سبائك الألومنيوم

الشركة المصنعة لـ 40 PPI Cff: تحليل العيوب والحلول الخاصة بسبائك الألومنيوم المصبوبة

في عملية إنتاج سبائك الألومنيوم المصبوبة، إذا لم يتم التحكم فيها بشكل سليم، غالبًا ما تظهر عيوب متنوعة في المنتج، لا سيما في سبائك الألومنيوم والسيليكون مثل ADC12 وA356.

التفريق الكيميائي للمكونات في السبائك: تُسمى ظاهرة التوزيع غير المتساوي للمكونات الكيميائية في السبائك بـ«التفريق». وفي سبائك الألومنيوم المشوهة، يشمل التفريق بشكل أساسي التفريق داخل الحبيبات والتفريق العكسي.

التفريق داخل الحبيبات في سبائك الألومنيوم المصبوبة

تُسمى ظاهرة التباين في التركيب الكيميائي للحبيبات في البنية المجهرية بـ«الفصل داخل الحبيبات».

تتمثل السمة الميكروية للانفصال داخل الحبيبات في أن البنية المتآكلة داخل الحبيبات تشبه البنية التي تتخذ شكل حلقات الأشجار. وتختلف الصلابة الميكروية داخل الحبيبات، حيث تكون الصلابة الميكروية بالقرب من حدود الحبيبات عالية، بينما تكون الصلابة الميكروية في مركز الحبيبات منخفضة.

إن وجود التفرق داخل الحبيبات يجعل التركيب الكيميائي داخل الحبيبة وبنية السبيكة غير متجانسين إلى حد كبير، مما يؤدي إلى تدهور خطير في أداء السبيكة، ولا سيما:

1. يؤدي التفاوت في التركيب الكيميائي ووجود طور زائد غير متوازن — الناجم عن التفرق في بلورات المحلول الصلب — إلى تقليل ثبات السبيكة في مواجهة التآكل الكهروكيميائي.
2. يؤدي ظهور تركيبة يوتكتية غير متوازنة أو ذات درجة انصهار منخفضة إلى خفض درجة انصهار السبيكة، مما يجعل من السهل حدوث احتراق مفرط موضعي أثناء عملية التشوه الحراري اللاحقة أو عملية التسخين من أجل التبريد السريع.
3. لا يؤدي التفرق داخل الحبيبات إلى ظهور أطوار غير متوازنة وزيادة عدد الأطوار الثانوية فحسب، بل إن هذه الأطوار ذات درجة انصهار منخفضة تشكل أيضًا شبكة شجيرية صلبة وهشة حول الشجيرات البلورية، مما يقلل بشكل حاد من مرونة السبيكة وأدائها في المعالجة.
4. ينتقل التباين في التركيب الكيميائي الناجم عن التفرق داخل الحبيبات إلى المنتج شبه النهائي، مما يؤدي إلى تكوّن حبيبات خشنة في المادة المعالجة بعد عملية التلدين.

ينجم التفرق داخل البلورات عن التبلور غير المتوازن. ولذلك، فإن التفرق داخل البلورات أمر لا مفر منه في عملية الصب المستمر لسبائك الألومنيوم في الواقع. وتتمثل إحدى الطرق الفعالة للقضاء على التفرق داخل البلورات في تجانس السبيكة لفترة طويلة.

حلول لمشكلة الفصل داخل الحبيبات

1. زيادة معدل التبريد، واستخدام المعالجة المتحولة لتحسين الحبيبات والبنية داخل الحبيبات، وتضييق نطاق التفرق داخل الحبيبات.
2. باستخدام طريقة معاكسة تمامًا، يتم تقليل معدل التبريد، وإجراء صب عميق في تجويف سائل على غرار صب السبائك، بهدف تقليل درجة التشبع الزائد للحديد والمنغنيز والعناصر الأخرى، وبالتالي تقليل درجة التفرق.
3. اختر بعض الإضافات التي يمكنها تغيير خصائص بلورات السبيكة بشكل مناسب. على سبيل المثال، تؤدي إضافة كمية مناسبة من الحديد إلى سبيكة 3A21 إلى تقليل تركيز المنغنيز في الحمام الصلب، مما يقلل بدوره من التوزيع غير المتساوي للمنغنيز في الحبيبات. وفي الإنتاج الفعلي، في وجود شوائب الحديد، تكون إضافة التيتانيوم مفيدة لتقليل التفرق في حبيبات المحلول الصلب لسبائك 3A21، لأن اتجاه تفرق التيتانيوم واتجاه تفرق المنغنيز متعاكسان، كما أن مركز الشجرة يحتوي على التيتانيوم، مما يقلل من الفرق بين تركيز الصهر الصلب في مركز الحبيبة الصلبة وحافتها.

تحليل عيوب الفصل العكسي في سبائك الألومنيوم المصبوبة

تُسمى الظاهرة التي يكون فيها تركيز المادة المذابة عند حافة السبيكة أعلى من تركيزها في مركز السبيكة بـ«الفصل العكسي».
ليس من السهل تمييز الخصائص الهيكلية للفصل العكسي عن البنية المجهرية، ولا يمكن التأكد منها إلا من خلال تحليل التركيب الكيميائي.

يُعد التباين العكسي في سبائك الألومنيوم أحد الأسباب المهمة وراء الاختلافات الكبيرة في الخصائص الميكانيكية والفيزيائية للسبائك ومنتجاتها المعالجة بالضغط.
في المناطق التي تبلغ فيها درجة التفرقة العكسية مستويات حادة، يتجاوز التركيب الكيميائي نطاق المواصفات القياسية، كما تتجاوز الخصائص الميكانيكية هذه المواصفات، مما يؤدي إلى إتلاف هذه المواد.

يُعد «الفصل العكسي» ظاهرة اختلاط تحدث خلال عملية تصلب سبائك الألومنيوم المصبوبة بشكل مستمر، وهي ظاهرة لا يمكن تجنبها تمامًا، ولا يمكن القضاء عليها عن طريق التجانس عند درجات الحرارة العالية.

حلول لمشكلة التمييز العكسي

ومع ذلك، وفقًا لقواعد التكوين والعوامل المؤثرة في التفرق العكسي، يمكن التحكم في تفرق العناصر ضمن النطاق المسموح به. والحل هو:

1. تحسين قدرة التبريد للسبيكة.
2. اختر سرعة صب مناسبة بحيث لا تكون زاوية الميل للمنطقة الانتقالية إلى سطح السائل المكشوف كبيرة جدًّا، بحيث لا تزيد عمومًا عن 60°.
3. قم برفع درجة حرارة الصب بشكل صحيح.
4. استخدم قمع صب مناسب لتوجيه التدفق بشكل متساوٍ وتوجيهه نحو حافة السبيكة.

الشوائب الغازية وغير المعدنية في سبائك الألومنيوم المصبوبة

الشوائب غير المعدنية (شوائب الخبث)
يُطلق على الخبث المخلوط بالسبيكة أو الشوائب غير المعدنية الأخرى التي تقع داخل السبيكة اسم «الشوائب غير المعدنية».
تتمثل سمات الكسر في شرائط أو رقائق سوداء، أما خصائص البنية المجهرية فتتمثل في الغالب في أنسجة سوداء خطية، أو مكعبة الشكل، أو متكتلة، وغير منتظمة، والتي تظهر اختلافًا واضحًا في اللون عن الركيزة.
تُعد الشوائب غير المعدنية سببًا رئيسيًّا لحدوث انفصال الطبقات والعديد من العيوب السطحية في المنتجات المصنعة من الألومنيوم.
أثناء المعالجة الحرارية وعملية التسخين، يمكن أن يؤدي وجود الشوائب غير المعدنية إلى زيادة المسامية الثانوية وتكوّن الفقاعات.
من حيث الخصائص الميكانيكية، تُعد الشوائب غير المعدنية مناطق يتركز فيها الإجهاد، مما يؤدي إلى انخفاض حد القوة ومعدل الاستطالة في السبيكة.
وعلى وجه الخصوص، فإن الانخفاض في الاستطالة العرضية والخصائص الميكانيكية الديناميكية (مقاومة الصدم، ومقاومة التعب، ومقاومة الكسر) هو الأكثر خطورة.
بالإضافة إلى ذلك، ستؤدي الشوائب غير المعدنية أيضًا إلى تقليل مقاومة السبيكة للتآكل الناتج عن الإجهاد.

يمكن عادةً اكتشاف الشوائب غير المعدنية (شوائب الخبث) عند فحص عينات صغيرة الحجم من السبيكة.
تنص المواصفة YS67-1993 على أنه بالنسبة لجميع منتجات السبائك، يجب ألا تحتوي عينة الاختبار من السبيكة على أكثر من نقطتين من الخبث، وأن تكون مساحة كل نقطة أقل من 0.5 مم²، وإلا فسيتم رفضها.
تُعد الشوائب غير المعدنية (شوائب الخبث) أكثر أنواع النفايات شيوعًا في سبائك الألومنيوم.
وفقًا للإحصاءات، من حيث الجودة، تمثل السبائك المُهدرة بسبب شوائب الخبث ما بين 10% و25% من إجمالي النفايات. وعادةً ما تنتج شوائب الخبث عن الخبث وشظايا البطانة والأكاسيد كبيرة الحجم التي تسقط داخل السبيكة مع المعدن السائل أثناء عملية الصب.

طريقة لمنع تشكل شوائب الخبث

تقدم شركة AdTech وحدات تنقية الألومنيوم المنصهر عبر الإنترنت، مثل معدات إزالة الغازات المدمجة, معدات الترشيح من النوع اللوحي. تتميز وحدة إزالة الغازات عبر الإنترنت بوظيفتين: المعالجة والتسخين. وهي قادرة على إزالة الهيدروجين (H) والخبث من الألومنيوم المنصهر. وتُعد معدات الترشيح CFF مناسبة لترشيح الشوائب والجزيئات الصغيرة الموجودة في الألومنيوم المنصهر.

1. التكرير بعناية لضمان فترة التخمير، و مرشح CFF في معدات الترشيح CFF.
2. قم بتقصير مسافة النقل قدر الإمكان، وتأمين ظروف نقل جيدة، وإغلاق جميع الفتحات المفتوحة في قناة التدفق ولوحة التدفق والقمع لمنع تقلبات مستوى المعدن. ومن الأفضل استخدام صب واحد بنفس المستوى كلما أمكن ذلك.
3. يجب تحميص أداة النقل جيدًا، ورفع درجة حرارة الصب بشكل صحيح، وإزالة الخبث بعناية أثناء عملية الصب، وتنظيف الفرن ولوحة التدفق والأدوات الأخرى بعناية بعد الانتهاء من الصب.
4. استخدم شحنة نظيفة.

تحليل عيوب طبقة الأكسيد في سبائك الألومنيوم المصبوبة

وفقًا لتعريف المعيار YS/T417.1-1999، فإن طبقة الأكسيد هي الشوائب غير المعدنية والغازات غير المُستبعدة (بشكل أساسي الهيدروجين) التي تتكون أساسًا من أكسيد الألومنيوم في السبيكة.
لذلك، فإن طبقة الأكسيد هي نوع من العيوب المميزة للشوائب غير المعدنية في السبيكة، لكنها تختلف عن شوائب الخبث. ولا يمكن اكتشافه عند فحص عينة الاختبار ذات التكبير المنخفض وبنية الكسر في السبيكة، بل يمكن اكتشافه فقط باستخدام عينات مصنوعة بطريقة خاصة (عن طريق ضغط عينات السبيكة).

يمكن تقسيم طبقة الأكسيد الموجودة على كسر عينة عملية صب السبائك بشكل تقريبي إلى ثلاثة أنواع
أحد الأنواع هو طبقة رقيقة من أكسيد اللوح ذات لون أصفر فاتح أو بني أو بني غامق.
النوع الأول هو “سباركل”، الذي يتميز بسطح أبيض ولامع يشبه طبقة الأكسيد الرقيقة.
أما النوع الآخر فهو “بقع صغيرة لامعة” ذات بريق فضي-أبيض، وتكون مستديرة أو بيضاوية الشكل.

عندما يتبلور المعدن المنصهر، تكون المسام الدقيقة التي تتشكل في الشجرة البلورية بعد التبلور فضفاضة، وذلك بسبب عدم كفاية تدفق المعدن السائل بين الشجيرات البلورية للمصفوفة أو وجود غاز لم يتم إزالته (بشكل رئيسي الهيدروجين).
تُسمى المسام الناتجة عن عدم كفاية الحشو «تراخي الانكماش»؛ أما التراخي الناتج عن الغاز فيُسمى «تراخي الغاز».
يتميز البناء الماكروسكوبي الرخو بوجود ثقوب دقيقة سوداء، بينما يتميز بنية الكسر بنسيج خشن وغير متماسك. وعندما يكون الرخاوة شديدًا، تظهر بقع بيضاء صغيرة لامعة على الكسر.
تتميز البنية المجهرية بوجود ثقوب سوداء زاويّة الشكل؛ فكلما ازدادت درجة التراخي، زاد عدد الثقوب السوداء وكبر حجمها.

يؤدي التراخي إلى انخفاض كثافة السبيكة، كما يؤثر على خصائص سبائك الألومنيوم عالية القوة، ولا سيما صلابة الصدم والاستطالة الجانبية.
بالإضافة إلى ذلك، ستتسبب السبائك غير المتماسكة في حدوث تشققات أثناء عمليات الدرفلة الساخنة والحدادة، وستظهر فقاعات في المنتجات شبه المصنعة أثناء عملية التلدين الكروي.
لذلك، يجب منع حدوث الترهل، باعتباره عيبًا تنظيميًا مهمًا في السبائك. يجب مراقبة الترهل الذي يحدث في السبيكة مراقبة صارمة. وعندما يتجاوز المستوى المسموح به وفقًا للمعيار، يتم رفض السبيكة.
يمكن عمومًا تحديد درجة التراخي في سبيكة سبائك الألومنيوم عن طريق قياس كثافة العينة ومقارنتها بالكثافة النظرية للسبائك.

محلول طبقة الأكسيد

بناءً على عملية تكوّن التراخي والعوامل المؤثرة فيه، فإن الطريقة التي يمكن من خلالها منع تراخي السبيكة هي:

1. تقليل محتوى الغاز في المادة المنصهرة. وينبغي القيام بما يلي بشكل أساسي:
1. الفرن كبير، ويجب إجراء فحص شامل له بعد انتهاء أعمال الإصلاح.
2. يجب أن يكون التسخين المسبق والخبز لعامل التكرير وأدوات الصب شاملين.
3. يجب أن يكون التكرير شاملاً؛ (4) لمنع بقاء المادة المنصهرة في الفرن لفترة طويلة جدًّا.

تقليل حجم المنطقة الانتقالية في السبيكة. وتتمثل التدابير الرئيسية في ما يلي:

يتوزع الفراغ الموجود في سبائك الألومنيوم المصبوبة بشكل مستمر دائمًا في منطقة البلورات متساوية المحاور مع وجود منطقة انتقالية واسعة، ويكون مملوءًا بالغاز دائمًا. في الظروف العادية، توجد أكبر منطقة فراغ في السبائك المسطحة على مسافة لا تتجاوز 30 ملم من طبقة القشرة السطحية العريضة. وتقع أكبر منطقة رخوة في السبيكة في مركزها، وتتوسع نحو الأطراف مع زيادة ارتفاع جهاز التبلور. وتؤثر ظروف إمداد الماء تأثيرًا كبيرًا على توزيع الرخاوة، وقد تخالف القواعد المذكورة أعلاه وتسبب رخاوة قصوى في مناطق محلية.