آشنایی با روش های آلیاژسازی و خصوصیات آلومینیوم

آشنایی با روش های آلیاژسازی و خصوصیات آلومینیوم :
آلومینیوم دارای هدایت قابلیت هدایت حرارتی بالایی می باشد که بعد از نقره و مس بهترین هادی حرارتی شناخته می شود و دارای دانسیته ای در حدود 2.7 سانتی متر مکعب است . که به همین دلیل جزو آلیاژهای سبک محسوب می شود.این آلیاژ دارای مقاومت به خوردگی زیاد است که به علت ایجاد لایه پایدار اکسیدی متخلخل می باشد .

دارای نقطه ذوب پایین در حدود 670 درجه سانتیگراد است و قابلیت انجام عملیات حرارتی دارد اما عملیات حرارتی آن اج هاردینگ یا پیر سازی می باشد و دارای قابلیت انجام کار مکانیکی و تغییر فرم سرد و گرم می باشد . و این الیاژ را می توان در قالب های دائمی و یا فورج نیز استفاده کرد .
کاربرد آلومینیوم :
این آلیاژ به علت ویژگی های خاصی که دارد در بیشتر صنایع از جمله اتومبیل سازی غذاسازی ساختمان سازی بلوکه های سیلندر خودرو اسکلت سازی صنایع پتروشیمی و صنابع هوایی به کار می رود .
آلیاژ های آلومینیوم :
به طور کلی آلیاژ های آلومینیوم به دو دسته کلی تقسیم می شود :
1- آلیاژ های نوردی
2- آلیاژ های ریختگی
نکته : آلومینیم به علت داشتن ساختار FCC و تراکم زیاد در ساختار شبکه بلوری اش فرم کاری خوبی در درجه حرارت محیط دارد .
1) آلیاژ های نوردی :
در آلیاژ های نوردی ابتدا آلیاژ به شکل شمش ریخته شده سپس با توجه به شرایط تولید هر یک از فرآیند های کار سرد شامل : نورد ، فورج ، سوراخ کاری برش و …. روی قطعه انجام می شود .
روش های تولید شمش های نوردی :
معمولا دو روش برای تهیه شمش نوردی استفاده می شود :
 روش مداوم (countinus)
 روش نیمه مداوم و یا تکباری (non countinus)
 روش مداوم :
این روش که از سرعت تولید بالایی برخوردار است که به این صورت می باشد که ذوب ریزی به صورت مداوم ادامه پیدا می کند .
به این صورت که محفظه ای از فولاد گرم که در زیر پاتیل مذاب قرار دارد مذاب را به صورت دائم دریافت می نماید ، مذاب پس از رها شدن از پاتیل وارد محفظه شده و در مرحله اول آب گرد هایی که در قسمت بالای محفظه قرار دارند مذاب را به مرحله خمیری می رساند در مرحله بعد مذاب به مرحله آب فشان رسیده و به طور کامل منجمد می شود و در پایان تیغه ای که در انتهای محفظه قرار دارد فلز را برش زده و بر روی صفحه نقاله می اندازد .
 روش تکباری :
این روش که در کارخانه ها و به وسیله قالب های ماسه ای انجام می شود به این صورت است که ابتدا کوره را به مقدار معینی شارژ کرده سپس شارژ آماده شده را در قالب های مورد نظر می ریزند .
تهیه آلیاژ های ریخته گی ( فرآیند شکل ریزی) : هدف تولید :
 تولید شکل نهایی قطعه به صورت مذاب ریزی مستقیم
 انواع مواد شارژ جهت ریخته گری آلیاژ های آلومینیوم
1) شمش اولیه :
این شمش معمولا در کارخانه های ریخته گری تولید می شود و از درصد خلوص بالایی درحدود 99.9% برخوردار است که معمولا به صورت پوکه های مستطیل شکل با وزن 15 الی 20 کیلو گرم تهیه می شوند . که جهت آلیاژ سازی آن ها از شمش های منیزیم ، روی ، سیلیسیم استفاده می شود که معمولا از شمش های منیزیم و سیلیسیم درمواقعی استفاده می شود که بخواهیم درصد کمی منیزیم و سیلیسیم به مذاب اضافه کنیم در غیر این صورت از آلیاژ ساز ها یا هاردنر ها (hardner) استفاده می کنیم
2) شمش های ثانویه:
این شمش ها معمولا از ذوب مجدد قراضه های و برگشتی ها تولیدمی شود و با توجه به اینکه عملیات تصفیه و تمیز کاری روی این شمش ها انجام می شود از لحاظ قیمت گرانتر از شمش های اولیه می باشد اما دارای درصد خلوص و کیفیت بالاتری نسبت به شمش های اولیه می باشد .
3) قراضه ها:
که قیمت مناسبی داشته ولی قبل از استفاده باید عملیات تمیز کاری بر روی آن ها انجام شود.
4) برگشتی ها :
این شمش ها انواع قطعات معیوب سیستم راهگاهی را شامل می شود که به جهت شارژ مجدد در ریخته گری استفاده می شود .
5) آلیاژ ساز ها و یا هاردنر ها ( آمیژن ها):
این گروه از آلیاژ ساز ها هنگامی استفاده می شود که قرار باشد عناصری را با نقطه ذوب بالاتر یا نقطه ذوب پایین تر به مذاب اضافه کنیم به عنوان مثال اضافه کردن مس با نقطه ذوب 1080 درجه سانتیگراد به مذاب آلومینیم که این عمل باید به صورت آمیژن انجام شود . یا اضافه کردن روی با نقطه ذوب 420 درجه سانتیگراد به مذاب آلومینیم که باید به صورت آمیژن انجام شود .
 به آمیژن آلومینیم سیلیسیم ( سیلومین)گفته می شود.
 آمیژن در این بخش به معنی عنصری است که با آلومینیم آلیاژ سازی شده است . مانند آمیژن مس
فلزاتی که دارای نقطه ذوب پایین هستند به علت فشار بخار زیاد در ریخته گری آلومینیم اگر به صورت خالص به مذاب اضافه شوند باعث پاشش مذاب می شوند .
انواع روش های تولید هاردنر ها :
روش اول : در این روش ابتدا مذاب آلومینیم را تهیه نموده سپس فلز مورد نظر را به صورت قطعات ریز و کوچک در داخل فویل های آلومینیمی قرار می دهیم و آرام و آرام به مذاب آلومینیم اضافه می کنیم.
روش دوم : آلومینیم و فلز مورد نظر را به صورت جداگانه ذوب کرده و سپس فلز با نقطه ذوب بالا را به صورت باریکه مذاب به مذاب آلومینیم اضافه کرده و هم می زنیم . مثال : اگر بخواهیم آلیاژی از آلومینیم بسازیم که دارای ترکیب 5% سیلیسیم – 0.4 % منیزیم و 1/2 % مس و بقیه نیز آلومینیوم باشد .
1- آمیژن سیلومین با 13 درصد سیلیسیم
2- آمیژن منیزیم با 10 درصد منیزیم
3- آمیژن مس با 50 درصد مس
انواع کوره های ذوب آلومینیوم :
1- کوره های زمینی
2- کوره های شعله ای و یا روربر
3- کوره الکتریکی که این کوره ها خود به دو دسته کوره های مقاومتی وکوره های القایی تقسیم می شوند.
مزیت های کوره های مقاومتی :
این کوره های از نظر اقتصادی هزینه سرمایه گذاری کمتری نسبت به کوره القایی می خواهد و باعث ایجاد مذابی یکنواخت می گردد
1- کوره های زمینی :
در کوره های زمینی بوته به شکل ثابت و یا متحرک استفاده می شود و معمولا جنس بوته در این کوره ها از گرافیت و یا کاربید سیلیسیم می باشد
2- کوره های شعله ای :
در این کوره ها شعله به صورت مستقیم با مواد شارژ برخورد می نماید این کوره ها معمولا به شکل اتاقک های مکعب مستطیل می باشد و معمولا در این کوره ها از سوخت های گازوئیل ، مازوت و یا گاز استفاده می شود . راندمان این کوره ها پایین بوده و ذوب فلز به صورت تششع شعله انجام می شود تناژ این کوره ها بسیار بالا می باشد و معمولا ظرفیت شارژ این کوره ها حداکثر تا 20 تن می باشد
این کوره ها معمولا به دو صورت دیده می شود
الف: نوع اول آن که بدون پیش گرم بوده و مواد شارژ به صورت مستقیم و سرد وارد کوره می شود .
ب: نوع دوم آن کوره هایی با پیش گرم شارژ بوده که در این روش مواد شارژ در قسمت بالای کوره قرار می گیرند و تحت تاثیر دمای کوره پیش گرم می شوند در این کوره های معمولا راندمان بیشتر بوده و تلفات حرارتی کمتر می باشد
3- کوره های الکتریکی :
این کوره ها معمولا در دو نوع مقاومتی و القایی می باشد
الف : کوره های مقاومتی :
این کوره ها از المنت های فنری تشکیل شده است که در جداره کوره قرار دارند و که برای گرم کردن جداره کوره استفاده می شود که حداکثر دمای این المنت ها 1200 درجه می باشد که با توجه به دمای ذوب آلومینیم که حداکثر 820 درجه سانتیگراد است لذا عملا نیازی به درجه حرارت های بالا و زیاد در ذوب نیست.
ب: کوره های القایی :
معمولا این کوره ها از نظر کیفیت ذوب به علت تماس نداشتن مذاب با عوامل احتراق مناسب می باشند و برای آلیاژ سازی مناسب هستند . در این کوره ها ترکیب شیمیایی مذاب یکنواخت تر بوده و سطح سرباره خوبی در ذوب ریزی ندارند . کنترل درجه حرارت ، کنترل ترکیب شیمیایی مذاب ، یکنواختی ترکیب شیمیایی و انحلال گاز کمتر همگی باعث افزایش کفیت مذاب در این کوره ها شده است .
در بیشتر فرآیندهاى استخراجى الکتریسیته نقش بسزایى دارد، مانند: فرآیند هال- هرول قرن 19 که گام مؤثرى در استفاده از نیروى برق براى تولید فلز مى باشد. در انگلستان همفرى دیوى طى سالهاى 1808- 1813 براى استخراج این فلز(آلومینیوم) از ترکیبات آن کوشید ولى تنها آلیاژى از آلومنیوم، آهن به دست آورد. کوششهاى بعدى او در این مورد نیز نتیجه اى نبخشید. دیوى عنصرى را که سعى مى کرد از اکسید آلومینیوم (که درآن زمان هم “آلومینا” نامیده مى شد) به دست آورد آلومینیوم نامید. که این نام اخیر هنوز در آمریکا مصطلح است، ولى در کشورهاى انگلیسى زبان و در اروپا آلومینیم را به کار مى برند. در سال 1825 فیزیکدان دانمارکى هانس کریستین اورستد روش دیگرى براى استخراج را آزمایش کرد، حبه هاى کوچکى از فلز را که احتمالأ حاوى آلومینیم ناخالص بود به دست آورد. اورستد را باید راهگشاى واقعى دستیابى به آلومینیوم محسوب کرد. فریدریش وهلر آلمانى با الهام از روش اورستد و به کارگیرى آن در تحقیقات بیشتر موفق شد تا به سال 1837 آلومینیوم را به صورت ورقه هاى نازک تولید کند. در همان سال او خواص شیمیایى این فلز را براى اولین بار گزارش کرد.وهلر به سال 1835و پس از اصلاح روش خود توانست مقادیر کمى آلومینیم را به صورت ذرات سوزنى شکل تولید کند، که براى اولین بار از آنها براى تعیین خواص فیزیکى این فلز استفاده کرد. هانرى سن کلردوویل فرانسوى بر اساس نتایجى که وهلر به دست آورده بود موفق به حذف موانع بیشترى شد و روش دیگرى که از نظر فنى براى استخراج آلومینیوم عملى بود به دست آورد. اولین قطعه آلومینیم تولید شده به این روش، خلوصى بین 96 تا 97 درصد داشت و در سال 1855 در نمایشگاه بین المللى پاریس به نمایش گذاشته شد. در آن زمان هنوز آلومینیم را به عنوان فلزى کمیاب، بسیار گران مى شناختند که نمى توانستند قیمتى براى آن تعیین کنند چون هنوز فقط چند کیلوگرم از آن را در دست داشتند. گفته مى شود که در قصر ناپلئون سوم فقط براى او، ملکه، میهمانان ویژه، اعضاى خاندان سلطنتى از ظروف آلومینیمى استفاده مى شد و براى سایر میهمانان از ظروف طلا استفاده مى کردند. در سال 1886 پل. هرولت فرانسوى، چارلز مارتین هال آمریکایى همزمان، مستقل از هم توانستند از طریق تجزیه الکترولیتى اکسید آلومینیم حل شده در مذاب کریولیت این فلز را تولید کنند. در آن زمان، تهیه انرژى الکتریکى لازم براى الکترولیز دیگر مشکلى نبود، زیرا در سال 1866 ورنرفون زیمنس آلمانى دینام ژنراتور را اختراع کرده بود. امروزه در کلیه فرآیندهاى تولید آلومینیم در سراسر دنیا همچنان بر اساس اصول کلى کشف شده توسط هرولت و هال عمل مى شود و بنابراین مى توان گفت سال1886، سال آغاز تولید صنعتى آلومینیم است. در آن زمان، قبل از این که بتوان عمل استخراج فلز را در مقیاس بزرگ آغاز کرد یک مشکل دیگر به وضوح به چشم مى خورد و آن تولید ماده اولیه یعنى اکسید آلومینیم از سنگ معدن بوکسیت در مقیاس زیاد بود. بایر اتریشى در سال1893 با حل کردن بوکسیت در سود سوزآور براى تهیه اکسید از بوکسیت فرآیندى مقرون به صرفه به دست آورد.
1) کنترل ترکیب شیمیایی
2) گاز زدایی
3) اکسیژن زدایی
4) تصفیه
5) تلقیح و جوانه زایی
مرحله اول کنترل ترکیب شیمیایی :
از آن جایی که مواد شارژ در ذوب شامل قراضه ها و برگشتی ها می باشند به همین دلیل پس از تهیه مذاب آلومینیم بایستی درصد عناصر در آلومینیم مشخص شود برای انجام این عملیات ابتدا مذاب را داخل قالب پولکی ریخته و نمونه برداری می کنند سپس توسط دستگاه آنالیز در صد عناصر مشخص می شود پس از مشخص شدن درصد عناصر میزان کمبود و یا ازدیاد عناصر آلیاژی را مشخص می کنند . و درجه حرارت را تصحیح می کنیم . عمده ناخالصی های موجود در مذاب آلومینیم شامل سدیم کلسیم آهن – سیلیسیم – منیزیم و تیتانیم است.
1) منیزیم – سیلیسیم – آهن سه عنصر اصلی با درصد بالا در آلومینیم هستند جهت حذف منیزیم از مذاب آلومینیم از دو روش استفاده می شود.
2) افزایش درجه حرارت مذاب و نگهداری مذاب در درجه حرارت های بالا به جهت آن که منیزیم در این درجه حرارت تبخیر شود . نکته :که این روش امروزه به علت افزایش تلفات آلومینیم در سرباره کمتر استفاده می شود.
3) اضافه کردن ترکیبات کلر مانند نمک و یا دمش گاز کلر که نمک های استفاده شده در این روش شامل Na Cl یا نمک طعام و CaCl2 می باشد. نکته : جهت حذف سیلیسیم و آهن از روش الکترولیز استفاده می شود و همچنین جهت حذف عناصری چون کادمیوم ، بیسموت ، سرب نیز با اضافه کردن سدیم و کلیسیم این عناصر وارد سرباره شده و از مذاب حذف می شود.
مرحله دوم گاز زدایی : آلومینیم دارای قابلیت انحلال گاز هیدروژن می باشد و قابلیت انحلال اکسیژن در آلومینیم نیز وجوددارد و مجموعا این گاز ها موجب افزایش مک و حفرات گازی در قطعات آلومینیم می شوند.
 درصد انحلال هیدروژن در آلومینیم بیشتراز اکسیژن در آلومینیم می باشند.
روش های گاز زدایی :
1- ذوب در خلا : در این روش فشار اتمسفر را در روی سطح مذاب کاهش داده که این امر باعث می شود که گاز های حل شده در مذاب به علت اختلاف فشار بین سطوح بیرونی مذاب و داخلی مذاب از مذاب خارج شوند که در صنعت ریخته گری این روش بهترین روش برای گاززدایی به شمار می رود اما به علت نیاز به تجهیزات گران قیمت کمتر استفاده می شود و عموما بیشتر از دگازور ها و گاززدا ها استفاده می شود
2- استفاده از دگازور : که این مواد شامل ترکیبات کلر بوده که این ترکیبات می توانند هیدروژن را از محیط مذاب خارج کنند که معمولا ترکیبات مانند هگزاکلر متان می باشد.
تیتانیم معمولا به صورت ناخالصی در آلومینیم وجود دارد . Ti+C— TiC (rosob) هگزا کلر متان با هیدروژن واکنش ایجاد کرده و ایجاد گاز HCl می نماید که این گاز به علت سبکی خود را به سمت بالامی کشد و از مذاب آلومینیم خارج می شود. با توجه به فرمول بالا کربن باقی مانده با تیتانیم موجود در مذاب ایجاد کاربید تیتانیم TiC می نماید که این ترکیب جهت جوانه زایی مذاب آلومینیم استفاده می شود.
3- استفاده از دمش گاز خنثی :
در این روش با افزایش فشار در داخل مذاب و ایجاد اختلاف فشار بین مذاب و محیط بیرون موجب خروج گاز های مضر از مذاب می شود .که گاز های خنثی برای مذاب آلومینیم شامل نیتروژن و آرگون می شود . مزیت های روش گاززدایی به صورت گاز خنثی : در این روش گاز نیتروژن پس از دمیده شدن در پایین پاتیل مذاب آلومینیم گاز خود را به سمت بالا کشیده و در حین بالا آمدن گازهایی چون هیدروژن را جذب خود می نماید و همچنین ناخالصی های موجود در مذاب را جذب خود کرده و وارد سرباره می نماید . نکته : به علت انحلال بالای هیدروژن در مذاب آلومینیم این مرحله یک مرحله خاص می باشد و از اهمیت زیادی برخوردار است.مرحله سوم اکسیژن زدایی و حذف ناخالصی های غیر فلزی : در اکسیژن زدایی عموما ازانواع فلاکس ها استفاده می شود . به طور کلی فلاکس ها ترکیباتی هستند که با به وجود آوردن فیلم نازکی بین مذاب و ناخالصی ها ، ناخالصی های مذاب را به سمت سرباره هدایت می کنند.
انواع فلاکس ها :
1- فلاکس های احیا کننده
2- فلاکس های گازی
3- فلاکس های جامد
4- فلاکس های پوششی
1- فلاکس های احیا کننده : با توجه به میل ترکیبی شدید آلومینیم با اکسیژن ، اکسیژن با آلومینیم وارد واکنش شده و ناخالصی های پایدار اکسید آلومینیم را به وجود می آورد .
سخت ترین مرحله خروج ناخالصی ها از مذاب خروج اکسید آلومینیم است که این امر به دلیل پایداری شدید اکسید آلومینیم می باشد فلاکس های احیا کننده جهت اکسیژن زدایی و احیا Al2O3 به کار می روند این فلاکس ها عبارتند از : کلسیم ، منیزیم ، بلریم ، لیتیم که به عنوان فلاکس های احیا کننده به کار می روند . منیزیم و کلسیم : این دو عنصر با آلومینیم تشکیل کمپلکس های ( MgO-Al2O3) و CaO-Al2O3) ) می دهند که این عناصر در حین احیا آلومینم مقداری از ترکیبات را به وسیله O3 ایجاد می کنند که خود این کمپلکس به عنوان ناخالصی در مذاب به حساب می آید و به عنوان عیب در مذاب محسوب می شود از این رو در صنعت بیشتر از عناصری مانند بلریم و لیتیم استفاده می کنند . بلریم: عنصر بلریم پس از احیا Al2O3 تشکیل یک لایه اکسیدی غیر متخلخل می دهد
3BeO+2AlAl2O3+3Beکه این عنصر یک اکسید غیر متخلخل می باشد و دارای دانسیته کمتری نسبت به مذاب آلومینیم می باشد لذا پس از احیا Al2O3 به صورت یک لایه پوششی در سطح مذاب قرار می گیرد و مانع اکسید شدن مجدد مذاب می شود . عموما بلریم به شکل هاردنر یا آمیژن با 1.5 % بلریم به مذاب آلومینیم اضافه می شود . و یا به شکل ترکیب BeF2 (فلورید بلریم) به مذاب اضافه می شود. لیتیم : این عنصر به عنوان یک فلاکس احیایی عمل می کند اما چون اکسید متخلخل به وجود می آورد لذا نقش فلاکس پوششی را ندارد به همین دلیل در صنعت بیشتر از بلریم به عنوان فلاکس احیا کننده استفاده می شود و عموما به صورت فلورید لیتیم (LiF) به مذاب اضافه می شود به طور کلی عناصر و یا فلزاتی به عنوان فلاکس احیا کننده به کار می روند که دارای چهار مشخصه زیر :
1- داشتن نقطه ذوب و تبخیر بالا نسبت به مذاب آلومینیم
2- وزن اتمی کم نسبت به مذاب آلومینیم
3- وزن مخصوص و دانسیته پایین نسبت به مذاب آلومینیم
4- قطر اتمی کوچک نسبت به مذاب آلومینیم
2- فلاکس های گازی : اساس کار فلاکس های گازی خروج مکانیکی ناخالصی ها است . در واقع حباب های گاز هنگامی از قسمت کف پاتیل به سمت بالا حرکت می کنند به علت جریان یک طرفه به سمت بالا ناخالصی ها را به خود جذب کرده و به سمت سرباره می آورند . اصولا این گاز ها شامل ترکیبات کلر می باشند که یا مستقیما در حالت گازی استفاده می شوند مانند :BcL3-Cl2 و یا ترکیباتی هستند که قادر به تبخیر و تبدیل شدن به گاز هستند . که عموما به شکل پودر و گاز به کف پاتیل اضافه می شوند مانند (C2Cl6) هگزا کلورور متان این ترکیبات ابتدا نقش هیدروژن زدا را ایفا می کنند . و تشکیل گاز HCl را می دهند این گاز در حین حرکت به سمت بالا به صورت مکانیکی ناخالصی ها را به سمت سرباره منتقل می کند . ترکیبات گاز زدا و فلاکس های گازی عموما از طریق لوله هایی از کف پاتیل به داخل مذاب دمیده می شوند و یا به شکل قرص در کف مذاب قرار می گیرند و پس از واکنش با مذاب تولید گاز می کنند . این قرص ها عبارتند از هگزاکلورید متان C2Cl6 –کلورید آمونیاک NH3Cl – کلرید آلومینیم AlCl3- کلرید منیزیم MgCl2- کلرید روی ZnCl2 به مذاب آلومینیم اضافه می شوند
3- فلاکس های جامد : ترکیباتی که به شکل فلاکس جامد هستند عموما ترکیبات فلورید می باشند عمده ترین این ترکیبات کریولیت AlF3-3NaF است این ترکیب در مذاب تجزیه شده و تشکیل AlF3 را می دهد و با حرکت به سمت بالا مواد شناور را از مذاب خارج می کند .فلورید سدیم (NaF)موجود نیز با اکسید آلومینیم واکنش می دهد و تولید ترکیبات کمپلکس را می دهد که مانع از چسبندگی ناخالصی ها به مذاب می شود .
4- فلاکس های پوششی : این فلاکس ها با مواد شارژ به صورت جامد در پاتیل قرار می گیرند . نکته قابل توجه این می باشد که این فلاکس ها دارای نقطه ذوب پایین تری نسبت به مذاب آلومینیم هستند و زود تر از آلومینیم ذوب می شوند . سپس با تشکیل فیلم ضخیمی در سطح مذاب از ورود گاز و اکسیژن به درون مذاب جلوگیری می کنندو به عنوان فلاکس پوششی مانع اکسید شدن مذاب می شوند. خواص این نوع فلاکس ها عبارتند از
1) از وزن مخصوص پایین ترین نسبت به مذاب برخوردارند.
2) دارای نقطه ذوب پایین تری نسبت به مذاب می باشند .
3) دارای نقطه تبخیر بالا نسبت به مذاب می باشند ترکیباتی که در این روش استفاده می شوند شامل نمک طعام NaC – فلورید سدیم NaF کلرید پتاسیم KCl – کلرید کلسیم CaCl2 می باشند.