختگی خواهد شد، از اين رو ساختن حوضچه بالاي راهگاه به صورت‌های مختلف قيفي ويا مكعبي الزاميست. در مورد قطعات ريختگی با كيفيت بسيار خوب، حوضچه بالايي مي‌تواند همراه با مانع و فيلترهای مشبك بكار رود. در ريخته‌گری آلياژهای Al ، طويل نمودن حوضچه ويا ساير اجزاء سيستم راهگاهي در جهت حذف تلاطم مذاب در حد امكان، توصيه مي شود.
سيستم تغذيه گذاري: اصولاً سيستم تغذيه‌گذاري براي تصحيح انجماد Al و براي حل دو مسئله اساسي بكار مي‌رود:
الف)جلوگيري از انقباضات بزرگ: محفظه های انقباضي وكشيدگي تغذيه كه معمولاً در قسمتهاي ضخيم قطعه پديد مي‌آيد. ب)جلوگيري از انقباضات ميكروسكوپي و پراكنده: كه بخصوص هسته های مناسبي براي رشد گازهاي مولكولي هستند.
Al و آلياژهای آن، انقباض حجمي زيادي در فاصله انجماد دارند و از اينرو در مقايسه با ساير آلياژها به تعداد تغذيه‌های بيشتر و بزرگتري نياز دارند و بالطبع راندمان ريختگی قطعات Al پايين تر از ساير آلياژها و برحسب وزن قطعه برابر 45-25 درصد معمولي است. در مورد اندازه منبع تغذيه هنوز مطالعات زيادي در حال انجام است ولي طبيعتاً بايستي اندازه تغذيه به گونه‌اي باشد كه مذاب درون آن زمان بيشتري را طي كند و همچنين اصول جهت انجماد از قسمت های ديگر به منبع تغذيه كاملاً رعايت شود.
با وجود آنكه به سهولت و با محاسبات ساده، جبران كمبودهای ناشي از انقباض در فاز جامد، در مورد انقباضات متمركز امكان‌پذير ميباشد، حذف انقباضات پراكنده، به دليل دامنه انجماد طولاني آلياژهای Al و انجماد خميري آنان دشوار و گاه غيرممكن است. تعقيب شيب حرارتي از قسمت‌های مختلف قالب و استفاده از مبرد و ايجاد جهت انجماد اكيداً توصيه مي‌شود ولي حذف كامل اين انقباضات به دليل انجماد خميري و همچنين در اثر وجود گاز های حل شده در مذاب بطور كلي امكان‌پذير نيست.
در رابطه با انتخاب محل تغذيه، در آلياژهای Al كمتر از تغذيه اتمسفري استفاده میشود و تغذيه های فوقاني كه ماكزيمم نيروهاي متالواستاتيكي را در قسمتهاي تحتاني مذاب ايجاد مي‌كنند، استفاده زيادي دارند. در اين مواقع به محل اتصال تغذيه توجه مي‌شود. نكات حائز اهميت در انجماد اتصالات، بايستي مراعات شود؛ چون در غير اين صورت هميشه در سطح فوقاني قطعه ريختگی، انقباضات و شكستگي‌های گرم و سرد پديدار می‌گردد .
بررسي فرايند تصفيه در مذاب Al : تصفيه فلز مايع به يكي از فرايندهای ضروري در توليد فلزات خالصتر تبديل شده است. اين موضوع خصوصاً در صنعت آلومينيم كه با افزايش تقاضا براي كيفيت بالاي محصولات روبرو است، صادق است. تصفيه آلومينيم به عنوان آخرين تكنيك خالص‌سازي مورد استفاده قبل از ريخته‌گري فلز بسيار گسترش يافته است وضرورت تحقيقات بيشتر بر روي اين فرايند احساس میشود. خارج كردن ناخالصي‌های جامد سياليت فلز را بهبود مي‌بخشد و در نتيجه قابليت ريختگی را زياد مي‌كند. بعلاوه، ساختار بدست آمده منجر به خواص مكانيكي مطلوب میشود، مثلاً استحكام و انعطاف‌پذيري افزايش و قابليت شكلپذيري و ماشينكاري بهبود مي‌يابد، همچنين فلز بدون ناخالصي ساييدگي ابزار را كم مي‌كند؛ اما فرايند تصفيه، فرايندي ناپايدار است يعني با زمان تغيير مي‌كند. اين موضوع به دليل آن است كه ذرات گير افتاده درون فيلتر، خواص ----- را تغيير مي‌دهند و به اصطلاح" پيري -----" رخ مي‌دهد. پژوهش‌‌های بسياري بر روي پيري ----- و همچنين تغييرات بازده تصفيه و افت فشار در هنگام رسوب ذرات درون فيلترهای سراميكي مشبك مورد استفاده در تصفيه مذاب آلومينيم، انجام شده است. در مطالعات گرفته به اين نتيجه رسيده‌اند كه از زماني كه ذرات درون ----- وارد می شوند، پيري ----- آغاز مي‌شود و ساختار دروني ----- در نتيجه تجمع پيوسته ذرات گيرافتاده، تغيير مي‌كند. در طي اين فرايند، متغير‌هايي چون تخلخل فيلتر، قطر معادل شبكه ----- يا سطح مخصوص نيز با زمان تغيير مي‌كنند. بسته به چگونگي انباشتگي ذرات، تاثير آنها متفاوت است. اگر ذرات بصورت يكنواخت در بافت ----- رسوب كنند، باعث افزايش قطر شبكه و اثر منفي بر بازده تصفيه مي‌شوند؛ اما اگر ذرات بصورت دندريتي و خوشه‌اي تجمع يابند، اثر مطلوبي بر بازده تصفيه خواهند گذاشت زيرا خوشه‌های دندريتي بعنوان بافت‌های ----- جديد با قطري كمتر از قطر شبكه در حالت قبل عمل مي‌كنند. مي‌دانيم كه سه مدل براي رسوب ذرات ناخالصي بر بافت ----- وجود دارد: مدل پوشش صاف، مدل دندريتي و مدل صرفاً تغيير تخلخل. مشاهداتي كه روي فيلترهای مصرف شده در تصفيه آلومينيم صورت گرفته، نشان مي‌دهد كه ذرات بصورت توده درون ----- گيرافتاده‌اند و بيانگر آن است كه مدل "صرفاً تغيير تخلخل" براي توصيف فرايند هايي كه درون ----- حين عمل تصفيه مذاب آلومينيم رخ مي‌دهد، مناسبتر است. نتايجي كه بر پايه مدل صرفاً تغيير تخلخل بدست مي‌آيد، بيانگر آن است كه گراديان‌های فشار از دهانه ورودي تا خروجي ----- تغيير مي‌كنند و بيشترين گراديان در دهانه ورودي ----- وجود دارد. در همه شرايط، گراديان فشار با گذشت زمان و با افزايش غلظت ذرات ورودي، زياد مي‌شود. نرخ اين تغييرات از ورودي تا خروجي كاهش مي‌يابد؛ البته تغييرات فوق براي دوساعت تصفيه و غلظت ذرات كمتر از 1ppmبسيار ناچيز و اندك است؛ اما هنگامي كه غلظت ذرات به 10ppm مي‌رسد، اين تغييرات محسوس مي‌شود.
نكته قابل توجه ديگر در حركت مذاب، عدم تلاطم و جريان آرام سيال، حين پر كردن قالب است. با توجه به آنكه داشتن اطلاعات مربوط به خواص سيلاني مذاب و علي الخصوص افت فشار مذاب در سيستم فيلتر، جهت پيش بيني رفتار مذاب و سرعت خروجي مذاب از سيستم ----- مفيد ميباشد،تاثير ----- در كاهش نرخ جريان و چگونگي حضور ----- در داخل سيستم راهگاهي سوال برانگيز بوده است . در بخشي از تحقيقاتي كه توسط آقاي دكتر حبيب‌اله‌زاده و پروفسور جان كمپل انجام شده است، چگونگي سيلان آلياژهای Al_Si در داخل سيستم خاصي از فيلتر، شامل ورودي و خروجي مذاب، تله حباب‌گير و ----- سراميكي- اسفنجي با تخلخل 20ppi و با بكارگيري دستگاه فيلمبرداري با اشعه ايكس مطالعه گرديده است. عدد رينولدز بدست آمده در اين پژوهش حدوداً صد برابر كمتر از عدد مورد نياز براي حضور جريان آشفته بوده و حاكي از جرياني بسيار آرام و لايه‌اي در ----- ميباشد. در خارج از ----- نيز، عدد رينولدز بدست آمده، دلالت بر حضور جرياني نسبتاً لايه‌اي دارد. نتايج بدست آمده حاكي از آن است كه: سيستم ----- صحيح مي‌تواند براحتي شدت جريان‌های متلاطم مذاب را تخفيف بخشد، و باعث افت فشار در جريان مذاب بدليل تبريد و اصطكاك ----- شود و در نتيجه ميزان عيوب ريختگي را در قطعه كاهش دهد؛ اما بايد به اين نكته نيز توجه كرد كه ميزان افت فشار و كاهش شدت جريان باعث عيب نيامد در قطعه نشود.
مراجع:
o "ريخته‌گري فلزات غير آهني"، دكتر جلال حجازي، انتشارات جامعه ريخته‌گران ايران،1360
o "چرا كاربرد ريختگ‍یهاي آلومينيم گسترش مي‌يابند؟"، سليمان روشندل، ويژه نامه ريخته‌گری، انتشارات جامعه ريخته‌گران ايران، شماره 27
o " شبيه سازی و بررسی سيلان مذاب درون -----" ، دکتر علی حبيب اله زاده- جان کمپبل، نشريه ريخته گری ، انتشارات جامعه ريخته گران ايران، شماره 70
o “ Analyses of the Dynamic Processes of Liquid MetalFiltration”,CHENGUOTIAN;D.MAZUMDAR;AND R.L.L GUTHRIE,Metallurgical And Materials Transactions B, Volume 30B, October 1999
o F.A. ACOSTA G. AND A.H. CASTILLJOS E. , “A Mathematical model of Aluminum Depth Filtration With Ceramic Foam Filters: Part I. Validation for Short-Term Filtration”, Metallurgical And Materials Transactions B, Volume 31B, June 2000
جواب بصورت نقل قول
نوشته شده توسط reza_1364
