اثر عناصر آلیاژی در آلومینیوم ریختگی – قسمت اول

نامگذاری آلیاژهای ریختگی آلومینیوم

در سیستم کدگذاری ANSI و انجمن دایکاست آمریکا NADCA برای شناسایی آلیاژهای ریختگی آلومینیوم از یک سیستم نامگذاری چهار رقمی به صورت زیر استفاده می شود:

XXX.X

در این سیستم نامگذاری، رقم اول از سمت چپ مشخص کننده گروه آلیاژ است. دو رقم بعدی مشخص کننده آلیاژ آلومینیوم یا خلوص آن است. آخرین رقم که با یک نقطه از سه رقم اول جدا شده است مشخص کننده شکل محصول است. صفر پس از اعشار نشان می دهد که آلیاژ مربوط به قطعه ی ریخته گری شده از جمله قطعه دایکست است. عدد ۱ پس از اعشار معرف ترکیب شیمیایی شمش است و این شمش برای ریخته گری قطعاتی از همان آلیاژ با کد XXX.0  به کار می رود. عدد ۲ پس از اعشار هم ترکیب شیمیایی شمش مورد مصرف برای تولید قطعات ریختگی از آلیاژ XXX.0 را نشان می دهد، ولی ترکیب شیمیایی آن با آلیاژ XXX.1 اندکی متفاوت و محدوده عناصر در آن بسته تر است.

در اغلب موارد (و نه همیشه)، کد XXX.1 آلیاژ ثانویه -حاصل از ذوب قراضه- را معرفی می کند، در حالی که کد XXX.2 برای آلیاژهای اولیه -با پایه خالص- به کار می رود. برای مثال، کد ۳۸۰٫۰ می تواند نشان دهنده قطعه دایکستی باشد که از ذوب و ریخته گری شمش ثانویه با كد آلیاژ ۳۸۰٫۱ به دست آمده است، حال آنکه شمش اولیه با کد ۳۵۶٫۲ برای تولید ریخته ای از جنس آلیاژ ۳۵۶٫۰ که به روش ریخته گری کوبشی (squeeze casting) تولید شده است، به کار می رود.

مهم است به یاد داشته باشیم که صفر پس از اعشار برای قطعات ریختگی به کار می رود، در حالی که اعداد ۱ و ۲ برای نشان دادن ترکیب شیمیایی شمش مصرفی برای تولید قطعات اختصاص دارند.

از آنجا که عملیات ذوب و نگهداری مذاب می تواند منجر به تغییراتی در ترکیب شیمیایی شوند، ترکیب شیمیایی شمش های آلیاژی با کدهای ۱٫XXX و ۲٫XXX در مقایسه با آلیاژ ۰٫XXX محدودیت های بیشتری دارند و بسته تر هستند. همین طور هم دامنه ی ترکیب شیمیایی شمشی با کد ۲٫XXX در مقایسه با شمشی که کد آن ۱٫XXX است، محدودیت های بیشتری دارد.

حروف هم می توانند در ابتدای کد آلیاژ قرار گیرند. این حروف ویرایش های مختلف از یک آلیاژ پایه را معرفی می کنند که ممکن است درصد ناخالصی ها در آن ها کمتر باشد، یا یک عنصر دیگر هم در آن تحت کنترل باشد و یا دامنه ی یک عنصر در آن تغییر داشته باشد. البته همه آلیاژها هر دو کد ۱٫XXX و ۲٫XXX را برای شمش ندارند. بسیاری از آلیاژهای دایکستی رایج تنها کد ۱٫XXX را دارند که آلیاژی ثانویه محسوب می شود و بسیاری از قطعات با کیفیت بالا، تنها آلیاژ ۲٫XXX را دارند که آلیاژ اولیه می باشد. 

 

برای آشنایی بیشتر با انواع آلیاژهای آلومینیوم، مطالعه نوشته زیر از عصر مواد به شما توصیه می شود:

آشنایی با آلومینیوم های آلیاژی پر کاربرد

 

اثرات عناصر آلیاژی

انجمن آلومینیم در جداول ترکیب شیمیایی آلیاژهای آلومینیم، چه به صورت شمش و چه قطعه ریختگی، ۱۰ عنصر را به صورت ثابت آورده و حدود آن ها را مشخص کرده است، ضمن اینکه ستونی با عنوان سایر (others) هم دارد. روشن است که همه ی اینها عناصر آلیاژی اصلی نیستند که عمداً و به منظور آلیاژسازی اضافه شده باشند، همچنین عناصری که در یک آلیاژ، عناصر اصلی هستند در آلیاژی دیگر این ویژگی را نداشته باشند. همچنین برخی عناصر، از جمله استرانسیم می توانند در کنترل ریزساختار و خواص مکانیکی بسیار کارآمد باشند، اما در مدارک انجمن آلومینیم به آن ها اشاره ای نشده است و تنها در ستون سایر حدود آن ها آمده است. به منظور درک اهمیت و اثر عناصر در اغلب آلیاژها، شاید بهتر باشد که این عناصر را به گروه های مهم، کم اهمیت، اصلاح کننده ی ساختار و ناخالصی تقسیم کرد. باید توجه داشت که ناخالصی در بعضي آلياژها ممکن است عناصر آلیاژی در برخی آلیاژهای دیگر باشند: 

 

عناصر مهم عمدتاً شامل سیلیسیم (Si)، مس (Cu) و منیزیم (Mg) می شود.

عناصر کم اهمیت شامل نیکل (Ni) و قلع (Sn) می شود. این عناصر در آلیاژهایی وجود دارند که به طور معمول در فرایند دایکست مصرف نمی شوند. 

عناصر اصلاح کننده ساختار شامل تیتانیم (Ti)، بور (B)، استرانسیم (Sr)، فسفر(P)، بریلیم (Be)، منگنز (Mn) و کرم (Cr) هستند.

عناصر ناخالصی به طور معمول شامل آهن (Fe)، کرم (Cr) و روی (Zn) می شود. 

 

 

عناصر اصلی 

۱- سیلیسیم 

بدون تردید، سیلیسیم (Si) مهمترین افزودنی در طیف گسترده ای از آلیاژهای ریختگی آلومینیم است. نخست آنکه سیلیسیم باعث قابلیت ریخته گری خوب (good castability) آلومینیوم می شود. به عبارتی، این عنصر سبب پر شدن کامل و خوب قالب و انجماد مناسب قطعات ریختگی، بدون بروز پارگی گرم (hot tearing) یا ترک گرم (hot cracking) می شود.

 

مهم ترین اثرات سیلیسیم، به عنوان عنصر آلیاژی، عبارت است از:

۱- گرمای نهان ذوب بالای سیلیسیم سبب سیالیت بالای آلیاژ و یا طول عمر سیال (fluid life) می شود.

۲- با وجود آنکه حد حلالیت آلومینیم جامد برای سیلیسیم کم (حداكثر ۱٫۶۵ درصد) است، ولی با درصد بالایی از آن (۱۲ درصد سیلیسیم) ترکیب پوتکتیک را می سازد و این بدان معناست که بخش قابل توجهی از انجماد، حتی در آلیاژهایی که تنها چند درصد سیلیسیم هم دارند، در دمای ثابت (isothenial solidification) اتفاق می افتد، در نتیجه استحکام بالایی به دست خواهد آمد و در عین حال انقباض حرارتی بسیار کم خواهد بود و یا اصلاً روی نخواهد داد، مورد اخیر در جلوگیری از بروز پارگی گرم یا ترک گرم بسیار موثر است. در خصوص انجماد در دمای ثابت، توضیحات بیشتری در ادامه داده می شود.

۳- افزایش مقدار سیلیسیم در یک آلیاژ منجر به کاهش وزن مخصوص و ضریب انبساط حرارتی آن می شود.

۴- سیلیسیم فازی بسیار سخت است، بنابر این مقاومت به سایش قابل توجهی به آلیاژ می بخشد. این پدیده، آلیاژهای ریختگی آلومینیم را به جایگزینی مناسب برای چدن خاکستری در خودروسازی تبدیل نموده است. برای مثال، آلیاژهای بعد یوتکتیک (hypereutectic) آلومینیم – سیلیسیم، نظير B390، به شکلی گسترده برای تولید بلوک سیلندر بدون بوش چدنی به کار می روند، همچنان که در تولید انواع پمپ ها، کمپرسورها، پیستون ها و قطعات گیربکس های اتوماتیک کاربرد یافته اند. 

۵- سیلیسم در ترکیب با سایر عناصر، استحکام آلياژ را افزایش داده و قابلیت عملیات حرارتی به آن می بخشد. سیلیسیم به تنهایی نقش بسیار اندکی در استحکام بخشیدن به آلیاژهای ریختگی آلومینیم دارد، اما هنگامی که با منیزیم ترکیب شده و فاز Mg₂Si را بسازد، مکانیزم بسیار کارآمدی را در استحکام بخشیدن به آلیاژهای آلومینیم به دست می دهد. حد حلالیت فاز Mg₂Si در آلیاژ جامد در حد ۰٫۷ درصد منیزیم است و از طریق رسوب سختی، امکان افزایش استحکام تمامی آلیاژهای قابل عمليات حرارتی را فراهم می کند (از آلیاژ شماره ۳۵۶ تا شماره ۳۶۰ و انواع مختلف آن ها).

۶- سیلیسیم سبب ثبات ابعادی قطعات در دمای بالا می شود

۷- سیلیسیم باعث فرسایش ابزار ماشینکاری می شود. با آنکه سیلیسیم نقشی حیاتی در بهبود خواص ریخته گری آلیاژهای آلومینیم دارد، ولی تاثیر مخربی هم با خود به همراه می آورد. هر چه درصد سیلیسیم بیشتر باشد، به ویژه در آلیاژهای بعد يوتکتیک، ابزار در خلال ماشینکاری بیشتر و سریع تر از بین می روند. با رواج هرچه بیشتر استفاده از ابزار الماسه پلی کریستال (PCD) در سال های اخیر، فرسایش ابزار شديداً كاهش یافته و عامل عمر ابزار در انتخاب آلیاژ به سرعت جایگاه خود را از دست داده است. اما در جاهایی که ابزار از جنس فولاد تندبر (HSS)، کاربید و یا ابزاری با مقاومت به سایش کم هستند، هنوز هم در انتخاب آلیاژ به فرسایش ابزار توجه می شود. 

 

ریخته گری دایکاست آلومینیوم

 

انجماد در دمای ثابت

آلومینیم خالص در یک دمای ثابت منجمد می شود. ترکیبات پوتکتیک  (آلومینیم با ۱۲ درصد سیلیسیم نظير آلياژ ۴۱۳) هم در دمای ثابتی منجمد می شوند و به عبارتی دامنه انجماد آن ها بسیار باریک است. در این حالت، انجماد از سطح قالب شروع شده و به سوی مرکز حرارتی ریخته پیش می رود. چنین مدل انجمادی، تمایل به پارگی گرم را در خلال ریخته گری به حداقل می رساند. جبهه ی انجماد مسطح در آلیاژهای با دامنه انجماد باریک، پوسته ای بسیار سالم و یکپارچه را ایجاد می کند که از سطح تا مرکز حرارتی قطعه گسترده شده است. در انتهای انجماد، مک های انقباضی ناشی از دگردیسی مذاب به جامد در مرکز حرارتی قطعه پخش خواهد شد. از آنجا که مک های انقباضی به سطح قطعه ریخته شده راهی ندارند، ریخته های تولید شده از چنین آلياژهایی غالباً نشت ناپذیر (pressure tight) هستند.

حضور سیلیسیم در آلیاژ عموماً به ناپدید شدن شکنندگی داغ (hot – shortness) می انجامد و همچنین سیالیت را به حد مطلوبی می رساند. تنها حضور ۵ درصد سیلیسیم در آلیاژ، به اندازه ی کافی انجماد در دمای ثابت را فراهم می کند که جلوی بخش عمده و آسیب زننده شکست داغ را بگیرد و در عین حال، سیالیت را نیز بهبود بخشد.

با این حال ریخته گری آلیاژهای آلومینیم با دامنه ی انجماد طولانی از نظر ریخته گران دشوار است. اما این دامنه ی انجماد نیست که ریخته گری را با دشواری مواجه می کند، بلکه شکل منحنی های سرد شدن (با حجم کم انجماد در دمای ثابت) و پایین بودن سیالیت است که مشکل ساز می شوند و هر دوی این موارد نتيجه کم بودن درصد سیلیسیم است. آلیاژهای ۳۳۳ و به ویژه، B390 هم دامنه های انجماد بلندی دارند، اما چون درصد قابل ملاحظه ای سیلیسیم دارند، سیالیت آن ها عالی است و حجم قابل توجهی از انجماد آن ها در دمای ثابت اتفاق می افتد.

حجم قابل ملاحظه ای از انجماد تمام آلیاژهای گروه ۳XX و ۴XX در دمای ثابت و در دمای یوتکتیک Al – Si اتفاق می افتد. با گذر زمان و رسیدن دما به زیر دمای یوتکتیک، تقریباً انجماد کامل شده و تنها فازهایی با نقطه ی ذوب پایین به صورت مذاب می مانند (که عموماً یوتکتیک های مس و منیزم هستند). آلیاژهای ۳XX و ۴XX از نظر استحکام و ساختار در شرایطی هستند که طی مراحل انجماد، به راحتی در مقابل فشارهای ناشی از انقباض – و مقاومت قالب فلزی در برابر این انقباض – دوام بیاورند. تمایل به ترک و پارگی گرم تقریباً در آلیاژهای یاد شده وجود ندارد، مگر آنکه در حین انجماد نقاط گرم (hot spot) در قالب پدید آمده باشد.

 

۲- مس

در میان عناصر آلیاژی، مس بزرگ ترین تاثیر منفرد را بر استحکام و سختی آلیاژهای آلومینیم دارد، چه با عملیات حرارتی و چه بدون آن، و چه در دمای محیط و چه در دماهای بالا. همچنین با توجه به افزایش سختی زمینه، قابلیت ماشینکاری آلیاژ و کیفیت سطح پس از ماشینکاری بهبود قابل ملاحظه ای پیدا می کند، چرا که طول تراشه ها کوتاه تر می شود. اما از سوی دیگر، مس عموماً مقاومت به خوردگی آلومینیم را کاهش داده، در آلیاژها و عملیات حرارتی های مهم، حساسیت به خوردگی تنشی (stress corrosion) را افزایش می دهد.

آلیاژهای آلومینیم – مس، که سیلیسیم حتی در حد متوسط هم در آن ها وجود نداشته باشد، سیالیت پایینی دارند و مقاومت به پارگی گرم آن ها در خلال انجماد کم است. هر چند که در سال های اخیر، ریخته گری آلیاژهایی که درصد مس آن ها تا ۱۰ درصد هم می رسد، رواج یافته بود، اکنون دوباره جای خود را به آلیاژهای حاوی سیلیسیم داده اند، که البته آلیاژ بسیار با استحکام ۲۰۸ از این قاعده مستثناست.

 

۳- منیزیم

نقش منیزیم در آلیاژهای آلومینیم هم افزایش استحکام و سختی است. همان طور که قبلاً اشاره شد، سیلیسیم با منیزیم ترکیب شده و فاز سخت کننده Mg₂Si را تشکیل می دهد. این فاز عامل استحکام آلیاژهای خانواده ۳۵۶ است و به آن ها قابلیت عملیات حرارتی می بخشد. همچنین در آلیاژهای پر منیزیم خانواده ۵XX، این عنصر استحکام آلياژ را افزایش می دهد، ولی در این آلیاژها هم درصد اندکی سیلیسیم حضور دارد که در ترکیب با منیزیم استحکام را بالا می برد. منیزیم در ترکیب با سایر عناصر موجود در خانواده ۵XX باز هم استحکام را بیشتر افزایش می دهد.

آلیاژهای آلومینیم منیزیم ۵۱۵ تا ۵۱۸ مخصوص ریخته گری به روش دایکست هستند، همچنان که آلیاژهای “۵۹-Magsimal” شرکت Rheinfelden Aluminum آلمان، “۵۹ Maxxlloy” شرکت SAG اتریش و “۱۱ Aural” شرکت Alcan برای این منظور توسعه داده شده اند.

استحکام آلياژ دوتایی آلومینیم- منیزیم معمولاً با عملیات حرارتی بهبود پیدا نمی کند، اما این آلیاژها در حالت ریخته گری شده (as cast) و در دمای اتاق، پس از پیرسختی طبیعی، از استحکام و چکش خواری (ductility) بالایی برخوردار می گردند. قابلیت ریخته گری آلیاژهای آلومینیم- منیزیم ضعیف است (سبب بروز خوردگی در اجزای قالب می شوند، به دلیل کم بودن درصد سیلیسیم سیالیت پایینی دارند و تمایل به شکنندگی داغ در آن ها زیاد است).

مقاومت به خوردگی آن ها عالی است و با آندایز کردن به رنگ طبیعی آلومینیم در می آیند. قابلیت ماشینکاری این آلیاژها هم عالی است. بیشترین استحکام ناشی از حضور منیزیم نه در آلیاژهای سری ۵XX، که در الياژهای سری ۳XX، پس از ترکیب با سیلیسیم و تشکیل فاز Mg₂Si و یا در آلیاژهای سری ۲XX و  ۳XX، در اثر ترکیب با مس و تشکیل فاز Al₂CuMg  (که امکان رسوب سختی را فراهم می کند) به دست می آید.

 

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

 

ادامه این نوشته را می توانید از لینک زیر در عصر مواد بخوانید:

اثر عناصر آلیاژی در آلومینیوم ریختگی – قسمت دوم