گاززدایی مذاب آلومینیم

آلومینیم فلزی است که بخصوص در حالت مذاب قابلیت فعل و انفعال شیمیایی و حلالیت فیزیکی با بسیاری از عناصر را دارد. این عنصر به سهولت نسبت به مواد محیط خود مانند هوا، محصولات سوخت، قالب، مواد آلیاژی و سایر عناصر که برای مقاصد خاص به آن افزوده می‌گردد، واکنش نشان می‌دهد. نتایج این واکنش‌ها به صورت ترکیبات فلزی، ترکیبات غیر فلزی یا همان آخال‌ها و گازهای حاصل و تخلخل در قطعه ریخته شده، ظاهر می‌شوند که هر یک به نوعی خواص مکانیکی و ریخته‌گری فلز را تقلیل می‌دهند.

فعل و انفعالات عمومی

در درجه حرارت ذوب آلومینیم، فعل و انفعالات شیمیایی مختلف بین مواد اکسیدی و ترکیبات مختلف و آلومینیم و مواد آلیاژی آن انجام می‌گیرد که حاصل آن به صورت مواد جامد غیر فلزی (اکسیدی) یا حباب‌های گازی در قطعه باقی می‌ماند.

فعل و انفعالات با هوا

اکسیژن هوا و همچنین ازت موجود در آن مهم‌ترین منشأ وجود ترکیبات غیر فلزی در مذاب آلومینیم هستند. تمام عناصر حاصل از فعل و انفعال در حالت مذاب جامد بوده و در مذاب شناور می‌شوند و به صورت مواد مذاب ناخواسته غیر فلزی در قطعه معایبی را ایجاد می‌کنند.

فعل و انفعالات با بخار آب

بخار آب از هر منبعی که حاصل شود با آلومینیم مذاب و مواد آلیاژی آن ترکیب می‌شود که نتیجه آن علاوه بر ترکیبات اکسیدی، وجود هیدروژن به صورت اتمی می‌باشد که در مذاب حل می‌گردد.

فعل و انفعالات با مواد نسوز

مواد نسوز مورد استفاده در صنایع آلومینیم بیشتر از انواع گرافیت و ترکیبات سیلیسی می‌باشد تا امکان ترکیبات مختلف را کاهش دهد. مواد نسوز، اغلب از طریق مکانیکی شکسته و به مذاب آلومینیم افزوده می‌شود ولی در درجه حرارت‌های ذوب نیز وجود فعل و انفعالات امکان‌پذیر می‌باشد.

فعل و انفعالات با هیدروژن

هیدروژن تنها گاز قابل حل در آلومینیم مذاب می‌باشد و به دلیل آنکه حلالیت آن در حالت جامد بسیار کم است، گازهای خارج شده از حلالیت به صورت حباب در قطعه ریخته شده خواص مکانیکی مواد را به شدت تقلیل می‌دهند. هیدروژن از طریق بخار آب یا به صورت هیدروژن در هوا با مذاب آلومینیم واکنش می‌دهد.

گاز زدایی مذاب آلومینیم

گازهای محلول در مذاب آلومینیم بعد از انجماد به دلیل تنش سطحی مذاب و عدم امکان خروج کامل به صورت حباب‌های با اندازه‌های مختلف در قطعه ریخته شده باقی می‌مانند که خواص مکانیکی و وزن مخصوص قطعه را شدیداً کاهش می‌دهند. در مورد ذوب آلیاژهای آلومینیم، هیدروژن تنها گازی است که به صورت محلول در مایع و حباب در جامد ظاهر می‌گردد و از این رو عملیات گاز زدایی (هیدروژن زدایی) در ذوب آلومینیوم و آلیاژهای آن از اهمیت خاص برخوردار است.

کاهش فشار خارجی

میزان حلالیت هیدروژن در مذاب آلومینیم به درجه حرارت و فشار خارج (نسبت به فشار داخل) بستگی دارد و همین امر پایه و اساس گاز زدایی آلومینیم را تشکیل می‌دهد. به عبارت دیگر، هرچه فشار خارجی محیط اطراف مذاب بیشتر باشد. میزان گاز بیشتری در مذاب حل خواهد شد. از طرف دیگر هرچه فشار محیط خارجی مذاب کاهش یابد، مقدار گاز کمتری در مذاب حل می‌شود. این پدیده به قانون سیورت معروف است. با توجه به این قانون، می‌توان نتیجه گرفت که اگر فشار خارجی محیط اطراف مذاب کاهش یابد، گازهای حل شده از حالت اتمی خارج شده و به حالت مولکولی یا حباب گازی در می‌آیند. به عبارت دیگر حلالیت گاز در مذاب کاهش می‌یابد. با توجه به این موضوع، اگر مذاب تحت شرایط خلأ قرار گیرد، چون فشار محیط اطراف مذاب به شدت کاهش یافته، گازهای حل شده در مذاب، مانند هیدروژن، به شکل مولکولی و حباب درآمده که این حباب‌ها به سطح مذاب صعود کرده و از مذاب خارج می‌شوند. با این روش، امکان تولید قطعه‌هایی با کیفیت بالا مورد استفاده در صنایع با تکنولوژی بالا میسر شده‌است. روش گاز زدایی در خلأ بیشتر برای آلیاژهای با نقطه ذوب پایین کاربرد دارد؛ زیرا در دماهای بالا، برای ایجاد خلأ به نیاز تجهیزات بسیار گران‌قیمت است که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.

افزایش فشار داخلی و تزریق حباب‌های گازی

با افزایش فشار داخلی مذاب، گازهای حل شده در مذاب از حالت اتمی خارج شده و به صورت مولکولی یا حباب گازی در می‌آیند. علت این است که در اثر افزایش فشار درونی مذاب، حرکت اتم‌های مذاب افزایش پیدا کرده و در نتیجه، امکان حرکت اتم‌های گاز در مذاب و تجمع آن‌ها در نقاطی از مذاب، افزایش می‌یابد. این پدیده، موجب تشکیل راحت‌تر مولکول یا حباب‌های گازی می‌شود. با افزایش فشار درونی مذاب، سرعت حرکت اتم‌های گازی در مذاب افزایش می‌یابد که در صورت تزریق گازهای دیگر درمذاب، اتم‌های گازی حل شده در مذاب این امکان را پیدا می‌کنند که خود را به حباب‌های گاز تزریق شده برسانند و به راحتی جذب آن‌ها شوند. افزایش فشار درونی مذاب، یکی از مهم‌ترین و پرمصرف‌ترین روش‌های گاز زدایی باشد که خود به چند روش مختلف تقسیم می‌شود که عبارتند از:

استفاده از گازهای بی اثر

در این روش گازهای بی اثری مانند هلیم، یا آرگون که میل ترکیب شدن با مذاب یا حل شدن در مذاب را ندارند، به مذاب تزریق می‌شود. این تزریق، از پایین‌ترین نقطه مذاب، یعنی پایین بوته یا پاتیل، صورت می‌گیرد. در ابتدای عملیات تزریق گاز بی اثر به مذاب، فشار جزیی گازهای محلول در داخل حباب گاز بی اثر، صفر است؛ ولی در مسیر حرکت حباب‌های گاز بی اثر از انتهای پاتیل به سمت سطح بالای مذاب و با افزایش فشار درونی مذاب، مقدار جذب گاز محلول در مذاب، افزایش می‌یابد. با ادامه تزریق گاز بی اثر و ایجاد حباب‌های زیاد گاز بی اثر و حرکت آن‌ها به سمت سطح مذاب، مقدار بیشتری گاز محلول در مذاب، جذب حباب‌های گاز بی اثر شده که موجب کاهش میزان گاز حل شده در مذاب می‌شود. لازم است ذکر شود که با این روش، نمی‌توان تمام گازهای محلول در مذاب را خارج نمود ولی مقدار زیادی از گازهای محلول در مذاب خارج خواهد شد. گازهای بی اثر مورد استفاده در این فرایند، گازهایی نظیر آرگون و هلیم می‌باشد که هیچ گونه تأثیری روی فلزات و آلیاژها ندارند.

استفاده از گازهای فعال

در این روش از گازهای فعال نسبت به مذاب، که با مذاب وارد واکنش شیمیایی می‌شوند، استفاده نمود. هنگامی که این گازها، وارد مذاب می‌شوند با مذاب ترکیب شده و یک گاز جدید را در مذاب تولید می‌کنند. گاز تولید شده، نسبت به مذاب بی اثر یا خنثی است و مانند گازهای بی اثر، گاز زدایی مذاب را انجام می‌دهد. به عنوان مثال، گاز کلر نسبت به مذاب آلومینیم فعال می‌باشد اگر به گاز کلر مذاب آلومینیم تزریق شود، با مذاب آلومینیم وارد واکنش شده کلرید آلومینیم را تشکیل می‌دهد.

استفاده از ترکیبات گازهای فعال

در این روش ترکیبات این گازها که به صورت جامد یا مایع بوده در اثر تماس با مذاب، تجزیه می‌شوند و گازهای مورد نیاز برای گاز زدایی مذاب را فراهم می‌نمایند. به عنوان مثال به جای استفاده از گاز کلر می‌توان از ترکیبات کلر مانند هگزاکلرواتان، تتراکلروکربن و نمک‌های کلر استفاده کرد. این ترکیبات، در مذاب آلومینیم تجزیه می‌شوند، کلر آن‌ها با آلومینیم ترکیب می‌شود و گاز کلرید آلومینیم را تولید می‌کند که از آن می‌توان برای گاز زدایی مذاب آلومینیم استفاده نمود.