مقاله مشخصات عمومی آلومینیم و آلیاژهای آن

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

  مقاله مشخصات عمومی آلومینیم و آلیاژهای آن دارای ۲۵ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله مشخصات عمومی آلومینیم و آلیاژهای آن  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله مشخصات عمومی آلومینیم و آلیاژهای آن،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

بخشی از متن مقاله مشخصات عمومی آلومینیم و آلیاژهای آن :

مشخصات عمومی آلومینیم و آلیاژهای آن

۱-۱ مشخصات فیزیکی :
آلومینیوم یکی از عناصر گروه سدیم در جدول تناوبی است که با تعداد پروتون ۱۳ و نوترون ۱۴ طبقه بندی الکترونی آن به صورت زیر می باشد

که در نتیجه می توان علاوه بر ظرفیت ۳،ظرفیت ۱را نیز در بعضی شرایط برای آلومینیوم در نظر گرفت
آلومینیوم از یک نوع ایزوتوپ تشکیل شده است وجرم اتمی آن در اندازه گیرهای فیزیکی ۱۰۹۹/۲۶ در اندازه گیرهای شیمیایی ۹۸/۲۶ تعیین گردیده است . شعاع اتمی این عنصر در c o 25برابر ۴۲۸۸۵/۱ آنگسترم و شعاع یونی آن از طریق روش گلداسمیت برابر A 57/0بدست آمده است که در ساختمان FCC وبدون هیچ گونه تغییر شکل آلوترو پیکی متبلور می شود .
مهمترین آلیاژهای صنعتی و تجارتی آلومینیوم عبارت از آلیاژهای این عنصر و عناصر دوره تناوبی سدیم مانند (منیزیم ، سلیسیم ) و عناصر دوره وابسته تناوب مانند مس ویا آلیاژهای توامی این دو گروه است .

سیلیسیم و منیزیم با اعداد اتمی ۱۴و۱۲ همسایه های اصلی آلومینیوم می باشند و بسیاری از کار بردهای تکنولوژیکی آلومینیوم بر اساس چنین همسایگی استوار است .ثابت کریستالی آلومینیومْ A 0414/4a= و مطابق شرایط فیزیکی قطر اتمی آن فرمول۸۵۷۷/۲ dAl = می باشد . بدیهی است حلالیت آلومینیوم به نسبت زیادی به قطر اتمی آن بستگی دارد و مطابق آنچه در مباحث متالورژی فیزیکی بیان می گردد اختلاف قطر اتم های حلال ومحلول نباید از ۱۵%تجاوز نماید،در حالی که شکل ساختمانی و الکترونهای مدار آخر نیزدر این حلالیت بی تاثیر نیستند .
در موردمنیزیم و سیلیسیم فاکتور اندازه اتمی نسبت به آلومینیوم مطابق روابط زیر است

و اختلاف الکترونی مدار آخر نیز به ترتیب( ۱+) برای منیزیم و(۱ـ)برای سیلیسیم می باشد. در مورد تشابه ساختمانی نیز در حالی که عدد همسایگی آلومینیوم ۱۲است اعداد همسایگی منیزیم وسیلیسیم به ترتیب (۶و۶) (منشور فشرده )و(۴ساختمان الماس)هستند که در مجموع می توان انتظار داشت که حلالیت جامد سیلیسیم در آلومینیوم ناچیز وحلالیت منیزیم از مقدار بیشتری برخودار باشد.
حلالیت نفوذ عناصر در آلومینیوم تابع قطر دهانه نفوذ جانبی

وقطر دهانه نفوذ مرکزی

بنابراین اتم های با قطر کوچک (کربن۵۴/۱،ازت۴۰/۱،بر ۷۵/۱،ئیدروژن ۷۴/۰و اکسیژن۲۰/۱)را می توان پیش بینی نمود که از طریق بین نشینی ونفوذی در آلومینیوم محلول جامد تشکیل دهند ولی تاثیر انرژی آزاد مناسب در تشکیل ترکیبات بین فلزی غیر فلزی مانع حلالیت عناصر فوق (به جز ئیدروژن)در آلومینیوم میگردد و تشکیل ترکیباتی مانند را باعث میشوند .
از بحث فوق نتیجه می شود که عناصر با قطر اتمی بیشتر از ۱۷/۱ آنگسترم نمی توانند در فلز آلومینیوم به طریق بین نشینی حل شوند و ئیدروژن تنها عنصری است که حلالیت آن در حالت جامد مسلم میباشد.
از آنجا که انرژی آزاد ترکیبات آلومینیوم به سهولت تامین می گردد بسیاری از اتمهای کوچک حتی در حالت مذاب نیز با آلومینیوم ترکیب می شوند که همین امر باعث حضور ترکیبات مختلفی در ذوب و ساختمان ریخته گری آلومینیوم می شود.
از مباحث متالوژی و ترمودینامیکی استنباط می شود که ضریب نفوذ عناصر در آلومینیوم
که در آن
ثابت نفوذی
Q انرژی انتقال بر حسب Cal/mol
R ثابت گازها ۹۸۷/۱ Cal/mol
T درجه حرارت مطلق می باشد

مطالعات تجربی ثابت کرده است که D (ضریب نفوذی) شدیدا تحت تاثیر درجه حرارت قرار دارد و مقدار Q و در مورد عناصری که آلیاژهای صنعتی را تولید می کنند مشخص است که از جداول ترمودینامیکی استخراج می شود.
ثابت کریستالی آلومینیوم در اثر درجه حرارت انبساط می یابد، بطوری که ضریب انبساط خطی این عنصر که در C ْ۲۰ برابر است در درجه حرارت C 200 ، و در C ْ ۵۰۰ برابر می باشد. از طرف دیگر انبساط ثابت کریستالی این عنصر در مقابل محلولهای جامد در هر حالت از قانون و گارد تبعیت می کند.
نقطه ذوب آلومینیوم C ْ ۶۵۹ و نقطه جوش آن C ْ ۲۰۵۷ است ولی فشار بخار آلومینیوم C ْ ۱۰۰۰ تقریبا برابر میلیمتر جیوه می باشد که از رابطه کلی زیر استخراج می شود.
به دلیل ایجاد فشار بخار و شدت اکسیداسیون عملا کاربرد آلومینیوم مذاب در حرارتهای بیش از C ْ ۱۰۰۰ غیر ممکن است. گرمای نهان گداز آلومینیوم برابر ۲۴۸۰ کالری بر اتم گرم می باشد و بر طبق روابط فیزیکی آنتروپی گداز آن

مقایسه انتروپی گداز و تغییرات انتروپی از درجه محیط تا نقطه ذوب نمایشگر تغییرات وسیعی است که در انتقال فاز از مایع به جامد وبالعکس در ساختمان کریستالی فلز حاصل می گردد.
نسبت تغیرات مذکور برای چند عنصر در زیر نشان داده شده است
انتروپی گداز تغییرات انتروپی تا نقطه ذوب فلز

۵۴/۰ ۴۶/۲ ۵۳/۴ کادمیوم
۴۷/۰ ۵۵/۲ ۴۵/۵ روی
۳۷/۰ ۷۵/۲ ۵۱/۷ آلومینیوم
۳۱/۰ ۳۲/۲ ۵۴/۷ منیزیم
۲۴/۰ ۳۰/۲ ۷۹/۹ مس
۲۳/۰ ۲۱/۲ ۷۸/۹ طلا
۱۳/۰ ۲ ۵۰/۱۵ آهن

باید توجه داشت که رابطه برای فلزات خالص و ترکیبات فلزی که نقطه تجانس در منحنی مایع و جامد پدید می آید صادق است و در سایرموارد نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد. آلومینیوم در حالت مذاب انبساط زیادی پیدا می نماید بطوریکه وزن مخصوص آن از ۶۹/۲ در درجه حرارت محیط به ۳۸/۲ در حالت مذاب تقلیل می یابد و از این رو انقباض حجمی آن حدود ۱۰% می باشد که با توجه به وزن مخصوص جامد در درجه حرارت C ْ۶۵۰ ، که برابر ۵۰/۲ است انقباض در فاصله انجماد به ۸/۶ % تقلیل می یابد.
آلومینیوم جامد با ساختمان کریستالی FCC و عدد همسایگی حدود ۱۱ و فاصله همسایگی ۱۲ و فاصله همسایگی ْ A 86/2 ، بعد از ذوب دارای عدد همسایگی حدود ۱۱ و فاصله همسایگی بیش از ْ A 3 می گردد و از این رو ضریب انبساط خطی آن در مرحله ذوب نیز ، حدود ۴% است .

گرمای نهان گداز این عنصر ۵/۲ کیلو کالری بر مول می باشد که در مقایسه با گرمای تبخیر آب ۶/۶۹ کیلو کالری بر مول نسبت آن حدود ۲۷ و به همین دلیل در جریان ذوب ، امکان تبخیر و تصعید آلومینیوم بسیار کم است. این نکته در مورد عناصری مانند منیزیم، روی و کادمیوم که گرمای نهان گداز آنها به ترتیب ۰۸/۲، ۷۲/۱ و ۵۳/۱ کیلو کالری بر مول و نسبت آنها از ۱۶ کمتر است حائز اهمیت است که امکان تبخیر و تصعید چنین عناصری در مرحله ذوب را افزایش می دهد.
۲-۱ مشخصات ریخته گری وذوب :

آلومینیوم و آلیاژهای آن به دلیل نقطه ذوب کم و برخورداری از سیالیت بالنسبه خوب و همچنین گسترش خواص مکانیکی و فیزیکی در اثر آلیاژسازی و قبول پدیده های عملیات حرارتی و عملیات مکانیکی، در صتایع امروز از اهمیت زیادی بر خوردارند و روز به روز موارد مصرف این آلیاژ ها توسعه می یابد. عناصر مختلف مانند سلیسیم ، منیزیم ، مس ، در خواص ریخته گری و مکانیکی این عنصر شدیدا تاثیر می کنند و یک رشته آلیاژهای صنعتی را پدید می آورند که از مقاومت مکانیکی، مقاومت 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 آلومینیوم مورد بحث قرار می گیرد و از این رو مستقلا در بخش سوم این کتاب مطالعه می شوند.
۱-۲-۱ تقسیم بندی آلیاژها :

آلیاژهای آلومینیوم در اولین مرحله به دو دسته تقسیم می گردند :
الف ـ آلیاژهای نوردی Wrought Alloys که قابلیت پذیرش انواع و اقسام کارهای مکانیکی نورد ، اکستروژن ، وفلزگری را دارند.
ب ـ آلیاهای ریختگی Casting Alloys که در شکل ریزی و ریخته گری های آلومینیوم با گسترش بسیار مورد استفاده اند . آلیاژهای 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 روش های عملیات مکانیکی به شکل نهائی در می آیند . مشخصات عمومی و ترکیب این نوع آلیاژها در جدول ۲-۱ درج گردیده است.

آلیاژهای ریختگی آلومینیوم که مورد بحث این کتاب نیز می باشند از طرق مختلف ریخته گری (ماسه ای ،پوسته ای ،فلزی و تحت فشار ) شکل می گیرند و مستقیما ویا بعد از عملیات حرارتی (در صورت لزوم ) در صنعت استفاده می شوند ،این آلیاژها در جداول ۳-۱ درج گردیده اند .
در مورد آلومینیوم و( سایر آلیاژها ) کشورهای مختلف استانداردهای متفاوتی بکار می برند که مشخصه درجه خلوص و یا میزان نا خالصی ها و سایر ترکیبات آلیاژ می باشد استاندار آلیاژهای آلومینیوم علاوه بر مشخصه های ارقامی که در جداول ۲-۱ و۳-۱ درج گردیده است به کمک رنگهای اصلی نیز انجام می گیرد .نمونه چنین رنگ هائی در استاندارد انگلیسی عبارتست از :
آلومینوم خالص رنگ سفید

آلومینوم –مس رنگ سبز
آلومینوم –منیزیم رنگ سیاه
آلومینوم –مس-نیکل رنگ قهوه ای
آلومینوم –روی –مس رنگ آبی
آلومینوم-سیلیسیم (منیزیم ) رنگ زرد
آلومینوم-سیلیسیم (مس) رنگ قرمز

در ایران متاسفانه هنوز استانداری برای صنایع آلومینوم بکار نمی رود و به رابطه کارخانه با کشورهای مختلف سیستم های متفاوت انگلیسی ،آمریکائی ،بلژیکی
بستگی دارد .مقایسه استانداردهای مختلف جهانی تقریبا مشکل ودر مورد آلیاژهای نوردی مطابق جدول ۴-۱ می باشد .در مورد آلیاژهای ریختگی نیز با اندک تفاوت چنین مقایسه ای امکان پذیر می باشد
۳-۱ مواد شارژ وآماده کردن آنها

مواد مختلفی که در ریختته گری آلیاژ های آلومینوم بکار می روند بر اساس نوع ترکیب خواسته شده و شرایط ترمود ینامیکی عبارتند از :شمش های اولیه ،شمش های دوباره ذوب ،قراضه ها ،برگشتی ها و آلیاژ سازها H ardeners . تفاوت عمده بین شمش های اولیه وشمش های دوباره ذوب آنست که شمش های اولیه که از کارخانجات ذوب بدست می آیند حاوی مقادیر زیادی ناخالصی و گاز می باشند که تاثیر منفی ونامطلوب در قطعه ایجاد می نمایند در حالی که شمش های ثانویه در اثر خروج ناخالصی ها وسایر مواد (بر اساس تصفیه )از کیفیت ترکیبی برتری بر خودار می باشند
۱-۳-۱شمش های اولیه :

این شمش ها در قطعات ۵ تا ۱۵ کیلوگرمی بر اساس درجه خلوص تهیه می شوند .
وزن شمش های خالصی که حاوی ترکیب دقیق شیمیائی می باشند معمولا از۵کیلوگرم تجاوز نمی نماید .استاندار ومشخصات شمش های اولیه در جداول ۳-۱ درج گردیده اند .این شمش ها معمولادر مورد ساخت قطعات که از کنترل کیفی بسیار مطلوب بر خودارند استفاده می شوند و قیمت آنها نیز بر حسب درجه خلوص و تقلیل نا خالصی ها به صورت تصاعدی افزایش می یابد .
در ساخت آلیاژ های آلومینوم ،بسیاری از عناصر مستقیما به آلیاژ مذاب افزوده می شوند که در این مورد شمش های اولیه خالص این عناصر نیز مورد استفاده اند این شمش ها عبارتند از :

روی –شمش های روی با درجه خلوص۷/۹۸تا ۵/۹۹ درصد رویدر استاندارد های مختلف بین المللی تهیه می شوند و همواره حاوی ناخالصی ها ئی از قبیل مس،کا دمیوم ،آهن سرب وگاهی قلع و آنتیموان می باشند .در ذوب آلومینوم معمولا از شمش های روی با درجه خلوص ۹/۹۹ استفاده می شود تا میزان ناخالصی ها بخصوص آهن تقلیل یابد .نقطه ذوب روی c419 وزن مخصوص آن ۱/۷ گرم بر سانتیمتر معکب است منیزیم –در مواقعی که درصد کمی از منیزیم مورد نیاز باشد ،می توان مستقیما منیزیم را به مذاب آلومینوم اضافه نمود که شمش های آن با درجه خلوص ۹/۹۹ حاوی ناخالصی ها ئی از قبیل آهن ،سدیم ،آلومینوم ،پتاسیم ،مس ،نیکل میباشند .نقطه ذوب منیزیم C650 و وزن مخصوص آن ۷۴/۱ ودر شمش های ۵/۲ تا ۱۵ کیلو گرمی تهیه می شوند .سیلیسیم – این عنصر به دو صورت سیلومین ویا سیلیسیم کریستالیزه به آلومینوم اضافه می شود ،ترکیبات سیلومینی با ۱۰ تا ۱۳ درصد سیلیسیم در جداول۳-۱ درج شده اند .شمش سیلسیم کریستالیزه با درج خلوص ۵/۹۹ تا ۹/۹۹در صد سیلسیم همراه ناخالصی ها ئی از قبیل آهن ،آلومینوم دارای نقطه ذوبی حدود C1400و وزن مخصوص آن ۴/۲ می باشد.منگنز ،مس ،آهن ،نیکل ،کرم مستقیمابه مذاب آلومینوم اضافه نمی گردند ودر مورد این عناصر معمولا از هارد نرهااستفاده می کنند
۲-۳-۱شمش های دوباره ذوب (ثانویه )و قراضه:

شمش های ثانویه که از ذوب وتصفیه قراضه ها و آلیاژهای بر گشتی تهیه میشوند معمولا از کنترل کیفی مطلوب بر خودارند وحاوی مقداری ناخالصی های معمولی در آلومینوم مانند مس و آهن و سیلسیم هستند .قراضه ها و قطعات بر گشتی بایستی به دقت از نظر ترکیب شیمیائی کنترل و دسته بندی شوند .استفاده مستقیم از قراضه ها و قطعات کوچک (براده ،پلیسه و اضافات تراشکاری ) به دلیل افزایش سطح تماس و شدت اکسید اسیون عملا نامطلوب می باشند و ترجیحااین قطعات را تحت نیروی پرسهای هیدرولیکی فشرده ودر بلوک های مختلف به کار می برند .برگشتی ها هم چنین آغشته به روغن گریس،رطوبت و … می باشند که بایستی قبل از استفاده وذوب دقیقا تمیز و از کثافات روغن بر کنار باشند ومعمولا از دستگاههای دوار وخشک کننده در این مورد استفاده می کنند .از آنجا که قراضه ها معمولا ترکیبات ناشناخته ای دارند اغلب ترجیح داده می شود که ‌آنها رادر کارگاه ریخته گری ذوب وپس از کنترل وآنالیز کیفی مورد استفاده قرار دهند .

۳-۳-۱ آلیاژسازها (Hardeners )
این عناصر که به نام های MasterALLOYS و TemperALLOYS نیز نامیده می شوند به مقدار زیادی در صنایع ریخته گری آلومینوم بکای می روند ،زیرا آلومینوم با نقطه ذوب کم اغلب قادر به ذوت و پذیرش مستقیم عناصر با نقطه ذوب بالا نیست( مسCْ۱۰۸۳،منگنز Cْ۱۲۴۴،نیکلCْ۱۴۵۵ ،سیلیسیمCْ۱۴۱۵،آهن Cْ۱۵۳۹،وتیتانیوم Cْ۱۶۶۰)همچنین عناصر دیگر یکه نقطه ذوب بالا ندارند .دارای فشار بخار و شدت تصعید و اکسید اسیون می باشند که در صورت استفاده مستقیم در صد اتلاف این عناصر شدیدا افزایش می یابد (منیزیم ،روی )ترکیب شیمیائی ونقطه ذوب از هاردنر که در صنایع آلومینوم بکار می روند در جدول ۵-۱ درج گردید هاست و مشخصات متالوژیکی آلیاژها در فصل جداگانه ای مورد مطالعه قرار خواهد گرفت .تهیه آلیاژها سازها معمولا در کار گاهها ی ریخته گری نیز انجام می گیرد در این مواقع اغلب روش های زیر مورد استفاده است .معمولا قطعات عنصر دیر ذوب را ریز نموده ودر فویل های آلومینومی پیچیده ویا در شناورهای گرافیتی قرار داده ودر داخل مذاب آلومینوم Cْ۸۰۰ تا C ْ۸۵۰ تحت فلاکس )فرو می برند وسپس آن را بهم می زنند .در بعضی موارد ودر صورت امکان از دو کوره ذوب استفاده می نمایند و بعد از ذوب دو عنصر آنها را با هم مخلوط می کنند .این عمل در مورد اجسامی که تا Cْ۱۱۰۰نقطه ذوب دارند مقرون به صرفه است ولی در مورد عناصر با نقطه ذوب بالا عملا مشکلاتی را فراهم می کند .در جریان ذوب و ساخت آلیاژو تنظیم شارژ علاوه بر مشخصات ترکیبی آلیاژ بایستی میزان اتلافات در جریان ذوب که به نوع کوره ، روش ذوب و روش تصفیه بستگی دارد ، مورد توجه قرار گیرد .

نقطه ذوب ترکیب نقطه ذوب ترکیب
۵۶۰ ۱۱ ۸۹ AL-Mg 660 15-85 AL -Si
۶۴۰ ۹۹ ۹۱ ۶۲۰ ۱۲-۸۸
۱۰۴۶ ۵۰-۵۰
۸۳۰ ۱۱ ۸۹ ۵۷۰ ۵۰-۵۰ Al-Cu
۷۷۰ ۹ ۹۱ A L- Mg 600 45-55
۹۱۵ ۲۵ ۷۵

۶۰۰ ۳- ۹۷ A l-Be
۸۵۰ ۱۱ ۸۹
۸۰۰ ۹ ۹۱ A L -Fe 80 11-89
۱۰۲۰ ۲۰ ۸۰ ۷۳۰ ۹ -۹۱ Ni-A L
۱۱۵۰ ۵۰ ۵۰ ۷۶۵ ۲۰-۸۰
مثال : برای تهیه آلیاژی از آلومینیوم با ترکیب ۵% سیلیسیم ، ۴/۰ % منزیم ، ۲۵/۱ %مس و بقیه آلومینیوم مواد زیر موجود است .
الف ـ شمش آلومینیومی ۹۹/۹۹ تقریبا خالص
ب ـ سیلومین ۱۳ـ ۸۷
پ ـ هاردنر A l -Mg 10-90
ت ـ هاردنر A l -Cu 50-50

مطلوبست محاسبه درصد استفاده هر یک از شمش ها و روش ذوب در حالی که اتلاف کوره به ترتیب ۱% سیلیسیم ،۳% منزیم ، ۱% مس و ۱% آلومینیوم منظور شود .

مشخصات عمومی آلومینیم و آلیاژهای آن

۱-۱ مشخصات فیزیکی :
آلومینیوم یکی از عناصر گروه سدیم در جدول تناوبی است که با تعداد پروتون ۱۳ و نوترون ۱۴ طبقه بندی الکترونی آن به صورت زیر می باشد

که در نتیجه می توان علاوه بر ظرفیت ۳،ظرفیت ۱را نیز در بعضی شرایط برای آلومینیوم در نظر گرفت
آلومینیوم از یک نوع ایزوتوپ تشکیل شده است وجرم اتمی آن در اندازه گیرهای فیزیکی ۱۰۹۹/۲۶ در اندازه گیرهای شیمیایی ۹۸/۲۶ تعیین گردیده است . شعاع اتمی این عنصر در c o 25برابر ۴۲۸۸۵/۱ آنگسترم و شعاع یونی آن از طریق روش گلداسمیت برابر A 57/0بدست آمده است که در ساختمان FCC وبدون هیچ گونه تغییر شکل آلوترو پیکی متبلور می شود .
مهمترین آلیاژهای صنعتی و تجارتی آلومینیوم عبارت از آلیاژهای این عنصر و عناصر دوره تناوبی سدیم مانند (منیزیم ، سلیسیم ) و عناصر دوره وابسته تناوب مانند مس ویا آلیاژهای توامی این دو گروه است .

سیلیسیم و منیزیم با اعداد اتمی ۱۴و۱۲ همسایه های اصلی آلومینیوم می باشند و بسیاری از کار بردهای تکنولوژیکی آلومینیوم بر اساس چنین همسایگی استوار است .ثابت کریستالی آلومینیومْ A 0414/4a= و مطابق شرایط فیزیکی قطر اتمی آن فرمول۸۵۷۷/۲ dAl = می باشد . بدیهی است حلالیت آلومینیوم به نسبت زیادی به قطر اتمی آن بستگی دارد و مطابق آنچه در مباحث متالورژی فیزیکی بیان می گردد اختلاف قطر اتم های حلال ومحلول نباید از ۱۵%تجاوز نماید،در حالی که شکل ساختمانی و الکترونهای مدار آخر نیزدر این حلالیت بی تاثیر نیستند .
در موردمنیزیم و سیلیسیم فاکتور اندازه اتمی نسبت به آلومینیوم مطابق روابط زیر است

و اختلاف الکترونی مدار آخر نیز به ترتیب( ۱+) برای منیزیم و(۱ـ)برای سیلیسیم می باشد. در مورد تشابه ساختمانی نیز در حالی که عدد همسایگی آلومینیوم ۱۲است اعداد همسایگی منیزیم وسیلیسیم به ترتیب (۶و۶) (منشور فشرده )و(۴ساختمان الماس)هستند که در مجموع می توان انتظار داشت که حلالیت جامد سیلیسیم در آلومینیوم ناچیز وحلالیت منیزیم از مقدار بیشتری برخودار باشد.
حلالیت نفوذ عناصر در آلومینیوم تابع قطر دهانه نفوذ جانبی

وقطر دهانه نفوذ مرکزی

بنابراین اتم های با قطر کوچک (کربن۵۴/۱،ازت۴۰/۱،بر ۷۵/۱،ئیدروژن ۷۴/۰و اکسیژن۲۰/۱)را می توان پیش بینی نمود که از طریق بین نشینی ونفوذی در آلومینیوم محلول جامد تشکیل دهند ولی تاثیر انرژی آزاد مناسب در تشکیل ترکیبات بین فلزی غیر فلزی مانع حلالیت عناصر فوق (به جز ئیدروژن)در آلومینیوم میگردد و تشکیل ترکیباتی مانند را باعث میشوند .
از بحث فوق نتیجه می شود که عناصر با قطر اتمی بیشتر از ۱۷/۱ آنگسترم نمی توانند در فلز آلومینیوم به طریق بین نشینی حل شوند و ئیدروژن تنها عنصری است که حلالیت آن در حالت جامد مسلم میباشد.
از آنجا که انرژی آزاد ترکیبات آلومینیوم به سهولت تامین می گردد بسیاری از اتمهای کوچک حتی در حالت مذاب نیز با آلومینیوم ترکیب می شوند که همین امر باعث حضور ترکیبات مختلفی در ذوب و ساختمان ریخته گری آلومینیوم می شود.
از مباحث متالوژی و ترمودینامیکی استنباط می شود که ضریب نفوذ عناصر در آلومینیوم
که در آن
ثابت نفوذی
Q انرژی انتقال بر حسب Cal/mol
R ثابت گازها ۹۸۷/۱ Cal/mol
T درجه حرارت مطلق می باشد

مطالعات تجربی ثابت کرده است که D (ضریب نفوذی) شدیدا تحت تاثیر درجه حرارت قرار دارد و مقدار Q و در مورد عناصری که آلیاژهای صنعتی را تولید می کنند مشخص است که از جداول ترمودینامیکی استخراج می شود.

ثابت کریستالی آلومینیوم در اثر درجه حرارت انبساط می یابد، بطوری که ضریب انبساط خطی این عنصر که در C ْ۲۰ برابر است در درجه حرارت C 200 ، و در C ْ ۵۰۰ برابر می باشد. از طرف دیگر انبساط ثابت کریستالی این عنصر در مقابل محلولهای جامد در هر حالت از قانون و گارد تبعیت می کند.
نقطه ذوب آلومینیوم C ْ ۶۵۹ و نقطه جوش آن C ْ ۲۰۵۷ است ولی فشار بخار آلومینیوم C ْ ۱۰۰۰ تقریبا برابر میلیمتر جیوه می باشد که از رابطه کلی زیر استخراج می شود.
به دلیل ایجاد فشار بخار و شدت اکسیداسیون عملا کاربرد آلومینیوم مذاب در حرارتهای بیش از C ْ ۱۰۰۰ غیر ممکن است. گرمای نهان گداز آلومینیوم برابر ۲۴۸۰ کالری بر اتم گرم می باشد و بر طبق روابط فیزیکی آنتروپی گداز آن

مقایسه انتروپی گداز و تغییرات انتروپی از درجه محیط تا نقطه ذوب نمایشگر تغییرات وسیعی است که در انتقال فاز از مایع به جامد وبالعکس در ساختمان کریستالی فلز حاصل می گردد.
نسبت تغیرات مذکور برای چند عنصر در زیر نشان داده شده است
انتروپی گداز تغییرات انتروپی تا نقطه ذوب فلز

۵۴/۰ ۴۶/۲ ۵۳/۴ کادمیوم
۴۷/۰ ۵۵/۲ ۴۵/۵ روی
۳۷/۰ ۷۵/۲ ۵۱/۷ آلومینیوم
۳۱/۰ ۳۲/۲ ۵۴/۷ منیزیم
۲۴/۰ ۳۰/۲ ۷۹/۹ مس
۲۳/۰ ۲۱/۲ ۷۸/۹ طلا
۱۳/۰ ۲ ۵۰/۱۵ آهن
باید توجه داشت که رابطه برای فلزات خالص و ترکیبات فلزی که نقطه تجانس در منحنی مایع و جامد پدید می آید صادق است و در سایرموارد نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد. آلومینیوم در حالت مذاب انبساط زیادی پیدا می نماید بطوریکه وزن مخصوص آن از ۶۹/۲ در درجه حرارت محیط به ۳۸/۲ در حالت مذاب تقلیل می یابد و از این رو انقباض حجمی آن حدود ۱۰% می باشد که با توجه به وزن مخصوص جامد در درجه حرارت C ْ۶۵۰ ، که برابر ۵۰/۲ است انقباض در فاصله انجماد به ۸/۶ % تقلیل می یابد.
آلومینیوم جامد با ساختمان کریستالی FCC و عدد همسایگی حدود ۱۱ و فاصله همسایگی ۱۲ و فاصله همسایگی ْ A 86/2 ، بعد از ذوب دارای عدد همسایگی حدود ۱۱ و فاصله همسایگی بیش از ْ A 3 می گردد و از این رو ضریب انبساط خطی آن در مرحله ذوب نیز ، حدود ۴% است .
گرمای نهان گداز این عنصر ۵/۲ کیلو کالری بر مول می باشد که در مقایسه با گرمای تبخیر آب ۶/۶۹ کیلو کالری بر مول نسبت آن حدود ۲۷ و به همین دلیل در جریان ذوب ، امکان تبخیر و تصعید آلومینیوم بسیار کم است. این نکته در مورد عناصری مانند منیزیم، روی و کادمیوم که گرمای نهان گداز آنها به ترتیب ۰۸/۲، ۷۲/۱ و ۵۳/۱ کیلو کالری بر مول و نسبت آنها از ۱۶ کمتر است حائز اهمیت است که امکان تبخیر و تصعید چنین عناصری در مرحله ذوب را افزایش می دهد.
۲-۱ مشخصات ریخته گری وذوب :
آلومینیوم و آلیاژهای آن به دلیل نقطه ذوب کم و برخورداری از سیالیت بالنسبه خوب و همچنین گسترش خواص مکانیکی و فیزیکی در اثر آلیاژسازی و قبول پدیده های عملیات حرارتی و عملیات مکانیکی، در صتایع امروز از اهمیت زیادی بر خوردارند و روز به روز موارد مصرف این آلیاژ ها توسعه می یابد. عناصر مختلف مانند سلیسیم ، منیزیم ، مس ، در خواص ریخته گری و مکانیکی این عنصر شدیدا تاثیر می کنند و یک رشته آلیاژهای صنعتی را پدید می آورند که از مقاومت مکانیکی، مقاومت 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 آلومینیوم مورد بحث قرار می گیرد و از این رو مستقلا در بخش سوم این کتاب مطالعه می شوند.
۱-۲-۱ تقسیم بندی آلیاژها :
آلیاژهای آلومینیوم در اولین مرحله به دو دسته تقسیم می گردند :
الف ـ آلیاژهای نوردی Wrought Alloys که قابلیت پذیرش انواع و اقسام کارهای مکانیکی نورد ، اکستروژن ، وفلزگری را دارند.
ب ـ آلیاهای ریختگی Casting Alloys که در شکل ریزی و ریخته گری های آلومینیوم با گسترش بسیار مورد استفاده اند . آلیاژهای 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 روش های عملیات مکانیکی به شکل نهائی در می آیند . مشخصات عمومی و ترکیب این نوع آلیاژها در جدول ۲-۱ درج گردیده است.

آلیاژهای ریختگی آلومینیوم که مورد بحث این کتاب نیز می باشند از طرق مختلف ریخته گری (ماسه ای ،پوسته ای ،فلزی و تحت فشار ) شکل می گیرند و مستقیما ویا بعد از عملیات حرارتی (در صورت لزوم ) در صنعت استفاده می شوند ،این آلیاژها در جداول ۳-۱ درج گردیده اند .
در مورد آلومینیوم و( سایر آلیاژها ) کشورهای مختلف استانداردهای متفاوتی بکار می برند که مشخصه درجه خلوص و یا میزان نا خالصی ها و سایر ترکیبات آلیاژ می باشد استاندار آلیاژهای آلومینیوم علاوه بر مشخصه های ارقامی که در جداول ۲-۱ و۳-۱ درج گردیده است به کمک رنگهای اصلی نیز انجام می گیرد .نمونه چنین رنگ هائی در استاندارد انگلیسی عبارتست از :

آلومینوم خالص رنگ سفید
آلومینوم –مس رنگ سبز
آلومینوم –منیزیم رنگ سیاه
آلومینوم –مس-نیکل رنگ قهوه ای
آلومینوم –روی –مس رنگ آبی
آلومینوم-سیلیسیم (منیزیم ) رنگ زرد
آلومینوم-سیلیسیم (مس) رنگ قرمز

در ایران متاسفانه هنوز استانداری برای صنایع آلومینوم بکار نمی رود و به رابطه کارخانه با کشورهای مختلف سیستم های متفاوت انگلیسی ،آمریکائی ،بلژیکی
بستگی دارد .مقایسه استانداردهای مختلف جهانی تقریبا مشکل ودر مورد آلیاژهای نوردی مطابق جدول ۴-۱ می باشد .در مورد آلیاژهای ریختگی نیز با اندک تفاوت چنین مقایسه ای امکان پذیر می باشد
۳-۱ مواد شارژ وآماده کردن آنها

مواد مختلفی که در ریختته گری آلیاژ های آلومینوم بکار می روند بر اساس نوع ترکیب خواسته شده و شرایط ترمود ینامیکی عبارتند از :شمش های اولیه ،شمش های دوباره ذوب ،قراضه ها ،برگشتی ها و آلیاژ سازها H ardeners . تفاوت عمده بین شمش های اولیه وشمش های دوباره ذوب آنست که شمش های اولیه که از کارخانجات ذوب بدست می آیند حاوی مقادیر زیادی ناخالصی و گاز می باشند که تاثیر منفی ونامطلوب در قطعه ایجاد می نمایند در حالی که شمش های ثانویه در اثر خروج ناخالصی ها وسایر مواد (بر اساس تصفیه )از کیفیت ترکیبی برتری بر خودار می باشند
۱-۳-۱شمش های اولیه :

این شمش ها در قطعات ۵ تا ۱۵ کیلوگرمی بر اساس درجه خلوص تهیه می شوند .
وزن شمش های خالصی که حاوی ترکیب دقیق شیمیائی می باشند معمولا از۵کیلوگرم تجاوز نمی نماید .استاندار ومشخصات شمش های اولیه در جداول ۳-۱ درج گردیده اند .این شمش ها معمولادر مورد ساخت قطعات که از کنترل کیفی بسیار مطلوب بر خودارند استفاده می شوند و قیمت آنها نیز بر حسب درجه خلوص و تقلیل نا خالصی ها به صورت تصاعدی افزایش می یابد .
در ساخت آلیاژ های آلومینوم ،بسیاری از عناصر مستقیما به آلیاژ مذاب افزوده می شوند که در این مورد شمش های اولیه خالص این عناصر نیز مورد استفاده اند این شمش ها عبارتند از :

روی –شمش های روی با درجه خلوص۷/۹۸تا ۵/۹۹ درصد رویدر استاندارد های مختلف بین المللی تهیه می شوند و همواره حاوی ناخالصی ها ئی از قبیل مس،کا دمیوم ،آهن سرب وگاهی قلع و آنتیموان می باشند .در ذوب آلومینوم معمولا از شمش های روی با درجه خلوص ۹/۹۹ استفاده می شود تا میزان ناخالصی ها بخصوص آهن تقلیل یابد .نقطه ذوب روی c419 وزن مخصوص آن ۱/۷ گرم بر سانتیمتر معکب است منیزیم –در مواقعی که درصد کمی از منیزیم مورد نیاز باشد ،می توان مستقیما منیزیم را به مذاب آلومینوم اضافه نمود که شمش های آن با درجه خلوص ۹/۹۹ حاوی ناخالصی ها ئی از قبیل آهن ،سدیم ،آلومینوم ،پتاسیم ،مس ،نیکل میباشند .نقطه ذوب منیزیم C650 و وزن مخصوص آن ۷۴/۱ ودر شمش های ۵/۲ تا ۱۵ کیلو گرمی تهیه می شوند .سیلیسیم – این عنصر به دو صورت سیلومین ویا سیلیسیم کریستالیزه به آلومینوم اضافه می شود ،ترکیبات سیلومینی با ۱۰ تا ۱۳ درصد سیلیسیم در جداول۳-۱ درج شده اند .شمش سیلسیم کریستالیزه با درج خلوص ۵/۹۹ تا ۹/۹۹در صد سیلسیم همراه ناخالصی ها ئی از قبیل آهن ،آلومینوم دارای نقطه ذوبی حدود C1400و وزن مخصوص آن ۴/۲ می باشد.منگنز ،مس ،آهن ،نیکل ،کرم مستقیمابه مذاب آلومینوم اضافه نمی گردند ودر مورد این عناصر معمولا از هارد نرهااستفاده می کنند
۲-۳-۱شمش های دوباره ذوب (ثانویه )و قراضه:

شمش های ثانویه که از ذوب وتصفیه قراضه ها و آلیاژهای بر گشتی تهیه میشوند معمولا از کنترل کیفی مطلوب بر خودارند وحاوی مقداری ناخالصی های معمولی در آلومینوم مانند مس و آهن و سیلسیم هستند .قراضه ها و قطعات بر گشتی بایستی به دقت از نظر ترکیب شیمیائی کنترل و دسته بندی شوند .استفاده مستقیم از قراضه ها و قطعات کوچک (براده ،پلیسه و اضافات تراشکاری ) به دلیل افزایش سطح تماس و شدت اکسید اسیون عملا نامطلوب می باشند و ترجیحااین قطعات را تحت نیروی پرسهای هیدرولیکی فشرده ودر بلوک های مختلف به کار می برند .برگشتی ها هم چنین آغشته به روغن گریس،رطوبت و … می باشند که بایستی قبل از استفاده وذوب دقیقا تمیز و از کثافات روغن بر کنار باشند ومعمولا از دستگاههای دوار وخشک کننده در این مورد استفاده می کنند .از آنجا که قراضه ها معمولا ترکیبات ناشناخته ای دارند اغلب ترجیح داده می شود که ‌آنها رادر کارگاه ریخته گری ذوب وپس از کنترل وآنالیز کیفی مورد استفاده قرار دهند .

۳-۳-۱ آلیاژسازها (Hardeners )
این عناصر که به نام های MasterALLOYS و TemperALLOYS نیز نامیده می شوند به مقدار زیادی در صنایع ریخته گری آلومینوم بکای می روند ،زیرا آلومینوم با نقطه ذوب کم اغلب قادر به ذوت و پذیرش مستقیم عناصر با نقطه ذوب بالا نیست( مسCْ۱۰۸۳،منگنز Cْ۱۲۴۴،نیکلCْ۱۴۵۵ ،سیلیسیمCْ۱۴۱۵،آهن Cْ۱۵۳۹،وتیتانیوم Cْ۱۶۶۰)همچنین عناصر دیگر یکه نقطه ذوب بالا ندارند .دارای فشار بخار و شدت تصعید و اکسید اسیون می باشند که در صورت استفاده مستقیم در صد اتلاف این عناصر شدیدا افزایش می یابد (منیزیم ،روی )ترکیب شیمیائی ونقطه ذوب از هاردنر که در صنایع آلومینوم بکار می روند در جدول ۵-۱ درج گردید هاست و مشخصات متالوژیکی آلیاژها در فصل جداگانه ای مورد مطالعه قرار خواهد گرفت .تهیه آلیاژها سازها معمولا در کار گاهها ی ریخته گری نیز انجام می گیرد در این مواقع اغلب روش های زیر مورد استفاده است .معمولا قطعات عنصر دیر ذوب را ریز نموده ودر فویل های آلومینومی پیچیده ویا در شناورهای گرافیتی قرار داده ودر داخل مذاب آلومینوم Cْ۸۰۰ تا C ْ۸۵۰ تحت فلاکس )فرو می برند وسپس آن را بهم می زنند .در بعضی موارد ودر صورت امکان از دو کوره ذوب استفاده می نمایند و بعد از ذوب دو عنصر آنها را با هم مخلوط می کنند .این عمل در مورد اجسامی که تا Cْ۱۱۰۰نقطه ذوب دارند مقرون به صرفه است ولی در مورد عناصر با نقطه ذوب بالا عملا مشکلاتی را فراهم می کند .در جریان ذوب و ساخت آلیاژو تنظیم شارژ علاوه بر مشخصات ترکیبی آلیاژ بایستی میزان اتلافات در جریان ذوب که به نوع کوره ، روش ذوب و روش تصفیه بستگی دارد ، مورد توجه قرار گیرد .
نقطه ذوب ترکیب نقطه ذوب ترکیب
۵۶۰ ۱۱ ۸۹ AL-Mg 660 15-85 AL -Si
۶۴۰ ۹۹ ۹۱ ۶۲۰ ۱۲-۸۸
۱۰۴۶ ۵۰-۵۰
۸۳۰ ۱۱ ۸۹ ۵۷۰ ۵۰-۵۰ Al-Cu
۷۷۰ ۹ ۹۱ A L- Mg 600 45-55
۹۱۵ ۲۵ ۷۵
۶۰۰ ۳- ۹۷ A l-Be
۸۵۰ ۱۱ ۸۹
۸۰۰ ۹ ۹۱ A L -Fe 80 11-89
۱۰۲۰ ۲۰ ۸۰ ۷۳۰ ۹ -۹۱ Ni-A L
۱۱۵۰ ۵۰ ۵۰ ۷۶۵ ۲۰-۸۰
مثال : برای تهیه آلیاژی از آلومینیوم با ترکیب ۵% سیلیسیم ، ۴/۰ % منزیم ، ۲۵/۱ %مس و بقیه آلومینیوم مواد زیر موجود است .
الف ـ شمش آلومینیومی ۹۹/۹۹ تقریبا خالص
ب ـ سیلومین ۱۳ـ ۸۷
پ ـ هاردنر A l -Mg 10-90
ت ـ هاردنر A l -Cu 50-50
مطلوبست محاسبه درصد استفاده هر یک از شمش ها و روش ذوب در حالی که اتلاف کوره به ترتیب ۱% سیلیسیم ،۳% منزیم ، ۱% مس و ۱% آلومینیوم منظور شود .