الهيدروجين هو الغاز الوحيد الذي يذوب بشكل ملحوظ في الألومنيوم وسبائكه. وتتغير قابليته للذوبان بشكل مباشر مع ارتفاع درجة الحرارة والجذر التربيعي للضغط. أثناء تبريد وتصلب الألومنيوم المنصهر، قد يترسب الهيدروجين المذاب الذي يتجاوز الحد الأدنى للغاية لقابلية الذوبان في الحالة الصلبة في شكل جزيئي، مما يؤدي إلى تكوين فراغات أولية و/أو ثانوية. تقدم AdTech مواد صهر،, وحدة إزالة الغازات عبر الإنترنت لإزالة الهيدروجين من الألومنيوم المنصهر.
مواد التذويب المستخدمة في إزالة الهيدروجين من الألومنيوم المنصهر
مواد الصهر المُحسِّنة وهي مصممة لتسهيل فصل طبقة الخبث المكونة من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃)، التي تتشكل على سطح المادة المنصهرة، عن المعدن المنصهر. وعادةً ما تكون الخبث والمعدن السائل أو الصلب مختلطةً معًا في طبقة الخبث. تم تصميم مواد تدفق إزالة الخبث للتفاعل مع Al₂O₃ الموجود في طبقة الخبث واستعادة المعدن. تعمل الفلوريدات على ترطيب وحل طبقات الأكسيد الرقيقة وفقًا للتفاعل العام.
مصادر الهيدروجين
توجد مصادر عديدة للهيدروجين في الألومنيوم. فالرطوبة الموجودة في الغلاف الجوي تتفكك على سطح المعدن المنصهر، مما يوفر تركيزًا من الهيدروجين الذري قادرًا على الانتشار داخل المادة المنصهرة. ويقاوم طبقة الأكسيد الحاجزة للألومنيوم ذوبان الهيدروجين من خلال هذه الآلية، لكن الاضطرابات التي تحدث على سطح المادة المنصهرة وتؤدي إلى كسر حاجز الأكسيد تؤدي بدورها إلى ذوبان سريع للهيدروجين. كما قد تؤثر عناصر السبائك، وخاصة المغنيسيوم، على امتصاص الهيدروجين من خلال تكوين نواتج تفاعلات الأكسدة التي تقلل من مقاومة انتشار الهيدروجين في المادة المنصهرة، ومن خلال تغيير قابلية الذوبان في السائل.
مسامية الهيدروجين
قد يحدث نوعان أو شكلان من مسامية الهيدروجين في الألومنيوم المصبوب. أحدهما هو المسامية بين الشُعب، والتي تحدث عندما تكون نسبة الهيدروجين مرتفعة بدرجة كافية بحيث يؤدي الهيدروجين المرفوض عند جبهة التصلب إلى ضغوط محلول أعلى من الضغط الجوي. أما المسامية الثانوية (بحجم الميكرون) فتحدث عندما تكون نسبة الهيدروجين المذاب منخفضة، ويكون تكوين الفراغات بشكل مميز دون الحرج.
قد لا تكون مسامية الهيدروجين الموزعة بدقة أمرًا غير مرغوب فيه دائمًا. قد يؤدي ترسيب الهيدروجين إلى تغيير شكل وتوزيع مسامية الانكماش في الأجزاء أو أقسام القطع التي تعاني من سوء التغذية. ويُعد الانكماش عمومًا أكثر ضررًا بخصائص المسبوكات. وفي حالات معزولة، قد يتم إدخال الهيدروجين عن قصد والتحكم فيه بتركيزات محددة تتوافق مع متطلبات تطبيق المسبوكات من أجل تعزيز سلامة السطح.
الهيدروجين في المحلول الصلب
يعتمد توزيع الهيدروجين في البنية المتصلبة على مستوى الهيدروجين المذاب والظروف التي يحدث فيها التصلب. ونظرًا لأن وجود مسامات الهيدروجين ناتج عن التبلور والنمو اللذين يتحكمان فيهما الانتشار، فإن خفض تركيز الهيدروجين وزيادة معدل التصلب يعملان على كبح تكوين الفراغات ونموها. ولهذا السبب، فإن المسبوكات المصنوعة في عمليات القوالب القابلة للاستهلاك تكون أكثر عرضة للعيوب المرتبطة بالهيدروجين مقارنة بالأجزاء المنتجة بواسطة القوالب الدائمة أو الصب بالضغط.
إزالة الهيدروجين من الألومنيوم المنصهر
يمكن خفض مستويات الهيدروجين المذاب بعدة طرق، وأهمها استخدام غازات التذويب الجافة والنقية كيميائيًا، مثل النيتروجين والأرجون والكلور والفريون. وتُستخدم مركبات مثل سداسي كلورو الإيثان على نطاق واسع؛ حيث تتفكك هذه المركبات عند درجات حرارة المعدن المنصهر لتوليد غاز التذويب.
يقلل التذويب بالغاز من محتوى الهيدروجين المذاب في الألومنيوم المنصهر عن طريق الانتشار بالضغط الجزئي. ويؤدي استخدام الغازات التفاعلية مثل الكلور إلى تحسين معدل إزالة الغازات عن طريق تغيير السطح الفاصل بين الغاز والمعدن لتحسين حركية الانتشار. كما أن إبقاء المادة المنصهرة دون تحريك لفترات طويلة عند درجة الحرارة السائلة أو بالقرب منها يقلل أيضًا من محتوى الهيدروجين إلى مستوى لا يتجاوز ذلك المحدد للسبائك باعتباره قابلية الذوبان السائل التي تعتمد على درجة الحرارة.
