دانلود مقاله ریخته گری و ذوب

آلومینیم و آلیاژ های آن به دلیل نقطه ذوب کم و برخورداری از سیالیت بالنسبه خوب و همچنین گسترش خواص مکانیکی و فیزیکی در اثر آلیاژ سازی و قبول پدیده های عملیات حرارتی و عملیات مکانیکی ، در صنایع امروز از اهمیت زیادی برخور دارند و روز به روز موارد مصرف این آلیاژ ها توسعه می یابد .

عناصر مختلف مانند سیلیسیم ، منیزیم و مس در خواص ریخته گری و مکانیکی این عنصر شدیداً تأثیر می گذارند و یک رشته آلیاژ های صنعتی پدید می آورند که از مقاوت مکانیکی ، مقاوت به خورندگی و قابلیت ماشین کاری بسیار مطلوب برخوردارند .

قابلیت جذب گاز و فعل و انفعالات شیمیایی در حالت مذاب از اهم مطالبی است که در ذوب و ریخته گری آلومینیم مورد بحث قرار می گیرد .

 تقسیم بندی آلیاژ ها

آلیاژ های آلومینیم در اولین مرحله به دو دسته تقسیم می گردند :

الف ) آلیاژ های نوردی (Wrought Alloys) که قابلیت پزیرش انواع و اقسام کارهای مکانیکی ( نورد ، اکستروژن و فلز گری ) را دارند .

ب ) آلیاژ های ریختگی (Casting   Alloys) که در شکل ریزی و ریخته گری های آلومینیم با گسترش بسیار مورد استفاده اند .

آلیاژ های نوردی که در مباحث شکل دادن فلزات مورد مطالعه قرار می گیرند از طریق یکی از روش های شمش ریزی (مداوم ، نیمه مداوم ، منفرد ) تهیه             می گردند و پس از قبول عملیات حرارتی لازم ، تحت تاثیر یکی از زوش های عملیات مکانیکی به شکل نهایی در می آیند .

آلیاژ سازها (Hardeners)

این عناصر که به نام های Temper  Alloys و Master  Alloysنیز نامیده می شوند به مقدار زیادی در صنایع ریخته گری آلومینیم به کار           می روند ، زیرا آلومینیم با نقطه ذوب کم اغلب قادر به ذوب و پذیرش مستقیم عناصر با نقطه ذوب بالا نیست (مس 1083 درجه ، منگنز 1244 درجه ، نیکل 1455 درجه ، سیلیسیم 1415 درجه ، آهن 1539 درجه و تیتانیم 1660درجه سانتی گراد ) .

همچنین عناصر دیگری که نقطه ذوب بالا ندارند ، دارای فشار بخار وشدت تصعید و اکسیداسیون می باشند که در صورت استفاده مستقیم درصد اتلاف این عناصر شدیدا افزایش می یابد          ( منیزیم ، روی ) .

ترکیب شیمیایی و نقطه ذوب بعضی از آلیاژ ها که در صنایع آلومینیم به کار می رود .مشخصات متالوژیکی آلیاژ ها در فصل جداگانه ای مورد مطالعه قرار خواهد گرفت .

تهیه آلیاژ ساز ها معمولا در کار گاههای ریخته گری نیز انجام می گیرد در این مواقع اغلب روش های زیر مورد استفاده است .

معمولا قطعات عنصر دیر ذوب را ریز نموده و در فویل های الومینیمی پیچیده و یا در شناور های گرافیتی قرار داده ودر داخل مذاب الومینیم (800 درجه تا 850 درجه تحت فلاکس )فرو می برند و سپس آن را به هم میزنند.

در بعضی موارد ودر صورت امکان از دو کوره ذوب استفاده می نمایند و بعد از ذوب دو عنصر ،آن ها را باهم مخلوت میکنند.

این عمل در مورد اجسامی که تا 1100 درجه سانتی گراد نقطه ذوب دارند مقرون به صرفه است ولی در مورد عناصر با نقطه ذوب بالا عملا مشکلاتی را فراهم میکند.

در جریان ذوب وساخت الیاژ وتنظیم شارژ علاوه بر مشخصات ترکیبی الیاژ بایستی میزان اتلاف در جریان ذوب که به نوع کوره ،روش ذوب وروش تصفیه بستگی دارد ،مورد توجه قرار گیرد.

نقطه ذوب

ترکیب

نقطه ذوب

ترکیب

560

640

830

770

915

850

800

1020

1150

11     89

9       91  Al-Mg

11     89

91Al-Mn

75

11    89

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

ترکیب شیمیایی و نقطه ذوب آلیاژ ساز ها درآلومینیم

کنترل ترکیب

الیاژهای متعدد و متفاوت الومینیم هر یک به نوعی دارای ناخالصی های طبیعی هستند که در شمش های اولیه آنان موجود میباشد وعلاوه بر آن شارژ نا مناسب وعدم دقت در شارژ باعث بروز انواع نا خالصی ها در فلز مذاب میگردد.عناصر نا خالصی اغلب از حد حلالیت متجاوز هستند و به صورت فازهای فلزی وتر کیبات فلزی در قطعه ریخته شده ظاهرمی گردند .

ترکیبات بین فلزی همچنین تحت تا ثیر پدیده جدایش در مذاب حاصل میشوند که در عمل برای جلوگیری از این پدیده تنظیم شرایط ریخته گری و انجماد الزامی میگردد.

بعضی از عناصر متشکله آلیاژ ماندد منیزیم ،برلیم ،سدیم و کلسیم در اثر حرارتهای محیط ذوب و وجود هوا اکسیده میگردند ودرصد اتلاف انان در مذاب افزایش می یابد،به خصوص اگر زمان نگاه داری مذاب در درجه حرارتهای بالا زیاد باشد از این رو ترکیب شیمیا یی الاژ تغییرات عمده خواهد داشت.از طرف دیگر عناصری مانند مس،آهن،کرم،نیکل،منگنز تمایل چندانی به اکسیده شدن ندارند ولی پدیده جدایش در حضور این عناصر با سهولت بیشتری انجام میگیرد،که برای جلو گیری از آن بهم زدن مذاب در طول ذوب و در زمان ریختن الزامی است(بدیهی است بهم زدن مذاب بایستی به گونه ای باشد تا اکسیده شدن مذاب را تشدید نکند).

در بسیاری موارد برای جلو گیری از اکسیداسیون مواد شارژ،آن ها را با فلاکس( Coveral Flux )پوشش می دهند.

در حالت کلی بایستی ترکیب دقیق مواد شارژ و درصد اتلافات کوره نسبت به هر یک از عناصر آلیاژی که به درجه حرارت ان نیز بستگی دارد،کاملا از طریق تجزیه وازمایش روشن گردد.

گاز زدایی (Degassing)

همانگونه که در مباحث قبل و کتاب اصول ریخته گری تشریح گردیده است گاز های محلول در مایع بعد از انجماد به دلیل تنش سطحی مذاب و عدم امکان خروج کامل به صورت حباب هایی با اندازه های مختلف در قطعه ریخته شده باقی می مانند که خواص مکانیکی و وزن مخصوص قطعه را شدیدا کاهش می دهند .

در مورد ذوب آلیاژ های آلومینیم ، هیدروژن  تنها گازی است که به صورت محلول در مایع و حباب در جامد ظاهر می گردد و از این رو عملیات گاز زدایی (هیدروژن زدایی ) در ذوب آلومینیم و آلیاژ های آن از اهمیت خاص برخوردار است .

میزان حلالیت هیدروژن در مذاب آلومینیم به درجه حرارت و فشار خارج ( نسبت به فشار داخل ) بستگی دارد و همین امر پایه و اساس گاز زدایی آلومینیم را تشکیل می دهد .

لذا کنترل درجه حرارت برای اجتناب از جذب گاز که بایستی حد اقل ممکن باشد اولین عاملی است که در جریان ذوب مورد توجه قرار می گیرد .

معمولا درجه حرارت مذاب را 720740 درجه سانتی گراد اختیار می کنند تا علاوه بر تحدید حلالیت گاز از سیالیت نسبتا مناسب و ویسکوزیته کم برخوردار باشد .

ذوب در خلاء (فشار کم )

ذوب در خلاء به دلیل عدم وجود گاز های محیطی ، علاوه بر تقلیل میزان هیدروژن از شدت اکسیداسیون و امکان وجود سایر ترکیبات غیر فلزی نیز می کاهد .

مهمترین اصل در این روش تقلیل فشار خارجی است که در نتیجه حلالیت هیدروژن را به نسبت زیادی تقلیل می دهد .

این روش در صنایع امروز در حال توسعه است .

گاز زدایی با گاز های بی اثر

افزودن گاز های بی اثر مانند ازت و ارگون باعث آن می گردد که فشار نسبی داخل مذاب افزایش پیدا کرده و در نتیجه از حلالیت هیدروژن کاسته شود.

آزمایشات رانسلی (Ransley) نشان می دهد که چنانچه گاز ارگون یا ازت به مقدار cc1 بر دقیقه به داخل مذاب رانده شود فشار داخلی راندمان استخراج هیدروژن برابر 52% است و چناچه گاز بی اثر برابر دقیقه/cc5 به داخل مذاب دمیده می شود :

بایستی توجه داشت که که در آن a درصد هیدروژن در مخلوط گازی      می باشد و از این رو گاز های بی اثر مانند ارگون ، هلیم و ازت (در صورت عدم وجود منیزیم )  می توانند به عنوان مواد دگازر به کار روند .

آلومینیم مذاب معمولا توسط آرگون خشک برای تقلیل فشار خارجی         ( افزایش فشار داخلی )به نسبت   گاز زدایی می شود که در نتیجه مقدار هیدروژن را از 34/0 سانتی متر مکعب بر 100 گرم به 034/0تقلیل می دهد و معمولا این عمل در کوره های بوته ای ثابت توسط کپسول های گاز ارگون (مخلوط گازی ) انجام می شود .

ترکیب فلوئور مضاعف سدیم سیلیسیم( Na2SiF6)  نیز که در درجه حرارت مذاب تجزیه می شود و گاز {F4Si } را که نسبت به مذاب آلومینیم بی اثر است ، تولید می کند نیز با همان نتایج گاز های ازت و ارگون روبرو است جز آنکه سدیم حاصل نمی تواند در آلیاژ های منیزیم دار به کار رود .

اکسیژن زدایی ،خارج کردن مواد غیر فلزی Fluxing

فلاکس ها ، موادی هستند که برای افزایش کفیت مذاب و تقلیل مواد ترکیبی (غیر فلزی) بدون تغییر کلی در ترکیب آلیاژ و یا با اندکی تغییر به کار         می روند .

چگونگی فعل و انفعال فلاکس و مذاب و چگونگی خروج اکسید ها از آن هنوز مورد تردید و بحث می باشد زیرا پایداری اکسید آلومینیم مانع از آن است که خروج این عنصر از مذاب به سهولت خروج اکسید آهن و اکسید مس انجام پذیرد .

نظرات مختلف ترکیبی ( شیمیایی ) و مکانیکی هنوز به قوت خود باقی است و مهم تر از همه نظریه وست (West) میباشد مبنی بر اینکه فلاکس ها در فصل مشترک ترکیبات و مذاب قرار گرفته و به سهولت آنها را از هم جدا می نمایند .

فلاکس ها و کاربرد آنها بسیار متنوع می باشد تقسیم بندی های مختلفی در مورد آنان انجام گرفته است که مؤلف تقسیم بندی زیر را در مورد آلیاژ های آلومینیم  مناسب تشخیص می دهد :

1 احیاء کننده ها (فلزات )

2 فلاکس های گازی

3 فلاکس های جامد محلول و یا نمک ها

قبل از تشریح انواع فلاکس ها توضیح این نکته ضروری است که اغلب ترکیبات فلاکس ها دارای مواد گاز زدا نیز می باشد و از این رو فلاکس ها برای منظور های مختلف و یا گاز زدایی و خارج کردن مواد غیر فلزی و حفاظت مذاب ، تواما به کار میروند و در صنایع ذوب آلومینیم از اهمیت ویژه برخوردار اند .   

  احیاء کننده ها

اکسید آلومینیم به سهوات توسط عناصر دیگر احیاء می شود و فقط عناصر محدودی مانند کلسیم ، منیزیم، لیتم و برلیم قادر به احیاء آلومینیم می باشند .

ولی اکسید های کلسیم و منیزیم به سرعت با اکسید آلومینیم ترکیب می شده و اکسید های مضاعف (اسپینل ) تشکیل می دهند و از این رو برای خروج اکسیدهای آلومینیم اثرات منفی ندارد .

در مقابل برلیم بریا کلیه آلیاژ های آلومینیم و به خصوص آلومینیم ، منیزیم توصیه شده است .

در مقابل برلیم بریا کلیه آلیاژ های آلومینیم و به خصوص آلومینیم ، منیزیم توصیه شده است .

اکسید برلیم علاوه برقابلیت احیاء اکسید های آلومینیم و منیزیم ، می تواند اکسید فیلم غیر متخلخل در سطح مذاب تشکیل دهد و مانع از اکسیده شدن بیشتر مذاب شود .

با توجه به این که فاکتور تخلخل BeO برابر 4 می باشد در حالی که این فاکتور برای نزدیک 2 و برای MgO8/0است ،چگونگی حفاظت سطح مذاب توسط اکسید فیلم مشخص می گردد .

برلیم در شمش ها و قطعات آمیژن با 5/1% برلیم و یا به صورت ترکیب به مذاب اضافه می گردد .

لیتیم نیز که به صورت لیتیم فلزی و یا فلوئور لیتیم Fli به مذاب آلومینیم افزوده می شود ، در تقلیل مقدار اکسید های آلومینیم و منیزیم تاثیر بسیاری دارد .

ول مشخصات کلی آن از بلریم نا مطلوب تر است ، زیرا قادر به تشکیل اکسید غیر متخلخل است و محافظت فلز را مانند برلیم انجام نمی دهد و از طرف دیگر به دلیل نقطه ذوب پایین ممکن است در مذاب حل شود در خاتمه این مبحث لازم به توضیح است که عناصری قادر به احیاء و استفاده در صنایع ذوب آلومینیم هستند که مشخصات زیر را داشته باشند : 1ـ نقطه ذوب و تبخیر بالا 2ـ وزن اتمی کم 3ـ وزن مخصوص کم 4ـ قطر اتمی کوچک و در بین عناصر ، برلیم مشخصات فوق را به طور کامل دارد و از این رو استفاده از آن در صنایع آلومینیم بیش از عناصر دیگر به عمل می آید .

فلاکس های گازی اکسید ها و مواد غیر فلزی شناور در مذاب می تواند با فلاکس های