چاپ

 

آزمابشات كنترل كيفي مداري ريخته گري Al

آزمایشات كنترل كيفي مذاب براي ريخته گري Al

 

اشتباهات و مشكلات در حين ذوب مي توانند تاثير جدي روي كيفيت مهول ريخته گري ايفا نمايند تاكنون به روشهاي كم و بيش موفقي براي مشخص كردن و اندازي گيري اين اشتباهات بكار گرفته مي شوند روشهايي مثل تست هيدروژن و آخال.

ولي امروزه به كمك روش آزمايش جرم حجمي در خلاء امكان مشخص كردن و اندازه گيري كيفيت مذاب به سادگي و با دقت بسيار بالا براي ريخته گران وجود دارد.

در اين مقاله سعي شده است چگونگي استفاده از اين روش را در حين انجام عمل ذوب به عمليات پاكسازي مذاب و حمل مذاب بيان شود.

همچنين روش آزمايشگاهي ديگري براي اندازه گيري ميزان اكسيد موجود در مذاب كه يكي از فاكتورهاي تاثير گذار بر كيفيت مذاب AC مي باشد در اين مقاله مطرح شده است.

منشاء عيوب در حين ذوب براي آلياژهاي AC

در صنعت ريخته گري اشتباهات متعددي بطور پيوسته رخ مي دهد كه منشا عيوب مختلفي در مذاب مي باشند كه مهمترين آن ها در ذيل آمده است.

1-    سرعت ذوب بسيار مهم:

ذوب شمش و مواد برگشتي AC با سرعت بسيار پائين و آهسته موجب پايداري يك نياز نيمه جامد براي يك زمان طولاني مي گردد. از بوجود آمدن و باقي ماندن فازهاي اكسيد AC و اكسيد عناصر آلياژي و در نتيجه تشكيل يك فاز اكسيد كمپلكس مي گردد.

2-    شارژر مداوم كوره توسط شمش ها و برگشتي هاي سرد بدون پيش گرم موجب ايجاد تبريد در مناطق مختلفي از مذاب مي گردد. اين موضوع سبب جدايش تركيبات بين فلزي از زمينه مي گردد يكي از تركيبات بين فلزي تركيبي شامل آهن و منگنز بصورت Alfemnsi مي باشد اين تركيب بين فلزي كه به صورت ناخالصي در ساختار ظاهر مي شود و داراي ساختار هگزاگونال بوده و سختي بسيار زيادي در حدود 800 تا 1000 ويكرز مي باشد از سوي ديگر لايه اكسيد موجود بر روي شمش ها و برگشتي هاي پيشگرم نشده درون مذاب باقي مي ماند. همچنين ميزان جذب هيدروژن افزايش مي يابد.

image00111

شکل 1

3-    مواد برگشتي و قراضه در ابعاد كوچك و قطعات ريز بصورت ورق هاي كوچك و پولك مانند سريعاً در شعله ذوب اكسيد مي شوند و سبب ايجاد پوسته هاي اكسيدي مي شوند پاكسازي مذاب از اكسيدهاي پوسته اي بسيار مشكل مي باشد. و تنها در صورتي مي توان اين مذاب را از اين اكسيدها پاك نمود كه بتوان اين پوسته اي اكسيدي را شكست و به ذرات كوچكتر تبديل نمود.

4-    اگر جداره نسوز كوره براي مذاب آلومينيوم مناسب نباشد با مذاب AC واكنش منجر به آلودگي مذاب به برخي از ناخالص ها مي شود و همچنين برخي از عناصر آلياژي در سطح نسوز مي سوزد بنابراين يكي از مهمترين مسائل براي انتخاب نسوز بي اثر بودن آن نسوز نسبت مذاب فلز مورد نظر مي باشد.

5-    هيچگونه تلاطم و به هم خوردگي نبايد در حين حمل و جابه جايي مذاب Al نبايد رخ دهد. جريان مذاب بايد داراي جريان خطي و بدون توقف باشد. بنابراين بايد به روشهاي مختلف مانند استفاده از لوله ها سقوط و ريختن مذاب بصورت آزادانه جلوگيري كرد. تلاطم مذاب موجب به دام افتادن و گرفتار شدن هوا و تشكيل مدوام لايه اكسيد درون مذاب مي گيرد. اين پديده در روش دايكاست به دليل انتقال مذاب از كوره ذوب به كوره نگهدارنده امكان بروز دارد.

6-    دماهاي بالاتر از 850 مي تواند علت آسيب رساندن و تخريب مذاب AC گردد در دماي بالا ميزان جذب گاز و اكسيدها شديداً افزايش مي يابد. همچنين كيفيت مذاب مي تواند در اثر انجام عمليات بهسازي و ريزدانه كردن غير صحيح آسيب بينند.

image00211

شکل 2

آزمايش هاي كيفيت مذاب

عيوب فوق الذكر اساساً موجب افت و كيفيت مذاب مي شوند. تاكنون فقط آزمايشات تست ميزان هيدروژن و تست آخال كه بصورت كمابيش موفق كيفيت كلي مذاب را ارئه مي كردند به هر حال تست دانسيته خلاء آسانتر و بسيار قابل اطمينان و موثق تر براي تعيين ميزان كيفيت مذاب AC مي باشد.

اندازه گيري كيفيت مذاب با استفاده از روش دانسيته خلاء

در اين آزمايش به حدود 80gr از مذاب را درون يك بوته با پوشش آهن ريخته و در شرايط خلاء حدوداً 80mbar قرار داده و زمان داده تا كاملاً منجمد شود. زمان لازم براي انجماد نمونه بستگي به نوع آلياژ داشته ولي بطور متوسط در حدود 6 دقيقه مي باشد. سپس نمونه منجمد شده را وزن مي كنند تا بتوانند دانسيته آن را تعيين كنند. اين مقدار دانسيته تكرار پذير بوده و معيار دقيقي از كيفيت مذاب ارائه مي كند.

ثابت شده است كه انجام آزمايش در فشار 80mbar ايده آل مي باشد در فشار كمتر نمونه بسيار حساس بوده و سريعاً واكنش مي دهند و در فشارهاي بيشتر بسيار كند عمل مي كنند.

طريقه فرآيند

طريقه استفاده از تست دانسيته تحت خلاء به شرح زير مي باشد:

-         مقداري مذاب با دماي (حداقل 120 درجه كلون بالاتر از خط ليكيدوس ) از مذابي كه سرباره آن گرفته شده برداشته و درون بوته مخصوص كه قبلاً پوشش آهن روي آن داده شده و تا دمايي در حدود 100ºc پيش گرم شده است مي ريزيم.(شکل 3)

image00311

شکل 3

-         درپوش محفظه خلاء را مي بنديم.

-         اجازه مي دهيم كه در خلاء80m bar نمونه منجمد شود.

-         وقتي كه نمونه كاملاً منجمد شد خلاء را قطع كرده و درپوش محفظه خلاء را باز مي كنيم.

-         بوته را توسط انبر درآورده و اجازه مي دهيم كه نمونه درون بوته به مدت 20 دقيقه مانده و خنك شود.

-         نمونه را از درون بوته خارج مي كنيم.

-         نمونه را درون آب كوئنچ مي كنيم.

-         مقدار دانسيته نمونه را حساب مي كنيم.

محاسبه مقدار دانسيته:

دانسيته نمونه توسط قانون ارشميدس اندازه گيري مي شود نمونه بصورت آزادانه در بالاي محفظه آب كه بر روي سيستم اندازه گيري وزن قرار دارد توسط يك نخ نايلوني آويزان مي شود و وزن آن اندازه گيري مي شود سپس وزن نمونه معلق در آب نيز اندازه گيري مي شود.

وزن نمونه اول بطور آزادانه اندازه گيري مي شود و يكبار بصورت معلق درون ظرف پر از آب اندازه گيري مي شود (مقدار حجم نمونه) نسبت وزن به حجم نمونه اندازه دانسيته را به ما مي دهد.

تاثير فشار بر روي ساختار نمونهG-Alsi 7 mg كه توسط استرانسيم اصلاح ساختار شده است در شكل 4 مشاهده مي شود.

نمونه اي كه تحت فشار اتمسفر منجمد شده است چگال تر از نمونه اي است كه تحت خلاء 80m bar منجمد شده است به صورتيكه نمونه اي كه تحت فشار اتمسفر منجمد شده است داراي چگالي 2/62g/cm3 و نمونه اي كه تحت خلاء 80m bar منجمد شده است داراي چگالي 2/35gr/ cm3 مي باشد.

اين 15% اختلاف در ميزان دانسيته براي دست يابي به يك ريخته گري نسبتاً دقيق و بي عيب، بسيار زياد و غيرقابل قبول مي باشد اين ميزان اختلاف نبايد بيشتر از 4% باشد.

نمونه هايي كه پس از انجماد تحت خلاء 80m bar داراي چگالي پايين تري مي باشند محصول مطلوبي را پس از ريخته گري به ما نمي دهند.

حداقل چگالي براي آلياژهاي متدوال به شرح زير مي باشند:

- آلياژهاي آلومينيوم سيليسيم 2/55g/cm3

- آلياژهاي آلومينيوم مس 2/65g/cm3

- آلياژهاي آلومينيوم-منيزيم 2/55g/cm3

- آلياژهاي آلومينيوم- روي- سيليسيوم 2/75g/cm3

- آلياژهاي آلومينيوم- روي- مس 2/65g/cm3

image00411

شکل 4

نتايج تست دانسيته خلاء

مثالهاي زير نشان دهنده دقت اين آزمون در بررسي كيفيت مذاب هاي آلومينيوم مي باشد: image00511

تصوير 5A نشان دهنده ارتباط چگالي نمونه G-AlSi7Mg منجمد شده تحت خلاء mbar80 (اصلاح شده توسط استرانسيوم و اصلاح نشده) با ميزان هيدروژن موجود در قطعه

تصوير 5A بيانگر موارد ذيل مي باشد:

براي هيدروژن موجود در مذاب مثلاً 0.16 ppm هيدروژن، نمونه اصلاح ساختار شده داراي چگالي كمتري در حدود 2/4g/cm3 نسبت به نمونه اصلاح نشده كه داراي چگالي در حدود 2/52 g/cm3 است مي باشد. به بيان ديگر براي دانسيته اي در حدود 2/55g/cm3 نمونه اصلاح ساختارنشده داراي ميزان هيدروژن محلول بيشتري در حدود 0.144 ppm نسبت به نمونه اصلاح شده مي باشد

(0.114 ppm)

تصوير 5b نشان دهنده ارتباط بين دانسيته نمونه هاي منجمد شده تحت فشار 80 mbar و ميزان درصد حفرات گازي موجود در نمونه هاي ريخته گري شده در قالب هاي فلزي و قالب هاي ماسه اي براي آلياژ GAlSi7Mg اصلاح ساختار شده توسط استرانسيوم. در مورد مقدار حفرات گازي، كاملاً وابسته به شرايط انجماد، از قبيل زمانهاي انجماد، گراديان دما مي باشد. هر يك از نمونه هاي آزمايش، نمودار مربوط به خود را دارند.

شکل 5

زمان انجماد نمونه ها به ترتيب 17و 88 و 92 ثانيه مي باشد. شكل 5b بيان مي كند كه: براي مقدار مشخصي از چگالي مثلاً 2/55g/cm3 درصد حجمي حفرات گازي براي نمونه منجمد شده در قالب را (17 ثانيه) حدوداً 0.1% نمونه منجمد شده در قالب را با سرعت انجماد 88 ثانيه 0.32% و نمونه منجمد شده در قالب ماسه اي با سرعت انجماد 92 ثانيه حدوداً 0.72% مي باشد.

براي مقدار مشخصي از درصد حجمي حفرات گازي مثلاً مقدار 0.3% نمونه منجمد شده با سرعت 17 ثانيه نيازم #1606;د دانسيته اي در حدود 2/37g/cm3 و نمونه منجمد شده با سرعت 88 ثانيه نيازمند دانسيته اي در حدود 2/55g/cm3 و نمونه 92 ثانيه اي داراي دانسيته اي در حدود 2/63g/cm3 مي باشد.

تصوير 5C: از يك طرف نشان مي دهد كه چگونه كيفيت مذاب به عمليات انجام شده بر روي مذاب بستگي داردو از طرف ديگر نشان مي دهد كه چگونه مي توان با استفاده از آزمون چگالي خلاء اين كيفيت را شبيه سازي و كنترل كرد. حدود 250 ppm فلز استرانسيوم به مذاب آلياژ

G-AlSi7Mg با چگالي 2/6 g/cm3 در دماي 780 درجه سانتيگراد اضافه مي شود. پس از اضافه شدن استرانسيوم كيفيت مذاب افت مي كند و چگالي مذاب تقريباً تا 2/35 g/cm3 كاهش مي يابد. ولي اگر به مذاب پس از اضافه شدن استرانسيوم كمي زمان بدهيم مجدداً كيفيت مذاب به طرز مطلوبي بهبود خواهد يافت. چگالي مذاب مجدداً افزايش يافته و به ميزان بهينه خود يعني

2/55 g/cm3 مي رسد.

شكل 5d بيانگر مثالي در مورد چگونگي استفاده از آزمون چگالي خلاء براي نشان دادن كيفيت مذاب G-AlSi7Mg مورد استفاده براي ساخت سرسيلندر در حين مراحل نگهداري و عمليات كيفي مذاب مي باشد.

به محض انتقال مذاب از كوره چرخشي به كوره ريخته گري مذاب داراي دانسيته اي در حدود 2/11 g/cm3 مي باشد. در حين عمليات تنظيم تركيب شيميايي كه حدوداً 150 دقيقه به طول مي انجامد دانسيته تا حدوداً 2/2 g/cm3 افزايش مي يابد. بعد از 60 دقيقه عمليات كيفي توسط كلر دانسيته افزايش يافته و تا حدود 2/48 g/cm3 مي رسد. نگهداري مذاب موجب افزايش بيشتر دانسيته و رسيدن آن تا 2/7 g/cm3 مي شود.

نمونه آزمون دانسيته خلاء نشان مي دهد كه چگونه انتقال ناصحيح مذاب موجب افت كيفيت مذاب مي گردد. آلياژ G-AlSi7Mg مورد استفاده براي سرسيلندر (2/65 g/cm3) به طور مستقيم و آزاد درون پاتيل يا ملاقه ريخته مي شود. ارتفاعي كه از آن مذاب ه درون پاتيل ريخته مي شود حدوداً 1/2 متر مي باشد. به دليل اين به هم خوردگي مذاب و اغتشاش ايجاد شده دانسيته مذاب درون پاتيل به 2/43 g/cm3 مي رسد. ولي اگر براي ريختن مذاب به درون پاتيل از يك سيستم طراحي شده براي حذف به هم خوردگي مذاب استفاده شود مثلاً‌با استفاده از لوله و كجراي مخصوص انتقال مذاب، كيفيت مذاب بهبود مي يابد و دانسيته آن به حدوداً 2/55 g/cm3 مي رسد.

فيلتر فشار آزمايشگاهي

مقادير نمونه هاي دانسيته خلاء توسط ميزان هيدروژن و اكسيدهاي موجود در مذاب مشخص مي شوند. به طور كلي هيدروژن و اكسيدهاي موجود، عامل اصلي و تعيين كننده بر روي نتايج تست دانسيته خلاء مي باشد.

اكسيدهاي موجود در آلومينيوم به سه دسته كلي تقسيم مي شوند:

1- اكسيدهاي فشرده

2- اكسيدهاي ورقه اي شكل

3- اكسيدهاي پوسته اي

image00611

شکل 6

دو نوع اكسيد اول نسبتاً راحت تر از مذاب خارج مي شوند. اين اكسيدها مي توانند به طرز قابل قبولي از درون مذاب حذف شوند به وسيله فلاكسهاي احيا كننده اي كه عامل كلر دار داشته و درون مذاب كلر و دي اكسيد كربن آزاد مي كند. يك عامل نشان دهنده و مشخص كننده نوع اكسيدهاي موجود در مذاب روش فيلتر فشار آزمايشگاهي است (شكل 7).

image00711

شکل7

به وسيله اين روش ناخالصي هاي درون 4 كيلوگرم مذاب در يك سيسي تفاله درون فيلتر تغليظ مي شود كه اين معادل ضريب تغليظ 1500 مي باشد.

فشار 3/0 تا 6/0 بار توسط گاز آرگون بر 6 كيلوگرم مذاب درون بوته آهني وارد مي شود كه اين بوته توسط يك فيلتر سراميكي كه متوسط ابعاد هر سوراخ آن در حد 15 ميكرومتر مي باشد بسته شده است. مذابي كه در اثر اعمال فشار از اين فيلتر مي گذرد درون يك محفظه كه به سيستم اندازه گيري وزن مجهز است جمع آوري مي شود.

بعد از اينكه 4 كيلوگرم مذاب از درون فيلتر عبور كرد يك شير مغناطيسي (Solenoid valve) به طور اتوماتيك باز شده و فشار اعمالي كاهش مي يابد.

باقيمانده (پس مانده ) مذاب كه پشت فيلتر گير كرده و منجمد شده است و فيلتر سراميكي توسط

............... جدا مي شوند (شكل 8).

image00811

شکل 8

ناخالصي هاي در ضخامت 10 ميليمتر از فلز پس مانده بر روي فيلتر سراميكي توسط روش برومين متانول جدا شده و سپس با استفاده از ميكروپروب يا روشهاي ديگر بررسي مي شوند.

(توضيح شكل 8: برش طولي نمونه از ميان فيلتر سراميكي به همراه فلز روي آن. اين تصوير نشان دهنده تجمع ناخالصي ها در دو بزرگنمايي مختلف مي باشد.

بررسي ناخالصيها:

شكل 9 يك حفره را در آلياژ G-AlSi7Mg كه توسط استرانسيم اصلاح ساختار شده را نشان مي دهد. در بزرگنمايي بالاتر مشخص مي شود كه آن تصويري كه حفره به نظر مي رسيد يك اكسيد فشرده مي باشد. توسط بررسي هاي ميكرو پروب مشخص گرديد كه در مركز و هسته اين اكسيد فشرده، اكسيد آلومينيوم(Al2O3) كه توسط اكسيد منيزيم (MgO) احاطه شده است مي باشد.

در ميان اين اكسيد مقاديري پتاسيم، كلسيم و مقادير جزيي فسفر وجود دارد. يك لايه نازك در اطراف اين اكسيد از تيتانيم و بر (Ti & B) وجود دارد كه احتمالاً ناشي از تيتانيم دي بورايد مي باشد كه جهت اصلاح ساختار دانه ها به مذاب اضافه شده است.

image00911

شکل 9

در شكل 10 مي توانيم يك ناخالصي اكسيدي از نوع پوسته اي را به همراه نتايج بررسي توسط ميكروپروب براي يك آلياژ G-AlSi7Mg اصلاح ساختار شده توسط استرانسيوم مشاهده كنيم. هسته اين اكسيد تشكيل شده است از اكسيد آلومينيوم و اكسيد منيزيم به عنوان اجزاي اصلي مي باشد كه توسط استرانسيوم، سديم، پتاسيم و كلسيم احاطه شده اند. تيتانيم،‌ بر و همچنين مقادير جزيي كربن به صورت يك پوشش اكسيد را احاطه كرده است. منشاء اين پوشش از تيتانيم دي بورايد مي باشد كه به عنوان اصلاح كننده ساختار دانه ها عمل مي كند. ولي وقتي اين تيتانيم دي بورايد به صورت يك پوشش در اطراف اكسيد تشكيل مي شود ديگر عمل اصلاح ساختار دانه را انجام نمي دهد.

image01011

شکل 10

شكل 11 نشان دهنده يك ناخالصي ورقه اي در آلياژ ثانويه G-AlSi12Cu مي باشد. يك تركيب از همجوشي اكسيدها، فسفيت، فسفات،‌سيليكات و تيتانات. همچنين شامل مقاديري باريم، گوگرد، منگنز و آهن مي باشد. اين نوع ناخالصي ها در ديواره ها و كف كوره ها و پاتيل ها و قسمتي كه به طور صحيح پاكسازي نشوند تشكيل مي شوند.

image01111

شکل11

در شكل 12 يك ناخالصي فشرده در آلياژ ثانويه G-AlSi12Cu در كنار نتايج آناليز ميكروپروب نشان داده شده است. نتايج آزمون ميكرو سختي سنجي نشان دهنده سختي بالايي به صورت 550، 657 و 707 ويكرز مي باشد. و نتايج آناليز ميكروپروب شامل Al2O3، SiO2 ، اكسيژن و پتاسيم مي باشد. اين فاز به صورت تركيب پتاسيم آلومينيوم سيليسيم مي باشد. اين ناخالصي نيز در ديواره و جداره كوره و پاتيل در حين عمليات ذوب و ريخته گري تشكيل مي شود.

image01211

شکل2 1

شكل 13 نشان دهنده تجمع اكسيدهاي پوسته اي و ناخالصيها در آلياژ ثانويه G-AlSi12Cu با تركيب اكسيد آلومينيوم، اكسيد سيليسيم، اكسيد منيزيم و سديم مي باشد. اسپينل (Spinel) نيز همچنين در ساختار مشاهده مي شود.

image01311

شکل13

شكل 14 تصوير سطح توسط اشعه ايكس نشان دهنده توزيع عناصر مختلف كه در اكسيد استرانسيم موجود در سطح صيقلي نمونه ريخته گري ماشينكاري شده وجود دارد مي باشد.

علاوه بر اجزاي اصلي تشكيل دهنده كه اكسيژن و استرانسيوم مي باشد مقادير قابل توجهي از پتاسيم و كربن نيز مشاهده مي شود. كربن در دسته هاي غير متراكم و پخش شده ناخالصي در ساختار ظاهر شده است و علت و منشاء اصلي آن از مواد خنك كننده مورد استفاده در حين ماشينكاري نمونه ريخته گري مي باشد.

image01411

شکل14

نتيجه گيري:

اين مقاله چكيده اي از اشتباهات متحمل در حين ذوب آلومينيوم نتايج اين اشتباهات و تاثير آنها بر روي كيفيت مذاب آلومينيوم ارائه مي كند. كنترل كيفيت مذاب آلومينيوم به وسيله آزمون دانسيته خلاء نه تنها بسيار قابل اعتماد و دقيق مي باشد بلكه كار كردن با آن داراي پيچيدگي بسيار كمي مي باشد. اين مقاله كاربردهاي روش دانسيته خلاء را براي بررسي و كنترل كيفيت مذاب در حين مراحل اصلاح تركيب شيميايي، نگهداري، حمل و اصلاح ساختار براي آلياژهاي آلومينيوم، سيليسيم را بيان مي كند. تست دانسيته خلاء امكان اندازه گيري تاثير زمان انجماد و گراديان دمايي را بر روي حجم و درصد حفره هاي گازي موجود در ساختار ريختگي و همچنين ميزان هيدروژن موجود در مذاب ساختارهاي اصلاح شده و اصلاح نشده را ارائه مي كند.

همچنين يك نماي كلي از روش فيلتر فشار آزمايشگاهي براي تجمع و تغليظ اكسيدهاي موجود در مذاب اراده گرديد. كيفيت مذاب در اثر وجود اكسيدها افت مي كند. اين اكسيدها به سه نوع مختلف مي باشند. اكسيدهاي فشرده، ورقه اي و پوسته اي، همچنين ساختار و تركيب شيميايي اين اكسيدها شرح داده شد.