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

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 و 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 از 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 نسبتا 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 درهنگام 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

٢- آلیاژ های ریختگ‍ی،

آلیاژ ریختگ‍یAl از طرق مختلف ریخته‌گری (ماسه‌ای، پوسته‌ای، فلزی، تحت فشار) شكل می‌گیرند و بطور مستقیم و یا بعد از عملیات حرارتی در صنعت استفاده می شوند . مواد مختلفی كه در ریخته‌گری آلیاژهای Al بكار می‌روند، بر اساس نوع تركیب خواسته شده و شرایط ترمودینامیكی عبارتند از: شمش‌های اولیه، شمش های دوباره ذوب، قراضه‌ها، برگشتیها، 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)

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

به دلیل اشكالات متالورژیكی ناشی از مصرف فلاكس‌ها، سیستم فیلتر 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 فیلتر 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 دقیقا 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 نهایتا زمان انجماد در تمام مقاطع یكسان می گردد و در این حالت، استفاده از منابع تغذیه برای جلوگیری از شكستگی‌های 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، شدیدا 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، گچ، پوسته‌ای و در سرامیك) 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 برخوردار 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 ۵ درصد 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) معمولا 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 درصد، انجماد و انجماد پوسته ای را تسهیل می‌كنند. 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 ایجادقطعه 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 می‌گردد. 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 مستقیما 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 فیلترهای 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.

شیوا اسلامی

مراجع:

"ریخته‌گری فلزات غیر آهنی"، دكتر جلال حجازی، انتشارات جامعه ریخته‌گران ایران،۱۳۶۰

"چرا كاربرد ریختگ‍یهای آلومینیم گسترش می‌یابند؟"، سلیمان روشندل، ویژه نامه ریخته‌گری، انتشارات جامعه ریخته‌گران ایران، شماره ۲۷

" شبیه سازی و بررسی سیلان مذاب درون فیلتر" ، دکتر علی حبیب اله زاده- جان کمپبل، نشریه ریخته گری ، انتشارات جامعه ریخته گران ایران، شماره ۷۰

منابع لاتین در دفتر مجله موجود می‌باشد.

---