مقدمه:
با توجه به اینکه اساس موضوع پروژه بر پایه عملیات حرارتی رسوب سختی1 می باشد لازم است برای درک آسان مطالب توسط مخاطب، مقدماتی راجع به این عملیات بیان شود.
توضیح بیشتر در مورد این عملیات حرارتی در ادامه مباحث آورده خواهد شد.
برای افزایش استحکام و سختی یک آلیاژ، تنها دو روش اصلی وجود دارد: کارسرد یا عملیات حرارتی.
مهمترین فرآیند عملیات حرارتی برای آلیاژهای غیر آهنی پیر سختی یا رسوب سختی است.
برای استفاده از این روش، باید دیاگرام تعادلی دارای حلالیت جزئی در حالت جامد باشد و شیب خط انحلال بصورتی باشد که قابلیت انحلال در درجه حرارتهای بالاتر بیشتر از قابلیت انحلال در درجه حرارتهای پایین تر باشد.
پیر سختی یکی از روش های استحکام بخشی به مواد فلزی با اضافه کردن ذره های سخت و کاملاً پراکنده به آن است.
با انتخاب مناسب عناصر آلیاژی اضافه شونده و عملیات گرمایی، می توان توزیع مناسبی از رسوب حالت جامد فاز دوم را در زمینه ای که آن رسوبات را درخود حل کرده است پدید آورد.
اگر با این عمل فلز استحکام یافت آن را رسوب سختی می نامند که روشی قابل استفاده در سطحی وسیع برای استحکام بخشی مواد فلزی است.
بطور کلی در عملیات حرارتی پیر سختی (رسوب سختی) سه مرحله وجود دارد:
1)عملیات حرارتی انحلالی1 (محلول سازی) در دمای نسبتاً بالا در ناحیه تک فازی به منظور حل شدن عناصر آلیاژی
2)کوانچ(آبدهی)2 تا دمای محیط برای بدست آوردن محلول جامد فوق اشباع از این عناصر در آلومینیوم
3)پیر سازی3 (تجزیه کنترل شده محلول جامد فوق اشباع برای تشکیل رسوبات ریز و پراکنده در زمینه فلز)
آلیاژ پس از اینکه در یک مدت مشخص تا یک دمای مشخص در منطقه تکفازی حرارت داده شد، در آب سریع سرد می شود.
حال آلیاژ کوانچ شده، یک محلول جامد فوق اشباع است و بنابراین در یک حالت ناپایدار قرار دارد، بطوری که اتم محلول اضافی، تمایل دارد که از محلول خارج شود.
منظور از انجام عملیات حرارتی محلول سازی، حصول انحلال کامل عناصر آلیاژی است.
در مرحله سوم از عملیات حرارتی پیر سختی، به تجزیه کنترل شده محلول جامد فوق اشباع عناصر آلیاژی اصلی در آلومینیوم برای تشکیل رسوبات ریز و پراکنده در زمینه آلومینیوم پرداخته می شود .
به عبارتی مرحله پیر سازی، اجازه دادن به فاز استحکام دهنده جهت رسوب از محلول جامد فوق اشباع می باشد اگر این عملیات در دمای محیط و در حالت خود به خودی و به عبارتی بدون عملیات گرمایی انجام شود به آن عملیات پیرسازی طبیعی گفته می شود اما اگر این عملیات با حرارت دادن قطعه در دماهای پایین انجام شود به آن عملیات حرارتی پیرسازی مصنوعی نسبت داده می شود.
در واژگان تخصصی عملیات حرارتی ، T6 و T4 به ترتیب به آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر پیر سخت شده مصنوعی و طبیعی آلومینیوم اطلاق می شود.
آلومینیوم:
آلومینیوم به عنوان یک فلز استراتژیک در پیشرفت و توسعه کشورهای مختلف جهان نقش موثری را ایفا نموده است.
آلومینیوم سومین عنصر از لحاظ فراوانی (%8 ) در پوسته زمین بعد از اکسیژن(%47) و سیلیس (%28) می باشد.
این عنصر در طبیعت بصورت خالص یافت نشده و اغلب بصورت ترکیبات سیلیکاته و مخلوط با سایر اکسیدها می باشد که اولین بار در سال 1808 توسطSir Humphry Davy بصورت خالص بدست آمد و لذا فلز جوانی محسوب می گردد.
آلومینیوم و آلیاژهای آن دارای قدرت نسبتاً کوتاهی به عنوان یک ماد ه صنعتی می باشند.
با این حال به علت انواع خواص مورد نیاز صنعت مدرن که در آلومینیوم یافت می شود مصرف و تولید آن هر سال در حال افزایش است و آینده وسیع و پیشرفته ای برای آن پیش بینی می گردد.
تا قبل از جنگ جهانی دوم آلومینیوم بیشتر به عنوان وسائل و ظروف آشپزخانه معرفی شده و مصرف آن در کابل های انتقال الکتریسته با ولتاژ زیاد نیز توسعه یافته بود، ولی در خلال جنگ نیاز به طرح های جدید هواپیما و آلیاژهای پر استحکام، توسعه و مصارف جدید آلومینیوم را سرعت بخشید.
پس از جنگ نیز مصارف شهری- صنعتی آلومینیوم گسترده گشت و امروزه این فلز به عنوان یک ماده اولیه مهم صنعتی محسوب شده و در بازار جهان مانند فولاد و در واقع پس از فولاد مهمترین ماده مصرفی می باشد.
روش های تولید آلومینیوم: 1)روش الکترولیز کلرید آلومینیوم: ابتدا وهلر آلومینیوم خالص را به وسیله الکترولیز کلرید آلومینیوم در مجاورت پتانسیل تولید نمود (سال 1829 م).
دویل سدیم را جانشین پتاسیم نمود که نتیجه آن ساخت اولین کارخانه تولید آلومینیوم با ظرفیت بسیار پایین بود.
این دو روش بسیار پر هزینه بودند و همین امر باعث شده بود که آلومینیوم همانند طلا و نقره ارزش پیداکند.
2)روش الکتروترمیک: در این روش اکسید آلومینیوم توسط کربن در دمای بالاتری از نقطه ذوب 3 O2 AL احیا می شود.
آلومینیومی که بدین روش تولید می شود، حاوی مقداری کربن می باشد.
این عملیات معمولاً در کوره قوسی صورت می گیرد.
AL 2 +CO 3 C 3 + 3 O2 3)روش هال-هرولت: در سال 1886 میلادی پال هرولت و چارلز هال بطور مستقل فرآیندی را که طی آن آلومینا در کریولیت مذاب حل و به طور الکترو شیمیایی تجزیه شده و در نتیجه آلومینیوم مذاب تولید می گردد را ارائه نمود.
تا کنون هیچ راه مناسبتری نتوانسته جایگزین این فرآیند گردد و امروزه این روش تنها روش تولید آلومینیوم می باشد.
جدا از این سه روش روش ذکر شده قدم اول در تولیدآلومینیوم ، ذوب مجدد است.
ابتدا کوره ها را با آلومینیوم مذابی که مستقیماً از سلول های احیا می آید و یا با شمشی که باید ذوب شود پر می کنند.
عناصر آلیاژی اصلی شمش و قراضه افزوده می شود.
فلز مذاب در کوره ذوب مجدد با برداشت سرباره تمیز میشود.
همچنین مذاب به منظور حذف هیدروژن گازی حل شده، با گاز کلر گاز زدایی می شود.
پس از گاز زدایی و تمیز کردن فلز، با گذاشتن توری سیمی ریخته گری انجام می شود.
انواع شمش ها مثل شمش ورق و شمشال آهنگری معمولاً از طریق ریخته گری مستقیم در قالب فلزی ریخته می شود و در این فرآیند، فلز مذاب را در قالبی که با آب سرد می شود می ریزند.
بلافاصله بعد از اینکه انجماد فلز شروع شد انتهای قالب را پایین می آورند به طوری که فلز به صورت مداوم در شمش هایی با حدود 14 فوت طول ریخته شود.
تولید آلیاژ کارپذیر آلومینیوم از طریق ریخته گری در فرآیند تبرید مستقیم (DC)1: معمولاً شمش ها را از طریق فرآیند عمودی، که در آن آلیاژ مذاب بداخل یک تا چند قالب ثابت آب سرد شونده که دارای مقاطع چهار گوش هستند ریخته می شوند، تولید می کنند فرآیند انجماد در دو مرحله انجام می شود.
تشکیل فلز جامد در دیواره سرد شده قالب و انجماد باقی مانده مقطع بیلت از طریق جذب حرارت توسط سرد کننده های پا ششی.
مقطع شمش تولیدی مورد نیاز برای نورد یا آهنگری بعدی ممکن است بصورت چهار گوش و برای اکتروژن بشکل گرد باشد و در هر دو مورد ممکن است وزن آن ها به چند تن برسد.
همگن کردن شمش ها: قبل از تبدیل شمش های DC به محصولات و شکل های واسطه ای، لازم است این شمش ها را در دماهای بالا همگن کرد تا جدایش را کاهش داد و مقدار یوتکتیک های غیر تعادلی نقطه ذوب پایین را که ممکن است باعث ترک خوردن شمش درخلال عملیات بعدی شود کم کرد.
در این ارتباط مشخص شده است که مدت زمان همگن کردن در هر دمای معین نسبت عکس با مجذور فاصله شاخه های دندریتی در شمش دارد.
عمل همگن کردن مخصوصاً در مورد آلیاژهای پر استحکام اهمیت زیادی دارد .
زیرا این فرآیند به عنوان عمل رسوب گذاری و توزیع مجدد ترکیبات بین فلزی بسیار ریز فلزات واسطه ای مانند نیز محسوب می شود.
این فلزات واسطه در خلال سریع سرد شدن شمش ریختگی DC ممکن است در آلومینیوم بصورت فوق اشباع در آیند که در آن صورت لازم است بصورت ترکیبات ریزی که یکنواخت توزیع شده اند در آیند تا ساختار دانه ای را کنترل کنند.
به علاوه امروزه مشخص شده است که این ذرات ممکن است از طریق تاثیر بر روی عکس العمل آلیاژ به عملیات پیر کردن و نیز تاثیر بر روی ریز ساختار نابجاییهای تشکیل شده در خلال تغییر شکل تاثیر قابل توجهی بر انواع خواص مکانیکی بگذارد.
تنظیم انواع ذرات فوق الذکر، انتخاب دقیق شرایط برای همگن کردن شمش ها در آلیاژهای مختلف را ایجاب می کند.
وقتی که رسوب این ترکیبات نقش بازی می کنند در آن صورت هم زمان و هم دما مهم بوده و نرخ گرمایش تا دمای همگن کردن نیز تاثیر حیاتی دارد.
برای انجام جوانه زنی و توزیع ریز و یکنواخت این ترکیبات نیاز به نرخ گرم کردن نسبتاً پایین، مثلاً ċ75 درساعت است .
مشاهده شده است که این ترکیبات در واقع بر روی سطوح ذرات رسوبی تشکیل شده جوانه زنی کرده و سپس در خلال گرم کردن آهسته تا اندازه های نسبتاً درشت رشد می نمایند.
وقتی که این ترکیبات کوچکتر از میکرون تشکیل شدند در دمای همگن کردن پایدار می مانند در حالی که رسوبات حل می شوند.
طبقه بندی و نامگذاری حالت آلیاژهای آلومینیوم: در خلال سالهای اولیه صنعت آلومینیوم هر آلیاژ جدیدی که ساخته و پرداخته می شد، به وسیله کمپانی های سازنده و به اسامی مورد قبول آن ها نامگذاری می گردید و هیچ گونه نامگذاری بین المللی وجود نداشت.
بعدها به تدریج سه گروه کلی نام گذاری عمومیت یافت که عبارت بودند از : سیستم تجاری،سیستم ASTM و سیستم SAE مثلاً آلیاژی که امروزه آلیاژ آلومینیوم هزار و صد نامیده می شود در سیستم تجاریS2 ، در سیستم ASTM990A و در سیستم SAE ، بیست و پنج نامیده می شد.
به همین ترتیب در سایر کشورها نیز سیستمهای قرار دادی دیگر مورد استفاده قرار می گرفت واضح است که یک چنین اسامی مختلف و در همی برای صنعت نامناسب است.
به ناچار یک سیستم مشخص تر و استاندارد تر به اسمAA برای آلیاژهای کارپذیر آلومینیوم یعنی آلیاژهایی که از طریق مکانیکی به شکل لازم در می آیند، نه از طریق ریخته گری، پیشنهاد و اکنون مورد استفاده قرار می گیرد.
در این سیستم نامگذاری ، آلیاژهای کارپذیر آلومینیوم بر اساس عناصر آلیاژی اصلی خود به هشت گروه مختلف تقسیم می گردند.
مشخصات کامل آلیاژ بوسیله 4 عدد از هم تفکیک می گردد.
رقم اول از سمت چپ نشان دهنده گروه اصلی آلیاژی است .
دومین رقم تغییر آلیاژ نسبت به آلیاژ اولیه را نشان می دهد.
سومین و چهارمین رقم، مقدار خلوص یا نوع آلیاژ را مشخص می کند.
با توجه به اینکه رقم اول بر مبنای عنصر(عناصر) آلیاژی اصلی می باشد بنابراین گروه آلیاژی *** 1 آلومینیوم آلیاژ نشده (با حداقل%99 آلومینیوم )،گروه***2 حاوی مس به عنوان عنصر آلیاژی،گروه***3 حاوی منگنز،گروه***4 حاوی سیلیسیم ،گروه ***5حاوی منیزیم،گروه***6 حاوی منیزیم و سیلیسیم و گروه ***7 حاوی روی و (منیزیم) به عنوان عناصر اصلی آلیاژی می باشند.
رقم های سوم و چهارم در گروه ***1 دارای اهمیت بیشتری است ولی در گروه های دیگر کمتر اهمیت دارند.
در گروه آلیاژی***1، حداقل خلوص آلومینیوم به وسیله این رقم ها مشخص می شود مثلاً 1145 دارای حداقل خلوص%45/99 است.
1200 دارای حداقل خلوص%00/99 است.
در سایر گروه های آلیاژی رقم های سوم و چهارم صرفاً به مانند یک شماره سریال عمل می کنند بنابراین آلیاژهای 3003، 3004 ، 3005 آلیاژهای متفاوت AL-MN هستند و به همین ترتیب آلیاژهای 5082 و 5083 آلیاژهای مختلف گروه های آلیاژی AL-MG را نشان می دهند .
بنابراین از گروه***2 تا ***8 که به عنوان آلیاژهای واقعی آلومینیوم شناخته می شوند، اعداد سوم و چهارم از سمت چپ فقط جهت تفکیک آلیاژها در یک گروه از هم بکار می روند.
رقم دوم مانند قبل نشان دهنده تغییر یا کنترل خاصی بر روی آلیاژ است.
اگر این رقم صفر باشد به معنی این است که در آلیاژ مربوطه از ابتدای ثبت آن تغییری داده نشده است.
مانند آلیاژ آلومینیوم 6061 .
اعداد 1 تا 9 نشان دهنده تغییر یا اصلاح آلیاژ اولیه است و خود عدد نشان دهنده مرحله تغییر است.
مثلاً آلیاژ 2218 به معنی دومین تغییر در آلیاژ 2018 است، یعنی اینکه ترکیب آلیاژ همان ترکیب 2018 می باشد، باستثناء اینکه مقدار منیزیم آن حدوداً به 2 برابر مقدار اولیه آن رسیده است.
آلیاژهای غیر قابل عملیات حرارتی: Non-Heattreatable alloys ترکیبات آلیاژهای کارپذیر که به عملیات حرارتی عکس العمل نشان نمی دهد اساساً از انواع آلومینیوم و آلیاژهای حاوی منگنز یا منیزیم به عنوان عنصر اصلی آلیاژی بصورت تنها یا در ترکیب با هم تشکیل می شوند .
تقریباً %95 کل محصولات نورد شده آلومینیومی (ورق ، صفحه، زرورق) از این سه گروه آلیاژی تشکیل شده اند .
در این آلیاژها