آلومینیوم خالص نرم است و در بیشتر کاربردهای صنعتی به شکل آلیاژ مصرف میشود. تأثیر عناصر آلیاژی بر آلومینیوم از همین‌جا اهمیت پیدا میکند: چند درصد سیلیسیم، مس یا منیزیم سیالیت مذاب، استحکام قطعه، ماشین‌کاری و مقاومت به خوردگی را تغییر میدهد و چند ده ppm استرانسیم یا تیتانیوم ساختار قطعه را. این مقاله نقش عناصر اصلی و جزئی آلیاژهای ریختگی را توضیح میدهد و نشان میدهد هر ردیف برگه آنالیز شمش چه معنایی دارد.
خلاصه در یک نگاه
- سیلیسیم رفتار مذاب را تعیین میکند: سیالیت بیشتر، انقباض و ترک گرم کمتر.
- مس استحکام و ماشین‌کاری را بالا میبرد و مقاومت به خوردگی را پایین می‌آورد.
- منیزیم امکان عملیات حرارتی را فراهم میکند.
- آهن در دایکاست لازم است، اما بیش از سقف، قطعه را ترد میکند.
- منگنز اثر منفی آهن را کم میکند، اما با آهن و کروم خطر لجن می‌سازد.
- استرانسیم، سدیم و تیتانیوم در مقادیر بسیار کم، ریزساختار را اصلاح و ریز می‌کنند.
ترکیب آلیاژ، بخشی از انتخاب ماده اولیه
انتخاب ترکیب مناسب به نیاز قطعه و فرآیند تولید وابسته است؛ آلیاژی که برای دایکاست یک قطعه جدارنازک عالی است، لزوماً برای قطعه‌ای که باید جوشکاری یا عملیات حرارتی شود بهترین انتخاب نیست. محدوده مجاز هر عنصر در گریدهای رایج را در جدول آنالیز آلیاژهای آلومینیوم کنار هم آورده‌ایم.
سیلیسیم؛ تعیین‌کننده رفتار مذاب
سیلیسیم متداول‌ترین عنصر آلیاژی در آلیاژهای ریختگی آلومینیوم است. سیالیت مذاب را بهبود میدهد، یعنی مذاب راحت‌تر قالب را پر میکند و قطعات جدارنازک بهتر شکل می‌گیرند. سیلیسیم همچنین انقباض هنگام انجماد را کم میکند و حساسیت به ترک گرم را پایین می‌آورد.
آلیاژ آلومینیوم با حدود ۱۲٫۶ درصد سیلیسیم یوتکتیک است و به جای یک بازه دمایی، در حدود ۵۷۷ درجه سانتی‌گراد منجمد میشود. آلیاژهای پرسیلیسیم نزدیک به این نقطه، مانند LM2، LM6 و ADC12، به همین دلیل در ریختهگری تحت فشار پرکاربردند. درباره دمای ذوب این آلیاژها در مقاله دمای ذوب آلومینیوم بیشتر بخوانید.
آلیاژهای هایپریوتکتیک
آلیاژهایی با سیلیسیم بیش از نقطه یوتکتیک، مانند A390 با حدود ۱۷ درصد سیلیسیم، ذرات درشت و سخت سیلیسیم اولیه دارند. این ذرات مقاومت سایشی بسیار بالایی می‌دهند و به همین دلیل در بلوک موتور و پیستون به کار می‌روند. برای ریز کردن این ذرات از فسفر استفاده میشود.
اصلاح سیلیسیم با استرانسیم و سدیم
سیلیسیم یوتکتیک به‌طور طبیعی به شکل صفحه‌ها و سوزن‌های درشت و ترد منجمد میشود. افزودن مقدار بسیار کمی استرانسیم یا سدیم این ساختار را به الیافی ریز تبدیل میکند که انعطافپذیری و سلامت قطعه را بهتر میکند. به این کار «اصلاح» یا مدیفیکاسیون می‌گویند. فسفر و استرانسیم با هم برهم‌کنش دارند؛ در آلیاژهایی که با استرانسیم اصلاح می‌شوند، فسفر زیاد اثر اصلاح را کم میکند.
مس؛ استحکام و قابلیت ماشین‌کاری
مس استحکام و سختی آلیاژ را، به‌ویژه در دماهای بالاتر، افزایش میدهد و ماشین‌کاری قطعه را بهتر میکند. در مقابل، افزایش مس مقاومت به خوردگی را کاهش میدهد و بازه انجماد را پهن‌تر میکند؛ بازه پهن‌تر یعنی حساسیت بیشتر به ترک گرم و تخلخل انقباضی. به همین دلیل گریدهایی مانند LM24 و A380 مس بیشتری دارند و برای قطعات با استحکام بالاتر انتخاب می‌شوند، در حالی که LM6 تقریباً بدون مس است و برای مقاومت به خوردگی انتخاب میشود.
منیزیم؛ پاسخ به عملیات حرارتی
منیزیم همراه با سیلیسیم ذرات بسیار ریز Mg₂Si می‌سازد و امکان سخت‌گردانی با عملیات حرارتی T6 را فراهم میکند. نمونه شناخته‌شده آن A356 است که حدود ۰٫۲۵ تا ۰٫۴۵ درصد منیزیم دارد و در رینگ خودرو به کار می‌رود. در بسیاری از گریدهای دایکاست اما منیزیم عنصری کنترلشده با سقف پایین است.
منیزیم تمایل زیادی به اکسید شدن دارد و مقداری از آن هنگام ذوب و نگهداری طولانی مذاب از دست می‌رود؛ این یکی از دلایلی است که آنالیز مذاب پیش از ریختن اهمیت دارد.
آهن؛ عنصری که معمولاً محدود میشود
آهن در بیشتر آلیاژهای ریختگی ناخالصی به حساب می‌آید و استانداردها برای آن سقف تعیین می‌کنند. آهن ترکیبات بین‌فلزی صفحه‌ای تشکیل میدهد که در مقطع قطعه سوزنی‌شکل دیده می‌شوند و انعطافپذیری را کم می‌کنند.
در دایکاست اما مقدار کنترلشدهای آهن لازم است: از چسبیدن مذاب به قالب فولادی جلوگیری میکند. به همین دلیل سقف آهن در گریدهای دایکاست بالاتر از گریدهای ریختهگری ثقلی است.
منگنز، کروم و خطر لجن
منگنز شکل ترکیبات آهن‌دار را از سوزنی به شکل فشرده‌تری تغییر میدهد که به آن «خط چینی» می‌گویند و اثر منفی آهن را کم میکند. در منابع ریختهگری معمولاً توصیه میشود منگنز حدود نصف آهن باشد.
اما آهن، منگنز و کروم بالا در دمای پایین نگهداری مذاب ترکیبات سخت و سنگینی به نام لجن می‌سازند که کف کوره ته‌نشین میشود یا به شکل ذرات سخت وارد قطعه میشود. در دایکاست این خطر با شاخص لجن سنجیده میشود:
شاخص لجن: Fe + 2Mn + 3Cr
هر چه این عدد بیشتر و دمای کوره نگهداری کمتر باشد، خطر لجن بیشتر است.
روی، نیکل، سرب و قلع
- روی: در آلیاژهای آلومینیوم–سیلیسیم معمولاً از ضایعات وارد ترکیب میشود. در مقادیر کم اثر محدودی دارد و سقف آن از گریدی به گرید دیگر تفاوت زیادی دارد؛ از ۰٫۱ درصد در LM6 تا ۳ درصد در A380.
- نیکل: استحکام در دمای بالا را حفظ میکند. در آلیاژهای پیستون مانند LM13 عمداً اضافه میشود و در بیشتر گریدهای دایکاست با سقف پایین کنترل میشود.
- سرب و قلع: معمولاً ناخالصی‌اند و با سقف پایین محدود می‌شوند. قلع در مقادیر بیش از سقف، خواص مکانیکی را کم میکند.
تیتانیوم و بور؛ ریزکننده دانه
تیتانیوم، معمولاً همراه با بور و به شکل آلیاژ واسطه آلومینیوم–تیتانیوم–بور، به مذاب اضافه میشود تا دانه‌های آلومینیوم ریزتر شوند. دانه ریزتر یعنی تغذیه بهتر مذاب، ترک گرم کمتر و خواص یکنواخت‌تر. بیشتر استانداردها برای تیتانیوم یک سقف تعیین می‌کنند.
جدول خلاصه اثر عناصر
| عنصر | اثر اصلی | نکته در برگه آنالیز |
|---|---|---|
| سیلیسیم Si | سیالیت بیشتر، انقباض و ترک گرم کمتر | عنصر اصلی گرید؛ باید در بازه باشد |
| مس Cu | استحکام و ماشین‌کاری بهتر | افزایش آن مقاومت به خوردگی را کم میکند |
| منیزیم Mg | امکان عملیات حرارتی و استحکام | در بسیاری از گریدهای دایکاست سقف پایین دارد |
| آهن Fe | کاهش چسبیدن به قالب در دایکاست | بیش از سقف، انعطافپذیری را کم میکند |
| منگنز Mn | اصلاح شکل ترکیبات آهن‌دار | همراه آهن و کروم، خطر لجن را بالا میبرد |
| کروم Cr | در مقادیر کم اثر محدود | در شاخص لجن با ضریب ۳ حساب میشود |
| روی Zn | اثر محدود در مقادیر کم | سقف آن از گریدی به گرید دیگر فرق دارد |
| نیکل Ni | استحکام در دمای بالا | در آلیاژهای پیستون عمداً اضافه میشود |
| تیتانیوم Ti | ریز کردن دانه | معمولاً با سقف محدود میشود |
| استرانسیم Sr و سدیم Na | اصلاح سیلیسیم یوتکتیک | در مقادیر بسیار کم و ppm اضافه می‌شوند |
چرا درصد یک عنصر به تنهایی معنا ندارد؟
اثر هر عنصر باید در کنار سایر عناصر و شرایط فرآیند بررسی شود. دو محموله با درصد سیلیسیم یکسان می‌توانند به دلیل تفاوت در مس، روی یا آهن، رفتار متفاوتی در قالب نشان دهند. نسبت منگنز به آهن، شاخص لجن و برهم‌کنش فسفر و استرانسیم هم نمونه‌هایی‌اند که فقط با نگاه به چند ردیف با هم معنا پیدا می‌کنند. مبنای مقایسه، کل ردیف‌های برگه آنالیز است، نه یک عدد.
پیش از سفارش چه چیزی بررسی شود؟
- گرید و استانداردی را که قطعه شما بر اساس آن طراحی شده مشخص کنید.
- برگه آنالیز محموله را بگیرید و ردیف به ردیف با محدوده استاندارد مقایسه کنید.
- عناصر اصلی گرید (سیلیسیم و مس) را در بازه و ناخالصی‌ها (آهن و روی) را زیر سقف ببینید.
- در دایکاست، شاخص لجن را با دمای کوره نگهداری خود بسنجید.
- اگر عددی نزدیک مرز است، پیش از سفارش با واحد فنی تامین‌کننده بررسی کنید.
سوالات متداول
مهمترین عنصر آلیاژی در شمشهای ریختهگری کدام است؟
در آلیاژهای ریختگی، سیلیسیم مهمترین عنصر است، چون رفتار مذاب و پرشدن قالب را تعیین میکند. پس از آن مس برای استحکام و آهن بهعنوان ناخالصی کنترلشده اهمیت دارند.
آیا آهن بیشتر همیشه بد است؟
نه. در دایکاست، مقدار کنترلشدهای آهن به کاهش چسبیدن مذاب به قالب کمک میکند. اما آهن بیش از سقف استاندارد انعطافپذیری قطعه را کم میکند و با منگنز و کروم خطر تشکیل لجن را بالا میبرد.
استرانسیم در آلیاژ آلومینیوم چه نقشی دارد؟
استرانسیم در مقادیر بسیار کم، سیلیسیم یوتکتیک را از صفحههای درشت و ترد به الیاف ریز تبدیل میکند و انعطافپذیری و سلامت قطعه را بهتر میکند. این اصلاح بیشتر در ریختهگری ثقلی و کمفشار آلیاژهایی مانند A356 رایج است.
شاخص لجن چیست و چگونه حساب میشود؟
شاخص لجن برابر است با درصد آهن بهعلاوه دو برابر منگنز بهعلاوه سه برابر کروم. این عدد خطر تشکیل ترکیبات سخت در کوره نگهداری دایکاست را نشان میدهد؛ خطر با بالا رفتن شاخص و پایین آمدن دمای کوره بیشتر میشود.
عناصر آلیاژی شمش را از کجا بفهمیم؟
از برگه آنالیز محموله. آنالیز هر محموله جداگانه اندازهگیری میشود؛ نمونه برگ آنالیز منتشرشده آلپین را در صفحه شمش آلومینیوم LM2 ببینید.
