آلیاژ آلومینیم – سیلیسیم 2

آلیاژ آلومینیم – سیلیسیم
آلیاژهای آلومینیوم حاوی سیلیسیم به عنوان آلیاژی اصل به علت سیالیت زیاد که ناشی از وجود حجم نسبتا زیاد Al-Si است. مهمترین آلیاژهای ریخته گری محسوب می شود.مزایای دیگر این نوع آلیاژ ریخته گری مقاومت خوردگی بالا و جوش پذیری خوب است و اینکه سیلیسیم ضریب انبساط حرارتی را کاهش می دهد در هر حال به علت وجود ذرات سخت سیلیسیم در زیر ساختار ماشین کاری این آلیاژ مشکل است.
حلالیت سیلیسیم در آلومینیوم در درجه حرارت محیط ناچیز و حدود 0.05% می باشد. یوتکتیک بین محلول جامد آلومینیوم حاوی بیش از یک درصد سیلیسیم خالص به عنوان فاز دوم تشکیل می شود. ترکیب دقیق یوتکتیک هنوز مورد شک و تردید است ولی امروزه تقریبا ترکیب Al-12/7% si به عنوان یوتکتیک قابل قبول است. انجماد آهسته یک آلیاژ Al-Si خالص تولید ریزساختار بسیار درشت می کند که در آن یوتکتیک به صورت صفحات یا سوزنی های بسیار بزرگ سیلیسیم در یک زمینه ی پیوسته ی آلومینیومی تشکیل می شود.
خود یوتکتیک از شبکه های مجزا که در آن ذرات سیلیسیم ظاهرا بهم مرتبط شده اند تشکیل شده است. آلیاژهای دارای این نوع یوتکتیک درشت به علت طبیعت ترد صفحات سیلیسیم درشت دارای انعطاف پذیری پایین است . سریع سرد کردن آلیاژ در هنگام ریخته گری در غالب دائمی اتفاق میافتد که به شدت ریز ساختار را ریز کرده و فاز سیلیسیم به شکل الیاف در امده که در نتیجه آن انعطاف پذیری و استحکام کشش به مقدار بسیار زیادی بهبود می یابد. یوتکتیک را میتوان از طریق فرایند اصلاح کردن ریز نمود.

ساختار دوتائی Al-Si :
عملا نمی توان دو فلز پیدا کرد که کاملا در یکدیگر غیر غابل حل باشند اما در بعضی موارد قابلیت حل شدن به قدری محدود و ناچیز است که در عمل آن را نادیده گرفته و به عنوان غیر قابل حل منظور میکنند.
قانون رائولت بیان میکند که نقطه انجماد یک ماده خالص با افزایش یک ماده دیگر به شرطی پایین می آید که ماده افزودنی در ماده خالص در حالت مایع کاملا غیر قابل باشد و مقدار کاهش دمای انجماد به وزن مولکولی ماده حل شدنی بستگی دارد.
این نوع نمودار فاز را میتوانیم از یک سری منحنی های تبریدی به دست آوریم اما در این حالت منحنی ها رفتاری متفاوت از خود نشان میدهند. منحنی تبریدی دو فلز خالص Al-Si هر کدام یک خط افقی ساده در نقطه انجماد از خود نشان می دهند، با کاهش پیدا کردن سیلیسیم در آلومینیوم دمای شروع انجماد پایین می آید همچنیم با افزایش درصد آلومینیوم دمای انجمتد آلیاژ کاهش می یابد . نقطه یوتکتیک آلیاژ Al-Si برابر 7/12 % می باشد .
در ترکیب معین یوتکتیک Al-Si انجماد در یک نقطه ثابت اتفاق می افتد گر چه انجماد یوتکتیک همانند یک فلز خالص است ولی آلیاژ یوتکتیک یک آلیاژ ذوب هم ارز نیست بلکه جامد حاصله دارای دو فاز است . در عمل آلیاژهای چپ نقطه یوتکتیک واقع شده اند هیپویوتکتیک و آلیاژهای سمت راست را هیپریوتکتیک می نامند. چون نقطه یوتکتیک محل تلاقی خطوط مایع و جامد است ، در این نقطه انجماد شروع می شود و دما تا پایان انجماد ثابت می ماند و با لاخره مایع به صورت دو فاز منجمد می شود . این دو فاز همیشه عبارتند از فازهای که در دو انتهای خط دمای یوتکتیک واقع شده اند که در اینجا فلز خالص آلومینیوم در فلز خالص سیلیسیم است. فرض میکنیم که نخست مقدار اندکی از فلز آلومینیوم منجمد شود مقدار فلز سیلیسیم در مایع از حد خود تجاوز میکند یعنی مایع از فلز سیلیسیم غنی تر می گردد و از این دو ترکیب مایع اندکی به طرف راست تغییر مکان میدهد برای این که ترکیب مایع دوباره به حالت تعادل برسد مقداری از فلز سیلیسیم منجمد میگردد و اگر مقدار بیشتر سیلیسیم منجمد شود ترکیب مایع اندکی به ترف چپ تغییر مکان خواهد داد یعنی مقدار آلومینیوم در مایع بیشتر خواهد شد بنابرین در دمای ثابت فلز خالص Al و Si به نوبت انجماد یافته و در نتیجه مخلوط بسیار ریزی را تشکیل میدهند که معمولا زیر میکروسکوب قابل رویت است . این مخلوط ، مخلوط یوتکتیک نامیده میشود . از آنجائی که انجماد آلیاژ یوتکتیک در دمای ثابتی رخ میدهد بنابرین منحنی تبرید آن همانند فلزات خالص و آلیاژهای ذوب هم ارز بوده ولی خود انجماد یوتکتیک غیر هم ارز است زیرا ترکیب فاز مایع با ترکیب هر یک از فازهای جامد متفاوت می باشد.

خواص مکانیکی
آلیاژهای دوتایی Al – Si تا ترکیب یوتکتیک انعطافپذیری خوبی دارند مشروط بر این که مقدار آهن محتوی که باعث تشکیل صفات درشت و ترد ترکیب می کند در حداقل مقدار ممکن کنترل شود. در این ارتباط افزودن منگنز مفید واقع میشود. اگر مقدار سیلیسیم محتوی کمتر از 8٪ باشد اصلاح ساختار جهت حصول انعطافپذیری قابل قبول لازم نیست، زیرا مقدار فاز اولیه آلومینیوم موجود نسبتا زیاد است. ترکیب یوتکتیک دارای سیالیت بالا و انقباض انجماد پایینی است و در تولید قطعات ریختهگری دیواره نازک مانند پوسته دیفرانسیل اتومبیل کاربرد اساسی ندارد مانند وسائل پخت و پز پوسته پمپ و برخی قطعات خاص اتومبیل از جمله مانیفولدی که با آب سرد می شود در ریختهگری ماسهای و قالب دائمی استفاده میگردد.
وقتی که آلیاژهای ریختهگری آلومینیوم حاوی مقادیر قابل توجه سیلیسیم در دمای بالا قرار گیرد دراثر رسوب سیلیسیم از محلول جامد رشد ابعادی در آنها اتفاق می افتد. از طریق عملیات حرارتی در دمای 0 C 250-200 به مدت چندین ساعت قبل از ماشینکاری یا مصرف میتوان پایداری ابعادی حاصل کرد و برای قطعات ریختهگری که باید در دماهای 0 C 150 یا بالاتر مصرف شوند باید حالت T5 یا T7 به قطعه داد.
گر چه آلیاژهای Al – Si به دلیل این که فاز آلومینیوم در سرد کردن سریع قابلیت فوق اشباع شدن با سیلیسیم را دارد در مقابل عملیات حرارتی از خود عکس العمل نشان می دهد، ولی با افزودن برخی از عناصر دیگر مانند مس و منیزیم مقاوم شدن بسیار زیادتری قابل حصول است. مس استحکام را افزایش میدهد و قابلیت ماشینکاری را بهبود میبخشد گر چه این امر با کاهش سیالیت انعطافپذیری و مقاومت خوردگی توام است. سالها است که آلیاژ Al – Si- Cu در دسترس بوده و یک حالت بهینه بین خواص مختلف حاصل شده است.
ترکیب این آلیاژها اغلب در محدوده ٪5-/10-3 سیلیسیم و ٪5/4-5/1 مس قرار می گیرد از آلیاژهای پرسیلیسیم (مثلا Al -10 Si ) برای ریختهگری ماسهای یا قالب دائمی استفاده میشود. از طریق پیر کردن مصنوعی اغلب میتوان استحکام و قابلیت ماشینکاری برخی از این قطعات ریختهگری را افزایش داد. به طور کلی آلیاژهای Al – Si برای بسیاری از موارد مصرف دارند آلیاژهای ریختهگری نیز مانند آلیاژهای کارپذیر حاوی عناصر اضافی جزئی بیسموت و سرب هستند که خواص ماشینکاری را بهبود میبخشند.
وقتی که خواص ویژهای مورد نیاز باشد ترکیبات پیچیدهتری نیز در دسترس بوده و قابل استفاده است. یک نمونه در این مورد آلیاژهای پیستون موتورهای احتراق داخلی است. مانند 332 A که در مخصوصا نیکل از طریق تشکیل ترکیبات بین فلزی که خستی پراکندگی ایجاد میکند باعث بهبود خواص دما بالای آلیاژ میگردد. مثال دیگر ترکیب بعد یوتکتیک مانند390 A است که برای ریختهگری در ماسه و قالبدائمی بدنه سیلندر تمام آلومینیوم اتومبیل استفاده میشود. در این ارتباط جهات اصلی برنامههای توسعهای تمایل برای حذف بوشهای چدنی به عنوان آسترهای سیلندرها است که در بسیاری از موتورهای تولید استفاده میشود. در این رابطه لازم است در زمینه یوتکتیک مقدار کافی ذرات سخت سیلیسیم اولیه جهت حصول مقاومت سایشی بالا در سیلندر در خلال مصرف آن به همراه توزیع کم ذرات طوری که از مشکلات جدی، ماشینکاری پرهیز شود وجود داشته باشد. همچنین اطمینان از ریز بودن Si اولیه مورد نظر است. در این مورد ٪03/0 -01/0 فسفر به آلیاژ اضافه می شود تا با Al واکنش کرده و ذرات ریز حل Atp که به عنوان هستهای که سیلیسیم بر روی آن تشکیل میشود عمل می کند.
تحقیقات اخیر بر روی مکانیزم سایش در آلیاژهای ریختهگری آلومینیوم نشان داده شده است که در زیر سطح سایش و به موازات آن نورهای فشرده برشی ایجاد میشود. ممکن است ترک در امتداد این نوارهای برشی آغاز و ادامه یابد تا زمانی که یک لبه یا لایه نازک در بالای آن از سطح جدا شود. همچنین نشان داده شده است که فرایند سایش تحت تاثیر برخی مشخصههای ریز ساختاری خاص قرار می گیرد. ذرات سخت فازها یا ترکیبات بین فازی اولیه مانند سیلیسیم اولیه و یا حضور فاز اولیه که نسبتا نرم بوده و مسیرهای خوبی برای تغییر شکل و برش آسان را فراهم میکند. مثالهایی که در این زمینه می باشند این مشاهدات یک زمینه سخت می باشد. ترکیب نوعی برای آلیاژ HA 3 عبارت است از Mn 5/0- Mg 5/0- Ni 2- Cu 2- SI 14- Sr 5/0 استرانیسم به عنوان اصلاح کننده ادعا شده است که آلیاژ HA 3 ترکیب منحصر به فردی از خاص شامل قابلیت ماشینکاری استحکام بالائی بهبود یافته است.
تعداد زیادی از قطعات ریخته شده در ماسه و قالبهای دائمی از آلیاژهای Al – Si-Mg مانند آلیاژ 356 ساخته میشوند. که در آنها مقدار نسبتا کمی منیزیم از طریق رسوب Mg2 Si در زمینه آلومینیوم پیر سختی قابل توجهی ایجاد میکند. برای مثال استحکام تسلیم این آلیاژ در حالت T6 بیش از دو برابر آن در آلیاژ دوتائی حاوی مقادیر مشابه Si است. به علاوه این آلیاژها مقاومت خوردگی عالی نیز نشان می دهند. این آلیاژها کاربر خاص در هواپیما و اتومبیل یافتهاند. یک نمونه جدید این موارد چرخهای سبک وزن اتومبیلهای مسابقهای است. طبیعت بحرانی بهری از این موارد منجر به مطالعاتی در ارتباط با روباط بین ریز ساختار و سختی گردید و برای برخی ترکیبات خاص عملیات حرارتی شده چقرمگی شکست تا حاصل شده است که به خوبی قابل مقایسه با مقادیر مورد انتظار آلیاژهای کارپذیر است. به این ترتیب به نظر می رسد که جایگزینی احتمالی برخی قطعات کارپذیر با این قطعات ریختگی نسبتا ارزان در آینده به اجرا درآید. نمونههایی از چنین تغییرات برای برخی اتصالات بحرانی هواپیما برای سازه موتور ریخته شده در ماسه وجود دارد.

خواص ریخته گری
به علت سیالیت خیلی خوب و نقطه ذوب پایین این آلیاژ میتوان برای ریختهگری آن از انواع پروسههای ریختهگری مانند ریختهگری در ماسه، ریختهگری در قلب دائمی، ریختهگری در قالب تحت فشار محفظه سرد استفاده کرد و مذاب آلیاژ تحت نیروی ثقل به داخل قالبهای ماسهای ریختهگری میگردند. برای ساخت قالبها میتوان از انواع ماسههای طبیعی مورد استفاده در صنعت استفاده کرد. در قالبهای فلزی مورد استفاده در روش ریختهگری دائمی مذاب یا تحت نیروی ثقل و یا استفاده از هوا یا سایر گازهای تحت فشار کم به داخل قالب تزریق میگردد. از قالبهای چدنی و فولادی و در بعضی موارد برای بالا بردن سرعت سرد کردن از قالبهای مسی استفاده میشود ( سریع سرد کردن باعث ریز شده دانه میشود) در ریختهگری تحت فشار مذاب آلومینیوم با کمک یک پیستون هیدرولیکی با فشار زیاد به داخل قالب فولادی تزریق میشود. مساله اصلی در مورد قطعات ریختهگری انقباض نسبتا بالای بین 5/3-5/8 درصد است که در خلال انجماد صورت میگیرد. این انقباض باید در طراحی قالب در نظر گرفته شود تا دقت ابعادی لازم حاصل گردد و از مسائلی مانند ترک یا پارگی داغ، تنشهای باقیمانده و حفرههای انقباضی جلوگیری شود.
استفاده از مبردهای فلزی در قالب برای افزایش نرخ انجماد میتواند خواص مکانیکی حاصل را افزایش بخشد برای ریختهگری این آلیاژها میتوان از قالبای سرامیکی در ریختهگری دقیق استفاده کرد. روشهای جدیدی New and Emerging Orocesses برای ریختهگری این آلیاژ طی سالهای گذشته ابداع شده است که این روشها باعث می شود در حین ریختهگری ما به خواص مطلوبتری از نظر دانهبندی برسیم. ریختهگری مذاب در سطح شیبدار، ریختهگری فشاری و ریختهگری همراه با امواج التراسونیک از این موارد هستند.
سیالیت یکی از مشخصههای آلیاژ ذوب شده است که باعث ریختهگری و پر کردن قالب میشود. آلیاژها سیالیتهای متفاوتی از خود نشان میدهند که این مطلب به سیالیت ذاتی (خواص فیزیکی) فلز برمیگردد. بنا به سیالیتهای متفاوت آلیاژها از روشهای مختلف ریختهگری استفاده میشود. موضوع سیالیت باعث میشود که گفته شود بعضی از آلیاژها قابلیت ریختهگری بهتری دارند. آلیاژ Al – Si از سیالیت بسیاری خوبی برخوردار است و به همین دلیل میتوان روشهای مختلف ریختهگری برای تولید قطعات استفاده کرد. این قابلیت باعث شده است که از آن به فراوانی برای تولید سیلندرهای اتومبیل و پوسته دیفرانسیل و گیربکسها استفاده شود. از این آلیاژ برای تولید قطعات نازک بسیار استفاده می شود.
1-3 - سیالیت (Fluidity)
از طریق مشاهدات در ریختهگری نتیجه گردیده است که هنگام پر کردن قالب با یک طرح معین که قسمتهای نازک نیز وجود دارد و تمام پارامترهای دیگر ثابت منظور شده بعضی از آلیاژها قادر به پر کردن قالب هستند و برخی دیگر این قابلیت را ندارند. چنین پدیدهای از ریختهگران سیالیت معنی کردهاند و در بعضی موارد جهت اشتباه با سیالیت مورد نظر در علوم هیدرولیک به سیالیت ریختهگری تعبیر شده است.
سیالیت به دو فاکتور اصلی وابسته است:
1- سیالیت ذاتی فلز (پارامترهای شیمی فیزکی)
2- روش ریختهگری
خواص فوق اگر چه بر روی سیالیت بیشترین تاثیر را دارند ولی موارد دیگری از جمله: کشش سطحی مذاب، اکسیدهای فیلم سطحی، ناخالصیها، حالت انجماد، دمای ذوبریزی، مواد قالب و تنش سطحی مذاب نیز از عوامل مهمی بر سیالیت هستند. بعضی از این عوامل ذکر شده در زیر تشریح شدهاند.
درجه حرارت: درجه حرارت مذاب یکی از مهمترین عوامل در پرشان قالب می باشد. آزمایشات نشان داده است که سیالیت ارتباط مستقیمی با درجه حرارت دارد. هر چه فوق ذوب بالا رود میزان سیالیت نیز بالا می رود البته باید در نظر داشت که بالا بردن بیش از حد فوق ذوب مشکلات مختلفی را در پی دارد.
ترکیب: ترکیب شیمیایی یکی دیگر از عوامل موثر بر سیالیت می باشد، معمولا فلزات خالص و آلیاژهای یوتکتیک دارای سیالیت بیشتری هستند و آلیاژهای محلول به خصوص آنهایی که دامنه انجماد طولانیتری دارند از نظر سیالیت ضعیفتر هستند به طوری که میتوان رابطه معکوس سیالیت و فاصله انجماد را مطرح نمود. ترکیباتی که به خوبی در هم محلول نیستند باعث پایین آمدن میزان سیالیت میشوند.
انجماد: نوع انجماد ( خمیری یا پوستهای) بر سیالیت اثرگذار است. در حالت پوستهای در موقع انجماد کانال کاملا بسته نشده است و امکان پر شدن قالب وجود دارد. در صورتی که در حالت انجماد خمیری با اولین تاثیر انجماد سیالیت به طور فاحشی کاهش می یابد. سرعت انتقال حرارت مذاب و قالب و گرمای نهانگداز نیز در سیالیت نقش دارند.
اکسیدهای فیلم Al2O3 : اکسیدهای فیلم سطحی Al2O3 باعث افزایش تنش سطحی مذاب میگردد و باعث کاهش سیالیت میشود.
مواد قالب: هر چند سیالیت مذاب را بایستی از تاثیر قالب بر کنار نمود ولی تاثیر مواد قالب در چگونگی پر شدن آن خالی از اهمیت نسبت از این رو قالب یا از طریق هدایت حرارتی و یا از طریق تقلیل و تغییر سرعت جریان در سیالیت اهمیت پیدا میکند.
سرعت سرد شدن نسبت به درجه حرارت معمولا به وسیله قابلیت نفوذ حرارت در قالب تعیین میگردد. اصطکاک مذاب با دیواره و سطح قالب که باعث تقلیل انرژی مذاب میگردد تاثیر سطح قالب را مشخص میکند و از این رو چگونگی ساخت قالب از نظر صافی سطوح و همچنین شکل محفظه قالب جز عوامل موثر در پر شدن قالب است در حالی که درجه حرارت قالب را نیز بایستی جز عوامل موثر منظور نمود .