پروژه عملیات حرارتی رسوب سختی

پروژه عملیات حرارتی رسوب سختی

با توجه به اینكه اساس موضوع پروژه بر پایه عملیات حرارتی رسوب سختی1 می باشد لازم است برای درك آسان مطالب توسط مخاطب، مقدماتی راجع به این عملیات بیان شود. توضیح بیشتر در مورد این عملیات حرارتی در ادامة مباحث آورده خواهد شد.

برای افزایش استحكام و سختی یك آلیاژ، تنها دو روش اصلی وجود دارد: كارسرد 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 كه قابلیت انحلال در درجه حرارتهای بالاتر بیشتر از قابلیت انحلال در درجه حرارتهای پایین تر باشد.

پیر سختی یكی از روش های استحكام بخشی به مواد فلزی با اضافه كردن ذره های سخت و كاملاً  پراكنده 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 كه آن رسوبات را درخود حل كرده است پدید آورد. اگر با این عمل فلز استحكام یافت آن را رسوب سختی می نامند كه روشی قابل استفاده در سطحی وسیع برای استحكام بخشی مواد فلزی است.

بطور كلی در عملیات حرارتی پیر سختی (رسوب سختی) سه مرحله وجود دارد:

1)عملیات حرارتی انحلالی1 (محلول سازی) در دمای نسبتاً بالا در ناحیه تك فازی به منظور حل شدن عناصر آلیاژی

2)كوانچ(آبدهی)2 تا دمای محیط برای بدست آوردن محلول جامد فوق اشباع از این عناصر در آلومینیوم

3)پیر سازی3 (تجزیه كنترل شدة محلول جامد فوق اشباع برای تشكیل رسوبات ریز و پراكنده در زمینه فلز)

آلیاژ پس از اینكه در یك مدت مشخص تا یك دمای مشخص در منطقة تكفازی حرارت داده شد، در آب سریع سرد می شود. حال آلیاژ كوانچ شده، یك محلول جامد فوق اشباع است و بنابراین در یك حالت ناپایدار قرار دارد، بطوری كه اتم محلول اضافی، تمایل دارد كه از محلول خارج شود. منظور از انجام عملیات حرارتی محلول سازی، حصول انحلال كامل عناصر آلیاژی است. در مرحلة سوم از عملیات حرارتی پیر سختی، به تجزیة كنترل شدة محلول جامد فوق اشباع عناصر آلیاژی اصلی در آلومینیوم برای تشكیل رسوبات ریز و پراكنده در زمینه آلومینیوم پرداخته می شود . به عبارتی مرحلة پیر سازی، اجازه دادن به فاز استحكام 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[1] گفته می شود اما اگر این عملیات با حرارت دادن قطعه در دماهای پایین انجام شود به آن عملیات حرارتی پیرسازی مصنوعی[2] نسبت داده می شود.

در واژگان تخصصی عملیات حرارتی ، T6 و T4 به ترتیب به آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر پیر سخت شدة مصنوعی و طبیعی آلومینیوم اطلاق می شود.

آلومینیوم:

آلومینیوم به عنوان یك فلز استراتژیك در پیشرفت و توسعه كشورهای مختلف جهان نقش موثری را ایفا نموده است. آلومینیوم سومین عنصر از لحاظ فراوانی (%8 ) در پوسته زمین بعد از اكسیژن(%47) و سیلیس (%28) می باشد. این عنصر در طبیعت بصورت خالص یافت نشده و اغلب بصورت تركیبات سیلیكاته و مخلوط با سایر اكسیدها می باشد كه 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 كوتاهی به عنوان یك ماد ه صنعتی می باشند. با این حال به علت انواع خواص مورد نیاز صنعت مدرن كه 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 كابل های انتقال الكتریسته با ولتاژ زیاد نیز توسعه یافته  بود، ولی در خلال جنگ نیاز به طرح های جدید هواپیما و آلیاژهای پر استحكام، توسعه و مصارف جدید آلومینیوم را سرعت بخشید. پس از جنگ نیز مصارف شهری- صنعتی آلومینیوم گسترده گشت و امروزه این فلز به عنوان یك 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 الكترولیز كلرید آلومینیوم:

ابتدا وهلر آلومینیوم خالص را به وسیله الكترولیز كلرید آلومینیوم در مجاورت پتانسیل تولید نمود (سال 1829 م). دویل سدیم را جانشین پتاسیم نمود كه نتیجه آن ساخت اولین كارخانه تولید آلومینیوم با ظرفیت بسیار پایین بود. این دو روش بسیار پر هزینه بودند و همین امر باعث شده بود كه آلومینیوم همانند طلا و نقره ارزش پیداكند.

2)روش الكتروترمیك:

در این روش اكسید آلومینیوم توسط كربن در دمای بالاتری از نقطة ذوب  ₃ O₂ AL احیا         می شود. آلومینیومی كه بدین روش تولید می شود، حاوی مقداری كربن می باشد. این عملیات معمولاً در كورة قوسی صورت می گیرد.

1-precipitation hardening

1-solution treatment

2-quench

3-aging

1-naturally aging

2-artificially aging

....

طبقه بندی و نامگذاری حالت آلیاژهای آلومینیوم:

در خلال سالهای اولیه صنعت آلومینیوم هر آلیاژ جدیدی كه ساخته و پرداخته می شد، به وسیله كمپانی 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 كلی نام گذاری عمومیت یافت كه عبارت بودند از :

سیستم تجاری،سیستم ASTM و سیستم SAE مثلاً آلیاژی كه 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 كشورها نیز سیستمهای قرار دادی دیگر مورد استفاده قرار می گرفت واضح است كه یك چنین اسامی مختلف و در همی برای صنعت نامناسب است. به ناچار یك سیستم مشخص تر و استاندارد تر به اسمAA برای آلیاژهای كارپذیر آلومینیوم یعنی آلیاژهایی كه از طریق مكانیكی به شكل لازم در می آیند، نه از طریق ریخته گری، پیشنهاد و اكنون مورد استفاده قرار می گیرد. در این سیستم نامگذاری ، آلیاژهای كارپذیر آلومینیوم بر اساس عناصر آلیاژی اصلی خود به هشت گروه مختلف تقسیم می گردند. مشخصات كامل آلیاژ بوسیله 4 عدد از هم تفكیك می گردد. رقم اول از سمت چپ نشان دهندة 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 كند.

با توجه به اینكه 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 كمتر 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 یك شماره سریال عمل می كنند 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 كه به عنوان آلیاژهای واقعی آلومینیوم شناخته می شوند، اعداد سوم و چهارم از سمت چپ فقط جهت تفكیك آلیاژها در یك گروه از هم بكار می روند. رقم دوم مانند قبل نشان دهنده تغییر یا كنترل خاصی بر روی آلیاژ است. اگر این رقم صفر باشد به معنی این است كه 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 دهندة مرحلة تغییر است. مثلاً آلیاژ 2218 به معنی دومین تغییر در آلیاژ 2018 است، یعنی اینكه تركیب آلیاژ همان تركیب 2018 می باشد، باستثناء اینكه مقدار منیزیم آن حدوداً به 2 برابر مقدار اولیة آن رسیده است.

آلیاژهای غیر قابل عملیات حرارتی:                     Non-Heattreatable  alloys 

تركیبات آلیاژهای كارپذیر كه به عملیات حرارتی عكس العمل نشان نمی دهد اساساً از انواع آلومینیوم و آلیاژهای حاوی منگنز یا منیزیم به عنوان عنصر اصلی آلیاژی بصورت تنها یا در تركیب با هم تشكیل می شوند . تقریباً %95 كل محصولات نورد شده آلومینیومی     (ورق ، صفحه، زرورق) از این سه گروه آلیاژی تشكیل شده اند . در این آلیاژها استحكام از طریق كرنش سختی و معمولاً بصورت كاربرد در خلال شكل دادن به قطعه ، به همراه سختی پراكندگی (AL-MN) یا استحكام بخشی توسط محلول های جامد(AL-MG) و یا هردو این روش ها (AL-MN-MG)حاصل می شود. آلیاژ های گروه ***8 اغلب به عملیات حرارتی عكس العمل نشان نمی دهند و برای موارد خاص مانند یاتاقان ها و درپوش بطری استفاده دارند.

آلومینیوم خیلی خالص و آلومینیوم با خلوص تجارتی (گروه***1):

این گروه آلیاژی شامل آلومینیوم پرخلوصSP) )(%99/99) و انواع آلومینیوم های با خلوص تجاری (CP) حاوی تا %1 نا خالصی یا عناصر افزودنی جزئی است. خواص كششی این آلیاژها پایین بوده و آلومینیوم پر خلوص آنیل شده دارای تنش سیلان MPA11-7 است .