سیلیکون متالدر تولید آلیاژ آلومینیوم: چرا Si عنصر اصلی آلیاژی است

فلز سیلیکون - نیز نامیده می شودسیلیکون صنعتییاسیلیکون درجه متالورژی-- تنها مهم ترین آلیاژ افزودنی به آلومینیوم است. با تشکیل فازهای سخت بین فلزی و کاهش نقطه ذوب یوتکتیک سیلیکون-آلومینیوم، آلومینیوم خالص نرم و مستعد خوردگی{3}}را به آلیاژهای ریخته‌گری{4} با استحکام بالا تبدیل می‌کند که در نیروگاه‌های خودرو، اکستروژن‌های ساختمانی و سازه‌های هوافضا در سراسر جهان استفاده می‌شوند.

صنعت جهانی آلومینیوم چندین میلیون تن مصرف می کندفلز سیلیکونسالانه، و بیشتر این تقاضا از یک کاربرد واحد سرچشمه می گیرد: آلیاژسازی. برخلاف فولاد، که در آن عناصر آلیاژی متعدد و اغلب قابل تعویض هستند، آلومینیوم به عنوان شریک اصلی آلیاژی خود به سیلیکون متکی است. دلایل هم متالورژیکی و هم اقتصادی است. سیلیکون فراوان، مقرون به صرفه است، و - از همه مهمتر - ترکیبی منحصر به فرد از قابلیت ریخته گری، استحکام مکانیکی، مقاومت در برابر خوردگی و پایداری حرارتی است که هیچ عنصر دیگری نمی تواند آن را با هزینه قابل مقایسه تکرار کند. این مقاله مکانیسم‌های متالورژیکی پشت نقش سیلیکون، خانواده‌های آلیاژی خاص که به آن وابسته هستند و شیوه‌های صنعتی حاکم را بررسی می‌کند.فلز سیلیکونانتخاب برای تولید آلومینیوم

 

 

مکانیسم های متالورژی: چگونه سیلیکون آلومینیوم را تبدیل می کند

سیستم دوتایی سیلیکونی{0}}آلومینیوم یکی از گسترده‌ترین سیستم‌هایی است که در متالورژی مورد مطالعه قرار گرفته است و دلیل خوبی هم دارد. آلومینیوم خالص نرم، ضعیف است و مقاومت سایش ضعیفی دارد. سیلیکون، زمانی که در ماتریس آلومینیوم حل یا پراکنده می شود، اساساً این خواص را از طریق چندین مکانیسم متمایز تغییر می دهد.

تشکیل یوتکتیک و افزایش سیالیت

یوتکتیک سیلیکون آلومینیومی-در حدود 12.6 درصد سیلیکون وزنی وجود دارد و در دمای تقریباً 577 درجه سانتیگراد - بطور قابل توجهی کمتر از نقطه ذوب آلومینیوم خالص 660 درجه سانتیگراد ذوب می شود. هنگامی که سیلیکون در محدوده 5 تا 12 درصد به آلومینیوم اضافه می شود، آلیاژ به دست آمده سیالیت قابل ملاحظه ای را در طول ریخته گری نشان می دهد. وجود یک فاز یوتکتیک ذوب پایین به فلز مذاب اجازه می‌دهد تا در بخش‌های قالب با دیواره نازک-و هندسه‌های پیچیده جریان یابد که با آلومینیوم بدون آلیاژ غیرممکن است. این ویژگی آلیاژهای دارای سیلیکون{12}}را برای ریخته‌گری فشار قوی بلوک‌های موتور، محفظه‌های انتقال و براکت‌های ساختاری در بخش خودرو ضروری می‌سازد.

تقویت از طریق فازهای بین فلزی

سیلیکون یک محلول جامد پیوسته با آلومینیوم در سراسر محدوده ترکیب کامل تشکیل نمی دهد. در عوض، ذرات سیلیکون اولیه یا لاملاهای سیلیکونی یوتکتیک در طول انجماد رسوب می کنند. این فازهای سیلیکونی سخت و شکننده به‌عنوان اجزای تقویت‌کننده در ماتریس آلومینیومی نرم‌تر عمل می‌کنند و استحکام کششی، سختی و مقاومت در برابر سایش را افزایش می‌دهند. اندازه، مورفولوژی و توزیع این ذرات سیلیکون از طریق پارامترهای ریخته گری، عملیات مذاب با اصلاح کننده های سدیم یا استرانسیم و عملیات حرارتی بعدی کنترل می شود. سیلیکون یوتکتیک الیافی ریز - که از طریق اصلاح - به دست می‌آید، در مقایسه با ساختارهای درشت صفحه- اصلاح نشده، خواص مکانیکی برتری دارد.

انبساط حرارتی و پایداری ابعادی

یکی دیگر از مزایای-که اغلب نادیده گرفته می‌شود سیلیکون در آلیاژهای آلومینیوم، کاهش ضریب انبساط حرارتی است. پیستون‌ها و سرسیلندرهای خودرو تحت سیکل حرارتی شدید کار می‌کنند و انبساط بیش از حد می‌تواند منجر به از دست دادن فاصله، خراشیدگی و خرابی زودرس شود. آلیاژهای آلومینیومی{3}}دارای سیلیکون انبساط حرارتی کمتری نسبت به آلومینیوم خالص نشان می‌دهند، که ثبات ابعادی را بهبود می‌بخشد و تحمل‌های طراحی سخت‌تر را در کاربردهای{4}در دمای بالا ممکن می‌سازد.

مقاومت در برابر خوردگی در قرار گرفتن در معرض دریا و اتمسفر

در حالی که خود سیلیکون در محیط های اسیدی به ویژه در برابر خوردگی-مقاوم نیست، حضور آن در آلیاژهای آلومینیوم می تواند عملکرد خوردگی کلی را در شرایط خنثی و قلیایی خفیف بهبود بخشد. لایه‌های سطحی غنی از سیلیکون-که در طی اکسیداسیون طبیعی تشکیل می‌شوند می‌توانند به عنوان مانعی برای حمله بیشتر جوی عمل کنند. در کاربردهای ساخت و ساز دریایی و ساحلی، آلیاژهای سری 6xxx - که سیلیکون را با منیزیم ترکیب می‌کنند - مقاومت بسیار خوبی در برابر پاشش نمک و خوردگی جوی ارائه می‌دهند و آنها را به ماده انتخابی برای قاب‌های پنجره، دیوارهای پرده و اکستروژن‌های ساختاری در محیط‌های تهاجمی تبدیل می‌کنند.

خانواده آلیاژ آلومینیوم و محتوای سیلیکون

سیستم نامگذاری انجمن آلومینیوم، آلیاژهای فرفورژه و ریخته‌گری شده را بر اساس عناصر آلیاژی اولیه آنها به خانواده‌هایی دسته‌بندی می‌کند. سیلیکون در سری‌های فرفورژه 4xxx و 6xxx و همچنین در نام‌های آلیاژ ریخته‌گری متعدد به‌خوبی مشخص می‌شود.

سری 4xxx: سیلیکون به عنوان تنها عنصر آلیاژی اصلی

در آلیاژهای فرفورژه 4xxx، سیلیکون افزودنی آلیاژی غالب است. آلیاژ 4043، حاوی تقریباً 5 درصد سیلیکون، پرکاربردترین سیم پرکننده جوشکاری آلومینیوم است. محتوای سیلیکون سیالیت عالی را در حین جوشکاری تضمین می‌کند، حساسیت به ترک‌خوردگی را کاهش می‌دهد و دانه‌های جوشی صاف و زیبایی را تولید می‌کند. آلیاژهای{6}}سیلیکونی بالاتر مانند 4343 و 4045، با 7 تا 13 درصد سیلیکون، به عنوان ورق لحیم کاری و مواد روکش در مبدل‌های حرارتی استفاده می‌شوند، جایی که لایه سطحی غنی{11}سیلیکون با ذوب کم{12} لحیم کاری کوره را بدون فلز پرکننده اضافی ممکن می‌سازد.

سری 6xxx: منیزیم-سخت شدن بارش سیلیسید

سری 6xxx بزرگترین تناژ محصولات آلومینیومی اکسترود شده را در سطح جهان نشان می دهد. آلیاژهایی مانند 6061، 6063 و 6082 سیلیکون را با منیزیم به نسبت هایی ترکیب می کنند که Mg2Si (سیلیسید منیزیم) را در طول پیری مصنوعی رسوب می کند. این مکانیسم سخت شدن بارندگی، قدرت تسلیم را در محدوده 240 تا 310 مگاپاسکال - مناسب برای کاربردهای ساختاری - ارائه می‌کند، در حالی که قابلیت اکسترودپذیری عالی، مقاومت در برابر خوردگی و جوش‌پذیری را حفظ می‌کند. محتوای سیلیکون در آلیاژهای 6xxx عمداً در زیر ترکیب یوتکتیک سیلیکون{14}آلومینیوم نگهداری می‌شود و از انجماد تک فازی{15} و جلوگیری از تشکیل ذرات درشت سیلیکون اولیه که باعث تخریب سطح و پاسخ آنودایز می‌شود، جلوگیری می‌کند.

آلیاژهای ریخته گری: از یوتکتیک تا هایپریوتکتیک

آلیاژهای ریخته‌گری سیلیکونی{0}}آلومینیوم طیف ترکیبی کاملی از هیپو-یوتیکتیک تا هایپریوتکتیک را در بر می‌گیرد. آلیاژ پرکاربرد A356 با 7% سیلیکون و 0.35% منیزیم، تعادل عالی از قابلیت ریخته‌گری، استحکام و شکل‌پذیری را پس از عملیات حرارتی T6 ارائه می‌کند. از طرف دیگر، آلیاژهای هایپریوتکتیک مانند 390.0 حاوی 16 تا 18 درصد سیلیکون هستند و به دلیل مقاومت در برابر سایش استثنایی خود در پیستون های خودرو و محفظه های کمپرسور ارزشمند هستند. در این آلیاژها، ذرات سیلیکون اولیه - که قبل از واکنش یوتکتیک - متبلور می‌شوند، عمداً از طریق افزودن فسفر برای دستیابی به اندازه ذرات زیر 50 میکرومتر تصفیه می‌شوند و از ماشین‌کاری و چقرمگی قابل قبول اطمینان می‌دهند.

عمل صنعتی: انتخابسیلیکون متالنمرات برای آلیاژ آلومینیوم

نه همهفلز سیلیکونبرای اهداف آلیاژ آلومینیوم معادل است. انتخاب گرید به ترکیب آلیاژ هدف، روش ذوب و الزامات نهایی کاربرد بستگی دارد.

نمرات رایج: 553، 441، و 3303

تولیدکنندگان چینی و بین‌المللی، فلز سیلیکون را با یک کد چهار رقمی- طبقه‌بندی می‌کنند که نشان‌دهنده حداکثر مقدار مجاز آهن و آلومینیوم در هر هزار واحد است. به عنوان مثال، درجه 553 تا 0.5٪ آهن و 0.5٪ آلومینیوم را مجاز می کند. درجه 441 اجازه 0.4٪ آهن و 0.4٪ آلومینیوم را می دهد. درجه 3303 0.3٪ آهن، 0.3٪ آلومینیوم و 0.03٪ کلسیم را مجاز می کند. برای آلیاژهای آلومینیوم همه منظوره، 553 و 441 مقرون به صرفه هستند و به طور گسترده استفاده می شوند. برای کاربردهای ممتاز مانند ریخته‌گری‌های هوافضا و آلیاژهای لحیم کاری با خلوص بالا، درجه‌های 3303 یا 2202 - با سقف‌های ناخالصی حتی کمتر - ممکن است برای اطمینان از خواص مکانیکی ثابت و به حداقل رساندن اجزاء مشخص شوند.

روش های ذوب و بازیابی سیلیکون

فلز سیلیکون از طریق چندین مسیر وارد مذاب آلومینیوم می شود. در کارخانه‌های ذوب آلومینیوم اولیه، سیلیکون مستقیماً به آلومینیوم مذاب در کوره‌های ریخته‌گری اضافه می‌شود، جایی که انحلال و همگن شدن تحت دمای کنترل‌شده و هم زدن اتفاق می‌افتد. در عملیات آلومینیوم ثانویه (بازیافت شده)، ضایعات حاوی سیلیکون-با فلز اولیه و افزودنی‌های سیلیکون بکر مخلوط می‌شوند تا به ترکیبات مورد نظر دست یابند. نرخ بازیابی سیلیکون اضافه شده - کسری که واقعا حل می‌شود و در آلیاژ نهایی - باقی می‌ماند، معمولاً بسته به دمای مذاب، شرایط اکسیداسیون و تشکیل سرباره از 92% تا 98% متغیر است.

کنترل ناخالصی و پیامدهای آن

ناخالصی های کمیاب در فلز سیلیکون می تواند تأثیرات بزرگی بر خواص آلیاژ آلومینیوم داشته باشد. آهن، حتی در سطوح زیر 0.5٪، ترکیبات بین فلزی شکننده ای را با آلومینیوم و سیلیکون تشکیل می دهد که شکل پذیری و چقرمگی شکست را کاهش می دهد. کلسیم، موجود در برخی از گریدهای سیلیکون در 0.03-0.10٪، به عنوان یک اصلاح کننده غیر عمدی سیلیکون یوتکتیک عمل می کند و به طور بالقوه با اعمال کنترل شده اصلاح سدیم یا استرانسیم تداخل می کند. فسفر - گاهی اوقات در سیلیکون تولید شده از فسفات-مواد خام غنی - وجود دارد، می‌تواند درمان‌های اصلاح را مسموم کند و ساختارهای سیلیکونی درشت را تقویت کند. به این دلایل، ریخته‌گری‌های آلومینیوم به طور فزاینده‌ای نه تنها محتوای سیلیکون، بلکه طیف ناخالصی کامل خرید فلز سیلیکون خود را نیز مشخص می‌کنند.

کاربرد در خودروسازی و ساخت و ساز

دو بخش بزرگ نهایی-برای آلیاژهای آلومینیوم دارای سیلیکون- خودرو و ساخت و ساز - وسعت مشارکت عملکردی سیلیکون را نشان می‌دهند.

سبک سازی خودرو

تولیدکنندگان خودرو با فشار بی‌وقفه‌ای برای کاهش وزن خودرو به منظور رعایت مقررات آلایندگی و افزایش برد خودروهای الکتریکی مواجه هستند. آلیاژهای آلومینیوم دارای چگالی تقریباً یک سوم فولاد هستند و آلیاژهای ریخته‌گری سیلیکونی-در بلوک‌های موتور، سرسیلندرها، جعبه‌های انتقال و اجزای تعلیق جابجا شده‌اند. یک بلوک موتور آلومینیومی معمولی حاوی 7 تا 10 درصد سیلیکون است و یک وسیله نقلیه مدرن ممکن است حاوی 80 تا 150 کیلوگرم سیلیکون ریخته‌گری آلومینیوم باشد. در همین حال، اکستروژن‌های سری 6xxx، ستون فقرات ساختاری آلومینیومی{11}}معماری فشرده خودرو مانند طراحی‌های فضایی-و محفظه‌های باتری خودروهای الکتریکی را تشکیل می‌دهند.

اکستروژن های ساختمانی و سیستم های معماری

در بخش ساخت‌وساز، اکستروژن‌های سری 6xxx بر بازار قاب‌های پنجره، سیستم‌های دیوار پرده، قاب درها و تکیه‌گاه‌های شیشه‌ای ساختاری تسلط دارند. آلیاژ 6063، با تقریباً 0.4 درصد سیلیکون و 0.7 درصد منیزیم، به دلیل قابلیت اکسترودپذیری استثنایی - که پروفیل های توخالی پیچیده - را قادر می سازد و توانایی آن در پذیرش پرداخت های تزئینی آنودایز شده و رنگ شده، کارکرد اکستروژن معماری است. محتوای سیلیکون به دقت کنترل می‌شود تا از ظاهر یکنواخت سطح پس از درخشندگی شیمیایی و آنودایز کردن اطمینان حاصل شود، زیرا فازهای غنی از سیلیکون در صورت وجود غلظت‌های بیش از حد یا غیریکنواخت می‌توانند باعث رنگ‌آمیزی یا تغییر رنگ شوند.

ملاحظات پایداری و بازیافت

آلومینیوم یکی از قابل بازیافت ترین فلزات صنعتی است و آلیاژهای حاوی سیلیکون از این قاعده مستثنی نیستند. ضایعات آلومینیوم بازیافتی - چه از قوطی‌های نوشیدنی مصرفی، نمای ساختمان‌های تخریب‌شده یا بقایای خردکن خودرو - محتوای سیلیکون خود را از طریق چرخه‌های ذوب مجدد چندگانه حفظ می‌کند. برخلاف برخی از عناصر آلیاژی که در طی ذوب مجدد اکسید یا جدا می‌شوند، سیلیکون در مذاب‌های ثانویه رفتار قابل پیش‌بینی و نگهداری بالایی از خود نشان می‌دهد. این چرخش از نظر اقتصادی قابل توجه است: تولید آلومینیوم از ضایعات بازیافتی تقریباً به 5٪ از انرژی مورد نیاز برای تولید اولیه از بوکسیت نیاز دارد و ارزش سیلیکون تعبیه شده حفظ می شود. با این حال، انباشته شدن عناصر ترمپ مانند آهن، مس و روی در جریان‌های بازیافتی می‌تواند مناسب بودن مواد ثانویه را برای آلیاژهای سیلیکونی بالا- محدود کند، که نیاز به مرتب‌سازی دقیق قراضه و رقیق‌سازی با فلز اولیه دارد.