تحقیق مقاله آلیاژ های آلومینیم

 عملیات کیفی ریخته‌گری آلیاژهای آلومینیم و محاسبه میزان موادبری 

 آلومینیم و آلیاژهای آن به دلیل نقطه ذوب کم و داشتن سیالیت خوب و همچنین پذیرفتن عملیات حرارتی و مکانیکی برای افزایش خواص مکانیکی در صنایع مختلف بخصوص در صنعت خودرو کاربرد بیشتری داشته و روز به روز موارد مصرف این آلیاژها توسعه می‌یابد. آلیاژهای آلومینیم به دو گروه ریختگی و کار شده یا نوردی تقسیم می‌شوند. آلیاژهای ریختگی در صنعت خودرو بیشتر مورد استفاده قرار گرفته و با توجه به خودروهای موجود در ایران خودرو این آلیاژها در قالب استاندارد پژویی B541120 و استاندارد انگلیسی BS1490 تعریف و دسته‌بندی شده‌اند. عناصر مختلف مانند سیلسیم، منیزیم و مس در خواص ریخته‌گری و مکانیکی این آلیاژها شدیداً تاثیر گذاشته و باعث ایجاد آلیاژهای صنعتی مصرفی در صنعت شده‌اند. آلیاژهای Al-Cu در قدیم کاربرد و اهمیت زیادی داشته‌اند، ولی بتازگی آلیاژهای Al-Si به دلیل ریخته‌گری آسان و خواص بهتر، کاربرد بیشتری پیدا کرده‌اند. به‌طور کلی برای تحقق فرایند ریخته‌گری مناسب، باید سه اصل مهم را در نظر گرفته و رعایت کنیم:

1. شناسایی عوامل و پارامترهای موثر

2. پیشگیری از ایجاد معضلات و پدیده‌های مضر

3. اصلاح و بهسازی فرایند با رعایت مسائل فنی و اقتصادی

مواد شارژ مورد استفاده برای ریخته‌گری آلیاژهای آلومینیم شمش‌های اولیه

این شمش‌ها بیشتر در کارخانه‌های بزرگ تولید آلومینیم، نظیر شرکت ایرالکو و المهدی در ایران تولید شده و معمولاً وزن آنها بیشتر از شمش‌های دیگر است. برای ساخت شمش‌های اولیه آلیاژهای مختلف آلومینیم، عناصر مطلوب را به مذاب Al خالص که از پودر Al2O3 تهیه می‌شود، می‌افزایند. شمش‌ها معمولاً در ساخت قطعاتی که به کیفیتی بالا نیاز دارند، استفاده شده و قیمت آنها حسب درجه خلوص و تقلیل ناخالصی‌ها، به‌صورت تصاعدی افزایش می‌یابد.

شمش‌های ثانویه یا دوباره ذوب

این شمش‌ها از ذوب و تصفیه قراضه‌ها و آلیاژهای برگشتی تهیه شده و معمولاً حاوی ناخالصی‌های معمولی مانند آهن، مس و سیلسیم هستند.

برگشتی‌ها

از برگشتی‌های خود قطعه نظیر راه‌گاه‌ها، تغذیه و ... با درصد مناسب به همراه شمش اولیه استفاده می‌شود.

آمیژان‌ها

آمیژان آلیاژی از Al و یک عنصر دوم و در برخی موارد، عنصر سوم است که برای تنظیم ترکیب شیمیایی و افزایش میزان عناصر مختلف، به هنگام ذوب مورد استفاده قرار می‌گیرد. این آلیاژها را با توجه با نمودارهای تعادلی تولید می‌کنند به‌طوری که اولاً مقدار عنصر مورد نظر را زیاد می‌گیرند و ثانیاً، آلیاژ باید دارای نقطه ذوب پایین باشد.

به طور کلی در افزودن مواد شارژی به کوره باید چند قانون را رعایت کرد:

1. فلزی که نقطه ذوب بالایی دارد اول اضافه شود.

2. عناصری که باعث افزایش سیالیت می‌شوند شرایط را برای افزودن عناصر دیگر بهتر می‌کنند.

3. حلالیت: با افزودن بعضی عناصر، شرایط برای حل شدن عناصر دیگر بهتر می‌شود.

4. قانون اکسایش و فشار بخار: عناصری نظیر Zn که دارای فشار بخار بالا و نظیر Mg که دارای اکسایش بالایی هستند باید در آخر اضافه شوند.

5. عملکرد خاص عناصر: برای مثال تیتانیم با اینکه نقطه ذوب بالایی دارد، به دلیل نقش جوانه‌زنی یا ریزدانه کردن، در آخر اضافه می‌شود.

فرایند ذوب

برای ذوب و نگهداری مذاب آلیاژهای Al، از کوره‌هایی مختلف استفاده می‌شود، که آنها را می‌توان به سه دسته اصلی طبقه‌بندی کرد:

1. کوره‌های ذوب با حرارت غیرمستقیم

در این کوره‌ها، سوخت یا شعله، مستقیماً با مذاب تماس نداشته بلکه حرارت به وسیله هدایت از دیواره بوته و محفظه کوره به مذاب انتقال می‌یابد و به دلیل عدم تماس مستقیم شعله با مذاب، بسیاری از فعل و انفعالات ناشی از چنین تماسی انجام نگرفته و همچنین میزان پرت و اکسیداسیون مذاب کاهش می‌یابد. در این کوره‌ها، بیشتر از دو نوع بوته چدنی و گرافیتی استفاده می‌شود. به دلیل نفوذ آهن از بوته‌های چدنی به داخل مذاب، بوته‌های گرافیتی مناسب‌تر هستند. عیب این کوره‌ها، قیمت بالای بوته و عدم امکان ذوب تناژهای بالاست.

2. کوره‌های ذوب با حرارت مستقیم

در این نوع کوره‌ها که با سوخت گازی یا مایع کار می‌کنند، بین شعله و مواد شارژ تماس مستقیم برقرار بوده و به دلیل استفاده کامل از سوخت و حرارت گازهای تولید شده، بازده حرارتی زیادی دارند همچنین، برای ذوب تناژهای بالا مناسب هستند، اما استفاده از آنها باعث افزایش شدت اکسیداسیون و پرت مذاب می‌شود.

3. کوره‌های الکتریکی

به منظور تولید مذاب آلومینیم در مقادیر زیاد و پیشگیری از اکسیداسیون و افزایش کیفیت مذاب، از این نوع کوره‌ها استفاده می‌شود.مذاب حاصله، یا به صورت مستقیم از کوره ذوب به داخل قالب ریخته شده و یا بعد از ذوب به کوره نگهدارنده انتقال داده شده و سپس داخل قالب مورد نظر ریخته می‌شود.

عملیات کیفی مذاب

مذاب آلیاژهای Al به گازهایی نظیر اکسیژن و هیدروژن حساس بوده و در صورت ورود و یا واکنش مذاب با این گازها، عیوبی مثل مک‌های گازی و یا آخال‌های اکسیدی در قطعات تشکیل می‌شود که قطعات را ضایع می‌کنند.

هیدروژن تنها گاز قابل حل در آلومینیم مذاب است و حلالیت هیدروژن در آلومینیم نسبت به منیزیم و یا مس کمتر است، اما به دلیل اختلاف زیاد حلالیت آن در حالت مذاب و جامد، مقدار ناچیز هیدروژن در مذاب آلومینیم پس از انجماد باعث ایجاد مک‌های ریز و درشت در سطح یا زیرسطح قطعه و داخل دندریت‌ها می‌شود. این مسئله باعث کاهش شدید خواص مکانیکی قطعه شده و از این‌رو عملیات گاززدایی در ذوب آلیاژهای آلومینیم از اهمیت خاصی برخوردار است.

با افزایش دمای مذاب، حلالیت هیدروژن افزایش می‌یابد. مثلاً، اگر دمای مذاب آلومینیم حدود 900 درجه سانتی‌گراد باشد، میزان حلالیت می‌تواند به 7/2 سانتی‌متر مکعب بر 100 گرم برسد. به بیانی دیگر، به ازای هر 100 درجه سانتی‌گراد دمای فوق ذوب، یک cc بر 100 گرم مذاب Al به حلالیت هیدروژن در آلومینیم اضافه می‌شود. همچنین، با افزایش فشار، میزان حلالیت هیدروژن در آلومینیم افزایش می‌یابد. برعکس فشار، با ایجاد خلا، میزان حلالیت کاهش می‌یابد. در حالتی دیگر، با افزایش فشار داخل مذاب می‌توان حلالیت را کاهش داد. در نتیجه، میزان حلالیت هیدروژن در مذاب به دما و فشار داخل مذاب بستگی دارد و همین امر اساس گاززدایی آلومینیم را تشکیل می‌دهد. لذا برای اجتناب از جذب گاز، دمای مذاب باید در حداقل ممکن قرار گیرد. معمولاً 720 تا 740 درجه سانتی‌گراد برای این منظور مناسب است.

برای افزایش فشار نسبی داخل مذاب، از گازهای بی‌اثر مانند ازت و آرگون استفاده می‌شود. همچنین می‌توان از ترکیبات کلریدی نظیر MgCl2، NH4Cl و یا هگزاکلرور اتان که به شکل قرص است، استفاده کرد. از قرص‌های دگازور برای کوره‌های بزرگ استفاده نمی‌کنند زیرا برای مقادیر کم مذاب، قرص‌ها بهتر و مقرون به صرفه‌تر هستند. اگر مذاب خیلی تمیز باشد، می‌توان فرایند گاززدایی را کنار گذاشت.

به دلیل میل ترکیبی زیاد آلومینیم مذاب با اکسیژن، این فلز و عناصر مشابه نظیر منیزیم، با تمام مواد اکسیدکننده نظیر هوا ترکیب شده و اکسید آلومینیم یا اکسید منیزیم را تشکیل می‌دهند. Al2O3 تشکیل شده در دمای پایین، با مورفولوژی م و به شکل فیلم اکسیدی نازک بوده و تا حدودی متخلخل است. این ماده، عنصر اصلی تشکیل دهنده سرباره آلومینیم است. فیلم اکسیدی گاما که در دمای پایین تشکیل می‌شود، از مذاب آلومینیم محافظت می‌کند، اما در بعضی موارد مضر است. مثلاً همین فیلم، جوشکاری Al را مشکل‌تر می‌سازد. هرچه عناصر آلیاژی بیشتر باشد، میزان حفاظت این لایه کاهش می‌یابد. بین این عناصر، Be تأثیری مثبت دارد. هنگام شارژ، قسمتی از این پوسته اکسیدی کنده شده و وارد مذاب می‌شود و در داخل مذاب به صورت مچاله شده در می‌آید. در حالتی که در دمای مذاب Al از حدود 800 درجه سانتی‌گراد بالاتر رود، اکسید آلومینیم از حالت م به ل (کوراندوم) تبدیل می‌شود. وزن مخصوص کوراندوم 4 گرم بر سانتی‌متر مکعب بوده، در حالی که وزن مخصوص اکسید فیلم حدود 7/2 تا 9/3 گزارش شده است. با توجه به قانون استوک و چسبندگی خوب این اکسیدها به مذاب، انتقال این اکسیدها به سرباره یا ته کوره با مشکلات زیادی همراه بوده و نیازمند تدابیری خاص است. اکسیدهای م، داخل شمش یا قطعه و یا ورق بزرگتر از ل بوده، اما زیان آن در سطح مساوی حدود 10 برابر کمتر است.

برای جداسازی اکسید از مذاب‌های فولاد، مس و آلومینیم، از روش‌های متفاوتی استفاده می‌شود. در فولاد، با استفاده از فلاکس نقطه ذوب اکسیدها را پایین می‌آورند تا حالت خمیری پیدا کرده و سپس آنها را از سطح مذاب جمع می‌کنند. در آلیاژهای مس، با استفاده از فلاکس نقطه ذوب اکسید مس Cu2O را بالا برده و توسط مواد دیگر آن را احیا می‌کنند. در آلیاژهای Al روش کاملاً متفاوت است زیرا اختلاف دمای ذوب آلومینیم با اکسید آن بسیار زیاد است. با ایجاد حباب دور اکسید Al می‌توان آن را سبک‌تر کرده و با بادکنکی کردن اکسیدها می‌توان آنها را به سطح آورده و جدا کرد. روش آسان برای تشخیص تمیزی مذاب این است که آن را داخل قالب ریخته و خالی می‌کنند. اگر مذاب خیلی تمیز باشد، سطح مذاب چسبیده به قالب، کاملاً صاف و اگر مذاب تمیز نباشد، سطح قالب ناصاف و به صورت ذرات برجسته دیده می‌شود. این برجستگی‌ها، اکسیدهای م و اکسیدهای ل هستند.

برای ریزدانه کردن قطعات آلومینیمی از ترکیبی مشخص از تیتانیم و بور استفاده می‌کنند که برای پیشگیری از اتلاف این جوانه‌زا در انتهای عملیات ذوب به مذاب اضافه می‌شود.برای عملیات بهسازی ساختار در خصوص بیشتر آلیاژهای آلومینیم، از فلز استرانسیم یا آنتیموان استفاده می‌شود. به طور خلاصه، ذوب و عملیات کیفی مذاب به ترتیب زیر انجام می‌گیرد:

1. ذوب
2. فلاکسینگ برای حذف اکسید و ترکیبات بین فلزی

3. گاززدایی

4. اصلاح ساختار و جوانه‌زنی

محاسبه میزان موادبری یا شمش مورد نیاز برای تولید قطعات آلومینیمی

با توجه به مطالب پیش گفته در خصوص تولید قطعات آلومینیمی، مواد اولیه، شامل شمش، برگشتی و آمیژان‌های مورد نیاز با درصدهای مناسب در کوره ذوب شارژ شده و در حین عملیات ذوب، به دلیل تأثیر اکسیژن هوای محیط و نیز وجود یک‌سری ناخالصی‌ها، نظیر: اکسیدها، نیتریدها و کاربیدها در مواد شارژ شده و یا جداره نسوز کوره، یک‌سری ناخالصی و ترکیبات بین فلزی نامطلوب در مذاب ایجاد می‌شوند که با توجه به وزن و ماهیت این ترکیبات و استفاده از فلاکس مناسب، از مذاب جدا شده و به شکل سرباره1 در سطح مذاب یا لجن2 در ته کوره، انباشته می‌شوند. سرباره را قبل از تخلیه مذاب و لجن ته کوره را بعد از تخلیه مذاب، از کوره خارج می‌کنند. همچنین، یک‌سری ترکیبات غیرفلزی در داخل مذاب باقی می‌مانند که با عمل فیلتراسیون می‌توان آنها را از مذاب جدا کرد.

میزان پرت یا اتلاف آلومینیم و بعضی عناصر دیگر بستگی به مقدار آلومینیم موجود در داخل این ترکیبات دارد که قسمتی از آن، قابل بازیافت و قسمتی دیگر غیرقابل بازیافت است. در هر حال، برای کاهش میزان تلفات مواد اولیه، باید میزان آلودگی و سوخت یا اکسایش مذاب را کاهش داد.دو عامل مؤثر در کاهش میزان آلودگی مذاب و افزایش بازده، دما و زمان مورد فرایند ذوب و ریخته‌گری است. هر چه دما و مدت زمان ذوب کمتر باشد، آلودگی مذاب کمتر است. البته شکل و اندازه مواد شارژی نیز در میزان سوخت و اتلاف مذاب مؤثر است، به‌طوری که هر چه میزان سطح به وزن مواد بیشتر باشد، میزان پرت حین ذوب بیشتر است. همچنین با کاهش اندازه مواد، میزان سوخت و پرت مواد، افزایش می‌یابد. مسئله دیگری که در میزان تشکیل سرباره و یا رسوب ته کوره بسیار مؤثر است، نحوه شارژ مواد اولیه است. در صورتی که شمش یا بار سرد به داخل مذاب شارژ شود، اولاً دمای مذاب سریعاً افت کرده و ثانیاً باعث تشکیل لایه غنی از عناصر با نقطه ذوب بالا می‌شود که در نهایت، باعث تشکیل ترکیبات سخت بین فلزی3، جدایش و ناهمگنی در مذاب و افزایش رسوبات می‌شود. با پیشگرم کردن مواد، اولاً این معضلات رفع شده و ثانیاً حجم بیشتری از مواد را بدون کاهش زیاد دمای مذاب، می‌توان به کوره اضافه کرد. به‌طور کلی برای شارژ، باید افت دمای مذاب حداکثر 25 تا 30 درجه سانتی‌گراد باشد.تحقیقات دیگری نشان داده است که وضعیت قرارگیری مشعل‌های کوره‌های شعله‌ای و عدم تماس مستقیم شعله با سطح مذاب، در کاهش اکسیداسیون و کاهش میزان سرباره بسیار مؤثر است (شکل 1).

  شکل 1: وضعیت شعله در کوره‌های شعله‌ای

در حالت کلی، نوع کوره، اندازه قطعات، نوع آلیاژ و عوامل فرایند، نظیر: دما و زمان، در میزان اتلافات مذاب مؤثر است. مراجع مختلف با توجه به نوع کوره و فرایند ریخته‌گری آلیاژهای آلومینیم مقادیر مختلف برای تلفات مذاب در نظر گرفته‌اند. بعضی از شرکت‌های امریکایی، کل پرت مذاب را 2 تا 3 درصد نتیجه‌گیری کرده‌اند. در برخی شرکت‌ها نیز پرت آلومینیم 4 درصد گزارش شده که یکی از آنها با انجام پروژه، توانسته است این مقدار را به دو 2 درصد کاهش دهد.در جدول 1، درصد تقریبی اتلافات عناصر مختلف بر حسب تنوع شارژ و کوره مورد استفاده، درج شده است.به‌طور کلی، قطعات آلومینیمی خودروهای گروه صنعتی ایران خودرو، بیشتر با دو فرایند ریخته‌گری «دایکست» و ریخته‌گری «ریژه» تولید می‌شوند. برای ریخته‌گری دایکست، بیشتر قطعات پژویی از آلیاژ AS9U3Y40 استفاده می‌شود و برای قطعاتی نظیر دسته موتور که نیاز به استحکام و کیفیت بیشتری دارند، از روش ریخته‌گری «ریژه» استفاده می‌شود. آلیاژ مناسب برای این نوع قطعات، AS7G03Y33 است. برای محاسبه تلفات و همچنین موادبری قطعات آلومینیمی، لازم است نوع فرایند و آلیاژ مورد استفاده مد نظر قرار گرفته و میزان پرت مواد در حین فرایند، محاسبه شود. برای تولید قطعات آلومینیمی، سه نوع پرت را می‌توان در نظر گرفت.