0
04136674922

اثر عناصر آلیاژی در آلومینیوم ریختگی – قسمت دوم

در قسمت اول از این نوشته، در خصوص سیستم نامگذاری و اثر عناصر مهم آلیاژی آلومینیوم مطالبی تقدیم کاربران محترم عصر مواد شد. در قسمت دوم، بررسی تاثیر سایر عناصر در ترکیب آلومینیوم آلیاژی ریختگی را ادامه می دهیم:

 

ریخته گری آلومینیوم در قالب ریژه

 

عناصر کم اهمیت

۱- نیکل

 نیکل (Ni) عامل استحکام و سختی آلیاژهای سری ۲XX در دمای بالا است این عنصر در آلیاژهای سری ۳XX هم به همین منظور افزوده می شود، اما اهمیت و اثر آن در آلیاژهای حاوی سیلیسیم کمتر به نظر می آید.

 

۲- قلع

قلع (Sn) در آلیاژهای سری ۸XX با هدف کاستن از اصطکاک بوش ها و یاتاقان ها اضافه می شود. فاز قلع موجود در چنین الیازهایی در دمای بسیار پایین ۲۲۷٫۷ درجه سانتی گراد ذوب می شود. در شرایط اضطراری و هنگامی که دمای کار بیش از حد بالا رود، قلع ذوب شده از آلیاژ بیرون می زند و برای مدتی کوتاه، بین سطوح در تماس و سایش را روانکاری می کند. 

 

عناصر اصلاح کننده ریزساختار

۱- تیتانیم و بور

تیتانیم (Ti) و بور (B) برای ریز کردن دانه های آلومینیم اولیه به مذاب افزوده می شوند. تیتانیم به تنهایی به صورت آمیژان آلومینیم-تیتانیم به مذاب افزوده می شود و با تشکیل جوانه هایی از ترکیب TiAl3 سبب جوانه زایی دندریت های آلومینیم اولیه می گردد. اغلب، جوانه زایی معادل با افزایش شدید تعداد دانه های ریز است. جوانه زایی هنگامی بهتر می شود که از ترکیب تیتانیم و بور به صورت همزمان استفاده شود. آمیژان هایی با ترکیب آلومینیم، ۵ درصد تیتانیم و ۱ درصد بور به این منظور استفاده می شوند. آن ها ترکیبات TiB2 و TiAl3 را تشکیل می دهند که با هم و در مقایسه با فاز TiAl3 اثربخشی بیشتری دارند. اثربخش ترین آمیژان برای جوانه زایی آلیاژهای آلومینیم-سیلیسیم، آمیژانی است که نسبت تیتانیم به بور در آن  ۱٫۵ به ۱ باشد. حالت اخیر، حالتی خاص است که برای خانواده های ۳XX و ۴XX به کار می رود و برای سایر خانواده های آلیاژی عمومیت ندارد.

 

۲- استرانسیم، سدیم، کلسیم و آنتیموان

این عناصر (تک تک و نه در ترکیب با یکدیگر) به آلیاژهای ریختگی یوتکتیک یا قبل از یوتکیتک (hypereutectic) آلومینیم – سیلیسیم اضافه می شوند تا مورفولوژی فاز سیلیسیم یوتکتیک را بهسازی کنند. بدون استفاده از عناصر بهساز، سیلیسیم یوتکتیک به صورت شبکه ای خشن از صفحه های به هم پیوسته منجمد می شود. چنین مورفولوژیی مراکز تمرکز تنش را افزایش داده و امکان دستیابی به حداکثر چکش خواری و استحکام را محدود می سازد. بهسازی با هریک از این عناصر منجر به بهسازی ساختار سیلیسیم یوتکتیک شده و آن را به ساختار فیبری (fibrous) و یا ورقه ای (lamellar) تبدیل می کند.

استرانسیم (Sr) همان تاثیر بهسازی را بر ساختار سیلیسیم یوتکتیک دارد که سدیم دارد، با این تفاوت که عمر میرایی استرانسیم طولانی تر است. استرانسیم معمولاً به مقدار بیشتری، در مقایسه با سدیم، اضافه می شود (۰٫۰۱-۰٫۰۲۵ درصد)، اما استرانسیم برای چندین ساعت و پس از چندین بار ذوب مجدد تا حدودی اثربخش باقی می ماند. به همین دلیل در آمریکای شمالی استرانسیم بهساز برتر شناخته شده و ترجیح داده می شود.

۳- منگنز و کروم

منگنز (Mn) و کروم (Cr) به تنهایی و یا همراه با هم، مورفولوژی فاز غنی از آهن Al5FeSi را تغییر داده و از حالت بشقابی به حالت مکعبی تر و فاز Al15(MnFe)3Si2 تبدیل می کنند که آثار منفی آن بر چکش خواری کمتر است. چنین پدیده ای منجر به آن شد که در استاندارد شمش و قطعه آلیاژ ۳۵۶٫۱ نسبتی برای عناصر یاد شده تعیین و در جدول عناصر ذکر شود که: “اگر آهن بیش از  ۰٫۴۵ درصد بود، مقدار منگنز نباید کمتر از نصف مقدار آهن باشد”. همانند فاز بشقابی Al5FeSi، درصد حجمی و اندازه فاز مکعبی Al15(MnFe)3Si2 تابعی از درصد عناصر و سرعت انجماد است. با آنکه منگنز و یا کروم سبب تغییرات سودمندی در مورفولوژی فازهای حاوی آهن می شوند، در غلظت های بالای آهن حضور دو عنصر یاد شده منجر به تشکیل لجن (sludge) در ریخته گری تحت فشار آلیاژهای ثانویه می گردد. ثابت شده است که منگنز جایگزینی مناسب برای آهن است و جوش خوردگی آلومینیم مذاب به قالب فولادی (die soldiering) را در خلال ریخته گری تحت فشار به حداقل می رساند. منگنز و یا کروم برای آلیاژهای خانواده ۲XX و۷XX، ثبات ابعادی در دماهای کاری بالا را به همراه می آورند. کروم، به ویژه، از تبلور مجدد و رشد دانه در دمای بالا جلوگیری می کند. منگنز و کروم، رنگی برنزی تا زرین را به آلیاژهای سری ۷XX آندایز شده می بخشند.

 

 

عناصر ناخالصی 

۱- آهن 

آهن (Fe) در اغلب آلياژهای تجاری تحت فشار به عنوان یک ناخالصی حضور دارد که البته ناخالصی سودمندی می باشد. حضور حدود ۰٫۸ درصد یا بیشتر آهن، به شدت تمایل به جوش خوردگی به قالب را کاهش می دهد. یوتکتیک سه تایی AL-Fe-Si در ۰٫۸ درصد آهن اتفاق می افتد. به شکل نظری، هنگامی که درصد آهن اندکی بیش از حد یاد شده برسد، مذاب فوق اشباع دیگر تمایلی به حل کردن آهن در خود ندارد و در نتیجه فولاد قالب که بدون محافظت در تماس با مذاب قرار می گیرد خورده نخواهد شد. مقادیر مناسب آهن تمایل به جوش خوردن به قالب را کاهش می دهد، ضمن اینکه مقاومت به پارگی گرم در خلال انجماد و درون قالب را افزایش می دهد. اما برخی از ریخته گران تحت فشار عقیده دارند که مقادیر بیشتر آهن، در نزدیک به حداکثر دامنه مجاز برای آن، عملاً پارگی گرم را افزایش می دهد.

آهن با آلومینیم، سیلیسیم و سایر عناصر ترکیب شده و فازهای بسیار سخت، مرکب و نامحلولی را می سازد. فاز β-Al5FeSi به شکل صفحاتی باریک تشکیل می شود، که در زیر میکروسکوپ و پس از پولیش و اچ، به صورت تیغه های سوزنی دیده می شود. چنین مورفولوژی هایی نقاطی با تمرکز تنش بالا ایجاد می کنند و منجر به کاهش خاصیت چکش خواری آلیاژ می گردند. درصد حجمی و اندازه این فازها نه تنها تابعی از غلظت آهن است، بلکه شرایط و سرعت انجماد هم بر آن ها تاثیر می گذارد. در سرعت های انجماد و سرد شدن بالاتر، این صفحات کمتر و کوچک تر خواهند شد، بنابراین فرایند ریخته گری تحت فشار، در مقایسه با سایر فرایندهای ریخته گری، می تواند درصد بالاتری از آهن را تاب بیاورد.

غلظت های بالای آهن برای فرایندهای پیشرفته صنعت ریخته گری تحت فشار، نظیر ریخته گری تحت خلا (vacuum casting)، ریخته گری کوبشی (squeeze casting) و ریخته گری نیمه جامد (semi solid casting) هم قابل تحمل نیست. در چنین فرایندهایی، معمولاً هدف نهایی تولید قطعاتی با قابلیت چکش خواری بالا است و صفحه های فاز β-Al5FeSi دشمن این ویژگی هستند، بدین صورت که محل های تمرکز تنش و جوانه زنی ترک را افزایش می دهند. با توجه به محدودیت موجود برای آهن در این آلياژها، جلوی تشکیل صفحات β-Al5FeSi گرفته می شود. در برخی موارد، فرایندهای پیشرفته هم می توانند تا حدودی آهن بالاتر از آنچه در ماسه یا ریژه قابل تحمل است را تاب آورند، مشروط بر اینکه قاعده “اگر درصد آهن بیش از ۰٫۴۵ درصد بود، آنگاه درصد منگنز نباید از نصف درصد آهن کمتر باشد” در آن ها رعایت گردد.

همان طور که قبلاً گفته شد، منگنز در غلظت های بالاتر از ۰٫۴ درصد می تواند به خوبی قالب را در مقابل جوش خوردگی محافظت نماید، بنابراین برای جلوگیری از تشکیل فاز مضر β-Al5FeSi در آلیاژهایی که برای ریخته گری در فرایند پیشرفته دایکاست تحت خلا مصرف می شوند، نظير آلياژ ۳۵۶ و آلیاژهای Aural شرکتAlcan، آهن جای خود را به منگنز داده است.

 

۲- روی 

تنها آلياژهایی که در آن ها روی (Zn) به عمد اضافه می شود، خانواده ۷XX است که البته تاکنون هیچ کاربردی در فرایند دایکست یا زیرمجموعه های آن نیافته اند. از سوی دیگر، روی صرفاً به عنوان ناخالصی در آلیاژهای تحت فشار (ثانویه) پذیرفته شده است که تقریباً نه خاصیتی به آلیاژ می بخشد و نه از کیفیت آن می کاهد. باید این را هم در نظر داشت که روی عنصری سنگین است و حضور آن منجر به افزایش چگالی آلیاژ می گردد. آلیاژهای با روی بالا تنها به دلیل ارزان تر بودن در ریخته گری تحت فشار ممکن است جذابیت داشته باشند، ولی باید این را هم در نظر گرفت که ممکن است در عمل، حتی از آلیاژهای سبک گران تر تمام شوند، چراکه وزن بیشتری از مواد را، به ازای حجم ثابت یا تعداد قطعات مشخص، باید جابه جا کنید.

 

منبع: ماهنامه صنعت ریخته گری – نوشته D.Apelian از انجمن دایکاست آمریکا – ترجمه سیامک فتحی

 

 

 

 

 

برخی نوشته های مرتبط با آلومینیوم در عصر مواد:

 

 

ارسال دیدگاه