دستگاه تست هیدروژن

آزمایشات کنترل کیفی مذاب برای ریخته گری Al

اشتباهات و مشکلات در حین ذوب می توانند تاثیر جدی روی کیفیت مهول ریخته گری ایفا نمایند تاکنون به روشهای کم و بیش موفقی برای مشخص کردن و اندازی گیری این اشتباهات بکار گرفته می شوند روشهایی مثل تست هیدروژن و آخال.

ولی امروزه به کمک روش آزمایش جرم حجمی در خلاء امکان مشخص کردن و اندازه گیری کیفیت مذاب به سادگی و با دقت بسیار بالا برای ریخته گران وجود دارد.

در این مقاله سعی شده است چگونگی استفاده از این روش را در حین انجام عمل ذوب به عملیات پاکسازی مذاب و حمل مذاب بیان شود.

همچنین روش آزمایشگاهی دیگری برای اندازه گیری میزان اکسید موجود در مذاب که یکی از فاکتورهای تاثیر گذار بر کیفیت مذاب AC می باشد در این مقاله مطرح شده است.

منشاء عیوب در حین ذوب برای آلیاژهای AC

در صنعت ریخته گری اشتباهات متعددی بطور پیوسته رخ می دهد که منشا عیوب مختلفی در مذاب می باشند که مهمترین آن ها در ذیل آمده است.

۱-    سرعت ذوب بسیار مهم:

ذوب شمش و مواد برگشتی AC با سرعت بسیار پائین و آهسته موجب پایداری یک نیاز نیمه جامد برای یک زمان طولانی می گردد. از بوجود آمدن و باقی ماندن فازهای اکسید AC و اکسید عناصر آلیاژی و در نتیجه تشکیل یک فاز اکسید کمپلکس می گردد.

۲-    شارژر مداوم کوره توسط شمش ها و برگشتی های سرد بدون پیش گرم موجب ایجاد تبرید در مناطق مختلفی از مذاب می گردد. این موضوع سبب جدایش ترکیبات بین فلزی از زمینه می گردد یکی از ترکیبات بین فلزی ترکیبی شامل آهن و منگنز بصورت Alfemnsi می باشد این ترکیب بین فلزی که به صورت ناخالصی در ساختار ظاهر می شود و دارای ساختار هگزاگونال بوده و سختی بسیار زیادی در حدود ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ ویکرز می باشد از سوی دیگر لایه اکسید موجود بر روی شمش ها و برگشتی های پیشگرم نشده درون مذاب باقی می ماند. همچنین میزان جذب هیدروژن افزایش می یابد.

منشاء عیوب در حین ذوب برای آلیاژهای AC
دستگاه تست هیدروژن

۳-    مواد برگشتی و قراضه در ابعاد کوچک و قطعات ریز بصورت ورق های کوچک و پولک مانند سریعاً در شعله ذوب اکسید می شوند و سبب ایجاد پوسته های اکسیدی می شوند پاکسازی مذاب از اکسیدهای پوسته ای بسیار مشکل می باشد. و تنها در صورتی می توان این مذاب را از این اکسیدها پاک نمود که بتوان این پوسته ای اکسیدی را شکست و به ذرات کوچکتر تبدیل نمود.

۴-    اگر جداره نسوز کوره برای مذاب آلومینیوم مناسب نباشد با مذاب AC واکنش منجر به آلودگی مذاب به برخی از ناخالص ها می شود و همچنین برخی از عناصر آلیاژی در سطح نسوز می سوزد بنابراین یکی از مهمترین مسائل برای انتخاب نسوز بی اثر بودن آن نسوز نسبت مذاب فلز مورد نظر می باشد.

۵-    هیچگونه تلاطم و به هم خوردگی نباید در حین حمل و جابه جایی مذاب Al نباید رخ دهد. جریان مذاب باید دارای جریان خطی و بدون توقف باشد. بنابراین باید به روشهای مختلف مانند استفاده از لوله ها سقوط و ریختن مذاب بصورت آزادانه جلوگیری کرد. تلاطم مذاب موجب به دام افتادن و گرفتار شدن هوا و تشکیل مدوام لایه اکسید درون مذاب می گیرد. این پدیده در روش دایکاست به دلیل انتقال مذاب از کوره ذوب به کوره نگهدارنده امکان بروز دارد.

۶-    دماهای بالاتر از ۸۵۰ می تواند علت آسیب رساندن و تخریب مذاب AC گردد در دمای بالا میزان جذب گاز و اکسیدها شدیداً افزایش می یابد. همچنین کیفیت مذاب می تواند در اثر انجام عملیات بهسازی و ریزدانه کردن غیر صحیح آسیب بینند.

دستگاه تست هیدروژن
دستگاه تست هیدروژن

آزمایش های کیفیت مذاب

عیوب فوق الذکر اساساً موجب افت و کیفیت مذاب می شوند. تاکنون فقط آزمایشات تست میزان هیدروژن و تست آخال که بصورت کمابیش موفق کیفیت کلی مذاب را ارئه می کردند به هر حال تست دانسیته خلاء آسانتر و بسیار قابل اطمینان و موثق تر برای تعیین میزان کیفیت مذاب AC می باشد.

اندازه گیری کیفیت مذاب با استفاده از روش دانسیته خلاء

در این آزمایش به حدود ۸۰gr از مذاب را درون یک بوته با پوشش آهن ریخته و در شرایط خلاء حدوداً ۸۰mbar قرار داده و زمان داده تا کاملاً منجمد شود. زمان لازم برای انجماد نمونه بستگی به نوع آلیاژ داشته ولی بطور متوسط در حدود ۶ دقیقه می باشد. سپس نمونه منجمد شده را وزن می کنند تا بتوانند دانسیته آن را تعیین کنند. این مقدار دانسیته تکرار پذیر بوده و معیار دقیقی از کیفیت مذاب ارائه می کند.

ثابت شده است که انجام آزمایش در فشار ۸۰mbar ایده آل می باشد در فشار کمتر نمونه بسیار حساس بوده و سریعاً واکنش می دهند و در فشارهای بیشتر بسیار کند عمل می کنند.

طریقه فرآیند

طریقه استفاده از تست دانسیته تحت خلاء به شرح زیر می باشد:

–         مقداری مذاب با دمای (حداقل ۱۲۰ درجه کلون بالاتر از خط لیکیدوس ) از مذابی که سرباره آن گرفته شده برداشته و درون بوته مخصوص که قبلاً پوشش آهن روی آن داده شده و تا دمایی در حدود ۱۰۰ºc پیش گرم شده است می ریزیم.(شکل ۳)

دستگاه تست هیدروژن
دستگاه تست هیدروژن

–         درپوش محفظه خلاء را می بندیم.

–         اجازه می دهیم که در خلاء۸۰m bar نمونه منجمد شود.

–         وقتی که نمونه کاملاً منجمد شد خلاء را قطع کرده و درپوش محفظه خلاء را باز می کنیم.

–         بوته را توسط انبر درآورده و اجازه می دهیم که نمونه درون بوته به مدت ۲۰ دقیقه مانده و خنک شود.

–         نمونه را از درون بوته خارج می کنیم.

–         نمونه را درون آب کوئنچ می کنیم.

–         مقدار دانسیته نمونه را حساب می کنیم.

محاسبه مقدار دانسیته:

دانسیته نمونه توسط قانون ارشمیدس اندازه گیری می شود نمونه بصورت آزادانه در بالای محفظه آب که بر روی سیستم اندازه گیری وزن قرار دارد توسط یک نخ نایلونی آویزان می شود و وزن آن اندازه گیری می شود سپس وزن نمونه معلق در آب نیز اندازه گیری می شود.

وزن نمونه اول بطور آزادانه اندازه گیری می شود و یکبار بصورت معلق درون ظرف پر از آب اندازه گیری می شود (مقدار حجم نمونه) نسبت وزن به حجم نمونه اندازه دانسیته را به ما می دهد.

تاثیر فشار بر روی ساختار نمونهG-Alsi 7 mg که توسط استرانسیم اصلاح ساختار شده است در شکل ۴ مشاهده می شود.

نمونه ای که تحت فشار اتمسفر منجمد شده است چگال تر از نمونه ای است که تحت خلاء ۸۰m bar منجمد شده است به صورتیکه نمونه ای که تحت فشار اتمسفر منجمد شده است دارای چگالی ۲/۶۲g/cm۳ و نمونه ای که تحت خلاء ۸۰m bar منجمد شده است دارای چگالی ۲/۳۵gr/ cm۳ می باشد.

این ۱۵% اختلاف در میزان دانسیته برای دست یابی به یک ریخته گری نسبتاً دقیق و بی عیب، بسیار زیاد و غیرقابل قبول می باشد این میزان اختلاف نباید بیشتر از ۴% باشد.

نمونه هایی که پس از انجماد تحت خلاء ۸۰m bar دارای چگالی پایین تری می باشند محصول مطلوبی را پس از ریخته گری به ما نمی دهند.

حداقل چگالی برای آلیاژهای متدوال به شرح زیر می باشند:

– آلیاژهای آلومینیوم – سیلیسیم ۲/۵۵g/cm۳

– آلیاژهای آلومینیوم – مس ۲/۶۵g/cm۳

– آلیاژهای آلومینیوم-منیزیم ۲/۵۵g/cm۳

– آلیاژهای آلومینیوم- روی- سیلیسیوم ۲/۷۵g/cm۳

– آلیاژهای آلومینیوم- روی- مس ۲/۶۵g/cm۳

تست آلیاژ
دستگاه تست هیدروژن

نتایج تست دانسیته خلاء

مثالهای زیر نشان دهنده دقت این آزمون در بررسی کیفیت مذاب های آلومینیوم می باشد:

تصویر ۵A نشان دهنده ارتباط چگالی نمونه G-AlSi7Mg منجمد شده تحت خلاء mbar80 (اصلاح شده توسط استرانسیوم و اصلاح نشده) با میزان هیدروژن موجود در قطعه

تصویر ۵A بیانگر موارد ذیل می باشد:

برای هیدروژن موجود در مذاب مثلاً ۰.۱۶ ppm هیدروژن، نمونه اصلاح ساختار شده دارای چگالی کمتری در حدود ۲/۴g/cm۳ نسبت به نمونه اصلاح نشده که دارای چگالی در حدود ۲/۵۲ g/cm۳ است می باشد. به بیان دیگر برای دانسیته ای در حدود ۲/۵۵g/cm۳ نمونه اصلاح ساختارنشده دارای میزان هیدروژن محلول بیشتری در حدود ۰.۱۴۴ ppm نسبت به نمونه اصلاح شده می باشد

(۰.۱۱۴ ppm)

تصویر ۵b نشان دهنده ارتباط بین دانسیته نمونه های منجمد شده تحت فشار ۸۰ mbar و میزان درصد حفرات گازی موجود در نمونه های ریخته گری شده در قالب های فلزی و قالب های ماسه ای برای آلیاژ GAlSi7Mg اصلاح ساختار شده توسط استرانسیوم. در مورد مقدار حفرات گازی، کاملاً وابسته به شرایط انجماد، از قبیل زمانهای انجماد، گرادیان دما می باشد. هر یک از نمونه های آزمایش، نمودار مربوط به خود را دارند.

شکل ۵

زمان انجماد نمونه ها به ترتیب ۱۷و ۸۸ و ۹۲ ثانیه می باشد. شکل ۵b بیان می کند که: برای مقدار مشخصی از چگالی مثلاً ۲/۵۵g/cm۳ درصد حجمی حفرات گازی برای نمونه منجمد شده در قالب را (۱۷ ثانیه) حدوداً ۰.۱% نمونه منجمد شده در قالب را با سرعت انجماد ۸۸ ثانیه ۰.۳۲% و نمونه منجمد شده در قالب ماسه ای با سرعت انجماد ۹۲ ثانیه حدوداً ۰.۷۲% می باشد.

برای مقدار مشخصی از درصد حجمی حفرات گازی مثلاً مقدار ۰.۳% نمونه منجمد شده با سرعت ۱۷ ثانیه نیازم #۱۶۰۶;د دانسیته ای در حدود ۲/۳۷g/cm۳ و نمونه منجمد شده با سرعت ۸۸ ثانیه نیازمند دانسیته ای در حدود ۲/۵۵g/cm۳ و نمونه ۹۲ ثانیه ای دارای دانسیته ای در حدود ۲/۶۳g/cm۳ می باشد.

تصویر ۵C: از یک طرف نشان می دهد که چگونه کیفیت مذاب به عملیات انجام شده بر روی مذاب بستگی داردو از طرف دیگر نشان می دهد که چگونه می توان با استفاده از آزمون چگالی خلاء این کیفیت را شبیه سازی و کنترل کرد. حدود ۲۵۰ ppm فلز استرانسیوم به مذاب آلیاژ

G-AlSi7Mg با چگالی ۲/۶ g/cm۳ در دمای ۷۸۰ درجه سانتیگراد اضافه می شود. پس از اضافه شدن استرانسیوم کیفیت مذاب افت می کند و چگالی مذاب تقریباً تا ۲/۳۵ g/cm۳ کاهش می یابد. ولی اگر به مذاب پس از اضافه شدن استرانسیوم کمی زمان بدهیم مجدداً کیفیت مذاب به طرز مطلوبی بهبود خواهد یافت. چگالی مذاب مجدداً افزایش یافته و به میزان بهینه خود یعنی

۲/۵۵ g/cm۳ می رسد.

شکل ۵d بیانگر مثالی در مورد چگونگی استفاده از آزمون چگالی خلاء برای نشان دادن کیفیت مذاب G-AlSi7Mg مورد استفاده برای ساخت سرسیلندر در حین مراحل نگهداری و عملیات کیفی مذاب می باشد.

به محض انتقال مذاب از کوره چرخشی به کوره ریخته گری مذاب دارای دانسیته ای در حدود ۲/۱۱ g/cm۳ می باشد.

نتایج تست دانسیته

در حین عملیات تنظیم ترکیب شیمیایی که حدوداً ۱۵۰ دقیقه به طول می انجامد دانسیته تا حدوداً ۲/۲ g/cm۳ افزایش می یابد. بعد از ۶۰ دقیقه عملیات کیفی توسط کلر دانسیته افزایش یافته و تا حدود ۲/۴۸ g/cm۳ می رسد. نگهداری مذاب موجب افزایش بیشتر دانسیته و رسیدن آن تا ۲/۷ g/cm۳ می شود.

نمونه آزمون دانسیته خلاء نشان می دهد که چگونه انتقال ناصحیح مذاب موجب افت کیفیت مذاب می گردد. آلیاژ G-AlSi7Mg مورد استفاده برای سرسیلندر (۲/۶۵ g/cm۳) به طور مستقیم و آزاد درون پاتیل یا ملاقه ریخته می شود. ارتفاعی که از آن مذاب ه درون پاتیل ریخته می شود حدوداً ۱/۲ متر می باشد. به دلیل این به هم خوردگی مذاب و اغتشاش ایجاد شده دانسیته مذاب درون پاتیل به ۲/۴۳ g/cm۳ می رسد. ولی اگر برای ریختن مذاب به درون پاتیل از یک سیستم طراحی شده برای حذف به هم خوردگی مذاب استفاده شود مثلاً‌با استفاده از لوله و کجرای مخصوص انتقال مذاب، کیفیت مذاب بهبود می یابد و دانسیته آن به حدوداً ۲/۵۵ g/cm۳ می رسد.

فیلتر فشار آزمایشگاهی

مقادیر نمونه های دانسیته خلاء توسط میزان هیدروژن و اکسیدهای موجود در مذاب مشخص می شوند. به طور کلی هیدروژن و اکسیدهای موجود، عامل اصلی و تعیین کننده بر روی نتایج تست دانسیته خلاء می باشد.

اکسیدهای موجود در آلومینیوم به سه دسته کلی تقسیم می شوند:

۱- اکسیدهای فشرده

۲- اکسیدهای ورقه ای شکل

۳- اکسیدهای پوسته ای

فیلتر آزمایشگاهی
دستگاه تست هیدروژن

دو نوع اکسید اول نسبتاً راحت تر از مذاب خارج می شوند. این اکسیدها می توانند به طرز قابل قبولی از درون مذاب حذف شوند به وسیله فلاکسهای احیا کننده ای که عامل کلر دار داشته و درون مذاب کلر و دی اکسید کربن آزاد می کند. یک عامل نشان دهنده و مشخص کننده نوع اکسیدهای موجود در مذاب روش فیلتر فشار آزمایشگاهی است (شکل ۷).

دستگاه تست هیدروژن
دستگاه تست هیدروژن

به وسیله این روش ناخالصی های درون ۴ کیلوگرم مذاب در یک سیسی تفاله درون فیلتر تغلیظ می شود که این معادل ضریب تغلیظ ۱۵۰۰ می باشد.

فشار ۳/۰ تا ۶/۰ بار توسط گاز آرگون بر ۶ کیلوگرم مذاب درون بوته آهنی وارد می شود که این بوته توسط یک فیلتر سرامیکی که متوسط ابعاد هر سوراخ آن در حد ۱۵ میکرومتر می باشد بسته شده است. مذابی که در اثر اعمال فشار از این فیلتر می گذرد درون یک محفظه که به سیستم اندازه گیری وزن مجهز است جمع آوری می شود.

بعد از اینکه ۴ کیلوگرم مذاب از درون فیلتر عبور کرد یک شیر مغناطیسی (Solenoid valve) به طور اتوماتیک باز شده و فشار اعمالی کاهش می یابد.

باقیمانده (پس مانده ) مذاب که پشت فیلتر گیر کرده و منجمد شده است و فیلتر سرامیکی توسط

…………… جدا می شوند (شکل ۸).

دستگاه تست هیدروژن
دستگاه تست هیدروژن

ناخالصی های در ضخامت ۱۰ میلیمتر از فلز پس مانده بر روی فیلتر سرامیکی توسط روش برومین متانول جدا شده و سپس با استفاده از میکروپروب یا روشهای دیگر بررسی می شوند.

(توضیح شکل ۸: برش طولی نمونه از میان فیلتر سرامیکی به همراه فلز روی آن. این تصویر نشان دهنده تجمع ناخالصی ها در دو بزرگنمایی مختلف می باشد.

بررسی ناخالصیها:

شکل ۹ یک حفره را در آلیاژ G-AlSi7Mg که توسط استرانسیم اصلاح ساختار شده را نشان می دهد. در بزرگنمایی بالاتر مشخص می شود که آن تصویری که حفره به نظر می رسید یک اکسید فشرده می باشد. توسط بررسی های میکرو پروب مشخص گردید که در مرکز و هسته این اکسید فشرده، اکسید آلومینیوم(Al2O3) که توسط اکسید منیزیم (MgO) احاطه شده است می باشد.

در میان این اکسید مقادیری پتاسیم، کلسیم و مقادیر جزیی فسفر وجود دارد. یک لایه نازک در اطراف این اکسید از تیتانیم و بر (Ti & B) وجود دارد که احتمالاً ناشی از تیتانیم دی بوراید می باشد که جهت اصلاح ساختار دانه ها به مذاب اضافه شده است.

بررسی ناخالصی ها
دستگاه تست هیدروژن

در شکل ۱۰ می توانیم یک ناخالصی اکسیدی از نوع پوسته ای را به همراه نتایج بررسی توسط میکروپروب برای یک آلیاژ G-AlSi7Mg اصلاح ساختار شده توسط استرانسیوم مشاهده کنیم. هسته این اکسید تشکیل شده است از اکسید آلومینیوم و اکسید منیزیم به عنوان اجزای اصلی می باشد که توسط استرانسیوم، سدیم، پتاسیم و کلسیم احاطه شده اند. تیتانیم،‌ بر و همچنین مقادیر جزیی کربن به صورت یک پوشش اکسید را احاطه کرده است. منشاء این پوشش از تیتانیم دی بوراید می باشد که به عنوان اصلاح کننده ساختار دانه ها عمل می کند. ولی وقتی این تیتانیم دی بوراید به صورت یک پوشش در اطراف اکسید تشکیل می شود دیگر عمل اصلاح ساختار دانه را انجام نمی دهد.

بررسی ناخالصی ها
دستگاه تست هیدروژن

شکل ۱۱ نشان دهنده یک ناخالصی ورقه ای در آلیاژ ثانویه G-AlSi12Cu می باشد. یک ترکیب از همجوشی اکسیدها، فسفیت، فسفات،‌سیلیکات و تیتانات. همچنین شامل مقادیری باریم، گوگرد، منگنز و آهن می باشد. این نوع ناخالصی ها در دیواره ها و کف کوره ها و پاتیل ها و قسمتی که به طور صحیح پاکسازی نشوند تشکیل می شوند.

بررسی ناخالصی ها
دستگاه تست هیدروژن

در شکل ۱۲ یک ناخالصی فشرده در آلیاژ ثانویه G-AlSi12Cu در کنار نتایج آنالیز میکروپروب نشان داده شده است. نتایج آزمون میکرو سختی سنجی نشان دهنده سختی بالایی به صورت ۵۵۰، ۶۵۷ و ۷۰۷ ویکرز می باشد. و نتایج آنالیز میکروپروب شامل Al2O3، SiO2 ، اکسیژن و پتاسیم می باشد. این فاز به صورت ترکیب پتاسیم آلومینیوم سیلیسیم می باشد. این ناخالصی نیز در دیواره و جداره کوره و پاتیل در حین عملیات ذوب و ریخته گری تشکیل می شود.

بررسی ناخالصی ها
دستگاه تست هیدروژن

شکل ۱۳ نشان دهنده تجمع اکسیدهای پوسته ای و ناخالصیها در آلیاژ ثانویه G-AlSi12Cu با ترکیب اکسید آلومینیوم، اکسید سیلیسیم، اکسید منیزیم و سدیم می باشد. اسپینل (Spinel) نیز همچنین در ساختار مشاهده می شود.

بررسی ناخالصی ها
دستگاه تست هیدروژن

شکل ۱۴ تصویر سطح توسط اشعه ایکس نشان دهنده توزیع عناصر مختلف که در اکسید استرانسیم موجود در سطح صیقلی نمونه ریخته گری ماشینکاری شده وجود دارد می باشد.

علاوه بر اجزای اصلی تشکیل دهنده که اکسیژن و استرانسیوم می باشد مقادیر قابل توجهی از پتاسیم و کربن نیز مشاهده می شود. کربن در دسته های غیر متراکم و پخش شده ناخالصی در ساختار ظاهر شده است و علت و منشاء اصلی آن از مواد خنک کننده مورد استفاده در حین ماشینکاری نمونه ریخته گری می باشد.

بررسی ناخالصی ها
دستگاه تست هیدروژن

نتیجه گیری:

این مقاله چکیده ای از اشتباهات متحمل در حین ذوب آلومینیوم نتایج این اشتباهات و تاثیر آنها بر روی کیفیت مذاب آلومینیوم ارائه می کند. کنترل کیفیت مذاب آلومینیوم به وسیله آزمون دانسیته خلاء نه تنها بسیار قابل اعتماد و دقیق می باشد بلکه کار کردن با آن دارای پیچیدگی بسیار کمی می باشد. این مقاله کاربردهای روش دانسیته خلاء را برای بررسی و کنترل کیفیت مذاب در حین مراحل اصلاح ترکیب شیمیایی، نگهداری، حمل و اصلاح ساختار برای آلیاژهای آلومینیوم، سیلیسیم را بیان می کند. تست دانسیته خلاء امکان اندازه گیری تاثیر زمان انجماد و گرادیان دمایی را بر روی حجم و درصد حفره های گازی موجود در ساختار ریختگی و همچنین میزان هیدروژن موجود در مذاب ساختارهای اصلاح شده و اصلاح نشده را ارائه می کند.

همچنین یک نمای کلی از روش فیلتر فشار آزمایشگاهی برای تجمع و تغلیظ اکسیدهای موجود در مذاب اراده گردید. کیفیت مذاب در اثر وجود اکسیدها افت می کند. این اکسیدها به سه نوع مختلف می باشند. اکسیدهای فشرده، ورقه ای و پوسته ای، همچنین ساختار و ترکیب شیمیایی این اکسیدها شرح داده شد.

X