تأثير فوق ذوب و دماي قالب بر عملكرد آندهاي ريختگي
فداشونده آلومينيمي

مهدي اميدي1، رضا ابراهيمي كهريز سنگي2، بهروز شايق بروجني1، اكبر منتظري3 و يزدان مختاري3
مربي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد نجفآباد
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي واحد نجفآباد
كارشناسي ارشد، دانشگاه آزاد اسلامي واحد نجفآباد
M_Omidi@iaun.ac.ir

چكيده
در اين تحقيق تأثير درجه حرارت قالب و دماي ريخته گري بر خواص الكتروشيميايي آند فداشونده Al-Zn-In مورد پژوهش قرار گرفته است. قالب در درجه حرارتهاي 25، 100، 200، 300، 400 و 500 درجه سانتيگراد آماده ريخته گري و نمونهها در دماهاي 670، 710، 750 و 830 درجه سانتيگراد ريخته گري شده و جهت انجام آزمايشات الكتروشيميايي مهيا گرديدند. عملكرد خواص الكتروشيميايي آندها مانند آزمايشهاي ظرفيت جريان، تعيين پتانسيل و پلاريزاسيون بررسي گرديد و بهترين بازدهي (راندمان) با توجه به ظرفيت جريان بدست آمد. نتايج حاصله نشان داد كه در زمينه تأثير شرايط ريخته گري بر راندمان آندهاي Al-Zn-In بهترين راندمان زماني حاصل مي شود كه دماي قالب 400 درجه سانتيگراد و دماي ذوب ريزي 670 درجه سانتيگراد باشد. تحت اين شرايط انحلال آندي (خوردگي و مصرف آند) نيز بهصورت يكنواخت خواهد بود. مطالعة ساختار ميكروسكوپي و ماكروسكوپي نمونه ها نيز نشان داد كه توزيع فازها، اندازه و شكل دانهها بر روي خواص آندها اثرگذار است. پايين بودن فوق گداز باعث افزايش سرعت سرد كردن و بيشتر شدن آهنگ انجماد شده و همراه با انتقال حرارت كم قالب، آندهايي با خواص الكتروشيميايي مناسب تري ايجاد مي كند.

واژه هاي كليدي:
Keywords: Investment casting, A356 Aluminum Alloy, Parameters casting, Mechanical Properties .آلومينيم، روي، اينديم، شرايط ريخته گري، آند فداشونده، ظرفيت جريان

1- مقدمه
مسائل مربوط به خوردگي يكي از بزرگترين مشكلات در صنايع مختلف مي باشد كه هزينه هاي فراواني را به خود اختصاص دادهاند. در چند دهة اخير، از سيستمهاي حفاظتي مختلفي جهت غلبـه بـر مشكل مذكـور و كاهش هزينههاي مربوط به خوردگي استفاده مي شود. يكي از مهمترين و گسترده ترين اين سيستم ها، سيستم حفاظت كاتدي مي باشد. مي توان از سيستم آندهاي فداشونده، به عنوان يكي از موفق ترين روش ها در سيستم هاي حفاظت كاتدي، به خصوص در سازه هاي دريايي(Offshore Structure) و يا سازه هاي نزديك دريا (Inshore Structure) نام از آندهاي مختلفي در حفاظت كاتدي سازههاي دريايي استفاده مي شود كه اغلب بر پاية آلومينيوم بوده و روز به روز بر انواع آن افزوده مي شود. اين آندها انواع مختلف داشته ولي مهمترين آنها Galvalum II ،Galvalum I و Galvalum III مي باشند كه به ترتيب از طريق آلياژسازي با Zn همراه با Sn ،Hg و In مي توان از پسيو شدن آن در محيط آبي جلوگيري و در تأسيسات دريايي به عنوان آند فداشونده استفاده كرد[1].
آندهاي Al-Zn-In با ظرفيت جريان بالا (بيش از 2400Ah/Kg) جـزء پـرمصرف ترين و مطلوب ترين آندهاي كاربردي در محيطهاي دريايي مي باشند. در آندهاي آلومينيومي افزودن عنصر روي (Zn) تا حدود 5wt.% باعث مي شود كه پتانسيل آند منفي تر و راندمان آن به بيشترين مقدار خود برسد، در اين حالت روي به صورت محلول جامد α وجود دارد[1]. نقش عنصر اينديم (In) در آلياژ فوق، حذف مشكل مربوط به پسيو شدن آلومينيوم ميباشد[2].
علاوه بر خاصيت فوق، عنصر اينديم پتانسيل الكتروشيميايي منفيتري داشته و داراي خوردگي ذاتي (Inherent Corrosion) كمتري مي باشد. در نتيجه افزودن اين عنصر آلياژي باعث افزايش راندمان جريان آند نيز مي شود. روش ريخته گري و آلياژسازي مي تواند بر روي كيفيت آندهاي توليد شده اثر گذارد. بنابراين در تهيه آندهاي فداشونده بايد دقت شود تا تركيب نهايي آند با مشخصات مورد نظر مطابقت داشته باشد. روش ريخته گري همچنين بر روي نحوه عملكرد و ساختار فيزيكي آند تأثير مستقيم داشته و لذا ريختهگري بايد طوري انجام شود كه باعث جداسازي عناصر آلياژي تشكيل دهنده آند نشود چون در اين صورت امكان تمايل آند به پسيو شدن و يا احتمال خرد شدن مكانيكي آند، افزايش مي يابد[2].
برد.
جدول (1): آناليز شيميايي تركيب آلياژ Al-Zn-In.
عناصر Si Fe Cu Ti Pb Zn In Al
درصد 0/088 0/152 0/009 0/002 0/040 4/994 0/022 باقيمانده

در اين تحقيق اثر مهمترين پارامترهاي ريختهگري مثل تركيب شيميايي، فوق ذوب و دماي قالب بر خواص الكتروشيميايي و عملكرد آند مورد بررسي قرار گرفته است.

2- روش تحقيق
آزمايشات مربوط به تهيه نمونه هاي ريخته گري با ذوب 200 گرم آلومينيوم خالص تجاري (8/99 درصد) در بوتة گرافيتي انجام شد. براي ذوب كردن از كوره مقاومتي استفاده گرديد. كنترل دقيق دما (5± درجه سانتيگراد) با يك ترموكوپل نيكل- نيكل كروم صورت گرفت.
در اين تحقيق نمونههايي با تركيب Al-5%Zn-0.02%In و دماي مذاب 670، 710، 750 و 830 درجه سانتيگراد در قالب ريخته شد. تركيب شيميايي آلياژ مورد استفاده در جدول (1) آمدهاست. آناليز شيميايي توسط دستگاه جذب اتمي انجام گرديد.
براي تهيه آند با تركيب فوق،Zn به صورت خالص و In به صورت آميژان (Al-5%In) Al-In5به آلومينيوم خالص تجاري اضافه شدند. آميژان فوق به روش ريخته گري در اتمسفر خنثي و با تركيب اسمي Al-5%Inساخته شد كه بدليل استفاده از اين آميژان، تركيب شيميايي مذاب بهتر كنترل شده، اتلاف عنصر آلياژي كمتر بوده و انحلال آميژان نسبت به فلز خالص در دماي پايين تري صورت مي گرفت. بدين صورت كه پس از تهيه مذاب آلومينيم در دماي مورد نظر، عناصر آلياژي روي و اينديم به مذاب اضافه گرديد و جهت ايجاد همگني بيشتر در مذاب، براي مدت 15 دقيقه در اين دما نگهداشته و پس از خارج نمودن بوته از كوره، براي مدت 20 ثانيه آن را هم زده و نهايتاً ذوب ريزي درون قالب فلزي انجام گرفت.

شكل (1): طرح شماتيك دستگاه استاندارد NACE [3].

دماي قالب نيز به ترتيب 25، 100، 200، 300، 400 و 500 درجه سانتيگراد بود. جنس قالب در اين سري آزمايشات، چدني و جنس كف قالب، به منظور ايجاد شرايط انجماد جهتدار، مسي انتخاب گرديد. براي انجام تست هاي الكتروشيميايي، آزمايش استاندارد NACE، آزمايش تعيين پتانسيل آند و آزمايش پلاريزاسيون بر روي نمونهها صورت گرفت[3].
عنصر آلياژي اينديم، به علت بالا بودن دماي مذاب و وجود اكسيژن در محيط، اكسيد ميشود. براي رفع اين مشكل مي توان سرعت ذوب را افزايش داد و در صورت شدت اكسيداسيون و كاهش شديد مواد از فلاكس مناسب استفاده نمود.
الف) آزمايش استاندارد NACE اين آزمايش استاندارد يك روش آزمايشگاهي جهت بررسي ظرفيت جريان و پتانسيل آندهاي آلومينيومي جهت حفاظت كاتدي مي باشد. اين روش بر دو اصل استوار است. يكي تقليل وزن و ديـگـري آزاد شـدن هيـدروژن از آنـدهـا. طـرح روش بهصورت شماتيك در شكل (1) آمدهاست[3].
نمونههاي آندي در اين آزمايش به شكل مكعبي با ابعاد 1×1×1 اينچ (5/2×5/2×5/2 سانتيمتر) مي باشند. پيلهاي آزمايشي از جنس پـلاستيكي بـوده و در داخـل آنها يك توري فلزي (جنس
-1100
a
b
c
d
e

024487296120144168192216240264288312336360
شكل (2): نمودار پتانسيل- زمان (تغييرات Time(hr)پتانسيل) آلياژ Al-5Zn-0.02In در دماي ذوب°C 670 و دماهاي قالب: °C (b) 400 °C (a) 300
°C (e) 100 °C (d) 200 °C (c) 25. فولادي بدون پوشش) استوانه اي شكل قرار دارد و نقش كاتد را ايفا مي كند. پس از برپايي مدار فوق، دانسيته جرياني برابر 2mA/in4 بر سطح نمونه ها اعمال مي شود. پتانسيل آندها در زمانهاي 3، 24، 72 و 336 ساعت نسبت به الكترود مرجع كالومل ثبت مي شود. پس از گذشت 96 ساعت اوليه، به مدت 24 ساعت، توسط يك بورت گاز حاصله از آندها جمع آوري مي شود. ظرفيت جريان و راندمان آند از فرمول زير محاسبه مي شود:
(1)-C

WAl ×1000 a= آمپر ساعت بر كيلوگرم C = كل بار عبور كرده از سيستم، بر حسب آمپر ساعت.
WAl = كاهش وزن نمونههاي آندي در صورتيكه از كولومتر دستي استفاده شود ميزان C به صورت زير محاسبه مي شود:
(1)-C= 0.8443ΔWcu b كه ΔWcu افزايش وزن سيم مسي كولومتر در طول زمان آزمايش مي باشد.
در تئوري با توجه به قانون فارادي، اگر يك اكيوالانگرم از يك فلز برابر 96500 كولن، بار الكتريكي داشتهباشد ميتوان محاسبه كرد كه يك كيلوگرم از آلومينيم ظرفيتي برابر 5/2981 آمپرساعت خواهد داشت. به اين مفهوم كه اگر يك كيلوگرم از آلومينيم به طور كامل و بصورت الكتروشيميائي حل شود، در اين صورت 5/2981 آمپرساعت جريان جهت حفاظت سازه از خود اعمال ميكند. بنابراين ظرفيت تئوري آند 5/2981 آمپرساعت بر كيلوگرم، ميباشد[4].
جدول (2): تأثير شرايط ريختهگري (دماي قالب و دماي بار ريزي) بر عملكرد آندهاي Al-Zn-In.
شماره
نمونه دماهاي مختلف (C°) نتايج
دماي مذاب دماي
قالب ظرفيت جريان (1-Ah.Kg) پتانسيل مدار باز
(mVSCE) راندمان آند
(درصد)
1 670 25 2274/4 -1067 76/3
2 710 25 2290/8 -1079 76/8
3 750 25 2308/7 -1074 77/4
4 790 25 2258/6 -1071 75/8
5 830 25 2231/5 -1063 74/8
6 670 100 2349/9 -1092 78/8
7 710 100 2356/6 -1099 79/0
8 750 100 2342/0 -1089 78/6
9 790 100 2322/4 -1084 77/9
10 830 100 2305/7 -1078 77/3
11 670 200 2461/6 -1106 82/6
12 710 200 2469/1 -1103 82/8
13 750 200 2449/0 -1094 82/1
14 790 200 2438/7 -1089 81/8
15 830 200 2415/6 -1083 81/0
16 670 300 2568/7 -1113 86/2
17 710 300 2559/3 -1107 85/8
18 750 300 2552/9 -1096 85/6
19 790 300 2530/5 -1092 84/9
20 830 300 2518/4 -1086 84/5
21 670 400 2595/9 -1131 87/1
22 710 400 2578/0 -1118 86/5
23 750 400 2530/3 -1105 84/9
24 790 400 2515/2 -1099 84/4
25 830 400 2489/3 -1094 83/5
26 670 500 2521/4 -1111 84/6
27 710 500 2467/6 -1102 82/8
28 750 500 2401/0 -1098 80/5
29 790 500 2382/2 -1093 79/9
30 830 500 2338/1 -1087 78/4

ولي در عمل ظرفيت جريان واقعي آندها كمتر از ميزان تئوري آن براي آلومينيم ميباشد، بنابراين راندمان آند عبارتست از[5] (2) ظرفيت جريان تئوري/ ظرفيت جريان واقعي = راندمان آند (%) ب) آزمايش تعيين پتانسيل آند
جهت تعيين پتانسيل آند، در آزمايش تعيين ظرفيت آند، دقيقاً پس از قرار دادن نمونهها، پتانسيل آنها نسبت به الكترود مرجع كالومل توسط يك ولتمتر ديجيتال خوانده شده و اين عمل هر روز، در طي 14 روز آزمايش تحت دانسيته جريان 2mA/in4 انجام گرفت[6]. هدف از اين آزمايش چگونگي تغييرات پتانسيل آند و پايداري يا ناپايداري آن مي باشد.
ج) آزمايش پلاريزاسيون
هدف از انجام اين آزمايش رسم منحنيهاي E-Logi و بررسي رفتار آندها در پتانسيل هاي گوناگون ميباشد. آزمايشات الكتروشيميايي جهت حصول ويژگي هاي پلاريزاسيون آندهاي مورد نظر توسط دستگاه پتانسيواستات/گالوانواستات، مدل EGG-M273A انجام شدهاست (دقت اين دستگاه mA 1/0 و mV 1 است). اطلاعات اوليه، مانند مساحت سطح مقطع نمونه، سرعت جاروب، نقطه شروع و خاتمة جاروب پتانسيل، توسط كاربر به دستگاه دادهشد. سل آزمايش شامل الكترودهاي كمكي، الكترود كاري و الكترود مرجع مي باشد.
نتيجة حاصله به صورت منحني E-logi حاصل ميشود[6]. از اين منحني ها جهت تشخيص چگونگي رفتار خوردگي آندها در محيط آبي و وجود يا عدم وجود لاية اكسيدي روئين در سطح آندها استفاده مي شود. در اين آزمايش مساحت سطح مقطع نمونه ها 2Cm 5/2 و سرعت جاروب V/S002/0 و محلول MNaCl 5/0 با 5PH= جهت مقايسة نمونههاي مختلف استفاده شد.

a b c

d e

1
cm

a b c

d e

1

cm



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید