مشخصات عمومي آلومينيم و آلياژهاي آن

۱-۱ مشخصات فيزيكي :
آلومينيوم يكي از عناصر گروه سديم در جدول تناوبي است كه با تعداد پروتون ۱۳ و نوترون ۱۴ طبقه بندي الكتروني آن به صورت زير مي باشد

كه در نتيجه مي توان علاوه بر ظرفيت ۳،ظرفيت ۱را نيز در بعضي شرايط براي آلومينيوم در نظر گرفت
آلومينيوم از يك نوع ايزوتوپ تشكيل شده است وجرم اتمي آن در اندازه گيرهاي فيزيكي ۱۰۹۹/۲۶ در اندازه گيرهاي شيميايي ۹۸/۲۶ تعيين گرديده است . شعاع اتمي اين عنصر در c o 25برابر ۴۲۸۸۵/۱ آنگسترم و شعاع يوني آن از طريق روش گلداسميت برابر A 57/0بدست آمده است كه در ساختمان FCC وبدون هيچ گونه تغيير شكل آلوترو پيكي متبلور مي شود .
مهمترين آلياژهاي صنعتي و تجارتي آلومينيوم عبارت از آلياژهاي اين عنصر و عناصر دوره تناوبي سديم مانند (منيزيم ، سليسيم ) و عناصر دوره وابسته تناوب مانند مس ويا آلياژهاي توامي اين دو گروه است .

سيليسيم و منيزيم با اعداد اتمي ۱۴و۱۲ همسايه هاي اصلي آلومينيوم مي باشند و بسياري از كار بردهاي تكنولوژيكي آلومينيوم بر اساس چنين همسايگي استوار است .ثابت كريستالي آلومينيومْ A 0414/4a= و مطابق شرايط فيزيكي قطر اتمي آن فرمول۸۵۷۷/۲ dAl = مي باشد . بديهي است حلاليت آلومينيوم به نسبت زيادي به قطر اتمي آن بستگي دارد و مطابق آنچه در مباحث متالورژي فيزيكي بيان مي گردد اختلاف قطر اتم هاي حلال ومحلول نبايد از ۱۵%تجاوز نمايد،در حالي كه شكل ساختماني و الكترونهاي مدار آخر نيزدر اين حلاليت بي تاثير نيستند .
در موردمنيزيم و سيليسيم فاكتور اندازه اتمي نسبت به آلومينيوم مطابق روابط زير است

و اختلاف الكتروني مدار آخر نيز به ترتيب( ۱+) براي منيزيم و(۱ـ)براي سيليسيم مي باشد. در مورد تشابه ساختماني نيز در حالي كه عدد همسايگي آلومينيوم ۱۲است اعداد همسايگي منيزيم وسيليسيم به ترتيب (۶و۶) (منشور فشرده )و(۴ساختمان الماس)هستند كه در مجموع مي توان انتظار داشت كه حلاليت جامد سيليسيم در آلومينيوم ناچيز وحلاليت منيزيم از مقدار بيشتري برخودار باشد.
حلاليت نفوذ عناصر در آلومينيوم تابع قطر دهانه نفوذ جانبي

وقطر دهانه نفوذ مركزي

بنابراين اتم هاي با قطر كوچك (كربن۵۴/۱،ازت۴۰/۱،بر ۷۵/۱،ئيدروژن ۷۴/۰و اكسيژن۲۰/۱)را مي توان پيش بيني نمود كه از طريق بين نشيني ونفوذي در آلومينيوم محلول جامد تشكيل دهند ولي تاثير انرژي آزاد مناسب در تشكيل تركيبات بين فلزي غير فلزي مانع حلاليت عناصر فوق (به جز ئيدروژن)در آلومينيوم ميگردد و تشكيل تركيباتي مانند را باعث ميشوند .
از بحث فوق نتيجه مي شود كه عناصر با قطر اتمي بيشتر از ۱۷/۱ آنگسترم نمي توانند در فلز آلومينيوم به طريق بين نشيني حل شوند و ئيدروژن تنها عنصري است كه حلاليت آن در حالت جامد مسلم ميباشد.
از آنجا كه انرژي آزاد تركيبات آلومينيوم به سهولت تامين مي گردد بسياري از اتمهاي كوچك حتي در حالت مذاب نيز با آلومينيوم تركيب مي شوند كه همين امر باعث حضور تركيبات مختلفي در ذوب و ساختمان ريخته گري آلومينيوم مي شود.
از مباحث متالوژي و ترموديناميكي استنباط مي شود كه ضريب نفوذ عناصر در آلومينيوم
كه در آن
ثابت نفوذي
Q انرژي انتقال بر حسب Cal/mol
R ثابت گازها ۹۸۷/۱ Cal/mol
T درجه حرارت مطلق مي باشد

مطالعات تجربي ثابت كرده است كه D (ضريب نفوذي) شديدا تحت تاثير درجه حرارت قرار دارد و مقدار Q و در مورد عناصري كه آلياژهاي صنعتي را توليد مي كنند مشخص است كه از جداول ترموديناميكي استخراج مي شود.
ثابت كريستالي آلومينيوم در اثر درجه حرارت انبساط مي يابد، بطوري كه ضريب انبساط خطي اين عنصر كه در C ْ۲۰ برابر است در درجه حرارت C 200 ، و در C ْ ۵۰۰ برابر مي باشد. از طرف ديگر انبساط ثابت كريستالي اين عنصر در مقابل محلولهاي جامد در هر حالت از قانون و گارد تبعيت مي كند.
نقطه ذوب آلومينيوم C ْ ۶۵۹ و نقطه جوش آن C ْ ۲۰۵۷ است ولي فشار بخار آلومينيوم C ْ ۱۰۰۰ تقريبا برابر ميليمتر جيوه مي باشد كه از رابطه كلي زير استخراج مي شود.
به دليل ايجاد فشار بخار و شدت اكسيداسيون عملا كاربرد آلومينيوم مذاب در حرارتهاي بيش از C ْ ۱۰۰۰ غير ممكن است. گرماي نهان گداز آلومينيوم برابر ۲۴۸۰ كالري بر اتم گرم مي باشد و بر طبق روابط فيزيكي آنتروپي گداز آن

مقايسه انتروپي گداز و تغييرات انتروپي از درجه محيط تا نقطه ذوب نمايشگر تغييرات وسيعي است كه در انتقال فاز از مايع به جامد وبالعكس در ساختمان كريستالي فلز حاصل مي گردد.
نسبت تغيرات مذكور براي چند عنصر در زير نشان داده شده است
انتروپي گداز تغييرات انتروپي تا نقطه ذوب فلز

۵۴/۰ ۴۶/۲ ۵۳/۴ كادميوم
۴۷/۰ ۵۵/۲ ۴۵/۵ روي
۳۷/۰ ۷۵/۲ ۵۱/۷ آلومينيوم
۳۱/۰ ۳۲/۲ ۵۴/۷ منيزيم
۲۴/۰ ۳۰/۲ ۷۹/۹ مس
۲۳/۰ ۲۱/۲ ۷۸/۹ طلا
۱۳/۰ ۲ ۵۰/۱۵ آهن

بايد توجه داشت كه رابطه براي فلزات خالص و تركيبات فلزي كه نقطه تجانس در منحني مايع و جامد پديد مي آيد صادق است و در سايرموارد نمي تواند مورد استفاده قرار گيرد. آلومينيوم در حالت مذاب انبساط زيادي پيدا مي نمايد بطوريكه وزن مخصوص آن از ۶۹/۲ در درجه حرارت محيط به ۳۸/۲ در حالت مذاب تقليل مي يابد و از اين رو انقباض حجمي آن حدود ۱۰% مي باشد كه با توجه به وزن مخصوص جامد در درجه حرارت C ْ۶۵۰ ، كه برابر ۵۰/۲ است انقباض در فاصله انجماد به ۸/۶ % تقليل مي يابد.
آلومينيوم جامد با ساختمان كريستالي FCC و عدد همسايگي حدود ۱۱ و فاصله همسايگي ۱۲ و فاصله همسايگي ْ A 86/2 ، بعد از ذوب داراي عدد همسايگي حدود ۱۱ و فاصله همسايگي بيش از ْ A 3 مي گردد و از اين رو ضريب انبساط خطي آن در مرحله ذوب نيز ، حدود ۴% است .

گرماي نهان گداز اين عنصر ۵/۲ كيلو كالري بر مول مي باشد كه در مقايسه با گرماي تبخير آب ۶/۶۹ كيلو كالري بر مول نسبت آن حدود ۲۷ و به همين دليل در جريان ذوب ، امكان تبخير و تصعيد آلومينيوم بسيار كم است. اين نكته در مورد عناصري مانند منيزيم، روي و كادميوم كه گرماي نهان گداز آنها به ترتيب ۰۸/۲، ۷۲/۱ و ۵۳/۱ كيلو كالري بر مول و نسبت آنها از ۱۶ كمتر است حائز اهميت است كه امكان تبخير و تصعيد چنين عناصري در مرحله ذوب را افزايش مي دهد.
۲-۱ مشخصات ريخته گري وذوب :

آلومينيوم و آلياژهاي آن به دليل نقطه ذوب كم و برخورداري از سياليت بالنسبه خوب و همچنين گسترش خواص مكانيكي و فيزيكي در اثر آلياژسازي و قبول پديده هاي عمليات حرارتي و عمليات مكانيكي، در صتايع امروز از اهميت زيادي بر خوردارند و روز به روز موارد مصرف اين آلياژ ها توسعه مي يابد. عناصر مختلف مانند سليسيم ، منيزيم ، مس ، در خواص ريخته گري و مكانيكي اين عنصر شديدا تاثير مي كنند و يك رشته آلياژهاي صنعتي را پديد مي آورند كه از مقاومت مكانيكي، مقاومت به خورندگي و قابليت ماشين كاري بسيار مطلوب برخوردارند. قابليت جذب گاز و فعل و انفعالات شيميايي در حالت مذاب از اهم مطالبي است كه در ذوب و ريخته گري آلومينيوم مورد بحث قرار مي گيرد و از اين رو مستقلا در بخش سوم اين كتاب مطالعه مي شوند.
۱-۲-۱ تقسيم بندي آلياژها :

آلياژهاي آلومينيوم در اولين مرحله به دو دسته تقسيم مي گردند :
الف ـ آلياژهاي نوردي Wrought Alloys كه قابليت پذيرش انواع و اقسام كارهاي مكانيكي نورد ، اكستروژن ، وفلزگري را دارند.
ب ـ آلياهاي ريختگي Casting Alloys كه در شكل ريزي و ريخته گري هاي آلومينيوم با گسترش بسيار مورد استفاده اند . آلياژهاي نوردي كه در مباحث شكل دادن فلزات مورد مطالعه قرار مي گيرند از طريق يكي از روش هاي شمش ريزي (مداوم ، نيمه مداوم ، منفرد ) تهيه مي گردند و پس از قبول عمليات حرارتي لازم تحت تاثير يكي از روش هاي عمليات مكانيكي به شكل نهائي در مي آيند . مشخصات عمومي و تركيب اين نوع آلياژها در جدول ۲-۱ درج گرديده است.

آلياژهاي ريختگي آلومينيوم كه مورد بحث اين كتاب نيز مي باشند از طرق مختلف ريخته گري (ماسه اي ،پوسته اي ،فلزي و تحت فشار ) شكل مي گيرند و مستقيما ويا بعد از عمليات حرارتي (در صورت لزوم ) در صنعت استفاده مي شوند ،اين آلياژها در جداول ۳-۱ درج گرديده اند .
در مورد آلومينيوم و( ساير آلياژها ) كشورهاي مختلف استانداردهاي متفاوتي بكار مي برند كه مشخصه درجه خلوص و يا ميزان نا خالصي ها و ساير تركيبات آلياژ مي باشد استاندار آلياژهاي آلومينيوم علاوه بر مشخصه هاي ارقامي كه در جداول ۲-۱ و۳-۱ درج گرديده است به كمك رنگهاي اصلي نيز انجام مي گيرد .نمونه چنين رنگ هائي در استاندارد انگليسي عبارتست از :
آلومينوم خالص رنگ سفيد

آلومينوم –مس رنگ سبز
آلومينوم –منيزيم رنگ سياه
آلومينوم –مس-نيكل رنگ قهوه اي
آلومينوم –روي –مس رنگ آبي
آلومينوم-سيليسيم (منيزيم ) رنگ زرد
آلومينوم-سيليسيم (مس) رنگ قرمز

در ايران متاسفانه هنوز استانداري براي صنايع آلومينوم بكار نمي رود و به رابطه كارخانه با كشورهاي مختلف سيستم هاي متفاوت انگليسي ،آمريكائي ،بلژيكي
بستگي دارد .مقايسه استانداردهاي مختلف جهاني تقريبا مشكل ودر مورد آلياژهاي نوردي مطابق جدول ۴-۱ مي باشد .در مورد آلياژهاي ريختگي نيز با اندك تفاوت چنين مقايسه اي امكان پذير مي باشد
۳-۱ مواد شارژ وآماده كردن آنها

مواد مختلفي كه در ريختته گري آلياژ هاي آلومينوم بكار مي روند بر اساس نوع تركيب خواسته شده و شرايط ترمود يناميكي عبارتند از :شمش هاي اوليه ،شمش هاي دوباره ذوب ،قراضه ها ،برگشتي ها و آلياژ سازها H ardeners . تفاوت عمده بين شمش هاي اوليه وشمش هاي دوباره ذوب آنست كه شمش هاي اوليه كه از كارخانجات ذوب بدست مي آيند حاوي مقادير زيادي ناخالصي و گاز مي باشند كه تاثير منفي ونامطلوب در قطعه ايجاد مي نمايند در حالي كه شمش هاي ثانويه در اثر خروج ناخالصي ها وساير مواد (بر اساس تصفيه )از كيفيت تركيبي برتري بر خودار مي باشند
۱-۳-۱شمش هاي اوليه :

اين شمش ها در قطعات ۵ تا ۱۵ كيلوگرمي بر اساس درجه خلوص تهيه مي شوند .
وزن شمش هاي خالصي كه حاوي تركيب دقيق شيميائي مي باشند معمولا از۵كيلوگرم تجاوز نمي نمايد .استاندار ومشخصات شمش هاي اوليه در جداول ۳-۱ درج گرديده اند .اين شمش ها معمولادر مورد ساخت قطعات كه از كنترل كيفي بسيار مطلوب بر خودارند استفاده مي شوند و قيمت آنها نيز بر حسب درجه خلوص و تقليل نا خالصي ها به صورت تصاعدي افزايش مي يابد .
در ساخت آلياژ هاي آلومينوم ،بسياري از عناصر مستقيما به آلياژ مذاب افزوده مي شوند كه در اين مورد شمش هاي اوليه خالص اين عناصر نيز مورد استفاده اند اين شمش ها عبارتند از :

روي –شمش هاي روي با درجه خلوص۷/۹۸تا ۵/۹۹ درصد رويدر استاندارد هاي مختلف بين المللي تهيه مي شوند و همواره حاوي ناخالصي ها ئي از قبيل مس،كا دميوم ،آهن سرب وگاهي قلع و آنتيموان مي باشند .در ذوب آلومينوم معمولا از شمش هاي روي با درجه خلوص ۹/۹۹ استفاده مي شود تا ميزان ناخالصي ها بخصوص آهن تقليل يابد .نقطه ذوب روي c419 وزن مخصوص آن ۱/۷ گرم بر سانتيمتر معكب است منيزيم –در مواقعي كه درصد كمي از منيزيم مورد نياز باشد ،مي توان مستقيما منيزيم را به مذاب آلومينوم اضافه نمود كه شمش هاي آن با درجه خلوص ۹/۹۹ حاوي ناخالصي ها ئي از قبيل آهن ،سديم ،آلومينوم ،پتاسيم ،مس ،نيكل ميباشند .نقطه ذوب منيزيم C650 و وزن مخصوص آن ۷۴/۱ ودر شمش هاي ۵/۲ تا ۱۵ كيلو گرمي تهيه مي شوند .سيليسيم – اين عنصر به دو صورت سيلومين ويا سيليسيم كريستاليزه به آلومينوم اضافه مي شود ،تركيبات سيلوميني با ۱۰ تا ۱۳ درصد سيليسيم در جداول۳-۱ درج شده اند .شمش سيلسيم كريستاليزه با درج خلوص ۵/۹۹ تا ۹/۹۹در صد سيلسيم همراه ناخالصي ها ئي از قبيل آهن ،آلومينوم داراي نقطه ذوبي حدود C1400و وزن مخصوص آن ۴/۲ مي باشد.منگنز ،مس ،آهن ،نيكل ،كرم مستقيمابه مذاب آلومينوم اضافه نمي گردند ودر مورد اين عناصر معمولا از هارد نرهااستفاده مي كنند
۲-۳-۱شمش هاي دوباره ذوب (ثانويه )و قراضه:

شمش هاي ثانويه كه از ذوب وتصفيه قراضه ها و آلياژهاي بر گشتي تهيه ميشوند معمولا از كنترل كيفي مطلوب بر خودارند وحاوي مقداري ناخالصي هاي معمولي در آلومينوم مانند مس و آهن و سيلسيم هستند .قراضه ها و قطعات بر گشتي بايستي به دقت از نظر تركيب شيميائي كنترل و دسته بندي شوند .استفاده مستقيم از قراضه ها و قطعات كوچك (براده ،پليسه و اضافات تراشكاري ) به دليل افزايش سطح تماس و شدت اكسيد اسيون عملا نامطلوب مي باشند و ترجيحااين قطعات را تحت نيروي پرسهاي هيدروليكي فشرده ودر بلوك هاي مختلف به كار مي برند .برگشتي ها هم چنين آغشته به روغن گريس،رطوبت و … مي باشند كه بايستي قبل از استفاده وذوب دقيقا تميز و از كثافات روغن بر كنار باشند ومعمولا از دستگاههاي دوار وخشك كننده در اين مورد استفاده مي كنند .از آنجا كه قراضه ها معمولا تركيبات ناشناخته اي دارند اغلب ترجيح داده مي شود كه ‌آنها رادر كارگاه ريخته گري ذوب وپس از كنترل وآناليز كيفي مورد استفاده قرار دهند .

۳-۳-۱ آلياژسازها (Hardeners )
اين عناصر كه به نام هاي MasterALLOYS و TemperALLOYS نيز ناميده مي شوند به مقدار زيادي در صنايع ريخته گري آلومينوم بكاي مي روند ،زيرا آلومينوم با نقطه ذوب كم اغلب قادر به ذوت و پذيرش مستقيم عناصر با نقطه ذوب بالا نيست( مسCْ۱۰۸۳،منگنز Cْ۱۲۴۴،نيكلCْ۱۴۵۵ ،سيليسيمCْ۱۴۱۵،آهن Cْ۱۵۳۹،وتيتانيوم Cْ۱۶۶۰)همچنين عناصر ديگر يكه نقطه ذوب بالا ندارند .داراي فشار بخار و شدت تصعيد و اكسيد اسيون مي باشند كه در صورت استفاده مستقيم در صد اتلاف اين عناصر شديدا افزايش مي يابد (منيزيم ،روي )تركيب شيميائي ونقطه ذوب از هاردنر كه در صنايع آلومينوم بكار مي روند در جدول ۵-۱ درج گرديد هاست و مشخصات متالوژيكي آلياژها در فصل جداگانه اي مورد مطالعه قرار خواهد گرفت .تهيه آلياژها سازها معمولا در كار گاهها ي ريخته گري نيز انجام مي گيرد در اين مواقع اغلب روش هاي زير مورد استفاده است .معمولا قطعات عنصر دير ذوب را ريز نموده ودر فويل هاي آلومينومي پيچيده ويا در شناورهاي گرافيتي قرار داده ودر داخل مذاب آلومينوم Cْ۸۰۰ تا C ْ۸۵۰ تحت فلاكس )فرو مي برند وسپس آن را بهم مي زنند .در بعضي موارد ودر صورت امكان از دو كوره ذوب استفاده مي نمايند و بعد از ذوب دو عنصر آنها را با هم مخلوط مي كنند .اين عمل در مورد اجسامي كه تا Cْ۱۱۰۰نقطه ذوب دارند مقرون به صرفه است ولي در مورد عناصر با نقطه ذوب بالا عملا مشكلاتي را فراهم مي كند .در جريان ذوب و ساخت آلياژو تنظيم شارژ علاوه بر مشخصات تركيبي آلياژ بايستي ميزان اتلافات در جريان ذوب كه به نوع كوره ، روش ذوب و روش تصفيه بستگي دارد ، مورد توجه قرار گيرد .

نقطه ذوب تركيب نقطه ذوب تركيب
۵۶۰ ۱۱ ۸۹ AL-Mg 660 15-85 AL -Si
640 99 91 620 12-88
1046 50-50
830 11 89 570 50-50 Al-Cu
770 9 91 A L- Mg 600 45-55
915 25 75

۶۰۰ ۳- ۹۷ A l-Be
850 11 89
800 9 91 A L -Fe 80 11-89
1020 20 80 730 9 -91 Ni-A L
1150 50 50 765 20-80
مثال : براي تهيه آلياژي از آلومينيوم با تركيب ۵% سيليسيم ، ۴/۰ % منزيم ، ۲۵/۱ %مس و بقيه آلومينيوم مواد زير موجود است .
الف ـ شمش آلومينيومي ۹۹/۹۹ تقريبا خالص
ب ـ سيلومين ۱۳ـ ۸۷
پ ـ هاردنر A l -Mg 10-90
ت ـ هاردنر A l -Cu 50-50

مطلوبست محاسبه درصد استفاده هر يك از شمش ها و روش ذوب در حالي كه اتلاف كوره به ترتيب ۱% سيليسيم ،۳% منزيم ، ۱% مس و ۱% آلومينيوم منظور شود .

مشخصات عمومي آلومينيم و آلياژهاي آن

۱-۱ مشخصات فيزيكي :
آلومينيوم يكي از عناصر گروه سديم در جدول تناوبي است كه با تعداد پروتون ۱۳ و نوترون ۱۴ طبقه بندي الكتروني آن به صورت زير مي باشد

كه در نتيجه مي توان علاوه بر ظرفيت ۳،ظرفيت ۱را نيز در بعضي شرايط براي آلومينيوم در نظر گرفت
آلومينيوم از يك نوع ايزوتوپ تشكيل شده است وجرم اتمي آن در اندازه گيرهاي فيزيكي ۱۰۹۹/۲۶ در اندازه گيرهاي شيميايي ۹۸/۲۶ تعيين گرديده است . شعاع اتمي اين عنصر در c o 25برابر ۴۲۸۸۵/۱ آنگسترم و شعاع يوني آن از طريق روش گلداسميت برابر A 57/0بدست آمده است كه در ساختمان FCC وبدون هيچ گونه تغيير شكل آلوترو پيكي متبلور مي شود .
مهمترين آلياژهاي صنعتي و تجارتي آلومينيوم عبارت از آلياژهاي اين عنصر و عناصر دوره تناوبي سديم مانند (منيزيم ، سليسيم ) و عناصر دوره وابسته تناوب مانند مس ويا آلياژهاي توامي اين دو گروه است .

سيليسيم و منيزيم با اعداد اتمي ۱۴و۱۲ همسايه هاي اصلي آلومينيوم مي باشند و بسياري از كار بردهاي تكنولوژيكي آلومينيوم بر اساس چنين همسايگي استوار است .ثابت كريستالي آلومينيومْ A 0414/4a= و مطابق شرايط فيزيكي قطر اتمي آن فرمول۸۵۷۷/۲ dAl = مي باشد . بديهي است حلاليت آلومينيوم به نسبت زيادي به قطر اتمي آن بستگي دارد و مطابق آنچه در مباحث متالورژي فيزيكي بيان مي گردد اختلاف قطر اتم هاي حلال ومحلول نبايد از ۱۵%تجاوز نمايد،در حالي كه شكل ساختماني و الكترونهاي مدار آخر نيزدر اين حلاليت بي تاثير نيستند .
در موردمنيزيم و سيليسيم فاكتور اندازه اتمي نسبت به آلومينيوم مطابق روابط زير است

و اختلاف الكتروني مدار آخر نيز به ترتيب( ۱+) براي منيزيم و(۱ـ)براي سيليسيم مي باشد. در مورد تشابه ساختماني نيز در حالي كه عدد همسايگي آلومينيوم ۱۲است اعداد همسايگي منيزيم وسيليسيم به ترتيب (۶و۶) (منشور فشرده )و(۴ساختمان الماس)هستند كه در مجموع مي توان انتظار داشت كه حلاليت جامد سيليسيم در آلومينيوم ناچيز وحلاليت منيزيم از مقدار بيشتري برخودار باشد.
حلاليت نفوذ عناصر در آلومينيوم تابع قطر دهانه نفوذ جانبي

وقطر دهانه نفوذ مركزي

بنابراين اتم هاي با قطر كوچك (كربن۵۴/۱،ازت۴۰/۱،بر ۷۵/۱،ئيدروژن ۷۴/۰و اكسيژن۲۰/۱)را مي توان پيش بيني نمود كه از طريق بين نشيني ونفوذي در آلومينيوم محلول جامد تشكيل دهند ولي تاثير انرژي آزاد مناسب در تشكيل تركيبات بين فلزي غير فلزي مانع حلاليت عناصر فوق (به جز ئيدروژن)در آلومينيوم ميگردد و تشكيل تركيباتي مانند را باعث ميشوند .
از بحث فوق نتيجه مي شود كه عناصر با قطر اتمي بيشتر از ۱۷/۱ آنگسترم نمي توانند در فلز آلومينيوم به طريق بين نشيني حل شوند و ئيدروژن تنها عنصري است كه حلاليت آن در حالت جامد مسلم ميباشد.
از آنجا كه انرژي آزاد تركيبات آلومينيوم به سهولت تامين مي گردد بسياري از اتمهاي كوچك حتي در حالت مذاب نيز با آلومينيوم تركيب مي شوند كه همين امر باعث حضور تركيبات مختلفي در ذوب و ساختمان ريخته گري آلومينيوم مي شود.
از مباحث متالوژي و ترموديناميكي استنباط مي شود كه ضريب نفوذ عناصر در آلومينيوم
كه در آن
ثابت نفوذي
Q انرژي انتقال بر حسب Cal/mol
R ثابت گازها ۹۸۷/۱ Cal/mol
T درجه حرارت مطلق مي باشد

مطالعات تجربي ثابت كرده است كه D (ضريب نفوذي) شديدا تحت تاثير درجه حرارت قرار دارد و مقدار Q و در مورد عناصري كه آلياژهاي صنعتي را توليد مي كنند مشخص است كه از جداول ترموديناميكي استخراج مي شود.

ثابت كريستالي آلومينيوم در اثر درجه حرارت انبساط مي يابد، بطوري كه ضريب انبساط خطي اين عنصر كه در C ْ۲۰ برابر است در درجه حرارت C 200 ، و در C ْ ۵۰۰ برابر مي باشد. از طرف ديگر انبساط ثابت كريستالي اين عنصر در مقابل محلولهاي جامد در هر حالت از قانون و گارد تبعيت مي كند.
نقطه ذوب آلومينيوم C ْ ۶۵۹ و نقطه جوش آن C ْ ۲۰۵۷ است ولي فشار بخار آلومينيوم C ْ ۱۰۰۰ تقريبا برابر ميليمتر جيوه مي باشد كه از رابطه كلي زير استخراج مي شود.
به دليل ايجاد فشار بخار و شدت اكسيداسيون عملا كاربرد آلومينيوم مذاب در حرارتهاي بيش از C ْ ۱۰۰۰ غير ممكن است. گرماي نهان گداز آلومينيوم برابر ۲۴۸۰ كالري بر اتم گرم مي باشد و بر طبق روابط فيزيكي آنتروپي گداز آن

مقايسه انتروپي گداز و تغييرات انتروپي از درجه محيط تا نقطه ذوب نمايشگر تغييرات وسيعي است كه در انتقال فاز از مايع به جامد وبالعكس در ساختمان كريستالي فلز حاصل مي گردد.
نسبت تغيرات مذكور براي چند عنصر در زير نشان داده شده است
انتروپي گداز تغييرات انتروپي تا نقطه ذوب فلز

۵۴/۰ ۴۶/۲ ۵۳/۴ كادميوم
۴۷/۰ ۵۵/۲ ۴۵/۵ روي
۳۷/۰ ۷۵/۲ ۵۱/۷ آلومينيوم
۳۱/۰ ۳۲/۲ ۵۴/۷ منيزيم
۲۴/۰ ۳۰/۲ ۷۹/۹ مس
۲۳/۰ ۲۱/۲ ۷۸/۹ طلا
۱۳/۰ ۲ ۵۰/۱۵ آهن
بايد توجه داشت كه رابطه براي فلزات خالص و تركيبات فلزي كه نقطه تجانس در منحني مايع و جامد پديد مي آيد صادق است و در سايرموارد نمي تواند مورد استفاده قرار گيرد. آلومينيوم در حالت مذاب انبساط زيادي پيدا مي نمايد بطوريكه وزن مخصوص آن از ۶۹/۲ در درجه حرارت محيط به ۳۸/۲ در حالت مذاب تقليل مي يابد و از اين رو انقباض حجمي آن حدود ۱۰% مي باشد كه با توجه به وزن مخصوص جامد در درجه حرارت C ْ۶۵۰ ، كه برابر ۵۰/۲ است انقباض در فاصله انجماد به ۸/۶ % تقليل مي يابد.
آلومينيوم جامد با ساختمان كريستالي FCC و عدد همسايگي حدود ۱۱ و فاصله همسايگي ۱۲ و فاصله همسايگي ْ A 86/2 ، بعد از ذوب داراي عدد همسايگي حدود ۱۱ و فاصله همسايگي بيش از ْ A 3 مي گردد و از اين رو ضريب انبساط خطي آن در مرحله ذوب نيز ، حدود ۴% است .
گرماي نهان گداز اين عنصر ۵/۲ كيلو كالري بر مول مي باشد كه در مقايسه با گرماي تبخير آب ۶/۶۹ كيلو كالري بر مول نسبت آن حدود ۲۷ و به همين دليل در جريان ذوب ، امكان تبخير و تصعيد آلومينيوم بسيار كم است. اين نكته در مورد عناصري مانند منيزيم، روي و كادميوم كه گرماي نهان گداز آنها به ترتيب ۰۸/۲، ۷۲/۱ و ۵۳/۱ كيلو كالري بر مول و نسبت آنها از ۱۶ كمتر است حائز اهميت است كه امكان تبخير و تصعيد چنين عناصري در مرحله ذوب را افزايش مي دهد.
۲-۱ مشخصات ريخته گري وذوب :
آلومينيوم و آلياژهاي آن به دليل نقطه ذوب كم و برخورداري از سياليت بالنسبه خوب و همچنين گسترش خواص مكانيكي و فيزيكي در اثر آلياژسازي و قبول پديده هاي عمليات حرارتي و عمليات مكانيكي، در صتايع امروز از اهميت زيادي بر خوردارند و روز به روز موارد مصرف اين آلياژ ها توسعه مي يابد. عناصر مختلف مانند سليسيم ، منيزيم ، مس ، در خواص ريخته گري و مكانيكي اين عنصر شديدا تاثير مي كنند و يك رشته آلياژهاي صنعتي را پديد مي آورند كه از مقاومت مكانيكي، مقاومت به خورندگي و قابليت ماشين كاري بسيار مطلوب برخوردارند. قابليت جذب گاز و فعل و انفعالات شيميايي در حالت مذاب از اهم مطالبي است كه در ذوب و ريخته گري آلومينيوم مورد بحث قرار مي گيرد و از اين رو مستقلا در بخش سوم اين كتاب مطالعه مي شوند.
۱-۲-۱ تقسيم بندي آلياژها :
آلياژهاي آلومينيوم در اولين مرحله به دو دسته تقسيم مي گردند :
الف ـ آلياژهاي نوردي Wrought Alloys كه قابليت پذيرش انواع و اقسام كارهاي مكانيكي نورد ، اكستروژن ، وفلزگري را دارند.
ب ـ آلياهاي ريختگي Casting Alloys كه در شكل ريزي و ريخته گري هاي آلومينيوم با گسترش بسيار مورد استفاده اند . آلياژهاي نوردي كه در مباحث شكل دادن فلزات مورد مطالعه قرار مي گيرند از طريق يكي از روش هاي شمش ريزي (مداوم ، نيمه مداوم ، منفرد ) تهيه مي گردند و پس از قبول عمليات حرارتي لازم تحت تاثير يكي از روش هاي عمليات مكانيكي به شكل نهائي در مي آيند . مشخصات عمومي و تركيب اين نوع آلياژها در جدول ۲-۱ درج گرديده است.

آلياژهاي ريختگي آلومينيوم كه مورد بحث اين كتاب نيز مي باشند از طرق مختلف ريخته گري (ماسه اي ،پوسته اي ،فلزي و تحت فشار ) شكل مي گيرند و مستقيما ويا بعد از عمليات حرارتي (در صورت لزوم ) در صنعت استفاده مي شوند ،اين آلياژها در جداول ۳-۱ درج گرديده اند .
در مورد آلومينيوم و( ساير آلياژها ) كشورهاي مختلف استانداردهاي متفاوتي بكار مي برند كه مشخصه درجه خلوص و يا ميزان نا خالصي ها و ساير تركيبات آلياژ مي باشد استاندار آلياژهاي آلومينيوم علاوه بر مشخصه هاي ارقامي كه در جداول ۲-۱ و۳-۱ درج گرديده است به كمك رنگهاي اصلي نيز انجام مي گيرد .نمونه چنين رنگ هائي در استاندارد انگليسي عبارتست از :

آلومينوم خالص رنگ سفيد
آلومينوم –مس رنگ سبز
آلومينوم –منيزيم رنگ سياه
آلومينوم –مس-نيكل رنگ قهوه اي
آلومينوم –روي –مس رنگ آبي
آلومينوم-سيليسيم (منيزيم ) رنگ زرد
آلومينوم-سيليسيم (مس) رنگ قرمز

در ايران متاسفانه هنوز استانداري براي صنايع آلومينوم بكار نمي رود و به رابطه كارخانه با كشورهاي مختلف سيستم هاي متفاوت انگليسي ،آمريكائي ،بلژيكي
بستگي دارد .مقايسه استانداردهاي مختلف جهاني تقريبا مشكل ودر مورد آلياژهاي نوردي مطابق جدول ۴-۱ مي باشد .در مورد آلياژهاي ريختگي نيز با اندك تفاوت چنين مقايسه اي امكان پذير مي باشد
۳-۱ مواد شارژ وآماده كردن آنها

مواد مختلفي كه در ريختته گري آلياژ هاي آلومينوم بكار مي روند بر اساس نوع تركيب خواسته شده و شرايط ترمود يناميكي عبارتند از :شمش هاي اوليه ،شمش هاي دوباره ذوب ،قراضه ها ،برگشتي ها و آلياژ سازها H ardeners . تفاوت عمده بين شمش هاي اوليه وشمش هاي دوباره ذوب آنست كه شمش هاي اوليه كه از كارخانجات ذوب بدست مي آيند حاوي مقادير زيادي ناخالصي و گاز مي باشند كه تاثير منفي ونامطلوب در قطعه ايجاد مي نمايند در حالي كه شمش هاي ثانويه در اثر خروج ناخالصي ها وساير مواد (بر اساس تصفيه )از كيفيت تركيبي برتري بر خودار مي باشند
۱-۳-۱شمش هاي اوليه :

اين شمش ها در قطعات ۵ تا ۱۵ كيلوگرمي بر اساس درجه خلوص تهيه مي شوند .
وزن شمش هاي خالصي كه حاوي تركيب دقيق شيميائي مي باشند معمولا از۵كيلوگرم تجاوز نمي نمايد .استاندار ومشخصات شمش هاي اوليه در جداول ۳-۱ درج گرديده اند .اين شمش ها معمولادر مورد ساخت قطعات كه از كنترل كيفي بسيار مطلوب بر خودارند استفاده مي شوند و قيمت آنها نيز بر حسب درجه خلوص و تقليل نا خالصي ها به صورت تصاعدي افزايش مي يابد .
در ساخت آلياژ هاي آلومينوم ،بسياري از عناصر مستقيما به آلياژ مذاب افزوده مي شوند كه در اين مورد شمش هاي اوليه خالص اين عناصر نيز مورد استفاده اند اين شمش ها عبارتند از :

روي –شمش هاي روي با درجه خلوص۷/۹۸تا ۵/۹۹ درصد رويدر استاندارد هاي مختلف بين المللي تهيه مي شوند و همواره حاوي ناخالصي ها ئي از قبيل مس،كا دميوم ،آهن سرب وگاهي قلع و آنتيموان مي باشند .در ذوب آلومينوم معمولا از شمش هاي روي با درجه خلوص ۹/۹۹ استفاده مي شود تا ميزان ناخالصي ها بخصوص آهن تقليل يابد .نقطه ذوب روي c419 وزن مخصوص آن ۱/۷ گرم بر سانتيمتر معكب است منيزيم –در مواقعي كه درصد كمي از منيزيم مورد نياز باشد ،مي توان مستقيما منيزيم را به مذاب آلومينوم اضافه نمود كه شمش هاي آن با درجه خلوص ۹/۹۹ حاوي ناخالصي ها ئي از قبيل آهن ،سديم ،آلومينوم ،پتاسيم ،مس ،نيكل ميباشند .نقطه ذوب منيزيم C650 و وزن مخصوص آن ۷۴/۱ ودر شمش هاي ۵/۲ تا ۱۵ كيلو گرمي تهيه مي شوند .سيليسيم – اين عنصر به دو صورت سيلومين ويا سيليسيم كريستاليزه به آلومينوم اضافه مي شود ،تركيبات سيلوميني با ۱۰ تا ۱۳ درصد سيليسيم در جداول۳-۱ درج شده اند .شمش سيلسيم كريستاليزه با درج خلوص ۵/۹۹ تا ۹/۹۹در صد سيلسيم همراه ناخالصي ها ئي از قبيل آهن ،آلومينوم داراي نقطه ذوبي حدود C1400و وزن مخصوص آن ۴/۲ مي باشد.منگنز ،مس ،آهن ،نيكل ،كرم مستقيمابه مذاب آلومينوم اضافه نمي گردند ودر مورد اين عناصر معمولا از هارد نرهااستفاده مي كنند
۲-۳-۱شمش هاي دوباره ذوب (ثانويه )و قراضه:

شمش هاي ثانويه كه از ذوب وتصفيه قراضه ها و آلياژهاي بر گشتي تهيه ميشوند معمولا از كنترل كيفي مطلوب بر خودارند وحاوي مقداري ناخالصي هاي معمولي در آلومينوم مانند مس و آهن و سيلسيم هستند .قراضه ها و قطعات بر گشتي بايستي به دقت از نظر تركيب شيميائي كنترل و دسته بندي شوند .استفاده مستقيم از قراضه ها و قطعات كوچك (براده ،پليسه و اضافات تراشكاري ) به دليل افزايش سطح تماس و شدت اكسيد اسيون عملا نامطلوب مي باشند و ترجيحااين قطعات را تحت نيروي پرسهاي هيدروليكي فشرده ودر بلوك هاي مختلف به كار مي برند .برگشتي ها هم چنين آغشته به روغن گريس،رطوبت و … مي باشند كه بايستي قبل از استفاده وذوب دقيقا تميز و از كثافات روغن بر كنار باشند ومعمولا از دستگاههاي دوار وخشك كننده در اين مورد استفاده مي كنند .از آنجا كه قراضه ها معمولا تركيبات ناشناخته اي دارند اغلب ترجيح داده مي شود كه ‌آنها رادر كارگاه ريخته گري ذوب وپس از كنترل وآناليز كيفي مورد استفاده قرار دهند .

۳-۳-۱ آلياژسازها (Hardeners )
اين عناصر كه به نام هاي MasterALLOYS و TemperALLOYS نيز ناميده مي شوند به مقدار زيادي در صنايع ريخته گري آلومينوم بكاي مي روند ،زيرا آلومينوم با نقطه ذوب كم اغلب قادر به ذوت و پذيرش مستقيم عناصر با نقطه ذوب بالا نيست( مسCْ۱۰۸۳،منگنز Cْ۱۲۴۴،نيكلCْ۱۴۵۵ ،سيليسيمCْ۱۴۱۵،آهن Cْ۱۵۳۹،وتيتانيوم Cْ۱۶۶۰)همچنين عناصر ديگر يكه نقطه ذوب بالا ندارند .داراي فشار بخار و شدت تصعيد و اكسيد اسيون مي باشند كه در صورت استفاده مستقيم در صد اتلاف اين عناصر شديدا افزايش مي يابد (منيزيم ،روي )تركيب شيميائي ونقطه ذوب از هاردنر كه در صنايع آلومينوم بكار مي روند در جدول ۵-۱ درج گرديد هاست و مشخصات متالوژيكي آلياژها در فصل جداگانه اي مورد مطالعه قرار خواهد گرفت .تهيه آلياژها سازها معمولا در كار گاهها ي ريخته گري نيز انجام مي گيرد در اين مواقع اغلب روش هاي زير مورد استفاده است .معمولا قطعات عنصر دير ذوب را ريز نموده ودر فويل هاي آلومينومي پيچيده ويا در شناورهاي گرافيتي قرار داده ودر داخل مذاب آلومينوم Cْ۸۰۰ تا C ْ۸۵۰ تحت فلاكس )فرو مي برند وسپس آن را بهم مي زنند .در بعضي موارد ودر صورت امكان از دو كوره ذوب استفاده مي نمايند و بعد از ذوب دو عنصر آنها را با هم مخلوط مي كنند .اين عمل در مورد اجسامي كه تا Cْ۱۱۰۰نقطه ذوب دارند مقرون به صرفه است ولي در مورد عناصر با نقطه ذوب بالا عملا مشكلاتي را فراهم مي كند .در جريان ذوب و ساخت آلياژو تنظيم شارژ علاوه بر مشخصات تركيبي آلياژ بايستي ميزان اتلافات در جريان ذوب كه به نوع كوره ، روش ذوب و روش تصفيه بستگي دارد ، مورد توجه قرار گيرد .
نقطه ذوب تركيب نقطه ذوب تركيب
۵۶۰ ۱۱ ۸۹ AL-Mg 660 15-85 AL -Si
640 99 91 620 12-88
1046 50-50
830 11 89 570 50-50 Al-Cu
770 9 91 A L- Mg 600 45-55
915 25 75
600 3- 97 A l-Be
850 11 89
800 9 91 A L -Fe 80 11-89
1020 20 80 730 9 -91 Ni-A L
1150 50 50 765 20-80
مثال : براي تهيه آلياژي از آلومينيوم با تركيب ۵% سيليسيم ، ۴/۰ % منزيم ، ۲۵/۱ %مس و بقيه آلومينيوم مواد زير موجود است .
الف ـ شمش آلومينيومي ۹۹/۹۹ تقريبا خالص
ب ـ سيلومين ۱۳ـ ۸۷
پ ـ هاردنر A l -Mg 10-90
ت ـ هاردنر A l -Cu 50-50
مطلوبست محاسبه درصد استفاده هر يك از شمش ها و روش ذوب در حالي كه اتلاف كوره به ترتيب ۱% سيليسيم ،۳% منزيم ، ۱% مس و ۱% آلومينيوم منظور شود .