آلياژ آلومينيم – سيليسيم‌‌
 

مقدمه
 

آلياژهاي آلومينيوم حاوي سيليسيم به عنوان آلياژي اصل به علت سياليت زياد كه ناشي از وجود حجم نسبتا زياد‌‌‌ Al-Si است. مهمترين آلياژهاي ريخته گري محسوب مي شود.مزاياي ديگر اين نوع آلياژ ريخته گري مقاومت خوردگي بالا و جوش پذيري خوب است و اينكه سيليسيم ضريب انبساط حرارتي را كاهش مي دهد در هر حال به علت وجود ذرات سخت سيليسيم در زير ساختار ماشين كاري اين آلياژ مشكل است.
حلاليت سيليسيم در آلومينيوم در درجه حرارت محيط ناچيز و حدود 0.05% مي باشد. يوتكتيك بين محلول جامد آلومينيوم حاوي بيش از يك درصد سيليسيم خالص به عنوان فاز دوم تشكيل مي شود. تركيب دقيق يوتكتيك هنوز مورد شك و ترديد است ولي امروزه تقريبا تركيب Al-12/7% si به عنوان يوتكتيك قابل قبول است. انجماد آهسته يك آلياژ ‌‌ Al-Si خالص توليد ريزساختار بسيار درشت مي كند كه در آن يوتكتيك به صورت صفحات يا سوزني هاي بسيار بزرگ سيليسيم در يك زمينه ي پيوسته ي آلومينيومي تشكيل مي شود.
خود يوتكتيك از شبكه هاي مجزا كه در آن ذرات سيليسيم ظاهرا بهم مرتبط شده اند تشكيل شده است. آلياژهاي داراي اين نوع يوتكتيك درشت به علت طبيعت ترد صفحات سيليسيم درشت داراي انعطاف پذيري پايين است . سريع سرد كردن آلياژ در هنگام ريخته گري در غالب دائمي اتفاق ميافتد كه به شدت ريز ساختار را ريز كرده و فاز سيليسيم به شكل الياف در امده كه در نتيجه آن انعطاف پذيري و استحكام كشش به مقدار بسيار زيادي بهبود مي يابد. يوتكتيك را ميتوان از طريق فرايند اصلاح كردن ريز نمود.

1- ساختار دوتائي Al-Si :
 

عملا نمي توان دو فلز پيدا كرد كه كاملا در يكديگر غير غابل حل باشند اما در بعضي موارد قابليت حل شدن به قدري محدود و ناچيز است كه در عمل آن را ناديده گرفته و به عنوان غير قابل حل منظور ميكنند.
قانون رائولت بيان ميكند كه نقطه انجماد يك ماده خالص با افزايش يك ماده ديگر به شرطي پايين مي آيد كه ماده افزودني در ماده خالص در حالت مايع كاملا غير قابل باشد و مقدار كاهش دماي انجماد به وزن مولكولي ماده حل شدني بستگي دارد.
اين نوع نمودار فاز را ميتوانيم از يك سري منحني هاي تبريدي به دست آوريم اما در اين حالت منحني ها رفتاري متفاوت از خود نشان ميدهند. منحني تبريدي دو فلز خالص Al-Si هر كدام يك خط افقي ساده در نقطه انجماد از خود نشان مي دهند، با كاهش پيدا كردن سيليسيم در آلومينيوم دماي شروع انجماد پايين مي آيد همچنيم با افزايش درصد آلومينيوم دماي انجمتد آلياژ كاهش مي يابد . نقطه يوتكتيك آلياژ Al-Si برابر 7/12 % مي باشد .
در تركيب معين يوتكتيك Al-Si انجماد در يك نقطه ثابت اتفاق مي افتد گر چه انجماد يوتكتيك همانند يك فلز خالص است ولي آلياژ يوتكتيك يك آلياژ ذوب هم ارز نيست بلكه جامد حاصله داراي دو فاز است . در عمل آلياژهاي چپ نقطه يوتكتيك واقع شده اند هيپويوتكتيك و آلياژهاي سمت راست را هيپريوتكتيك مي نامند. چون نقطه يوتكتيك محل تلاقي خطوط مايع و جامد است ، در اين نقطه انجماد شروع مي شود و دما تا پايان انجماد ثابت مي ماند و با لاخره مايع به صورت دو فاز منجمد مي شود . اين دو فاز هميشه عبارتند از فازهاي كه در دو انتهاي خط دماي يوتكتيك واقع شده اند كه در اينجا فلز خالص آلومينيوم در فلز خالص سيليسيم است. فرض ميكنيم كه نخست مقدار اندكي از فلز آلومينيوم منجمد شود مقدار فلز سيليسيم در مايع از حد خود تجاوز ميكند يعني مايع از فلز سيليسيم غني تر مي گردد و از اين دو تركيب مايع اندكي به طرف راست تغيير مكان ميدهد براي اين كه تركيب مايع دوباره به حالت تعادل برسد مقداري از فلز سيليسيم منجمد ميگردد و اگر مقدار بيشتر سيليسيم منجمد شود تركيب مايع اندكي به ترف چپ تغيير مكان خواهد داد يعني مقدار آلومينيوم در مايع بيشتر خواهد شد بنابرين در دماي ثابت فلز خالص Al و Si به نوبت انجماد يافته و در نتيجه مخلوط بسيار ريزي را تشكيل ميدهند كه معمولا زير ميكروسكوب قابل رويت است . اين مخلوط ، مخلوط يوتكتيك ناميده ميشود . از آنجائي كه انجماد آلياژ يوتكتيك در دماي ثابتي رخ ميدهد بنابرين منحني تبريد آن همانند فلزات خالص و آلياژهاي ذوب هم ارز بوده ولي خود انجماد يوتكتيك غير هم ارز است زيرا تركيب فاز مايع با تركيب هر يك از فازهاي جامد متفاوت مي باشد.

2-خواص مکانيکي
 

آلياژ‌هاي دوتايي Al – Si تا ترکيب يوتکتيک انعطاف‌پذيري خوبي دارند مشروط بر اين که مقدار آهن محتوي که باعث تشکيل صفات درشت و ترد ترکيب مي کند در حداقل مقدار ممکن کنترل شود. در اين ارتباط افزودن منگنز مفيد واقع مي‌شود. اگر مقدار سيليسيم محتوي کمتر از 8? باشد اصلاح ساختار جهت حصول انعطاف‌پذيري قابل قبول لازم نيست، زيرا مقدار فاز اوليه آلومينيوم موجود نسبتا زياد است. ترکيب يوتکتيک داراي سياليت بالا و انقباض انجماد پاييني است و در توليد قطعات ريخته‌گري ديواره نازک مانند پوسته ديفرانسيل اتومبيل کاربرد اساسي ندارد مانند وسائل پخت و پز پوسته پمپ و برخي قطعات خاص اتومبيل از جمله مانيفولدي که با آب سرد مي شود در ريخته‌گري ماسه‌اي و قالب دائمي استفاده مي‌‌‌گردد.
وقتي که آلياژهاي ريخته‌گري آلومينيوم حاوي مقادير قابل توجه سيليسيم در دماي بالا قرار گيرد دراثر رسوب سيليسيم از محلول جامد رشد ابعادي در آنها اتفاق مي ‌افتد. از طريق عمليات حرارتي در دماي 0 C 250-200 به مدت چندين ساعت قبل از
ماشين‌کاري يا مصرف مي‌توان پايداري ابعادي حاصل کرد و براي قطعات ريخته‌گري که بايد در دماهاي 0 C 150 يا بالاتر مصرف شوند بايد حالت T5 يا T7 به قطعه داد.
گر چه آلياژهاي Al – Si به دليل اين که فاز آلومينيوم در سرد کردن سريع قابليت فوق اشباع شدن با سيليسيم را دارد در مقابل عمليات حرارتي از خود عکس العمل نشان مي دهد، ولي با افزودن برخي از عناصر ديگر مانند مس و منيزيم مقاوم شدن بسيار زيادتري قابل حصول است. مس استحکام را افزايش مي‌دهد و قابليت ماشينکاري را بهبود مي‌بخشد گر چه اين امر با کاهش سياليت انعطاف‌پذيري و مقاومت خوردگي توام است. سالها است که آلياژ Al – Si- Cu در دسترس بوده و يک حالت بهينه بين خواص مختلف حاصل شده است.
ترکيب اين آلياژها اغلب در محدوده ?5-/10-3 سيليسيم و ?5/4-5/1 مس قرار مي گيرد از آلياژهاي پر‌سيليسيم (مثلا Al -10 Si ) براي ريخته‌گري ماسه‌اي يا قالب دائمي استفاده مي‌شود. از طريق پير کردن مصنوعي اغلب مي‌توان استحکام و قابليت ماشينکاري برخي از اين قطعات ريخته‌گري را افزايش داد. به طور کلي آلياژهاي Al – Si براي بسياري از موارد مصرف دارند آلياژهاي ريخته‌گري نيز مانند آلياژهاي کارپذير حاوي عناصر اضافي جزئي بيسموت و سرب هستند که خواص ماشينکاري را بهبود مي‌بخشند.
وقتي که خواص ويژه‌اي مورد نياز باشد ترکيبات پيچيده‌تري نيز در دسترس بوده و قابل استفاده است. يک نمونه در اين مورد آلياژهاي پيستون موتورهاي احتراق داخلي است. مانند 332 A که در مخصوصا نيکل از طريق تشکيل ترکيبات بين فلزي که خستي پراکندگي ايجاد مي‌کند باعث بهبود خواص دما بالاي آلياژ مي‌گردد. مثال ديگر ترکيب بعد يوتکتيک مانند390 A است که براي ريخته‌گري در ماسه و قالب‌دائمي بدنه سيلندر تمام آلومينيوم اتومبيل استفاده مي‌شود. در اين ارتباط جهات اصلي برنامه‌هاي توسعه‌اي تمايل براي حذف بوش‌هاي چدني به عنوان آسترهاي سيلندرها است که در بسياري از موتورهاي توليد استفاده مي‌شود. در اين رابطه لازم است در زمينه يوتکتيک مقدار کافي ذرات سخت سيليسيم اوليه جهت حصول مقاومت سايشي بالا در سيلندر در خلال مصرف آن به همراه توزيع کم ذرات طوري که از مشکلات جدي، ماشينکاري پرهيز شود وجود داشته باشد. همچنين اطمينان از ريز بودن Si اوليه مورد نظر است. در اين مورد ?03/0 -01/0 فسفر به آلياژ اضافه مي شود تا با Al واکنش کرده و ذرات ريز حل Atp که به عنوان هسته‌اي که سيليسيم بر روي آن تشکيل مي‌شود عمل مي کند.
تحقيقات اخير بر روي مکانيزم سايش در آلياژهاي ريخته‌گري آلومينيوم نشان داده شده است که در زير سطح سايش و به موازات آن نورهاي فشرده برشي ايجاد مي‌شود. ممکن است ترک در امتداد اين نوارهاي برشي آغاز و ادامه يابد تا زماني که يک لبه يا لايه نازک در بالاي آن از سطح جدا شود. همچنين نشان داده شده است که فرايند سايش تحت تاثير برخي مشخصه‌هاي ريز ساختاري خاص قرار مي گيرد. ذرات سخت فازها يا ترکيبات بين فازي اوليه مانند سيليسيم اوليه و يا حضور فاز اوليه که نسبتا نرم بوده و مسيرهاي خوبي براي تغيير شکل و برش آسان را فراهم مي‌کند. مثالهايي که در اين زمينه مي باشند اين مشاهدات يک زمينه سخت مي باشد. ترکيب نوعي براي آلياژ HA 3 عبارت است از Mn 5/0- Mg 5/0- Ni 2- Cu 2- SI 14- Sr 5/0 استرانيسم به عنوان اصلاح کننده ادعا شده است که آلياژ HA 3 ترکيب منحصر به فردي از خاص شامل قابليت ماشينکاري استحکام بالائي بهبود يافته است.
تعداد زيادي از قطعات ريخته شده در ماسه و قالبهاي دائمي از آلياژهاي Al – Si-Mg مانند آلياژ 356 ساخته مي‌شوند. که در آنها مقدار نسبتا کمي منيزيم از طريق رسوب Mg2 Si در زمينه آلومينيوم پير سختي قابل توجهي ايجاد مي‌کند. براي مثال استحکام تسليم اين آلياژ در حالت T6 بيش از دو برابر آن در آلياژ دوتائي حاوي مقادير مشابه Si است. به علاوه اين آلياژ‌ها مقاومت خوردگي عالي نيز نشان مي دهند. اين آلياژ‌ها کاربر خاص در هواپيما و اتومبيل يافته‌اند. يک نمونه جديد اين موارد چرخهاي سبک وزن اتومبيلهاي مسابقه‌اي است. طبيعت بحراني بهري از اين موارد منجر به مطالعاتي در ارتباط با روباط بين ريز ساختار و سختي گرديد و براي برخي ترکيبات خاص عمليات حرارتي شده چقرمگي شکست تا حاصل شده است که به خوبي قابل مقايسه با مقادير مورد انتظار آلياژهاي کارپذير است. به اين ترتيب به نظر مي رسد که جايگزيني احتمالي برخي قطعات کارپذير با اين قطعات ريختگي نسبتا ارزان در آينده به اجرا درآيد. نمونه‌هايي از چنين تغييرات براي برخي اتصالات بحراني هواپيما براي سازه موتور ريخته شده در ماسه وجود دارد.

3- خواص ريخته‌گري
 

به علت سياليت خيلي خوب و نقطه ذوب پايين اين آلياژ ميتوان براي ريخته‌گري آن از انواع پروسه‌هاي ريخته‌گري مانند ريخته‌گري در ماسه، ريخته‌گري در قلب دائمي، ريخته‌گري در قالب تحت فشار محفظه سرد استفاده کرد و مذاب آلياژ تحت نيروي ثقل به داخل قالبهاي ماسه‌اي ريخته‌گري مي‌گردند. براي ساخت قالب‌ها مي‌توان از انواع ماسه‌هاي طبيعي مورد استفاده در صنعت استفاده کرد. در قالبهاي فلزي مورد استفاده در روش ريخته‌گري دائمي مذاب يا تحت نيروي ثقل و يا استفاده از هوا يا ساير گازهاي تحت فشار کم به داخل قالب تزريق مي‌گردد. از قالبهاي چدني و فولادي و در بعضي موارد براي بالا بردن سرعت سرد کردن از قالبهاي مسي استفاده مي‌شود ( سريع سرد کردن باعث ريز شده دانه‌ مي‌شود) در ريخته‌گري تحت فشار مذاب آلومينيوم با کمک يک پيستون هيدروليکي با فشار زياد به داخل قالب فولادي تزريق مي‌شود. مساله اصلي در مورد قطعات ريخته‌گري انقباض نسبتا بالاي بين 5/3-5/8 درصد است که در خلال انجماد صورت مي‌گيرد. اين انقباض بايد در طراحي قالب در نظر گرفته شود تا دقت ابعادي لازم حاصل گردد و از مسائلي مانند ترک يا پارگي داغ، تنشهاي باقيمانده و حفره‌هاي انقباضي جلوگيري شود.
استفاده از مبردهاي فلزي در قالب براي افزايش نرخ انجماد مي‌تواند خواص مکانيکي حاصل را افزايش بخشد براي ريخته‌گري اين آلياژها مي‌توان از قالباي سراميکي در ريخته‌گري دقيق استفاده کرد. روشهاي جديدي New and Emerging Orocesses براي ريخته‌گري اين آلياژ طي سالهاي گذشته ابداع شده است که اين روشها باعث مي شود در حين ريخته‌گري ما به خواص مطلوب‌تري از نظر دانه‌بندي برسيم. ريخته‌گري مذاب در سطح شيب‌دار، ريخته‌گري فشاري و ريخته‌گري همراه با امواج التراسونيک از اين موارد هستند.
سياليت يکي از مشخصه‌هاي آلياژ ذوب شده است که باعث ريخته‌گري و پر کردن قالب مي‌شود. آلياژها سياليت‌هاي متفاوتي از خود نشان مي‌دهند که اين مطلب به سياليت ذاتي (خواص فيزيکي) فلز برمي‌گردد. بنا به سياليت‌هاي متفاوت آلياژها از روش‌هاي مختلف ريخته‌گري استفاده مي‌شود. موضوع سياليت باعث مي‌شود که گفته شود بعضي از آلياژها قابليت ريخته‌گري بهتري دارند. آلياژ Al – Si از سياليت بسياري خوبي برخوردار است و به همين دليل مي‌توان روش‌هاي مختلف ريخته‌گري براي توليد قطعات استفاده کرد. اين قابليت باعث شده است که از آن به فراواني براي توليد سيلندرهاي اتومبيل و پوسته ديفرانسيل و گيربکسها استفاده شود. از اين آلياژ براي توليد قطعات نازک بسيار استفاده مي شود.

1-3 - سياليت (Fluidity)
 

از طريق مشاهدات در ريخته‌گري نتيجه گرديده است که هنگام پر کردن قالب با يک طرح معين که قسمت‌هاي نازک نيز وجود دارد و تمام پارامترهاي ديگر ثابت منظور شده بعضي از آلياژها قادر به پر کردن قالب هستند و برخي ديگر اين قابليت را ندارند. چنين پديده‌اي از ريخته‌گران سياليت معني کرده‌اند و در بعضي موارد جهت اشتباه با سياليت مورد نظر در علوم هيدروليک به سياليت ريخته‌گري تعبير شده است.
سياليت به دو فاکتور اصلي وابسته است:
1- سياليت ذاتي فلز (پارامترهاي شيمي فيزکي)
2- روش ريخته‌گري
خواص فوق اگر چه بر روي سياليت بيشترين تاثير را دارند ولي موارد ديگري از جمله: کشش سطحي مذاب، اکسيدهاي فيلم سطحي، ناخالصيها، حالت انجماد، دماي ذوب‌ريزي، مواد قالب و تنش سطحي مذاب نيز از عوامل مهمي بر سياليت هستند. بعضي از اين عوامل ذکر شده در زير تشريح شده‌اند.
درجه حرارت: درجه حرارت مذاب يکي از مهمترين عوامل در پرشان قالب مي باشد. آزمايشات نشان داده است که سياليت ارتباط مستقيمي با درجه حرارت دارد. هر چه فوق ذوب بالا رود ميزان سياليت نيز بالا مي رود البته بايد در نظر داشت که بالا بردن بيش از حد فوق ذوب مشکلات مختلفي را در پي دارد.
ترکيب: ترکيب شيميايي يکي ديگر از عوامل موثر بر سياليت مي باشد، معمولا فلزات خالص و آلياژهاي يوتکتيک داراي سياليت بيشتري هستند و آلياژ‌هاي محلول به خصوص آنهايي که دامنه انجماد طولاني‌تري دارند از نظر سياليت ضعيف‌تر هستند به طوري که مي‌توان رابطه معکوس سياليت و فاصله انجماد را مطرح نمود. ترکيباتي که به خوبي در هم محلول نيستند باعث پايين آمدن ميزان سياليت مي‌شوند.
انجماد: نوع انجماد ( خميري يا پوسته‌اي) بر سياليت اثرگذار است. در حالت پوسته‌اي در موقع انجماد کانال کاملا بسته نشده است و امکان پر شدن قالب وجود دارد. در صورتي که در حالت انجماد خميري با اولين تاثير انجماد سياليت به طور فاحشي کاهش مي يابد. سرعت انتقال حرارت مذاب و قالب و گرماي نهان‌گداز نيز در سياليت نقش دارند.
اکسيدهاي فيلم Al2O3 : اکسيدهاي فيلم سطحي Al2O3 باعث افزايش تنش سطحي مذاب مي‌گردد و باعث کاهش سياليت مي‌شود.
مواد قالب: هر چند سياليت مذاب را بايستي از تاثير قالب بر کنار نمود ولي تاثير مواد قالب در چگونگي پر شدن آن خالي از اهميت نسبت از اين رو قالب يا از طريق هدايت حرارتي و يا از طريق تقليل و تغيير سرعت جريان در سياليت اهميت پيدا مي‌کند.
سرعت سرد شدن نسبت به درجه حرارت معمولا به وسيله قابليت نفوذ حرارت در قالب تعيين مي‌گردد. اصطکاک مذاب با ديواره و سطح قالب که باعث تقليل انرژي مذاب مي‌گردد تاثير سطح قالب را مشخص مي‌کند و از اين رو چگونگي ساخت قالب از نظر صافي سطوح و همچنين شکل محفظه قالب جز عوامل موثر در پر شدن قالب است در حالي که درجه حرارت قالب را نيز بايستي جز عوامل موثر منظور نمود .

2-3- اندازه‌گيري سياليت
 

از آن جا که سياليت را نمي‌توان جز يکي از خواص فيزيکي دانست از اين رو آزمايشات مختلف براي تعيين سياليت بر مبناي مقايسه و بيشتر بر اساس لوازم و موادي است که در هر کارگاه به کار مي‌رود. در شرايط ثابت مي‌توان با تعيين اندازه طول يا سطح نمونه‌هاي پر شده توسط مذاب واحدي براي سياليت تعيين نمود. آزمايشات اوليه سياليت توسط Krynitsky , Clark انجام پذيرفت که مستقيما مذاب را در يک کانال افقي وارد مي‌گردند و سپس اين آزمايش جهت تقليل طول کانال به سيستم مارپيچ Spiral درآمد که هنوز هم در صنعت مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در حالت کلي نوع آزمايش و تعيين ابعاد به تجربه و نوع متغيرهاي مختلف بستگي دارد.
ارسالي از طرف کاربر محترم : the_holl_virus