گزارش کارآموزی در شرکت ذوب فلزات ایمن کار ( فرد)

مشخصات فیزیکی

آلومینیم یکی از عناصر گروه سدیم در جدول تناوبی است که با تعداد پروتون 13 و نوترون 14 طبقه بندی الکترونی آن به صورت زیر می باشد :

(1S2);(2S2)(2P6);(3S2)(3P1)                                   

که در نتیجه می توان علاوه بر ظرفیت 3 ، ظرفیت 1 را نیز در بعضی شرایط برای آلومینیم در نظر گرفت .

آلومینیم از یک نوع ایزوتوپ تشکیل شده است و جرم اتمی آن در اندازه گیری های فیزیکی 9901/26 و در اندازه گیری های شیمیایی 98/26 تعیین گردیده است . شعاع اتمی این عنصر در 25 درجه سانتی گراد برابر 42885/1 آنگسترم و شعاع یونی آن از طریق روش گلداسمیت برابر A57/0 بدست آمده است که در ساختمان FCC و بدون هیچ گونه تغییر شکل آلوتروپیکی متبلور می شود .

مهمترین آلیاژ های صنعتی و تجارتی آلومینیم عبارت از آلیاژ های این عنصر و عناصر دوره تناوبی سدیم مانند منیزیم ، سیلیسیم و عناصر دوره وابسته تناوب مانند مس و یا آلیاژ های توام این دو گروه است .

(Al-CuMgSi);(Al-CuMg);(Al-SiMg);(Al-Cu);(Al-Si);(Al-Mg)

سیلیسیم و منیزیم با اعداد اتمی 14 و12 همسایه های اصلی آلومینیم         می باشند و بسیاری از کاربرد های تکنولوژیکی آلومینیم بر اساس چنین همسایگی استوار است .

ثابت کریستالی آلومینیم A0414/4 = a  و مطابق شرایط فیزیکی قطر اتمی آن 8577/2 = dAl می باشد . بدیهی است حلالیت آلومینیم به نسبت زیادی به قطر اتمی بستگی دارد و مطابق آنچه در مباحث متالوژی فیزیکی بیان       می گردد ، اختلاف قطر اتم های حلال و محلول نباید از 15 % تجاوز نماید ، در حالی که شکل ساختمانی و الکترون های مدار آخر نیز در این حلالیت بی تاثیر نیستند .

مشخصات ریخته گری و ذوب

آلومینیم و آلیاژ های آن به دلیل نقطه ذوب کم و برخورداری از سیالیت بالنسبه خوب و همچنین گسترش خواص مکانیکی و فیزیکی در اثر آلیاژ سازی و قبول پدیده های عملیات حرارتی و عملیات مکانیکی ، در صنایع امروز از اهمیت زیادی برخور دارند و روز به روز موارد مصرف این آلیاژ ها توسعه می یابد . عناصر مختلف مانند سیلیسیم ، منیزیم و مس در خواص ریخته گری و مکانیکی این عنصر شدیداً تأثیر می گذارند و یک رشته آلیاژ های صنعتی پدید می آورند که از مقاوت مکانیکی ، مقاوت به خورندگی و قابلیت ماشین کاری بسیار مطلوب برخوردارند . قابلیت جذب گاز و فعل و انفعالات شیمیایی در حالت مذاب از اهم مطالبی است که در ذوب و ریخته گری آلومینیم مورد بحث قرار می گیرد .

 تقسیم بندی آلیاژ ها

آلیاژ های آلومینیم در اولین مرحله به دو دسته تقسیم می گردند :

الف ) آلیاژ های نوردی (Wrought Alloys) که قابلیت پزیرش انواع و اقسام کارهای مکانیکی ( نورد ، اکستروژن و فلز گری ) را دارند .

ب ) آلیاژ های ریختگی (Casting   Alloys) که در شکل ریزی و ریخته گری های آلومینیم با گسترش بسیار مورد استفاده اند . آلیاژ های نوردی که در مباحث شکل دادن فلزات مورد مطالعه قرار می گیرند از طریق یکی از روش های شمش ریزی (مداوم ، نیمه مداوم ، منفرد ) تهیه             می گردند و پس از قبول عملیات حرارتی لازم ، تحت تاثیر یکی از زوش های عملیات مکانیکی به شکل نهایی در می آیند .

آلیاژ های ریختگی آلومینیم که مورد بحث این پروژه نیز می باشند از طرق مختلف ریخته گری ( ماسه ای ، پوسته ای ، فلزی و تحت فشار )شکل         می گیرنند و مستقیماً و یا بعد از عملیات حرارتی ( در صورت لزوم )در صنعت استفاده می شوند .

در مورد آلومینیم و سایر آلیاژ ها کشور های مختلف استاندارد های متفاوتی به کار می برند که مشخصه درجه خلوص و یا میزان نا خالصی ها و سایر ترکیبات آلیاژ می باشد . استاندارد آلیاژ های آلومینیم علاوه بر مشخصه های ارقامی که در جداول 1 و 2  درج گردیده است به کمک رنگهای اصلی نیز آنجام می گیرد . نمونه چنین رنگهایی در استاندارد انگلیسی عبارت است از :

آلومینیم خالص                                      رنگ سفید

آلومینیم مس                                       رنگ سبز

آلومینیم منیزیم                                    رنگ سیاه

آلومینیم مس نیکل                              رنگ قهوه ای

آلومینیم روی مس                              رنگ آبی

آلومینیم سیلیسیم (منیزیم )                      رنگ زرد

آلومینیم سیلیسیم ( مس )                        رنگ قرمز 

در ایران متأسفانه هنوز استانداردی برای صنایع آلومینیم بکار نمی رود و به رابطه کارخانه با کشور های مختلف سیستم های متفاوت انگلیسی ، امریکایی ، بلژیکی و غیره بستگی دارد. مقایسه استاندارد های مختلف جهانی تقریباً مشکل و در مورد آلیاژ های ریختگی نیز با اندک تفاوت چنین مقایسه ای آمکان پذیر می باشد .

آلیاژ سازها (Hardeners)

این عناصر که به نام های Temper  Alloys و Master  Alloysنیز نامیده می شوند به مقدار زیادی در صنایع ریخته گری آلومینیم به کار           می روند ، زیرا آلومینیم با نقطه ذوب کم اغلب قادر به ذوب و پذیرش مستقیم عناصر با نقطه ذوب بالا نیست (مس 1083 درجه ، منگنز 1244 درجه ، نیکل 1455 درجه ، سیلیسیم 1415 درجه ، آهن 1539 درجه و تیتانیم 1660درجه سانتی گراد ) . همچنین عناصر دیگری که نقطه ذوب بالا ندارند ، دارای فشار بخار وشدت تصعید و اکسیداسیون می باشند که در صورت استفاده مستقیم درصد اتلاف این عناصر شدیدا افزایش می یابد          ( منیزیم ، روی ) . ترکیب شیمیایی و نقطه ذوب بعضی از آلیاژ ها که در صنایع آلومینیم به کار می رود .مشخصات متالوژیکی آلیاژ ها در فصل جداگانه ای مورد مطالعه قرار خواهد گرفت . تهیه آلیاژ ساز ها معمولا در کار گاههای ریخته گری نیز انجام می گیرد در این مواقع اغلب روش های زیر مورد استفاده است .

معمولا قطعات عنصر دیر ذوب را ریز نموده و در فویل های الومینیمی پیچیده و یا در شناور های گرافیتی قرار داده ودر داخل مذاب الومینیم (800 درجه تا 850 درجه تحت فلاکس )فرو می برند و سپس آن را به هم میزنند.

در بعضی موارد ودر صورت امکان از دو کوره ذوب استفاده می نمایند و بعد از ذوب دو عنصر ،آن ها را باهم مخلوت میکنند. این عمل در مورد اجسامی که تا 1100 درجه سانتی گراد نقطه ذوب دارند مقرون به صرفه است ولی در مورد عناصر با نقطه ذوب بالا عملا مشکلاتی را فراهم میکند.

کنترل ترکیب

الیاژهای متعدد و متفاوت الومینیم هر یک به نوعی دارای ناخالصی های طبیعی هستند که در شمش های اولیه آنان موجود میباشد وعلاوه بر آن شارژ نا مناسب وعدم دقت در شارژ باعث بروز انواع نا خالصی ها در فلز مذاب میگردد.عناصر نا خالصی اغلب از حد حلالیت متجاوز هستند و به صورت فازهای فلزی وتر کیبات فلزی در قطعه ریخته شده ظاهرمی گردند .

ترکیبات بین فلزی همچنین تحت تا ثیر پدیده جدایش در مذاب حاصل میشوند که در عمل برای جلوگیری از این پدیده تنظیم شرایط ریخته گری و انجماد الزامی میگردد. بعضی از عناصر متشکله آلیاژ ماندد منیزیم ،برلیم ،سدیم و کلسیم در اثر حرارتهای محیط ذوب و وجود هوا اکسیده میگردند ودرصد اتلاف انان در مذاب افزایش می یابد،به خصوص اگر زمان نگاه داری مذاب در درجه حرارتهای بالا زیاد باشد از این رو ترکیب شیمیا یی الاژ تغییرات عمده خواهد داشت.از طرف دیگر عناصری مانند مس،آهن،کرم،نیکل،منگنز تمایل چندانی به اکسیده شدن ندارند ولی پدیده جدایش در حضور این عناصر با سهولت بیشتری انجام میگیرد،که برای جلو گیری از آن بهم زدن مذاب در طول ذوب و در زمان ریختن الزامی است(بدیهی است بهم زدن مذاب بایستی به گونه ای باشد تا اکسیده شدن مذاب را تشدید نکند).

در بسیاری موارد برای جلو گیری از اکسیداسیون مواد شارژ،آن ها را با فلاکس( Coveral Flux )پوشش می دهند.

در حالت کلی بایستی ترکیب دقیق مواد شارژ و درصد اتلافات کوره نسبت به هر یک از عناصر آلیاژی که به درجه حرارت ان نیز بستگی دارد،کاملا از طریق تجزیه وازمایش روشن گردد.در جدول 4 درصد تقریبی اتلافات عناصر مختلف بر حسب نوع شارژ و کوره مورد استفاده درج گردیده است.

  برگشتی ها و قراضه های شمش های اولیه

از جدول 4 نتیجه میگردد که علاوه بر نوع کوره اندازه قطعات وهم چنین چگونگی الاژ ان در میزان اتلافات مؤثر میباشد.در آزمایشات مؤلف در آلیاژ Al-Cu4-Mg1.5  که به صورت شمش و براده های ماشین شده انجام گرفت ، اثبات شده که میزان اتلاف ناشی از مراحل ذوب از 2% به 7% افزایش یافته است که قسمت اعظم این افزایش مربوط به اتلاف منیزیم والو مینیم بوده است.

آهن یکی از عناصری است که به سهولت از وسایل ذوب به الومینیم نفوظ میکند وبه همراه منگنز وکرم در صورت وجود،ترکیبات بین فلزی بسیار سخت تولید میکند وهمچنین  همراه با مقادیر زیادی آلومینیم در ته بوته به صورت ته نشین (لجن)رسوب میکند. برای جلو گیری از این امر بایستی توجه داشت که هم واره رابطه زیر بر قرار باشد: 

 %Fe+3(%Cr)+2(%Mn)£1.9%

علاوه بر آن،اهن وسلیسیم به صورت a (Al-Fesi)  و یا b  باعث افزایش مقدار انقباض حجمی وانقباض پراکنده در سطح قطعه میگردند.

برای جلوگیری از تمام مراحل تر کیبی،بایستی الومینیم قبل از ریختن از نظر ترکیب شیمیا یی کنترل شود وچنان چه درصد یکی از عناصر زیاد تر از اندازه متعارف باشدبا افزودن آلومینیم خالص ویا آمیژان های مخصوص ترکیب ان را موازنه نمود.در آزمایشات کنترل ترکیبی معمولا مذاب را در یک قالب فلزی (کتابی)ریخته واز قسمت های مختلف ان نمونه برداری می کنند وهمچنین آزمایشات متا لو گرافی نیز می توانند در این امر از اهمیت خاصی بر خوردار باشند.حذف نا خالصی های فلزی بخصوص در مورد آلیاژ های ریخته گری و ذوب قراضه ها حایز اهمیت می باشد و همانگونه که در قسمت های این کتاب ذکر شده است عمده ترین آلیاژ های آلومینیم ، منیزیم، آهن ، سیلیسیم ، مس ، روی، منگنز ، کروم ، سرب ، تیتانیم ، زیرکنیم ، قلع ، سدیم و کلسیم می باشند که در عملیات ذوب برخی از آنها به کمک پدیده های شیمیایی و برخی بصورت عملیات فیزیکی حذف می شوند یا تقلیل می یابند .

انجام عملیات شیمیایی بر مبنای حرارت تشکیل اکسیدها ، کلرورها ، فلوئور ها ، سولفور ها و نیترور ها قرار دارد که در جدول 4درج گردیده است و مشخ میگردد که ترکیب شیمیایی بعضی از عناصر سریع تر از ترکیب آلومینیم تشکیل می شود و خروج و تخلیص آلیاژ راامکان پذیر می سازد . منیزیم به دلیل سرعت اکسیداسیون و به  خصوص در درجه حرارت ذوب ، با افزایش زمان نگهداری به میزان 1%و یا بیشتر از مذاب حذف می گردد . ولی افزایش درجه حرارت و زمان نگهداری آن در اکسیداسیون آلومینیم به شرحی که گفته شد نیز موثر می باشد و به همین دلیل منیزیم زدایی که قبلا در درجه حرارت های 800 تا 900 درجه سانتی گراد انجام می گردید ، اهمیت خود را از دست داده است و با مقایسه گرمای تشکیل کلرور منیزیم نسبت به آلومینیم و همچنین کلرور های کلسیم و سدیم حذف عناصر مذکور با افزایش گاز کلر به مذاب یا مقیاس بسیار وسیعی انجام می گیرد .

افزایش گاز کلر که در گاززدایی نیز موثر می باشد فقط در مورد کلرور های سنگین که در مذاب حضور دارند تاثیر تاثیر مطلوب نداشته و باعث ورود عناصر دیگر به داخل مذاب خواهد شد .

نمک سدیم نیز می تواند منیزیم را از مذاب خارج سازد و از این رو افزایش کلر ، کلرور سدیم ، فلوئور آلومینیم برای حذف منیزیم ، سدیم، کلسیم و سایر موادی که حرارت تشکیل مناسب دارند ، به کار می رود . از طرف دیگر تیتانیم که همواره به مقدار بسیار کمی در آلیاژ وجود دارد به ندرت خارج می شود و در موارد خاص مخلوطی از گاز کلر و ازت می تواند تشکیل نیتروتیتانیم داده و آنها را به سرباره انتقال دهد . بروفلوئور مضاعف بر پتاسیم مواقع موثر می باشند .

سیلیسیم و آهن به هیچ طریق شیمیایی از مذاب آلومینیم جدا نمی شوند و فقط روش الکترولیز سه لایه برای حذف این عناصر مفید تشخیص داده شده است که در انتهای همین مبحث تشریح می شود.