سبد خرید خالي مي باشد
041-33290205-7 | 041-43251508-9 | info@apnp.gov.ir

آمار بازدید

امروز111
دیروز350
این هفته111
این ماه4019
کل بازدیدها66662

افراد آنلاین

3
آنلاین

عملیات حرارتی آلومینیوم

امتیاز کاربران

ستاره غیر فعالستاره غیر فعالستاره غیر فعالستاره غیر فعالستاره غیر فعال
 

عملیات حرارتی آلومینیوم
مقدمه:
با توجه به اينكه اساس موضوع پروژه بر پايه عمليات حرارتي رسوب سختي 1 مي باشد لازم است براي درك آسان مطالب توسط مخاطب، مقدماتي راجع به اين عمليات بيان شود. توضيح بيشتر در مورد اين عمليات حرارتي در ادامه مباحث آورده خواهد شد.
براي افزايش استحكام و سختي يك آلياژ، تنها دو روش اصلي وجود دارد : كارسرد يا عمليات حرارتي. مهمترين فرآيند عمليات حرارتي براي آلياژهاي غير آهني پير سختي يا رسوب سختي است. براي استفاده از اين روش، بايد دياگرام تعادلي داراي حلاليت جزئي در حالت جامد باشد و شيب خط انحلال بصورتي باشد كه قابليت انحلال در درجه حرارتهاي بالاتر بيشتر از قابليت انحلال در درجه حرارتهاي پايينتر باشد.

 

پير سختي يكي از روش هاي استحكام بخشي به مواد فلزي با اضافه كردن ذره هاي سخت و كاملاً پراكنده به آن است. با انتخاب مناسب عناصر آلياژي اضافه شونده و عمليات گرمايي، مي توان توزيع مناسبي از رسوب حالت جامد فاز دوم را در زمينه اي كه آن رسوبات را درخود حل كرده است پديد آورد. اگر با اين عمل فلز استحكام يافت آن را رسوب سختي مي نامند كه روشي قابل استفاده در سطحي وسيع براي استحكام بخشي مواد فلزي است.

بطور كلي در عمليات حرارتي پير سختي (رسوب سختي) سه مرحله وجود دارد:
1) عمليات حرارتي انحلالي (محلول سازي) در دماي نسبتاً بالا در ناحيه تك فازي به منظور حل شدن عناصر آلياژي.
2) كوئنچ(آبدهي) تا دماي محيط براي بدست آوردن محلول جامد فوق اشباع از اين عناصر در آلومينيوم .
3) پيرسازي (تجزيه كنترل شده محلول جامد فوق اشباع براي تشكيل رسوبات ريز و پراكنده در زمينه فلز(.
آلياژ پس از اينكه در يك مدت مشخص تا يك دماي مشخص در منطقة تكفازي حرارت داده شد، در آب سريع سرد مي شود. حال آلياژ كوانچ شده، يك محلول جامد فوق اشباع است و بنابراين در يك حالت ناپايدار قرار دارد، بطوري كه اتم محلول اضافي، تمايل دارد كه از محلول خارج شود. منظور از انجام عمليات حرارتي محلول سازي، حصول انحلال كامل عناصر آلياژي است. در مرحلة سوم از عمليات حرارتي پير سختي، به تجزية كنترل شدة محلول جامد فوق اشباع عناصر آلياژي اصلي در آلومينيوم براي تشكيل رسوبات ريز و پراكنده در زمينه آلومينيوم پرداخته مي شود . به عبارتي مرحلة پير سازي، اجازه دادن به فاز استحكام دهنده جهت رسوب از محلول جامد فوق اشباع مي باشد اگر اين عمليات در دماي محيط و در حالت خود به خودي و به عبارتي بدون عمليات گرمايي انجام شود به آن عمليات پيرسازي طبيعي گفته مي شود اما اگر اين عمليات با حرارت دادن قطعه در دماهاي پايين انجام شود به آن عمليات حرارتي پيرسازي مصنوعي نسبت داده مي شود.
در واژگان تخصصي عمليات حرارتي ، T6 و T4 به ترتيب به آلياژهاي عمليات حرارتي پذير پير سخت شده مصنوعي و طبيعي آلومينيوم اطلاق مي شود.

آلومينيوم:
آلومينيوم به عنوان يك فلز استراتژيك در پيشرفت و توسعه كشورهاي مختلف جهان نقش موثري را ايفا نموده است. آلومينيوم سومين عنصر از لحاظ فراواني (%8 ) در پوسته زمين بعد از اكسيژن(%47) و سيليس (%28) مي باشد. اين عنصر در طبيعت بصورت خالص يافت نشده و اغلب بصورت تركيبات سيليكاته و مخلوط با ساير اكسيدها مي باشد كه اولين بار در سال 1808 توسطSir Humphry Davy بصورت خالص بدست آمد و لذا فلز جواني محسوب مي گردد. آلومينيوم و آلياژهاي آن داراي قدرت نسبتاً كوتاهي به عنوان يك ماد ه صنعتی مي باشند. با اين حال به علت انواع خواص مورد نياز صنعت مدرن كه در آلومينيوم يافت مي شود مصرف و توليد آن هر سال در حال افزايش است و آينده وسيع و پيشرفته اي براي آن پيش بيني مي گردد. تا قبل از جنگ جهاني دوم آلومينيوم بيشتر به عنوان وسائل و ظروف آشپزخانه معرفي شده و مصرف آن در كابل هاي انتقال الكتريسته با ولتاژ زياد نيز توسعه يافته بود، ولي در خلال جنگ نياز به طرح هاي جديد هواپيما و آلياژهاي پر استحكام، توسعه و مصارف جديد آلومينيوم را سرعت بخشيد. پس از جنگ نيز مصارف شهري- صنعتي آلومينيوم گسترده گشت و امروزه اين فلز به عنوان يك ماده اوليه مهم صنعتي محسوب شده و در بازار جهان مانند فولاد و در واقع پس از فولاد مهمترين ماده مصرفي مي باشد.

روش هاي توليد آلومينيوم:
1) روش الكتروليز كلريد آلومينيوم:
ابتدا وهلر آلومينيوم خالص را به وسيله الكتروليز كلريد آلومينيوم در مجاورت پتانسيل توليد نمود (سال 1829 م). دويل سديم را جانشين پتاسيم نمود كه نتيجه آن ساخت اولين كارخانه توليد آلومينيوم با ظرفيت بسيار پايين بود. اين دو روش بسيار پر هزينه بودند و همين امر باعث شده بود كه آلومينيوم همانند طلا و نقره ارزش پيداكند.
2) روش الكتروترميك:
در اين روش اكسيد آلومينيوم توسط كربن در دماي بالاتري از نقطة ذوب 3 O2 AL احيا مي شود.
آلومينيومي كه بدين روش توليد مي شود، حاوي مقداري كربن مي باشد. اين عمليات معمولاً در كورة قوسي صورت مي گيرد.
AL 2 +CO 3 C 3 + 3 O2 AL

3) روش هال-هرولت:
در سال 1886 ميلادي پال هرولت و چارلز هال بطور مستقل فرآيندي را كه طي آن آلومينا در كريوليت مذاب حل و به طور الكترو شيميايي تجزيه شده و در نتيجه آلومينيوم مذاب توليد مي گردد را ارائه نمود. تا كنون هيچ راه مناسبتري نتوانسته جايگزين اين فرآيند گردد و امروزه اين روش تنها روش توليد آلومينيوم مي باشد.
جدا از اين سه روش روش ذكر شده قدم اول در توليدآلومينيوم ، ذوب مجدد است. ابتدا كوره ها را با آلومينيوم مذابي كه مستقيماً از سلول هاي احيا مي آيد و يا با شمشي كه بايد ذوب شود پر مي كنند. عناصر آلياژي اصلي شمش و قراضه افزوده مي شود. فلز مذاب در كورة ذوب مجدد با برداشت سرباره تميز ميشود. همچنين مذاب به منظور حذف هيدروژن گازي حل شده، با گاز كلر گاز زدايي مي شود. پس از گاز زدايي و تميز كردن فلز، با گذاشتن توري سيمي ريخته گري انجام مي شود. انواع شمش ها مثل شمش ورق و شمشال آهنگري معمولاً از طريق ريخته گري مستقيم در قالب فلزي ريخته مي شود و در اين فرآيند، فلز مذاب را در قالبي كه با آب سرد مي شود مي ريزند. بلافاصله بعد از اينكه انجماد فلز شروع شد انتهاي قالب را پايين مي آورند به طوري كه فلز به صورت مداوم در شمش هايي با حدود 14 فوت طول ريخته شود.

توليد آلياژ كارپذير آلومينيوم از طريق ريخته گري در فرآيند تبريد مستقيم (DC)1:
معمولاً شمش ها را از طريق فرآيند عمودي، كه در آن آلياژ مذاب بداخل يك تا چند قالب ثابت آب سرد شونده كه داراي مقاطع چهار گوش هستند ريخته مي شوند، توليد مي كنند فرآيند انجماد در دو مرحله انجام مي شود. تشكيل فلز جامد در ديواره سرد شده قالب و انجماد باقي مانده مقطع بيلت از طريق جذب حرارت توسط سرد كننده هاي پا ششي. مقطع شمش توليدي مورد نياز براي نورد يا آهنگري بعدي ممكن است بصورت چهار گوش و براي اكتروژن بشكل گرد باشد و در هر دو مورد ممكن است وزن آن ها به چند تن برسد.

همگن كردن شمش ها:
قبل از تبديل شمش هاي DC به محصولات و شكل هاي واسطه اي، لازم است اين شمش ها را در دماهاي بالا همگن كرد تا جدايش را كاهش داد و مقدار يوتكتيک هاي غير تعادلي نقطة ذوب پايين را كه ممكن است باعث ترك خوردن شمش درخلال عمليات بعدي شود كم كرد. در اين ارتباط مشخص شده است كه مدت زمان همگن كردن در هر دماي معين نسبت عكس با مجذور فاصله شاخه هاي دندريتي در شمش دارد. عمل همگن كردن مخصوصاً در مورد آلياژهاي پر استحكام اهميت زيادي دارد . زيرا اين فرآيند به عنوان عمل رسوب گذاري و توزيع مجدد تركيبات بين فلزي بسيار ريز فلزات واسطه اي مانند نيز محسوب مي شود. اين فلزات واسطه در خلال سريع سرد شدن شمش ريختگي DC ممكن است در آلومينيوم بصورت فوق اشباع در آيند كه در آن صورت لازم است بصورت تركيبات ريزي كه يكنواخت توزيع شده اند در آيند تا ساختار دانه اي را كنترل كنند. به علاوه امروزه مشخص شده است كه اين ذرات ممكن است از طريق تاثير بر روي عكس العمل آلياژ به عمليات پير كردن و نيز تاثير بر روي ريز ساختار نابجاييهاي تشكيل شده در خلال تغيير شكل تاثير قابل توجهي بر انواع خواص مكانيكي بگذارد.
تنظيم انواع ذرات فوق الذكر، انتخاب دقيق شرايط براي همگن كردن شمش ها در آلياژهاي مختلف را ايجاب مي كند. وقتي كه رسوب اين تركيبات نقش بازي مي كنند در آن صورت هم زمان و هم دما مهم بوده و نرخ گرمايش تا دماي همگن كردن نيز تاثير حياتي دارد. براي انجام جوانه زني و توزيع ريز و يکنواخت اين تركيبات نياز به نرخ گرم كردن نسبتاً پايين، مثلاً ċ75 درساعت است . مشاهده شده است كه اين تركيبات در واقع بر روي سطوح ذرات رسوبي تشكيل شده جوانه زني كرده و سپس در خلال گرم كردن آهسته تا اندازه هاي نسبتاً درشت رشد مي نمايند. وقتي كه اين تركيبات كوچكتر از ميكرون تشكيل شدند در دماي همگن كردن پايدار مي مانند در حالي كه رسوبات حل مي شوند.

طبقه بندي و نامگذاري حالت آلياژهاي آلومينيوم:
در خلال سالهاي اوليه صنعت آلومينيوم هر آلياژ جديدي كه ساخته و پرداخته مي شد، به وسيله كمپاني هاي سازنده و به اسامي مورد قبول آن ها نامگذاري مي گرديد و هيچ گونه نامگذاري بين المللي وجود نداشت. بعدها به تدريج سه گروه كلي نام گذاري عموميت يافت كه عبارت بودند از :
سيستم تجاري،سيستم ASTM و سيستم SAE مثلاً آلياژي كه امروزه آلياژ آلومينيوم هزار و صد ناميده مي شود در سيستم تجاريS2 ، در سيستم ASTM990A و در سيستم SAE ، بيست و پنج ناميده مي شد. به همين ترتيب در ساير كشورها نيز سيستمهاي قرار دادي ديگر مورد استفاده قرار مي گرفت واضح است كه يك چنين اسامي مختلف و در همي براي صنعت نامناسب است. به ناچار يك سيستم مشخص تر و استاندارد تر به اسمAA براي آلياژهاي كارپذير آلومينيوم يعني آلياژهايي كه از طريق مكانيكي به شكل لازم در مي آيند، نه از طريق ريخته گري، پيشنهاد و اكنون مورد استفاده قرار مي گيرد. در اين سيستم نامگذاري ، آلياژهاي كارپذير آلومينيوم بر اساس عناصر آلياژي اصلي خود به هشت گروه مختلف تقسيم مي گردند. مشخصات كامل آلياژ بوسيله 4 عدد از هم تفكيك مي گردد. رقم اول از سمت چپ نشان دهندة گروه اصلي آلياژي است . دومين رقم تغيير آلياژ نسبت به آلياژ اوليه را نشان مي دهد. سومين و چهارمين رقم، مقدار خلوص يا نوع آلياژ را مشخص مي كند.

با توجه به اينكه رقم اول بر مبناي عنصر(عناصر) آلياژي اصلي مي باشد بنابراين گروه آلياژي *** 1 آلومينيوم آلياژ نشده (با حداقل%99 آلومينيوم )،گروه***2 حاوي مس به عنوان عنصر آلياژي،گروه***3 حاوي منگنز،گروه***4 حاوي سيليسيم ،گروه ***5حاوي منيزيم،گروه***6 حاوي منيزيم و سيليسيم و گروه ***7 حاوي روي و (منيزيم) به عنوان عناصر اصلي آلياژي مي باشند. رقم هاي سوم و چهارم در گروه ***1 داراي اهميت بيشتري است ولي در گروه هاي ديگر كمتر اهميت دارند. در گروه آلياژي***1، حداقل خلوص آلومينيوم به وسيله اين رقم ها مشخص مي شود مثلاً 1145 داراي حداقل خلوص%45/99 است. 1200 داراي حداقل خلوص%00/99 است. در ساير گروه هاي آلياژي رقم هاي سوم و چهارم صرفاً به مانند يك شماره سريال عمل مي كنند بنابراين آلياژهاي 3003، 3004 ، 3005 آلياژهاي متفاوت AL-MN هستند و به همين ترتيب آلياژهاي 5082 و 5083 آلياژهاي مختلف گروه هاي آلياژي AL-MG را نشان مي دهند .
بنابراين از گروه***2 تا ***8 كه به عنوان آلياژهاي واقعي آلومينيوم شناخته مي شوند، اعداد سوم و چهارم از سمت چپ فقط جهت تفكيك آلياژها در يك گروه از هم بكار مي روند. رقم دوم مانند قبل نشان دهنده تغيير يا كنترل خاصي بر روي آلياژ است. اگر اين رقم صفر باشد به معني اين است كه در آلياژ مربوطه از ابتداي ثبت آن تغييري داده نشده است. مانند آلياژ آلومينيوم 6061 . اعداد 1 تا 9 نشان دهنده تغيير يا اصلاح آلياژ اوليه است و خود عدد نشان دهندة مرحلة تغيير است. مثلاً آلياژ 2218 به معني دومين تغيير در آلياژ 2018 است، يعني اينكه تركيب آلياژ همان تركيب 2018 مي باشد، باستثناء اينكه مقدار منيزيم آن حدوداً به 2 برابر مقدار اولية آن رسيده است.

آلياژهاي غير قابل عمليات حرارتي: Non-Heattreatable alloys
تركيبات آلياژهاي كارپذير كه به عمليات حرارتي عكس العمل نشان نمي دهد اساساً از انواع آلومينيوم و آلياژهاي حاوي منگنز يا منيزيم به عنوان عنصر اصلي آلياژي بصورت تنها يا در تركيب با هم تشكيل مي شوند . تقريباً %95 كل محصولات نورد شده آلومينيومي (ورق ، صفحه، زرورق) از اين سه گروه آلياژي تشكيل شده اند . در اين آلياژها استحكام از طريق كرنش سختي و معمولاً بصورت كاربرد در خلال شكل دادن به قطعه ، به همراه سختي پراكندگي (AL-MN) يا استحكام بخشي توسط محلول هاي جامد(AL-MG) و يا هردو اين روش ها (AL-MN-MG)حاصل مي شود. آلياژ هاي گروه ***8 اغلب به عمليات حرارتي عكس العمل نشان نمي دهند و براي موارد خاص مانند ياتاقان ها و درپوش بطري استفاده دارند.
1) آلومينيوم خيلي خالص و آلومينيوم با خلوص تجارتي (گروه***1) :
اين گروه آلياژي شامل آلومينيوم پرخلوصSP) (%99/99) ) و انواع آلومينيوم هاي با خلوص تجاري (CP) حاوي تا %1 نا خالصي يا عناصر افزودني جزئي است. خواص كششي اين آلياژها پايين بوده و آلومينيوم پر خلوص آنيل شده داراي تنش سيلان MPA11-7 است .
2) آلياژهاي AL-MN-MG وAL-MN (گروه***1) :
گر چه حلاليت جامد منگنز در آلومينيوم %82/1 است ولي آلياژهاي تجاري AL-MN حاوي تا MN%25/1 مي باشند. اين محدوديت به اين علت است كه حضور آهن به عنوان عنصر ناخالصي باعث كاهش حلاليت شده و اين خطر وجود دارد كه ذرات درشت اوليه تشكيل شود كه به روي انعطاف پذيري موضعي تاثير بسيار بدي مي گذارد.
بطور كلي گروه آلياژي ***3 در مواردي مصرف مي شود كه استحكام متوسط به همراه انعطاف پذيري بالا و مقاومت خوردگي خوب مورد نياز است.
3) آلياژهاي AL-MG(گروه ***5) :
آلومينيوم و منيزيم در محدوده وسيعي از تركيب شيميايي تشكيل محلول هاي جامد داده و آلياژهاي كارپذير حاوي ازMG 8/0¬% تا كمي بيشتر از MG %5ايجاد مي كنند كه موارد مصرف وسيعي دارند. آلياژهاي AL-MG موارد مصرف زيادي در ساخت قطعات جوش شده پيدا كرده اند . مقاومت خوردگي بالاتر اين آلياژها آنها را براي بدنه قايق هاي كوچك و ساختمان اصلي كشتي هاي اقيانوس پيما مناسب مي گرداند به علاوه اين آلياژها را مي توان بخوبي صيقل داد و براق نمود.
4) آلياژهاي متفرقه (گروه***8) :
اين گروه آلياژي مشتمل است بر تعداد زيادي آلياژهاي رقيق مانند (6/0) NI1/1-AL 8001- كه در تاسيسات انرژي هسته اي كه مقاومت خوردگي در مقابل آب در دما و فشار بالا مورد نياز است كاربرد دارند. خواص مكانيكي آن مشابه آلياژ 3003 است.

آلياژ(SI7/0-Fe75/0-AL)8011 به دليل كيفيت كشش عميق خوب براي ساخت درب بطري بكارمي رود.آلياژهايي مانند8280 و8081 به عنوان آلياژهاي ياتاقان بر پايه سيستم AL-SNنقش مهمي داشته و امروزه در اتومبيل و كاميونها، مخصوصاً جائي كه موتور ديزلي بكار مي رود مورد مصرف زيادي يافته است.
آلياژهاي عمليات حرارتي پذير:Heattreatable alloys
آلياژ هاي كار شده اي كه در اثر عمليات حرارتي مقاوم مي شوند در سه گروه
(AL-CU)***2 (AL-MG-SI),***6 (AL-ZN-MN,AL-ZN-MG-CU), ***7 قرار مي گيرند تمام اين آلياژها وابسته به عمليات پير سختي كه باعث تقويت قابل توجه خواص كششي مي گردد بوده و به 2 دسته تقسيم مي گردند: آلياژهايي كه داراي استحكام متوسط بوده و به آساني جوش پذيرند(AL-MG-SI,AL-ZN-MG)، و آلياژهاي استحكام بالا كه اساساً براي ساختمان هواپيماها توليد مي شوند (AL-CU,AL-CU-MG,AL-ZN-MG-CU) واغلب آنها جوش پذيري محدودي دارند.
آلياژهاي AL-CU (گروه***2) :
مس يكي ديگر از عناصر مهم آلياژي آلومينيوم است .اين عنصر در درجه حرارت ċ548 به مقدار نسبتاً قابل توجهي (%65/6) درآلومينيوم جامد محلول است. اغلب آلياژهاي آلومينيوم – مس، عمليات حرارتي پذير بوده و از اين نظر تاثير مس در آنها حائز اهميت است.

آلياژ AL-CU-MG(گروه***2) :
تاريخ پيدايش اين آلياژها به كشف تصادفي پديده پير سختي توسط Alfred Wilm كه در سال 1906 در برلين مشغول تحقيقات براي توليد مشخصات آلياژ آلومينيومي كه بتواند جايگزين برنج در ساخت پوكه فشنگ شود بر مي گردد. كار اين دانشمند منجر به توليد آلياژي بنام دور آلومين MN)8/0-SI9/0-MG5/0 -CU5/3-AL) گرديد كه به سرعت به عنوان اجزاء ساختماني هوانورد زيپلين و بعدها در ساخت هواپيما مورد استفاده قرار گرفت.
آلياژهاي AL-ZN-MG (گروه***7) :
سيستمAL-ZN-MG در بين كليه آلياژهاي آلومينيوم بالاترين پتانسيل پير سخت شدن را دارند، اگر چه آلياژهاي خيلي پر استحكام هميشه حاوي يك عنصر چهارم (مس) براي بهبود مقاومت در مقابل ترك خوردگي تنشي هستند . آلياژهاي جوش پذير AL-ZN-MG براي اولين بار به منظور ساخت پل هاي سبك نظامي توليد گرديدند ولي امروزه داراي موارد مصرف تجاري متعددي بخصوص در اروپا هستند. در جاهاي ديگر، موارد استفاده آن ها به دليل ترس از ترك خوردگي تنشي در منطقه جوش گسترش كمتري يافته است.
آلياژ AL-ZN-MG-CU (گروه***7) :
اين آلياژها توجه خاصي را به خود جلب كرده اند زيرا مدتي است مشخص شده كه اين گروه آلياژي در بين كليه آلياژهاي آلومينيوم بيشترين عكس العمل در مقابل پير سختي را از خود نشان مي دهند اين آلياژ و ديگر آلياژهاي اين گروه بعلت مستعد بودن به ترك خوردگي تنشي براي موارد ساختماني نامناسب مي باشند.
آلياژهاي آلومينيوم عمليات حرارتي پذير گروه ***6 به دليل اهميتي كه در موضوع پروژه دارند ،بعد از موضوع نامگذاري حالت آلياژهاي آلومينيوم مورد بحث قرار خواهند گرفت.