سیالیت یعنی توانایی مذاب برای پر کردن قالب پیش از انجماد؛ ویژگی‌ای که در قطعات نازک و پیچیده تعیین می‌کند قطعه کامل ریخته شود یا ناقص بماند. پژوهشی از دانشگاه علم و صنعت ایران و دانشگاه بین‌المللی قزوین نشان داده است که آهن، به‌عنوان رایج‌ترین ناخالصی آلیاژهای آلومینیوم–سیلیسیم، سیالیت آلیاژ آلومینیوم 413 را به‌طور محسوس کاهش می‌دهد و نحوه نگه‌داری مذاب در کوره می‌تواند این اثر را بدتر یا بهتر کند.
آلیاژ 413 و مسئله آهن
آلیاژ 413 یک آلیاژ یوتکتیک آلومینیوم با حدود ۱۲ درصد سیلیسیم است که به خاطر ریخته‌گری‌پذیری عالی، برای قطعات جدار نازک و دایکست استفاده می‌شود. آهن تقریباً همیشه در این آلیاژها حضور دارد؛ از قراضه، ابزار ذوب و حتی بوته وارد مذاب می‌شود. مشکل این است که آهن در آلومینیوم تقریباً حل نمی‌شود و به شکل ترکیبات بین‌فلزی جدا می‌شود. شناخته‌شده‌ترین آن‌ها فاز β-Al5FeSi است که به شکل صفحه‌ها یا سوزن‌های بلند در ریزساختار دیده می‌شود و هم خواص مکانیکی و هم جریان مذاب را مختل می‌کند. برای آشنایی بیشتر با نقش عناصر، مطلب قراضه و ضایعات آلومینیوم را هم ببینید.
این پژوهش چه چیزی را بررسی کرد؟
پژوهشگران با آزمون سیالیت در خلأ، آلیاژ 413 را با مقادیر مختلف آهن (از حدود ۰٫۳۵ تا ۱٫۸ درصد) در دو حالت بررسی کردند: بدون منگنز و با افزودن منگنز. منگنز رایج‌ترین روش برای خنثی کردن اثر آهن است، چون فاز سوزنی β را به فاز α-Al15(Fe,Mn)3Si2 با شکل فشرده‌تر و «حروف چینی» تبدیل می‌کند. اثر زمان نگه‌داشتن مذاب در دمای بارریزی و اثر فوق‌گداز (گرم کردن مذاب بالاتر از دمای ریختن) هم سنجیده شد.
یافته‌های اصلی
- افزایش آهن سیالیت را کم می‌کند؛ هم در آلیاژ بدون منگنز و هم در آلیاژ منگنزدار. مخرب‌ترین فاز برای سیالیت، فاز سوزنی β-Al5FeSi است.
- منگنز کمک می‌کند: در مقدار آهن یکسان یا فاکتور جدایش یکسان، سیالیت مذاب منگنزدار بهتر از مذاب بدون منگنز بود.
- نگه‌داشتن مذاب منگنزدار خطرناک است: وقتی مذاب منگنزدار مدتی در دمای بارریزی نگه داشته شد، ذرات α به هم چسبیدند و «لجن» (Sludge) تشکیل دادند و سیالیت به‌شدت افت کرد. سیالیت آلیاژ بدون منگنز به زمان نگه‌داری حساسیت کمتری داشت.
- فوق‌گداز کافی راه‌حل است: اعمال فوق‌گداز و زمان نگه‌داری متناسب با فاکتور جدایش آلیاژ، ترکیبات آهن‌دار را در مذاب حل می‌کند و سیالیت آلیاژ منگنزدار را در همان دمای بارریزی بالا می‌برد.
فاکتور جدایش (SF) چیست؟
برای پیش‌بینی خطر تشکیل لجن از رابطه ساده‌ای استفاده می‌شود: SF = %Fe + 2×%Mn + 3×%Cr. هرچه این عدد بالاتر باشد، دمایی که زیر آن لجن تشکیل می‌شود بالاتر است. بنابراین ریخته‌گر باید دمای کوره نگه‌دارنده را بالاتر از این دما نگه دارد، به‌خصوص در دایکست که دمای نگه‌داری معمولاً پایین است. این همان دلیلی است که منگنز را نمی‌توان بی‌حساب اضافه کرد: منگنز اثر آهن را خنثی می‌کند، اما اگر زیاد باشد خودش SF را بالا می‌برد.
برای ریخته‌گر و خریدار شمش چه معنایی دارد؟
نتیجه عملی این پژوهش ساده است: کیفیت ریخته‌گری فقط به نام آلیاژ بستگی ندارد، بلکه به مقدار دقیق آهن، نسبت منگنز به آهن و مدیریت دما در کوره هم وابسته است. شمشی که آهن کنترل‌شده و نسبت Mn/Fe مناسب داشته باشد، در کوره کمتر لجن می‌دهد، کمتر کف کوره را پر می‌کند و قطعات جدار نازک را بهتر پر می‌کند. در الماس آلومینیوم ترکیب شیمیایی هر ذوب در آزمایشگاه کنترل می‌شود تا شمش تحویلی در محدوده استاندارد گرید سفارش‌شده باشد. برای انتخاب گرید مناسب، راهنمای ریخته‌گری تحت فشار و راهنمای خرید شمش آلومینیوم را ببینید.
پرسش‌های رایج
آیا افزودن منگنز همیشه مفید است؟
نه. منگنز فاز سوزنی β را به فاز α تبدیل می‌کند، اما مقدار زیاد آن فاکتور جدایش را بالا می‌برد و در دمای پایین کوره باعث تشکیل لجن می‌شود. معمولاً نسبت منگنز به آهن حدود نصف در نظر گرفته می‌شود و دمای نگه‌داری باید متناسب با SF تنظیم شود.
لجن کوره چه ضرری دارد؟
ذرات لجن سنگین و سخت‌اند؛ در کف کوره ته‌نشین می‌شوند، ترکیب مذاب را تغییر می‌دهند، سیالیت را کم می‌کنند و اگر وارد قطعه شوند، ماشین‌کاری را سخت و خواص مکانیکی را ضعیف می‌کنند.
چطور بفهمیم آلیاژ در خطر لجن است؟
با آنالیز کوانتومتری، مقدار آهن، منگنز و کروم را اندازه بگیرید و SF را حساب کنید؛ سپس دمای نگه‌داری کوره را بالاتر از دمای تشکیل لجن متناظر نگه دارید.
منبع
E. Taghaddos, M.M. Hejazi, R. Taghiabadi, S.G. Shabestari, «Effect of iron-intermetallics on the fluidity of 413 aluminum alloy», Journal of Alloys and Compounds, 468 (2009) 539–545. DOI: 10.1016/j.jallcom.2008.01.079. مشاهده مقاله اصلی
این نوشته برداشت و خلاصه تحریریه الماس آلومینیوم از یک مقاله علمی منتشرشده است؛ برای جزئیات کامل آزمایش‌ها، جدول‌ها و تصاویر به اصل مقاله مراجعه کنید.