سیستم راهگاهی و تغذیه‌گذاری آلیاژ های آلومینیوم...

ساختمان ریختگ‍ی آلیاژهای Al دقیقاً به کلیه اعمال اساسی و کیفی در جریان ذوب و ریخته‌گری  Al و انجماد آن بستگی داردکه بخصوص در مورد آلیاژ های نوردی و آلیاژهایی که عملیات حرارتی معینی را پذیرا می‌شوند، مختصات نهایی و خواص عمومی آلیاژها به ساختمان قطعه پس از انجام عملیات بعدی نیز وابستگی شدید دارد.

بدیهی است ساختمان کریستالی ریز و یکنواخت، خواص مکانیکی مطلوب‌تر و اشکالات کمتری را ایجاد می‌نماید و در این میان تاثیر سرعت سرد کردن از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در قطعات ریختگ‍ی با مقاطع یکنواخت تحت درجه حرارت بارریزی ثابت، شبکه کریستالی در قالب های ماسه ای، فلزی و تحت فشار به ترتیب ریزتر و یکنواخت‌تر می‌گردد. قطعاتی که مقاطع یکنواختی ندارند، با ایجاد مبرد در ماسه و تغییر سرعت سرد کردن در مقاطع مختلف به شبکه یکنواخت دست می یابند که نهایتاً زمان انجماد در تمام مقاطع یکسان می گردد و در این حالت، استفاده از منابع تغذیه برای جلوگیری از شکستگی های گرم و رفع کسری‌های ناشی از انقباض مورد توجه قرار می‌گیرد.

تعداد کانال های فرعی در توزیع یکنواخت حرارت، عامل بسیار مهمی است و از این رو استفاده از چند کانال فرعی در انجماد یکنواخت آلیاژ تاثیر خوبی دارد.

از آنجا که فاصله انجماد، شدیداً تحت تاثیر نوع آلیاژ می‌باشد، برای حذف مشکلات مربوط به فاصله انجماد زیاد و نوع انجماد خمیری، حتی‌المقدور بایستی قطر متوسط قطعه یا شمش را کاهش داد و در عین حال نیز از عوارض ناشی از سگرگاسیون ترکیبات بین فلزی در حد امکان جلوگیری نمود. از طرف دیگر ابعاد کوچکتر شمش باعث تقلیل تخلخل و حباب های ناشی از وجود گاز هیدروژن در قطعه می‌گردد که این امر نیز ناشی از افزایش سرعت سرد کردن است.

مشخصات قالب:

آلیاژهای Al با کلیه روش‌های مختلف ریخته‌گری (در ماسه، در گچ، پوسته‌ای و در سرامیک)و در قالب های فلزی و تحت فشار قابلیت ریخته‌گری دارند. تمام آلیاژهای صنعتی و تجارتی این عنصر بایکی از طرق فوق تولید می‌گردد که از آن میان، ریخته‌گری در ماسه، در قالب های فلزی و تحت فشار از گسترش بیشتری برخوردار است. به دلیل نقطه ذوب و وزن مخصوص کم این آلیاژها، قالب های مورد استفاده کمتر تحت تاثیر واکنشهای حرارتی و هیدروستاتیکی مذاب قرارمی گیرند و از این رو سطح ریختگ‍ی و دقت ابعادی آن از کیفیت بهتری نسبت به سایر آلیاژهای سنگین و آهنی برخودار است. لازم به تذکر است که روش ریختگ‍ی و کنترل شرایط ریختگ‍ی در خواص مکانیکی محصول نهایی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و فقط ترکیب شیمیایی آلیاژ نمی‌تواند خواص مکانیکی و فیزیکی را تعیین کند.

نکته حائز اهمیت در ریخته‌گری با قالب‌های ماسه‌ای آن است که وزن مخصوص کم آلیاژهای Al و کاهش نیروهای هیدروستاتیکی و شرایط تسهیلی خروج گازها از محفظه قالب باعث می‌شود که مقاومت در حالت تر ماسه کم شود. جهت تقلیل تولید گاز و همچنین استحکام کم قالب، رطوبت از 5% تجاوز نمی کند و در غیر این صورت بخار ناشی از فعل و انفعالات رطوبت قالب و مذاب باعث ایجاد تخلخل بخصوص در پوسته خارجی و قسمتهای نزدیک به پوسته می‌گردد. برای ایجاد قابلیت نفوذ در ماسه و استحکام سطح آزاد ماسه (در قطعات بزرگ)معمولاً مواد سلولزی و خاک اره به ماسه می‌افزایند. در شرایط عمومی، قالب‌های ماسه از«ماسه سوزی» و فعل و انفعالات شدید مذاب و قالب برکنار می باشند و به همین دلیل در این قالب‌ها هیچ گونه مواد پوششی(Coatings)بکار نمی رود.

ایجاد سرعت انجماد و تشکیل انجماد پوسته‌ای، می‌تواند به مقدار زیادی از فعل و انفعالات قالب و فلز مذاب جلوگیری کند و در نتیجه در اغلب کارگاهها با افزایش رطوبت ماسه به میزان ٨%، جهت انجماد و انجماد پوسته ای را تسهیل می کنند. با توجه به توضیحات فوق، ریخته‌گری در ماسه خشک در صنایع ریخته‌گری Al از اهمیت کمتری برخوردار است و فقط در مورد قطعات بزرگ بکار می‌رود.

سیستم راهگاهی:

 ایجاد سیستم راهگاهی و تغذیه‌گذاری در ریخته‌گری Al از دیر باز به عنوان عامل موثر در ایجاد قطعه سالم شناخته شده است. قابلیت اکسیداسیون و جذب گاز در شرایط مختلف، حرکت مذاب و تلاطم آن را تشدید می‌کند و بخصوص فعل و انفعالات ناشی از مواد قالب در سطح قطعه ریختگ‍ی، تولید تخلخل (Porosity)می‌نماید و همچنین دخول گازهای ناشی از تلاطم مذاب باعث پرشدن قالب و ایجاد محفظه های هوا در سطح قطعه می گردد. لذا، ایجاد سیستم راهگاهی مطلوب در حذف تلاطم مذاب و ایجاد حرکت آرام و یکنواخت مذاب در پر کردن قالب و نصب سیستم تغذیه گذاری صحیح در جهت حذف انقباضات متمرکز و پراکنده در قطعه ریختگ‍ی الزامی است.

چنانچه مذاب مستقیماً به دهانه راهگاه ریخته شود، سرعت خطی آن افزایش می یابد و در نتیجه تلاطم مذاب و حرکت گردابی آن تشدید می‌گردد و باعث دخول گاز، تخریب و دخول مواد قالب واکسید های فراوان به قطعه ریختگ‍ی خواهد شد، از این رو ساختن حوضچه بالای راهگاه به صورت‌های مختلف قیفی ویا مکعبی الزامیست. در مورد قطعات ریختگ‍ی با کیفیت بسیار خوب، حوضچه بالایی می‌تواند همراه با مانع و فیلترهای مشبک بکار رود. در ریخته‌گری آلیاژهای Al، طویل نمودن حوضچه ویا سایر اجزاء سیستم راهگاهی در جهت حذف تلاطم مذاب در حد امکان، توصیه می شود.

سیستم تغذیه گذاری:

 اصولاً سیستم تغذیه‌گذاری برای تصحیح انجماد Al و برای حل دو مسئله اساسی بکار می‌رود:

الف)جلوگیری از انقباضات بزرگ: محفظه های انقباضی وکشیدگی تغذیه که معمولاً در قسمتهای ضخیم قطعه پدید می‌آید. ب)جلوگیری از انقباضات میکروسکوپی و پراکنده: که بخصوص هسته های مناسبی برای رشد گازهای مولکولی هستند.

Al و آلیاژهای آن، انقباض حجمی زیادی در فاصله انجماد دارند و از اینرو در مقایسه با سایر آلیاژها به تعداد تغذیه‌های بیشتر و بزرگتری نیاز دارند و بالطبع راندمان ریختگ‍ی قطعات Al پایین تر از سایر آلیاژها و برحسب وزن قطعه برابر 45-25 درصد معمولی است. در مورد اندازه منبع تغذیه هنوز مطالعات زیادی در حال انجام است ولی طبیعتاً بایستی اندازه تغذیه به گونه‌ای باشد که مذاب درون آن زمان بیشتری را طی کند و همچنین اصول جهت انجماد از قسمت های دیگر به منبع تغذیه کاملاً رعایت شود.

با وجود آنکه به سهولت و با محاسبات ساده، جبران کمبودهای ناشی از انقباض در فاز جامد، در مورد انقباضات متمرکز امکان‌پذیر می‌باشد، حذف انقباضات پراکنده، به دلیل دامنه انجماد طولانی آلیاژهای Al و انجماد خمیری آنان دشوار  و گاه غیرممکن است. تعقیب شیب حرارتی از قسمت‌های مختلف قالب و استفاده از مبرد و ایجاد جهت انجماد اکیداً توصیه می‌شود ولی حذف کامل این انقباضات به دلیل انجماد خمیری و همچنین در اثر وجود گاز های حل شده در مذاب بطور کلی امکان‌پذیر نیست.

در رابطه با انتخاب محل تغذیه، در آلیاژهای Al کمتر از تغذیه اتمسفری استفاده می‌شود و تغذیه های فوقانی که ماکزیمم نیروهای متالواستاتیکی را در قسمتهای تحتانی مذاب ایجاد می‌کنند، استفاده زیادی دارند. در این مواقع به محل اتصال تغذیه توجه می‌شود. نکات حائز اهمیت در انجماد اتصالات، بایستی مراعات شود؛ چون در غیر این صورت همیشه در سطح فوقانی قطعه ریختگ‍ی، انقباضات و شکستگی‌های گرم و سرد پدیدار می‌گردد.

بررسی فرایند تصفیه در مذاب Al :

تصفیه فلز مایع به یکی از فرایندهای ضروری در تولید فلزات خالصتر تبدیل شده است. این موضوع خصوصاً در صنعت آلومینیم که با افزایش تقاضا برای کیفیت بالای محصولات روبرو است، صادق است. تصفیه آلومینیم به عنوان آخرین تکنیک خالص‌سازی مورد استفاده قبل از ریخته‌گری فلز بسیار گسترش یافته است وضرورت تحقیقات بیشتر بر روی این فرایند احساس می‌شود. خارج کردن ناخالصی‌های جامد سیالیت فلز را بهبود می‌بخشد و در نتیجه قابلیت ریختگ‍ی را زیاد می‌کند. بعلاوه، ساختار بدست آمده منجر به خواص مکانیکی مطلوب می‌شود، مثلاً استحکام و انعطاف‌پذیری افزایش و قابلیت شکلپذیری و ماشینکاری بهبود می‌یابد، همچنین فلز بدون ناخالصی ساییدگی ابزار را کم می‌کند؛ اما فرایند تصفیه، فرایندی ناپایدار است یعنی با زمان تغییر می‌کند. این موضوع به دلیل آن است که ذرات گیر افتاده درون فیلتر، خواص فیلتر را تغییر می‌دهند و به اصطلاح" پیری فیلتر" رخ می‌دهد. پژوهش‌‌های بسیاری بر روی پیری فیلتر و همچنین تغییرات بازده تصفیه و افت فشار در هنگام رسوب ذرات درون فیلتر‌های سرامیکی مشبک مورد استفاده در تصفیه مذاب آلومینیم، انجام شده است. در مطالعات گرفته به این نتیجه رسیده‌اند که از زمانی که ذرات درون فیلتر وارد می شوند، پیری فیلتر آغاز می‌شود و ساختار درونی فیلتر در نتیجه تجمع پیوسته ذرات گیرافتاده، تغییر می‌کند. در طی این فرایند، متغیر‌هایی چون تخلخل فیلتر، قطر معادل شبکه فیلتر یا سطح مخصوص نیز با زمان تغییر می‌کنند. بسته به چگونگی انباشتگی ذرات، تاثیر آنها متفاوت است. اگر ذرات بصورت یکنواخت در بافت فیلتر رسوب کنند، باعث افزایش قطر شبکه و اثر منفی بر بازده تصفیه می‌شوند؛ اما اگر ذرات بصورت دندریتی و خوشه‌ای تجمع یابند، اثر مطلوبی بر بازده تصفیه خواهند گذاشت زیرا خوشه‌های دندریتی بعنوان بافت‌های فیلتر جدید با قطری کمتر از قطر شبکه در حالت قبل عمل می‌کنند. می‌دانیم که سه مدل برای رسوب ذرات ناخالصی بر بافت فیلتر وجود دارد: مدل پوشش صاف، مدل دندریتی و مدل صرفاً تغییر تخلخل. مشاهداتی که روی فیلتر‌های مصرف شده در تصفیه آلومینیم صورت گرفته، نشان می‌دهد که ذرات بصورت توده درون فیلتر گیرافتاده‌اند و بیانگر آن است که مدل "صرفاً تغییر تخلخل" برای توصیف فرایند ‌هایی که درون فیلتر حین عمل تصفیه مذاب آلومینیم رخ می‌دهد، مناسبتر است. نتایجی که بر پایه مدل صرفاً تغییر تخلخل بدست می‌آید، بیانگر آن است که گرادیان‌های فشار از دهانه ورودی تا خروجی فیلتر تغییر می‌کنند و بیشترین گرادیان در دهانه ورودی فیلتر وجود دارد. در همه شرایط، گرادیان فشار با گذشت زمان و با افزایش غلظت ذرات ورودی، زیاد می‌شود. نرخ این تغییرات از ورودی تا خروجی کاهش می‌یابد؛ البته تغییرات فوق برای دوساعت تصفیه و غلظت ذرات کمتر از 1ppmبسیار ناچیز و اندک است؛ اما هنگامی که غلظت ذرات به 10ppm می‌رسد، این تغییرات محسوس می‌شود.

نکته قابل توجه دیگر در حرکت مذاب، عدم تلاطم و جریان آرام سیال، حین پر کردن قالب است. با توجه به آنکه داشتن اطلاعات مربوط به خواص سیلانی مذاب و علی الخصوص افت فشار مذاب در سیستم فیلتر، جهت پیش بینی رفتار مذاب و سرعت خروجی مذاب از سیستم فیلتر مفید می‌باشد،تاثیر فیلتر در کاهش نرخ جریان و چگونگی حضور فیلتر در داخل سیستم راهگاهی سوال برانگیز بوده است. در بخشی از تحقیقاتی که توسط آقای دکتر حبیب‌اله‌زاده و پروفسور جان کمپل انجام شده‌ است، چگونگی سیلان آلیاژهای Al_Si در داخل سیستم خاصی از فیلتر، شامل ورودی و خروجی مذاب، تله حباب‌گیر و فیلتر سرامیکی- اسفنجی با تخلخل 20ppi و با بکارگیری دستگاه فیلمبرداری با اشعه ایکس مطالعه گردیده است. عدد رینولدز بدست آمده در این پژوهش حدوداً صد برابر کمتر از عدد مورد نیاز برای حضور جریان آشفته بوده و حاکی از جریانی بسیار آرام و لایه‌ای در فیلتر می‌باشد. در خارج از فیلتر نیز، عدد رینولدز بدست آمده، دلالت بر حضور جریانی نسبتاً لایه‌ای دارد. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که: سیستم  فیلتر صحیح می‌تواند براحتی شدت جریان‌های متلاطم مذاب را تخفیف بخشد، و باعث افت فشار در جریان مذاب بدلیل تبرید و اصطکاک فیلتر ‌شود و در نتیجه میزان عیوب ریختگی را در قطعه کاهش دهد؛ اما باید به این نکته نیز توجه کرد که میزان افت فشار و کاهش شدت جریان باعث عیب نیامد در قطعه نشود.