การกลั่นฟลักซ์และฟลักซ์ปกคลุมสำหรับโลหะผสมทองแดง: สิ่งที่พวกเขาทำและเหตุใดจึงมีความสำคัญ

เนื่องจากความต้องการโลหะผสมทองแดงประสิทธิภาพสูงทั่วโลกยังคงเติบโตในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การใช้พลังงานไฟฟ้าในยานยนต์ พลังงานทดแทน โทรคมนาคม และการผลิตขั้นสูง บทบาทของฟลักซ์ทางโลหะวิทยาในการรับรองคุณภาพการหลอมจึงได้รับความสนใจเพิ่มมากขึ้น ในบรรดาวัสดุเสริมที่สำคัญในการผลิตโลหะผสมทองแดง ฟลักซ์การกลั่นและฟลักซ์ปกคลุมทำหน้าที่เสริมที่แตกต่างแต่เสริมกัน บทความนี้จะตรวจสอบหลักการทำงาน ระบบการจัดองค์ประกอบโดยทั่วไป ข้อควรพิจารณาในการใช้งาน และภูมิทัศน์ที่เปลี่ยนแปลงไปซึ่งขับเคลื่อนโดยความจำเป็นด้านสิ่งแวดล้อมและประสิทธิภาพ

บทบาทของฟลักซ์ในการหลอมโลหะผสมทองแดง

โลหะผสมทองแดง รวมถึงทองเหลือง บรอนซ์ ทองแดง-นิกเกิล และโลหะผสมนิกเกิล-เงิน ไวต่อการเกิดออกซิเดชันและการดูดซับก๊าซในระหว่างการหลอม ทองแดงหลอมละลายละลายออกซิเจนได้ง่าย เกิดเป็นคิวรัสออกไซด์ (Cu₂O) ซึ่งสามารถทำให้โลหะผสมเปราะและทำให้เกิดข้อบกพร่องในการหล่อได้ การดึงไฮโดรเจนจากความชื้นหรือสารปนเปื้อนของไฮโดรคาร์บอนยิ่งทำให้ปัญหานี้ยิ่งแย่ลง ส่งผลให้เกิดความพรุนในผลิตภัณฑ์ที่แข็งตัว

ระบบฟลักซ์ที่ออกแบบมาอย่างดีจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ผ่านฟังก์ชันหลักสองประการ:

• การปกปิด : ชั้นหลอมเหลวหรือกึ่งหลอมเหลวที่ลอยอยู่บนพื้นผิวหลอมเหลว ปกป้องโลหะทางกายภาพจากบรรยากาศเตาเผา และลดการเกิดออกซิเดชันและการดูดซับก๊าซ
• การกลั่น : ปฏิกิริยาเคมีที่กำจัดก๊าซละลาย การรวมตัวของออกไซด์ และสิ่งสกปรกที่ไม่ใช่โลหะอื่นๆ ออกจากของเหลว

ในทางปฏิบัติ ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์จำนวนมากรวมฟังก์ชันทั้งสองไว้ในสูตรเดียว แม้ว่าเครื่องชั่งจะขึ้นอยู่กับประเภทของโลหะผสม โครงร่างของเตาหลอม และข้อกำหนดด้านคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

ระบบองค์ประกอบและกลไกของมัน

สูตรฟลักซ์สำหรับโลหะผสมทองแดงโดยทั่วไปจะขึ้นอยู่กับระบบเกลืออนินทรีย์ แม้ว่าความผันแปรที่เป็นกรรมสิทธิ์จะพบเห็นได้ทั่วไปในซัพพลายเออร์แต่ละราย สูตรส่วนใหญ่มาจากกลุ่มสารเคมีที่เป็นที่ยอมรับไม่กี่กลุ่ม:

ระบบที่ใช้บอเรต

โซเดียมเทตระบอเรต (บอแรกซ์) และสารประกอบบอเรตที่เกี่ยวข้องถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นฟลักซ์ปกคลุมสำหรับโลหะผสมทองแดง พวกมันก่อตัวเป็นชั้นของเหลวคล้ายแก้วบนพื้นผิวหลอมละลายซึ่งจำกัดการแพร่กระจายของออกซิเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ฟลักซ์ที่ใช้บอเรตยังแสดงความสามารถในการกลั่นปานกลางผ่านการดูดซับของออกไซด์ที่รวมอยู่ในเฟสตะกรัน โดยทั่วไปสูตรเหล่านี้เข้ากันได้กับทองเหลืองและดีบุกสัมฤทธิ์ แม้ว่าประสิทธิภาพจะลดลงที่อุณหภูมิหลอมเหลวที่สูงขึ้นก็ตาม

ระบบที่ประกอบด้วยฟลูออไรด์

ไครโอไลท์ (Na₃AlF₆), ฟลูออร์สปาร์ (CaF₂) และสารประกอบฟลูออไรด์อื่นๆ ถูกรวมไว้ในฟลักซ์เพื่อปรับปรุงการกำจัดการรวมตัวของอะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) และซิลิคอนออกไซด์ (SiO₂) ซึ่งทำให้ฟลักซ์ที่มีฟลูออไรด์มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับโลหะผสมที่มีอะลูมิเนียม ซิลิคอน หรือตัวสร้างออกไซด์ที่แรงอื่นๆ เช่น อะลูมิเนียมบรอนซ์และซิลิกอนบรอนซ์ ส่วนประกอบฟลูออไรด์จะลดแรงตึงผิวระหว่างโลหะหลอมเหลวและออกไซด์ที่เจือปนอยู่ ช่วยให้การแยกตัวและการลอยอยู่ในน้ำสะดวกขึ้น

ระบบคลอไรด์และเฮไลด์ผสม

เกลือคลอไรด์ รวมถึงโซเดียมคลอไรด์ โพแทสเซียมคลอไรด์ และแมกนีเซียมคลอไรด์ มักใช้เป็นส่วนประกอบในการกลั่นฟลักซ์ เกลือเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับออกไซด์และซัลไฟด์ที่ละลายในน้ำเพื่อสร้างสารประกอบที่ระเหยง่ายหรือเกิดเป็นตะกรันซึ่งสามารถกำจัดออกจากการหลอมได้ ส่วนผสมยูเทคติกของคลอไรด์และฟลูออไรด์มักได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ได้จุดหลอมเหลวที่ต่ำกว่าและมีความลื่นไหลดีขึ้น ทำให้สามารถครอบคลุมการหลอมได้ดีขึ้นที่อุณหภูมิการทำงานลดลง

สูตรพิเศษ

ผลิตภัณฑ์ฟลักซ์บางชนิดมีสารกำจัดออกซิไดซ์ที่เป็นเอกสิทธิ์ เช่น แมกนีเซียม แคลเซียม ลิเธียม หรือธาตุหายากในปริมาณที่ควบคุม ส่วนประกอบที่เกิดปฏิกิริยาเหล่านี้ทำหน้าที่ลดออกไซด์ที่ตกค้างในการหลอมละลายทางเคมี ทำให้เกิดการกระจายตัวของออกไซด์ทนไฟที่ละเอียดซึ่งสามารถดูดซับได้โดยชั้นตะกรัน โดยทั่วไปสูตรดังกล่าวสงวนไว้สำหรับการใช้งานที่มีความบริสุทธิ์สูงหรือไวต่อออกซิเจน เช่น โลหะผสมทองแดงที่ปราศจากออกซิเจนสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

กลยุทธ์การใช้งานตามกลุ่มโลหะผสม

การเลือกฟลักซ์การกลั่นหรือฟลักซ์เคลือบจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของโลหะผสมที่เฉพาะเจาะจงและความท้าทายด้านคุณภาพหลอมเหลวที่โดดเด่น:

• ทองเหลือง (Cu-Zn) : การระเหยของสังกะสีในระหว่างการหลอมอาจทำให้เกิดการเคลื่อนตัวขององค์ประกอบและความกังวลด้านสิ่งแวดล้อม ปิดบังฟลักซ์ด้วยระบบบอเรตที่มีจุดหลอมเหลวต่ำหรือระบบเฮไลด์ผสม เพื่อช่วยลดการสูญเสียสังกะสีโดยการสร้างชั้นซีล โดยทั่วไปการกลั่นมีความสำคัญน้อยกว่าสำหรับทองเหลือง เว้นแต่จะมีการกำหนดขีดจำกัดการรวมที่เข้มงวด

• ดีบุกสัมฤทธิ์และกันเมทัล : โลหะผสมเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเกิดการรวมตัวของดีบุกออกไซด์และตะกั่วออกไซด์ ฟลักซ์ที่มีฟลูออไรด์มักถูกเลือกเนื่องจากความสามารถในการกำจัดออกไซด์ที่ทนไฟเหล่านี้ การหุ้มยังเป็นสิ่งสำคัญในการลดการเกิดออกซิเดชันของดีบุกที่อุณหภูมิหลอมเหลวสูง

• อลูมิเนียมบรอนซ์ : ความสัมพันธ์อันดีระหว่างอะลูมิเนียมกับออกซิเจนทำให้เกิดฟิล์มออกไซด์ที่เหนียวแน่นซึ่งสามารถติดอยู่ในของเหลวที่หลอมละลายได้ ฟลักซ์ที่มีปริมาณฟลูออไรด์สูงเป็นสารมาตรฐาน ซึ่งมักจะเสริมด้วยสารกำจัดออกซิไดซ์ ฟลักซ์จะต้องยังคงเป็นของเหลวในช่วงการหลอมเหลวที่สูงขึ้นของโลหะผสม (1,040–1,080 °C)

• โลหะผสมทองแดง-นิกเกิล : โลหะผสมเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเกิดออกไซด์น้อยกว่า แต่อาจเกิดความพรุนของไฮโดรเจนได้ มีการใช้ฟลักซ์ปกคลุมที่มีคุณสมบัติต้านทานความชื้น และมักใช้การไล่ก๊าซเฉื่อย (ไนโตรเจนหรืออาร์กอน) ควบคู่ไปกับการบำบัดฟลักซ์เพื่อไล่แก๊ส

• เบริลเลียมคอปเปอร์ : เนื่องจากความเป็นพิษของฝุ่นเบริลเลียมออกไซด์ ระบบฟลักซ์สำหรับทองแดงเบริลเลียมจึงต้องทำหน้าที่เป็นฝาครอบระงับควันด้วย ชั้นฟลักซ์ที่ปิดสนิทและสารทำให้บริสุทธิ์พิเศษถูกนำมาใช้เพื่อลดการปล่อยอนุภาคในอากาศ