ريخته گري در آلياژهاي پايه آلومينيوم (قسمت دوم)

آلیاژ آلومینیم – سیلیسیم‌‌
 

مقدمه
 

آلياژهاي آلومينيوم حاوي سيليسيم به عنوان آلياژي اصل به علت سياليت زياد كه ناشي از وجود حجم نسبتا زياد‌‌‌ Al-Si است. مهمترين آلياژهاي ريخته گري محسوب مي شود.مزاياي ديگر اين نوع آلياژ ريخته گري مقاومت خوردگي بالا و جوش پذيري خوب است و اينكه سيليسيم ضريب انبساط حرارتي را كاهش مي دهد در هر حال به علت وجود ذرات سخت سيليسيم در زير ساختار ماشين كاري اين آلياژ مشكل است.
حلاليت سيليسيم در آلومينيوم در درجه حرارت محيط ناچيز و حدود 0.05% مي باشد. يوتكتيك بين محلول جامد آلومينيوم حاوي بيش از يك درصد سيليسيم خالص به عنوان فاز دوم تشكيل مي شود. تركيب دقيق يوتكتيك هنوز مورد شك و ترديد است ولي امروزه تقريبا تركيب Al-12/7% si به عنوان يوتكتيك قابل قبول است. انجماد آهسته يك آلياژ ‌‌ Al-Si خالص توليد ريزساختار بسيار درشت مي كند كه در آن يوتكتيك به صورت صفحات يا سوزني هاي بسيار بزرگ سيليسيم در يك زمينه ي پيوسته ي آلومينيومي تشكيل مي شود.
خود يوتكتيك از شبكه هاي مجزا كه در آن ذرات سيليسيم ظاهرا بهم مرتبط شده اند تشكيل شده است. آلياژهاي داراي اين نوع يوتكتيك درشت به علت طبيعت ترد صفحات سيليسيم درشت داراي انعطاف پذيري پايين است . سريع سرد كردن آلياژ در هنگام ريخته گري در غالب دائمي اتفاق ميافتد كه به شدت ريز ساختار را ريز كرده و فاز سيليسيم به شكل الياف در امده كه در نتيجه آن انعطاف پذيري و استحكام كشش به مقدار بسيار زيادي بهبود مي يابد. يوتكتيك را ميتوان از طريق فرايند اصلاح كردن ريز نمود.

1- ساختار دوتائي Al-Si :
 

عملا نمي توان دو فلز پيدا كرد كه كاملا در يكديگر غير غابل حل باشند اما در بعضي موارد قابليت حل شدن به قدري محدود و ناچيز است كه در عمل آن را ناديده گرفته و به عنوان غير قابل حل منظور ميكنند.
قانون رائولت بيان ميكند كه نقطه انجماد يك ماده خالص با افزايش يك ماده ديگر به شرطي پايين مي آيد كه ماده افزودني در ماده خالص در حالت مايع كاملا غير قابل باشد و مقدار كاهش دماي انجماد به وزن مولكولي ماده حل شدني بستگي دارد.
اين نوع نمودار فاز را ميتوانيم از يك سري منحني هاي تبريدي به دست آوريم اما در اين حالت منحني ها رفتاري متفاوت از خود نشان ميدهند. منحني تبريدي دو فلز خالص Al-Si هر كدام يك خط افقي ساده در نقطه انجماد از خود نشان مي دهند، با كاهش پيدا كردن سيليسيم در آلومينيوم دماي شروع انجماد پايين مي آيد همچنيم با افزايش درصد آلومينيوم دماي انجمتد آلياژ كاهش مي يابد . نقطه يوتكتيك آلياژ Al-Si برابر 7/12 % مي باشد .
در تركيب معين يوتكتيك Al-Si انجماد در يك نقطه ثابت اتفاق مي افتد گر چه انجماد يوتكتيك همانند يك فلز خالص است ولي آلياژ يوتكتيك يك آلياژ ذوب هم ارز نيست بلكه جامد حاصله داراي دو فاز است . در عمل آلياژهاي چپ نقطه يوتكتيك واقع شده اند هيپويوتكتيك و آلياژهاي سمت راست را هيپريوتكتيك مي نامند. چون نقطه يوتكتيك محل تلاقي خطوط مايع و جامد است ، در اين نقطه انجماد شروع مي شود و دما تا پايان انجماد ثابت مي ماند و با لاخره مايع به صورت دو فاز منجمد مي شود . اين دو فاز هميشه عبارتند از فازهاي كه در دو انتهاي خط دماي يوتكتيك واقع شده اند كه در اينجا فلز خالص آلومينيوم در فلز خالص سيليسيم است. فرض ميكنيم كه نخست مقدار اندكي از فلز آلومينيوم منجمد شود مقدار فلز سيليسيم در مايع از حد خود تجاوز ميكند يعني مايع از فلز سيليسيم غني تر مي گردد و از اين دو تركيب مايع اندكي به طرف راست تغيير مكان ميدهد براي اين كه تركيب مايع دوباره به حالت تعادل برسد مقداري از فلز سيليسيم منجمد ميگردد و اگر مقدار بيشتر سيليسيم منجمد شود تركيب مايع اندكي به ترف چپ تغيير مكان خواهد داد يعني مقدار آلومينيوم در مايع بيشتر خواهد شد بنابرين در دماي ثابت فلز خالص Al و Si به نوبت انجماد يافته و در نتيجه مخلوط بسيار ريزي را تشكيل ميدهند كه معمولا زير ميكروسكوب قابل رويت است . اين مخلوط ، مخلوط يوتكتيك ناميده ميشود . از آنجائي كه انجماد آلياژ يوتكتيك در دماي ثابتي رخ ميدهد بنابرين منحني تبريد آن همانند فلزات خالص و آلياژهاي ذوب هم ارز بوده ولي خود انجماد يوتكتيك غير هم ارز است زيرا تركيب فاز مايع با تركيب هر يك از فازهاي جامد متفاوت مي باشد.

2-خواص مکانیکی
 

آلیاژ‌های دوتایی Al – Si تا ترکیب یوتکتیک انعطاف‌پذیری خوبی دارند مشروط بر این که مقدار آهن محتوی که باعث تشکیل صفات درشت و ترد ترکیب می کند در حداقل مقدار ممکن کنترل شود. در این ارتباط افزودن منگنز مفید واقع می‌شود. اگر مقدار سیلیسیم محتوی کمتر از 8٪ باشد اصلاح ساختار جهت حصول انعطاف‌پذیری قابل قبول لازم نیست، زیرا مقدار فاز اولیه آلومینیوم موجود نسبتا زیاد است. ترکیب یوتکتیک دارای سیالیت بالا و انقباض انجماد پایینی است و در تولید قطعات ریخته‌گری دیواره نازک مانند پوسته دیفرانسیل اتومبیل کاربرد اساسی ندارد مانند وسائل پخت و پز پوسته پمپ و برخی قطعات خاص اتومبیل از جمله مانیفولدی که با آب سرد می شود در ریخته‌گری ماسه‌ای و قالب دائمی استفاده می‌‌‌گردد.
وقتی که آلیاژهای ریخته‌گری آلومینیوم حاوی مقادیر قابل توجه سیلیسیم در دمای بالا قرار گیرد دراثر رسوب سیلیسیم از محلول جامد رشد ابعادی در آنها اتفاق می ‌افتد. از طریق عملیات حرارتی در دمای 0 C 250-200 به مدت چندین ساعت قبل از
ماشین‌کاری یا مصرف می‌توان پایداری ابعادی حاصل کرد و برای قطعات ریخته‌گری که باید در دماهای 0 C 150 یا بالاتر مصرف شوند باید حالت T5 یا T7 به قطعه داد.
گر چه آلیاژهای Al – Si به دلیل این که فاز آلومینیوم در سرد کردن سریع قابلیت فوق اشباع شدن با سیلیسیم را دارد در مقابل عملیات حرارتی از خود عکس العمل نشان می دهد، ولی با افزودن برخی از عناصر دیگر مانند مس و منیزیم مقاوم شدن بسیار زیادتری قابل حصول است. مس استحکام را افزایش می‌دهد و قابلیت ماشینکاری را بهبود می‌بخشد گر چه این امر با کاهش سیالیت انعطاف‌پذیری و مقاومت خوردگی توام است. سالها است که آلیاژ Al – Si- Cu در دسترس بوده و یک حالت بهینه بین خواص مختلف حاصل شده است.
ترکیب این آلیاژها اغلب در محدوده ٪5-/10-3 سیلیسیم و ٪5/4-5/1 مس قرار می گیرد از آلیاژهای پر‌سیلیسیم (مثلا Al -10 Si ) برای ریخته‌گری ماسه‌ای یا قالب دائمی استفاده می‌شود. از طریق پیر کردن مصنوعی اغلب می‌توان استحکام و قابلیت ماشینکاری برخی از این قطعات ریخته‌گری را افزایش داد. به طور کلی آلیاژهای Al – Si برای بسیاری از موارد مصرف دارند آلیاژهای ریخته‌گری نیز مانند آلیاژهای کارپذیر حاوی عناصر اضافی جزئی بیسموت و سرب هستند که خواص ماشینکاری را بهبود می‌بخشند.
وقتی که خواص ویژه‌ای مورد نیاز باشد ترکیبات پیچیده‌تری نیز در دسترس بوده و قابل استفاده است. یک نمونه در این مورد آلیاژهای پیستون موتورهای احتراق داخلی است. مانند 332 A که در مخصوصا نیکل از طریق تشکیل ترکیبات بین فلزی که خستی پراکندگی ایجاد می‌کند باعث بهبود خواص دما بالای آلیاژ می‌گردد. مثال دیگر ترکیب بعد یوتکتیک مانند390 A است که برای ریخته‌گری در ماسه و قالب‌دائمی بدنه سیلندر تمام آلومینیوم اتومبیل استفاده می‌شود. در این ارتباط جهات اصلی برنامه‌های توسعه‌ای تمایل برای حذف بوش‌های چدنی به عنوان آسترهای سیلندرها است که در بسیاری از موتورهای تولید استفاده می‌شود. در این رابطه لازم است در زمینه یوتکتیک مقدار کافی ذرات سخت سیلیسیم اولیه جهت حصول مقاومت سایشی بالا در سیلندر در خلال مصرف آن به همراه توزیع کم ذرات طوری که از مشکلات جدی، ماشینکاری پرهیز شود وجود داشته باشد. همچنین اطمینان از ریز بودن Si اولیه مورد نظر است. در این مورد ٪03/0 -01/0 فسفر به آلیاژ اضافه می شود تا با Al واکنش کرده و ذرات ریز حل Atp که به عنوان هسته‌ای که سیلیسیم بر روی آن تشکیل می‌شود عمل می کند.
تحقیقات اخیر بر روی مکانیزم سایش در آلیاژهای ریخته‌گری آلومینیوم نشان داده شده است که در زیر سطح سایش و به موازات آن نورهای فشرده برشی ایجاد می‌شود. ممکن است ترک در امتداد این نوارهای برشی آغاز و ادامه یابد تا زمانی که یک لبه یا لایه نازک در بالای آن از سطح جدا شود. همچنین نشان داده شده است که فرایند سایش تحت تاثیر برخی مشخصه‌های ریز ساختاری خاص قرار می گیرد. ذرات سخت فازها یا ترکیبات بین فازی اولیه مانند سیلیسیم اولیه و یا حضور فاز اولیه که نسبتا نرم بوده و مسیرهای خوبی برای تغییر شکل و برش آسان را فراهم می‌کند. مثالهایی که در این زمینه می باشند این مشاهدات یک زمینه سخت می باشد. ترکیب نوعی برای آلیاژ HA 3 عبارت است از Mn 5/0- Mg 5/0- Ni 2- Cu 2- SI 14- Sr 5/0 استرانیسم به عنوان اصلاح کننده ادعا شده است که آلیاژ HA 3 ترکیب منحصر به فردی از خاص شامل قابلیت ماشینکاری استحکام بالائی بهبود یافته است.
تعداد زیادی از قطعات ریخته شده در ماسه و قالبهای دائمی از آلیاژهای Al – Si-Mg مانند آلیاژ 356 ساخته می‌شوند. که در آنها مقدار نسبتا کمی منیزیم از طریق رسوب Mg2 Si در زمینه آلومینیوم پیر سختی قابل توجهی ایجاد می‌کند. برای مثال استحکام تسلیم این آلیاژ در حالت T6 بیش از دو برابر آن در آلیاژ دوتائی حاوی مقادیر مشابه Si است. به علاوه این آلیاژ‌ها مقاومت خوردگی عالی نیز نشان می دهند. این آلیاژ‌ها کاربر خاص در هواپیما و اتومبیل یافته‌اند. یک نمونه جدید این موارد چرخهای سبک وزن اتومبیلهای مسابقه‌ای است. طبیعت بحرانی بهری از این موارد منجر به مطالعاتی در ارتباط با روباط بین ریز ساختار و سختی گردید و برای برخی ترکیبات خاص عملیات حرارتی شده چقرمگی شکست تا حاصل شده است که به خوبی قابل مقایسه با مقادیر مورد انتظار آلیاژهای کارپذیر است. به این ترتیب به نظر می رسد که جایگزینی احتمالی برخی قطعات کارپذیر با این قطعات ریختگی نسبتا ارزان در آینده به اجرا درآید. نمونه‌هایی از چنین تغییرات برای برخی اتصالات بحرانی هواپیما برای سازه موتور ریخته شده در ماسه وجود دارد.

3- خواص ریخته‌گری
 

به علت سیالیت خیلی خوب و نقطه ذوب پایین این آلیاژ میتوان برای ریخته‌گری آن از انواع پروسه‌های ریخته‌گری مانند ریخته‌گری در ماسه، ریخته‌گری در قلب دائمی، ریخته‌گری در قالب تحت فشار محفظه سرد استفاده کرد و مذاب آلیاژ تحت نیروی ثقل به داخل قالبهای ماسه‌ای ریخته‌گری می‌گردند. برای ساخت قالب‌ها می‌توان از انواع ماسه‌های طبیعی مورد استفاده در صنعت استفاده کرد. در قالبهای فلزی مورد استفاده در روش ریخته‌گری دائمی مذاب یا تحت نیروی ثقل و یا استفاده از هوا یا سایر گازهای تحت فشار کم به داخل قالب تزریق می‌گردد. از قالبهای چدنی و فولادی و در بعضی موارد برای بالا بردن سرعت سرد کردن از قالبهای مسی استفاده می‌شود ( سریع سرد کردن باعث ریز شده دانه‌ می‌شود) در ریخته‌گری تحت فشار مذاب آلومینیوم با کمک یک پیستون هیدرولیکی با فشار زیاد به داخل قالب فولادی تزریق می‌شود. مساله اصلی در مورد قطعات ریخته‌گری انقباض نسبتا بالای بین 5/3-5/8 درصد است که در خلال انجماد صورت می‌گیرد. این انقباض باید در طراحی قالب در نظر گرفته شود تا دقت ابعادی لازم حاصل گردد و از مسائلی مانند ترک یا پارگی داغ، تنشهای باقیمانده و حفره‌های انقباضی جلوگیری شود.
استفاده از مبردهای فلزی در قالب برای افزایش نرخ انجماد می‌تواند خواص مکانیکی حاصل را افزایش بخشد برای ریخته‌گری این آلیاژها می‌توان از قالبای سرامیکی در ریخته‌گری دقیق استفاده کرد. روشهای جدیدی New and Emerging Orocesses برای ریخته‌گری این آلیاژ طی سالهای گذشته ابداع شده است که این روشها باعث می شود در حین ریخته‌گری ما به خواص مطلوب‌تری از نظر دانه‌بندی برسیم. ریخته‌گری مذاب در سطح شیب‌دار، ریخته‌گری فشاری و ریخته‌گری همراه با امواج التراسونیک از این موارد هستند.
سیالیت یکی از مشخصه‌های آلیاژ ذوب شده است که باعث ریخته‌گری و پر کردن قالب می‌شود. آلیاژها سیالیت‌های متفاوتی از خود نشان می‌دهند که این مطلب به سیالیت ذاتی (خواص فیزیکی) فلز برمی‌گردد. بنا به سیالیت‌های متفاوت آلیاژها از روش‌های مختلف ریخته‌گری استفاده می‌شود. موضوع سیالیت باعث می‌شود که گفته شود بعضی از آلیاژها قابلیت ریخته‌گری بهتری دارند. آلیاژ Al – Si از سیالیت بسیاری خوبی برخوردار است و به همین دلیل می‌توان روش‌های مختلف ریخته‌گری برای تولید قطعات استفاده کرد. این قابلیت باعث شده است که از آن به فراوانی برای تولید سیلندرهای اتومبیل و پوسته دیفرانسیل و گیربکسها استفاده شود. از این آلیاژ برای تولید قطعات نازک بسیار استفاده می شود.

1-3 - سیالیت (Fluidity)
 

از طریق مشاهدات در ریخته‌گری نتیجه گردیده است که هنگام پر کردن قالب با یک طرح معین که قسمت‌های نازک نیز وجود دارد و تمام پارامترهای دیگر ثابت منظور شده بعضی از آلیاژها قادر به پر کردن قالب هستند و برخی دیگر این قابلیت را ندارند. چنین پدیده‌ای از ریخته‌گران سیالیت معنی کرده‌اند و در بعضی موارد جهت اشتباه با سیالیت مورد نظر در علوم هیدرولیک به سیالیت ریخته‌گری تعبیر شده است.
سیالیت به دو فاکتور اصلی وابسته است:
1- سیالیت ذاتی فلز (پارامترهای شیمی فیزکی)
2- روش ریخته‌گری
خواص فوق اگر چه بر روی سیالیت بیشترین تاثیر را دارند ولی موارد دیگری از جمله: کشش سطحی مذاب، اکسیدهای فیلم سطحی، ناخالصیها، حالت انجماد، دمای ذوب‌ریزی، مواد قالب و تنش سطحی مذاب نیز از عوامل مهمی بر سیالیت هستند. بعضی از این عوامل ذکر شده در زیر تشریح شده‌اند.
درجه حرارت: درجه حرارت مذاب یکی از مهمترین عوامل در پرشان قالب می باشد. آزمایشات نشان داده است که سیالیت ارتباط مستقیمی با درجه حرارت دارد. هر چه فوق ذوب بالا رود میزان سیالیت نیز بالا می رود البته باید در نظر داشت که بالا بردن بیش از حد فوق ذوب مشکلات مختلفی را در پی دارد.
ترکیب: ترکیب شیمیایی یکی دیگر از عوامل موثر بر سیالیت می باشد، معمولا فلزات خالص و آلیاژهای یوتکتیک دارای سیالیت بیشتری هستند و آلیاژ‌های محلول به خصوص آنهایی که دامنه انجماد طولانی‌تری دارند از نظر سیالیت ضعیف‌تر هستند به طوری که می‌توان رابطه معکوس سیالیت و فاصله انجماد را مطرح نمود. ترکیباتی که به خوبی در هم محلول نیستند باعث پایین آمدن میزان سیالیت می‌شوند.
انجماد: نوع انجماد ( خمیری یا پوسته‌ای) بر سیالیت اثرگذار است. در حالت پوسته‌ای در موقع انجماد کانال کاملا بسته نشده است و امکان پر شدن قالب وجود دارد. در صورتی که در حالت انجماد خمیری با اولین تاثیر انجماد سیالیت به طور فاحشی کاهش می یابد. سرعت انتقال حرارت مذاب و قالب و گرمای نهان‌گداز نیز در سیالیت نقش دارند.
اکسیدهای فیلم Al2O3 : اکسیدهای فیلم سطحی Al2O3 باعث افزایش تنش سطحی مذاب می‌گردد و باعث کاهش سیالیت می‌شود.
مواد قالب: هر چند سیالیت مذاب را بایستی از تاثیر قالب بر کنار نمود ولی تاثیر مواد قالب در چگونگی پر شدن آن خالی از اهمیت نسبت از این رو قالب یا از طریق هدایت حرارتی و یا از طریق تقلیل و تغییر سرعت جریان در سیالیت اهمیت پیدا می‌کند.
سرعت سرد شدن نسبت به درجه حرارت معمولا به وسیله قابلیت نفوذ حرارت در قالب تعیین می‌گردد. اصطکاک مذاب با دیواره و سطح قالب که باعث تقلیل انرژی مذاب می‌گردد تاثیر سطح قالب را مشخص می‌کند و از این رو چگونگی ساخت قالب از نظر صافی سطوح و همچنین شکل محفظه قالب جز عوامل موثر در پر شدن قالب است در حالی که درجه حرارت قالب را نیز بایستی جز عوامل موثر منظور نمود .

2-3- اندازه‌گیری سیالیت
 

از آن جا که سیالیت را نمی‌توان جز یکی از خواص فیزیکی دانست از این رو آزمایشات مختلف برای تعیین سیالیت بر مبنای مقایسه و بیشتر بر اساس لوازم و موادی است که در هر کارگاه به کار می‌رود. در شرایط ثابت می‌توان با تعیین اندازه طول یا سطح نمونه‌های پر شده توسط مذاب واحدی برای سیالیت تعیین نمود. آزمایشات اولیه سیالیت توسط Krynitsky , Clark انجام پذیرفت که مستقیما مذاب را در یک کانال افقی وارد می‌گردند و سپس این آزمایش جهت تقلیل طول کانال به سیستم مارپیچ Spiral درآمد که هنوز هم در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حالت کلی نوع آزمایش و تعیین ابعاد به تجربه و نوع متغیرهای مختلف بستگی دارد.
ارسالي از طرف کاربر محترم : the_holl_virus