آلومینیوم و آلیاژهای آن

2

  1. تاریخچه کشف آلومینیوم

  2. آشنایی با روش های آلیاژ سازی وخصوصیات آلومینیوم

  3. مروری بر شرایط ریخته گری آلومینیوم

  4. تبلور دانه های فلزی آلومینیوم

  5. مشخصات کلی آلیاژ آلومینیوم-مس

  6. گزارش کارگاه آلومینیوم 

1

  1. تاریخچه کشف آلومینیوم

  2. آشنایی با روش های آلیاژ سازی وخصوصیات آلومینیوم

  3. مروری بر شرایط ریخته گری آلومینیوم

  4. تبلور دانه های فلزی آلومینیوم

  5. مشخصات کلی آلیاژ آلومینیوم-مس

  6. گزارش کارگاه آلومینیوم

  7. برنز آلومینیوم

تاریخچه کشف آلومینیوم:

فردریک وهلربطور کلی به آلومینیوم خالصاعتقاد داشت هانسکریستین ارستدشیمیدان و فیزیکدان دانمارکی دررومویونان باستاناین فلز را بعنوان ثابت کننده رنگ در رنگرزی و نیز بعنوان بندآورنده خون در زخمها بکار می‌بردند و هنوز هم بعنوان داروی بند آورنده خون مورداستفاده است. در سال ۱۷۶۱ ، گویتون دمورووپیشنهاد کرد تاalumراآلومین(alumin)بنامند.

پیدایش و منابع:

اگر چهAl، یک عنصر فراوان در پوسته زمین است(۱۸%) ، اینعنصر در حالت آزاد خود بسیار نادر است و زمانی یک فلز گرانبها و ارزشمندتر ازطلابه حساب می‌آمد. بنابراین، بعنوان فلزی صنعتی اخیرأ مورد توجه قرار گرفته و در مقیاسهای تجاری تنها بیش از ۱۰۰ سال است که مورد استفاده است. در ابتدا که این فلز کشف شد، جدا کردن آن ازسنگها بسیار مشکل بود و چون کل آلومینیوم زمین بصورت ترکیب بود، مشکل‌ترین فلز ازنظر تهیه به شمار می‌آمد.

آلومینیوم برای مدتی از طلا با ارزش‌تر بود، اما بعد ازابداع یک روش آسان برای استخراج آن در سال ۱۸۸۹ ، قیمت آن رو به کاهش گذاشت و سقوطکرد. تهیه مجدد این فلز از قطعات اسقاط (از طریق بازیافت) تبدیل به بخش مهمی ازصنعت آلومینیوم شد. بازیافت آلومینیوم موضوع تازه ای نیست، بلکه از قرن نوزدهم یکروش رایج برای این کار وجود داشت. با این همه تا اواخر دهه ۶۰ این یک کار کم منفعتیبود تا زمانیکه بازیافت قوطیهای آلومینیومی آشامیدنیها بالاخره بازیافـت این فلز رامورد توجه قرار داد. منابع بازیافت آلومینیوم عبارتند از: اتومبیلها ، پنجره ها ،درها ، لوازم منزل ، کانتینرها و سایر محصولات ….

معرفی آلومینیوم :

آلومینیوم ،عنصر شیمیایی است که درجدول تناوبی دارای علامتAlوعدد اتمی۱۳ می‌باشد. آلومینیوم که عنصری نقره‌ای و انعطاف‌پذیر است، عمدتأ به صورتسنگ معدنبوکسیتیافت می‌شود و از نظر مقاومتی که در برابراکسیداسیون دارد، همچنین وزن و قدرت آن ،قابل توجه است. آلومینیوم در صنعت برای تولید میلیونها محصول مختلف بکار می‌رود ودر جهان اقتصاد ، عنصر بسیار مهمی است. هستند. همچنیندر سازه‌هایی که در آنها وزن پایداری و مقاومت لازم هستند، وجود این عنصر اهمیتزیادی دارد.

ویژگی‌های قابل توجه:

آلومینیوم ، فلزی نرم و سبک ، اما قوی است، با ظاهرینقره‌ای – خاکستری مات و لایه نازکاکسیداسیون که در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکیل می‌شود، از زنگ خوردگی بیشتر جلوگیریمی‌کند. وزن آلومینیوم تقریبأ یک سومفولاد یا مس است.ِ چکش خوار ، انعطاف پذیر و به راحتی خم می‌شود. همچنین بسیار بادَوام و مقاومدر برابر زنگ خوردگی است. بعلاوه ، این عنصر غیر مغناطیسی ، بدون جرقه ، دومین فلزچکش خوار و ششمین فلز انعطاف‌پذیر است.

کاربردها:

چه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش ، آلومینیوم کاربردی‌ترین فلزبعد ازآهن است و تقریبأ در تمامیبخشهای صنعت دارای اهمیت می‌باشد. آلومینیوم خالص ، نرم و ضعیف است، اما می‌تواندآلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس ، منیزیم ، منگنز ، سیلیکون و دیگر عناصر بوجودآورد که این آلیاژها ویژگی‌های مفید گوناگونی دارند. این آلیاژها اجزای مهمهواپیماها و راکتها را می‌سازند.

وقتی آلومینیوم را در خلاء تبخیر کنند،پوششی تشکیل می‌دهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس می‌کند. این پوششهالایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را بوجود می‌آورند که همانند پوششهای نقره خاصیت خود را ازدست نمی‌دهند.

برخی از کاربردهای آلومینیوم عبارتند از :

  • بسته‌بندی شامل: قوطی‌ها ، فویل و…
  • ساختمان شامل : درب ، پنجره ، دیوار پوشها و …
  • کالاهای با دوام مصرف کننده شامل : وسایل برقی خانگی ، وسایل آشپزخانه  و ….
  • خطوط انتقال الکتریکی
  • ماشین آلات

اکسید آلومینیوم (آلومینا) بطور طبیعی و بصورت کوراندوم ، سنگ سمباده (emery) ، یاقوت (ruby) و یاقوت کبود (sapphire) یافت می‌شود که در صنعت شیشه‌سازی کاربرد دارد. یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور هم‌نوسان بکار می‌روند. آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده می‌شود و در نتیجه در سوخت موشکهای با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع می‌شود.

استخراج آلومینیوم :

آلومینیوم یک فلز واکنشگر است و نمی‌تواند از سنگ معدن خود بوکسیت (Al2O) بوسیله کاهش با کربن جدا شود. در عوض روش جداسازی این فلز از طریق الکترولیزاست. (این فلز در محلول اکسیده شده ، سپس بصورت فلز خالص جدا می‌شود.) لذا جهت این کار ، سنگ معدن باید درون یک مایع قرار بگیرد. اما بوکسیت دارای نقطه ذوب بالایی است (۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) که تامین این مقدار انرﮊی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.

برای سالهای زیادی بوکسیت را در فلورید سدیم و آلومینیوم مذاب قرار می‌دادند و نقطه ذوب آن تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یافت. اما امروزه مخلوط مصنوعی ازآلومینیوم ، سدیم و فلوئورید کلسیم ، جایگزین فلورید سدیم و آلومینیوم شده است. این فرایند هنوز مستلزم انرژی بسیار زیاد است و کارخانجات آلومینیوم دارای ایستگاههای برق مخصوص خود در اطراف این کارخانه‌ها هستند.

الکترودهایی که در الکترولیز بوکسیت بکار می‌روند، هر دو کربن هستند. وقتی سنگ معدن در حالت مذاب است، یونهای آن آزادانه حرکت می‌کنند. واکنش در کاتد منفی اینگونه است:

Al3+ + ۳e —-> Al

در اینجا یون آلومینیوم در حالت کاهش است(الکترونها اضافه می‌شوند). سپس فلز آلومینیوم به سمت پایین فرو می‌رود و خارج می‌شود. آند مثبت ، اکسیژن بوکسیت را اکسیده می‌کند که بعد از آن با الکترود کربنی واکنش کرده تا تولید دی اکسید کربن نماید.

این کاتد باید عوض شود، چون اغلب تبدیل به دی‌اکسید کربن می‌شود. بر خلاف هزینه الکترولیز ، آلومینیوم فلزی ، ارزان با کاربرد وسیع است. امروزه آلومینیوم را می‌توان از خاکه معدنی (clay) استخراج کرد، اما این فرایند ، اقتصادی نیست.

ایزوتوپها  :

آلومینیوم ، دارای ۹ ایزوتوپ است که عمده‌ترین آنها بین ۲۳ تا ۳۰ مرتب شده‌اند. تنها Al-27 (ایزوتوپ پایدار ) و AL-26 (ایزوتوپ رادیو اکتیو) بطور طبیعی وجود دارند AL-26 از پراشیدن ذرات اتم آرگون در اتمسفر که در نتیجه پروتونهای اشعه کیهانی رخ می‌دهد، تولید می‌شود. ایزوتوپهای آلومینیوم ، کاربردهای عملی در تعیین قدمت رسوبات دریایی ، خاستگاه منگنز ، یخهای دوران یخبندان ، کوارتز در صخره‌ها و شهاب سنگها دارد.

AL-26 اولین بار در مطالعات ماه و شهاب‌ سنگها بکار رفت. اجزاء شهاب‌سنگها بعد از جدا شدن از پیکره مادر در مدت سفر خود در فضا در معرض شدید بمباران اشعه کیهانی هستند که باعث تولید آلومینیوم ۲۷ پایدار می‌شود. بعد از سقوط روی زمین ، حفاظ اتمسفر مانع از تولید AL-26 بیشتر از قطعات شهاب‌سنگها می‌شود و واپاشی آن در تعیین عمر زمینی آنها موثر است. تحقیقات روی شهاب‌سنگها ثابت کرده است که AL-26 در زمان شکل‌گیری سیاره ما نسبتا به مقدار فراوان وجود داشته است. احتمالا انرژی آزاد شده در نتیجه واپاشی AL-26 ، ذوب شدن مجدد و جدایی سیارکها بعد از شکل گیری آنها را ۲-۴ میلیارد سال پیش در پی داشته است.

هشدارها :

آلومینیوم یکی از معدود عناصر فراوانی است که ظاهرا هیچ فعالیت موثری در سلولهای زنده ندارد. اما درصد کمی از مردم به آن حساسیت دارند. آنها تجربه کرده‌اند تماس هر نوع از آن موجب التهاب پوستی می‌شود. مصرف داروهای بند آورنده خون و مواد ضد عرق باعث ایجاد جوشهای خارش آور و سوء هاضمه می‌گردد. عدم جذب مواد غذایی مفید از غذاهای پخته شده در ظروف آلومینیومی همچنین تهوع و سایر علائم مسمومیت در نتیجه خوردن اینگونه محصولات مانند Maalox ، Amphojel ، Kaopectate .

در سایر افراد آلومینیوم مانند فلزات سنگین ، سمی نیست، اما در صورت مصرف زیاد علائمی از مسمومیت دیده شده است. اگرچه استفاده از ظروف غذای آلومینیومی به خاطر مقاومت در برابر زنگ‌زدگی و خاصیت هدایت گرمایی بالای آنها بسیار رایج است، در کل ، هیچگونه علامتی در مورد ایجاد مسمومیت آنها دیده نشده است. مصرف زیاد داروهای ضد اسید و مواد ضد عرق که حاوی ترکیبات آلومینیومی هستند، احتمال مسمومیت بیشتری دارند. بعلاوه احتمال ارتباط آلومینیوم با بیماری آلزایمر مطرح شده است، گرچه اخیرا این فرضیه رد شده است.

املاء رسمی این عنصر ،Aluminium است، گرچه عموما آمریکایی‌ها و کانادایی‌ها آنرا بصورت Aluminum  نوشته و تلفظ می‌کنند همفری دیویدر سال۱۸۰۷ Aluminum  را برای عنصر کشف شده در آن زمان ارائه کرد، اما بعدا تصمیم گرفت تا این نام را به Aluminium تغییر دهد که با وجود ium در نام بیشتر عناصر تطبیق کند. بعدها املا Aluminium در بریتانیا و آمریکا متداول شد، اما بعد بتدریج آمریکایی‌ها برای اهداف غیرتخصصی این نام را به Aluminum برگرداندند. نام رسمی این عنصر در آمریکا و در رشته شیمی تا سال ۱۹۲۶ بصورت Aluminium بکار رفت. از این تاریخ به بعد انجمن شیمی آمریکا تصمیم به استفاده از املاء Aluminum در نشرِات خود گرفت.


رسوب سختی آلیاژهای آلومینیوم:

تاریخچه :

فرآیند رسوب سختی (پیرسختی) در سال ۱۹۰۶ بوسیله Dr.A.Wilmآلمانی کشف گردید.دکتر Wilm یک آلیاژ ۴ درصد مس و ۵/۰ درصد منیزیم را حرارت داده و پس از آن به سرعت سرد نمود و سپس سختی آلیاژ را اندازه گرفت. او متوجه شد که با گذشت زمان به مدت چند روز در درجه حرارت محیط سختی نمونه ها به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش یافت.

دکتر Wilm در سال ۱۹۱۱ نتایج خود را منتشر نمود ولی نتوانست توضیحی برای این سخت شدن بدهد. زیرا از نظر میکروسکوپی هیچ گونه تفاوتی بین نمونه های سخت و نمونه های نرم مشاهده نکرده بود. از زمان Wilm تا کنون دانشمندان و مهندسین متعددی فرآیند رسوب سختی را مطالعه و مطالب مختلف و متعددی در مورد آن یافته اند ولی هنوز هم مکانیزم دقیق آن مورد مطالعه قرار می گیرد.

اصول رسوب سختی:

برای سخت کردن یک آلیاژ آلومینیوم از طریق فرآیند رسوب سختی ابتدا به فلز یک عمل حرارتی حل کردن داده می شود عمل حرارتی آلیاژ را به درجه حرارتی که بقدر کافی زیاد است تا عناصر آلیاژی را داخل محلول جامد بنماید حرارت می دهند.

درجه حرارت مورد استفاده بستگی به ترکیب شیمیائی آلیاژ دارد. پس از حرارت دادن به درجه حرارت انحلال و نگه داشتن در آن درجه حرارت به مدت لازم آلیاژ به درجه حرارت پائین تری سریعاً سرد می شود تا این عناصر را در محلول جامد فوق اشباع شده نگه دارد.

قسمت دوم فرآیند رسوب سختی، پیر کردن است که در خلال رسوبات تشکیل می گردند. اگر رسوب گیری که باعث سختی آلیاژ می شود خود به خود در درجه حرارت محیط انجام گیرد گفته می شود که آلیاژ بصورت طبیعی پیر شده(Natural Ageing) است.

در هر حال اگر لازم باشد آلیاژ را حرارت داد (معمولاً در ۲۶۰-۹۳ درجه سانتی گراد به مدت چندین ساعت) تا رسوب گیری انجام گیرد در آن صورت آن را پیر سختی مصنوعی(Artificial Ageing) می نامند.

آلیاژهای آلومینیوم که قابل سخت شدن از طریق رسوب سختی هستند را بنا به تعریف آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر می نامند.

شرایط مورد نیاز:

 برای این که آلیاژ آلومینیوم قابل رسوب سختی باشد باید برخی شرایط خاص را دارا باشد. اول این که آلیاژ باید حاوی مقادیرقابل توجهی از حداقل یک عنصر یا یک ترکیب که با کاهش درجه حرارت از حد حلالیت حالت جامد آن کاسته می شود باشد یعنی این عناصر یا ترکیبات باید دارای حلالیت حالت جامد قابل توجهی در درجات حرارت بالا و حلالیت حالت جامد ناچیز در درجات حرارت پائین باشند.

شرط دوم این است که عنصر یا ترکیبی که در محلول جامد فوق اشباع نگه داشته می شود باید رسوب کرده و تولید تغییر فرم ها و اعوجاج شبکه ای در آلومینیوم بنماید. معمولاً رسوب این عناصر یا ترکیبات بتدریج باعث سخت تر شدن آلیاژ شده تا این که سختی آن به یک مقدار حداکثر برسد. ادامه عملیات رسوب گیری پس از این نقطه باعث کاهش سختی می گردد.آلیاژهائی که به مقدار کافی پیر نشده و به سختی حداکثر نرسیده باشند را کم پیری(underaged)و آلیاژهائی که از سختی حداکثر رد شده باشندیا بمدت طولانی تر پیر شده باشند را پرپیری(overaged)می نامند .

فرایند رسوب سختی آلیاژهای آلومینیوم را می توان بصورت زیر خلاصه نمود:

۱-گرم کردن به درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال (حل کردن)

۲-حرارت دادن در آن درجه حرارت برای مدت زمان کافی

۳- سریع سرد کردن به درجه حرارت نسبتا پایین

۴-پیر کردن برای رسوب سختی از طریق:

v    الف- پیرکردن طبیعی در درجه حرارت محیط یا،

v    ب- پیر کردن مصنوعی بوسیله حرارت دادن در یک درجه حرارت پائین۲۶۰-۹۳ درجه سانتی گراد بمدت لازم.

به عنوان مثال عملیات حرارتی یک آلیاژ  AL -cu 4% را در نظر بگیرید. ابتدا آلیاژ به ۵۰۴ درجه سانتی گراد حرارت داده  می شود تا تمام مس وارد محلول جامد گردد. سپس آلیاژ در آب سرد سریعاً سرد می گردد تا به درجه حرارت محیط برسد. اگر آلیاژ به ۱۷۱ درجه سانتی گراد بمدت ده ساعت حرارت داده شود از طریق پیر کردن مصنوعی سخت می گردد. باید توجه داشت که اگر این آلیاژ حاوی ۵/۰ درصد منیزیم باشد می تواند در درجه حرارت محیط بصورت طبیعی پیر سخت شود.

۱-عمل حرارتی انحلال  (Solution Heat Treatment):

درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال طوری انتخاب می گردد که بالاتر از منحنی حلالیت جامد باشد ولی خطر ذوب اجزاء یوتکتیکی نقطه ذوب پائین وجود نداشته باشد. معمولاً کنترل درجه حرارت کروه در حدود دقت  ۵/۵+  درجه سانتی گراد نگه داشته می شود. آلیاژهائی که حتی چند درجه بیشتر از حد معین حرارت داده شوند بطور جزئی ذوب شده و در آن صورت فلز مربوطه را باید به علت از دست دادن خواص مکانیکی بصورت قراضه و ضایعات در آورد.

زمان لازم برای عملیات حرارتی انحلال بستگی به آلیاژ و نوع محصول دارد. بطور کلی قطعات کار شده احتیاج به زمان کمتری نسبت به قطعات ریختگی داشته و قطعات کار سرد شده زمان کمتری نسبت به قطعات کار گرم شده دارد. قطعات در ماسه به علت درشت بودن اجزاء ساختمانی آنها زمان بیشتری نسبت به قطعات ریختگی در قالب دائمی دارد. در مورد اغلب محصولات صفحه ای ورق، نیم ساعت تا دو ساعت زمان کافی برای عملیات حرارتی انحلال است، از طرف دیگر برخی از قطعات ریختگی ممکن است تا ۱۲ ساعت حرارت دادن نیاز داشته باشند. اگر ماده کار سرد شده باشد باید آن را تقریباً به سرعت به درجه حرارت انحلال لازم رسانید تا از رشد دانه ها جلوگیری گردد.

باید به تفاوت بین عملیات حرارتی انحلال و عملیات تا بکاری کردن توجه شود. در هر دو مورد فرآیندهای بازیابی، تبلور مجدد و رشد دانه بطور مشابه انجام می گیرد. در هر حال عملیات حرارتی انحلال نسبت به عملیات تابکاری در درجه حرارت بالاتری انجام می شود تا به اجزاء ساختمانی لازم چون اجازه انحلال و ورودی به محلول جامد داده شود، که پس از آن رسوب می کند. در تابکاری قطعات، این اجزاء ساختمانی به مقدار زیادی وارد محلول جامد نمی گردد ولی اجازه رشد و درشت تر شدن ذرات داده     می شود. قطعات عملیات حرارتی انحلال شده نسبت به قطعات تابکاری شده، به علت استحکام بخشی از طریق محلول جامد حاصل، معمولاً سخت تر هستند.

۲- سریع سرد کردن (Quenching) :

پس از این که اجزاء ساختمانی وارد محلول جامد گردیدند آلیاژ آلومینیوم به سرعت به درجه حرارت پائینی سرد می شود تا این اجزاء در محلول باقی بمانند. معمولی ترین محیط های سرد کردن آلیاژهای آلومینیوم آب داغ و آب سرد است.

سریع سرد کردن در آب سرد برای مواد نازکی چون ورق، قطعات فشار کاری شده، لوله و قطعات پتکاری شده کوچک بکار می رود. درجه حرارت آب زیر ۲۹ درجه سانتی گراد نگه داشته می شود و اجازه افزایش بیش از ۱۱ درجه سانتی گراد به آن داده نمی شود. این سرد شدن ناگهانی حداکثر مقاومت در مقابل خوردگی را به آلیاژ می دهد ولی ممکن است باعث اعوجاج قطعه گردد. عموماً پس از سریع سرد کردن در آب سرد نمونه را صاف می کنند تا هر گونه چین و چروک و عیوب دیگر از این نوع را حذف نمایند.
سریع سرد کردن در آب داغ بر روی قطعات سنگین آلومینیومی چون قطعات بزرگ پتکاری شده و ریختگی که در مورد آنها مقاومت خوردگی زیاد مهم نیست بکار می رود. سریع سرد کردن در آب داغ عموماً در ۶۶ درجه سانتی گراد تا ۸۲ درجه سانتی گراد و یا در ۱۰۰ درجه سانتی گراد (آب جوش) انجام می گیرد. چون سرد کردن در آب داغ آهسته تر از سرد کردن در آب سرد است بنابراین اعوجاج قطعه در این مورد خیلی زیاد نبوده و به مقدار حاصل در آب سرد نیست.

۳-پیرسازی (Ageing:

آلیاژهای آلومینیوم پس از عملیات حرارتی انحلال و سریع سرد کردن پیر می شوند تا رسوب دهند. سریع سرد کردن از درجات حرارت بالا قسمت اعظم عناصر محلول را در درجات حرارت پائین در داخل محلول جامد فوق اشباع نگه می دارد. در هر حال آلیاژهای آلومینیوم قابل سخت شدن از طریق رسوب گیری در حالت سریع سرد شده ناپایدار هستند. در اثر پیر شدن، ذرات بسیار ریز میکروسکوپی تشکیل می گردند که به عنوان مانع در دانه ها و مرزدانه ها عمل می نمایند. این ذرات بسیار ریز پخش شده در آلیاژ بقدری به آن استحکام می بخشند که آلیاژ می تواند بار بیشتری را تحمل کرده و تغییر فرم بیشتری را بدست آورد. اندازه و چگونگی توزیع رسوب بسیار مهم است زیرا ذرات بسیار درشت باعث ایجاد خواص مکانیکی ضعیف تر از خواص مکانیکی مطلوب می گردند. آلیاژهای آلومینیوم قابل پیر شدن طبیعی استحکام کامل خود را پس از ۴ تا ۵ روز در درجه حرارت محیط بدست می آورند. در حدود ۹۰ درصد حداکثر استحکام قابل حصول در این آلیاژها پس از ۲۴ ساعت حاصل می گردد. شکل دادن آلیاژهای قابل پیر سختی طبیعی عموماً در حالت نرم قبل از پیر سختی انجام می گیرد. با قرار دادن قطعات درست پس از سریع سرد شدن و قبل از پیر سختی طبیعی یافتن دریخ خشک۷۳تا ۴۶  درجه سانتی گراد می توان از رسوب گیری جلوگیری نمود تا قطعه در زمان لازم مورد استفاده قرار گیرد.  پیر سختی مصنوعی آلیاژهای آلومینیوم عموماً در درجات حرارت ۲۶۰-۹۳ درجه سانتی گراد انجام می گیرد وقت درجه حرارت در حد ۳ + درجه سانتی گراد نگهداشته می شود. زمان لازم برای عمل بستگی به آلیاژ و درجه حرارت پیرسختی دارد وقتی که یک آلیاژ جدید ساخته شد در درجات حرارت و برای مدت زمان های مختلف منحنی های پیر سختی تجربی رسم می گردد تا مشخصات پیر سختی مناسب بدست آید.

رسوب سختی آلیاژهای کار پذیر آلومینیوم:

رسوب سختی در برخی از انواع مهم سیستم های آلیاژی آلومینیوم در اینجا مورد بررسی قرار می گیرد. برای درک بهتر باید به نمودارهای تعادلی که در فصول قبلی آورده شده است نیز مراجعه شود.

۱-آلیاژهای   Al-Cu  :

همان گونه که ذکر گردید فرآیند رسوب سختی برای اولین بار بوسیله wilm در آلیاژ آلومینیوم حاوی ۵/۴ درصد مس و ۵/۰ درصد منیزیم مشاهده گردید. به این دلیل سیستمAl-Cu-Mg  سیستمی است که مورد بررسی و تحقیق زیاد قرار گرفته است.

مکانیزم رسوب دادن ذرات :

۱- عملیات حل سازی درمنطقه محلول جامدآلفا انجام شود(حدود ۵۱۵ درجه سانتی گراد) :

ابتدا آلیاژآلومینیوم با ۴% مس باید تا حدود ۵۱۵ درجه سانتی گراد گرم شود تا اینکه اتم های مس و آلومینیوم به طور تصادفی به داخل محلول جامد همگن آلفا نفوذ کند. آلیاژ در این مرحله از محلول جامد آلفا تشکیل شده است.

۲- تا دمای اتاق یا کمتر به سرعت آبدهی شوند:

این عملیات یک محلول جامد فوق اشباع مس در آلومینیوم ایجاد میکند. آلیاژآلومینیوم با ۴% مس در این شرایط پایدار نیست و سعی میکند با ساختن فازهای نیمه پایدار انرژی سیستم را کاهش دهد.نیروی محرکه فازهای نیمه پایدار،انرژی زیاد محلول جامد فوق اشباعنا پایدار مس در آلومینیوم است.

۳- در گستره دمایی ۱۳۰ تا ۱۹۰ درجه سانتی گراد به طور مصنوعی پیر شوند:

اگر چه برخی از آلیاژ ها در دمای اتاق تا استحکام مورد نظر پیر سخت می شوند، ولی اغلب آلیاژها باید در دمای بیشتر پیر شوند. در مورد آلیاژ آلومینیوم با ۴% مس دمای پیر سختی مصنوعی بین ۱۳۰ تا ۱۹۰ درجه سانتی گراد است.

ساختار هایی که به هنگام پیرشدن آلیاژهای آلومینیوم مس تشکیل می شوند عبارتند از :

الف : محلول جامد فوق اشباع .              

ب : مناطق GP .

پ : مناطق GP2  ( یا فاز “θ).   

ت : فاز θ.

ث : فاز θ.

ب : مناطق GP :

 این مناطق در دما های پایین تشکیل می شوندیعنی کمتر از ۱۳۰ درجه سانتی گراد ، و با جدایش اتمهای مس در محلول جامد  فوق اشباع آلیاژهایآلومینیوم مس بوجود می آیند. مناطق GP1 شامل دیسکهایی به ضخامت ۴ تا ۶ آنگستروم و قطر ۸۰ تا ۱۰۰ آنگستروم است که بر سطوح مکعبی {۱۰۰} زمینه ساخته می شوند. طبق نظریه دالگرین مناطق GP1 درصد کمی مس دارد. مناطق GP1 با میکروسکوپ الکترونی قابل مشاهده میباشد. این مناطق از حرکت نابجاییها جلوگیری مکنند و باعث کاهش شکل پذیری و افزایش استحکام می شوند.این مناطق بدلیل آنکه قطر اتمی مس حدود ۱۱ درصد کمتر از آلومینیوم بوده پارامتر شبکه مکعبی منطقه کمتر از شبکه زمینه است و در نتیجه به صورت تتراگونال کشیده می شود.

پ : مناطق GP2  ( یا فاز “θ) :

مثلمناطق GP1 ، مناطق GP2 نیز ساختاری تتراگونال دارند و با صفحات {۱۰۰} زمینه آلومینیوم با ۴% مس یا آلیاژ های مشابه همدوس هستند. در مراحل اولیه تشکیل مناطق GP2 به نظر می رسد که مقدار مس کم است ولی با افزایش زمان پیر شدن هم مقدار مس و هم اندازه رسوب ها افزایش می یابد. قتی که پیر شدن در دمای ۱۳۰ تا ۱۹۰ درجه سانتی گراد انجام شود  مناطق GP2 سختی آلیاژ آلومینیوم با ۴% مس را بیشتر افزایش می دهد .

ت : فاز θ :

فرا پیری آلیاژ آلومینیوم با ۴% مس زمانی رخ می دهدکه فاز کاملا نامربوط ، نا همدوس و نیمه پایدار ‘θبه وجود آید.این فاز به صورت ناهمگن مخصوصا روی نابه جایی ها جوانه می زند. اندازه فاز ‘θ به مدت زمان و دمای پیری بستگی دارد . وقتی این فاز به تنهایی ظاهر شود آلیاژ در فرا پیری است.

ث : فاز θ :

پیر کردن در دمای ۱۹۰ درجه سانتی گراد یا بیشتر برای مدت خیلی طولانی فاز تعادلی نا همدوس ‘θ، Cu Al2 را ایجاد می کند .این فاز دارای ساختار BCT  بوده و وقتی که آلیاژ در شرایط فرا پیری شدید باشد بوجود می آید. فاز θ با از بین رفتن فاز ‘θبوجود می آید.

آلیاژهای  Al-Mg-Si  :

همان گونه که قبلاً گفته شد جزء اصلی سخت کننده در این آلیاژها است که به مقدار یک تا دو درصد موجود است. حد حلالیت جامد در درجه حرارت یوتکتیک در حدود ۸۵/۱ درصد بوده به تدریج با کاهش درجه حرارت به تا درجه حرارت محیط به حدود ۱/۰ درصد کاهش می یابد. مکانیزم رسوب گیری هنوز موردشک و تردید می باشد ولی اعتقاد بر این است که رسوبات بصورت رشته های کوچکی رسوب می کنند که بعداً بصورت ورقه های کوچک رشد می نمایند.

این آلیاژها عموماً در ۵۲۱ درجه سانتی گراد عملیات حرارتی انحلال می شوند، ولی در واقع استحکام آنها با افزایش درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال به تا ۵۲۲ درجه سانتی گراد افزایش می یابد. برای پرهیز از بیش از حد داغ شدن و ذوب در عملیات تجارتی از درجات پائین تر از ۵۲۱ درجه سانتی گراد استفاده می شود. برای حصول حداکثر استحکام، آلیاژهای Al-Mg-Si باید از درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال سریعاً سرد شوند. این آلیاژها بصورت طبیعی پیر نمی شوند زیرا درجه حرارت محیط خیلی آهسته و بتدریج پیر سخت می گردند.

چون پیر شدن طبیعی برای مدت زمان کوتاه تولید استحکام بقدر کافی و پایداری نمی کند بنابراین برای آلیاژهای تقریباً همواره از پیر کردن مصنوعی استفاده می گردد. پیر کردن در درجات حرارت پائین تر و برای مدت زمان های طولانی تر بالاترین استحکام را ایجاد می نماید. آلیاژ ۶۰۶۱ معمولاً از طریق عملیات حرارتی انحلال، سریع سرد کردن و پیر سختی مصنوعی ساخته می شود.

 -۳آلیاژهای Al-Zn-Mg-Cu

روابط تعادلی در درجات حرارتی مختلف برای سیستم Al-Zn-Mg-Cu قبلاً مورد بررسی قرار گرفته بود.  مهمترین فازهای رسوبی که باعث سختی می شوند و می باشند. ذرات در این آلیاژها که حاوی روی بیشتری نسبت به منیزیم هستند موثر تر می باشند .بنظر می رسد که رسوب گیری در آلیاژهای Al-Zn-Mg بصورت زیر انجام می گیرد :

←فاز واسطه ←مناطق .G.P.در آلومینیم

با افزایش مس به آلیاژهای Al-Zn-Mg فازهای تشکیل می شود ولی به نظر می رسدکه در انیجا نیز فاز اصلی سخت کننده رسوبات باشند.

چون این آلیاژها دارای یوتکتیکهای نقطه ذوب پایینی هستند باین جهت آنها را در ۴۷۷-۴۴۳ درجه سانتی گراد عملیات حرارتی انحلال می نمایند.چگونگی پیر سختی آلیاژ۷۰۷۵ در درجه حرارت محیط و۱۸-درجه سانتی گراد در شکل ۱۶ نشان داده شده است.مانند آلیاژهای Al-Cu می توان با نگهداشتن این آلیاژها در درجات حرارت پایین ،پیر سخت شدن طبیعی آنها را به تأخیر انداخت . آلیاژ ۷۰۷۹ دارای مشخصات پیر سختی طبیعی مشابه ۷۰۷۵ بوده ولی استحکام کمتری در این آلیاژ تولید می شود

پیر سخت شدن طبیعی آلیاژهای Al-Zn-Mg-Cu گرچه باعث افزایش استحکام می گردد ولی تولید فلز ناپایداری کرده وبنا براین این آلیاژها فقط به حالت پیر سخت شدن مصنوعی مورد استفاده قرار می گیرند.منحنی های پیر سختی مصنوعی آلیاژ ۷۰۷۵ که در ان پیر سختی از ۱۷ روز پس از سریع سرد شدن آلیاژ از درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال شروع شده است.

پاسخ دهید