از آنجایی که تقاضای جهانی برای آلیاژهای مس با کارایی بالا در صنایعی مانند برق‌رسانی خودرو، انرژی‌های تجدیدپذیر، ارتباطات راه دور و تولید پیشرفته همچنان در حال رشد است، نقش شارهای متالورژیکی در تضمین کیفیت مذاب توجه روزافزونی را به خود جلب کرده است. در میان مواد کمکی حیاتی در تولید آلیاژ مس، شار پالایشی و شار پوششی عملکردهای متمایز و در عین حال مکمل را ایفا می کنند. این مقاله اصول کار، سیستم‌های ترکیبی معمول، ملاحظات کاربردی، و چشم‌انداز در حال تحول را که توسط الزامات محیطی و کارایی هدایت می‌شود، بررسی می‌کند.
نقش شار در ذوب آلیاژ مس
آلیاژهای مس - از جمله برنج، برنز، مس نیکل، و آلیاژهای نیکل-نقره - در طول ذوب در معرض اکسیداسیون و جذب گاز هستند. مس مذاب اکسیژن را به آسانی حل می کند و اکسید مس (Cu2O) را تشکیل می دهد که می تواند آلیاژ را ترد کرده و منجر به عیوب ریخته گری شود. جذب هیدروژن از رطوبت یا آلاینده‌های هیدروکربنی این مشکل را بیشتر می‌کند و منجر به تخلخل در محصول جامد می‌شود.
یک سیستم شار خوب طراحی شده این چالش ها را از طریق دو عملکرد اصلی برطرف می کند:
- پوشش دادن : یک لایه مذاب یا نیمه مذاب که بر روی سطح مذاب شناور است و به طور فیزیکی از فلز در برابر جو کوره محافظت می کند و اکسیداسیون و جذب گاز را کاهش می دهد.
- پالایش : واکنش های شیمیایی که گازهای محلول، اجزای اکسید و سایر ناخالصی های غیرفلزی را از مذاب حذف می کند.
در عمل، بسیاری از محصولات تجاری هر دو عملکرد را در یک فرمول واحد ترکیب می کنند، اگرچه تعادل به نوع آلیاژ، پیکربندی کوره ذوب و الزامات کیفیت محصول نهایی بستگی دارد.
سیستم های ترکیبی و مکانیسم های آنها
فرمول‌های فلاکس برای آلیاژهای مس معمولاً بر اساس سیستم‌های نمک معدنی هستند. در حالی که تغییرات اختصاصی در بین تامین کنندگان رایج است، اکثر فرمول ها از چند خانواده شیمیایی تثبیت شده استخراج می شوند:
سیستم های مبتنی بر بورات
سدیم تترابورات (بوراکس) و ترکیبات بورات مرتبط به طور گسترده به عنوان شار پوششی برای آلیاژهای مس استفاده می شود. آنها یک لایه شیشه ای و سیال روی سطح مذاب تشکیل می دهند که به طور موثری انتشار اکسیژن را محدود می کند. شارهای مبتنی بر بورات همچنین قابلیت پالایش متوسطی را از طریق جذب اجزای اکسید در فاز سرباره نشان می‌دهند. این فرمول‌ها معمولاً با برنزها و برنزهای قلع سازگار هستند، اگرچه کارایی آنها در دماهای ذوب بالاتر کاهش می‌یابد.
سیستم های حاوی فلوراید
کرایولیت (Na3AlF6)، فلورسپار (CaF2)، و سایر ترکیبات فلوراید در شار گنجانیده شده اند تا حذف اکسید آلومینیوم (Al2O3) و اکسید سیلیکون (SiO2) را افزایش دهند. این باعث می شود که فلاکس های حاوی فلوراید به ویژه برای آلیاژهایی که حاوی آلومینیوم، سیلیکون، یا دیگر مواد سازنده اکسید قوی هستند - مانند برنزهای آلومینیومی و برنزهای سیلیکونی مفید باشند. اجزای فلوراید کشش سطحی بین فلز مذاب و اجزای اکسید را کاهش می دهند و جداسازی و شناور شدن آنها را تسهیل می کنند.
سیستم های هالید بر پایه کلرید و مخلوط
نمک های کلرید - از جمله کلرید سدیم، کلرید پتاسیم و کلرید منیزیم - معمولاً به عنوان اجزای تشکیل دهنده در شارهای پالایشی استفاده می شوند. این نمک ها با اکسیدها و سولفیدهای محلول واکنش می دهند و ترکیبات فرار یا تشکیل سرباره تشکیل می دهند که می توانند از مذاب حذف شوند. مخلوط‌های یوتکتیک کلریدها و فلوریدها اغلب برای دستیابی به نقطه ذوب پایین‌تر و سیالیت بهبود یافته طراحی می‌شوند که امکان پوشش بهتر مذاب را در دمای کار کاهش می‌دهد.
فرمولاسیون های تخصصی
برخی از محصولات فلاکس از عوامل اکسید زدا اختصاصی مانند منیزیم، کلسیم، لیتیوم یا عناصر کمیاب خاکی در مقادیر کنترل شده استفاده می کنند. این اجزای واکنشی برای کاهش شیمیایی اکسیدهای باقیمانده در مذاب، تولید پراکندگی های ریز اکسیدهای نسوز است که می تواند توسط لایه سرباره جذب شود. چنین فرمول‌هایی معمولاً برای کاربردهای با خلوص بالا یا حساس به اکسیژن، مانند آلیاژهای مس بدون اکسیژن برای قطعات الکترونیکی در نظر گرفته می‌شوند.
استراتژی های کاربردی توسط خانواده آلیاژ
انتخاب یک شار پالایش یا پوشش به شدت به ترکیب آلیاژ خاص و چالش های غالب کیفیت مذاب بستگی دارد:
-
برنج (مس و روی) : تبخیر روی در طول ذوب می تواند منجر به رانش ترکیب و نگرانی های زیست محیطی شود. برای کمک به کاهش تلفات روی با تشکیل یک لایه آب بندی، شارها را با بورات با نقطه ذوب پایین یا سیستم های هالید مخلوط بپوشانید. پالایش عموماً برای برنج‌ها اهمیت کمتری دارد، مگر اینکه محدودیت‌های سخت‌گیری اعمال شود.
-
قلع برنز و گن متال : این آلیاژها مستعد ترکیبات اکسید قلع و اکسید سرب هستند. فلاکس های حاوی فلوراید اغلب به دلیل توانایی آنها در حذف این اکسیدهای نسوز انتخاب می شوند. پوشش همچنین برای به حداقل رساندن اکسیداسیون قلع در دمای مذاب بالا مهم است.
-
برنزهای آلومینیومی : میل ترکیبی قوی آلومینیوم با اکسیژن، لایه های اکسیدی مقاومی ایجاد می کند که می توانند در مذاب به دام بیفتند. شارهایی با محتوای فلوراید بالا استاندارد هستند و اغلب با عوامل اکسید زدا تکمیل می شوند. شار باید در محدوده ذوب بالاتر آلیاژ (1040-1080 درجه سانتیگراد) سیال بماند.
-
آلیاژهای مس نیکل : این آلیاژها کمتر مستعد تشکیل اکسید هستند اما ممکن است از تخلخل هیدروژنی رنج ببرند. شارهای پوششی با خواص مقاوم در برابر رطوبت استفاده می شود و تصفیه گاز بی اثر (نیتروژن یا آرگون) اغلب در کنار عملیات شار برای گاز زدایی استفاده می شود.
-
مس بریلیم : به دلیل سمی بودن گرد و غبار اکسید بریلیوم، سیستم های شار برای مس بریلیم نیز باید به عنوان پوشش ضد بخار عمل کنند. برای به حداقل رساندن انتشار ذرات معلق در هوا از لایه های شار مهر و موم شده و عوامل تصفیه تخصصی استفاده می شود.
